CN111122904B - 一种三明治加速度计微结构制作方法 - Google Patents

一种三明治加速度计微结构制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三明治加速度计微结构制作方法，涉及MEMS芯片制造领域，包括以下内容：上、下电极圆片采用硅衬底上薄层玻璃的晶片，首先上下电极圆片在玻璃面进行通孔光刻，再生长铬金薄膜，光刻腐蚀制造出上下电极极板，结构采用单晶硅晶片，利用湿法腐蚀工艺制作结构层，三层晶片通过阳极键合工艺键合在一起，在上极板背面生长铬金薄膜，最后切割上电极圆片露出焊盘，切割三层圆片得到三明治加速度计芯片。本方法充分利用硅玻璃键合的特点，简单易操作，对键合表面的要求低，本发明加工出的三明治加速度计近似全硅器件，热失配问题小、寄生电容小，本发明能使芯片的质量和成品率得到很大的提高。

Description

一种三明治加速度计微结构制作方法
技术领域
本发明涉及MEMS芯片制造领域，尤其涉及一种三明治加速度计微结构制作方法。
背景技术
MEMS加速度计以其成本低、体积小、功耗低、可大规模生产等特点在国防、惯性导航、地震探测、工业、医疗、自动化以及消费电子等众多领域中获得了广泛的应用。
MEMS加速度计有很多种类，按照敏感信号的不同方式来分，可分为压电式、压阻式、电容式、热对流式、谐振式以及隧道电流式等。其中基于敏感电容变化的原理来对加速度进行检测的MEMS电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点，因而得到了广泛的应用。MEMS三明治加速度计采用体硅微机械加工技术制作，工艺相对复杂但更易得到高的检测精度。
传统的三明治加速度计主要有玻璃硅玻璃结构、全硅结构形式，玻璃硅玻璃结构的加速度计热失配问题大，温度性能差，而全硅结构的加速度计热失配问题小，温度性能好，但键合区域的隔离层由于间隙的存在，不宜生长过厚，寄生电容较大，因此可以将二种结构形式结合起来设计一种三明治加速度计微结构来解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种三明治加速度计微结构制作方法，是一种操作方便、成本低、成品率高、适应性好的MEMS芯片圆片级封装的加工方法，加工出的加速度计微结构(MEMS芯片)寄生电容小、热失配小。
本发明的技术方案是：一种三明治加速度计微结构制作方法，步骤如下：
1)在一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出上电极通孔(111)，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出上电极极板(112)，形成上电极圆片；上电极圆片，分为结构区(113)和辅助区(114)；上电极通孔(111)和上电极极板(112)位于结构区(113)内；结构区(113)外为辅助区(114)；
2)在另一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出下电极通孔(211)和下电极焊盘通孔(212)，(下电极通孔(211)和下电极焊盘通孔(212)下方的硅衬底是相连接的)玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出下电极极板(213)、下电极焊盘(214)和中间电极焊盘(215)，形成下电极圆片；下电极圆片分为结构区(113)和辅助区(114)；下电极极板(213)和下电极通孔(211)位于结构区(113)内，下电极焊盘通孔(212)、下电极焊盘(214)和中间电极焊盘(215)位于辅助区(114)内；
3)在单晶硅圆片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片分为结构区(113)和辅助区(114)；
结构圆片，包括：质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)，质量块(311)通过梁(312)与外框(313)连接，中间凸点(314)与外框(313)连接；中间凸点(314)位于外框(313)的外侧，质量块(311)与梁(312)位于外框(313)的内侧；
质量块(311)、梁(312)和外框(313)位于结构区(113)内；中间凸点(314)位于辅助区(114)内；
4)将结构圆片的两端分别与上电极圆片和下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片；(将上电极圆片、下电极圆片的玻璃面和结构圆片的两端贴合，在设定气压的键合设备内对准键合)
5)在三明治微加速度计圆片中上电极圆片硅衬底表面制作上电极焊盘(115)，上电极焊盘(115)位于结构区(113)内；中电极焊盘(215)通过中间凸点(314)与外框(313)相连；
上电极极板(112)通过上电极通孔(111)与上电极圆片的硅衬底连接；
下电极焊盘(214)通过下电极焊盘通孔(212)与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板(213)通过下电极通孔(211)与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘(214)与下电极极板(213)连接；上电极焊盘(115)、中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)共同形成三明治微加速度计焊盘；
