CN108008150A - 一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。低交叉轴灵敏度压阻式加速度计由一个质量块(1)、八个支撑梁(2)、四个传感梁(3)和框架(4)组成。质量块(1)的重心位于支撑梁(2)的中性面内。传感梁(3)的上表面位于芯片表面以便于在其表面制作压敏电阻(5)。传感梁(3)的厚度远小于支撑梁(2)的厚度。在垂直芯片表面的Z轴加速度作用下，质量块(1)在Z轴方向运动带动传感梁(3)一起运动，通过压敏电阻(5)检测传感梁(3)的应变，从而得到Z轴加速度的大小。由于质量块(1)的重心位于支撑梁(2)的中性面内，在芯片表面内X轴或Y轴加速度作用下质量块(1)的偏转角度很小，从而具有较小的交叉轴灵敏度。

Description

一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，特别是一种利用掩膜-无掩膜腐蚀技术制作的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。
背景技术
微型加速度计是一类重要的力学量传感器，具有体积小、重量轻、功耗和成本低、易集成、可批量生产等优点，不仅是微惯性测量组合的核心元件，也广泛应用于车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等领域。按照检测质量的运动方式可以将微型加速度计分为线加速度计和摆式加速度计。按照有无反馈信号可以将微型加速度计分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度计。按照敏感轴的数量可以将微型加速度计分为单轴、双轴以及三轴加速度计。按照信号检测方式可以将微型加速度计分为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度计。
压阻式加速度计采用压敏电阻作为敏感元件，将被测加速度转换为材料电阻率的变化以进行测量，具有简单的结构和读出电路、良好的直流响应、高灵敏度、线性度和可靠性、低成本以及大批量生产的优点。压阻式加速度计芯片由框架、质量块、微梁及制作在微梁特定区域的压敏电阻组成。当传感器加速度运动时，质量块的惯性力使微梁弯曲而产生应力，使压敏电阻的阻值发生变化，通过测量电阻阻值的变化即可获得加速度的大小。
压阻式加速度计有单悬臂梁、双悬臂梁、四梁和五梁等结构，这些结构关于z轴是不对称的，即支撑梁的中性面与质量块的重心不在同一平面，因此具有较大的交叉轴灵敏度。为了解决这一问题，人们提出两梁结构、悬臂梁-薄膜结构、四梁结构、六梁结构、八梁结构等形式的加速度结构，通过对加速度计的结构参数优化设计，使各轴之间力的传递得到隔离，在微梁的特定区域制作压敏电阻来减小交叉轴灵敏度。然而，梁上复杂的金属互连对传感器的性能和成品率会带来不利影响。更重要的是，当受到芯片面内的加速度时，质量块将会发生偏转。
采用双面同时加工的方法，可使传感器结构相对于微梁的中性面对称，质量块中心与微梁的中性面重合。但是这种结构的微梁的上表面与衬底表面不在同一平面上，难以制作压敏电阻，无法用于压阻式加速度传感器。Kyu Hyun Kim提出了一种斜对称的悬臂梁加速计以降低横向灵敏度，但必须采用投影对准方法在有台阶的硅片表面光刻电阻和电极的形状。在质量块上电镀铜或金层可以将质量块的重心上移到梁的中性面，也可降低横向灵敏度，但工艺复杂、成本较高。
发明内容
本发明的目的在于发明一种具有低交叉轴灵敏度的压阻式加速度计，在横向(面内)加速度作用下质量块的偏转角度很小。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：低交叉轴灵敏度压阻式加速度计由一个质量块、八个支撑梁、四个传感梁和框架组成。质量块的重心位于支撑梁的中性面内。传感梁的上表面位于芯片表面以便于在其表面制作压敏电阻。传感梁的厚度远小于支撑梁的厚度。
本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的工作原理：在垂直芯片表面的Z轴加速度作用下，质量块在Z轴方向运动。由于传感梁的厚度远小于支撑梁的厚度，质量块的振动幅度主要由支撑梁的刚度决定。质量块的运动带动传感梁靠近质量块一端一起运动，通过压敏电阻检测传感梁的应变，从而得到Z轴加速度的大小。由于质量块的重心位于支撑梁的中性面内，在芯片表面内X轴或Y轴加速度作用下质量块的偏转角度很小，从而具有较小的交叉轴灵敏度。
