本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域及微納加工領(lǐng)域，具體而言，涉及是一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器及制備方法。

背景技術(shù)：

磁場傳感器的應(yīng)用不僅有悠久歷史，還有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。從春秋戰(zhàn)國時(shí)期的司南到現(xiàn)代的導(dǎo)航、羅盤、位置傳感、鐵磁性物質(zhì)檢測、電流傳感、醫(yī)學(xué)生物檢測成像等。在電子信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的擴(kuò)展。

許多常見的測量靜態(tài)磁場的傳感器利用的磁效應(yīng)包括：霍爾效應(yīng)（Hall effect）、磁阻效應(yīng)（magnetoresitivity）、磁通量（fluxgate）、電磁感應(yīng)（induction）以及靜磁力（static magnetic force）等。各種磁場測量技術(shù)均有各自的優(yōu)勢和局限，但總的來講，磁場傳感技術(shù)的發(fā)展方向是小型化、低功耗、高精度和高靈敏度，并且與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路（CMOS IC）工藝相兼容。

MEMS類型的磁場傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢：體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異。MEMS技術(shù)的發(fā)展，使芯片上的微結(jié)構(gòu)加工成為可能，同時(shí)降低了微機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，這樣促進(jìn)了磁場傳感器的發(fā)展。

磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)在致動(dòng)器領(lǐng)域一直有廣泛的應(yīng)用。而隨著壓電材料、復(fù)合材料及其制備技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域中的推廣，結(jié)合了磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)的磁電復(fù)合材料在傳感器中的應(yīng)用也逐漸成為國際上的研究熱點(diǎn)。

利用磁致伸縮效應(yīng)的磁傳感原理是：通過磁電復(fù)合材料中的磁致伸縮材料在外加磁場作用下產(chǎn)生的磁致伸縮，在壓電材料上產(chǎn)生應(yīng)力或者應(yīng)變，壓電材料受此應(yīng)力作用而產(chǎn)生一定的電效應(yīng)，即：利用磁信號(hào)來產(chǎn)生和輸出可測量的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)的耦合，來測量磁場。

然而，磁致伸縮效應(yīng)的直接效應(yīng)（一階效應(yīng)）的量級通常非常小，尤其是應(yīng)用于傳感器中的軟鐵磁材料的磁致應(yīng)變只有百萬分之一（ppm）數(shù)量級。典型的MEMS磁場傳感器一般在彎曲模態(tài)或者扭轉(zhuǎn)模態(tài)下工作，諧振頻率較低。因此，在低頻段直接利用磁致伸縮效應(yīng)的一階效應(yīng)來感應(yīng)磁場的靈敏度受到一定限制。

鑒于上述問題，如何設(shè)計(jì)出一種能夠使微機(jī)電磁場傳感器具有體積小、功耗低、諧振頻率高、靈敏度高及工藝簡單等特點(diǎn)的方法，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的第一目的是提出一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器，該諧振器與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高等有益效果。此類諧振器的加工工藝簡單，成本低，并且與CMOS IC工藝相兼容。

本發(fā)明的第二目的是提出一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器，MEMS磁場傳感器主要包括諧振器，諧振器的具體結(jié)構(gòu)為：

諧振器的矩形振子由層合結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料構(gòu)成，且該矩形振子由兩端的固定梁支撐，懸于硅襯底上的空心區(qū)域之上；矩形振子包含從下而上依次疊加設(shè)置的底電極層、壓電層、頂電極層和軟鐵磁性合金層以及保護(hù)膜層，在各層之間還有粘合層；

矩形振子的底電極層為梳齒狀結(jié)構(gòu)，底電極層延伸部分沿固定梁延長到外部的硅襯底上，用于接駁外部電路；在底電極層的外部延伸終點(diǎn)處，壓電層開通孔以露出下層鉑電極基板，開孔部分由電接觸層覆蓋；固定梁部分由壓電層和底電極層的延伸部分構(gòu)成；

矩形振子為面內(nèi)伸縮模態(tài)，伸縮方向?yàn)榫匦蔚恼叺姆较?，諧振頻率能夠通過改變底電極層中梳齒電極的數(shù)量和間距以及壓電層和軟鐵磁性合金層的相對厚度來改變，其范圍可以在幾千赫茲至數(shù)百兆赫茲之間根據(jù)具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)；

