CN106969759B - 陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，涉及陀螺仪结构加工领域。它包括沉积多晶硅及氧化层、将多晶硅及氧化层进行刻蚀、对氧化层进行平整化和释放所有的氧化层。本发明提供一种陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，可以同时实现微机械陀螺仪的共模抑制能力以及降低需要的驱动电压、增大驱动位移，提高了器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种陀螺仪结构加工领域，尤其是陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺。
背景技术
随着微机械技术的发展，近年来已经有越来越多的MEMS器件实现了商用甚至军用。其中，MEMS惯性传感器在汽车电子、惯性导航和便携设备中取得了很大的成功。
MEMS陀螺仪本质上是通过科里奥利效应实现的角速度传感器。它将质量块的受力（即科氏力）与外加角速度联系在一起，再通过胡克定律和二阶动态系统将受力转化为位移，并且使用一定的位移检测机构实现对角速度的检测。
MEMS陀螺仪通常包含线性振动或者角振动的质量块、检测质量块以及相应的驱动和检测装置。为了实现对于各种外部共模干扰比如振动、加速度和机械冲击的抑制，MEMS陀螺仪通常有偶数个驱动和检测质量块，并且通常呈对称结构。其中，相邻的质量块运动方向都相反，从而实现差分效果,并且四质量块结构对于各种共模机械干扰有更好的抑制效果。
另外一项抑制共模干扰的方式就是将检测质量块通过弹簧耦合在一起，这样就可以在不同检测质量块的参数（主要是弹性系数）出现失配的情况下大幅度降低它们检测位移的失配。
但是由于常见的MEMS工艺流程只能形成平面结构，如果选择将检测质量块耦合在一起就会造成驱动质量块无法耦合，也就降低了等效驱动品质因数，从而需要更大的驱动电压才能实现相同的驱动幅度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，可以同时实现微机械陀螺仪的共模抑制能力以及降低需要的驱动电压、增大驱动位移，提高了器件的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，它包括沉积多晶硅及氧化层、将多晶硅及氧化层进行刻蚀、对氧化层进行平整化和释放所有的氧化层，具体包括如下步骤：
在硅衬底上沉积绝缘层；
沉积厚度为2~3um的氧化层并且平整化结构表面；
将氧化层刻蚀形成交叉结构的底面掩膜；
刻蚀多晶硅形成结构层底面、交叉结构底面和释放孔；
平整化该氧化层并沉积较厚的厚度为2um的多晶硅；
在多晶硅上刻蚀出结构层的中间层、交叉结构的连杆以及释放孔；
整化氧化层并沉积一个厚度为0.5~1um薄层氧化层；
刻蚀氧化层形成交叉结构上层的掩膜并沉积一层多晶硅；
刻蚀上一步骤沉积的多晶硅，支座结构层上层、交叉结构上层与释放孔，最后释放所有的氧化层形成可动结构。
优选的，几个多晶硅层的厚度总和就是结构层的厚度。该厚度影响器件的信噪比和垂直方向的抗震动和冲击能力，应根据要求大致选择结构层的总厚度。
优选的，所述的绝缘层是薄层氮化硅绝缘层，不需要较高的厚度；此处的氮化硅是根据反应成分的比例不同产生的化合物比例有所不同，具体应根据实际情况调整。还需溅射出金属走线层并其上沉积较厚的一层多晶硅，并刻蚀出锚点。
优选的，所述的氮化硅通常具有残余拉应力，这可以使得沉积后的结构较为平整。但是如果该拉应力值过高，则会使得薄膜开裂甚至从衬底剥离。控制该应力值主要是使用温度较低的PECVD即等离子增强化学气相沉积，并且通过控制反应的气体比、反应气压和高低频占空比实现。
优选的，所述的其后溅射的金属走线层上方有一个钝化层，以在释放牺牲层时保护金属走线。
优选的，在沉积多晶硅时，须均匀沉积，延长结构的寿命和抗冲击能力。
优选的，所述的氧化层具有一定的压应力，为了缓解其影响，同时得到比较大的厚度，使用反应温度较低的PECVD方法制备。
优选的，所述的释放所有的氧化层，应采用干法HF释放以避免发生粘附。
