專利名稱：一種增加變形梁強度和使用壽命的結構及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種增加變形梁強度和使用壽命的結構及其應用，屬于微電子 機械系統技術領域。
背景技術：
憑借微加工和微制造技術的不斷發展，MEMS器件以其低成本，高性能， 高集成度和適于大批量生產等特點，開始應用于工業、信息和通信、國防、 航空航天、航海、醫療和生物工程、農業、環境和家庭服務等領域。隨著器 件的廣泛使用，人們對MEMS器件的穩定性，可靠性，和使用壽命也提出了 更高的要求。
在MEMS器件中，梁型結構有著廣泛的應用，利用梁的變形而產生的效 應所制造的微傳感器和微執行器有很多，如懸臂梁式壓力傳感器，懸臂梁式 加速度傳感器，壓阻式加速度傳感器，懸膜式微型加熱器，懸膜式氣體傳感 器，微探針，微機械開關等。通常這些梁與支撐端的連接處形成T形結構或 者斜T形結構，如圖1所示。器件工作時，梁的變形會在T形連接處產生應 力集中。反復變形或者大變形很容易造成連接處出現劈裂，導致器件失效。
為了增加變形梁的強度和使用壽命，一般采用的方法是增加梁的厚度或梁 的寬度。雖然能在一定程度上提高了梁的強度，增加了梁的使用壽命，但這 樣卻影響了器件的性能。比如，增加懸臂梁式加速度計的梁的厚度或者寬度， 在同樣加速度的作用下，加厚加寬的懸臂梁產生的形變減小，降低了器件的 靈敏度。增加懸梁式微型加熱器的梁的厚度或者寬度，就會增加中心加熱區 向襯底的熱量傳導，引起器件功耗上升，器件性能下降。本發明擬從另一角 度考慮，即不增加梁的寬度和厚度，而僅從改變梁的局部結構，達到提高變 形梁的強度和增強梁的使用壽命的目的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可以提高變形梁強度和使用壽命的結構及其 應用。所述的結構設計簡單，不增加新的工藝流程，只需改變梁的局部結構， 其特征在于懸梁結構與支撐端連接處的夾角都是鈍角。在實施上增加梁在 連接處的寬度，形成一個小的加固的轉角，如圖2所示，使梁與襯底連接處 的夾角均為鈍角，避免連接處出現直角或者銳角。 所述的梁形結構在幾何特征上有兩種
1， 寬度和厚度相當的實體梁，如圖3(a)所示。通過模型提取，這類梁 可以歸結為簡支梁，外伸梁，懸臂梁，兩端固支梁等。
2， 寬度和厚度比值懸殊的薄膜型梁，寬度和厚度的比值大于5: 1， 如圖3(b)所示。薄膜的材料可以是氧化硅，氮化硅，多晶硅和有機聚 合物等介質膜的一種或幾種的單層膜或復合膜，也可以是帶有金屬膜 的薄膜型梁結構。
所述的加固轉角的大小，比例和夾角視具體情況而定，轉角的設計根據 連接處的不同可以分為以下三種情況
1， 梁與襯底垂直連接構T形，如圖4(a)所示，連接處有兩個直角轉角，
采用本發明的加固方法，實施時改變梁的局部結構在連接處，用兩個
鈍角轉角替代兩個直角轉角，加固后的效果如圖4(b)所示。 2， 梁與襯底非垂直連接構成斜T形，如圖5(a)所示，連接處是一個銳 角轉角和一個鈍角轉角，加固方法是改變梁的局部結構增加一個鈍角 加固轉角，消除連接處的銳角，加固后的效果如5圖(b)所示。 3， 對于梁與襯底轉彎處連接情況下，連接處的轉角是兩個銳角，如圖 6(a)所示，改變梁的局部結構，使連接處的兩個銳角轉角變為鈍角，在 加固時就需要消除這兩個銳角，加固后的效果如圖6(b)所示。 在微機電系統中，梁型結構的彎曲變形和扭轉變形極易導致梁的損壞。特 別需要說明的是對于本發明提供的帶有轉角加固的梁型結構，其彎曲變形可 以分為兩類
1， 梁的彎曲變形方向與加固的轉角所在的平面垂直，如圖7(a)所示。 2， 梁的彎曲變形方向與加固的轉角在同一個平面內，如圖7(b)所示。
6本發明提供的帶有轉角加固的梁對上述兩類梁的彎曲變形都十分有效。 為了使梁與支撐端的連接處增加一個小的轉角，并不需要增加新的工藝， 只需要在版圖設計上做修改，使梁與支撐端形成鈍角。本發明的優點和效果 是改善了梁連接處的受力狀態，特別是解決了梁在大變形和反復變形時連接 處出現應力過大的問題，避免出現裂紋和劈裂現象，提高了梁的強度和使用 壽命，設計簡單，無需增加新的工藝流程。
圖1為一般器件中未經加固的梁，(a)梁與支撐端的連接處形成T形結構， 在連接處形成的夾角是兩個直角，(b)梁與支撐端的連接處形成斜T形結構， 在連接處形成的夾角是一個銳角和一個鈍角。
