CN105424019A - 一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法 - Google Patents

一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及其制造方法，即将一个硅片作为基底构成硅基底，硅片上表面刻蚀一个圆柱形腔体及腔体圆心处的中心支柱，该中心支柱与半球谐振子中心相连，形成悬空结构；同时，在硅片上表面的圆柱形腔体外围，并围绕半球谐振子均匀布置八个平板式电极，该八个平板式电极由四个驱动电极和四个检测电极组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子不接触，存在相同的间隙，且驱动电极和检测电极依次间隔分布。本发明制作的玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，结构简单、表面应力低与高对称性等优点使其具有较稳定的性能与更广泛的应用范围。

Description

一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法
技术领域
本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术领域，特别是一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及制造方法。
背景技术
随着国防科技和民用工业的发展，陀螺仪已成为姿态控制和导航定位等领域非常重要的惯性器件。其中，半球谐振陀螺仪因其具有精确的比例因子、令人满意的随机漂移及偏置稳定性，且对外界环境(加速度、振动、温度等)不敏感等特点，被公认为目前性能最好的陀螺产品之一。半球谐振陀螺的精度甚至高于光纤陀螺和激光陀螺，还有分辨率高、测量范围宽、抗过载、抗辐射、抗干扰等优点。该陀螺仪的加工成型，已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
受到性能久经考验的宏观半球谐振陀螺的启发,应用于时钟及惯性检测的3-DMEMS酒杯式半球谐振陀螺结构已成为近年研究的热点。随着3-D精密加工技术的出现,成批生产这种酒杯式半球谐振陀螺结构已成为可能。由于酒杯式结构在对称性、能量损耗小以及隔离外界振动等方面具有比较明显的优势，这种结构形式很可能成为新一代具有良好动力学性能的MEMS器件。然而，相比于宏观加工工艺，微加工工艺更适合制造扁平且相对误差较低(10-2～10-4量级)的结构。成型不一致性、对准误差、较高的表面粗糙度和沉积薄膜的间隔尺寸等，是目前MEMS制造工艺中，阻碍实现高精度半球谐振陀螺工艺的主要因素。因此，利用微加工工艺制造圆片级的光滑、对称且具有高深宽比的3-D半球谐振式陀螺结构依然是一个技术难题。
目前，国内外现有的半球谐振式陀螺的制备技术主要分为两大类，第一类为薄膜生长方式。中国专利“半球谐振式微机械陀螺仪及其加工工艺”(专利申请号：201210231285.0)及中国专利“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利申请号：201310022146.1)等，都采用薄膜生长技术制造半球谐振陀螺，其特点是：在硅表面沉积二氧化硅薄膜，各向同性干法刻蚀得到半球球壳，谐振层采用多晶硅或二氧化硅或氮化硅或金刚石材质。这种薄膜生长的方式存在应力大、表面粗糙度大和成品率低等缺点。
第二类制备技术为玻璃吹制/抽气的方式。这种技术的优势在于主要采用表面微加工工艺，成本较低，可实现批量生产；在刻蚀玻璃方面，各向同性刻蚀方法将导致谐振子与电极间距过宽，而各向异性刻蚀玻璃的方法只能使用干法等离子体刻蚀。但是，干法刻蚀玻璃工艺受制于刻蚀深度、表面粗糙度及较低的深宽比。这是使用玻璃材料目前还无法解决的技术问题。
目前，中国专利“上下贯通支撑的半球谐振微陀螺”(专利申请号：201410390495.3)及中国专利“上下贯通支撑的玻璃金属半球谐振微陀螺”(专利申请号：201410390485.X)采用玻璃或玻璃金属抽气技术制造半球谐振体，再利用成型的半球谐振体与顶部支柱键合，形成半球谐振陀螺整体结构。中国专利“一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法”(申请号：201410390482.6)及中国专利“环形玻璃包围式玻璃吹制微型半球谐振陀螺”(申请号：201410390473.7)也提出了玻璃金属/玻璃吹制的方式制造半球谐振陀螺。