CN100356177C - 高精度隧道式加速度计及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供了一种高精度隧道加速度计结构及其制备方法。该隧道加速度计隧尖为圆锥型，支撑梁厚度小于质量块厚度。其制备方法依次包括以下步骤：在硅片上刻蚀浅槽，定出隧尖与对应电极的初始间距；继续刻蚀制备隧尖，并在隧尖上淀积金属作为隧道电流发射电极；在玻璃衬底上制备驱动电极和隧尖对应电极；阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合；干法深槽刻蚀工艺刻蚀硅片背面，生成支撑梁；继续刻蚀硅片背面生成质量块，释放结构即得隧道加速度计。本发明的隧道加速度计，支撑梁厚度小于质量块厚度，提高了灵敏度。制备方法采用常规MEMS工艺，支撑梁和质量块通过干法深刻蚀得到，避免了湿法释放引起的粘附、隧尖污染和常规的浓硼扩散。

Description

高精度隧道式加速度计及其制备方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统加工领域，涉及一种高精度隧道式加速度计的结构及其制备方法。
背景技术：
微电子机械系统(MEMS)作为新兴的高新技术领域，采用先进的半导体工艺技术，将整个机械结构集成在一块芯片中，在军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛的应用。这些器件主要以硅材料为基础加工成各种结构。近年来，干法深槽刻蚀技术的逐渐成熟，为研制高精度，新原理的MEMS器件提供了基础技术储备。
高精度隧道加速度计是基于量子隧道效应的新型器件，1986年美国科学家G.BinnigH.Rohrer等人因设计和开发了基于量子隧道效应的扫描显微镜而获得诺贝尔物理学奖之后，许多科学家对量子隧道效应在其他领域的应用进行了研究。在利用MEMS技术进行隧道式加速度计研制方面，斯坦福大学的Thoms W.Kenny等人被认为是研究最多也最出色的。他们采用的表面工艺和KOH湿法腐蚀工艺相结合，在划片后进行分立封装，取得了较高的精度，但工艺复杂，并且失去了MEMS技术特有的批量化优势，难于大批量制造，重复性较差(Cheng-Hsien Liu and Thomas W.Kenny A high-precision，wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer，Journal of MicroelectromechanicalSystems，vol.10，No.3，September 2001 pp425-433)。美国密西根大学Khalil Najafi等人研究采用浓硼扩散工艺制备隧道加速度计，但由于浓硼扩散造成的内应力等问题，没能成功加工出高精度的隧道加速度计(Chingwen Yeh and Khalil Najafi，A Low-VoltageTunneling-Based Silicon Microaccelerometer IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICES，VOL.44，NO.11，NOVEMBER 1997 pp1875-1882)。目前制备隧尖的方法基本采用KOH腐蚀获得，但由于凸角快速腐蚀，隧尖的高度和初始间距不容易控制。
发明内容：
本发明的目的是提供一种新的高精度隧道加速度计结构，该加速度计具有微型化、精度高、可批量生产的特点。
本发明的另一目的是提供所述高精度隧道加速度计的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种高精度隧道加速度计，包括玻璃衬底，玻璃衬底上有驱动电极和隧尖对应电极，玻璃衬底通过锚点(anchor)与分布于质量块四周的支撑梁固定连接，质量块与支撑梁固定连接，隧尖位于质量块正中央下方。隧尖为圆锥型；支撑梁的厚度小于质量块厚度。
所述支撑梁优选为单晶硅梁。
本发明的高精度隧道式加速度计，在初始电压的作用下，质量块和隧尖向玻璃衬底方向移动，当隧尖与对应电极的距离为1nm左右时，会发生明显的隧道电流，该电流与距离成指数关系，将该电流转变成电压并反馈到衬底上的驱动电极，就可以在静电力和弹性力之间实现力平衡。如果有外界加速度输入，则原有的力平衡被打破，反馈电压发生变化，实现新的力平衡。从反馈电压的变化可以读出输入加速度的大小。
高精度隧道加速度计的制备方法，依次包括以下步骤：
1.起始材料为硅片，在硅片上刻蚀浅槽，定出隧尖与对应电极的初始间距。所刻蚀的浅槽深度即为隧尖和对应电极的初始间距。刻蚀方法可以采用KOH腐蚀工艺。
2.继续刻蚀浅槽，制备隧尖。优选方案是采用HNA(HNO3∶HF∶CH3COOH)各向同性腐蚀工艺，与常规KOH腐蚀隧尖工艺相比，能够更好地控制隧尖与对应电极的初始间距。
3.在隧尖上淀积金属，作为隧道电流发射电极，用于隧道电流的发射。
4.在玻璃衬底上制备驱动电极和隧尖对应电极。
5.阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合。
6.采用干法深槽刻蚀工艺刻蚀硅片背面，不刻穿硅片，生成支撑梁。在本步骤中，可以通过对刻蚀时间的控制，来控制支撑梁的厚度。
7.继续刻蚀硅片背面，刻穿硅片生成厚度大于支撑梁厚度的质量块，释放结构，即完成所述隧道加速度计的加工。
本发明的优点和积极效果：
本发明的隧道加速度计，由于支撑梁的厚度小于质量块的厚度，支撑梁的刚度较弱，质量块的质量又较大，因此其灵敏度得到提高。进一步，采用单晶硅材料作支撑梁，可以大大减小支撑梁的内应力，提高测量精度。
本发明采用的制备方法采用常规MEMS工艺设备，可以实现大批量制造。制备方法中，先在硅片上先刻蚀浅槽定出隧尖与对应电极的初始间距，再继续刻蚀浅槽制备隧尖，这种两步刻蚀的方法能够更加精确地控制隧尖与对应电极的初始距离；支撑梁和质量块均通过干法深刻蚀得到，使得支撑梁的厚度小于质量块的厚度，从而提高器件的灵敏度。干法刻蚀还避免了湿法释放引起的粘附和隧尖污染问题。干法刻蚀形成支撑梁的另一个好处是避免了常规的浓硼扩散，因而不存在应力释放的问题。
附图说明：
图1为本发明隧道加速度计的结构示意图。
图2(a)～图2(g)示出了本发明隧道加速度计的主要制备过程。
图3为本发明隧道加速度计的开环测试结果，横轴为驱动电压(VQ)的平方，纵轴为隧道电流(IT)的对数。
图4为本发明隧道加速度计的闭环测试结果。其中图4(a)为输入加速度与输出电压的关系，图4(b)为频谱测试。
图中：
1-玻璃衬底，2-驱动电极，3-隧尖对应电极，4-锚点，5-检测质量块，
6-支撑梁，7-隧尖，8-发射电极，9-硅片，10-光刻胶掩膜，11-铝掩膜
具体实施方式：
实施例1：高精度隧道加速度计结构
如图1所示，为高精度隧道加速度计的示意图。包括玻璃衬底1，玻璃衬底1上有驱动电极2和隧尖对应电极3，玻璃衬底1通过锚点4与分布于检测质量块5四周的回转支撑梁6固定连接，检测质量块5与支撑梁6固定连接，隧尖7位于检测质量块5正中央下方，隧尖7为圆锥型，支撑梁6的厚度小于检测质量块5厚度。
实施例2：高精度隧道加速度计的制备方法
图2所示为高精度隧道加速度计的制备工艺。
1.起始材料为双抛N型(100)硅片9，厚度为400±10微米；
2.KOH腐蚀，制备隧尖与对应电极的初始间距，如图2(a)所示，浅槽深度即为初始间距；
3.HNA各向同性腐蚀，制备隧尖7，如图2(b)所示；
4.剥离工艺，在隧尖上淀积金属Ti/Pt/Au或者Cr/Au，作为隧道电流发射电极8，如图2(c)所示；
5.剥离工艺，在玻璃衬底1上制备衬底电极，包括驱动电极2和隧尖对应电极3，电极为Ti/Pt/Au或者Cr/Au，如图2(d)所示；
6.阳极键合，实现玻璃衬底1和硅片9的对准和粘合，如图2(e)所示；
7.KOH减薄硅片到80微米；
8.铝掩膜11的制备；
9.光刻胶掩膜10的制备和第一步ICP(电感耦合等离子体刻蚀)工艺，生成支撑梁6，定义支撑梁6的厚度，如图2(f)所示；
10.划片，RIE(反应例子刻蚀)去处光刻胶掩膜10，采用铝掩膜11进行第二次ICP(电感耦合等离子体刻蚀)工艺，生成质量块5，释放结构，如图2(g)所示；
11.裂片，完成隧道加速度计的加工。
前述方法制得的高精度隧道式加速度计，其中下部为玻璃衬底1，上部为硅结构，由四根位于质量块5四周的回转支撑梁6支撑，隧尖7的位置在质量块5正中央下方。隧尖7为圆锥型，采用HNA各项同性腐蚀方法获得，隧尖7与对应电极3的初始距离通过KOH腐蚀和HNA腐蚀一起控制；支撑梁6和质量块5均通过干法深刻蚀得到，采用双掩膜技术，使得支撑梁6的厚度小于质量块5的厚度，从而提高器件的灵敏度。
发明人进一步对所制得的隧道加速度计进行了实验验证。图3示出了隧道加速度计的开环测试结果，其拟合直线的方程为ln(IT)＝35.703 VQ 2-9082.5，从图3可以验证所测试的电流为隧道电流，同时也说明了隧道电流与距离的指数关系。图4示出了隧道加速度计的闭环测试结果。从图4(a)可以看出，本发明的隧道加速度计具有很好的线性，输出灵敏度约为811mV/g，从图4(b)可以看出，本发明的隧道加速度计具有很小的噪声，1.25～100Hz范围内输出的噪声小于5×10-4g/Hz。

