[发明专利]双材料悬臂梁应力匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于微细加工领域，涉及一种基于MEMS技术的双材料悬臂梁的应力匹配方法。

背景技术

随着MEMS技术的发展，双材料悬臂梁结构已得到越来越多的应用。如生物传感器、微镜阵列、电容型红外探测器、热-机械型红外探测器等等。这些应用都是基于被测外界的物理要素施加到双材料悬臂梁，使其发生变形，然后通过光学或电学读出的方法检测该变形量，变形量的大小反应了被测要素的强度，由此检测出被测物理量。

然而，在实际制作中，通常会由于制作工艺过程而引入残余应力，从而使双材料薄膜中应力不同而造成释放后双材料悬臂梁发生初始弯曲变形，进而使得所设计的器件灵敏度降低甚至工作失效。因此，为了使设计的器件有效工作，必须在实际制作工艺中调整双材料薄膜中的残余应力使之实现应力匹配。

现报道的薄膜应力调整技术主要有以下三种：1.通过改变薄膜淀积设备的具体工艺参数来调整薄膜的应力，由此实现双材料的应力匹配。该方法对所有薄膜应力调整均适用，但由于工艺参数较多，调整起来较繁琐。2.通过在淀积的薄膜中进行离子注入来实现应力调整。该方法通常需要进行高能量、高剂量的离子注入来实现应力匹配，导致薄膜的晶格结构遭到破坏，同时注入的离子可能使薄膜的原始特性发生变化，这一缺点限制了其应用范围。3.在薄膜制作中引入应力梯度，该方法适用范围广，但常规薄膜淀积设备通常很难制作出具有较大应力梯度的薄膜，因此该方法对设备和工艺要求较高。

综上所述，现有的双材料薄膜应力匹配技术不够完善，无法低成本而高效率地消除残余应力。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于低成本而高效率地消除残余应力以使得双材料薄膜实现应力匹配。

为此，本发明提供了一种双材料悬臂梁的应力匹配方法，包括：在衬底上形成第一下层薄膜，具有第一应力和第一厚度；在第一下层薄膜上形成第二下层薄膜，具有第二应力和第二厚度，其中第一下层薄膜和第二下层薄膜为不同方法形成的同种材料；在第二下层薄膜上形成上层薄膜，具有第三应力，其中，调整第一厚度和第二厚度以及上层薄膜的第三厚度，使得第一下层薄膜、第二下层薄膜与上层薄膜达到力矩平衡，即可实现应力匹配；通过光刻、刻蚀形成所需梁结构，腐蚀衬底，释放得到由第一下层薄膜、第二下层薄膜以及上层薄膜组成的双材料悬臂梁。

其中，第一应力和/或第二应力小于0。其中，第二应力的绝对值大于第一应力的绝对值。

其中，第三应力大于0。

其中，第一下层薄膜和/或第二下层薄膜包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅、玻璃及其组合。

其中，上层薄膜包括掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合。其中，金属包括Al、Au、Ti、Cr、Ni、Ta、Mo及其组合。

其中，沉积形成第一下层薄膜和/或第二下层薄膜的方法包括PECVD、LPCVD、HDPCVD、ALD及其组合，沉积形成上层薄膜的方法包括蒸发、溅射、MOCVD、ALD及其组合。

依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法，通过两种薄膜淀积方式淀积双材料悬臂梁中的双层结构的下层薄膜，从而在下层薄膜中引入台阶式应力梯度，通过控制下层薄膜的厚度来实现双材料悬臂梁力矩平衡，进而低成本高效率地实现双材料悬臂梁的应力匹配。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法的流程图；以及

图2至图5为依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法各步骤的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种新型的双材料悬臂梁的应力匹配方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。