CN102607543A - 基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于通孔硅晶圆层的通孔硅电极，相邻的通孔硅电极之间具有垂直于通孔硅晶圆层的通孔硅绝缘层；质量块晶圆层包括一对左右对称的扇形质量块，扇形质量块形成质量块电极，质量块晶圆层采用硅-硅直接键合方式通过单锚点对称悬挂于固定电极晶圆层的下方；质量块电极与通孔硅电极形成可变电容的两个极。本发明采用通孔硅作为可变电容传感器结构的电极材料并采用硅-硅直接键合方式，可将热应力降至最小，还提升了传感器的性能。

Description

基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种电容式微机械陀螺仪，具体地说，涉及一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪。

背景技术

硅微机械陀螺仪由于具有体积小、成本低、功耗低、抗冲击、可靠性高等优点，在惯性测量领域有着广泛的应用前景。而电容式硅微机械陀螺仪又以其温度系数低，重复性好等优良特性而被广泛关注，是目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。

目前电容式硅机械式陀螺的设计结构有很多种，但大致可分为两大类：一类是带有弧形梳齿结构的环形（或扇形）质量块，这类陀螺结构一般采取单支点结构，也就是说整个质量块悬架于单个锚点上；第二类陀螺仪是带有直条形梳齿结构的矩形质量块，这类陀螺仪结构一般有一个或两个甚至四个质量块，每个质量块有两个或四个锚点，因此被称为多锚点结构。单锚点结构与多锚点相比优点是热应力影响较小。

电容式硅微机械陀螺仪的制作方法又分为两大类，第一类是表面微机械加工法，第二类是体硅微机械加工法。前者与集成电路工艺兼容，具有集成度高成本低的优点，但也存在稳定性差，噪声大等缺点。而体硅式加工的微加速度计采用单晶硅作为敏感单元，质量块较大，因而灵敏度高，噪声小，性能稳定。因而高性能加速度计通常采用体硅工艺制作。

体硅工艺主要又可分为硅-玻璃键合工艺和硅-硅键合工艺两种。当对传感器的性能要求进一步提高后，比如精度要求达到战术级和导航级后，对材料的热涨系数的匹配要求也更加严格。从这一点来说，硅-硅键合又比硅-玻璃键合更胜一筹。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需要一层二氧化硅绝缘材料作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料或多或少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响到器件性能。因此，要想彻底消除热应力问题，最好是采用三维硅-硅直接键合，晶圆片之间不夹带任何非硅材料。

目前市场上普遍采用的SOI工艺是用二氧化硅绝缘层将质量块和衬底之间电隔离开来。这一层绝缘层会或多或少在垂直于晶圆片的方向引起不匹配热应力。近年来发展起来的通孔硅技术是用二氧化硅作为垂直绝缘层，垂直的二氧化硅层对垂直方向的热应力影响较小。

发明内容                                                                                                  

本发明的目的是提供一种热应力较小、性能较好的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪及其加工工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，所述的三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；

所述的固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的通孔硅晶圆层的通孔硅电极，相邻的通孔硅电极之间具有垂直于所述的通孔硅晶圆层的通孔硅绝缘层；

所述的质量块晶圆层包括一对左右对称的扇形质量块，所述的扇形质量块形成质量块电极，所述的质量块晶圆层采用硅-硅直接键合方式通过单锚点对称悬挂于所述的固定电极晶圆层的下方；所述的扇形质量块绕所述的单锚点做旋转式微幅振动；

所述的质量块电极与所述的通孔硅电极形成可变电容的两个极。

优选的，所述的三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅，所述的通孔硅电极由所述的高掺杂单晶硅形成。

优选的，所述的扇形质量块包括扇形的内质量块、沿所述的内质量块的圆周排布的一系列具有圆弧状梳齿的扇形的外质量块；所述的硅通孔电极包括与所述的内质量块相对应的内固定电极、与所述的梳齿相对应的外扇形电极。

优选的，所述的通孔硅绝缘层由二氧化硅和多晶硅形成，其厚度为1-20μm，典型值为6μm。

优选的，所述的通孔硅晶圆层的未与所述的质量块晶圆层相键合的外表面具有与所述的通孔硅电极相对应的金属电极，所述的金属电极为金属铝薄膜。

优选的，所述的质量块晶圆层的与所述的固定电极晶圆层相键合的界面具有第一浅槽，所述的第一浅槽的深度为所述的可变电容的两个极的距离；所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层相键合的界面腐蚀第二浅槽。