矩形振子上的梳齒狀結(jié)構(gòu)底電極的電極間空隙處不能有壓電材料沉積，以消除寄生電容的不利影響。矩形振子部分的壓電層和軟鐵磁性合金層之間有一層頂電極（低電阻非磁性金屬），以增強(qiáng)壓電層的機(jī)電耦合的效果、提高品質(zhì)因子。

優(yōu)選地，能夠抵抗氫氟酸腐蝕的、并且不和XeF₂氣體發(fā)生任何反應(yīng)的保護(hù)膜層的厚度范圍為20nm～50nm，矩形振子的壓電層的厚度范圍為250nm～1mm，軟鐵磁性合金層的厚度范圍為250nm～1mm，且壓電層的厚度大于軟鐵磁性合金層與頂電極厚度之和，以增強(qiáng)機(jī)電耦合的效果、提高品質(zhì)因子。

優(yōu)選地，壓電層的材料為氮化鋁AlN或者氮化鈧鋁Sc_xAl_1-xN，其中x的范圍在0.4～0.5之間。

優(yōu)選地，矩形振子中，底電極層的材料為鉑（Pt）；頂電極層的材料為鋁（Al）或鉑（Pt）；保護(hù)膜層的材料為鉑（Pt）或金（Au）；軟鐵磁性合金層的材料為為鐵（Fe）基（如FeB、FeCoB、FeCoSiB、FeGaB等）或鈷（Co）基非晶態(tài)合金。此類材料的磁特性包括：超低矯頑磁性，超低剩磁和較高的導(dǎo)磁性和磁化率。不同于巨磁致伸縮材料，此類材料的薄膜面內(nèi)飽和磁場強(qiáng)度通常在50至100 Oe之間。

一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器制備方法，至少包括以下步驟：

第一步：在高電阻率的基底上沉積一層高熔點(diǎn)高導(dǎo)電率金屬薄膜，通過圖案化處理和刻蝕工藝形成諧振器的底電極；

第二步：沉積犧牲層，其厚度為底電極厚度的2～3倍；

第三步：使用化學(xué)機(jī)械拋光法將已沉積的犧牲層薄膜拋光至露出底電極；

第四步：沉積壓電層；

第五步：沉積構(gòu)成諧振器振子部分的頂電極層和軟鐵磁性合金層，通過圖案化處理和刻蝕工藝形成諧振器振子部分的結(jié)構(gòu)；

第六步：刻蝕覆蓋于接駁外部電路的鉑電極基板之上的壓電層；

第七步：沉積高導(dǎo)電率金屬薄膜，通過圖案化處理和刻蝕工藝形成電接觸金屬層（電接觸金屬層是覆蓋在底電極層的外部延伸終點(diǎn)處基板上、刻蝕掉AlN后的通孔處的）和覆蓋軟鐵磁性合金層的保護(hù)層；

第八步：刻蝕壓電層，定義諧振器振子和固定梁的幾何形狀并打開刻蝕硅晶圓的窗口；

第九步：刻蝕硅晶圓，從基底上釋放出諧振器振子使其可以自由振動(dòng)；

第十步：刻蝕犧牲層。

優(yōu)選地，第二步中通過引入中間犧牲層的方法填充在諧振器振子部分梳齒狀電極之間的空隙以及使用化學(xué)機(jī)械拋光法為諧振器振子部分建立一個(gè)平整的區(qū)域來沉積壓電層，同時(shí)避免壓電材料在沉積過程中進(jìn)入電極的間隙部分而產(chǎn)生寄生電容。

優(yōu)選地，第五步中沉積軟鐵磁性合金層的過程中沿矩形振子的長邊的方向施加一個(gè)外加磁場，該磁場的大小需要至少與軟鐵磁性合金層的磁飽和磁場相當(dāng)。

可選的，犧牲層的材質(zhì)可以是無定形硅、多晶硅或者SiO₂。

基于面內(nèi)伸縮模態(tài)的諧振器的微機(jī)電磁場傳感器的工作過程是：首先施加外加激勵(lì)，通過梳齒狀驅(qū)動(dòng)電極驅(qū)動(dòng)諧振器振子在其諧振頻率上產(chǎn)生在薄膜面內(nèi)的往復(fù)震動(dòng)。諧振器的諧振頻率由振子面內(nèi)幾何尺寸和振子材料的物理參數(shù)共同決定，其關(guān)系式為：；其中f₀為諧振頻率，W 為梳齒狀電極的齒間距，E 和ρ 分別為振子的等效楊氏模量和密度。將諧振器置于外加磁場中進(jìn)行測量時(shí)，由于軟鐵磁性合金層在外加磁場中產(chǎn)生微量形變而導(dǎo)致其楊氏模量明顯變化，從而改變振子的等效楊氏模量，表現(xiàn)為諧振頻率的改變。通過測量諧振頻率的變化大小就可以換算出磁場的強(qiáng)度；或者也可以通過測量dY /df （Y 為導(dǎo)納，admittance，f 為頻率）為最大值處的導(dǎo)納值的變化來測算磁場的強(qiáng)度。

