CN101323426B - 一种超重质量块面内微型惯性器件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超重质量块微型惯性器件新结构及其制备方法。本发明设计了一种超重质量块微型惯性器件的结构及其相应的成套制备工艺。该结构包含一层玻璃衬底、衬底上的金属引线和三层硅片。制备方法中包含常规MEMS制备工艺以及熔融键合工艺、阳极键合工艺和深反应离子刻蚀。该结构和制备方法在常规结构的基础上，增加了一层力平衡层和一层超重质量块层，从而在不改变刻蚀深宽比的情况下，大幅度提高质量块的质量，而且质量块质量的增大主要通过厚度方向尺寸的增大和检测与驱动部分面积的利用，基本不影响封装后器件的体积，保证了器件的微型化。活动结构上下对称，具有很好的稳定性，容易进行模态设计。该结构和工艺可以显著提高器件的精度、降低器件的噪声。

Description

一种超重质量块面内微型惯性器件结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统加工领域，尤其涉及一种超重质量块微型惯性器件结构及其制备方法。

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，深反应离子刻蚀技术、熔融键合技术、阳极键合技术的等微细加工手段的快速发展，为研制高精度的MEMS器件提供了基础技术储备。

北京大学开发了阳极键合等离子体耦合刻蚀成套制备工艺，应用于许多惯性器件的制备中，如Z.H.Li，Z.C.Yang，Z.X.Xiao，et al.A bulk micromachined vibratorylateral gyroscope fabricated with wafer bonding and deep trench etching.Sensorsand Actuators a-Physical 83(2000)24.；Z.X.Xiao，G.Y.Wu，G.B.Zhang，etal.Laterally capacity sensed accelerometer fabricated with the anodic bondingand the high aspect ratio etching.1998 5th International Conference onSolid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings(1998)921.；杨振川；闫桂珍等，一种水平轴微机械陀螺及其制备方法，专利号申请号200510007397.8等。该工艺的基本步骤是首先将一片硅片和一片玻璃衬底键合在一起，然后对硅片减薄到约80微米左右，最后通过等离子体耦合深刻蚀工艺释放结构。由于刻蚀深宽比和检测梳齿间距的要求，结构厚度一般在80微米左右。这就限制了质量块质量的提高，在加速度计的设计中，通常要有检测梳齿，在陀螺的设计中，除检测梳齿外，一般还要有驱动部分，这就进一步缩小了质量块的体积和重量，从而降低了微型惯性器件的灵敏度，增加了器件的噪声。

本专利的另一个背景技术是熔融键合技术，熔融键合也称直接键合，是指通过对镜面抛光晶片的直接键合和后续热处理使两层或多层晶片粘结在一起，这种制备方法工艺简单，不需附加材料，不需加电，可实现低温键合，具有其他键合方法不具备的诸多优点。近年来，美国麻省理工学院开发出多层熔融键合技术，用于微型燃烧涡轮机的制备。如A.Mehra，X.Zhang，A.A.Ayon，et al.A six-wafer combustion system for asilicon micro gas turbine engine.Journal of Microelectromechanical Systems 9(2000)517.[5]A.A.Ayon，X.Zhang，K.T.Turner，et al.Characterizationof silicon wafer bonding for power MEMS applications.Sensors and Actuatorsa-Physical 103(2003)1.[6]A.A.Ayon，X.Zhang，K.Turner，et al.Low temperaturesilicon wafer bonding for MEMS applications.Fifteenth Ieee InternationalConference on Micro Electro Mechinical Systems，Technical Digest(2002)411.；A.H.Epstein.Millimeter-scale，micro-electro-mechanical systems gas turbineengines.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power-Transactions of theAsme 126(2004)205.；N.Miki，X.Zhang，R.Khanna，et al.Multi-stacksilicon-direct wafer bonding for 3D MEMS manufacturing.Sensors and Actuatorsa-Physical 103(2003)194.；N.Miki，X.Zhang，R.Khanna，et al.A study ofmulti-stack silicon-direct wafer bonding for MEMS manufacturing.Fifteenth IeeeInternational Conference on Micro Electro Mechinical Systems，Technical Digest(2002)407.上述这些文献中所涉及的微型燃烧涡轮机的制备，均采用熔融键合工艺，在熔融键合之前，一般采用深刻蚀工艺加工出微型燃烧涡轮机各层所需的特定结构。但是采用该工艺制备的微型燃烧涡轮机没有惯性器件中完全悬浮的结构、也不涉及电极引线的问题，微型涡轮马达的结构中也没有微小间距密集梳齿的结构，而这些问题是微型惯性器件制备中必需予以解决的重要问题，否则不可能采用该工艺进行微型惯性器件的制备。