Claims (5)

1.高精度隧道式加速度计，包括玻璃衬底，玻璃衬底上有驱动电极和隧尖对应电极，玻璃衬底通过锚点与分布于质量块四周的支撑梁固定连接，质量块与支撑梁固定连接，隧尖位于质量块正中央下方，其特征在于，隧尖为圆锥型；支撑梁的厚度小于质量块厚度。
2.如权利要求1所述的高精度隧道式加速度计，其特征在于，所述支撑梁为单晶硅梁。
3.权利要求1所述的高精度隧道式加速度计的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)起始材料为硅片，在硅片上刻蚀浅槽，定出隧尖与对应电极的初始间距；
(2)继续刻蚀浅槽，制备隧尖；
(3)在隧尖上淀积金属，作为隧道电流发射电极；
(4)在玻璃衬底上制备驱动电极和隧尖对应电极；
(5)阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合；
(6)采用干法深槽刻蚀工艺刻蚀硅片背面，不刻穿硅片，生成支撑梁；
(7)继续刻蚀硅片背面，刻穿硅片生成厚度大于支撑梁厚度的质量块，释放结构，即制得所述隧道式加速度计。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)采用的刻蚀方法为HNA各向同性腐蚀。
5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)和步骤(7)是采用双掩膜技术，即：先在硅片背面制备铝掩膜，再制备光刻胶掩膜，然后第一步电感耦合等离子体刻蚀工艺生成支撑梁，再去除光刻胶掩膜，采用铝掩膜进行第二步电感耦合等离子体刻蚀工艺生成质量块。
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