CN102134053A - 双轴mems陀螺仪的制造方法 - Google Patents
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Abstract
双轴MEMS陀螺仪的制造方法包括七个步骤：提供一个底部晶圆，通过光刻和进行各向异性腐蚀后形成底部空腔；在底部晶圆上淀积第一层金属，对第一层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第一层金属下电极和连线；在底部晶圆的第二层氧化硅上淀积第二层金属，对第二层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第二层金属密封环和导电块；提供一个顶部晶圆，通过干法工艺或湿法工艺在顶部晶圆上形成顶部空腔；提供一个MEMS晶圆，通过熔化键合工艺将MEMS晶圆与顶部晶圆键合在一起；利用化学机械抛光工艺将第一组合晶圆中的MEMS晶圆的厚度减小至设计要求的厚度；采用共晶键合的方法将第二组合晶圆与底部晶圆键合在一起。该双轴陀螺仪的面积小且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)的加工技术，特别是涉及一种双轴MEMS陀螺仪的制造方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统，它是用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统，其中微加工技术包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA(LIGA是德文Lithographie、Galanoformung和Abformung的三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写)和晶片键合等技术。
MEMS惯性传感器是应用微机电系统(MEMS)技术研发出来的典型微传感器。随着MEMS技术的日益发展，MEMS惯性传感器(包括加速度计和陀螺仪)的性能指标越来越高，以其尺寸小、价格便宜的优势在工业、医疗以及其他消费电子产品的各个层面都发挥着巨大的作用。
在MEMS陀螺仪中，振动式硅微机械陀螺仪是最常见的一种陀螺仪，这种陀螺仪利用哥式效应检测角速度的大小，其基本工作原理是：首先使检测质量块沿驱动方向做线振动或角振动，进入驱动模态；当沿敏感轴方向有角速度输入时，在检测轴方向就会出现哥式力，迫使检测质量块沿检测方向有位移产生。输入角速度和哥式力的大小成正比关系，因此通过检查哥式力引起的位移变化量就可以直接得到输入角速度的信息。驱动方向、检测方向和敏感轴方向在空间中成垂直关系，例如垂直平面的Z轴陀螺仪的驱动方向为平面内X轴方向，而检测方向为平面内Y轴方向。
目前借助常用的MEMS加工手段，在硅片上形成平面内的可动质量块和驱动/检测电极比较容易实现，因此目前市场上较为普遍的是Z轴陀螺仪。通常通过垂直封装的方式实现双轴或多轴陀螺仪，但这种方法实现的双轴或多轴陀螺仪的尺寸较大，并且封装成本较高。因此，为了实现具有较高性价比的单芯片双轴MEMS陀螺仪，人们进行了各种方法的尝试，但是都没有突破性技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其分别加工三个晶圆，并使用晶圆键合的办法，在对MEMS结构进行气密性封装的同时，实现了平面内驱动/检测电极以及垂直平面方向的驱动/检测电极，从而实现了双轴陀螺仪结构，制造成本低且性能高。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一、提供一个底部晶圆，通过化学气相淀积工艺在底部晶圆上淀积氮化硅，通过光刻和进行各向异性腐蚀后形成底部空腔，在底部空腔上淀积第一层氧化硅；
步骤二、在底部晶圆上淀积第一层金属，对第一层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第一层金属下电极和第一层金属连线，通过化学气相淀积工艺淀积第二层氧化硅，通过光刻和刻蚀工艺后形成第一层金属和第二层金属之间的通孔；
