CN103145093B - 一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法，涉及微惯性器件。提供简单、可保证电学特性且成本低的一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法。加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构；加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖；制备高深宽比的梳齿间隙；制备硅微惯性器件成品。先将原本的固定梁制备成悬浮梁，然后通过施加反向电压，在静电吸合的作用下，使悬浮梁移动定位，自热形成高深宽比梳齿间隙。简单易操作，而且加工中所需的刻蚀、键合等工艺已非常成熟，不需要高精密的刻蚀仪器或者繁杂的沉积方法就可以获得高深宽比的梳齿间隙，而且因为不需要重复刻蚀等步骤，梳齿间隙的均匀性可以很好地保证。

Description

一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法

技术领域

本发明涉及微惯性器件，尤其是涉及一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法。

背景技术

在微米/纳米技术这一引人注目的前沿技术背景下，惯性技术领域也经历着深刻的变化，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制作的各种微器件和微机电系统不断出现，微型惯性测量组合成为其中典型性、代表性的成果。

在微惯性器件中，以梳状结构最为典型，如悬浮结构的梳状制动器，利用静电力驱动使得悬浮结构产生位移，以作为其他微结构的动力源。另一例，如加速度计，因外力使得悬浮的质量块结构产生位移而改变电极板间原有的电荷量，进而测得加速度计所处系统的加速度。这些组件的特征之一都是利用梳状微机电器件。微执行器和者微传感器要求较低的驱动电压或者较大的检测信号，而减小两电极间距是在保证高输出力或者较大的电荷变化的同时降低驱动电压最有效地方法，因此，高深宽比梳齿间隙的获得对微惯性器件的发展起着至关重要的作用。

目前公知的工艺技术中已经公开了较多制备具有高深宽比梳齿间隙微惯性器件的方法。如：通过生长材料的方法。该方法是在梳状结构加工完成之后，将器件置于一定的环境之中，在梳齿上生长一种导电材料，减小沟道间距，从而达到获得高深宽比的方法。还有一种是通过溅射导电材料的方法，在梳齿上溅射导电材料，降低沟道间距，获得高深宽比间隙。这两种得到高深宽比间隙的方法比较简单，但是生长和溅射的均匀性很难保证，这会导致梳齿间距的均匀性降低，从而影响梳齿间的电容变化的均匀性，最终影响器件的电学特性。还有一种方法是通过重复生长刻蚀的方法（参见中国专利200510052957.1），这种方法虽然可以获得很高的深宽比，但是工艺步骤繁杂，加工成本很高，而且多次离子刻蚀会使梳齿工作面倾斜，同样影响电学特性。

发明内容

本发明的主要目的是克服生长材料、溅射材料和重复刻蚀等方法制备具有高深宽比梳齿间隙的硅微惯性器件所存在的复杂、昂贵、电学特性难保证等缺点，提供简单、可保证电学特性且成本低的一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构

利用硅加工工艺在SOI片上加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构；硅微惯性器件主体结构包括底座、悬浮梁、弹性悬浮梁连接梁、活动梁、弹性活动梁连接梁、卡勾和吸引电极；悬浮梁端部设有弹性悬浮梁连接梁，活动梁端部设有弹性活动梁连接梁，所述弹性悬浮梁连接梁、弹性活动梁连接梁、卡勾和吸引电极均与底座制为一体，悬浮梁和活动梁均设有梳齿，悬浮梁梳齿与活动梁梳齿相互交替相嵌，相邻的悬浮梁梳齿与活动梁梳齿之间具有梳齿间隙；悬浮梁一端设有卡齿，卡齿面对卡勾，吸引电极位于悬浮梁的卡齿前方；

2）加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖；

3）制备高深宽比的梳齿间隙

在吸引电极和悬浮梁上施加相反电压，在静电吸合的作用下，悬浮梁通过弹性悬浮梁连接梁的变形向吸引电极的方向移动，直至被卡勾卡住，然后去除电压，悬浮梁被卡勾卡住定位不能弹回，在沿悬浮梁移动方向一侧的梳齿间隙被减小，从而形成高深宽比的梳齿间隙；

4）制备硅微惯性器件成品

利用键合或粘接工艺，使被卡勾卡住定位的悬浮梁与步骤2）所制备的封装盖的边缘固接，从而使悬浮梁成为固定梁，而活动梁不与封装盖固接，活动梁仍可通过弹性活动梁连接梁的变形而实现微惯性动作；至此，则制备出具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件。

在步骤2）中，所述加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖，可采用腐蚀或刻蚀的方法在硅片或玻璃片上加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖。

与现有生长材料、溅射材料和重复刻蚀等方法制备具有高深宽比梳齿间隙的硅微惯性器件比较，本发明具有如下突出优点：

现有方法都是先制备出固定式梁，然后通过方法生长材料、溅射材料和重复刻蚀等方法来达到高深宽比梳齿间隙。而本发明是先将原本的固定梁制备成悬浮梁，然后通过施加反向电压，在静电吸合的作用下，使悬浮梁移动定位，自热形成高深宽比梳齿间隙。本发明简单易操作，而且加工中所需的刻蚀、键合等工艺已非常成熟，不需要高精密的刻蚀仪器或者繁杂的沉积方法就可以获得高深宽比的梳齿间隙，而且因为不需要重复刻蚀等步骤，梳齿间隙的均匀性可以很好地保证。目前，普通深反应离子刻蚀的机器一般可实现深宽比为1∶20的梳齿间隙，而本发明可实现深宽比超过1∶60的梳齿间隙，由于梳齿间隙的均匀性可保证，因此电学特性易保证。

