CN110668394B - 一种抗干扰耐过载mems加速度计的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法，包括以下步骤：制备衬底层；在第二单晶硅片上制作感应电极中心锚点、感应电极左键合锚点与感应电极右键合锚点；在第一SOI硅片的顶层硅表面制作第一空腔；在第二SOI硅片的顶层硅表面制作第二空腔；制作可动敏感结构活动间隙以及可动敏感结构中心锚点；去除第一SOI硅片的衬底硅与埋氧层；形成感应电极层与可动敏感结构层；制作盖帽，进行盖帽键合，完成所述MEMS加速度计的制备；本发明方法制备得到的感应电极由硅支撑柱支撑，形成准悬浮式的感应电极结构，有效降低外界干扰对感应结构的影响，提高了传感器的环境适应性；可动敏感结构层为双层结构，进一步提高了传感器的耐过载能力。

Description

一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体是一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法。
背景技术
微机械加速度计是基于微电子机械系统加工技术制作而成的一种力学量传感器，可以用于惯性力、倾斜角、振动及冲击等惯性参数的测量。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度计在测量精度、温度特性、利用静电力进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有独特的优点，已在交通运输、工业控制、惯性导航、医学、仪器检测、军事等很多领域得到了广泛的应用。
电容式MEMS加速度计的微结构通常包含敏感结构以及电极结构。通过敏感输入加速度引起的惯性力，MEMS加速度计将加速度信号转换成电学信号。作为一种力敏感器件，外界干扰造成的衬底形变会导致敏感结构或固定电极的形变，从而引起加速度计零位输出漂移，降低了传感器的综合精度。另外，可动敏感结构对外界的冲击也非常敏感，导致传感器在高冲击环境下容易失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法，通过该方法制备出的MEMS加速度计能够大幅降低环境温度变化、残余应力、封装以及安装等因素对加速度计性能的影响，并进一步提高传感器过载能力，且加工工艺简单，产品的可靠性、一致性好，可以实现批量制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法，包括以下步骤：
S1、取第一单晶硅片制备衬底层，衬底层上包含金属铜PAD点、金属铜中心锚点、以及位于金属铜中心锚点两侧的左金属铜锚点与右金属铜锚点；
S2、取第二单晶硅片作为感应电极层晶圆，利用金属图形化工艺在第二单晶硅片上制作感应电极中心锚点、感应电极左键合锚点与感应电极右键合锚点；再利用光刻、刻蚀工艺制备感应电极腔；
S3、将步骤S2得到的晶圆与衬底层键合，感应电极中心锚点与金属铜中心锚点相对应，感应电极左键合锚点与左金属铜锚点相对应，感应电极右键合锚点与右金属铜锚点相对应；再利用减薄、化学机械抛光工艺使单晶硅片厚度达到感应电极层的要求；
S4、取第一SOI硅片，利用光刻、刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅表面制作第一空腔；
S5、取第二SOI硅片，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅表面制作第二空腔；
S6、将第一SOI硅片与第二SOI硅片的顶层硅相键合，且第一空腔与第二空腔相对应；去除第二SOI硅片的衬底硅与埋氧层，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅制作可动敏感结构活动间隙以及可动敏感结构中心锚点；
S7、将步骤S6得到的晶圆与步骤S3得到的晶圆相键合，可动敏感结构中心锚点与感应电极中心锚点相对应；
S8、去除第一SOI硅片的衬底硅与埋氧层；
S9、利用光刻、刻蚀工艺形成感应电极层与可动敏感结构层，感应电极层包含分别由硅支撑柱支撑的左感应电极与右感应电极，可动敏感结构层包含双层的实心可动敏感结构与双层的空心可动敏感结构；
S10、取第三单晶硅片作为盖帽晶圆，利用光刻、刻蚀工艺在第三单晶硅片背面制作真空封装腔；再利用光刻、刻蚀工艺在第三单晶硅片的一侧制作硅通孔；然后利用热氧化工艺将整个第三单晶硅片表面氧化，形成氧化层；
S11、步骤S10与S9得到的晶圆相键合，硅通孔与金属铜PAD点相对应；
S12、利用电镀、化学机械抛光工艺在硅通孔内形成金属垂直引线；再利用成膜、光刻、刻蚀工艺在金属垂直引线顶端形成引线键合PAD点，完成所述MEMS加速度计的制备。
本发明的有益效果是：
一、本发明方法制备得到的感应电极由硅支撑柱支撑，形成准悬浮式的感应电极结构，可以大幅减小了外界干扰的传递路径，有效降低外界干扰对感应结构的影响，从而保证了传感器在复杂外界环境条件下的性能，提高了传感器的环境适应性。
二、可动敏感结构层为双层结构，既实现了单侧闭合式空腔差动结构，又提高了整体可动敏感结构层刚度，从而进一步提高了传感器的耐过载能力。
三、本发明采用全硅工艺制造，降低了材料不匹配导致的内应力，结构释放时，仅通过单次光刻、刻蚀即可形成可动敏感结构层和感应电极层，且可动敏感结构面积与准悬浮感应电极面积完全相同，降低了电容边缘效应，进一步提高了左右两侧电容的对称性。
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是本发明衬底层的俯视图；
图3是本发明步骤S2的示意图；
图4是本发明步骤S3的示意图；
图5是本发明步骤S4的示意图；
图6是本发明步骤S5的示意图；
图7是本发明步骤S6的示意图；
图8是本发明步骤S7的示意图；
图9是本发明步骤S8的示意图；
图10是本发明步骤S9的示意图；
图11是本发明感应电极层的俯视图；
图12是本发明可动敏感结构层的俯视图；
图13是本发明步骤S10的示意图；
图14是本发明步骤S11的示意图；
图15是本发明步骤S12的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法，包括以下步骤：
S1、结合图1与图2所示，取第一单晶硅片11制备衬底层，先利用热氧化工艺在第一单晶硅片11表面生长氧化层12，再利用光刻、刻蚀工艺在氧化层12上形成适用于金属布线用的凹槽13，利用成膜工艺在凹槽13内生长金属铜，然后利用化学机械抛光对金属铜表面进行平坦化，得到金属铜PAD点14、金属铜中心锚点16、以及位于金属铜中心锚点16两侧的左金属铜锚点15与右金属铜锚点17；金属铜中心锚点16、左金属铜锚点15与右金属铜锚点17分别通过金属铜引线18与金属铜PAD点14相连；
S2、结合图3所示，取第二单晶硅片20作为感应电极层晶圆，利用金属图形化工艺在第二单晶硅片上制作感应电极中心锚点22、感应电极左键合锚点23与感应电极右键合锚点24；再利用光刻、刻蚀工艺制备感应电极腔21；
S3、结合图4所示，将步骤S2得到的晶圆与衬底层键合，感应电极中心锚点22与金属铜中心锚点16相对应，感应电极左键合锚点23与左金属铜锚点15相对应，感应电极右键合锚点24与右金属铜锚点17相对应；再利用减薄、化学机械抛光工艺使单晶硅片厚度达到感应电极层的要求；
S4、结合图5所示，取第一SOI硅片，第一SOI硅片的顶层硅31，第一SOI硅片的埋氧层32、第一SOI硅片的衬底硅33，利用光刻、刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅31表面制作第一空腔34；
S5、结合图6所示，取第二SOI硅片，第二SOI硅片的顶层硅41，第二SOI硅片的埋氧层42、第二SOI硅片的衬底硅43，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅41表面制作第二空腔44；
S6、结合图7所示，将第一SOI硅片与第二SOI硅片的顶层硅相键合，且第一空腔34与第二空腔44相对应，形成闭合空腔；去除第二SOI硅片的衬底硅43与埋氧层42，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅制作可动敏感结构活动间隙45以及可动敏感结构中心锚点46；
S7、结合图8所示，将步骤S6得到的晶圆与步骤S3得到的晶圆相键合，可动敏感结构中心锚点46对应于感应电极中心锚点22上方，
S8、结合图9所示，去除第一SOI硅片的衬底硅33与埋氧层32；可先减薄第一SOI硅片的衬底硅33直至露出埋氧层32，然后再湿法腐蚀去除第一SOI硅片的埋氧层32；
S9、结合图10～12所示，按照感应电极图形与可动敏感结构图形，利用光刻、刻蚀工艺形成感应电极层与可动敏感结构层，感应电极层包含分别由硅支撑柱28支撑的左感应电极26与右感应电极27，可动敏感结构层包含双层的实心可动敏感结构47与双层的空心可动敏感结构48；
S10、结合图13所示，取第三单晶硅片51作为盖帽晶圆，利用光刻、刻蚀工艺在第三单晶硅片背面制作真空封装腔54；再利用光刻、刻蚀工艺在第三单晶硅片的一侧制作硅通孔53；然后利用热氧化工艺将整个第三单晶硅片表面氧化，形成氧化层52；
S11、结合图14所示，步骤S10与S9得到的晶圆相键合，硅通孔53与金属铜PAD点14相对应；感应电极层与可动敏感结构层被容纳于真空封装腔54内；
S12、结合图15所示，利用电镀、化学机械抛光工艺在硅通孔53内形成金属垂直引线55；再利用成膜、光刻、刻蚀工艺在金属垂直引线55顶端形成引线键合PAD点56，完成所述MEMS加速度计的制备。
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)