在结构方面，中国专利申请号CN200510096227.1，苑伟政；常洪龙等，电容式微机械陀螺、申请号200510007397.8，杨振川；闫桂珍等，一种水平轴微机械陀螺及其制备方法，及非专利文献Z.H.Li，Z.C.Yang，Z.X.Xiao，et al.A bulk micromachinedvibratory lateral gyroscope fabricated with wafer bonding and deep trenchetching.Sensors and Actuators a-Physical 83(2000)24.；Z.X.Xiao，G.Y.Wu，G.B.Zhang，et al.Laterally capacity sensed accelerometer fabricated with theanodic bonding and the high aspect ratio etching.1998 5th InternationalConference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings(1998)921.均涉及某种特定微型惯性器件的结构，但这些器件的结构均是两层结构，其共同的问题是质量块太小，导致器件灵敏度和精度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对传统结构中质量块质量小，直接增加厚度难以实现，以及直接增加厚度对阻尼、模态设计带来的不利影响，提出了一种超重质量块面内微型惯性器件结构及其制备方法，其质量块可以超重，使整个器件的灵敏度和精度提高，且器件封装的横向尺寸基本不变。

本发明的技术方案如下：一种超重质量块面内微型惯性器件结构，包括玻璃衬底，下层硅结构，中间硅结构和上层硅结构；

玻璃衬底上有电连接线和压焊电极；玻璃衬底通过阳级键合锚点与下层硅结构连接；下层硅结构通过熔融键合锚点和中间硅结构连接；中间硅结构通过熔融键合锚点与上层硅结构连接；

上层硅结构包括两个上支撑梁、位于两个上支撑梁之间且与其刚性连接的上层质量块，上层质量块上有凸出的与其刚性连接的可动梳齿；

下层硅结构包括两个下支撑梁、位于两个下支撑梁之间且与其刚性连接的下层质量块，下层质量块上有凸出的与其刚性连接的可动梳齿，此处的可动梳齿与固定梳齿构成驱动和检测电容，固定梳齿与玻璃衬底刚性连接；

中间硅结构包括中间层质量块，中间层质量块与上层质量块和下层质量块刚性连接；

中间层质量块的厚度为硅片的原始厚度，一般为450-600微米，可以为一个原始硅片厚度或多个原始硅片厚度的叠加。中间层质量块的面积覆盖或小于上下两层中除锚点之外的所有区域，使中间层质量块的质量进一步增加。

所述的上层质量块、中间层质量块、下层质量块、可动梳齿、固定梳齿的侧壁均垂直于玻璃衬底表面，整个惯性器件的检测方向为面内方向，或面外方向。

所述的压焊电极为一层溅射薄膜结构，其与锚点和固定梳齿之间的存在电连接。

所述的上支撑梁或下支撑梁为直梁结构，或打折结构。

一种超重质量块面内微型惯性器件结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)基本材料为三片硅片和一片玻璃片，硅片可以增多为四片、或五片甚至更多，增加的硅片用于中间附加质量块的增加；

(2)采用湿法腐蚀或干法腐蚀在其中第一片硅片上刻蚀出1～4微米的浅槽，采用熔融键合工艺将刻蚀好的第一片硅片与第二片硅片键合在一起；

(3)采用深反应离子刻蚀工艺刻穿没有进行浅槽刻蚀的第二片硅片，获得中间硅结构的中间层质量块；

(4)在第三片硅片上刻蚀出1～4微米的浅槽；

(5)第三片硅片与前述键合后的第一片硅片和第二片硅片再进行一次键合，键合面为所述步骤(2)中第一片硅片与第二片硅片两层键合结构的深刻蚀面和第三片硅片的浅槽刻蚀面；