但此类技术存在对设备要求高，表面应力大，成品率低，电极一致性不高，且难以保证对称性等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面应力低、电极一致性高、对称性高、工艺简单易行、成品率高的半球谐振陀螺及其基于硼硅酸盐玻璃高温退火吹制的制造方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺及其制造方法，将一个硅片作为基底构成硅基底，硅片上表面刻蚀一个圆柱形腔体及腔体圆心处的中心支柱，该中心支柱与半球谐振子中心相连，形成悬空结构；同时，在硅片上表面的圆柱形腔体外围，并围绕半球谐振子均匀布置八个平板式电极，该八个平板式电极由四个驱动电极和四个检测电极组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子不接触，存在相同的间隙，且驱动电极和检测电极依次间隔分布。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用该方法制作的玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，结构简单、表面应力低与高对称性等优点使其具有较稳定的性能与更广泛的应用范围。(2)采用硅片与玻璃片作为主要加工结构，仅采用MEMS微加工技术即可实现半球谐振陀螺的制备，工艺简单，成本较低，并可实现批量生产。(3)所有光刻工步都在玻璃吹制前完成，既能实现3-D结构,又避免了实施难度较大的图形工艺,如：3-D光刻、荫罩式掩膜和激光烧蚀技术,最大限度避免了复杂工艺引入的工艺误差。(4)吹制玻璃产生的边缘瑕疵和热/机械扰动是影响半球谐振陀螺对称性的最大因素。为尽可能降低光刻与刻蚀误差，本发明提出的工艺方案只使用两步光刻工步，最大限度简化工艺、避免误差，保证了结构的对称度。(5)选用含碱金属离子的硼硅酸盐玻璃作为谐振子结构层材料，与常规的玻璃基片(如碱石灰玻璃、石英玻璃)比较，这种硼硅酸盐玻璃的刻蚀速率高，且通过掩膜和刻蚀参数的控制可得到更加理想的各向异性的刻蚀形貌。(6)刻蚀玻璃前的金属掩膜采用电镀技术，可降低谐振层表面应力，最低限度降低吹制玻璃前对玻璃平整度的破坏，提高了成品率。(7)玻璃深刻蚀采用等离子体氧化物干法刻蚀技术，通过合理控制刻蚀参数，可以保证电极与谐振子的电容间距的刻蚀精度与深宽比，并且得到完整、平滑的刻蚀边缘。(8)使用平板式外电极结构，克服了驱动电极和敏感电极工作面积过小的缺点，且可以提高其集成度。(9)在释放硅的工艺中，各向同性干法刻蚀的同时形成悬空的半球谐振子和外电极结构，避免了不对称刻蚀可能出现的结晶定向。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的三维结构示意图。
图2是本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺不同角度示意图：(a)俯视图，(b)主视图，(c)3/4剖视图。
图3是本发明所述半球谐振陀螺的加工流程图(中心截面图)，其中，(a)-以硅晶圆作为半球谐振陀螺的硅基底1,(b)-深刻蚀圆柱形腔体4与中心支柱5，(c)-玻璃晶圆6与硅基底1阳极键合,(d)-深刻蚀玻璃晶圆,(e)-高温退火形成半球谐振子,(f)-释放硅基底1，形成悬空的半球谐振子结构,(g)-覆盖金属导电层。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺，包括：
一个硅基底1；
一个半球谐振子2；
一个中心支柱5连接半球谐振子与硅基底；
设置在硅基底1上并围绕半球谐振子均匀布置的八个平板式电极3，该八个平板式电极3为四个驱动电极3a，3c，3e，3g和四个检测电极3b，3d，3f，3h组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子均不接触，且驱动电极和检测电极依次间隔分布，即每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极。
本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的中心支柱5与半球谐振子中心相连，半球谐振子2与硅基底1上的八个平板式电极3之间设置相同间隙，形成悬空结构。其中半球谐振子2与八个平板式电极3之间的间隙为80-120μm。半球谐振子2的结构为3-D倒置酒杯式。
本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的工作原理是：驱动电极3a，3c，3e，3g被施加交流电压时，在电容感应效应作用下，半球谐振子2的球壳径向振动产生驻波，形成驱动模态；当输入角速度时，在哥氏力作用下，半球谐振子的振型相对壳体产生环向进动，形成检测模态，检测电极3b，3d，3f，3h通过电容效应产生的敏感信号，实现信号检测。