1.一种抗干扰耐过载MEMS加速度计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取第一单晶硅片制备衬底层，衬底层上包含金属铜PAD点、金属铜中心锚点、以及位于金属铜中心锚点两侧的左金属铜锚点与右金属铜锚点；
S2、取第二单晶硅片作为感应电极层晶圆，利用金属图形化工艺在第二单晶硅片上制作感应电极中心锚点、感应电极左键合锚点与感应电极右键合锚点；再利用光刻、刻蚀工艺制备感应电极腔；
S3、将步骤S2得到的晶圆与衬底层键合，感应电极中心锚点与金属铜中心锚点相对应，感应电极左键合锚点与左金属铜锚点相对应，感应电极右键合锚点与右金属铜锚点相对应；再利用减薄、化学机械抛光工艺使单晶硅片厚度达到感应电极层的要求；
S4、取第一SOI硅片，利用光刻、刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅表面制作第一空腔；
S5、取第二SOI硅片，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅表面制作第二空腔；
S6、将第一SOI硅片与第二SOI硅片的顶层硅相键合，且第一空腔与第二空腔相对应；去除第二SOI硅片的衬底硅与埋氧层，利用光刻、刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅制作可动敏感结构活动间隙以及可动敏感结构中心锚点；
S7、将步骤S6得到的晶圆与步骤S3得到的晶圆相键合，可动敏感结构中心锚点与感应电极中心锚点相对应；
S8、去除第一SOI硅片的衬底硅与埋氧层；
S9、利用光刻、刻蚀工艺形成感应电极层与可动敏感结构层，感应电极层包含分别由硅支撑柱支撑的左感应电极与右感应电极，可动敏感结构层包含双层的实心可动敏感结构与双层的空心可动敏感结构；
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