步骤三、在底部晶圆的第二层氧化硅上淀积第二层金属，对第二层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第二层金属密封环和第二层金属导电块，然后对第二层氧化硅进行光刻和刻蚀工艺后使第一层金属下电极暴露出来；
步骤四、提供一个顶部晶圆，通过干法工艺或湿法工艺在顶部晶圆上形成顶部空腔，通过化学气相淀积工艺在顶部空腔上淀积第三层氧化硅；
步骤五、提供一个MEMS晶圆，通过熔化键合工艺将MEMS晶圆与顶部晶圆键合在一起，形成硅和氧化硅之间的熔化键合面并形成硅与氧化硅之间的熔化键合面，MEMS晶圆与顶部晶圆形成了第一组合晶圆；
步骤六、利用化学机械抛光工艺将第一组合晶圆中的MEMS晶圆的厚度减小至设计要求的厚度，再进行光刻后用干法工艺刻蚀出MEMS结构，厚度减小后的MEMS晶圆与底部晶圆形成了第二组合晶圆；
步骤七、采用共晶键合的方法将第二组合晶圆与底部晶圆键合在一起，同时形成第二层金属密封环、第二层金属导电块与MEMS晶圆的共晶键合面，这样就完成双轴MEMS陀螺仪的制造。
优选地，所述步骤一为底部晶圆形成底部空腔步骤，步骤二为底部晶圆形成第一层金属下电极和连线步骤，步骤三为底部晶圆形成第二金属密封环和导电块步骤，步骤四为顶部晶圆形成顶部空腔步骤，步骤五为形成第一组合晶圆，步骤六为形成MEMS结构步骤，步骤七为第二组合晶圆与底部晶圆键合步骤。
优选地，所述MEMS晶圆的材料采用两面均抛光的硅基片。
优选地，所述底部晶圆和顶部晶圆的材料采用硅基片或者玻璃基片。
优选地，所述第一层金属和第二层金属为铝、金、镍、铜或钨或者是这些金属的合金。
优选地，所述顶部晶圆的顶部空腔形成是通过湿法工艺的各向异性腐蚀或者干法工艺的各向异性腐蚀。
优选地，所述MEMS晶圆与顶部晶圆的熔化键合工艺为高温熔化键合、低温熔化键合或阳极键合工艺。
优选地，所述MEMS结构包括MEMS器件的质量块和弹簧，MEMS器件的质量块通过弹簧与周围的MEMS晶圆连接，质量块的侧面和下面均有电极结构。
优选地，所述双轴MEMS陀螺仪包括XY双轴陀螺仪，XZ双轴陀螺仪或者YZ双轴陀螺仪。
优选地，所述双轴MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器。
本发明的积极进步效果在于：本发明双轴MEMS陀螺仪的制造方法通过分别加工三个晶圆并对其进行晶圆键合，最终形成了具有气密性封装的双轴陀螺仪结构。本发明可以实现单芯片的XY双轴MEMS陀螺仪，或XZ双轴MEMS陀螺仪，或YZ双轴MEMS陀螺仪。同时，本发明所述双轴陀螺仪的面积小，制造成本低，性能高，并且可以批量生产。
附图说明
图1为本发明底部晶圆形成底部空腔步骤的示意图。
图2为本发明底部晶圆形成第一层金属下电极和连线步骤的示意图。
图3为本发明底部晶圆形成第二金属密封环和导电块步骤的示意图。
图4为本发明顶部晶圆形成顶部空腔步骤的示意图。
图5为本发明形成第一组合晶圆步骤的示意图。
图6为本发明形成MEMS结构步骤的示意图。
图7为本发明第二组合晶圆与底部晶圆键合步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明涉及的双轴MEMS陀螺仪的制造方法是分别在底部晶圆、顶部晶圆和MEMS晶圆上进行加工，最后通过晶圆键合在一起，形成具有气密性封装的双轴MEMS陀螺仪。其中，双轴MEMS陀螺仪包括XY双轴陀螺仪，XZ双轴陀螺仪或者YZ双轴陀螺仪。双轴MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器，其制造方法具体包括以下步骤：
A1、如图1所示，底部晶圆形成底部空腔步骤：提供一个底部晶圆1，该底部晶圆的材料可以采用硅片或者玻璃片。通过CVD(Chemical VaporDeposition，化学气相淀积)工艺在底部晶圆1上淀积氮化硅，作为硅湿法腐蚀的掩膜。然后涂光刻胶，光刻后暴露出要腐蚀的区域，用KOH(氢氧化钾)腐蚀液对硅片进行各向异性腐蚀，形成底部空腔3，底部空腔3的形状为梯形，然后再通过CVD工艺在底部空腔3上淀积第一层氧化硅2。
