CN108195366B - 一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：首先清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第一层掩膜，接着在氮化硅掩膜表面旋涂光刻胶层，并固化；采用深硅刻蚀工艺在SOI晶圆器件层加工得到双质量微谐振器的结构；采用机械抛光减薄SOI晶圆，清洗表面，利用电子束曝光在光刻胶层上得到固定光栅的图案，在盖帽上表面喷涂光刻胶层，利用第四块光刻胶定义金属焊盘的位置，然后通过剥离工艺得到通孔内的金属焊盘，该金属焊盘通过引线键合与金属导线结合，实现器件层内外的电信号传输。本发明具有测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

Description

一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，属于微光机电和惯性导航技术领域。

背景技术

微惯性器件是测量物体运动加速度和角速度的关键器件，属于MEMS(微机械系统)产品之一，主要包括微机械加速度计和微机械陀螺仪。与传统惯性器件相比具有小尺寸、低功耗、低成本、便于批量生产等特点，使其在汽车消费类电子、导航定位、武器制导等领域拥有广泛的应用。

当前大多数微机电陀螺采用哥式效应和电容检测的方案。该方案中，电容检测容易受到寄生效应的干扰，精度和动态性能难以兼顾，这限制了微机电陀螺在诸多对测量精度要求较高的领域的应用。

而光学元件受到寄生效应的干扰则可以忽略不计，为此，研究人员提出将微机电与微光学结合，设计了一系列微光机电系统，其中就包括了微光机电陀螺仪。

光栅作为一种非常重要的光学元件，被广泛应用于集成光路、光通信、光学互连、光信息处理、光学测量等领域中。目前，光学衍射光栅作为光栅中的一种已经被人们广泛应用，它具有周期性的空间结构，一般是在介质或者金属上进行刻蚀形成折射率调制而制成的。光学衍射光栅可以分为透射光栅和反射光栅，其中衍射光栅的衍射级次主要由光栅周期和入射光波长的大小决定的。对于光学衍射光栅，当其光栅周期远大于入射光波长时，光波入射到光栅上将会产生多个级次的衍射光波，此时适合采用标量衍射理论对光栅进行计算研究。当光栅周期与入射光波长近乎相等时，光波入射到光栅上仅仅产生零级和1级衍射波。当光栅周期远小于入射光波长时，光波入射到光栅上仅仅产生零级衍射波。对于光栅周期小于或等于入射光波长的情况时，必须采用矢量衍射理论对光栅进行计算研究。本项目所用的纳米光栅就属于光栅周期远小于入射光波长的亚波长光栅，该类光栅具有特殊的衍射特性，因此可以用于实现一些传统光学器件无法实现的光学功能，此外，纳米光栅器件还具有价格相对较低，易于集成等优点，因此在光学应用上具有巨大的潜力。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，降低陀螺仪内部的耦合效应并提高其测量精度，本发明旨于提供一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第一层掩膜，接着在氮化硅掩膜表面旋涂光刻胶层，并固化；

2)在步骤1)得到的SOI晶圆器件层利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义双质量块微谐振器的质量块、驱动框架和解耦梁的图案与位置，接着将SOI晶圆器件层转移到电子束光刻机上，采用电子书曝光的方法得到光栅的图案，然后使用反应离子刻蚀工艺在第一层掩膜开出进一步刻蚀的窗口，使用丙酮溶液去除残留的光刻胶层；

3)采用深硅刻蚀工艺在SOI晶圆器件层加工得到双质量微谐振器的结构，之后使用氢氟酸去除残留的第一层掩膜，得到器件层；

4)采用机械抛光减薄SOI晶圆，清洗表面，干燥后采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第二层掩膜后，在氮化硅表面旋涂光刻胶层，固化；

5)在步骤4)基础上，利用电子束曝光在光刻胶层上得到固定光栅的图案，之后反应离子刻蚀工艺在第二层掩膜开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用深硅刻蚀工艺加工得到设计的固定光栅，得到支撑结构，然后用氢氟酸去除残留的第二层掩膜，得到支撑层；

6)使用KOH溶液去除SOI晶圆器件层得到的器件对应位置的掩埋氧化层，释放结构；

7)取玻璃薄片，在一面上旋涂光刻胶层，在光刻机上通过第二块掩膜版定义出盖帽的凹槽图案，使用KOH溶液，湿法刻蚀得到凹槽，去除残余光刻胶层；

8)在步骤7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶层，通过第三块掩膜版定义出电极通孔图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶层，得到玻璃盖帽；

