CN100492015C - 湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿法制造的微机械电容式加速度传感器，属于微电子机械系统领域。其特征在于，最为关键的是利用补偿条结构牺牲方法和(110)单晶硅在各向异性腐蚀液中选择性腐蚀特性，采用硅各向异性湿法腐蚀在(110)单晶硅上制造出所需要的电容式加速度传感器结构，电容加速度传感器可动电极和固定电极同时形成在(110)单晶硅上，电容极板间隙为3-15微米。电容的平行电极必须严格对准(111)晶向。本发明提供的方法简化了微机械电容式加速度传感器的制造工艺，提高了电容式加速度传感器的成品率，而且也使制造出来的加速度传感器具有高的灵敏度和输出稳定性。

Description

湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器

(本申请系02111345.9发明申请的分案申请，申请日是2002年4月12日，发明名称为湿法腐蚀制造微机械电容式加速度传感器及其结构)

技术领域

本发明涉及的一种湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器，更确切地说本发明涉及一种以补偿条牺牲技术及硅各向异性腐蚀技术为关键技术的制造的微机械电容式加速度传感器。属于微电子机械系统领域。

背景技术

硅微小加速度计是非常重要的微惯性器件，可应用于汽车、机器人以及各种制导和测控系统中。按照敏感原理，微机械加速度传感器大致有以下几种：压阻式、压电式、厚膜应变计式、电磁式、热电偶式、谐振器式和电容式等等。其中电容式加速度传感器又可分为力平衡式和非力平衡式。可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的线性度，常常采用差动电容式的测量结构。电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有温度效应小，重复性好等优点，是目前研制最多的一类传感器。

制作电容式加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和硅体微机械加工方法。采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大，稳定性差，量程有限，带宽小等缺点。采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于噪声低，稳定性好，可具有高灵敏度，具有大阻尼等优点，缺点是体积稍大。

在以往用硅体微机械加工方法制作电容式加速度传感器时，多数采用(100)晶向的硅片，双面腐蚀方法形成电容加速度器件结构，如F.Rudolfet.al，Precision Accelerometers with μg Resolution，Sensors and Actuators，A21-23，(1990)pp297-302。这种方法存在器件结构尺寸控制难，工艺加工难度大及封装应力等问题。采用(100)晶向的硅片进行湿法各向异性腐蚀无法形成垂直硅片表面和相互平行的条状结构，因此为了形成垂直硅片表面和相互平行的条状结构通常需要采用干法刻蚀技术(深反应离子刻蚀技术DRIE)，这就要使用昂贵的设备，增加了器件制作成本，同时电容极板间隙受DRIE技术深宽比限制，不能很窄，如Zhixiong Xiao et.al，Silicon micro-accelerometer withresolution，high linearity and large frequency bandwidth fabricated with two maskbulk process，Sensors and Actuators，A77，(1999)pp113-119。

采用(110)晶向硅片进行湿法各向异性腐蚀可形成垂直硅片表面和相互平行的条状结构。然而，由于硅各向异性的特性，通常腐蚀的结果是形成一个平行四边形结构，而无法形成矩形结构，如D.R.Ciarlo，A latchingaccelerometer fabricated by the anisotropic etching of(110)oriented siliconwafers，J.Micrromechanics and Microengineering，Volume 2，Number 1，March1992，pp10。这就限制了器件的形状设计，影响器件的性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种湿法腐蚀制造微机械电容式加速度传感器方法，电容加速度传感器可动电极和固定电极可同时形成在(110)单晶硅上，平行电容极板间隙可小于10微米。不仅可简化制造工艺，而且使制造出来的微机械电容式加速度传感器表现出较高的灵敏度。

本发明的目的之二在于提供一种在湿法腐蚀硅过程中保护希望保留的单晶硅结构方法，采用细条结构被牺牲腐蚀，使得最终形成矩形结构；采用二次氧化形成的氧化硅作为传感器结构底面的保护掩膜，使得预期的器件结构在完成湿法各向异性腐蚀后，能完整保留，不被损坏。

本发明的目的之三在于提供一种用上述新的制造方法制作的具有特殊结构的微机械电容式加速度传感器，其特征是采用两组阻挡块，增加微机械电容式加速度传感器抗过载能力。两组阻挡块除了起增加传感器抗过载能力作用外，还可用于器件的自检测。

本发明是通过下述过程实施的：

(1)首先对双面抛光(110)单晶硅片1氧化，正面光刻胶保护，背面对准<111>晶向光刻出悬空释放区域图形。

(2)然后各向异性腐蚀剂氢氧化钾(KOH)溶液，或四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液腐蚀硅，腐蚀深度可以根据设计要求决定。

