CN109186575A - 基于soi的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于SOI的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：取第一SOI硅片，采用深槽刻蚀工艺在第一SOI硅片刻蚀形成圆柱腔；在圆柱腔底部刻蚀锚点；采用LPCVD工艺在氧化硅层表面制备多晶硅层；保留在圆柱腔内的氧化硅层与多晶硅层分别形成牺牲层与谐振子；采用光刻与深槽刻蚀工艺在第一SOI硅片上制备外电极；谐振子结构释放，释放后的谐振子通过锚点连接在衬底上；取第二SOI硅片，制备内电极、引线与PAD，使第二SOI硅片构成盖帽；将盖帽通过玻璃浆料与第一SOI硅片键合封装，得到双电极微柱形谐振陀螺仪；本发明相对于传统机械加工方法，实现柱形陀螺的微型化，整个结构用两层SOI硅片实现气密性封装，利用SOI埋氧层绝缘，简化内外双电极制作工艺。

Description

基于SOI的双电极微柱形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SOI的双电极微柱形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。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、难度大。柱形谐振陀螺是基于半球谐振陀螺的基础上对谐振子结构进行改进，简化谐振子制作工艺难度，保留了高精度的特点。

随着MEMS技术的不断发展以及成本低、耐冲击、批量化生产的优点，近年来越来越多的人开始研究将陀螺用MEMS工艺制作，其中硅基半球谐振陀螺仪已经成为研究热点之一，受限于谐振子加工的技术难题，微半球陀螺研究进展缓慢。而微柱形谐振陀螺的谐振子制作简单，更易于采用MEMS工艺制作。

经过对现有专利检索，中国专利“一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺”(申请号201710814186.8)，提出来圆柱谐振陀螺的制作方法，该工艺采用传统机械加工方法，制作难度大、无法批量化制作，陀螺的尺寸、功耗、集成度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SOI的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法，该方法制备工艺简单，能够实现柱形陀螺的微型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于SOI的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

S1、取第一SOI硅片，在第一SOI硅片的衬底硅上光刻圆形掩膜，采用深槽刻蚀工艺，通过圆形掩膜刻蚀第一SOI硅片至埋氧层，形成圆柱腔；

S2、采用LPCVD工艺在第一SOI硅片表面淀积氧化硅层，然后在圆柱腔底部刻蚀锚点；

S3、采用LPCVD工艺在氧化硅层表面制备多晶硅层；

S4、采用CMP工艺去除在圆柱腔外部的氧化硅层与多晶硅层，保留在圆柱腔内的氧化硅层与多晶硅层分别形成牺牲层与谐振子；

S5、在谐振子内填充光刻胶；

S6、采用光刻与深槽刻蚀工艺，在第一SOI硅片上制备外电极；

S7、去除谐振子内的光刻胶，然后腐蚀牺牲层，进行谐振子的结构释放；释放后的谐振子通过锚点连接在衬底上；

S8、取第二SOI硅片，在第二SOI硅片的埋氧层制备内电极、引线与PAD，使第二SOI硅片构成盖帽；

S9、在盖帽溅射铝制作用于引出内电极的铝PAD，并印制玻璃浆料；

S10、将盖帽通过玻璃浆料与第一SOI硅片键合封装，得到双电极微柱形谐振陀螺仪。

本发明的有益效果是，采用两片SOI硅片制作而成，第一SOI硅片制作柱形谐振子和外电极，第二SOI制作盖帽和内电极，双层SOI硅片分别制作好结构后，采用玻璃浆料键合，实现柱形谐振陀螺的晶圆级真空封装，键合后的谐振子被倒挂起来，减小外界应力的影响；本发明相对于传统机械加工方法，实现柱形陀螺的微型化，整个结构用两层SOI硅片实现气密性封装，利用SOI埋氧层绝缘，简化内外双电极制作工艺。

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S10的示意图。

具体实施方式

本发明提供基于SOI的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

S1、如图1所示,取第一SOI硅片1，第一SOI硅片1选用低阻SOI双抛硅片，第一SOI硅片1由衬底硅1a、埋氧层1b和顶层硅1c构成，衬底硅1a用于制作圆柱谐振子和外电极，埋氧层1b用于实现电极之间的绝缘，顶层硅1c用于支持整个芯片结构，实现晶圆级封装；

在第一SOI硅片的衬底硅1a上光刻圆形掩膜，采用深槽刻蚀工艺，通过圆形掩膜刻蚀第一SOI硅片1至埋氧层1b，形成圆柱腔2；

S2、结合图2所示，采用LPCVD工艺在第一SOI硅片表面淀积氧化硅层3，一方面氧化层致密性差相对较差，结构释放的速度快，另一方面LPCVD的台阶覆盖性好，在圆柱模具的侧面也能淀积；然后在圆柱腔底部刻蚀锚点4；锚点的作用主要是谐振子的固定点，电信号加载处；

