CN102879609A - “h”形梁的电容式加速度传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种“H”形梁的电容式加速度传感器及制备方法。该传感器至少包括：第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层；其中，第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔；所述中间结构层包括：形成在具有双器件层的含氧硅基片的边框、双面对称的质量块、及一根梁连接边框、另一根梁连接质量块且双面对称的“H”形弹性梁，在两质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽，且“H”形弹性梁与含氧硅基片的体硅层间满足条件：a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度。本发明的制备方法简单，成品率高；形成的器件具有高度法向的对称性，抗侧向冲击和扭转冲击的能力强，交叉灵敏度低。

Description

“H”形梁的电容式加速度传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统（MEMS）领域，特别是涉及一种“H”形梁的电容式加速度传感器及制备方法。

背景技术

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。

加速度传感器顾名思义就是测量运动物体加速度值的传感器件，它是最传统的传感器之一。依照检测方法的不同，MEMS加速度传感器可以分成电容式、压阻式、压电式、声表面波式、隧道式等等。电容式加速度传感器包括固定电极和位于质量块上的可动电极。当质量块在外界加速度信号作用下发生位移时，可动电极和固定电极间的距离或相互重叠面积发生改变，从而使它们之间的电容值发生改变。通过C/V转换电路，就可以检测到与外界加速度值成比例的电压变化。电容式加速度传感器具有检测精度高，受温度变化影响小等优点。

电容式加速度传感器可以分为三明治式和梳齿式两大类。三明治式电容加速度传感器可以得到更高的检测精度，制作三明治结构电容式加速度传感器的方法主要是体硅微机械加工方法。在三明治结构电容式加速度传感器中，双面完全对称梁-质量块结构是最为重要的敏感结构部件，它的设计和制作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上，横向加速度会引起梁的弯曲，从而导致传感器的交叉灵敏度升高。因此，双面全对称梁-质量块结构的制作方法非常关键。

在现有电容式三明治结构加速度传感器的加工方法中，双面全对称梁-质量块敏感结构的制作方法有：浓硼掺杂自停止法、异质自停止法和双层键合硅梁法。

采用浓硼掺杂自停止的方法（具体参见文献：H Seidel,H Riedel,R Kolbeck,G Mueck,WKupke,M Koeniger，Capacitive Silicon Accelerometer with Highly Symmetrical Design，Sensorsand ActuatorsA:Physical，Vol.21,pp.312-315），在制作全对称梁-质量块结构时，当KOH腐蚀形成梁-质量块结构结束时是采用浓硼掺杂层作为腐蚀自停止层，所以掺杂的深度决定梁的厚度，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灵敏度和线性度等性能。

在双面平行对称梁-质量块结构制作上，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作出梁的图形，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抗冲击性能很差。

采用双层键合硅梁方法，形成双面平行对称梁-质量块结构（具体参见文献：WS.Henrion,et.al,Sensors structure with 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，再将这样两个梁-质量块结构硅片通过键合工艺形成双面全对称结构。由于要采用键合工艺才能得到全对称梁-质量块结构，再要进行键合形成三明治结构，所以工艺非常复杂，成本相对较高。

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具有高度法向的对称性的“H”形梁的电容式加速度传感器，以提高器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低交叉灵敏度。

本发明的另一目的在于提供一种工艺简单的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其至少包括：

1）基于各向异性腐蚀法在具有双器件层的含氧硅基片的两表面进行刻蚀，使两表面分别成凹陷状；

2）基于光刻及各向异性腐蚀法在两表面的凹陷处分别形成多个防过载凸点；

3）基于光刻及各向异性腐蚀法在已形成防过载凸点的结构两表面再分别形成阻尼调节槽；

4）基于光刻及干法刻蚀对已形成阻尼调节槽的结构两表面分别进行刻蚀、且刻蚀自停止于埋氧化层，由此在两表面分别形成边框与质量块分别连接“H”形弹性梁的一根梁的结构，且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、“H”形弹性梁与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度；

5）基于光刻、干法刻蚀及各向异性腐蚀法来释放“H”形弹性梁与质量块；

6）基于键合工艺，将第一电极结构层、包含已释放的“H”形弹性梁与质量块的结构及第二电极结构层同时予以键合；

7）基于红外对准在已键合的结构的第一电极结构层与第二电极结构层形成电极引出通孔；

8）在已形成通孔的结构上制备电极。

优选地，所述干法刻蚀为感应耦合等离子刻蚀或深反应离子刻蚀。

优选地，光刻时对准<110>晶向。

优选地，在步骤1）中所形成的凹陷的深度不超过3μm。

优选地，防过载凸点的高度不超过1μm。

优选地，在质量块的四侧均连接有“H”形弹性梁。

本发明还提供一种“H”形梁的电容式加速度传感器，其至少包括：

第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层；

其中，第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔；

所述中间结构层包括：形成在具有双器件层的含氧硅基片的边框、双面对称的质量块、及一根梁连接边框、另一根梁连接质量块且双面对称的“H”形弹性梁，其中，在两质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽，且“H”形弹性梁与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度。