(3)用HF溶液漂去氧化硅，再次对硅片氧化，正面光刻胶保护，背面光刻出键合区。进行双面光刻，正面光刻出加速度传感器结构图形，背面光刻胶保护。

(4)将硅片腐蚀面与另一块Pyrex玻璃片键合。

(5)接着用各向异性腐蚀剂腐蚀硅，直至硅被腐蚀穿，形成电容加速度传感器结构。

(6)漂去氧化硅，释放加速度传感器结构。

(7)蒸发金属铝薄膜，形成电极。

(8)用倒扣封装法完成器件封装。

下面结合附图，详细阐明本发明。

具体的制作加速度传感器的方法过程如下：

选择双面抛光(110)晶向单晶硅片1，进行1050-1150℃热氧化，形成0.1-0.3微米氧化硅2(图3)。然后正面光刻胶保护，背面对准<111>晶向光刻出电容式加速度传感器悬空释放区域图形(图4)。用硅各向异性腐蚀液如氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀硅，腐蚀形成一定深度，该深度根据需要来控制，一般在4-10微米。用HF溶液漂去氧化硅，在1050-1150℃条件下进行第二次热氧化，形成1-1.4微米的氧化硅。对硅片进行二次光刻，正面光刻胶保护，背面光刻出键合区3(图5)。再进行双面光刻，正面光刻出加速度传感器结构图形，背面光刻胶保护。将光刻好的硅片与Pyrex 7740玻璃4进行阳极键合，键合温度380℃～470℃，键合电压800V～1100V(图6)。或可与另一硅片键合。硅片与玻璃片键合为阳极静电键合，硅片与硅片键合为高温键合。然后将键合后的硅片放入氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀温度为60℃。在硅片被腐蚀穿透形成加速度传感器结构后，取出硅片进行清洗(图7)。用HF溶液漂去氧化硅，释放加速度传感器结构。蒸发金属铝薄膜5，形成电极(图8)。最后用倒扣封装完成加速度传感器封装(图9)。

为了形成垂直硅片平面和相互平行的电容极板，加速度传感器电容平行电极光刻图形必须严格对准<111>晶向，即最终形成的平行电容极板平面平行于和(110)硅片表面垂直的(111)面。电容加速度传感器可动电极和固定电极可同时形成在(110)单晶硅上，平行电容极板间隙为3-15微米。

为了形成所需的矩形加速度传感器结构，垂直于电容极板间隙的电容极板边，采用细条结构8(图10)，使得在硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀过程中，由于硅的各向异性特性，细条结构被牺牲腐蚀，而使得最终矩形传感器结构能得以形成。精确的牺牲细条结构长度根据腐蚀液的削角腐蚀速率确定，通常牺牲细条结构长度与腐蚀硅片深度的比为1.2-2:1，而腐蚀牺牲细条的宽度一般为5微米至50微米，细条间距为20微米至100微米。

为了保护加速度传感器可动电极的底面在各向异性湿法腐蚀加速度传感器结构过程中不被腐蚀，第二次氧化形成的氧化硅除作为各向异性湿法腐蚀加速度传感器结构的掩膜外，还用于保护可动质量块电极9的底面(图7)。

为了提高电容式加速度传感器抗过载能力，设计了一种电容式加速度传感器结构。采用上述制作加速度传感器方法，在腐蚀形成加速度固定电极14和可动质量块电极9的同时，可动电极的两端可以同时制作形成两组阻挡块12、13。阻挡块12、13与可动质量块电极9的间隙小于固定电极14和可动质量块电极9的间隙，这样阻挡块可以提高电容式加速度传感器抗过载能力。两组阻挡块12、13与相关电路配合，还可以使该电容式加速度传感器成为带有自检功能的电容式加速度传感器(图1)。

按本发明方法所提供的电容式加速度传感器的结构是固定电极位于可动质量块电极的两侧，弹性悬臂梁一端与固定锚点相连，另一端与可动质量块电极相连；二组阻挡块分别位于可动质量块二边，且对称于弹性悬臂梁。

简而言之，本发明提供了一种制作微机械电容式加速度传感器的方法，和以前的方法相比，易于制造加速度传感器，成本低。本发明还提供了一种电容式加速度传感器的结构，该结构具有两组独立的阻挡块，可用于传感器的过载保护以及用于自检。此外，由于采用单晶硅，加速度传感器的性能稳定，并且可以根据不同的应用需要，设计不同的悬臂长度，改变传感器灵敏度，灵活性大。