优选的，当所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层之间采用金属共融键合时，所述的浅槽中淀积一层吸气膜层；当所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层之间采用硅-硅直接键合时，所述的浅槽中就不需要淀积所述的吸气膜层。

优选的，所述的质量块晶圆层的厚度为10-100μm，典型值为50μm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、由于本发明采用通孔硅作为可变电容传感器结构的电极材料，即用垂直的电绝缘层将数个电极隔开，而三层硅晶圆层之间不需要夹带任何非硅材料，不仅将热应力降至最小，还有效地减小了器件的尺寸，同时能够有效提升气密性和可靠性；可以省去通常传感器所需要加的吸气膜层，从而简化了加工工艺，降低了成本；

2、由于本发明采用硅-硅直接键合方式将质量块晶圆层通过单锚点悬挂于通孔硅晶圆层的下方，结合硅晶圆层的直接键合，传感器的寄生电容远小于采用SOI工艺制作的差分电容式传感器，使得芯片对于由封装贴片产生的附加应力几乎不敏感，从而大大提高了传感器的性能；

3、由于本发明采用封盖晶圆层作为衬底材料，其通过贴片与封装衬底材料相连接，把传感器电极与质量块通过封盖晶圆层与封装材料相隔离开，可以减小应力、提高传感器性能。

附图说明

附图1为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的剖面图。

附图2为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的立体示意图。

附图3为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的通孔硅晶圆层的立体示意图。

附图4为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的质量块晶圆层的立体示意图。

附图5为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的绕单锚点振动的扇形质量块的立体示意图。

附图6为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的含有吸气膜层的封盖晶圆层的立体示意图。

附图7为本发明的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的三层硅晶圆层相直接键合的示意图。

以上附图中：1、固定电极晶圆层；2、质量块晶圆层；3、封盖晶圆层；4、质量块电极；5、吸气膜层；6、单锚点；7、通孔硅电极；8、金属电极；9、通孔硅绝缘层；10、扇形质量块；101、内质量块；102、外质量块。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

参见附图1至附图6所示。

一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层1、质量块晶圆层2、封盖晶圆层3。三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅。

固定电极晶圆层1为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于通孔硅晶圆层的通孔硅电极7，相邻的通孔硅电极7之间具有垂直于通孔硅晶圆层的通孔硅绝缘层9。

通孔硅电极7由高掺杂单晶硅形成，其包括内固定电极和外扇形电极。内固定电极呈扇形且其圆心角度为-64度至+64度，半径为0至530μm。外扇形电极的圆心角度为-34度至+34度，半径为530μm -1050μm。通孔硅绝缘层9由二氧化硅和多晶硅形成，其厚度即相邻的通孔硅电极7之间的距离为1-20μm，典型值为6μm。固定电极晶圆层1的未与质量块晶圆层2相键合的外表面具有与通孔硅电极7相对应的欧姆接触窗口，欧姆接触窗口中由金属铝薄膜形成金属电极8。

质量块晶圆层2通过单锚点硅-硅直接键合方式对称悬挂于固定电极晶圆层1的下方，其厚度为10-100μm，本实施例中采用的厚度为50μm。质量块晶圆层2包括对称的悬于单锚点6两侧的两个可动的扇形质量块10，两个扇形质量块10通过弹簧悬臂梁连接并对称的悬于单锚点6的两侧，扇形质量块10形成质量块电极4。两个扇形质量块10的大小相同。扇形质量块10包括扇形的内质量块101、沿内质量块101的圆周排布的一系列具有圆弧状梳齿的扇形的外质量块102。扇形的内质量块101的圆心角度为-60度至+60度，半径为530μm。扇形的外质量块102的圆心角度为-37度至+37度，半径为1050μm。内固定电极与内质量块101相对应，其为信号检测电极；外扇形电极与外质量块102相对应，其为闭环力平衡电极，其通过外加静电引力（内质量块101与内固定电极之间的静电引力）使得位于单锚点6两侧的扇形质量块10处于平衡状态。在外加交变驱动电压下，扇形质量块10绕单锚点6进行旋转式微幅角振动。当外加交变驱动电压的频率与扇形质量块10的自然谐振频率相同时则产生谐振，此时只需维持较小的电压幅度值即可维持该谐振状态。