优选的，所述的氧化层进行平整化，通过化学机械抛光进行平整化处理。
优选的，所述的化学机械抛光结合化学反应与物理研磨进行表面平整化，防止在表面微加工中出现凸起，以保证了表面的平整
本发明的有益效果是：提供一种陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，可以同时实现微机械陀螺仪的共模抑制能力以及降低需要的驱动电压、增大驱动位移，提高了器件的性能。
附图说明
图1为本发明步骤示意图；
图2为陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合交叉结构截面示意图；
图3为本发明工艺流程图；
图4为常规加工工艺实现单质量结构的同时耦合示意图；
图5为常规加工工艺实现外框驱动的耦合；
图6 为本加工工艺实现驱动质量和检测质量同时耦合示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，它包括沉积多晶硅及氧化层、将多晶硅及氧化层进行刻蚀、对氧化层进行平整化和释放所有的氧化层，具体包括如下步骤：
在硅衬底上沉积绝缘层；
沉积厚度为2~3um的氧化层并且平整化结构表面；
将氧化层刻蚀形成交叉结构的底面掩膜；
刻蚀多晶硅形成结构层底面、交叉结构底面和释放孔；
平整化该氧化层并沉积较厚的厚度为2um的多晶硅；
在多晶硅上刻蚀出结构层的中间层、交叉结构的连杆以及释放孔；
整化氧化层并沉积一个厚度为0.5~1um薄层氧化层；
刻蚀氧化层形成交叉结构上层的掩膜并沉积一层多晶硅；
刻蚀上一步骤沉积的多晶硅，支座结构层上层、交叉结构上层与释放孔，最后释放所有的氧化层形成可动结构。
衬底上沉积的SixNy起到与衬底绝缘的功能，不需要较高的厚度。SixNy通常具有残余拉应力，这可以使得沉积后的结构较为平整，但是如果该拉应力值过高，则会使得薄膜开裂甚至从衬底剥离。控制该应力值主要是使用温度较低的PECVD（等离子增强化学气相沉积），并且通过控制反应的气体比、反应气压和高低频占空比实现。其后溅射的金属层上方还应有一个钝化层，以在释放牺牲层时保护金属走线
如图2所示，陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合交叉结构的截面，包括连杆1、连杆2、折叠弹簧1、折叠弹簧2、锚点、检测质量。其中距离1即L1的设置应略大于驱动质量块在驱动和检测方向上的最大位移；距离2即L2的设置则与加工工艺相关，它的尺寸应略大于结构在z轴方向上的形变以免连杆1和驱动质量块发生接触。
如图3所示，本发明工艺流程具体如下：
在硅衬底上沉积氮化硅绝缘层，溅射出金属走线层，再在其上沉积一层厚度为0.5~1um的多晶硅得到a；
在沉积的一层多晶硅上刻蚀出锚点形成b；
在b的基础上沉积2~3um的氧化层得到c；
将c的结构表面进行平整处理形成d这一步可以通过化学机械抛光或刻蚀等方法实现；
将氧化层刻蚀约1/3以形成交叉结构的底面掩膜e；
在e的基础上再沉积一层厚度为1um的多晶硅形成f；
将刻蚀f上的多晶硅，形成结构层底面、交叉结构底面和释放孔得到g；
在g的基础上再沉积一层氧化层得到h；
平整h上的氧化层得到i；
在i的基础上再沉积一层2um的多晶硅形成j；
在j的多晶硅的基础上刻蚀出结构层的中间层、交叉结构的连杆1以及释放孔形成k；
在k的基础上再沉积一个较厚的氧化层得到l；
将l上较厚的氧化层平整化之后得到m；
在m上沉积一个薄层氧化层得到n；
将n氧化层进行刻蚀形成交叉结构上层的掩膜o；
在o的基础上沉积一层厚度为1um的多晶硅形成p；
刻蚀p的这层多晶硅，支座结构层上层、交叉结构上层与释放孔q；
最后释放所有的氧化层形成可动结构，r。
由于氧化层最后都将被释放以形成可动结构，流程中进行的每一次氧化层沉积其厚度都应不小于之前沉积的多晶硅，保证平整化以后的结构厚度满足设计要求即可。
由于该工艺的剖面为叠层结构，因此对于套刻精度的要求也较高。如果套刻精度不足，则可能使得不同叠层错位甚至没有交叠。可见较大的套刻失准可能导致应力释放孔无法实现、结构层出现空腔、结构层碎片、锚点连接强度降低和交叉结构工作余量降低等问题。为了克服这一问题，除了通过设计一定的对准标记、通过投影光刻提高精度以及选择可靠的设计规则实现。