如上所述，本发明的“H”形梁的电容式加速度传感器及制备方法，具有以下有益效果：

1、通过可动质量块上、下两面的平行全对称“H”形弹性梁的设计，通过电感耦合等离子刻蚀或者深反应离子刻蚀形成初始全对称“H”形弹性梁结构，使得弹性梁的形状更可控、制作工艺兼容性更强。

2、防过载凸点直接制作在质量块表面，无需在极板上制作防过载凸点，可以简化键合工艺。

3、在质量块上下表面设计阻尼调节槽，可有效减少传感器的热机械噪声。

4、采用SOI埋层二氧化硅层作为释放梁结构的自停止层，使得全对称“H”形弹性梁结构厚度精确可控。

5、三层硅片一次性键合，无需先中间结构层与第一电极结构层键合，而后再与第二电极结构层键合，工艺更加简单。

6、中间电极引线孔图形在完成三层键合后进行红外光刻对准，省去了键合预对准的复杂工艺过程。

7、双器件层SOI硅片中间可动电极的引出是分别从SOI硅片的上、下器件层引出，将SOI硅片中相互隔离的器件层通过外围连接导通。

附图说明

图1a-1l显示为本发明的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法的流程图。

图2a显示为本发明的“H”形梁的电容式加速度传感器的立体图。

图2b显示为本发明的“H”形梁的电容式加速度传感器的中间结构层的俯视图。

图2c显示为本发明的“H”形梁的电容式加速度传感器的中间结构层A-B向剖视图。

图2d显示为本发明的“H”形梁的电容式加速度传感器的“H”形梁示意图。

元件标号说明

1    第一电极结构层

2    中间结构层

3    第二电极结构层

4    质量块

5    防过载凸点

6    中间电极

7    阻尼调节槽

8    “H”形弹性梁

9    电极引出通孔

10   电容间隙

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，本说明书中的各项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1a至图2d。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。

本发明的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法包括以下步骤：

1、中间结构层，即全对称“H”形梁-质量块结构片的制作：

(1)以双器件层SOI硅片为基片，如图1a所示。

(2)硅基片经过氧化工艺后，再通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口，然后在硅基片上、下表面利用氢氧化钾各向异性腐蚀方法使两表面分别成凹陷状，以便后续与第一电极结构层及第二电极结构层键合时能具有电容间隙，其中，腐蚀深度1μm，如图1b所示。

(3)去除已呈凹陷状的硅基片剩下区域的氧化层保护层，并再次进行氧化形成氧化硅保护层，随后通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口，在硅基片上、下表面通过各向异性腐蚀方法制作防过载凸点，其中，防过载凸点的高度为1μm，如图1c所示。

(4)去除已形成防过载凸点的结构剩下区域的氧化层保护层，并再次氧化形成氧化硅，通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口，用氢氧化钾各向异性腐蚀方法，在硅基片上、下表面腐蚀形成阻尼调节槽，腐蚀形成V形槽自停止，如图1d所示。

(5)去除已形成阻尼调节槽的结构剩下区域的氧化层，并双面光刻，以光刻胶作为掩蔽层，应用ICP或者DRIE干法刻蚀形成边框与质量块分别连接“H”形弹性梁的结构，且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、“H”形弹性梁与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度，如图1e所示，其中，所述边框作为质量块的锚区。

(6)去除光刻胶保护层，将硅基片再次进行氧化，然后进行双面光刻，BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口，如图1f所示。

(7)开出腐蚀窗口后，继续用上步工艺中的光刻胶做保护层进行ICP或者DRIE干法刻蚀，刻蚀SOI硅基片体硅层，刻蚀深度一定要保证最终全对称“H”形梁与质量块可以通过各向异性腐蚀释放，如图1g所示。

(8)用各向异性腐蚀方法进行硅基片腐蚀，直至“H”形弹性梁与质量块被释放。在腐蚀完成全对称“H”形梁结构时，双器件SOI硅片中的埋氧层作为腐蚀的停止层，实现了腐蚀梁工艺的自停止，如图1h所示。

