CN102642801A - 双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双面平行对称梁质量块结构及其制备方法，属于微电子机械系统领域，该方法通过利用双面正反对准光刻工艺在双抛(100)硅片上形成双面平行对称梁质量块图形区域，然后进行干法刻蚀和湿法各向异性刻蚀，悬臂梁的（111）面作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁的腐蚀，最终形成双面平行对称梁质量块结构。该制备方法工艺简单，可以对双面平行对称梁质量块结构尺寸进行精确控制，使得梁质量块结构的制造成品率大大提高。本发明制备的器件在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等。

Description

双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种以硅各向异性腐蚀为关键技术的双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

双面平行对称梁质量块结构是加速度传感器中非常重要的敏感结构部件，它的制备工艺是整个传感器的关键工艺之一。在梁质量块结构中，如果梁只是集中在质量块的一个表面，质量块的质心和梁不是在一个平面内，横向加速度会引起梁的弯曲，从而导致传感器的高交叉轴灵敏度。因此，双面平行对称梁质量块结构的制备方法非常关键。

双面平行对称梁质量块结构制备的常用方法有：异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合方法。

在双面平行对称梁质量块结构制备上，可以采用异质自停止方法，如以二氧化硅梁工艺为例，它的流程是对硅片氧化后在氧化层上制备出梁的图形，然后通过硅腐蚀释放出由二氧化硅梁支撑着的梁-质量块结构。由于二氧化硅很脆，且氧化得到的二氧化硅厚度一般不超过3μm，所以使用二氧化硅梁的加速度传感器只能使用闭环检测电路，而且抗冲击性能很差。

采用浓硼掺杂自停止的方法(H Seidel，H Riedel，R Kolbeck，G Mueck，W Kupke，MKoeniger，Capacitive Silicon Accelerometer with Highly Symmetrical Design，Sensors andActuators A：Physical，Vo1.21，pp.312-315)，在制备双面平行对称梁质量块结构时，KOH腐蚀形成梁质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响器件的性能，如灵敏度和线性度等等。

采用双层键合方法，形成双面平行对称梁质量块结构(W.S.Henrion，et.al，Sensors structurewith L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384)，其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出梁质量块结构。要得到双面结构，可以将两个这样的梁质量块结构背靠背键合起来。这种方法非常复杂，成本相对较高。

熊斌等人发明的专利申请号为200610118484.5，采用各向异性腐蚀技术制备双面交叉梁质量块结构，弹性梁交错分布在质量块的上、下两面，不重合，呈90度交叉或平行，但是这种双面梁质量块结构并不是完全对称结构，横向加速度会引起梁的弯曲，从而导致传感器的高交叉轴灵敏度。

为了解决上述问题，本发明提出了一种以硅各向异性腐蚀为关键技术的双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法。该方法工艺简单，双面平行对称硅梁质量块结构尺寸可精确控制，使得梁质量块结构的制造成品率大大提高；同时，本发明制备的器件在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，用于解决现有技术中工艺复杂、对称梁结构尺寸不易控制以及对称性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双面平行对称硅梁质量块结构，至少包括：

支撑框，设置在所述加速度传感器中，其框体呈矩形结构；

质量块，顺应该框体呈矩形立方体结构并设置于所述框体中；

多个悬臂梁，各该悬臂梁的断面为五边形，所述悬臂梁沿所述质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框，各该悬臂梁对称分布在所述质量块的四个顶角与四个底角上，且所述质量块一顶角上分布的悬臂梁以及与其对应的底角上分布的悬臂梁对称且平行，其中，连接于该质量块顶角与所述框体之间的悬臂梁的上表面、所述框体的上表面、以及该质量块的上表面位于同一平面；连接于该质量块底角与所述框体之间的悬臂梁的下表面、所述框体的下表面、以及该质量块的下表面位于同一平面。

可选地，所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块相对两侧面水平方向的棱边分别延伸有两对悬臂梁。

可选地，所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块每个侧面水平方向的棱边分别延伸有一对悬臂梁。

