CN108946655A - 一种单片集成惯性器件工艺兼容方法 - Google Patents

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Abstract

一种单片集成惯性器件工艺兼容方法，该工艺兼容方法用于包含离面运动器件和面内运动器件的单片多轴集成惯性器件，离面运动器件包含离面检测部分和其他部分，其特征在于，工艺加工时通过多次刻蚀在体背面形成多个背腔和不同高度的台阶，离面运动器件的离面检测部分的结构层厚度与离面运动器件的其他部分的结构层厚度不同，离面运动器件的其他部分结构层厚度与面内运动器件结构层厚度相同。工艺加工中进行结构释放时，离面运动器件的其他部分结构层与面内运动器件的结构层同时被刻蚀穿。

Description

一种单片集成惯性器件工艺兼容方法
技术领域
本发明涉及微型惯性测量单元(MIMU)领域，具体涉及一种单片集成惯性器件工艺兼容方法。
背景技术
MEMS惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、旋转和多自由度运动的微型传感器，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，它主要包括微机械加速度计、微机械陀螺仪以及利用单轴、双轴或三轴的加速度计和陀螺仪组合而成的微型惯性测量单元(MIMU)。MIMU可以同时测量物体多个轴向的加速度和角速度，经过一系列数据处理可以得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息。
MEMS惯性传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗小等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景。
目前，多轴微惯性传感器主要采用多个分立元件在同一平面内组装的形式，以单片三轴集成陀螺为例，将一个Z轴陀螺与两个水平轴陀螺制作在同一平面内，以实现三个方向的角速度测量，这种思路能够有效的贴合MEMS加工的特性，在保证一定性能的情况下有效降低惯性器件的尺寸和封装成本。当前民用领域多轴集成传感器已经投入市场，意法半导体已经产生十轴传感器件。因此对单片多轴惯性器件集成工艺的实用化研究需求迫切。
但是对于单片多轴惯性器件的集成工艺少有提及，由于MIMU中常常含有离面运动器件和面内运动器件，离面检测和面内检测对锚点背腔高度要求不同。为提高灵敏度，离面运动器件中的检测质量块与衬底间的距离需要很小，甚至小于1微米，面内运动器件的敏感结构与衬底间的距离需要通常是离面运动器件中检测质量块与衬底间距离的几倍甚至于十几倍，如采用20微米间距，来降低信号耦合和减小阻尼。采用传统的工艺流程会导致离面运动器件和面内运动器件结构厚度差异大，结构释放时间的不同会导致先刻蚀通的结构因为过刻蚀而损坏。因此，对单片集成惯性器件平面化工艺兼容技术的研究十分重要。
发明内容
本发明的目的是在现有工艺的基础上，提供一种方案，增加含有离面运动器件和面内运动器件的单片集成惯性器件的工艺兼容性，提高器件性能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单片集成惯性器件工艺兼容方法，所述工艺兼容方法用于包含离面运动器件和面内运动器件的单片集成惯性器件，所述离面运动器件包含离面检测部分和其他部分，其特征在于，工艺加工时通过多次刻蚀在体背面形成多个背腔和不同高度的台阶，所述离面运动器件的所述其他部分结构层厚度与所述面内运动器件结构层厚度相同，工艺加工中进行结构释放时，所述离面运动器件的所述其他部分结构层与所述面内运动器件的结构层同时被刻蚀穿。
所述离面运动器件的所述离面检测部分的结构层厚度与所述离面运动器件的所述其他部分的结构层厚度不同。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：在工艺加工过程中，最后进行结构释放时，由于被释放结构层厚度相同，不会产生由于过刻蚀引起的结构损坏，减小了工艺偏差，提高了器件性能。
附图说明
图1是刻蚀氧化硅后的体结构示意图
图2是形成复合掩模的体结构示意图
图3是第一次刻蚀背腔示意图
图4是第二次刻蚀背腔示意图
图5是去除氧化硅后的体结构示意图
图6是衬底示意图
图7是体结构和衬底键合示意图
图8是释放后的结构示意图
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
参见附图1至8所示，上述单片集成惯性器件工艺兼容方法可采用一种工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)在(111)硅晶圆片1上生长的氧化硅，光刻后经RIE刻蚀形成键合区掩模2，如图1所示；
(2)利用光刻胶做掩模，进行第二次光刻，形成不等高背腔的台阶所需掩模图形，此时硅片上形成氧化硅掩模2和光刻胶掩模3组成的复合掩模,如图2所示；
(3)以光刻胶为掩模，进行DRIE深刻蚀，深度为15um左右，如图3所示；
(4)去除光刻胶，以氧化硅为掩模继续刻蚀硅片，刻蚀深度为5um左右，形成腔体4，台阶5、离面运动器件的锚点6和面内运动器件的锚点7，如图4所示，台阶5为离面运动器件的离面运动部分，该部分与锚点6、锚点7的高度差为离面运动器件的离面运动部分与衬底的距离；
(5)BHF腐蚀氧化硅，离子注入，如图5所示；
(6)利用光刻胶做掩模，用缓冲氢氟酸腐蚀玻璃衬底8形成浅槽，在上面溅射钛/铂/金金属层，利用剥离工艺制作金属电极9，如图6所示；
(7)把硅翻转，锚点6、锚点7与含有金属电极9的玻璃衬底8在键合机中进行双面对位和键合,硅和玻璃键合后的示意图如图7；
(8)利用氢氧化钾溶液对硅片进行减薄，减薄后的硅片厚度约为100um，该厚度包括锚点6、锚点7的高度；
(9)在硅表面溅射一层金属铝，利用铝做掩模进行深反应离子刻蚀，释放结构，如图8所示，形成离面运动器件的离面检测部分5、离面运动器件的其他部分10和面内运动器件被释放的硅结构11，离面运动器件的离面检测部分的硅结构厚度约为95um，离面运动器件的其他部分和面内运动器件的硅结构厚度相同，约为80um。

Claims (2)

1.一种单片集成惯性器件工艺兼容方法，所述工艺兼容方法用于包含离面运动器件和面内运动器件的单芯片多轴惯性器件，所述离面运动器件包含离面检测部分和其他部分，其特征在于，工艺加工时通过多次刻蚀在体背面形成多个背腔和不同高度的台阶，所述离面运动器件的所述其他部分结构层厚度与所述面内运动器件结构层厚度相同，工艺加工中进行结构释放时，所述离面运动器件的所述其他部分结构层与所述面内运动器件的结构层同时被刻蚀穿。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离面运动器件的所述离面检测部分的结构层厚度与所述离面运动器件的所述其他部分的结构层厚度不同。
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