本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计通过以下基本工艺步骤实现：
[1]制作传感器芯片的原始硅片是(100)面、双面抛光、厚度为H的硅片，热氧化法在硅片表面制作二氧化硅薄膜；
[2]光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合制作压敏电阻；
[3]低压化学气相沉积技术淀积一层LPCVD氮化硅薄膜；
[4]背面光刻，刻蚀传感梁背面及成型槽四个角的LPCVD氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜，各向异性腐蚀硅，腐蚀深度为0.5(H+d)-h，其中d为支撑的设计厚度，h为传感梁的设计厚度；
[5]正面光刻接触孔，ICP刻蚀LPCVD氮化硅薄膜，淀积金属薄膜，制作金属引线；
[6]正面采用等离子体化学气相沉积法淀积PECVD氮化硅薄膜；
[7]正面光刻传感梁及质量块图形，刻蚀质量块、传感梁与框架之间的PECVD氮化硅薄膜、LPCVD氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜；
[8]背面光刻，刻蚀质量块与框架之间的LPCVD氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜；
[9]各向异性湿法腐蚀释放支撑梁和传感梁，当传感梁的厚度等于h时支撑梁的厚度为d，停止腐蚀，除去PECVD氮化硅薄膜；
[10]等离子增强化学气相沉积法在背面淀积非晶硅；
[11]另取抛光硅片制作下底板，除去面对质量块的一部分硅，为质量块在芯片法向运动提供活动空间，在正面依次淀积粘附层和金薄膜，退火使粘附层与硅片形成良好的粘附；
[12]采用金-非晶硅共晶键合工艺将传感器芯片与下底板键合在一起。
本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的制作工艺中，所述的压敏电阻为单晶硅电阻与多晶硅电阻中的一种。
本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的优点在于：质量块的重心位于支撑梁的中性平面内，在芯片表面内X轴或Y轴加速度作用下质量块的偏转角度很小，因而具有很小的交叉轴灵敏度。
附图说明
图1为本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的结构示意图。
图2为本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计沿着图1所示A-A′截面的基本工艺步骤。
图3为本发明所涉及的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计基本工艺步骤第(4)步背面光刻的掩模图形，其中阴影区域为掩模被刻蚀的区域。
图中：
1-质量块 2-支撑梁 3-传感梁
4-框架 5-压敏电阻 6-二氧化硅薄膜
7-LPCVD氮化硅薄膜 8-成型槽 9-金属引线
10-PECVD氮化硅薄膜 11-非晶硅 12-下底板
13-粘附层 14-金薄膜
具体实施方式
下面结合附图2和实施例1对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例1：原始硅片厚度为380微米，传感梁3的设计厚度为5微米，支撑梁2的设计厚度为30微米。依据上述数据来确定的制作工艺流程如下：
[1]制作传感器芯片的原始硅片是(100)面、双面抛光、380微米厚的硅片，热氧化法在硅片表面制作厚度0.6微米的二氧化硅薄膜6。(见附图2[1])
[2]低压化学气相沉积法淀积0.7微米多晶硅薄膜，高温下扩散硼，方块电阻300Ω/□，光刻并刻蚀出压敏电阻5。(见附图2[2])
[3]低压化学气相沉积技术淀积0.25微米LPCVD氮化硅薄膜7。(见附图2[3])
[4]背面光刻，掩膜图形如图3所示，刻蚀出传感梁3背面及成型槽8四个角的LPCVD氮化硅薄膜7和二氧化硅薄膜6，各向异性腐蚀硅，腐蚀深度为201.3微米。(见附图2[4])