A2、如图2所示，底部晶圆形成第一层金属下电极和连线步骤：在底部晶圆1的第一层氧化硅2上面通过溅射或者蒸发工艺，淀积第一层金属5，第一层金属可以为铝、金、镍、铜或钨或者是这些金属的合金。采用光刻和湿法腐蚀的方法刻蚀第一层金属5，形成第一层金属下电极6和第一层金属连线7。然后通过CVD工艺淀积第二层氧化硅4，通过光刻和刻蚀工艺暴露出第一层金属5和第二层金属之间的通孔10。
A3、如图3所示，底部晶圆形成第二金属密封环和导电块步骤：在底部晶圆1的第二层氧化硅4上淀积第二层金属，第二层金属可以为铝、金、镍、铜或钨或者是这些金属的合金。采用光刻和湿法腐蚀的方法刻蚀第二层金属，形成第二层金属密封环8和第二层金属导电块9。然后对第二层氧化硅4采用光刻和刻蚀的方法，暴露出第一层金属下电极6，从而形成带有金属图形的底部晶圆22。
A4、如图4所示，顶部晶圆形成顶部空腔步骤：提供一个顶部晶圆13，该晶圆的材料可以采用硅片或者玻璃片。用干法工艺或湿法工艺在顶部晶圆13上各向异性腐蚀出顶部空腔11，干法工艺包括RIE(Reaction Ion Etch，反应离子刻蚀法)工艺和ICP(Inductive Coupled Plasma，电导耦合等离子体)工艺，顶部空腔11与底部晶圆1上的底部空腔3相对，顶部空腔11必须有足够的深度以容纳MEMS器件的正常运动或受强外力冲击时的MEMS结构的形变，以及降低寄生电容，然后通过CVD工艺在顶部空腔11上淀积第三层氧化硅12。
A5、如图5所示，形成第一组合晶圆步骤：提供一个MEMS晶圆14，该晶圆的材料采用两面均抛光的硅基片，通过熔化键合工艺将MEMS晶圆14与顶部晶圆13键合在一起，形成硅和氧化硅之间的熔化键合面15，该熔化键合工艺为高温熔化键合、低温熔化键合或阳极键合等工艺，MEMS晶圆与顶部晶圆从而形成了第一组合晶圆20。
A6、如图6所示，形成MEMS结构步骤：利用CMP(Chemical MechanicalPolishing，化学机械抛光)工艺将第一组合晶圆20中的MEMS晶圆14的厚度减小至设计要求的厚度16，该厚度16可以为1um至100um，再进行光刻后用ICP工艺或RIE工艺刻蚀出MEMS器件的质量块和弹簧等MEMS结构17，MEMS器件的质量块通过弹簧与周围的MEMS晶圆连接，质量块的侧面和下面均有电极结构，最后去除光刻胶，厚度减小后的MEMS晶圆14与底部晶圆1形成了第二组合晶圆21。
A7、如图7所示，第二组合晶圆与底部晶圆键合步骤：采用共晶键合的方法将第二组合晶圆21与带金属图形的底部晶圆22键合在一起，同时形成第二层金属密封环8、第二层金属导电块9与MEMS晶圆14的共晶键合面19。在键合过程中要注意位置对准，同时控制MEMS结构17与第一层金属下电极6之间的间距18在设计要求的厚度，如0.1um至10um。这样，就完成了双轴MEMS陀螺仪的制造。
因此，本发明制得的双轴MEMS陀螺仪包括底部晶圆1、顶部晶圆13和MEMS晶圆14，底部晶圆1上有第一层氧化硅2和底部空腔3，第一层氧化硅2上依次设有第一层金属5和第二层氧化硅4，第二层氧化硅4上有第二层金属密封环8和第二层金属导电块9，顶部晶圆13上有顶部空腔11和第三层氧化硅12，MEMS晶圆14与顶部晶圆13键合在一起，第二层金属密封环8、第二层金属导电块9与MEMS晶圆14键合在一起。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一、提供一个底部晶圆，通过化学气相淀积工艺在底部晶圆上淀积氮化硅，通过光刻和进行各向异性腐蚀后形成底部空腔，在底部空腔上淀积第一层氧化硅；
步骤二、在底部晶圆上淀积第一层金属，对第一层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第一层金属下电极和第一层金属连线，通过化学气相淀积工艺淀积第二层氧化硅，通过光刻和刻蚀工艺后形成第一层金属和第二层金属之间的通孔；
步骤三、在底部晶圆的第二层氧化硅上淀积第二层金属，对第二层金属进行光刻和刻蚀工艺后形成第二层金属密封环和第二层金属导电块，然后对第二层氧化硅进行光刻和刻蚀工艺后使第一层金属下电极暴露出来；
