CN110530352B - 一种球面电极微半球谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球面电极微半球谐振陀螺仪，包括谐振器与盖帽，谐振器设有半球谐振子与球面电极，球面电极之间为电极刻蚀槽；所述谐振器与盖帽分别采用P型硅与N型硅，盖帽底部边缘由上至下依次层叠有第一P型掺杂扩散区、N型掺杂扩散区与第二P型掺杂扩散区，形成P‑N‑P‑N结构层；P‑N‑P‑N结构层两侧分别刻蚀有竖直的防反溅槽，形成一组PN结；盖帽与谐振器硅硅键合，且防反溅槽与谐振器的电极刻蚀槽一一对应；制备时先制备谐振器，再制备带P‑N‑P‑N结构层的盖帽，将盖帽与谐振器硅硅键合，最后腐蚀牺牲层释放谐振子，即完成制备；利用硅硅键合工艺，确保键合后的芯片在VHF释放后不被腐蚀；通过在盖帽上制作PN结，利用反向PN结实现球面电极之间的绝缘。

Description

一种球面电极微半球谐振陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，具体是一种球面电极微半球谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种基于哥氏效应检测的固态陀螺，并且是基于哥氏检测效应精度最高的陀螺，相比较于其他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，一直是陀螺研究领域的热点。目前半球陀螺的研究主要集中在传统的机械加工的陀螺，谐振子用石英加工周期长、效率低、成本高限制了其使用的范围。

随着MEMS技术的不断发展，人们逐渐转向微半球谐振陀螺仪的研究，采用多晶硅、金刚石、碳化硅等材料制作半球谐振子，不但具有半球陀螺的高精度的优点，还兼具成本低、耐冲击、批量化生产的优点。其中球面电极结构的半球谐振陀螺，具有静态电容大、功耗低、电极与谐振子组装精度高等优点，

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ZL201210231285.0)，采用的是玻璃盖帽，用阳极键合的方式将球面电极固定在玻璃盖帽上，这种结构一方面在电极结构刻蚀穿后，会继续刻蚀玻璃，由于等离子体聚集在玻璃上，会产生反溅效应，损伤球面电极和谐振子；另一方面在VHF（气态氟化氢）释放谐振子结构过程中，玻璃盖帽会被VHF腐蚀，容易出现电极从盖帽脱落、盖帽被腐蚀严重、以及电极之间出现漏电等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球面电极微半球谐振陀螺仪及其制备方法，该陀螺仪能够避免VHF释放半球谐振子过程中，玻璃盖帽被VHF腐蚀出现脱落的情况，同时避免电极间的漏电及谐振子易损坏的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种球面电极微半球谐振陀螺仪，包括谐振器与盖帽，谐振器设有半球谐振子与球面电极，球面电极之间为电极刻蚀槽；所述谐振器与盖帽分别采用P型硅与N型硅，盖帽底部边缘由上至下依次层叠有第一P型掺杂扩散区、N型掺杂扩散区与第二P型掺杂扩散区，形成P-N-P-N结构层；P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀有竖直的防反溅槽，形成一组PN结；盖帽与谐振器硅硅键合，且防反溅槽与谐振器的电极刻蚀槽一一对应。

本发明还提供一种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型硅，采用热氧化法在P型硅表面生长氧化硅薄膜；

S2、采用LPCVD工艺在氧化硅薄膜表面生长氮化硅薄膜；

S3、采用光刻与腐蚀工艺，在P型硅上制备半球腔；

S4、在半球腔的底部制作锚点；

S5、在半球腔内制作谐振子与牺牲层；

S6、取N型硅作为盖帽基体，在N型硅底部由上至下依次注入和扩散形成第一P型掺杂扩散层、N型掺杂扩散层与第二P型掺杂扩散层；

S7、由第二P型掺杂扩散层向上蚀刻用于谐振子运动的运动腔，形成第一P型掺杂扩散区、N型掺杂扩散区与第二P型掺杂扩散区，构成P-N-P-N结构层；

S8、在P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀出防反溅槽，形成一组PN结，完成盖帽的制备；

S9、步骤S8完成的盖帽与步骤S5制备完谐振子的P型硅进行硅硅键合；

S10、从P型硅背面刻蚀出电极刻蚀槽，电极刻蚀槽与防反溅槽一一对应，形成球面电极；

S11、腐蚀牺牲层，释放谐振子，得到球面电极微半球谐振陀螺仪。

本发明的有益效果是，利用硅硅键合工艺，确保键合后的芯片在VHF释放后不被腐蚀，避免出现球面电极脱落、漏电的问题；通过在盖帽上制作PN结，利用反向PN结实现球面电极之间的绝缘。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明制备方法步骤S1的示意图；

图3是本发明制备方法步骤S2的示意图；

图4是本发明制备方法步骤S3的示意图；

图5是本发明制备方法步骤S4的示意图；

图6是本发明制备方法步骤S5的示意图；

图7是本发明制备方法步骤S6的示意图；

图8是本发明制备方法步骤S7的示意图；

图9是本发明制备方法步骤S8的示意图；

图10是本发明制备方法步骤S9的示意图；

图11是本发明制备方法步骤S10的示意图；

图12是本发明制备方法步骤S11的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种球面电极微半球谐振陀螺仪，包括谐振器1与盖帽2，谐振器1设有半球谐振子3与球面电极4，球面电极4之间为电极刻蚀槽5，所述谐振器1与盖帽2分别采用P型硅与N型硅，盖帽2底部边缘由上至下依次层叠有第一P型掺杂扩散区6、N型掺杂扩散区7与第二P型掺杂扩散区8，形成P-N-P-N结构层；P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀有竖直的防反溅槽9，形成一组PN结；盖帽2与谐振器1硅硅键合，且防反溅槽9与谐振器的电极刻蚀槽5一一对应。

