[发明专利]一种悬臂梁结构、制作方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种悬臂梁结构及制作方法，更确切地说本发明涉及一种以硅各向异性腐蚀为关键技术制造的悬臂梁结构和制作方法。属于微电子机械系统领域。

背景技术

悬臂梁是非常重要的MEMS结构部件，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺、谐振器等。在以往的悬臂梁制作中，大多采用硅的各向异性湿法腐蚀方法或干法刻蚀方法或干法刻蚀方法与湿法方法结合的方法。硅的各向异性湿法腐蚀方法制作的悬臂梁，是利用硅的各向异性腐蚀的特性，在(100)硅片上获得各种断面形状的悬臂梁，如图1所示。

在弹性梁的制作上，可以采用高掺杂的自停止腐蚀的方法(L.BruceWilner，Differential capacitive transducer and method of making，US Patent no.4,999,735)，所述的方法虽然能够将梁的厚度控制在很小的范围内，但是由于掺杂的不均匀性，导致梁的厚度的不一致，更重要的是掺杂引入了应力，会影响器件的性能。

采用干法刻蚀方法与湿法方法结合的方法，在制作弹性梁时，常常是分两步进行，先腐蚀出悬臂梁所在区的图形，得到和所要的悬臂梁厚度的膜，而后再用干法刻蚀技术制作弹性梁，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structurewith L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384，这种方法在精确控制梁厚度方面存在困难，增加了工艺的复杂度，而且需要使用昂贵的设备，增加了器件制作的成本。

采用无掩模的腐蚀方法，形成悬臂梁，如Jean Hermann等，micromachinedmeasuring cell with arm supported sensor，US Patent No.5551294，这种方法增加了控制悬臂梁厚度及形状的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可精确控制尺寸的单晶硅悬臂梁结构及制作方法，所提供的悬臂梁结构特征在于：

(1)悬臂梁的断面为五边形；

(2)悬臂梁上表面为单晶硅(100)晶面；

(3)悬臂梁下表面由两个(111)晶面组成，两个(111)晶面形成70.6度夹角；

(4)悬臂梁断面的两个侧面分别和上表面形成的夹角为90度或锐角；

(5)悬臂梁下表面(111)晶面分别和悬臂梁的侧面的夹角为35.3度锐角。

本发明所提供的一种可精确控制单晶硅悬臂梁结构尺寸的制作方法，其特征在于：

(1)通过干法刻蚀，形成单晶硅悬臂梁的两个垂直于上表面的侧面；

(2)用氧化硅将悬臂梁的上表面和两个侧面保护起来；

(3)利用硅的各向异性腐蚀，在单晶硅悬臂梁的底部，形成两个(111)晶面，终止硅的各向异性腐蚀对悬臂梁的腐蚀作用。

(4)单晶硅悬臂梁的厚度，由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定。

制作的工艺步骤具体描述如下：

1、光刻(100)硅片，用硅干法刻蚀方法，刻蚀出悬臂梁的两个垂直于硅片表面的侧面，悬臂梁的方向沿<110>晶向；

2、用氧化硅覆盖悬臂梁的上表面和两个侧面；

3、光刻硅片另一面，去除悬臂梁正对硅片另一面的氧化硅；

4、用硅各向异性腐蚀液硅片，直至悬臂梁形成。

由于设计中的弹性梁的结构很小，同时为了保证截面形状一致以及矩形的质量块，光刻时必须严格对准<110>晶向。

单晶硅悬臂梁的厚度，由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁的高度确定。梁的断面形状，可以根据以下计算方法，进行图形设计。

设所述的悬臂梁的宽度为W，干法刻蚀悬臂梁的深度为H也就是形成的悬臂梁的总高度，最终形成的悬臂梁的厚度为h₀，则经过各向异性腐蚀后形成的梁的断面的形状各种形状为：

当H=22W,]]>形成的悬臂梁断面刚好是五边形，此时悬臂梁的厚度h₀＝0，如图2(a)所示；