另外，本發(fā)明不是利用軟鐵磁性合金層的軟鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)的一階直接效應(yīng)來產(chǎn)生電信號(hào)，而是利用了磁致伸縮效應(yīng)的二階效應(yīng)：?E 效應(yīng)（E ：楊氏模量）。雖然軟鐵磁材料的磁致應(yīng)變只有ppm數(shù)量級，其二階?E 效應(yīng)卻可以高達(dá)百分之幾。中高頻段的諧振器，例如在無線電頻段（在幾十至幾百兆赫茲）的諧振器則可以對這百分之幾的?E 效應(yīng)非常敏感。本發(fā)明中的諧振器的設(shè)計(jì)諧振頻率在幾千至幾百兆赫茲范圍內(nèi)，由諧振器的振子材料、薄膜厚度以及電極尺寸共同決定，為可調(diào)節(jié)參數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的諧振器的底電極示意俯視圖。

圖2a至圖2k為以圖1中的A-A截面顯示本發(fā)明的諧振器的制備方法的流程圖。

圖3為氮化鋁刻蝕部分與底電極以及用于接駁外部電路的基板的位置關(guān)系的示意俯視圖。

圖4為諧振器振子部分的分層結(jié)構(gòu)立體圖。

具體實(shí)施方式

下面通過特定的具體實(shí)例結(jié)合附圖說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所敘述的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過其他不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神的前提下進(jìn)行修飾或改變。

另外，附圖為本發(fā)明基本構(gòu)想的示意圖，僅用以顯示實(shí)施實(shí)例中與本發(fā)明有關(guān)的組件，并且圖示組件大小不是按照實(shí)際器件尺寸比例繪制。實(shí)際實(shí)施時(shí)，構(gòu)成器件的組件、組件數(shù)量、形狀、尺寸薄膜層厚度及比例可以隨意根據(jù)實(shí)際需要改變，整個(gè)器件的組件布局可能更復(fù)雜。

附圖中標(biāo)注說明：

1 金屬鉑底電極層

1a 底電極層的基板部分，用于接駁外部驅(qū)動(dòng)、測量電路

1b 諧振器振子的梳齒狀電極部分

1c 底電極層的連接部分

1d 位于諧振器固定梁部分上的電極

2 高阻本征單晶Si基底，電阻率至少為10000 W×cm

2a 經(jīng)過XeF₂氣體干法刻蝕后在基底上形成的刻蝕孔

3 犧牲層，材質(zhì)可以是無定形硅、多晶硅或者SiO₂

3a 經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光法平整后的犧牲層

3b 經(jīng)過刻蝕后留在諧振器振子梳齒狀電極之間部分的犧牲層

4 壓電層，以氮化鋁為例

4a 氮化鋁層被刻蝕的部分，用于露出底電極基板

4b 氮化鋁層被刻蝕的部分，用于定義諧振器的形狀

4c 構(gòu)成諧振器振子部分的氮化鋁層

4d 構(gòu)成諧振器固定梁部分的氮化鋁層

5 軟鐵磁性合金層

5a 刻蝕后的屬于諧振器振子構(gòu)成部分的軟鐵磁性合金層

6 金屬頂電極層

7 電接觸金屬層以及覆蓋軟鐵磁性合金層的保護(hù)膜層

7a 經(jīng)過刻蝕后形成于底電極基板部分的電接觸金屬層

7b 經(jīng)過刻蝕后覆蓋在振子的軟鐵磁性薄膜之上的保護(hù)膜層

I 諧振器振子的截面視圖

II 底電極基板部分的截面視圖

如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種基于面內(nèi)伸縮模態(tài)諧振器的MEMS磁場傳感器，其中諧振器的振子部分從下向上疊加層依次為梳齒狀底電極1b、壓電層4c、頂電極層6、軟鐵磁性金屬層5a和金屬保護(hù)層7。在各層薄膜的沉積過程中，各層膜之間通常使用一層厚度在5至10 nm之間的粘合層，材質(zhì)為金屬鉭或者鈦。襯底為高阻晶圓2，振子懸于襯底刻蝕孔2a上方，由氮化鋁4d和底電極1d構(gòu)成的固定梁牽引。諧振器振子部分的梳齒狀底電極1b經(jīng)1d和1c外延至底電極的基板部分1a，用于接駁外部驅(qū)動(dòng)／測量電路。