(6)键合之后，采用湿法腐蚀方法、或干法刻蚀方法，或化学机械抛光的方法将上层硅片和下层硅片两层硅片的厚度减薄至70-90μm；

(7)此时结构上下完全对称，对其中一片硅片进行3-4微米的浅槽刻蚀，然后在该浅槽刻蚀面进行下层硅结构中的下层质量块、下支撑梁、驱动和检测电容的刻蚀；

(8)在玻璃衬底上制备压焊电极，首先在玻璃衬底上腐蚀出

浅槽，然后在该浅槽内采用剥离工艺或者溅射后腐蚀的工艺淀积金属，以实现键合和电连接；

(9)采用阳极键合的方法，将步骤(7)所制备的三层键合硅片与步骤(8)所制备的玻璃片键合在一起；

(10)采用深反应离子刻蚀工艺释放结构，刻蚀出上层硅结构中的上层质量块、上支撑梁、可动梳齿(3)；

(11)裂片，完成超重质量块面内微型惯性器件结构的制备。

所述步骤(2)和步骤(4)中，熔融键合前的浅槽腐蚀可以刻蚀在中间硅片上。

所述步骤(6)中，三层熔融键合完成后可以先减薄下层硅片，上层硅片在阳极键合后再减薄。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有技术的敏感层厚度为70-90微米，质量块厚度也是70-90微米，本发明增加了一层中间硅结构层，中间层质量块的厚度为硅片的原始厚度，所以质量块的质量大幅度提高，使整个器件的灵敏度和精度提高，使器件封装的横向尺寸基本不变。

上述优点的原因简单叙述如下：

惯性器件的灵敏度与惯性力成正比，在加速度计和陀螺中，惯性力的大小分别为：

F＝ma      (1)

F＝mv×r   (2)

其中m为质量块质量，a为加速度，v为质量块振动速度，r为角速率输入

从(1)，(2)式不难看处，提高质量块的厚度，可以线性提高惯性力的大小，从而提高器件的灵敏度，在其他条件不变的情况下，降低器件的零位漂移。

惯性器件的本底噪声源主要由结构引起的机械热噪声和电路噪声两部分组成，以机械热噪声为例，其理论计算公式为：

$F=\frac{\sqrt{{4k}_B\mathrm{TD}}}{m}---\left(3\right)$

其中，k_B为波尔茨曼常数，T为绝对温度，D为阻尼系数，m为质量块质量。上式表明，本发明增大质量块质量，可以有效降低结构噪声，提高器件的分辨率，从而显著提高了器件的灵敏度和精度。

(2)另外，本发明中的中间质量块的面积覆盖或小于上下两层中除锚点之外的所有区域，其面积可以覆盖上下两层中除锚点和压焊点之外的所有区域，也可以根据设计要求适当缩小或加大，因此使中间质量块的质量进一步增加，进一步显著提高了器件的灵敏度和精度，使器件封装的横向尺寸基本不变，保证了器件的微型化特点。

(3)本发明的三层硅片结构上下对称，具有很好的结构稳定性，容易进行结构的模态设计。

(4)结构下层的支撑梁、固定梳齿和玻璃衬底上的电极引线通过锚点相连，这样即便三层硅片之间键合过程中在键合面有薄的氧化层，也不会影响器件的测试精度。

(5)本发明的上层质量块、中间层质量块、下层质量块、可动梳齿、固定梳齿的侧壁均垂直于玻璃衬底表面，可以进一步提高质量块厚度和质量，同时保证器件的侧壁形貌。

(6)结构下层的支撑梁、固定梳齿和玻璃衬底上的电极引线通过锚点相连，这样即便三层硅片之间键合过程中在键合面有薄的氧化层，也不会影响器件的测试精度。

(7)本发明设计的制备方法，采用常规微机电系统(MEMS)工艺设备和多层熔融键合技术，可以实现大批量制造，同时保证了器件的微型化。

(8)本发明设计的制备方法，在相同深刻蚀技术水平下，大大提高了质量块厚度和质量，提高了器件的灵敏度和精度，同时保证了器件的侧壁形貌。

附图说明

图1为本发明超重质量块微型惯性器件的结构示意图；

图2为本发明的制备方法流程图，其中a-l为工艺流程示意图，a-d表示四片原始晶片，其中a，b，c为硅片，d为玻璃片；e为硅片a浅槽刻蚀后的结果；f为e和b键合后的结果；g为硅片c浅槽刻蚀后的结果；h为玻璃片d淀积金属薄膜后的结果；i为f深刻蚀后的结果；j为i和g键合后的结果；k为j减薄以及键合面释放后的结果；l为k与h阳极键合并进行结构释放后的结果；

图中：1-玻璃衬底，2-电连接线与压焊电极，3-固定梳齿，4-阳极键合锚点，5-下层质量块；6-中间层质量块，7-熔融键合锚点，8-上支撑梁，9-可动梳齿，10-上层质量块，11-上层硅结构，12-中间硅结构，13-下层硅结构，14下支撑梁。

具体实施方式

如图1所示，本发明的结构包括玻璃衬底1，下层硅结构13，中间硅结构12和上层硅结构11。

玻璃衬底1上有电连接线和压焊电极2，为Ti/Pt/Au三层结构或者Cr/Au双层结构等，电连接线和压焊电极2中的压焊电极为一层溅射薄膜结构，其与锚点(4)和固定梳齿3之间的存在电连接。玻璃衬底1通过阳级键合锚点4与下层硅结构13连接。下层硅结构13通过熔融键合锚点7和中间硅结构12连接，中间硅结构12通过熔融键合锚点7与上层硅结构11连接。