[5]正面光刻接触孔，ICP刻蚀接触孔内的LPCVD氮化硅薄膜7，淀积40纳米的钛薄膜和250纳米的金薄膜，光刻腐蚀制作金属引线9。(见附图2[5])
[6]正面PECVD氮化硅薄膜10，厚度1.5微米。(见附图2[6])
[7]正面光刻传感梁3及质量块1图形，刻蚀质量块1、传感梁3与框架4之间的PECVD氮化硅薄膜11、LPCVD氮化硅薄膜8和二氧化硅薄膜7。(见附图2[7])
[8]背面光刻，刻蚀质量块1与框架4之间的LPCVD氮化硅薄膜8和二氧化硅薄膜7。(见附图2[8])
[9]各向异性湿法腐蚀释放支撑梁2、传感梁3，当传感梁3的厚度等于h时支撑梁2的厚度为d，停止腐蚀，除去PECVD氮化硅薄膜10。(见附图2[9])
[10]等离子增强化学气相沉积法在背面淀积0.45微米非晶硅11。(见附图2[10])
[11]另取(100)面、双面抛光、380微米的硅片制作下底板12，热氧化法在硅片表面制作厚度0.6微米的二氧化硅薄膜，光刻并腐蚀除去硅片正面面对质量块1的一部分硅，腐蚀深度10微米，为质量块1受到Z轴加速度在芯片法向运动提供活动空间。在硅片正面依次淀积40纳米的钛薄膜作为粘附层13和250纳米的金薄膜14，退火使粘附层13与硅片形成良好的粘附。(见附图2[11])
[12]采用金-非晶硅共晶键合工艺将传感器芯片与下底板12键合在一起，键合温度430℃，键合压力0.75MPa。(见附图2[12])
显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，其特征在于：所述的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计由一个质量块(1)、八个支撑梁(2)、四个传感梁(3)和框架(4)组成；质量块(1)的重心位于支撑梁(2)的中性平面内；传感梁(3)的上表面位于芯片表面以便于在其表面制作压敏电阻(5)；传感梁(3)的厚度远小于支撑梁(2)的厚度。
2.根据权利要求1所述的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，其特征在于：通过以下基本工艺步骤实现：
[1]制作传感器芯片的原始硅片是(100)面、双面抛光、厚度为H的硅片，热氧化法在硅片表面制作二氧化硅薄膜(6)；
[2]光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合制作压敏电阻(5)；
[3]低压化学气相沉积技术淀积一层LPCVD氮化硅薄膜(7)；
[4]背面光刻，刻蚀传感梁(3)背面及成型槽(8)四个角的LPCVD氮化硅薄膜(7)和二氧化硅薄膜(6)，各向异性腐蚀硅，腐蚀深度为0.5(H+d)-h，其中d为支撑(2)的设计厚度，h为传感梁(3)的设计厚度；
[5]正面光刻接触孔，ICP刻蚀LPCVD氮化硅薄膜(7)，淀积金属薄膜，制作金属引线(9)；
[6]正面采用等离子体化学气相沉积法淀积PECVD氮化硅薄膜(10)；
[7]正面光刻传感梁(3)及质量块(1)图形，刻蚀质量块(1)、传感梁(3)与框架(4)之间的PECVD氮化硅薄膜(10)、LPCVD氮化硅薄膜(7)和二氧化硅薄膜(6)；
[8]背面光刻，刻蚀质量块(1)与框架(4)之间的LPCVD氮化硅薄膜(7)和二氧化硅薄膜(6)；
[9]各向异性湿法腐蚀释放支撑梁(2)和传感梁(3)，当传感梁(3)的厚度等于h时支撑梁(2)的厚度为d，停止腐蚀，除去PECVD氮化硅薄膜(10)；
[10]等离子增强化学气相沉积法在背面淀积非晶硅(11)；
[11]另取抛光硅片制作下底板(12)，除去面对质量块(1)的一部分硅，为质量块(1)在芯片法向运动提供活动空间，在正面依次淀积粘附层(13)和金薄膜(14)，退火使粘附层(13)与硅片形成良好的粘附；
[12]采用金-非晶硅共晶键合工艺将传感器芯片与下底板(12)键合在一起。
3.根据权利要求1所述的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，其特征在于：所述的压敏电阻(5)为单晶硅电阻与多晶硅电阻中的一种。
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