如图4所示，以两质量结构为例说明，四质量结构同理，常规的微加工工艺只能实现单质量结构的同时耦合
如图5所示，以外框驱动为例，框架结构的驱动或检测的耦合。也就是说，常规工艺只能实现外侧质量块之间的耦合，而框架内的几个质量块则相互独立。
如图6所示，在该新工艺的情况下，即可实现检测耦合弹簧应有x和y两个方向的形变能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于，陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合交叉结构的截面，包括连杆1、连杆2、折叠弹簧1、折叠弹簧2、锚点、检测质量；检测质量与共用弹簧水平距离的设置应略大于驱动质量块在驱动和检测方向上的最大位移；检测质量与共用弹簧垂直距离的设置则与加工工艺相关，它的尺寸应略大于结构在z轴方向上的形变以免连杆1和驱动质量块发生接触；陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺包括沉积多晶硅及氧化层、将多晶硅及氧化层进行刻蚀、对氧化层进行平整化和释放所有的氧化层，具体包括如下步骤：
在硅衬底上沉积绝缘层；
沉积厚度为2~3um的氧化层得到c并且平整化结构表面形成d；
将氧化层刻蚀形成交叉结构的底面掩膜e；
刻蚀多晶硅形成结构层底面、交叉结构底面和释放孔；
平整化该氧化层并沉积一层多晶硅f；
在多晶硅上刻蚀出结构层的中间层、交叉结构的连杆以及释放孔得到g；
在g的基础上再沉积一层氧化层得到h，平整h上的氧化层得到i；
在i的基础上再沉积一层2um的多晶硅形成j；
在j的多晶硅的基础上刻蚀出结构层的中间层、交叉结构的连杆1以及释放孔形成k；
在k的基础上再沉积一个较厚的氧化层得到l；
将l上较厚的氧化层平整化之后得到m；
在m上沉积一个薄层氧化层得到n；
将n氧化层进行刻蚀形成交叉结构上层的掩膜o；
刻蚀氧化层形成交叉结构上层的掩膜o并沉积一层多晶硅形成p；
刻蚀上一步骤沉积的多晶硅p，支座结构层上层、交叉结构上层与释放孔，最后释放所有的氧化层形成可动结构r。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的绝缘层是薄层氮化硅绝缘层，还需溅射出金属走线层并在其上沉积较厚的一层多晶硅得到a，并刻蚀出锚点形成b。
3.根据权利要求2所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的氮化硅具有残余拉应力，这可以使得沉积后的结构较为平整。
4.根据权利要求2所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述金属走线层上方有一个钝化层，以在释放牺牲层时保护金属走线。
5.根据权利要求1所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，还包括：在沉积多晶硅时，须均匀沉积，延长结构的寿命和抗冲击能力。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的氧化层具有一定的压应力，为了缓解其影响，同时得到比较大的厚度，使用反应温度较低的PECVD方法制备。
7.根据权利要求1所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的释放所有的氧化层，应采用干法HF释放以避免发生粘附。
8.根据权利要求1所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的氧化层进行平整化，通过化学机械抛光进行平整化处理。
9.根据权利要求8所述的陀螺仪驱动质量和检测质量同时耦合的交叉结构加工工艺，其特征在于：所述的化学机械抛光结合化学反应与物理研磨进行表面平整化，防止在表面微加工中出现凸起，以保证了表面的平整。
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