上层硅结构11包括两个上支撑梁8、上层质量块10、可动梳齿(9)，支撑梁8和上层质量块10通过双端支撑梁刚性连接、上层质量块10上有凸出的可动梳齿9，上层质量块10和可动梳齿9刚性连接。

下层硅结构13包括两个下支撑梁14、位于两个下支撑梁14之间且与其刚性连接的下层质量块5，下层质量块5上有凸出的与其刚性连接的可动梳齿9，此处的可动梳齿9与固定梳齿3构成驱动和检测电容，固定梳齿3与玻璃衬底1刚性连接；

中间硅结构12包括中间层质量块6，中间层质量块6与上层质量块10和下层质量块5刚性连接，中间层质量块6的厚度为一个硅片的原始厚度，或多个原始硅片厚度的叠加中间层质量块6的面积覆盖或小于上下两层中除锚点之外的所有区域。

本发明实施例中的中间层硅质量块6其厚度可以为500微米与上层质量块10，其厚度80微米和下层质量块5，其厚度80微米刚性连接。

本发明中的上层质量块10、中间层质量块6、下层质量块5、可动梳齿9、固定梳齿3的侧壁均垂直于玻璃衬底1表面，整个惯性器件的检测方向为面内方向，即X-Y方向，或面外方向，即Z方向。

本发明中的上支撑梁8或下支撑梁14为直梁结构，或打折结构。

如图2所示，上述结构的制备方法如下：

(1)起始材料为三片双抛N型(100)硅片，厚度为500±10微米，电阻率2~4Ωcm，一片perx7740玻璃片，厚度约500微米。如图2a~2c为起始的三块硅片，图2d为起始的一片玻璃片；也可以采用四片、或五片甚至更多硅片；

(2)采用KOH腐蚀在其中第一片硅片上刻蚀出浅槽，浓度30％，温度80℃，制备结构的活动空间，浅槽深度为3～4μm，也可以为2μm，如图2e所示；前述制备好浅槽的硅片，如图2e所示，与另一片硅片，如图2b所示进行熔融键合，如图2f所示，键合之前对晶片进行清洗和表面活化处理。

(3)采用电感耦合等离子体深槽对图2f中键合好后的没有进行浅槽刻蚀的第二片硅片进行单面深槽刻蚀，采用刻蚀钝化交替的DRIE设备(如STS公司的ASE)，刻蚀深度为硅片厚度，刻蚀处中间层质量块图形，如图2i所示。

(3)采用电感耦合等离子体深槽刻蚀对图2f中键合好后的硅片进行单面深槽刻蚀，采用刻蚀钝化交替的DRIE设备(如STS公司的ASE)，刻蚀深度为硅片厚度，刻蚀出中间层质量块图形，如图2i所示。

(4)采用KOH腐蚀在第三片硅片上刻蚀出浅槽，浓度30％，温度80℃，制备结构的活动空间，浅槽深度为3～4μm，也可以为2μm，如图2g所示；

(5)将图2g所示硅片与图2i所示的完成键合与刻蚀的两层硅片再一次进行熔融键合，键合面为所述步骤(2)中第一片硅片与第二片硅片两层键合结构的深刻蚀面和第三片硅片的浅槽刻蚀面，如图2j所示，图中可看到质量块6。

(6)KOH双面减薄，使上下两硅片的厚度减薄到70-90μm左右，根据具体情况和刻蚀技术的发展，该尺寸可能会有所不同，如图2k所示。

(7)采用第二次电感耦合等离子体深槽刻蚀工艺，对其中一片硅片进行3-4微米的浅槽刻蚀，然后在该浅槽刻蚀面进行下层硅结构中的下层质量块、下支撑梁、驱动和检测电容的刻蚀，控制刻蚀时间和钝化时间分别为8秒/9秒，气压小于150毫乇，释放结构，如图2k所示。

(8)制备电连接线、压焊电极和阳极键合保护电极，首先在玻璃上用HF溶液腐蚀深

的浅槽，然后淀积光刻胶，采用同一张掩膜版进行光刻、显影后，采用溅射工艺淀积Ti/Pt/Au(厚度为

)，最后采用丙酮超声工艺剥离，在玻璃衬底1上制备出电连接线、压焊电极和阳极键合保护电极，如图2h所示；

(9)阳极键合，首先在双面对准光刻机(型号：KarlSuss MA6/BA6)上将玻璃衬底1和三层硅片对准，然后在键合机(型号：KS SB6)上进行阳极键合，键合温度380℃、键合电压1500V，常压键合，如图2h所示，图中4为阳极键合锚点；