本發(fā)明的工藝流程請參閱圖2a至圖2k。

本發(fā)明的制備方法可以包括以下步驟：

第一步：在高電阻率的硅基底晶圓表面沉積一層高熔點(diǎn)高導(dǎo)電率金屬薄膜，通過圖案化處理和刻蝕工藝形成諧振器的底電極。

例如，如圖1所示，底電極層1的材質(zhì)為鉑或其它高熔點(diǎn)惰性金屬。整個(gè)電極的布局需要包括接駁外部電路的基板1a、諧振器的振子部分的梳齒狀電極1b、電極的連接部分1c以及諧振器的固定梁部分上的電極1d。

例如，如圖2a所示，采用商用高電阻率本征單晶硅晶圓2做為基底，厚度約為500 μm。在基底表面涂可溶于丙酮的光刻膠、進(jìn)行光刻，然后在其上使用磁控濺射法沉積金屬鉭粘合層以及金屬鉑層，總厚度為150 nm；隨后用丙酮去除光刻膠并剝離不需要的金屬層部分，得到如圖1中的基底電極層1。

第二步：通過引入中間犧牲層的方法填充在諧振器振子部分電極之間的空隙以及為諧振器振子部分建立一個(gè)平整的區(qū)域來沉積壓電薄膜層。

例如，如圖2b所示，首先選擇合適的方法沉積無定形硅或多晶硅犧牲層3，厚度為250～300 nm，甚至更厚；或者使用射頻濺射沉積二氧化硅SiO₂層3，厚度為250～300 nm，甚至更厚。然后，使用化學(xué)機(jī)械拋光法平整整個(gè)晶圓表面，直至底電極層1的厚度介于100至150 nm之間，平整后的底電極層1和犧牲層3，如圖2c所示。最后再根據(jù)犧牲層的材質(zhì)選擇合適的刻蝕方法，去除多余的犧牲層，只剩余如圖2d中所示的3b部分。3b部分的長寬尺寸應(yīng)該稍大于諧振器的振子部分。

第三步：沉積壓電薄膜層。

例如，如圖2e所示，使用反應(yīng)型射頻濺射工藝沉積覆蓋整個(gè)晶圓的氮化鋁層4，厚度為250 nm。此氮化鋁薄膜為多晶，具有高度的（0002）絲織構(gòu)。同時(shí)優(yōu)化濺射工藝參數(shù)，保證濺射沉積成的氮化鋁薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力穩(wěn)定在100 MPa以下。

第四步：沉積構(gòu)成諧振器振子部分的金屬鋁頂電極層和軟鐵磁性薄膜層。

例如，如圖2f所示，首先在氮化鋁層表面涂敷可溶于丙酮的光刻膠、進(jìn)行光刻，然后采用磁控濺射法在其上沉積一層金屬鈦粘合層，接著沉積厚度為20 nm左右的金屬鋁頂電極層，再沉積厚度為250 nm金屬FeCoB層；隨后用丙酮去除光刻膠同時(shí)剝離不需要的金屬層部分，得到如圖2f中的金屬鋁頂電極層6和鐵磁薄膜層5a。要在軟鐵磁性薄膜層中需要引入一個(gè)易磁化方向來增強(qiáng)?E （E ：楊氏模量）效應(yīng)，可以選擇在磁場中沉積軟鐵磁性薄膜，或者在薄膜沉積和剝離完成后將薄膜放置在一個(gè)強(qiáng)磁場中進(jìn)行加熱回火。無論選擇上述何種方法，磁場的方向都應(yīng)該平行于長方形振子長軸的方向。

