硼掺杂对加表表芯机械特性影响研究

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1、硼掺杂对加表表芯机械特性影响研究第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着微机电系统（MEMS）技术的发展，应用于微器件的设计技术和工艺水平的提高，微传感器和执行器的开发和应用取得了明显的进步[1-2]。通过使用制造技术和微电子作为基础，微机电系统包括了机械和电两个部分，像微电子的晶体管，尺寸都是在纳米级，数量也都是数以百万。MEMS不是任何一个单一的应用或者设备，也不是由单一的制造工艺或者有限的几个材料组成，它是一种制造方法，传达了小型化的优势，综合了机电系统的设计和结构的多个组件思想。一些早期的MEMS器件的概念已被商业化生产。例如一个带ME

2、MS芯片的投影显示系统，由一百多万个微镜阵列组成，能够制造高分辨率的视频图像；一个橡皮擦大小的流量调节器能够在空气压力达每平方英寸3000磅下进行操作。微加速度计作为典型的微器件，是指加速度计与微电子机械系统相结合的一种用于测量加速度变化量的装置，它通过检测设备在加速度场的作用下产生电容、电阻、电流信号的变化来检测它所嵌入的设备的加速度。目前，随着微加速度传感器的制造技术和工艺水平不断的提高，国内外科研机构和公司均将微传感器的研发作为MEMS机电产品化的重要方向[3-5]。MEMS惯性导航装置是指在一个芯片上完成多个集成的MEMS加速度计和陀

3、螺仪组成。然而，今天的惯性导航系统却是大型、重型、价格昂贵和耗电的，精密仪器只有在高端武器系统和平台负担得起。在一个芯片上的MEMS惯性导航装置将实现性能相当于或优于现有的惯性导航系统，例如一个单轴的50-G的加速度气囊部。MEMS气囊部署传感器相比现有的传感器不仅更小、更轻、更便宜、更可靠，还具有更高的性能，它也正是建立在像其他类型的半导体集成电路生产线基础上，如美国的微电子制造商生产的芯片。目前的惯性传感设备的性能已经能够满足普遍的市场需求（如汽车领域），但是国防所需要惯性导航的敏感性和稳定性，必须比现在最好的MEMS加速度计或陀螺仪有三

4、至四个量级的优势。硅微加速度计实现惯性导航的方式有很多种不同的原理，其中电容式的加速度计具有检测精度高，受温度影响小等优点，备受青睐，成为MEMS加速度计研究领域的重点研究对象。电容式微加速度传感器广泛应用叉指结构，这种结构以其高灵敏度、高稳定性、易于工艺制造、较低的功耗等优点而受到广泛使用，同时叉指结构的特殊形式能够让系统更好的检测电容，有助于实现反馈控制[6-8]。本论文就将对叉指结构式微加速度传感器进行研究。叉指式微加速度传感器的结构主要由几部分构成（如图1-1），质量块（表芯结构）、梳齿（可动极板和固定极板）、锚点和支撑梁构成。中间的

5、质量块连接着可动极板，固定极板和固定的锚点连接在一起。每一个动齿和定齿组成一对叉指结构，分别在极板上施加不同的电压，叉指之间就形成电容，传感器的原理就是当中间质量块收到外界的加速度时会产生偏移，带动了可动极板在敏感方向的移动，从而改变了叉指之间的间隙大小，这个间距是表征整个传感器电容的大小。极板数的增加有助于传感器电容的增大，方便于检测电路的检测输出。表芯的对称结构形式形成了差分电容，有助于提高传感器的灵敏度。叉指式微惯性传感器的性能主要取决于加工结构与设计目标的接近程度，诸如梁宽与厚、侧壁几何和表面的粗糙度与平面度等设计参数。这些参数直接影

6、响着很多器件的操作参数，如谐振频率、Q值、误差及漂移等。为了提高器件性能，就必须对制造误差与传感器误差项之间的关系有充分的了解，这样才能发展工艺技术来提高结构加工的工艺精度。但是就目前而言，基于硅材料的MEMS加速度计加工技术依然存在很多缺点和不足。在硼掺杂工艺下，扩散的硼原子对硅基体的材料属性产生了影响，进而影响了加速度传感器结构的机械性能。例如内部应力，掺杂浓度以及晶体缺陷等因素的影响，硅微传感器的薄膜结构经常呈现出翘曲现象（BucklingorCurlingup），而翘曲是加速度与陀螺仪等惯性传感器误差的主要。第二章加速度传感器的加工工

7、艺2.1体硅加工工艺简介器件的微型化和集成电路制造要求的不断提高，促进了MEMS制造技术的发展越来越成熟，其中主要包括两类制造技术：体硅加工和表面加工。前者是通过深度刻蚀技术应用于硅衬底材料，可得到较大纵向尺寸可动微结构，体硅工艺包括湿法技术、干法技术、硅刻蚀自停止技术、LIGA（Lithographie、GalanoformungandAbformng）技术以及DEM（Deepetching、ElectroformingandMicroreplication）技术。而表面加工主要是在硅片上生长各种硅化合物的多层结构来形成MEMS器件，虽然得

8、到的结构纵向尺寸较小，但表面加工技术易于与IC工艺进行更好的兼容，在电路的集成方面受到广泛关注[21]。由于体硅加工工艺在大纵向尺寸的制作上具有一定的优势，通常被人