步骤四、提供一个顶部晶圆，通过干法工艺或湿法工艺在顶部晶圆上形成顶部空腔，通过化学气相淀积工艺在顶部空腔上淀积第三层氧化硅；
步骤五、提供一个MEMS晶圆，通过熔化键合工艺将MEMS晶圆与顶部晶圆键合在一起，形成硅和氧化硅之间的熔化键合面并形成硅与氧化硅之间的熔化键合面，MEMS晶圆与顶部晶圆形成了第一组合晶圆；
步骤六、利用化学机械抛光工艺将第一组合晶圆中的MEMS晶圆的厚度减小至设计要求的厚度，再进行光刻后用干法工艺刻蚀出MEMS结构，厚度减小后的MEMS晶圆与底部晶圆形成了第二组合晶圆；
步骤七、采用共晶键合的方法将第二组合晶圆与底部晶圆键合在一起，同时形成第二层金属密封环、第二层金属导电块与MEMS晶圆的共晶键合面，这样就完成双轴MEMS陀螺仪的制造。
2.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述步骤一为底部晶圆形成底部空腔步骤，步骤二为底部晶圆形成第一层金属下电极和连线步骤，步骤三为底部晶圆形成第二金属密封环和导电块步骤，步骤四为顶部晶圆形成顶部空腔步骤，步骤五为形成第一组合晶圆，步骤六为形成MEMS结构步骤，步骤七为第二组合晶圆与底部晶圆键合步骤。
3.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述MEMS晶圆的材料采用两面均抛光的硅基片。
4.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述底部晶圆和顶部晶圆的材料采用硅基片或者玻璃基片。
5.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述第一层金属和第二层金属为铝、金、镍、铜或钨或者是这些金属的合金。
6.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述顶部晶圆的顶部空腔形成是通过湿法工艺的各向异性腐蚀或者干法工艺的各向异性腐蚀。
7.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述MEMS晶圆与顶部晶圆的熔化键合工艺为高温熔化键合、低温熔化键合或阳极键合工艺。
8.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述MEMS结构包括MEMS器件的质量块和弹簧，MEMS器件的质量块通过弹簧与周围的MEMS晶圆连接，质量块的侧面和下面均有电极结构。
9.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述双轴MEMS陀螺仪包括XY双轴陀螺仪，XZ双轴陀螺仪或者YZ双轴陀螺仪。
10.如权利要求1所述的双轴MEMS陀螺仪的制造方法，其特征在于，所述双轴MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器。
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Denomination of invention: Manufacturing method of biaxial MEMS (micro-electro-mechanical system) gyroscope Effective date of registration: 20151228 Granted publication date: 20130403 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd Pudong branch Pledgor: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd. Registration number: 2015310000052 |
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