CN109115243B - 基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：在P型双抛硅片表面生长氮化硅薄膜，通过光刻与刻蚀形成各向同性腐蚀掩膜；在P型双抛硅片腐蚀出半球腔，去除氮化硅薄膜；氧离子注入形成埋氧层；在半球腔表面光刻电极图形、引线图形以及PAD图形，在所述图形之外的半球腔进行磷注入形成N型硅；在半球腔表面制备氧化硅层；在半球腔底部制备锚点，并腐蚀锚点部分的氧化硅层；在氧化硅层表面沉积多晶硅薄膜；保留在半球腔内的氧化硅层与与多晶硅薄膜分别构成牺牲层与谐振子；腐蚀牺牲层释放谐振子；制备盖帽进行键合封装，完成球面电极微半球谐振陀螺仪的制备；在制备过程中不损伤电极和球壳，且工艺简单、易于实现。

Description

基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体是一种基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种检测载体运动角度及角速度的惯性测量仪表，在姿态控制和定位导航等方向有着非常重要的作用，广泛的应用于军用民用领域。随着消费级电子的爆发式需求，市场对陀螺仪的要求也开始转向低成本、小型化、高可靠性、高精度等方向发展。半球谐振陀螺是一种基于哥氏效应检测的固态陀螺，相比较于传统的机械陀螺由于不存在可动部件，具有精度高、稳定性高、使用寿命长等优点，但是受限于其核心部件，石英谐振子的制作成本高。

随着MEMS技术的不断发展，近年来越来越多的人开始研究硅基半球谐振陀螺仪，采用多晶硅、氧化硅等材料制作半球谐振子，它不但具有传统半球陀螺的高精度的优点，还具有成本低、耐冲击、批量化生产的优点。因而近年来MEMS微半陀螺已经成为研究热点之一。

微半球研究的一个重要难点是电极的制作，常见的制作方法包括，微组装工艺、球面电极工艺和表面电极工艺，微组装工艺电极和谐振子的间隙一致性难以保证，扩散电极只能在球壳边缘制作，电极面积作用小，球面电极的电极作用面积较大，减小的一致性较好。

经过对现有专利检索，中国专利“半球谐振式微机械陀螺仪及其加工工艺”(专利号CN103528576A)，采用深槽刻蚀绝缘的方式制作球面电极，制作好牺牲层和谐振子后，从硅片背面将半球腔模具刻蚀穿，刻蚀难度较大，对球壳的过刻以及反溅容易引起电极损伤、球壳破裂等问题，而且硅片刻蚀穿后晶圆级气密封装难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，该方法在制备过程中不损伤电极和球壳，且工艺简单、易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

S1、取P型双抛硅片，采用低压气相淀积工艺，在P型双抛硅片表面均匀生长氮化硅薄膜；在P型双抛硅片顶面的氮化硅薄膜表面通过光刻与刻蚀形成各向同性腐蚀掩膜；

S2、将步骤S1处理后的P型双抛硅片放入HNA溶液中腐蚀，在P型双抛硅片腐蚀出半球腔，然后去除氮化硅薄膜；

S3、对步骤S2处理后的P型双抛硅片顶部进行氧离子注入，形成埋氧层，埋氧层上方构成顶层硅、埋氧层下方构成衬底硅；

S4、在半球腔表面光刻电极图形、引线图形以及PAD图形，在所述图形之外的半球腔进行磷注入，形成N型硅，将N型硅区域连接高电势，P型硅区域连接低电势；

S5、在半球腔表面利用PECVD工艺制备氧化硅层；

S6、在半球腔底部制备锚点，并腐蚀锚点部分的氧化硅层；

S7、在氧化硅层表面沉积多晶硅薄膜，多晶硅薄膜在锚点处与衬底硅的N型隔离电极相连；

S8、采用CMP工艺将半球腔外的氧化硅层与多晶硅薄膜去除，保留在半球腔内的氧化硅层与与多晶硅薄膜分别构成牺牲层与谐振子；

S9、腐蚀牺牲层，进行谐振子的结构释放；

S10、制备盖帽进行键合封装，完成球面电极微半球谐振陀螺仪的制备。

本发明的有益效果是，利用腐蚀后的半球腔结构，通过两次注入工艺，实现电极与衬底、电极之间的绝缘，衬底用氧化层绝缘性更好，电极间用反向PN结绝缘，避免释放过程中腐蚀注入形成的氧化层引起漏电，整个制作过程没有深槽刻蚀工艺，对球面电极和谐振子无伤害，且工艺简单、易于实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明步骤S1的示意图；