附图说明

图1为本发明实施例所制备的硅微惯性器件半成品主体结构示意图（未含封装盖）。

图2为本发明实施例所制备的硅微惯性器件中的封装盖结构示意图。

图3为本发明实施例在施加电压后悬浮梁移动状态示意图（体现了图1中A区域范围的1根悬浮梁移动后的状态示意图）。

图4为本发明实施例所制备的硅微惯性器件成品结构外观示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～4,具有高深宽比梳齿间隙的硅微惯性器件的制备方法如下：

1）加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构

利用硅加工工艺在SOI片上加工对称梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构；硅微惯性器件主体结构包括底座7、对称的4根悬浮梁41～44、活动梁8、4个卡勾2和4个吸引电极1；悬浮梁41两端部分别设有弹性悬浮梁连接梁3和5，活动梁8两端部均设有弹性活动梁连接梁9。所述弹性悬浮梁连接梁3、弹性活动梁连接梁9、卡勾2和吸引电极1均与底座7制为一体，各悬浮梁一侧均设有梳齿10，活动梁8两侧设有梳齿11，悬浮梁梳齿10与活动梁梳齿11相互交替相嵌，相邻的悬浮梁梳齿10与活动梁梳齿11之间具有梳齿间隙P；各悬浮梁一端设有卡齿40，卡齿40面对卡勾2，吸引电极1位于悬浮梁的卡齿40前方。图1中的标记A表示A区域。

2）如图2所示，利用腐蚀或刻蚀的方法在硅片或玻璃片上加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽13的封装盖12。

3）制备高深宽比的梳齿间隙

如图3所示，在吸引电极1和各悬浮梁上施加相反电压，在静电吸合的作用下，各悬浮梁通过弹性悬浮梁连接梁3和5的变形向吸引电极1的方向移动，直至被卡勾2卡住，然后去除电压，各悬浮梁被卡勾2卡住不能弹回而得到定位，从而改变了所述悬浮梁的梳齿10与活动梁的梳齿11之间的梳齿间隙P的大小，在沿悬浮梁移动方向一侧的梳齿间隙被减小，从而形成高深宽比的梳齿间隙。图3显示了图1的A区域中1根悬浮梁移动并定位后的状态示意图，其他悬浮梁也同理移动并定位。

4）制备硅微惯性器件成品

利用键合或粘接工艺，使被卡勾2卡住定位的各悬浮梁与步骤2）所制备的封装盖12的边缘固接，从而使各悬浮梁成为固定梁，而活动梁8不与封装盖12固接，活动梁8仍可通过弹性活动梁连接梁9的变形而实现微惯性动作。至此，则制备出具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件。

本发明所述具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件工作时，由于各悬浮梁被固定，而活动梁8仍可实现微惯性动作，这样可引起所述梳齿间隙的变化，进而引起梳齿间的电容变化，通过检查电容变化引起的电信号变化即可实现信号测量（如测量加速度等物理量）。

Claims (2)

1.一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构

利用硅加工工艺在SOI片上加工梳状结构的硅微惯性器件半成品主体结构；硅微惯性器件主体结构包括底座、悬浮梁、弹性悬浮梁连接梁、活动梁、弹性活动梁连接梁、卡勾和吸引电极；悬浮梁端部设有弹性悬浮梁连接梁，活动梁端部设有弹性活动梁连接梁，所述弹性悬浮梁连接梁、弹性活动梁连接梁、卡勾和吸引电极均与底座制为一体，悬浮梁和活动梁均设有梳齿，悬浮梁梳齿与活动梁梳齿相互交替相嵌，相邻的悬浮梁梳齿与活动梁梳齿之间具有梳齿间隙；悬浮梁一端设有卡齿，卡齿面对卡勾，吸引电极位于悬浮梁的卡齿前方；

2)加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖；

3)制备高深宽比的梳齿间隙

在吸引电极和悬浮梁上施加相反电压，在静电吸合的作用下，悬浮梁通过弹性悬浮梁连接梁的变形向吸引电极的方向移动，直至被卡勾卡住，然后去除电压，悬浮梁被卡勾卡住定位不能弹回，从而改变了所述悬浮梁的梳齿与活动梁的梳齿之间的梳齿间隙的大小，从而形成高深宽比的梳齿间隙；

4)制备硅微惯性器件成品

利用键合或粘接工艺，使被卡勾卡住定位的悬浮梁与步骤2)所制备的封装盖的边缘固接，从而使悬浮梁成为固定梁，而活动梁不与封装盖固接，活动梁仍可通过弹性活动梁连接梁的变形而实现微惯性动作；至此，则制备出具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件。

2.如权利要求1所述一种具有高深宽比梳齿间隙硅微惯性器件的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖，是采用腐蚀或刻蚀的方法在硅片或玻璃片上加工与硅微惯性器件半成品主体结构配合的带凹槽的封装盖。