第五步：刻蝕覆蓋于接駁外部電路的鉑電極基板之上的氮化鋁層。

例如，如圖2g所示，以合適的光刻膠為掩模，運(yùn)用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）方法，使用Cl₂/BCl₃/Ar混合氣體在氮化鋁層上刻蝕去掉位于4a處的部分，以露出鉑電極的基板1a。如果以SiO₂為刻蝕掩模，則需要另外進(jìn)行SiO₂掩模的制作工藝流程?？涛g完成后，使用丙酮溶解以及O₂等離子體去除殘留的光刻膠掩模。

第六步：沉積高導(dǎo)電率金屬薄膜，通過一次圖案化處理和刻蝕工藝同時(shí)形成形成電接觸金屬層和覆蓋軟鐵磁性薄膜的保護(hù)層。

例如，如圖2h所示，在晶圓表面涂可溶于丙酮的光刻膠、光刻，然后在其上使用磁控濺射沉積金屬鉭粘合層以及金屬鋁層，厚度為100 nm；隨后用丙酮去除光刻膠以及剝離不需要的金屬層部分，得到如圖2h中的電接觸金屬層7，其中7a部分用于接駁外部電路，7b部分用于保護(hù)鐵磁薄膜層，防止其被氧化。

第七步：刻蝕氮化鋁層，定義諧振器振子和固定梁的幾何形狀并打開刻蝕硅晶圓的窗口。

例如，如圖2i所示，以光刻膠為掩模，運(yùn)用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）方法、使用Cl₂/BCl₃/Ar混合氣體在氮化鋁層上刻蝕出窗口4b，同時(shí)定義出諧振器振子部分的氮化鋁4c，以及諧振器固定梁4d。

第八步：刻蝕硅晶圓，從基底上釋放出諧振器振子使其可以自由震動(dòng)。

例如，如圖2j所示，使用XeF₂氣體干法刻蝕，在硅基底上形成刻蝕孔2a，使得諧振器振子以及固定梁的部分和基底完全脫離。此刻蝕方法對硅的選擇度極高，因此晶圓上的其它材料不會(huì)被腐蝕。如果犧牲層3b材質(zhì)為無定形硅或多晶硅，則犧牲層在此步驟中會(huì)一并被完全去掉，無需另外增加工藝步驟。如果犧牲層3b材質(zhì)為SiO₂，則需要使用如下面第九步所述的工藝去除。

第九步：刻蝕犧牲層3b。

例如，如圖2k所示，如果在第二步中沉積了無定形硅或多晶硅作為犧牲層，則犧牲層材料在第八步的刻蝕步驟中就已經(jīng)被去除，因此無需進(jìn)行此步驟。

例如，如圖2k所示，如果在第二步中沉積了二氧化硅SiO₂作為犧牲層，此步就可以采用HF蒸汽刻蝕法，完全去掉犧牲層的SiO₂。此刻蝕方法對SiO₂的選擇度很高，此外，晶圓上的金屬都有相應(yīng)的保護(hù)層覆蓋，不會(huì)被腐蝕，因此晶圓上的其它組件不會(huì)受到影響。

例如，如果采用Buffered HF濕法刻蝕來完全去掉犧牲層的SiO₂，則需要配合使用臨界點(diǎn)干燥法，防止振子固定梁部分在液體表面張力的作用下斷裂。

以上方法制備的基于諧振器的微機(jī)電磁場傳感器的工作過程是：在電極的基板處的對電極1a1和1a2上施加激勵(lì)信號(hào)，通過梳齒狀驅(qū)動(dòng)電極驅(qū)動(dòng)諧振器振子在其諧振頻率上產(chǎn)生在薄膜面內(nèi)的往復(fù)震動(dòng)。諧振器的諧振頻率由振子面內(nèi)幾何尺寸和振子材料的物理參數(shù)共同決定，其關(guān)系式為：；其中f₀為諧振頻率，W 為梳齒狀電極的齒間距，E和ρ 分別為振子的等效楊氏模量和密度。將諧振器置于外加磁場中進(jìn)行測量時(shí)，由于軟鐵磁性薄膜層在外加磁場中產(chǎn)生微量形變而導(dǎo)致其楊氏模量明顯變化，從而改變振子的等效楊氏模量，表現(xiàn)為諧振頻率的改變。通過測量諧振頻率的變化大小就可以換算出磁場的強(qiáng)度；或者也可以測量dY /df （Y 為導(dǎo)納，admittance，f 為頻率）最大值處的導(dǎo)納值的變化來換算磁場的強(qiáng)度。

以上所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神原則之內(nèi)所作出的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。