图2是本发明步骤S2的示意图；

图3是本发明步骤S3的示意图；

图4是本发明步骤S4的示意图；

图5是本发明步骤S5的示意图；

图6是本发明步骤S6的示意图；

图7是本发明步骤S7的示意图；

图8是本发明步骤S8的示意图；

图9是本发明步骤S9的示意图；

图10是本发明步骤S9完成后的俯视图；

图11是本发明步骤S10的示意图；

图12是本发明盖帽的示意图；

图13是本发明盖帽的俯视图。

具体实施方式

本发明提供基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

S1、如图1所示，取P型双抛硅片1，P型双抛硅片1选用的是P型（111）晶面的低阻双抛硅片，采用低压气相淀积工艺，在P型双抛硅片表面均匀生长氮化硅薄膜2；在P型双抛硅片1顶面的氮化硅薄膜表面通过光刻与刻蚀形成各向同性腐蚀掩膜3；

S2、结合图2所示，将步骤S1处理后的P型双抛硅片放入HNA溶液中腐蚀，HNA会在各向同性腐蚀掩膜3处各向同性腐蚀硅，在P型双抛硅片1腐蚀出半球腔5，为了提高半球腔侧壁的粗糙度和表面圆度，HNA溶液要加入超声搅拌和温度控制，当腐蚀出预定的半球腔5后，停止腐蚀并用高温浓磷酸将剩余的氮化硅薄膜2去除；

S3、结合图3所示，对步骤S2处理后的P型双抛硅片1顶部进行氧离子注入，注入进行退火，在半球腔的表面以下一定深度处形成埋氧层6，埋氧层6上方构成顶层硅、埋氧层6下方构成衬底硅；埋氧层6将顶层硅与衬底硅之间绝缘；

S4、结合图4所示，在半球腔表面光刻电极图形、引线图形以及PAD图形，在所述图形之外的半球腔进行磷注入，形成N型硅7，将N型硅区域连接高电势，P型硅区域连接低电势；内电极9与外电极8之间由反向PN结实现绝缘；

S5、结合图5所示，在半球腔表面利用PECVD工艺制备氧化硅层10；氧化硅层用于制作谐振子释放的牺牲层，牺牲层的厚度决定了电极与谐振子之间的驱动和检测电容的大小，采用PECVD工艺制作氧化层，一方面氧化层致密性差，结构释放的速度快，另一方面PECVD的工艺温度低，不会对之前注入工艺产生影响；

S6、结合图6所示，在半球腔底部制备锚点11，并腐蚀锚点部分的氧化硅层；锚点的作用主要是谐振子的固定点和电信号加载处，锚点的位置和大小会影响谐振子的基频差和谐振频率；

S7、结合图7所示，在氧化硅层表面沉积多晶硅薄膜12，并将其掺杂扩散成低阻N型多晶硅，多晶硅薄膜12覆盖在氧化硅层10上，多晶硅薄膜12在锚点处与衬底硅的N型隔离电极相连；

S8、结合图8所示，采用CMP工艺将半球腔外的氧化硅层与多晶硅薄膜去除，保留在半球腔内的氧化硅层与与多晶硅薄膜分别构成牺牲层14与谐振子13；

S9、结合图9与图10所示，采用HF或者气态HF腐蚀牺牲层14，进行谐振子13的结构释放；

S10、结合图11～13所示，制备盖帽15进行键合封装，完成球面电极微半球谐振陀螺仪的制备。盖帽15采用玻璃盖帽，在盖帽15的正面喷沙打通孔19，通孔19由上至下渐缩，方便最后铝PAD16及引线17的制作，盖帽15的背面在谐振子上方制作一定深度的浅腔18，使谐振子工作过程中不会被盖帽卡死。最后阳极键合封装好的芯片，溅射一定厚度的铝薄膜，铝膜会沿着玻璃孔的斜坡将电极的铝PAD16引出到盖帽15表面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.基于离子注入的球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、取P型双抛硅片，采用低压气相淀积工艺，在P型双抛硅片表面均匀生长氮化硅薄膜；在P型双抛硅片顶面的氮化硅薄膜表面通过光刻与刻蚀形成各向同性腐蚀掩膜；

S2、将步骤S1处理后的P型双抛硅片放入HNA溶液中腐蚀，在P型双抛硅片腐蚀出半球腔，然后去除氮化硅薄膜；

S3、对步骤S2处理后的P型双抛硅片顶部进行氧离子注入，形成埋氧层，埋氧层上方构成顶层硅、埋氧层下方构成衬底硅；

S4、在半球腔表面光刻电极图形、引线图形以及PAD图形，在所述图形之外的半球腔进行磷注入，形成N型硅，将N型硅区域连接高电势，P型硅区域连接低电势；

S5、在半球腔表面利用PECVD工艺制备氧化硅层；

S6、在半球腔底部制备锚点，并腐蚀锚点部分的氧化硅层；

S7、在氧化硅层表面沉积多晶硅薄膜，多晶硅薄膜在锚点处与衬底硅的N型隔离电极相连；

S8、采用CMP工艺将半球腔外的氧化硅层与多晶硅薄膜去除，保留在半球腔内的氧化硅层与多晶硅薄膜分别构成牺牲层与谐振子；

S9、腐蚀牺牲层，进行谐振子的结构释放；

S10、制备盖帽进行键合封装，完成球面电极微半球谐振陀螺仪的制备。

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