CN103344229A - 基于soi硅片的微型半球谐振陀螺及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI硅片的微型半球谐振陀螺及其制备方法，属于微/纳加工制造领域。该陀螺驱动电极16和敏感电极17通过内有半球空腔的结构硅体1被多条径向的结构硅槽14分割形成的独立硅块构成，其相对半球谐振子8的面积增加，增大驱动力和检测电容，利于半球谐振子8的驱动和信号检测；同时结构硅体1被分割形成的独立硅块，使得二氧化硅牺牲层6更加容易被腐蚀。本发明提出所述陀螺加工方法，通过ICP刻蚀加工支撑体空腔10，并沉积可导电的多晶硅，形成圆柱形支撑体11，使得支撑体的支撑面大小可控，利于控制半球谐振子8的振型分布；同时加工驱动电极16和敏感电极17时，从背面开始加工，保护谐半球振子8免受刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SOI硅片的微型半球谐振陀螺及其制备方法，属于微/纳加工
制造领域。
背景技术
随着科学技术的发展和社会的进步，消费电子、汽车产品和制导武器等对微机械陀螺的精度和可靠性等要求进一步提高，推动新结构和新原理的微机械陀螺不断产生，其中微型半球谐振陀螺具有高精度、高可靠性和长寿命等优点，成为近年开始研究的新型陀螺之一。
参阅图3，现有的微型半球谐振陀螺，包括位于绝缘层21上的硅体18，所述硅体18上有半球谐振子空腔5；壳状的半球谐振子8通过内环支撑体19和外环支撑体20悬置于硅体18上，且所述半球谐振子8与硅体18上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子8与内环支撑体19的材料均为导电性良好的多晶硅，外环支撑体20的材料为二氧化硅，且半球谐振子8、内环支撑体19、信号加载电极22与硅体18之间通过绝缘层21、外环支撑体20电绝缘；半球谐振子8电信号通过内环支撑体19与置于绝缘层21下方的信号加载电极22连通；硅体18端面沿半球谐振子空腔5的圆周均布有多个驱动电极16和敏感电极17；所述外环支撑体20为二氧化硅湿法腐蚀形成的支撑结构；所述驱动电极16和敏感电极17为掺杂形成P/N结而得到的电极。
微型半球谐振陀螺制备方法中工艺流程决定着微型半球谐振陀螺器件的加工的难易程度以及器件性能的好坏，因此工艺流程的设计是获得良好性能的微型半球谐振陀螺的关键。
微型半球谐振陀螺制备过程中，半球谐振子及其支撑体的加工以及增大驱动电极和敏感电极的工作面积，是面临的主要挑战。美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文"3‐D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATEDCAPACITIVE TRANSDUCERS"中提出一种微型半球谐振陀螺制备方法：取N型硅片做硅体，然后通过掺杂获得P/N结，并获得驱动电极和敏感电极；然后各向异性干法刻蚀形成半球谐振子空腔，进行沉积氮化硅；然后硅体背面进行各向异性湿法刻蚀，并将氮化硅氧化后沉积多晶硅；最后腐蚀二氧化硅得到可动的半球谐振子。这种半球谐振子的支撑面是由外环支撑体的支撑面决定的，而外环支撑面大小是由湿法刻蚀时间、溶液浓度、搅拌速度等决定的，因此加工时支撑面的大小难控制，既可能释放不充分，使支撑面过大，又可能释放过度，造成支撑面过小，两者都严重影响器件的工作性能；同时驱动电极和敏感电极的工作面大小与掺杂深度有关，由于掺杂工艺的限制，无法获得较大的工作面积，也存在驱动力过小和敏感信号检测困难的缺点。
发明内容
为克服现有加工技术中半球谐振子支撑体的支撑面大小不可控和驱动电极、敏感电极工作面积过小的不足，本发明提出改进支撑体结构和加工方法，并采用隔离SOI硅片上层结构硅体获得驱动电极和敏感电极制备微型半球谐振陀螺的方法。
本发明提出的基于SOI的微型半球谐振陀螺，依次包括基底硅体3、电绝缘层2和结构硅体1；其特征在于：所述结构硅体1上有半球谐振子空腔5，使得所述结构硅体1形成环状结构；壳状的半球谐振子8通过柱状支撑体11悬置于基底硅体3上，且所述的半球谐振子8与结构硅体1上的半球谐振子空腔5同心；半球谐振子8与柱状支撑体11材料均为为可导电的多晶硅；半球谐振子8与结构硅体1内壁有间隙；所述环状结构硅体1被多条径向结构硅槽14分割形成多个独立硅块，各独立硅块分别形成驱动电极16和敏感电极17；所述驱动电极16和敏感电极17间隔分布。