可选地，所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别交叉分布两对平行的所述悬臂梁，且所述质量块每个侧面水平方向的棱边分别延伸有两对所述悬臂梁。

可选地，所述质量块的上、下表面、悬臂梁的上表面、以及支撑框的上、下表面分别为硅(100)晶面；所述悬臂梁的五个表面包括一个硅(100)晶面、两个与所述硅(100)晶面相连接的硅(110)晶面，以及两个位于该二硅(110)晶面之间的由两个硅(111)晶面组成；进一步可选地，所述质量块各侧面上具有梯形槽。

本发明的另一目的是提供一种双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，至少包括：

1)利用双面正反对准光刻工艺在双抛(100)硅片上形成双面平行对称硅梁质量块图形区域，包括被光刻胶掩膜所覆盖的质量块区域、支撑框区域、以及悬臂梁区域；

2)以光刻胶做保护层，在所述硅片的两个表面分别进行干法刻蚀，形成平行对称悬臂梁结构、质量块结构、以及支撑框结构的雏形，并去除光刻胶保护层；

3)在所述硅片上下表面热生长一层二氧化硅保护层将刻蚀后形成的各该结构雏形的表面及侧面完全覆盖；

4)再次利用双面正反对准光刻工艺及腐蚀工艺，将处于所述支撑框结构与质量块结构之间、以及悬臂梁结构与支撑框结构之间的二氧化硅层腐蚀掉以形成所述硅片的各向异性腐蚀窗口；

5)利用湿法各向异性腐蚀工艺对所述硅片进行腐蚀，直至所述悬臂梁结构下表面出现两个腐蚀终止面(111)晶面，形成悬臂梁，同时形成质量块以及支撑框，并去除表面残余的二氧化硅保护层。

可选地，所述步骤1)中对硅片进行双面正反对准光刻时对准(110)晶向。

可选地，所述单晶硅悬臂梁的厚度是由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定，其中，形成悬臂梁断面形状的情况为：

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，断面为五边形；或

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W+d$ 时，断面为五边形；或

$H<\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，形成两个分离并排的三角形状悬臂梁，且两个悬臂梁的间距为

$L=W-\frac{\sqrt{2}}{2}H;$

上述各式中，W为悬臂梁的宽度，H为干法刻蚀悬臂梁的深度，d为形成悬臂梁的最小厚度。

可选地，所述悬臂梁的五个表面包括一个硅(100)晶面、两个与所述硅(100)晶面相连接的硅(110)晶面，以及两个位于该二硅(110)晶面之间的由两个硅(111)晶面组成，其中所述硅(111)晶向作为腐蚀终止面。

如上所述，本发明的双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明提供了一种双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，该方法工艺简单，能够同时完成梁和质量块结构的制备，且悬臂梁结构是由各向异性腐蚀出来的，由(111)面作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁的腐蚀，双面平行对称硅梁质量块结构尺寸可精确控制，使得梁质量块结构的制造成品率大大提高；同时本发明可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等，可以使器件在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中的双面平行对称硅梁质量块结构示意图。

图2显示为本发明实施例二中的双面平行对称硅梁质量块结构示意图。

图3显示为本发明实施例三中的双面平行对称硅梁质量块结构示意图。

图4显示为本发明中悬臂梁断面示意图。

图5-15显示为本发明实施例四中双面平行对称硅梁质量块结构梁质量块结构的制备工艺图，其中图6为沿图5的AB方向的截面图，图7为沿图5的CD方向的截面图。

图16显示为本发明中悬臂梁各种断面形状示意图。

图17-18显示为本发明实施例四中在硅平面上光刻的另两种双面平行对称硅梁质量块结构平面图。

元件标号说明

10         硅片

100        支撑框区域

101        质量块区域

102        悬臂梁区域

20         光刻胶掩膜

30         支撑框结构

300        支撑框

40         悬臂梁结构

400        悬臂梁

401        悬臂梁(100)晶面

402        悬臂梁(110)晶面

403        悬臂梁(111)晶面

50         质量块结构

500        质量块

501        棱边

502        梯形槽

503        顶角

504        底角

60         二氧化硅保护层

70         腐蚀窗口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各顶细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图17。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合说明书附图进一步说明本发明提供的一种双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，为了示出的方便附图并未按照比例绘制，特此述明。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种双面平行对称硅梁质量块结构，包括：