本发明还提供一种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2所示，取P型硅10，采用热氧化法在P型硅10表面生长氧化硅薄膜11；

S2、结合图3所示，采用LPCVD(低压气相淀积)工艺在氧化硅薄膜11表面生长氮化硅薄膜12；

S3、结合图4所示，采用光刻与腐蚀工艺，在P型硅上制备半球腔14；

具体可按以下子步骤执行：

S31、在顶层的氮化硅薄膜与氧化硅薄膜上光刻并刻蚀出各向同性腐蚀掩膜13，掩膜13为圆形；

S32、将P型硅放入HNA中腐蚀，HNA会在腐蚀窗口处各向同性腐蚀P型硅，当腐蚀出预定的半球腔14结构后，停止腐蚀；

S33、再用浓磷酸将剩余的氮化硅薄膜去除；

S34、用BHF将剩余的氧化硅薄膜去除；

S4、结合图5所示，在半球腔14的底部制作锚点；

具体可按以下子步骤执行：

S41、采用深腔光刻工艺，在半球腔14的底部光刻并刻蚀出第一锚点15，第一锚点15主要用于调节半球谐振子的Q值；

S42、在P型硅表面热氧化化生长氧化硅层16，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；采用深腔光刻工艺，在半球腔的底部光刻并刻蚀出第二锚点17，第二锚点17主要用于将半球谐振子电连接到电极上；

S5、结合图6所示，在半球腔内制作谐振子与牺牲层；

具体可按以下子步骤执行：

S51、在氧化硅层16表面淀积多晶硅18，多晶硅18也可用金刚石薄膜替代；

S52、采用CMP工艺将P型硅顶层平面的多晶硅去除；

S53、用VHF腐蚀掉P型硅顶层平面的氧化硅层，半球腔内的氧化硅和多晶硅被保留下来，分别形成了牺牲层19和谐振子3；

S6、结合图7所示，取N型硅21作为盖帽基体，在N型硅21底部由上至下依次注入和扩散形成第一P型掺杂扩散层22、N型掺杂扩散层23与第二P型掺杂扩散层24；

S7、结合图8所示，由第二P型掺杂扩散层向上蚀刻用于谐振子运动的运动腔25，形成第一P型掺杂扩散区6、N型掺杂扩散区7与第二P型掺杂扩散区8，构成P-N-P-N结构层；

S8、结合图9所示，在P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀出防反溅槽9，形成一组PN结，完成盖帽2的制备；

S9、结合图10所示，步骤S8完成的盖帽2与步骤S5制备完谐振子的P型硅10进行硅硅键合；

S10、结合图11所示，从P型硅背面刻蚀出电极刻蚀槽5，电极刻蚀槽5与防反溅槽9一一对应，形成球面电极4；

S11、结合图12所示，腐蚀牺牲层19，释放谐振子3，得到球面电极微半球谐振陀螺仪。

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)

1.一种球面电极微半球谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于：

所述球面电极微半球谐振陀螺仪，包括谐振器与盖帽，谐振器设有半球谐振子与球面电极，球面电极之间为电极刻蚀槽，所述谐振器与盖帽分别采用P型硅与N型硅，盖帽底部边缘由上至下依次层叠有第一P型掺杂扩散区、N型掺杂扩散区与第二P型掺杂扩散区，形成P-N-P-N结构层；P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀有竖直的防反溅槽，形成一组PN结，盖帽与谐振器硅硅键合，且防反溅槽与谐振器的电极刻蚀槽一一对应；

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型硅，采用热氧化法在P型硅表面生长氧化硅薄膜；

S2、采用LPCVD工艺在氧化硅薄膜表面生长氮化硅薄膜；

S3、采用光刻与腐蚀工艺，在P型硅上制备半球腔；

S4、在半球腔的底部制作锚点；

S5、在半球腔内制作谐振子与牺牲层；

S6、取N型硅作为盖帽基体，在N型硅底部由上至下依次注入和扩散形成第一P型掺杂扩散层、N型掺杂扩散层与第二P型掺杂扩散层；

S7、由第二P型掺杂扩散层向上蚀刻用于谐振子运动的运动腔，形成第一P型掺杂扩散区、N型掺杂扩散区与第二P型掺杂扩散区，构成P-N-P-N结构层；

S8、在P-N-P-N结构层两侧分别刻蚀出防反溅槽，形成一组PN结，完成盖帽的制备；

S9、步骤S8完成的盖帽与步骤S5制备完谐振子的P型硅进行硅硅键合；

S10、从P型硅背面刻蚀出电极刻蚀槽，电极刻蚀槽与防反溅槽一一对应，形成球面电极；

S11、腐蚀牺牲层，释放谐振子，得到球面电极微半球谐振陀螺仪。

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