(8)去除剩下区域的腐蚀掩蔽用氧化层，得到中间结构层的全对称“H”形梁-质量块结构，如图1i所示。

2．第一电极结构层与第二电极结构层分别通过直接双抛硅片的热氧化制作二氧化硅绝缘层来形成。

3．通过三层同时键合工艺，将第一电极结构层、中间结构层和第二电极结构层键合在一起，如图1j所示。

4．通过红外对准光刻在键合的结构上下表面制作中间电极引线通孔腐蚀窗口，如图4k所示。

5．进行硅的各向异性腐蚀，形成可动质量块中间电极的电极引出通孔，随后进行键合的结构的电极引制作，即在键合的结构的正反面采用溅射、蒸发等制作金属层，其中，金属层的材料包括但不限于：Al,Au,Ni等，如(图1l)所示。

经过上述步骤，制备形成的“H”形梁的电容式加速度传感器如图2a至2d所示，该电容式加速度传感器至少包括：第一电极结构层1、中间结构层2及第二电极结构层3。

其中，第一电极结构层1与第二电极结构层2分别设置有电极引出通孔9，且第一电极结构层1与中间结构层2间、第二电极结构层2与中间结构层2间均具有电容间隙10，该电容间隙10因前述硅基片呈凹陷状而形成。

其中，所述中间结构层2包括：形成在具有双器件层的含氧硅基片的边框、双面对称的质量块4、及一根梁连接边框、另一根梁连接质量块4且双面对称的“H”形弹性梁8。其中，在所述边框相对于电极引出通孔处形成有中间电极6，在质量块的两面对称地设有防过载凸点5及阻尼调节槽7、其四边侧均连接有“H”形弹性梁8，且“H”形弹性梁8与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度。

此外，优选地，由于“H”形梁的电容式加速度传感器结构微小（微米量级），并采用硅的各向异性腐蚀来刻蚀，光刻时严格对准<110>晶向，可有效保证矩形的质量块。

综上所述，本发明的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，相较于现有的制备方法，加工工艺简单，能够同时完成梁和质量块结构的制作；而且由于梁的厚度由双器件层SOI硅基片中器件层厚度所决定，故梁厚度精确可控；由于全对称“H”形梁与质量块可精确控制，使得梁-质量块结构的制造成品率大大提高；本发明的制备方法所制备的“H”形梁的电容式加速度传感器，可以使器件具有高度法向的对称性，提高器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。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 (8)

1.一种制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于，所述制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法至少包括：

1）基于各向异性腐蚀法在具有双器件层的含氧硅基片的两表面进行刻蚀，使两表面分别成凹陷状；

2）基于光刻及各向异性腐蚀法在两表面的凹陷处分别形成多个防过载凸点；

3）基于光刻及各向异性腐蚀法在已形成防过载凸点的结构两表面再分别形成阻尼调节槽；

4）基于光刻及干法刻蚀对已形成阻尼调节槽的结构两表面分别进行刻蚀、且刻蚀自停止于埋氧化层，由此在两表面分别形成边框与质量块分别连接“H”形弹性梁的结构，且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、“H”形弹性梁与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度；

5）基于光刻、干法刻蚀及各向异性腐蚀法来释放“H”形弹性梁与质量块；

6）基于键合工艺，将第一电极结构层、包含已释放的“H”形弹性梁与质量块的结构及第二电极结构层同时予以键合；

7）基于红外对准在已键合的结构的第一电极结构层与第二电极结构层形成电极引出通孔；

8）在已形成通孔的结构上制备电极。

2.根据权利要求1所述的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于：所述干法刻蚀为感应耦合等离子刻蚀或深反应离子刻蚀。

3.根据权利要求1所述的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于：光刻时对准<110>晶向。

4.根据权利要求1所述的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于：在步骤1）中所形成的凹陷的深度不超过3μm。

5.根据权利要求1所述的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于：防过载凸点的高度不超过1μm。

6.根据权利要求1所述的制备“H”形梁的电容式加速度传感器的方法，其特征在于：在质量块的四侧均连接有“H”形弹性梁。

7.一种“H”形梁的电容式加速度传感器，其特征在于，所述“H”形梁的电容式加速度传感器至少包括：

第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层；

其中，第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔；

所述中间结构层包括：基于具有双器件层的含氧硅基片所形成的边框、双面对称的质量块、及一根梁连接边框、另一根梁连接质量块且双面对称的“H”形弹性梁，其中，在两质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽，且“H”形弹性梁与所述含氧硅基片的体硅层之间满足条件：

$\sqrt{2}(a+b+c)<h,$

$\sqrt{2}d<h;$

a和c为两根梁的宽度，b为两根梁之间的间隙，d为梁与质量块连接处的连接宽度，h为体硅层厚度。

8.根据权利要求7所述的“H”形梁的电容式加速度传感器，其特征在于：在质量块的四侧均连接有“H”形弹性梁。

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