(10)第三次电感耦合等离子体深槽刻蚀工艺，控制刻蚀时间和钝化时间分别为8秒/9秒，气压小于150毫乇，释放结构，如图2l所示，得到最终的上支撑梁8和悬浮质量块6。

(11)裂片，完成超重质量块微型惯性器件的制备。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：

包括玻璃衬底(1)，下层硅结构(13)，中间硅结构(12)和上层硅结构(11)；

玻璃衬底(1)上有电连接线和压焊电极(2)；玻璃衬底(1)通过阳极键合锚点(4)与下层硅结构(13)连接；下层硅结构(13)通过熔融键合锚点(7)和中间硅结构(12)连接；中间硅结构(12)通过熔融键合锚点(7)与上层硅结构(11)连接；

上层硅结构(11)包括两个上支撑梁(8)、位于两个上支撑梁(8)之间且与其刚性连接的上层质量块(10)，上层质量块(10)上有凸出的与其刚性连接的可动梳齿(9)；

下层硅结构(13)包括两个下支撑梁(14)、位于两个下支撑梁(14)之间且与其刚性连接的下层质量块(5)，下层质量块(5)上有凸出的与其刚性连接的可动梳齿(9)，此处的可动梳齿(9)与固定梳齿(3)构成驱动和检测电容，固定梳齿(3)与玻璃衬底(1)刚性连接；

中间硅结构(12)包括中间层质量块(6)，中间层质量块(6)与上层质量块(10)和下层质量块(5)刚性连接；

中间层质量块(6)的厚度为一个硅片的原始厚度或多个硅片的原始厚度的叠加。

2.根据权利要求1所述的超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：所述的中间层质量块(6)的面积小于等于上下两层硅结构中除锚点之外的所有区域。

3.根据权利要求1或2所述的超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：所述的上层质量块(10)、中间层质量块(6)、下层质量块(5)、可动梳齿(9)、固定梳齿(3)的侧壁均垂直于玻璃衬底(1)表面。

4.根据权利要求1所述的超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：所述的电连接线和压焊电极(2)中的压焊电极为一层溅射薄膜结构，其与锚点(4)和固定梳齿(3)之间存在电连接。

5.根据权利要求1或2所述的超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：所述的中间层质量块(6)的厚度为450-600微米。

6.根据权利要求1所述的超重质量块面内微型惯性器件结构，其特征在于：所述的上支撑梁(8)或下支撑梁(14)为直梁结构，或打折结构。

7.一种超重质量块面内微型惯性器件结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)基本材料为三片硅片和一片玻璃片；

(2)采用湿法腐蚀或干法腐蚀在其中第一片硅片上刻蚀出深度为1～4微米的浅槽，采用熔融键合工艺将刻蚀好的第一片硅片与第二片硅片键合在一起；第一片硅片的键合面为经过浅槽刻蚀的面；

(3)采用深反应离子刻蚀工艺刻穿没有进行浅槽刻蚀的第二片硅片，获得中间硅结构的中间层质量块；

(4)在第三片硅片上刻蚀出深度为1～4微米的浅槽；

(5)第三片硅片与前述键合后的第一片硅片和第二片硅片再进行一次键合，键合面为所述步骤(3)中第一片硅片与第二片硅片两层键合结构的深刻蚀面和第三片硅片的浅槽刻蚀面；

(6)键合之后，采用湿法腐蚀方法、或干法刻蚀方法，或化学机械抛光的方法将第一片硅片和第三片硅片两层硅片的厚度减薄至70-90μm；

(7)此时结构上下完全对称，对其中一片硅片进行深度为3-4微米的浅槽刻蚀，然后在该浅槽刻蚀面进行下层硅结构中的下层质量块、下支撑梁、驱动和检测电容的刻蚀；

(8)在玻璃衬底上制备压焊电极，首先在玻璃衬底上腐蚀出深度为900～

浅槽，然后在该浅槽内采用剥离工艺或者溅射后腐蚀的工艺淀积金属；

(9)采用阳极键合的方法，将步骤(7)所制备的经过刻蚀和腐蚀的三层键合硅片与步骤(8)所制备的玻璃衬底键合在一起；键合面为三层键合硅片刻蚀出下层硅结构的面和玻璃衬底淀积有金属的面；

(10)采用深反应离子刻蚀工艺释放结构，刻蚀出上层硅结构中的上层质量块、上支撑梁、可动梳齿(3)；

(11)裂片，完成超重质量块面内微型惯性器件结构的制备。

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