圖2為本發明之經過轉角加固后的梁，(a)連接處為T形結構的梁的加固， 在兩個直角轉角處各增加一個小的轉角，使得每個直角都形成兩個鈍角，(b) 連接處為斜T形結構的梁的加固，在銳角轉角處增加一個小的轉角，使得該 角形成兩個鈍角。
圖3為不同幾何特征的梁，(a)為寬度和厚度相當的實體梁，(b)為寬度和
厚度比值懸殊的薄膜型梁。
圖4為與襯底垂直連接構成T形的梁，(a)加固前，(b)加固后。 圖5為與襯底非垂直連接構成斜T形的梁，(a)加固前，(b)加固后。 圖6為與襯底轉彎處連接的梁，(a)加固前，(b)加固后。 圖7為加固后的梁的兩種彎曲變形方式，(a)為梁的彎曲變形方向與加固
的轉角所在的平面垂直，(b)為梁的彎曲變形方向與加固的轉角在同一個平面內。
圖8為本發明在微探針中的應用，(a)懸梁未加固的微探針，(b)加固后的 微探針。
圖9為本發明在懸梁膜式微型加熱器中的應用，(a)薄膜型懸梁未加固的 微型加熱器，(b)加固后的微型加熱器。
圖IO為本發明在微型氣體傳感器中的應用，(a)薄膜懸梁未加固的微型氣 體傳感器，(b)加固后的微型氣體傳感器。
具體實施例方式
通過下面的轉角加固結構在幾個實例中的應用，進一步闡述本發明的實質 特點和顯著優點，但本發明絕非僅限于實施例。 實施例1:
本發明在微探針中的應用
1， 經過氧化的(100)硅片在氧化硅的保護下，利用硅各向異性腐蝕液
腐蝕硅片直到剩余硅的厚度是最終探針的厚度。
2， 再次氧化，并在氧化硅的保護下利用硅各向異性腐蝕形成倒金字塔 型凹槽。
3， deep-RIE刻蝕穿透硅片，形成金屬針尖過孔，控制好氣體流速從
而保持針尖的倒金字塔形狀。 4， 電鍍Ni形成探針針尖。 5， 濺射Ti/Cu形成探針引線和接觸電極。
6， 在氧化硅的保護下，兩次背面deep-RIE刻蝕硅，形成探針懸梁， 露出探針金屬針尖。 未經加固的探針變形時會在連接處的直角轉角產生應力集中，容易損 壞。通過版圖修改，背面deep-RIE刻蝕形成懸梁連接處帶有轉角的探針， 加固后的探針有效緩解了連接處因變形而產生的應力集中，既提高了梁形 結構的強度，也能滿足探針的反復形變，提高了使用壽命。 實施例2:
本發明在懸梁式微型加熱器中的應用
1 ， 在雙面氧化的(1 oo)硅片上沉積氮化硅氧化硅復合膜。 2， 在硅片正面制作出加熱電阻絲和接觸電極。 3， 正面光刻，利用RIE刻蝕復合膜形成腐蝕窗口。 4， 利用硅各向異性腐蝕液腐蝕襯底硅，釋放支撐懸梁和中心加熱區。 懸梁式微型加熱器為了實現中心加熱區高溫度低功耗，懸梁需要做的 細而長。由于受熱膨脹，懸梁的支撐端會產出很大的熱應力。對于同樣長 度和寬度的梁來說，未經加固的懸梁與支撐端的連接處都有一個銳角夾角 和一個鈍角夾角，熱應力易使梁在銳角夾角處發生劈裂，通過轉角加固后的懸梁，并不會引起器件功耗的明顯增加卻有效地降低了連接處的熱應 力，使得器件可以工作在更高溫度，壽命也得到顯著提升。 實施例3:
本發明在微型氣體傳感器中的應用
1， 在(IOO)硅片雙面氧化一層氧化硅。
2， 在硅片正面制作出第一層Pt/Ti，形成加熱層和接觸電極。 3， 沉積氮化硅氧化硅復合膜。
4， 在硅片正面制作出第二層Pt/Ti，形成氣體敏感層和接觸電極。 5， 利用硅各向異性腐蝕液腐蝕襯底硅，釋放支撐懸梁和中心膜區。 6， 利用電子束蒸發在中心膜區沉積氣體敏感膜。
在本實施例中，未加固前每個懸梁與支撐端連接處都形成兩個銳角， 加固后，銳角全部被鈍角取代，加固后緩解了銳角夾角處的集中應力.。 顯著提高了器件強度和使用壽命。
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權利要求
1、一種增強變形梁強度和使用壽命的結構，其特征在于增加梁與支撐端連接處的寬度，形成一個加固的轉角，使懸梁結構與支撐梁連接處的夾角為頓角。
2、 按權利要求1所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構，其特征在于所述的梁在幾何特征上為以下兩種中的任一種(a) 寬度和厚度相當的實體梁，通過模型提取，所述的實體梁為簡支梁， 外伸梁，懸臂梁或兩端固支梁；(b) 寬度和厚度比值大于5:1薄膜型梁。
