基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法

本发明涉及一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法，属于mems加工制造领域。

背景技术：

1、随着集成电路工艺特征尺寸的逐渐缩小，将无源器件直接集成在芯片上的技术成为了行业发展的主流。目前，片上集成无源元件存在的主要问题是集成密度低，占地面积大，器件性能无法满足需求。一种提高集成密度的方法是采用自卷曲技术，将二维平面的薄膜变成三维卷曲管状结构。现阶段，自卷曲技术还尚未成熟，主要表现出的问题是管状结构卷曲不够紧密，薄膜膜层间仍存在着较大的间隙，卷曲密度还有很大的提升空间。本发明主要是为增强薄膜卷曲紧密程度、提高集成度而提出一种新的低成本方案。

2、目前，如图1(a)所示的自卷曲薄膜系统普遍使用ge作为牺牲层材料，结构1为牺牲层，结构2为双层薄膜系统。采用以下两种方式实现牺牲层的释放，完成薄膜的卷曲；

3、一是在h2o2液体环境中释放。即将晶圆浸没于h2o2溶液中，水浴加热并保持溶液温度在90℃。尽管牺牲层ge可在h2o2环境完成释放，其释放的速率十分缓慢，大约为10μm/h[1]。通常，为了实现微亨量级的最大电感量，需要将自卷曲薄膜的长度从几十至几百微米扩展到几百毫米至及厘米量级。采用湿法腐蚀牺牲层需要耗费大量的时间。同时，器件长时间浸泡于碱性环境的h2o2液体中，会导致包裹在牺牲层外的钝化层al2o3被大面积腐蚀，薄膜无法按照指定方向完整自卷曲，器件可靠性会受到极大程度的影响。

4、二是在xef2气体环境中释放。在该方案中，牺牲层ge的释放速率可以高达750μm/min(huang w,yang z,md kraman,et al.monolithic mtesla-level magnetic inductionby self-rolled-up membrane technology[j].science advances,2020,6(3):4508-4525.)。相比起液体环境，气体环境下高速率释放可以为薄膜提供更大的滚动动量。

5、两种释放方式，都具有薄膜随牺牲层的腐蚀而逐步发生卷曲的特点，即薄膜的卷曲与牺牲层释放同步进行，且薄膜卷的曲速率与牺牲层释放速率相近。这种情况下，释放完毕后，膜层之间缝隙较大且不均匀，卷曲比较疏松，如图1(b)(yu x,huang w,li m,etal.ultra-small,high-frequency,and substrate-immune microtube inductorstransformed from 2d to3d[j].scientific reports,2015,5(1):9661.)所示，导致基于此技术制造出的自卷曲薄膜还存在着卷曲圈数少，卷曲密度较小，占地面积较大的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有的自卷曲薄膜系统存在薄膜卷曲松散，薄膜间隙较大且不均匀等的问题，本发明的主要目的是提供一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统，该系统能够使得薄膜卷曲更加致密，从而实现更小的卷曲内径及更多的卷曲圈数；此外，该系统为熔断电阻释放薄膜结构，具有高释放速率，薄膜高回弹速率，高卷曲密度，低膜层间隙，低成本的优势。本发明还公开一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统制作方法，用于制作所述基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统，为熔断电阻释放薄膜结构，包括衬底、空腔结构、结构层下层薄膜、结构层上层薄膜、熔断电阻、金属电极、支撑层。支撑层沉积在衬底两个端部；衬底、支撑层、结构层下层薄膜包围形成空腔结构；结构层上层薄膜沉积在结构层下层薄膜上；通过熔断电阻将结构层下层薄膜和金属电极连接。

4、空腔结构可通过牺牲层的释放形成。若采用soi晶圆作为衬底，可通过逐步去除衬底结构形成特有的空腔结构。结构层下层薄膜与结构层上层薄膜共同组成双晶片卷曲薄膜系统。两层薄膜应力相反，结构层下层薄膜为负应力，结构层上层薄膜为正应力，确保结构释放后薄膜向上卷曲。通过调节结构层下层薄膜与结构层上层薄膜应力控制薄膜卷曲形变能力。

5、进一步地，金属w应力大小强烈依赖于沉积过程中腔体压力大小，且具有较大的应力调节范围。

6、进一步地，介质si3n4应力大小强烈依赖于沉积过程中设备频率大小，且具有较大的应力调节范围。

7、作为优选，所述熔断电阻产生对结构层下层薄膜的拉力，需保证拉力方向是沿着结构层下层薄膜轴向对称的；

8、作为优选，衬底为单晶si材料或蓝宝石材料。

9、作为优选，所述牺牲层形成方式包括：选用ge、geox材料形成牺牲层，或者选用光刻胶形成牺牲层，或者直接将衬底si作为牺牲层。

10、作为优选，结构层下层薄膜与结构层上层薄膜形成方式包括为应力可调的双层si3n4薄膜、双层sio2薄膜、金属w和si3n4组成的双层薄膜，或者sio2和al组成的双层薄膜。通过调节薄膜应力，控制薄膜卷曲形变能力。

11、本发明还公开一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统制作方法，用于制作所述基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统，所述基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统制作方法，包括如下步骤：

12、步骤一：沉积sio2并图形化形成支撑层；

13、步骤二：沉积牺牲层材料并完成图形化；

14、步骤三：沉积结构层下层薄膜并完成图形化；

15、步骤四：沉积熔断电阻电阻层薄膜并完成图形化；

16、步骤五：沉积结构层上层薄膜并完成图形化；

17、步骤六：释放去除牺牲层形成预定空腔结构；

18、步骤七：结熔断释放装置制作完成后，加电熔断电阻，在熔断电阻丝局部产生热量，使熔断电阻丝在高温下熔断。双层薄膜在熔断电阻丝熔断后，尖端失去固定约束，在残余应力的影响下，结构层下层薄膜与结构层上层薄膜发生瞬时回弹，完成薄膜卷曲回弹，即基于熔断释放装置实现双层自卷曲薄膜系统制作。

19、有益效果：

20、1、采用现有技术制造自卷曲薄膜，会导致薄膜卷曲不够致密，膜层之间存在着几十纳米到几微米不等的间隙，致使薄膜仍存在着较大的占地面积与较低的集成密度。本发明公开的一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法，通过熔断释放装置，能够手动控制薄膜的卷曲回弹。当大电流作用于连接电阻丝，将其熔断时，薄膜整体在残余应力的作用下发生回弹，由于薄膜下方的牺牲层已提前去除，其尖端位置具有较大初始加速度和运动路程，相比起传统的释放方式，熔断释放会使得薄膜具有更快的回弹速度，薄膜尖端具有更大的滚动动量，因而薄膜卷曲得更加紧密，卷曲后的结构具有更小的占地面积和更大的集成度。

21、3、本发明公开的一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法，当采用实施例1所述方法制作基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统，衬底仅需采用普通的si衬底，且工艺步骤较少，能够极大节约时间成本和材料成本。

22、4、本发明公开的一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法，当采用实施例2所述方法制作基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统，无需考虑器件释放过程中横向钻蚀速率较慢与钻蚀深度受限的问题，能够完成宽度较大薄膜的释放。

23、5、本发明公开的一种基于熔断释放装置的双层自卷曲薄膜系统及制作方法，由于具备上述优点，在3d自卷曲电感电容等无缘器件中具有良好的应用前景。