支撑框300，质量块500以及多个悬臂梁400。

所述支撑框300设置在所述加速度传感器中，其框体呈矩形结构。所述质量块500顺应该框体呈矩形立方体结构并设置于所述支撑框300中，且所述质量块500各侧面上具有梯形槽502。

所述悬臂梁400的断面为五边形，所述悬臂梁400沿所述质量块500的水平方向的棱边501伸并连接至所述支撑框300，各该悬臂梁400对称分布在所述质量块500的四个顶角503与四个底角504，且所述质量块500一顶角503分布的悬臂梁400以及与其对应的底角503分布的悬臂梁400对称且平行，其中，连接于该质量块500的顶角503与所述支撑框300之间的悬臂梁400的上表面、所述支撑框300的上表面、以及该质量块500的上表面位于同一平面；连接于该质量块500底角503与所述支撑框300之间的悬臂梁400的下表面、所述支撑框300的下表面、以及该质量块500的下表面位于同一平面。

具体地，所述质量块500的各顶角503及与其对应的底角504上分别分布一对平行的悬臂梁400，且所述质量块500相对两侧面水平方向的棱边501分别延伸有两对悬臂梁400，该情况下的悬臂梁400共有8个，平行对称分布在所述质量块500的上下表面。

具体地，所述质量块500的上、下表面、悬臂梁400的上表面、以及支撑框300的上、下表面分别为硅(100)晶面；所述悬臂梁400的五个表面包括一个硅(100)晶面401、两个与所述硅(100)晶面401相连接的硅(110)晶面402，以及两个位于该二硅(110)晶面402之间的两个硅(111)晶面403组成，如图4所示为所述悬臂梁400的截面图，但所述悬臂梁400的截面形状并不限于此。

本发明提供了一种双面平行对称硅梁质量块结构，该结构中各该支撑梁平行对称分布于所述质量块上下表面，在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。本发明可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等。

实施例二

如图2所示，本发明提供一种双面平行对称硅梁质量块结构，该结构与实施例一中的结构的区别为：

所述质量块500的各顶角503及与其对应的底角504上分别分布一对平行的悬臂梁400，且所述质量块500每个侧面水平方向的棱边501分别延伸有一对悬臂梁400，该情况下的悬臂梁400共有8个，平行对称分布在所述质量块500的上下表面。

其它结构与实施例一相同，本实施例中不在赘述。

实施例三

如图3所示，本发明提供一种双面平行对称硅梁质量块结构，该结构与实施例一中的结构的区别为：

所述质量块500的各顶角503及与其对应的底角504上分别交叉分布两对平行的所述悬臂梁400，且所述质量块500每个侧面水平方向的棱边501分别延伸有两对所述悬臂梁400，该种情况下的悬臂梁400共有16个，平行对称分布在所述质量块500的上下表面。

其它结构与实施例一相同，本实施例中不在赘述。

实施例四

如图所示，本发明的另一目的是提供一种双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，该方法至少包括以下步骤：

步骤一：如图5至图7所示，利用双面正反对准光刻工艺在双抛(100)硅片10上形成双面平行对称硅梁质量块图形区域，包括被光刻胶掩膜20所覆盖的质量块区域101、支撑框区域100、以及悬臂梁区域102，由于设计中的悬臂梁400的结构微小(微米量级)，同时为了保证截面形状一致以及矩形的质量块500，光刻时必须严格对准(110)晶向。其中，图5为被光刻胶掩膜20覆盖的硅片10的平面图，图6为沿图5的AB方向的截面图，图7为沿图5的CD方向的截面图。