结合图3，本发明基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，将一个硅片作为基底构成硅基底1，硅片上表面刻蚀一个圆柱形腔体4及腔体圆心处的中心支柱5，该中心支柱5与半球谐振子中心相连，形成悬空结构；同时，在硅片上表面的圆柱形腔体4外围，并围绕半球谐振子2均匀布置八个平板式电极3，该八个平板式电极3由四个驱动电极和四个检测电极组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子2不接触，存在相同的间隙，且驱动电极和检测电极依次间隔分布。本发明的方法具体步骤如下：
步骤1，如图3的(a)，以硅晶圆作为半球谐振陀螺的硅基底1，如图3的(b)，利用光刻技术(晶圆表面先涂胶、软烘，再曝光、显影、坚膜形成光刻胶图形)在硅晶圆上表面形成圆柱形腔体及中心支柱图形，然后使用ICP(InductivelyCoupledPlasma感应耦合等离子体)刻蚀技术深刻蚀圆柱形腔体4与中心支柱5，之后清洗去胶，剥离掉多余的金属(Lift-off，溶脱剥离法)。
步骤2，将硼硅酸盐玻璃晶圆6在等离子体去胶机环境下(如氧气等离子体200W与氩气等离子体400W环境下)前处理，清洁键合面，去掉表面颗粒；如图3的(c)，硼硅酸盐玻璃晶圆6与硅基底1的圆柱形腔体4周边及中心支柱5进行阳极键合，同时在圆柱形腔体4内密封惰性气体至1atm。阳极键合又称静电键合，是在200～500℃下对晶片施加一定的电场强度完成的键合，一般用于硅-玻璃的键合。
步骤3，清洗键合后的晶圆，磁控溅射30-35nmTi，然后使用电镀的方法沉积厚度为4μm的金属(如Al)作为掩膜，电镀过程中，对衬底加温(如低于150℃)以降低残余应力；电镀完掩膜后，利用光刻技术在掩膜表面图形化，将光刻后的晶圆置于40～50℃恒温水浴中，使用稀硝酸和冰醋酸的混合溶液(如6:1～8:1的稀硝酸：冰醋酸溶液)湿法腐蚀掩膜。
步骤4，如图3的(d)，使用等离子体氧化物干法刻蚀技术(如使用ULVACNLD570氧化物刻蚀机)对湿法腐蚀掩膜后的晶圆的玻璃层深刻蚀，形成玻璃层单元的谐振子部分2a(退火成型前)与平板式电极3部分，然后清洗去胶，并使用稀硝酸和冰醋酸的混合溶液湿法腐蚀剩余的掩膜。在步骤4中，采用等离子体氧化物干法刻蚀技术，刻蚀参数设置如下：C3F8-30sccm,Ar-90sccm作为刻蚀气体，平衡物理化学刻蚀，保证刻蚀面较光滑；O2-90sccm为等离子体清洗气体，设置低压3mT，电磁功率1500W，偏置功率50W，使得刻蚀速率达到0.8μm/min，且可以得到接近8:1的深宽比，同时保证了控制电极与半球谐振子电容间距的刻蚀精度，得到完整、平滑的刻蚀边缘。晶圆的玻璃层深刻蚀深度可以为90～100μm。
步骤5，在快速退火炉高温环境下，所述圆柱形腔体中的惰性气体由于内外气压差受热膨胀，如图3的(e)，玻璃层单元的谐振子部分2a受到表面张力与腔体压力发生粘性变形，在步骤4得到的晶圆表面形成半球谐振子2(形成3-D倒置酒杯式的半球谐振子)，并迅速冷却至室温。快速退火炉高温环境的温度可以为800-900℃。
步骤6，使用XeF2气体腐蚀硅基底1形成腔体7(释放半球谐振子与硅基底键合部分后形成的腔体)，如图3的(f)，释放了半球谐振子2与硅基底1的键合区域，形成独立的悬空结构。
步骤7，如图3的(g)，使用磁控溅射在步骤6得到的成型结构上，覆盖一层金属铱8，得到结构上表面导电层，形成微型半球谐振陀螺，见图2的(a)、(b)、(c)三幅图所示结构。
本发明硅基底1的材料为具有良好导电性能的低电阻参杂硅(低于1Ω)，半球谐振子2与平板式电极3的材料为含碱金属离子的硼硅酸盐玻璃。
本发明将表面张力和压力驱动微米级玻璃吹制的理论应用于圆片级工艺。该制造方法可以加工完全对称(振动频差Δf<1Hz,第二阶模态的频率灵敏度Δfn＝2/fn＝2<10ppm)、原子级光滑度(0.23nmSa)的3-D酒杯式半球谐振子结构。微玻璃吹制工艺完全不同于传统的沉积、成型、刻蚀工艺，其原理是：结构层玻璃受到表面张力与压力发生粘性变形，从而形成半球谐振子结构。在结构层短暂的粘性变形过程中，表面张力以原子能级作用于半球谐振子结构上，可以最小化结构的表面粗糙度与不完整度。这种玻璃退火成型工艺在结构的表面平滑度及对称性方面远远高于传统制造工艺，有效地实现了高精度的圆片级半球谐振陀螺的制造，且具有较高的一致性。

Claims (10)