3、 按權利要求2所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構，其特征在于 所述的薄膜型梁的材料為氧化硅、氮化硅、多晶硅和有機聚合物介質膜中的 一種或幾種的單層膜或復合膜；或是帶有金屬膜的薄膜型梁結構。
4、 按權利要求1所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構，其特征在于 所述的轉角根據連接處的不同分為下述三種情況(1) 梁與襯底垂直連接構T形，連接處有兩個直角轉角，改變梁的局 部結構，用兩個鈍角加固轉角替代連接處的兩個直角轉角；(2) 梁與襯底非垂直連接構成斜T形，連接處是一個銳角轉角和一個 鈍角轉角，改變梁的局部結構，消除連接處的銳角變為加固鈍角。(3) 對于梁與襯底轉彎處連接情況下，改變梁的局部結構，連接處的兩個銳角轉角，變為鈍角加固轉角。
5、 按權利要求l、 2或4所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構，其 特征在于(1) 加固的轉角所在的平面與梁的彎曲變形方向垂直；(2) 加固的轉角與梁的彎曲變形在同一平面內。
6、 按權利要求1所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構的應用，其特 征在于應用于多種帶有變形梁的MEMS器件中，包括微探針、懸梁式微型加 熱器或微型氣體傳感器。
7、 按權利要求6所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構的應用，其特 征在于(1) 所述的微探針的制作步驟是(a) 經過氧化的(100)硅片在氧化硅的保護下，利用硅各向異性腐蝕液 腐蝕硅片，直到剩余硅的厚度是最終探針的厚度；(b) 再次氧化，并在氧化硅的保護下利用硅各向異性腐蝕形成倒金字塔 型凹槽；(c) deep-RIE刻蝕穿透硅片，形成金屬針尖過孔，控制氣體流速從而 保持針尖的倒金字塔形狀；(d) 電鍍Ni形成探針針尖；(e) 濺射Ti/Cu形成探針引線和接觸電極；(f) 在氧化硅的保護下，兩次背面deep-RIE刻蝕硅，形成探針懸梁， 露出探針金屬針尖；(2) 加固后的探針緩解了連接處因變形而產生的應力集中。
8、 按權利要求6所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構的應用，其特 征在于(1) 所述的懸梁式微型加熱器制作步驟是(a) 在雙面氧化的(100)硅片上沉積氮化硅氧化硅復合膜；(b) 在硅片正面制作出加熱電阻絲和接觸電極；(C)正面光刻，利用RIE刻蝕復合膜形成腐蝕窗口；(d)利用硅各向異性腐蝕液腐蝕襯底硅，釋放支撐懸梁和中心加熱區；(2) 轉角加固后的懸梁降低了連接處的熱應力，使器件工作在更高溫度 條件下提高了使用壽命。
9、 按權利要求6所述的增強變形梁強度和使用壽命的結構的應用，其特 征在于(1)所述的微型氣體傳感器的制作步驟(a) 在(100)硅片雙面氧化一層氧化硅；(b) 在硅片正面制作出第一層Pt/Ti，形成加熱層和接觸電極；(c) 沉積氮化硅氧化硅復合膜；(d) 在硅片正面制作出第二層Pt/Ti，形成氣體敏感層和接觸電極；(e) 利用硅各向異性腐蝕液腐蝕襯底硅，釋放支撐懸梁和中心膜區；(f)利用電子束蒸發在中心膜區沉積氣體敏感膜； (2)加固后，每個懸梁與支撐端連接處的銳角被鈍角取代，緩解了銳角 夾角處的應力集中。
全文摘要
本發明涉及一種增加變形梁強度和使用壽命的結構及其應用，屬于微電子機械系統(MEMS)領域。其特征在于在梁與支撐端的連接處增加轉角，使梁與支撐端的夾角都是鈍角。這種支撐端連接處帶有轉角的梁，在梁發生形變時可以有效地減小形變在支撐端產生的應力，既增加了梁的強度也延長了梁的使用壽命。本發明可應用于多種帶有變形梁的MEMS器件中。
文檔編號B81C1/00GK101559913SQ20091005129
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者鐵 李, 翊 王, 王躍林, 磊 許 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所