步骤二：如图8至图9所示，以光刻胶掩膜20为保护层，在所述硅片10的两个表面分别进行干法刻蚀，形成平行对称悬臂梁结构40、质量块结构50、以及支撑框结构30的雏形，并去除光刻胶掩膜20保护层。

步骤三：如图10至图11所示，在所述硅片10上下表面热生长一层二氧化硅保护层60将刻蚀后形成的各该结构雏形的表面及侧面完全覆盖。

步骤四：如图12至图13所示，利用双面正反对准光刻工艺及腐蚀工艺，将处于所述支撑框结构30与质量块结构50之间、以及悬臂梁结构40与支撑框结构30之间的二氧化硅保护层60腐蚀掉以形成所述硅片10的各向异性腐蚀窗口70。

步骤五：如图14至图15所示，利用湿法各向异性腐蚀工艺对所述硅片10进行腐蚀，直至所述悬臂梁结构40下表面出现两个腐蚀终止面(111)晶面403，形成悬臂梁400，同时形成质量块500以及支撑框300，并去除表面残余的二氧化硅保护层60，形成最终的双面平行对称硅梁质量块结构如图1所示。具体地，所述质量块500的各顶角503及与其对应的底角504上分别分布一对平行的悬臂梁400，且所述质量块500相对两侧面水平方向的棱边501分别延伸有两对悬臂梁400，该情况下的悬臂梁400共有8个，平行对称分布在所述质量块500的上下表面。

所述单晶硅悬臂梁的厚度是由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定，其中，形成悬臂梁断面形状的情况可以根据以下计算方法，进行图形设计(如图16所示)：

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，断面为五边形，如图16(a)所示；或

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W+d$ 时，断面为五边形，如图16(b)所示；或

$H<\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，形成两个分离并排的三角形状悬臂梁，且两个悬臂梁的间距为

$L=W-\frac{\sqrt{2}}{2}H,$ 如图16(c)所示。

上述各式中，W为悬臂梁的宽度，H为干法刻蚀悬臂梁的深度，d为形成悬臂梁的最小厚度。由上式可知，当

时，形成的悬臂梁断面的形状为五边形。

具体地，如图4所示为悬臂梁断面图，所述悬臂梁的五个表面包括一个硅(100)晶面401、两个与所述硅(100)晶面401相连接的硅(110)晶面402，以及两个位于该二硅(110)晶面402之间的两个硅(111)晶面403组成，其中所述硅(111)晶面403作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁400的腐蚀，双面平行对称硅梁质量块结构尺寸可精确控制，制造的成品率也大大提高。

在本实施例步骤一中，利用双面正反对准光刻工艺在所述双抛(100)硅片10上形成双面平行对称硅梁质量块图形区域，包括被光刻胶掩膜20所覆盖的所述质量块区域101、支撑框区域100、以及悬臂梁区域102，所形成的双面平行对称硅梁质量块图形区域位置的不同可以制备出不同悬臂梁400的结构，如图17和18所示分别为在所述硅片10上形成另两种双面平行对称硅梁质量块图形区域的平面图，根据该光刻的平面图可以分别制备出如图2及图3所示的双面平行对称硅梁质量块结构，其制备工艺与本实施例中的工艺步骤相同，在此不再赘述。

本发明应用于加速度传感器中时，首先在经过氧化的双抛(100)硅片上、下表面利用各向异性腐蚀方法制备可动电容间隙，腐蚀深度2μm，然后再顺序执行本实施例中的工艺步骤，在此不再赘述。

如上所述，本发明提供了一种双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，该方法通过利用双面正反对准光刻工艺在双抛(100)硅片上形成双面平行对称硅梁质量块图形区域，然后进行干法刻蚀和湿法各向异性刻蚀，悬臂梁的(111)面作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁的腐蚀，最终形成双面平行对称硅梁质量块结构。该制备方法工艺简单，可以对双面平行对称硅梁质量块结构尺寸进行精确控制，使得梁质量块结构的制造成品率大大提高。本发明制备的器件在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种双面平行对称硅梁质量块结构，应用于加速度传感器中，其特征在于，至少包括：