所述微型半球谐振子的制备方法，包括如下步骤：
第一步，参阅图1（a），对SOI硅片沉积二氧化硅，然后图形化二氧化硅，得到二氧化硅掩膜4；
第二步，参阅图1（b），对SOI硅片正面进行各向同性干法刻蚀，直至SOI硅片中间电绝缘层2裸露圆形半径为20μm-50μm，同时得到半球谐振子空腔5；
第三步，参阅图1（c），对SOI硅片依次进行沉积厚度为1μm-2μm的二氧化硅和厚度为1μm-2μm的可导电多晶硅，分别得到牺牲层6和多晶硅层7
第四步，参阅图1（d），对SOI硅片双面抛光，直至去除结构硅体1顶面和基底硅体3底面的二氧化硅材料，得到半球谐振子8。
第五步，参阅图1（e），在基底硅体3底面形成光刻胶掩膜9并进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层2，得到支撑体腔10。
第六步，参阅图1（f），去除支撑体腔10内裸露的二氧化硅材料，并用可导电的多晶硅填充支撑体空腔10，得到可导电的支撑体11。
第七步，参阅图1（g），对基底硅体3底面溅射金属，并图形化，得到金属掩膜12，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层2，得到基底硅槽13。
第八步，参阅图1（h），去除基底硅槽13内裸露的二氧化硅材料，并进行ICP刻蚀，直至将结构硅体1刻蚀透，得到由结构硅槽14分割形成的多个独立硅块，即电极15。
第九步，参阅图1（i），干法刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子8。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基于SOI的微型半球谐振陀螺，其驱动电极16和敏感电极17通过内有半球空腔的结构硅体1被多条径向的结构硅槽14分割形成的独立硅块构成，其相对半球谐振子8的面积增加，增大驱动力和检测电容，利于半球谐振子8的驱动和信号检测；同时由于结构硅体1被多条径向的结构硅槽14分割形成的独立硅块，使得二氧化硅牺牲层6更加容易被腐蚀，形成可动的半球谐振子8。
本发明提出的基于SOI的微型半球谐振陀螺加工方法，通过ICP刻蚀加工支撑体空腔10，并沉积可导电的多晶硅，形成圆柱形支撑体11，使得支撑体的支撑面大小可控，利于控制半球谐振子8的振型分布；同时加工驱动电极16和敏感电极17时，从背面开始加工，保护谐半球振子8免受刻蚀。
附图说明
图1是实施例中微型半球谐振陀螺的制备方法示意图。
图2是实施例中制备出的基于SOI的微型半球谐振陀螺剖视图。
图3是现有技术中微型半球谐振陀螺剖视图。
图中，1-结构硅体，2-电绝缘层，3-基底硅体，4-二氧化硅掩膜，5-半球谐振子空腔，6-牺牲层，7-多晶硅层，8-半球谐振子，9-光刻胶掩膜，10-支撑体空腔，11-支撑体，12-金属掩膜，13-基底硅槽，14-结构硅槽，15-电极，16-驱动电极，17-敏感电极，18-硅体，19-内环支撑体，20-外环支撑体，21-绝缘层，22-信号加载电极。
具体实施方式
本实施例中给出了一种如图2所示的微型半球谐振陀螺，该陀螺包括通过结构硅槽14相互隔离开的四组驱动电极16和敏感电极17，所述驱动电极16和敏感电极17圆周均布，围成半球谐振子空腔5，且驱动电极16和敏感电极17通过电绝缘层2悬置于基底硅体3上；半球谐振子8通过支撑体11悬置于基底硅体3上，半球谐振子与驱动电极16和敏感电极17间隙为2μm，且所述半球谐振子8和支撑体11材料为可导电的多晶硅。其特征在于：所述支撑体11为沉积多晶硅形成的圆柱结构；所述驱动电极16和敏感电极17为结构硅体1被结构硅槽14隔离开形成的电极结构。
所述微型半球谐振子的制备方法，包括如下步骤：
第一步，参阅图1（a），取上层结构硅体、中间电绝缘层、下层基底硅体厚度依次为500μm、1μm和30μm的SOI硅片，并对SOI硅片沉积二氧化硅，然后涂胶、光刻、显影、腐蚀二氧化硅，得到拥有直径为300μm的圆形开口的二氧化硅掩膜4；