1.一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺，其特征在于包括硅基底(1)、半球谐振子(2)，中心支柱(5)连接半球谐振子与硅基底；设置在硅基底(1)上并围绕半球谐振子均匀布置的八个平板式电极(3)，该八个平板式电极(3)为四个驱动电极(3a，3c，3e，3g)和四个检测电极(3b，3d，3f，3h)组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子均不接触，且驱动电极和检测电极依次间隔分布，即每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极。
2.根据权利要求1所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺，其特征在于中心支柱(5)与半球谐振子中心相连，半球谐振子(2)与硅基底(1)上的八个平板式电极(3)之间设置相同间隙，形成悬空结构。
3.根据权利要求2所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺，其特征在于半球谐振子(2)与八个平板式电极(3)之间的间隙为80-120μm。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺，其特征在于半球谐振子(2)的结构为3-D倒置酒杯式。
5.一种基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于将一个硅片作为基底构成硅基底(1)，硅片上表面刻蚀一个圆柱形腔体(4)及腔体圆心处的中心支柱(5)，该中心支柱(5)与半球谐振子中心相连，形成悬空结构；同时，在硅片上表面的圆柱形腔体(4)外围，并围绕半球谐振子(2)均匀布置八个平板式电极(3)，该八个平板式电极(3)由四个驱动电极和四个检测电极组成，所有驱动电极、检测电极与半球谐振子(2)不接触，存在相同的间隙，且驱动电极和检测电极依次间隔分布。
6.根据权利要求5所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1，以硅晶圆作为半球谐振陀螺的硅基底(1)，利用光刻技术在硅晶圆上表面形成圆柱形腔体及中心支柱图形，然后使用ICP刻蚀技术深刻蚀圆柱形腔体(4)与中心支柱(5)，之后清洗去胶，剥离掉多余的金属；
步骤2，将硼硅酸盐玻璃晶圆(6)在等离子体去胶机环境下前处理，硼硅酸盐玻璃晶圆(6)与硅晶圆(1)的圆柱形腔体(4)周边及中心支柱(5)进行阳极键合，在圆柱形腔体(4)内密封惰性气体至1atm；
步骤3，清洗键合后的晶圆，磁控溅射Ti，然后使用电镀的方法沉积金属作为掩膜，电镀过程中，对衬底加温以降低残余应力；电镀完掩膜后，利用光刻技术在掩膜表面图形化，将光刻后的晶圆置于恒温水浴中，使用稀硝酸和冰醋酸的混合溶液湿法腐蚀掩膜；
步骤4，使用等离子体氧化物干法刻蚀技术对湿法腐蚀掩膜后的晶圆的玻璃层深刻蚀，形成玻璃层单元的谐振子部分(2a)与平板式电极(3)部分，然后清洗去胶，并使用稀硝酸和冰醋酸的混合溶液湿法腐蚀剩余的掩膜；
步骤5，在快速退火炉高温环境下，玻璃层单元的谐振子部分(2a)受到表面张力与腔体压力发生粘性变形，在步骤4得到的晶圆表面形成半球谐振子(2)，并迅速冷却至室温；
步骤6，使用XeF2气体腐蚀硅基底(1)形成腔体(7)，释放了半球谐振子(2)与硅基底(1)的键合区域，形成独立的悬空结构；
步骤7，使用磁控溅射在步骤6得到的成型结构上，覆盖一层金属铱(8)，形成微型半球谐振陀螺。
7.根据权利要求5或6所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于硅基底(1)的材料为低电阻参杂硅，半球谐振子(2)与平板式电极(3)的材料为含碱金属离子的硼硅酸盐玻璃。
8.根据权利要求6所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于步骤4中，采用等离子体氧化物干法刻蚀技术，刻蚀参数设置如下：C3F8-30sccm,Ar-90sccm作为刻蚀气体，平衡物理化学刻蚀，保证刻蚀面较光滑；O2-90sccm为等离子体清洗气体，设置低压3mT，电磁功率1500W，偏置功率50W，使得刻蚀速率达到0.8μm/min，且可以得到接近8:1的深宽比，同时保证了控制电极与半球谐振子电容间距的刻蚀精度，得到完整、平滑的刻蚀边缘。
9.根据权利要求6所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于步骤4中，晶圆的玻璃层深刻蚀深度为90～100μm。
10.根据权利要求6所述的基于硼硅酸盐玻璃退火成型的微型半球谐振陀螺的制造方法，其特征在于步骤5中的快速退火炉高温环境的温度为800-900℃。
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