附图说明

图1是硅片腐蚀穿透后形成加速度传感器结构的示意图。

图2是图1所示的加速度传感器的剖面示意图。(a)AA剖面(b)BB剖面。

图3是在硅衬底上形成悬空释放区域图形的示意图。

图4是腐蚀硅形成一定悬空深度的示意图。

图5是腐蚀氧化硅形成保护器件结构掩膜的示意图。

图6是键合的示意图。

图7是硅片被腐蚀穿透形成加速度传感器结构后的示意图。

图8是用HF溶液漂去氧化硅，蒸发金属铝薄膜，形成电极后的示意图。

图9是倒扣封装完成加速度传感器封装的示意图。

图10是根据本发明制作的加速度传感器图形结构示意图。

图中：

1—硅                2—氧化硅

3—硅片键合区        4—Pyrex玻璃

5—金属铝                 6—封装盖板

7—焊料                   8—牺牲补偿细条

9—电容式加速度传感器可动质量块电极

10—弹性悬臂梁

11—电容式加速度传感器可动电极的固支锚点

12—第一组抗过载阻挡块     13—第二组抗过载阻挡块

14—电容式加速度传感器固定电极

具体实施方式

通过下面用湿法腐蚀制造微机械电容式加速度传感器的方法描述，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于实施例。

实施例1

(1)选择双面抛光(110)晶向单晶硅片1，进行1100℃热氧化，形成0.2微米氧化硅层2；

(2)然后正面光刻胶保护，背面对准<111>晶向光刻出电容式加速度传感器悬空释放区域图形；

(3)用KOH各向异性腐蚀液腐蚀硅，腐蚀深度6微米；

(4)用HF溶液漂去氧化硅，在1100℃进行第二次热氧化，形成1.2微米的氧化硅；

(5)对硅片进行二次光刻，正面光刻胶保护，背面光刻出键合区3；

(6)再进行双面光刻，正面光刻出加速度传感器结构图形，背面光刻胶保护；

(7)光刻好的硅片与Pyrex7740玻璃4进行阳极键合，键合温度420℃，键合电压1000V；

(8)键合后的硅片放入四甲基氢氧化铵腐蚀液中进行腐蚀穿透，腐蚀温度为60℃；

(9)在硅片被腐蚀穿透，细条结构被腐蚀后，形成加速度传感器结构，取出硅片进行清洗；

(10)用HF溶液漂去氧化硅，释放加速度传感器结构。蒸发金属铝薄膜5，形成电极；

(11)最后用倒扣封装完成加速度传感器封装。

经上述工艺过程制造的电容式加速度传感器的结构如图1所示。平行电容极板间隙为10微米。

Claims (4)

1.一种湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器，包括固定电极、可动质量块电极，其特征在于：

(1)固定电极位于可动质量块电极的两侧；

(2)弹性悬臂梁一端与固支锚点(11)相连，另一端与可动质量块电极相连；

(3)二组阻挡块(12、13)分别位于可动质量块电极的两边，且对称于弹性悬臂梁；

(4)互相平行的电容极板平面平行于和(100)面硅片表面垂直的(111)面；

所述的湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器的制造方法包括单晶硅片选择、氧化、腐蚀工艺步骤，(1)选择双面抛光(110)单晶硅片，热氧化形成氧化硅；(2)然后正面光刻胶保护，背面对准<111>晶向光刻出悬空释放区域图形；(3)用各向异性碱性腐蚀液，腐蚀硅形成4-10微米深度；(4)用HF溶液漂去氧化硅，进行第二次热氧化，对硅片进行第二次光刻，正面光刻胶保护，背面光刻出键合区；(5)再进行双面光刻，正面光刻出加速度传感器结构图形，背面光刻胶保护；(6)将光刻好的硅片腐蚀面与Pyrex玻璃片或与另一块硅片键合；(7)键合后硅片放入各向异性腐蚀液，进行腐蚀穿透，细条结构被牺牲腐蚀，形成电容加速度传感器机构，取出硅片清洗；(8)用HF溶液漂去氧化硅，释放加速度传感器结构；(9)蒸发金属铝薄膜，形成电极；用倒扣封状法完成器件封装。

2.根据权利要求1所述的湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器，其特征在于：二组阻挡块(12、13)与可动质量块电极(9)的间隙小于固定电极(14)和可动质量块电极(9)的间隙。

3.根据权利要求1所述的湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器，其特征在于互相平行的电容电极光刻图形对准<111>晶向。

4.根据权利要求1所述的湿法腐蚀制造的微机械电容式加速度传感器，其特征在于可动质量块电极和固定电极同时形成在(110)面的单晶硅片上，互相平行的电容极板的间隙为3-15微米。

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