第二步，参阅图1（b），对SOI硅片正面进行各向同性干法刻蚀，直至SOI硅片中间电绝缘层2裸露圆形直径为50μm，同时得到半球谐振子空腔5；
第三步，参阅图1（c），对SOI硅片依次进行沉积厚度为2μm的二氧化硅和厚度为2μm的可导电多晶硅得到牺牲层6和多晶硅层7
第四步，参阅图1（d），对SOI硅片双面抛光，直至去除结构硅体1顶面和基底硅体3底面的二氧化硅材料，得到半球谐振子8。
第五步，参阅图1（e），在基底硅体3底面涂胶、光刻、显影，形成拥有直径为30μm的圆形开口的光刻胶掩膜9并进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层2，得到支撑体腔10。
第六步，参阅图1（f），去除支撑体腔10内裸露的二氧化硅材料，并用可导电的多晶硅填充支撑体空腔10，得到可导电的支撑体11。
第七步，参阅图1（g），对基底硅体3底面溅射金属铝、涂胶、光刻、显影、刻蚀铝、去胶，得到拥有直径为30μm的圆形开口的铝金属掩膜12，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层2，得到基底硅槽13。所述的金属铝也可以使用其他作为掩膜的金属带图，如铬等。
第八步，参阅图1（h），去除基底硅槽13内裸露的二氧化硅材料，并进行ICP刻蚀，直至将结构硅体1刻蚀透，得到相互分离的电极15。
第九步，参阅图1（i），干法刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子8。
Claims (4)
1.基于SOI的微型半球谐振陀螺，依次包括基底硅体（3）、电绝缘层（2）和结构硅体（1）；其特征在于：所述结构硅体（1）上有半球谐振子空腔（5），使得所述结构硅体（1）形成环状结构；壳状的半球谐振子（8）通过柱状支撑体（11）悬置于基底硅体（3）上，且所述的半球谐振子（8）与结构硅体（1）上的半球谐振子空腔（5）同心；半球谐振子（8）与柱状支撑体（11）材料均为为可导电的多晶硅；半球谐振子（8）与结构硅体（1）内壁有间隙；所述环状结构硅体（1）被多条径向结构硅槽（14）分割形成多个独立硅块，各独立硅块分别形成驱动电极（16）和敏感电极（17）；所述驱动电极（16）和敏感电极（17）间隔分布。
2.一种如权利要求1所述微型半球谐振子的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，对SOI硅片沉积二氧化硅，然后图形化二氧化硅，得到二氧化硅掩膜（4）；
第二步，对SOI硅片正面进行各向同性干法刻蚀，直至SOI硅片中间电绝缘层（2）裸露圆形半径为20μm-50μm，同时得到半球谐振子空腔（5）；
第三步，对SOI硅片依次进行沉积二氧化硅和可导电多晶硅，分别得到牺牲层（6）和多晶硅层（7）；
第四步，对SOI硅片双面抛光，直至去除结构硅体（1）顶面和基底硅体（3）底面的二氧化硅材料，得到半球谐振子（8）；
第五步，在基底硅体（3）底面形成光刻胶掩膜（9）并进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层（2），得到支撑体腔（10）；
第六步，去除支撑体腔（10）内裸露的二氧化硅材料，并用可导电的多晶硅填充支撑体空腔（10），得到可导电的支撑体（11）；
第七步，对基底硅体（3）底面溅射金属，并图形化，得到金属掩膜（12），然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀深度达到中间的电绝缘层（2），得到基底硅槽（13）；
第八步，去除基底硅槽（13）内裸露的二氧化硅材料，并进行ICP刻蚀，直至将结构硅体（1）刻蚀透，得到由结构硅槽（14）分割形成的多个独立硅块，即电极（15）；
第九步，干法刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子（8）。
3.一种如权利要求2所述微型半球谐振子的制备方法，其特征在于：所述第三步中沉积二氧化硅厚度为1μm-2μm。
4.一种如权利要求2所述微型半球谐振子的制备方法，其特征在于：所述第三步中沉积可导电多晶硅厚度为1μm-2μm。
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