质量块晶圆层2的与固定电极晶圆层1相键合的上表面具有第一浅槽，质量块电极4位于第一浅槽中。质量块电极4与通孔硅电极7为可变电容的两个极，第一浅槽的深度为可变电容的两个极的距离。

封盖晶圆层3的与质量块晶圆层2相键合的表面具有第二浅槽，封盖晶圆层3作为衬底材料通过贴片与封装衬底材料相连接。传感器的电极和质量块通过较厚的封盖晶圆层3与封装材料隔开，有利于减小应力，提高器件性能。

参见附图7所示，上述基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪的加工工艺包括如下流程：

（1）分别加工形成固定电极晶圆片、质量块晶圆片、封盖晶圆片：

加工形成固定电极晶圆片包括如下流程：

①采用P+单晶硅晶圆片光刻形成通孔硅电极7的图形，并采用DRIE深度等离子刻蚀法刻蚀形成垂直于晶圆片的多个深槽；

②采用热氧化和化学汽相淀积氧化物材料法填充深槽形成通孔硅绝缘层9；

③采用碾磨或化学抛光法减薄P+单晶硅晶圆片的厚度形成固定电极晶圆片；由于深槽并未将P+单晶硅晶圆片完全穿透，因此需在其未穿透的一面采用上述方法减薄P+单晶硅晶圆片的厚度，使深槽形成穿透P+单晶硅晶圆片的通孔；

加工形成质量块晶圆片包括如下流程：

①采用P+单晶硅晶圆片或SOI晶圆片采用光刻掩膜加等离子刻蚀形成纵向抗过载阻挡层的图形；

②对晶圆片进行光刻形成第一浅槽；

③对晶圆片进行光刻形成带有弧形梳齿的扇形可动质量块的图形；

加工形成封盖晶圆片包括如下流程：

采用P型硅晶圆片光刻形成第二浅槽。

（2）将固定电极晶圆片与质量块晶圆片进行硅-硅直接键合；

（3）将质量块晶圆片与封盖晶圆片进行硅-硅直接键合或金属共融键合：若采用金属共融键合，则需要在封盖晶圆片的第二浅槽内淀积一层吸气膜层5；若采用硅-硅直接键合，则可以省去该吸气膜层5。因为硅-硅直接键合具有气密性好的特点，可以简化工艺，降低成本；

（4）在固定电极晶圆片的未与质量块晶圆片相键合的外表面上由光刻加二氧化硅腐蚀形成与通孔硅电极7相对应的欧姆接触窗口；

（5）在欧姆接触窗口中溅射形成金属电极8。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，所述的三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；

所述的固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的通孔硅晶圆层的通孔硅电极，相邻的通孔硅电极之间具有垂直于所述的通孔硅晶圆层的通孔硅绝缘层；

所述的质量块晶圆层包括一对左右对称的扇形质量块，所述的扇形质量块形成质量块电极，所述的质量块晶圆层采用硅-硅直接键合方式通过单锚点对称悬挂于所述的固定电极晶圆层的下方；所述的扇形质量块绕所述的单锚点做旋转式微幅振动；

所述的质量块电极与所述的通孔硅电极形成可变电容的两个极。

2.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：所述的三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅，所述的通孔硅电极由所述的高掺杂单晶硅形成。

3.根据权利要求1或2所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：所述的扇形质量块包括扇形的内质量块、沿所述的内质量块的圆周排布的一系列具有圆弧状梳齿的扇形的外质量块；所述的硅通孔电极包括与所述的内质量块相对应的内固定电极、与所述的梳齿相对应的外扇形电极。

4.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：所述的通孔硅绝缘层由二氧化硅和多晶硅形成，其厚度为1-20μm，典型值为6μm。

5.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：所述的通孔硅晶圆层的未与所述的质量块晶圆层相键合的外表面具有与所述的通孔硅电极相对应的金属电极，所述的金属电极为金属铝薄膜。

6.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，所述的质量块晶圆层的与所述的固定电极晶圆层相键合的界面具有第一浅槽，所述的第一浅槽的深度为所述的可变电容的两个极的距离；所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层相键合的界面腐蚀第二浅槽。

7.根据权利要求6所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：当所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层之间采用金属共融键合时，所述的浅槽中淀积一层吸气膜层；当所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层之间采用硅-硅直接键合时，所述的浅槽中就不需要淀积所述的吸气膜层。

8.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械陀螺仪，其特征在于：所述的质量块晶圆层的厚度为10-100μm，典型值为50μm。

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