基于MEMS技术U形悬臂梁制作工艺研究及特性模拟

刘 焱，李日东

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001)

1 概 述

近年来，随着MEMS技术的不断发展，微悬臂梁在微机械传感器和纳米机械传感器等领域具有广泛的应用，尤其在微生物传感器和纳米生物传感器方面表现出巨大的应用前景。目前，国内外一些研究机构对微悬臂梁生物、化学传感器[1-3]的研究做了大量的工作。研究结果表明,悬臂梁的形状和结构对其特性有一定的影响。大量的文献报道,相同尺寸矩形悬臂梁的灵敏度较U形悬臂梁的灵敏度低。

本文对EPW腐蚀液中采用(100)硅制作U形悬臂梁的制作工艺进行研究，对因(111)侧面相交的凸角处出现一些腐蚀速率较高的晶面，使U形悬臂梁凸角掩模下的硅受到侧向腐蚀而出现的凸角削角进行圆形掩模补偿。实验制作出300 μm×1 200 μm的补偿效果较好的U形悬臂梁。在此基础上，采用ANSYS有限元分析系统分别对相同尺寸的U形悬臂梁和矩形悬臂梁的应力分布特性进行模拟，给出应力分布的模拟结果。

2 U形悬臂梁结构和制作工艺

2.1 基本结构

基于MEMS技术在p型〈100〉晶向的硅片表面制作长、宽、厚分别为1 200，300，30 μm的U形悬臂梁。图1给出U形悬臂梁结构示意图，U形悬臂梁为通过两个臂连于固定点。其中，H为硅片厚度，L为U形悬臂梁长度，W为U形悬臂梁宽度。

图1 U形悬臂梁基本结构示意图Fig.1 Structure of U-shape cantilever beam

2.2 制作工艺[4]

采用平整度较好的双面抛光〈100〉硅片，经RCA清洗后，在1 180℃干氧、湿氧、干氧的气氛中热氧化双面生长约600 nm厚的SiO2层,然后经一次光刻

刻出C形硅杯窗口，采用EPW腐蚀液进行各向异性腐蚀制作出C形硅杯。采用美国M-1型双面红外透射光刻机二次光刻，刻蚀U形悬臂梁正面窗口。采用EPW腐蚀液各向异性腐蚀，释放U形悬臂梁结构,工艺流程见图2。

图2 悬臂梁制作工艺流程Fig.2 Flow of the fabrication process of cantilever

2.3 EPW各向异性腐蚀[5-6]

EPW腐蚀液采用乙二胺 (NH2(CH2)2NH2)、邻苯二酚 (C6H4(OH)2)、水(H2O)3种化学试剂，对单晶硅的腐蚀具有各向异性。腐蚀液中3种试剂配比和温度对腐蚀速率具有一定影响。图3给出当邻苯二酚浓度分别为10%，5%，15%时，乙二胺浓度与(100)晶面和(111)晶面腐蚀速率的关系曲线。其中，实线为(100)晶面，虚线为(111)晶面。图4给出当乙二胺浓度分别是60%，40%时，邻苯二酚浓度与硅片(100)晶面和(111)晶面腐蚀速率的关系曲线。其中，实线为(100)晶面，虚线为(111)晶面。

图4 EPW腐蚀液浓度与腐蚀速率关系曲线Fig.4 Etching rates-concentration of etching liquid graph

从上述的实验结果，当乙二胺浓度为60%时，邻苯二酚浓度为10%时，腐蚀速率最大。本文采用EPW腐蚀液(乙二胺、邻苯二酚、水)的配比浓度为60%：10%：30%。

3 实验结果与特性模拟

3.1 实验结果

(100)硅在EPW中腐蚀时,因各向异性腐蚀使(111)侧面相交的凸角处出现一些腐蚀速率较高的晶面，使U形悬臂梁凸角掩膜下的硅受到侧向腐蚀，在U形悬臂梁的凸角处出现削角现象。本文对(111) 侧面相交的凸角处出现一些腐蚀速率较高的晶面进行圆形掩模补偿，实验制作出300 μm×1 200 μm×30 μm的U形悬臂梁。图5给出补偿后的U形悬臂梁结构电子显微镜照片，从图5中可以看出U形悬臂梁结构凸角得到较好补偿。

图5 U形悬臂梁电子显微镜照片Fig.5 A SEM micrograph of U-shape cantilever beam

3.2 特性模拟[7-8]

3.2.1 电阻变化率与应力分布理论关系

根据硅材料的压阻效应,单晶硅电阻变化率为:

(1)

上式表示在同一晶向上电阻变化率ΔR/R由两部分之和组成,一部分是由表面纵向应力引起的,一部分是由表面横向应力引起的。其中,π11、π⊥分别为纵向压阻系数和横向压阻系数；δ‖、δ⊥分别为表面纵向应力和表面横向应力。

如果仅考虑表面纵向应力在力F的作用下对电阻变化率的影响,电阻变化率的表达式为:

(2)

3.2.2 应力分布

采用ANSYS有限元分析系统分别对相同外形尺寸U形悬臂梁和矩形悬臂梁进行应力分析。在模拟过程中，忽略不同膜层材料的区别和材料的本征应力情况，认为悬臂梁由均匀的单晶硅材料组成，均匀载荷力F加于悬臂梁的末端。

图6给出U形悬臂梁表面纵向应力分布模拟结果。模拟结果表明，在力F的作用下，最大应力发生在U形悬臂梁的两个臂上，并且应力在臂上分布较均匀，应力分布标志从左至右逐渐增加。

图6 U形悬臂梁ANSYS模拟应力分布示意图Fig.6 Simulation result of U-shape cantilever beam stress by FEA simulator ANSYSTM

图7给出矩形悬臂梁表面纵向应力分布模拟结果。模拟结果表明，在力F的作用下，最大应力发生悬臂梁的支点附近，应力分布从左至右逐渐增加。U形悬臂梁和矩形悬臂梁模拟结果给出,在相同尺寸条件下,U形悬臂梁的纵向应力分布大于矩形悬臂梁的纵向应力分布。

图7 U形悬臂梁ANSYS模拟应力分布示意图Fig.7 Simulation result of U-shape cantilever beam stress by FEA simulator ANSYSTM

4 结 论

本文通过对〈100〉硅片在EPW腐蚀液制作U形悬臂梁工艺过程研究，给出对(111)侧面相交的凸角处出现一些腐蚀速率较高的晶面所引起削角现象的圆形掩模补偿方法，实验制作出300 μm×1 200 μm的U形悬臂梁。

结果表明，所提补偿方法较好地完成悬臂梁凸角补偿。在此基础上，对所制作U形悬臂梁及相同尺寸的矩形悬臂梁采用ANSYS有限元分析系统进行特性模拟，给出其应力分布的模拟结果。