9)另取一块玻璃薄片，清洗干燥后作为衬底，将玻璃衬底与步骤8)得到的玻璃盖帽分别与加工后SOI晶圆的支撑层与器件层对准，贴合后，采用阳极键合工艺使玻璃盖帽、支撑层、器件层和玻璃衬底键合为一个整体；

10)在盖帽上表面喷涂光刻胶层，利用第四块光刻胶定义金属焊盘的位置，然后通过剥离工艺得到通孔内的金属焊盘，该金属焊盘通过引线键合与金属导线结合，实现器件层内外的电信号传输。

本发明陀螺仪的加工方法结合了紫外线光刻、电子束曝光、MEMS体硅加工工艺、体微加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺。

优选，所述的步骤2)中，采用电子束曝光直接得出图案定义双质量块微谐振器的质量块、驱动框架和解耦梁的图案与位置；能使器件图案与可动光栅图案一同加工，减少加工步骤，并降低对准误差。

有益效果：本发明集合测量精度更高的纳米光栅，利用光来检测角速度，测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明基于双层纳米光栅陀螺仪的结构示意图；

图2为图1中沿A-A面的剖视图；

图3为本发明中驱动框架的结构示意图；

图4为本发明中解耦梁的结构示意图；

图5为本发明的加工工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1-4所示，一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪，包括玻璃衬底7、支撑结构、双质量块微谐振器1和玻璃盖帽5，所述支撑结构为无顶箱体结构，玻璃衬底7、支撑结构和玻璃盖帽5由下至上依次连接形成空腔结构，双质量块微谐振器1设在支撑结构内；双质量块微谐振器1包括两组对称设置的微谐振器，每组微谐振器包括质量块2、驱动框架3、解耦梁4和可动光栅8，可动光栅8设在质量块2中心部，驱动框架3设在质量块2四周，解耦梁4设在质量块2外周四个拐角处，且分别与相邻两条边上的驱动框架3连接；每个可动光栅8正下方的支撑结构底部均设有固定光栅9；玻璃盖帽5上对应驱动框架3位置均匀设有电极通孔6，每个电极通孔6内均设有与驱动框架3相接的金属焊盘；双质量块微谐振器1与支撑结构分别由同一块SOI晶圆的器件层与支撑层加工而成；玻璃盖帽5与玻璃衬底7均采用阳极键合的方法与支撑结构键合；驱动框架3采用静电力驱动；可动光栅8和固定光栅9均为梳齿状结构，可动光栅8与固定光栅9交叉排列，构成多个可变缝隙，缝隙的宽度随可动光栅8受到的哥式力的变化而改变；微谐振器的驱动方向与可变缝隙的方向相同，两个质量块2各自对应的微谐振器的驱动方向相反，使输出信号为差分信号；电极通孔6共有32个，分别均匀设在两个驱动框架3正上方的玻璃盖帽5上；电极通孔6为锥形孔。

本发明基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪，外界金属导线通过电极通孔6内金属焊盘与双质量块微谐振器1实现电气连接，驱动双质量块微谐振器1上的驱动框架3运动，带动质量块2运动，当角速度发生变化时，由于哥式效应，质量块2会在与驱动方向以及角速度方向垂直的方向产生运动，可动光栅8与固定光栅9组成的双光栅结构的周期随之变化，检测光从光发生器进入后依次通过玻璃衬底7、固定光栅9、可动光栅8、玻璃盖帽5后得到出射光，由于光栅周期变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入光电检测端的出射光光强，可以推算出角速度。检测光由外接的激光发生器作为光源提供，通过分光器后一分为二分别进入双质量块2对应位置的双层纳米光栅中；光电检测端为外接的光电转换器，光电转换器共有两个，分别检测从双质量块2对应位置的两组双层光栅的出射光的光强。

如图5所示，一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第一层掩膜，接着在氮化硅掩膜表面旋涂光刻胶层，并固化；

2)在步骤1)得到的SOI晶圆器件层利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义双质量块微谐振器1的质量块2、驱动框架3和解耦梁4的图案与位置，接着将SOI晶圆器件层转移到电子束光刻机上，采用电子书曝光的方法得到光栅的图案，然后使用反应离子刻蚀工艺在第一层掩膜开出进一步刻蚀的窗口，使用丙酮溶液去除残留的光刻胶层；

3)采用深硅刻蚀工艺在SOI晶圆器件层加工得到双质量微谐振器的结构，之后使用氢氟酸去除残留的第一层掩膜，得到器件层；

4)采用机械抛光减薄SOI晶圆，清洗表面，干燥后采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第二层掩膜后，在氮化硅表面旋涂光刻胶层，固化；

