創(chuàng)建靈敏的MEMS結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)介紹

表面微加工技術(shù)可用于創(chuàng)建微機(jī)電傳感器及激勵(lì)器系統(tǒng)，它能夠通過高適應(yīng)度的彈性，形成錨定在基底上的懸浮式結(jié)構(gòu)。該工藝流程借鑒了先進(jìn)的IC技術(shù)以及高縱橫比干蝕刻和犧牲層(sacrificial-layer)去除等專用的MEMS操作。意法半導(dǎo)體的Thelma(微加速計(jì)厚外延層)工藝與傳統(tǒng)微加工工藝不同，主要區(qū)別在于它采用了15微米厚的多晶硅外延層。

與傳統(tǒng)微加工工藝相比，Thelma工藝允許相對(duì)較厚的硅結(jié)構(gòu)。這會(huì)增加垂直表面積，從而增大平行于基底移動(dòng)的靜電激勵(lì)器中的總電容。

此外，與標(biāo)準(zhǔn)微加工工藝相比，Thelma工藝還允許更高的質(zhì)量，這反過來(lái)能實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的器件。該工藝更大的厚度還能減少交叉靈敏度誤差。同樣重要的是，該技術(shù)可以減少芯片面積，從而克服體型微加工(bulk micromachining)過程常見的設(shè)計(jì)局限。

可靠性測(cè)試證明多晶硅具有良好的耐疲勞性及抗沖擊性。此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)性外延多晶硅層，該工藝展現(xiàn)出極好的且可重復(fù)的電氣及機(jī)械屬性。楊氏系數(shù)、殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度等屬性可以方便地通過在器件上的測(cè)試結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。 Thelma工藝流程包括六個(gè)主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化(patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結(jié)構(gòu)層的外延生長(zhǎng)、用溝道蝕刻將結(jié)構(gòu)層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除與接觸金屬化沉積。

圖4：Thelma工藝流程包括6個(gè)主要步驟

在基底熱氧化階段，先用一個(gè)2.5微米厚的永久氧化物層(通過1,100℃的熱處理獲得)來(lái)覆蓋硅基底；緊接著，在熱氧化物上沉積第一層多晶硅，以實(shí)現(xiàn)水平互連的沉積與表面圖樣化。這一層定義了掩埋軌道，用于將電位和電容信號(hào)帶到器件外部。

在犧牲層階段，利用等離子增強(qiáng)型化學(xué)汽相淀積(PECVD)得到1.6微米厚的氧化層。該層與熱氧化層共同形成厚度為4.1微米的層，將移除部分與基底隔開。此步驟類似傳統(tǒng)表面微加工工藝中犧牲層的生成過程。

結(jié)構(gòu)化多晶硅層的外延生長(zhǎng)過程包括在反應(yīng)堆中生成一個(gè)15微米厚的外延多晶硅。結(jié)構(gòu)層圖樣化步驟則通過蝕刻一條直達(dá)氧化層的深度溝道來(lái)形成運(yùn)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)。

在最后一個(gè)主要階段，為了避免由毛細(xì)管作用而造成的任何粘著，它利用化學(xué)反應(yīng)將犧牲層氧化物去除。為獲得最大效率，此步驟需要在嚴(yán)格干燥的條件下完成。最后，再進(jìn)行接觸金屬化沉積，目的在于形成器件與金屬引線框之間的線邦定。最終的硅結(jié)構(gòu)由一系列垂直柱狀的單晶體構(gòu)成，每個(gè)晶體都是在一個(gè)外延反應(yīng)堆中生成的。

必須指出的是，工藝中采用的熱處理會(huì)在所獲得的MEMS器件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。專用測(cè)試結(jié)構(gòu)，如樞軸或伽馬形樣本等可以被用來(lái)對(duì)這些應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)試結(jié)果表明，這些殘余應(yīng)力具有壓縮性，而且其值很小(低于10 MPa)，一般發(fā)生在與基底平行運(yùn)動(dòng)的多晶硅層中。該層的應(yīng)力梯度也能得到很好的控制。對(duì)SEM圖片的分析表明，事實(shí)上，測(cè)試光束的最大面外位移(out-of-plane displacement)偏差值在1,000微米長(zhǎng)度上小于1微米。

Thelma 工藝可以實(shí)現(xiàn)模擬輸出慣性三軸傳感器等器件，這種器件能夠在4kHz(x與y方向)及2.5 kHz(z方向)的最大帶寬范圍內(nèi)測(cè)量2或6個(gè)g(滿量程，可由用戶選擇)的靜、動(dòng)態(tài)加速度。100Hz帶寬內(nèi)的分辨率為0.5mg。該系列傳感器的其他特性包括2.4V至5V單電源工作、與電源電壓成比例的輸出電壓偏移與靈敏度、嵌入式自檢能力、高耐沖擊性及工廠微調(diào)等。Thelma 工藝還可以制造數(shù)字輸出加速計(jì)，它由2.4V至3.6V單電源供電，帶有1.8V兼容I/O及I2C/SPI數(shù)字輸出接口。

該加速計(jì)芯片可被客戶用作運(yùn)動(dòng)激活功能的基礎(chǔ)，用于移動(dòng)終端、汽車防盜及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、振動(dòng)監(jiān)視與補(bǔ)償系統(tǒng)以及機(jī)器人控制應(yīng)用中。