S3、结合图3所示，采用LPCVD工艺在氧化硅层3表面制备多晶硅层5；多晶硅层5用于制作谐振子结构层，淀积后将其掺杂扩散成与顶层硅同类型的低阻硅，提高导电性能，还要控制多晶硅薄膜厚度，膜厚直接影响谐振子的谐振频率；

S4、结合图4所示，采用CMP工艺去除在圆柱腔外部的氧化硅层与多晶硅层，保留在圆柱腔内的氧化硅层与多晶硅层分别形成牺牲层6与谐振子7；

S5、结合图5所示，在谐振子内填充光刻胶8；由于谐振子的外电极采用正面刻蚀的工艺，正面刻蚀只需刻蚀到埋氧层就可以实现电极之间的绝缘，正面刻蚀的问题是谐振子正面直接暴露在等离子体之下，因此需要将圆柱腔内填充光刻胶来保护谐振子；

S6、结合图6所示，采用光刻与深槽刻蚀工艺，在第一SOI硅片上刻蚀到埋氧层1b，制作出外电极9，外电极均匀的环绕在圆形谐振子周围，外电极之间通过埋氧层1b绝缘3；环绕外电极形成有密封环10，用于实现晶圆级气密封装；

S7、结合图7所示，外电极刻蚀完成后，将刻蚀掩膜和保护谐振子的光刻胶8去除，清洗硅片后采用HF或者气态HF将牺牲层6腐蚀，进行谐振子7的结构释放，释放后的谐振子通过锚点4连接在衬底上；

S8、结合图8所示，取第二SOI硅片11，第二SOI硅片11的衬底硅用于制作内电极14内电极引线15，电极之间通过第二SOI硅片11的埋氧层实现电极之间的绝缘，第二SOI硅片11的顶层硅用于支持整个芯片结构，实现晶圆级封装；

在第二SOI硅片的埋氧层制备内电极14、引线15与PAD16，使第二SOI硅片构成盖帽；

圆柱形陀螺采用内外双层电极结构，内电极制作在盖帽上，先在盖帽上刻蚀出内电极结构14，刻蚀的深度是内电极的高度，在第二SOI硅片11的埋氧层上留有一定厚度硅制作引线；

将第二SOI硅片11的埋氧层上剩余的硅制作引线，光刻后刻蚀制作出引线15，引线之间的埋氧层实现绝缘，引线连接到PAD16；

S9、结合图9所示，在盖帽溅射铝制作用于引出内电极的铝PAD17，并印制玻璃浆料18；

S10、将盖帽通过玻璃浆料与第一SOI硅片键合封装，得到双电极微柱形谐振陀螺仪。

具体为：结合图10所示，进行晶圆级气密封装，将键合机抽成极限真空，后对准贴合两层SOI硅片，当加热到450℃的温度时，玻璃浆料18融化，在上极板施加压力将两层SOI硅片粘在一起，缓慢降温冷却实现气密性封装；

谐振的内电极14通过盖帽引线15连接到表面的PAD点上，内电极采用的上体硅电极，并且被玻璃浆料键合封装到芯片的内部，采用背面打孔垂直引线的方法，一方面减小引线长度，另一方面不破坏芯片的真空，首先要在外电极正对的顶层硅1c上刻蚀硅孔19，刻蚀到埋氧层1b；

顶层硅1c刻蚀到埋氧层1b后，在埋氧层1b上再刻蚀氧化硅孔20，将孔内的氧化层刻蚀干净露出谐振子的外电极12。

在氧化硅孔20内制作出铝PAD21，且铝PAD不能接触到顶层硅1c，防止外电极通过顶层硅1c漏电。

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SOI的双电极微柱形谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、取第一SOI硅片，在第一SOI硅片的衬底硅上光刻圆形掩膜，采用深槽刻蚀工艺，通过圆形掩膜刻蚀第一SOI硅片至埋氧层，形成圆柱腔；

S2、采用LPCVD工艺在第一SOI硅片表面淀积氧化硅层，然后在圆柱腔底部刻蚀锚点；

S3、采用LPCVD工艺在氧化硅层表面制备多晶硅层；

S4、采用CMP工艺去除在圆柱腔外部的氧化硅层与多晶硅层，保留在圆柱腔内的氧化硅层与多晶硅层分别形成牺牲层与谐振子；

S5、在谐振子内填充光刻胶；

S6、采用光刻与深槽刻蚀工艺，在第一SOI硅片上制备外电极；

S7、去除谐振子内的光刻胶，然后腐蚀牺牲层，进行谐振子的结构释放；释放后的谐振子通过锚点连接在衬底上；

S8、取第二SOI硅片，在第二SOI硅片的埋氧层制备内电极、引线与PAD，使第二SOI硅片构成盖帽；

S9、在盖帽溅射铝制作用于引出内电极的铝PAD，并印制玻璃浆料；

S10、将盖帽通过玻璃浆料与第一SOI硅片键合封装，得到双电极微柱形谐振陀螺仪。