5)在步骤4)基础上，利用电子束曝光在光刻胶层上得到固定光栅9的图案，之后反应离子刻蚀工艺在第二层掩膜开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用深硅刻蚀工艺加工得到设计的固定光栅9，得到支撑结构，然后用氢氟酸去除残留的第二层掩膜，得到支撑层；

6)使用KOH溶液去除SOI晶圆器件层得到的器件对应位置的掩埋氧化层，释放结构；

7)取玻璃薄片，在一面上旋涂光刻胶层，在光刻机上通过第二块掩膜版定义出盖帽的凹槽图案，使用KOH溶液，湿法刻蚀得到凹槽，去除残余光刻胶层；

8)在步骤7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶层，通过第三块掩膜版定义出电极通孔6图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶层，得到玻璃盖帽5；

9)另取一块玻璃薄片，清洗干燥后作为衬底，将玻璃衬底7与步骤8)得到的玻璃盖帽5分别与加工后SOI晶圆的支撑层与器件层对准，贴合后，采用阳极键合工艺使玻璃盖帽5、支撑层、器件层和玻璃衬底7键合为一个整体；

10)在盖帽上表面喷涂光刻胶层，利用第四块光刻胶定义金属焊盘的位置，然后通过剥离工艺得到通孔内的金属焊盘，该金属焊盘通过引线键合与金属导线结合，实现器件层内外的电信号传输。

本发明陀螺仪的加工方法结合了紫外线光刻、电子束曝光、MEMS体硅加工工艺、体微加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺。

本发明集合测量精度更高的纳米光栅，利用光来检测角速度，具有质量小、测量精度高、不受电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：在步骤2)中，采用电子束曝光直接得出图案定义双质量块微谐振器1的质量块2、驱动框架3和解耦梁4的图案与位置；能使器件图案与可动光栅8图案一同加工，减少加工步骤，并降低对准误差。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

Claims (2)

1.一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆表面采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第一层掩膜，接着在氮化硅掩膜表面旋涂光刻胶层，并固化；

2)在步骤1)得到的SOI晶圆器件层利用第一块掩膜版，在紫外线光刻机上定义双质量块微谐振器(1)的质量块(2)、驱动框架(3)和解耦梁(4)的图案与位置，接着将SOI晶圆器件层转移到电子束光刻机上，采用电子书曝光的方法得到光栅的图案，然后使用反应离子刻蚀工艺在第一层掩膜开出进一步刻蚀的窗口，使用丙酮溶液去除残留的光刻胶层；

3)采用深硅刻蚀工艺在SOI晶圆器件层加工得到双质量微谐振器的结构，之后使用氢氟酸去除残留的第一层掩膜，得到器件层；

4)采用机械抛光减薄SOI晶圆，清洗表面，干燥后采用低压化学气相沉积方法沉积一层氮化硅作为第二层掩膜后，在氮化硅表面旋涂光刻胶层，固化；

5)在步骤4)基础上，利用电子束曝光在光刻胶层上得到固定光栅(9)的图案，之后反应离子刻蚀工艺在第二层掩膜开出窗口，用丙酮溶液去除光刻胶后，采用深硅刻蚀工艺加工得到设计的固定光栅(9)，得到支撑结构，然后用氢氟酸去除残留的第二层掩膜，得到支撑层；

6)使用KOH溶液去除SOI晶圆器件层得到的器件对应位置的掩埋氧化层，释放结构；

7)取玻璃薄片，在一面上旋涂光刻胶层，在光刻机上通过第二块掩膜版定义出盖帽的凹槽图案，使用KOH溶液，湿法刻蚀得到凹槽，去除残余光刻胶层；

8)在步骤7)的玻璃片另一面，旋涂光刻胶层，通过第三块掩膜版定义出电极通孔(6)图案，通过湿法刻蚀加工出所需的通孔后，去除残留光刻胶层，得到玻璃盖帽(5)；

9)另取一块玻璃薄片，清洗干燥后作为衬底，将玻璃衬底(7)与步骤8)得到的玻璃盖帽(5)分别与加工后SOI晶圆的支撑层与器件层对准，贴合后，采用阳极键合工艺使玻璃盖帽(5)、支撑层、器件层和玻璃衬底(7)键合为一个整体；

10)在盖帽上表面喷涂光刻胶层，利用第四块光刻胶定义金属焊盘的位置，然后通过剥离工艺得到通孔内的金属焊盘，该金属焊盘通过引线键合与金属导线结合，实现器件层内外的电信号传输。

2.根据权利要求1所述的基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法，其特征在于：所述的步骤2)中，采用电子束曝光直接得出图案定义双质量块微谐振器(1)的质量块(2)、驱动框架(3)和解耦梁(4)的图案与位置。

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