支撑框，设置在所述加速度传感器中，其框体呈矩形结构；

质量块，顺应该框体呈矩形立方体结构并设置于所述框体中；

多个悬臂梁，各该悬臂梁的断面为五边形，所述悬臂梁沿所述质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框，各该悬臂梁对称分布在所述质量块的四个顶角与四个底角上，且所述质量块一顶角上分布的悬臂梁以及与其对应的底角上分布的悬臂梁对称且平行，其中，连接于该质量块顶角与所述框体之间的悬臂梁的上表面、所述框体的上表面、以及该质量块的上表面位于同一平面；连接于该质量块底角与所述框体之间的悬臂梁的下表面、所述框体的下表面、以及该质量块的下表面位于同一平面。

2.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块相对两侧面水平方向的棱边分别延伸有两对悬臂梁。

3.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块每个侧面水平方向的棱边分别延伸有一对悬臂梁。

4.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别交叉分布两对平行的所述悬臂梁，且所述质量块每个侧面水平方向的棱边分别延伸有两对所述悬臂梁。

5.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述质量块的上、下表面、悬臂梁的上表面、以及支撑框的上、下表面分别为硅(100)晶面。

6.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述悬臂梁的五个表面包括一个硅(100)晶面、两个与所述硅(100)晶面相连接的硅(110)晶面，以及两个位于该二硅(110)晶面之间的由两个硅(111)晶面组成。

7.根据权利要求1所述的双面平行对称硅梁质量块结构，其特征在于：所述质量块各侧面上具有梯形槽。

8.一种双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

1)利用双面正反对准光刻工艺在双抛(100)硅片上形成双面平行对称梁质量块图形区域，包括被光刻胶掩膜所覆盖的质量块区域、支撑框区域、以及悬臂梁区域；

2)以光刻胶做保护层，在所述硅片的两个表面分别进行干法刻蚀，形成平行对称悬臂梁结构、质量块结构、以及支撑框结构的雏形，并去除光刻胶保护层；

3)在所述硅片上下表面热生长一层二氧化硅保护层将刻蚀后形成的各该结构雏形的表面及侧面完全覆盖；

4)再次利用双面正反对准光刻工艺及腐蚀工艺，将处于所述支撑框结构与质量块结构之间、以及悬臂梁结构与支撑框结构之间的二氧化硅层腐蚀掉以形成所述硅片的各向异性腐蚀窗口；

5)利用湿法各向异性腐蚀工艺对所述硅片进行腐蚀，直至所述悬臂梁结构下表面出现两个腐蚀终止面(111)晶面，形成悬臂梁，同时形成质量块以及支撑框，并去除表面残余的二氧化硅保护层。

9.根据权利要求8所述的双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，其特征在于：所述步骤

1)中对硅片进行双面正反对准光刻时对准(110)晶向。

10.根据权利要求8所述的双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，其特征在于：所述单晶硅悬臂梁的厚度是由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定，其中，形成悬臂梁断面形状的情况为：

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，断面为五边形；或

$H=\frac{\sqrt{2}}{2}W+d$ 时，断面为五边形；或

$H<\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，形成两个分离并排的三角形状悬臂梁，且两个悬臂梁的间距为

$L=W-\frac{\sqrt{2}}{2}H;$

上述各式中，W为悬臂梁的宽度，H为干法刻蚀悬臂梁的深度，d为形成悬臂梁的最小厚度。

11.根据权利要求10所述的双面平行对称硅梁质量块结构的制备方法，其特征在于：所述悬臂梁的五个表面包括一个硅(100)晶面、两个与所述硅(100)晶面相连接的硅(110)晶面，以及两个位于该二硅(110)晶面之间的由两个硅(111)晶面组成，其中所述硅(111)晶向作为腐蚀终止面。

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