6)先划切掉上电极圆片的辅助区，露出中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)；然后按照要求的形状划切三明治微加速度计圆片，得到三明治微加速度计微结构。
优选的，所述步骤1)的上电极圆片和步骤2)的下电极圆片，均包括两层，一层的材料是重掺杂<100>晶向的单晶硅衬底，另一层为其上的薄膜玻璃，薄膜玻璃的厚度在10～20μm，所述步骤3)的结构圆片的材料是双面抛光的重掺<100>晶向的单晶硅，优选的电阻率在0.002Ω·cm～0.003Ω·cm。
优选的，所述步骤(4)中键合工艺为阳极键合，优选的温度为300～400℃，优选的电压在800～1200V；
优选的，所述步骤5)中的上电极焊盘为硬掩模溅射生长铬金薄膜，优选的厚度在0.5～1μm；
优选的，所述步骤6)划切位置为上电极圆片的辅助区，划切深度为上电极圆片厚度；划切后露出下电极焊盘和中间电极焊盘。
优选的，所述加速度计中的微结构由MEMS工艺加工而成。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中MEMS三明治加速度计的焊盘位置采用划切方式露出，与腐蚀穿通相比，优点在于可以减少腐蚀保护层生长和腐蚀穿通的工艺步骤，避免上下电极圆片焊盘加工穿通工艺复杂的问题。
(2)利用本发明中的键合，可做出近似全硅器件，减少硅玻璃材料不匹配带来的热应力的问题，全温稳定性可提高一个数量级。
(3)本发明的MEMS芯片尺寸小，便于后续小型化封装，而且，中下焊盘做在下电极圆片上，上焊盘做在上电极圆片背面，不悬空放置，金丝键合时不易压断焊盘。上下电极圆片上的薄层玻璃有一定厚度，是全硅结构的三明治加速度计键合隔离区的厚度几倍，因为电容与距离成反比，所以寄生电容为全硅结构的几分之一，寄生电容小，封装成品率高。
(4)本发明提高了MEMS三明治加速度计敏感芯片加工质量，且工艺简单、可靠性高，可长期使用。
附图说明
图1为本发明上电极结构示意图；
图2为本发明下电极结构示意图；
图3为本发明摆片结构示意图；
图4为本发明三明治微结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种三明治加速度计微结构制作方法，涉及MEMS芯片制造领域。包括以下内容：上下电极圆片采用硅衬底上薄层玻璃的晶片，首先上下电极圆片在玻璃面进行通孔光刻，再生长铬金薄膜，光刻腐蚀制造出上下电极极板，结构采用单晶硅晶片，利用湿法腐蚀工艺制作结构层，三层晶片通过阳极键合工艺键合在一起，在上极板背面生长铬金薄膜，最后切割上电极圆片露出焊盘，切割三层圆片得到三明治加速度计芯片。本方法充分利用硅玻璃键合的特点，简单易操作，对键合表面的要求低，本发明加工出的三明治加速度计近似全硅器件，热失配问题小、寄生电容小，本发明能使芯片的质量和成品率得到很大的提高。
本发明提供了提供一种三明治加速度计微结构制作方法，是一种MEMS微结构制作方法，本发明的方法可提供密闭封装，外框(313)与上下电极圆片上的玻璃三层阳极键合在一起，形成密封腔，质量块(311)、梁(312)位于密封腔内，其中，质量块(311)比外框(313)每侧薄优选为2μm～4μm，梁(312)厚度优选在20μm～30μm，中间凸点(314)与外框(313)厚度一致，上下电极板位于密封腔内的上下两侧；且上下电极在硅衬底上薄层玻璃上加工，在键合圆片表面制作上电极焊盘(115)，上电极焊盘位于结构区内；中电极焊盘(215)通过中间凸点(314)与外框(313)相连；上电极极板(112)通过上电极通孔(111)与上电极圆片的硅衬底连接；下电极焊盘(214)通过下电极焊盘通孔(212)与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板(213)通过下电极通孔(211)与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘(214)与下电极极板(213)连接；上电极辅助区作为键合前上电极圆片整体加工的微结构连接支撑部分，中间结构辅助区内的中间凸点(314)是中间结构的引出部分，下电极辅助区内做有中电极焊盘和下电极焊盘。键合成的器件近似为全硅结构，可减少热匹配的问题。
三明治微加速度计因质量块被夹在固定极板中间形似三明治而得名，又称作悬臂梁式硅微机械加速度计，是一种夹层结构的微机械加速度计，用来测量物体的加速度值。通过夹在中间的敏感质量块与在上下两边的检测电极板形成一对差动电容来敏感输入加速度的大小。有加速度输入时，敏感质量块发生摆动，电容极板间距随之变化，一对电容极板间距变大，而另一对电容极板间距变小，从而形成差动检测电容。理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。该结构形式易于通过静电力反馈的方式构成闭环回路，实现高精度应用。
1)如图1所示，采用厚硅衬底上薄层玻璃晶片，硅衬底厚度优选在300μm～500μm，玻璃厚度优选在10μm～20μm；在玻璃面光刻腐蚀出上电极板通孔(111)，通孔大小优选在100μm～200μm，表面生长铬金薄膜，厚度优选在0.5μm～1μm，光刻腐蚀出上电极极板(112)，形成上电极圆片；
2)如图2所示，采用与上电极圆片一样的厚硅衬底上薄层玻璃晶片，在玻璃面光刻腐蚀出下电极板通孔(211)和下焊盘通孔(212)，通孔大小优选在100μm～200μm，表面生长铬金薄膜，厚度优选在0.5μm～1μm，光刻腐蚀出下电极极板(213)，下电极焊盘(214)和中间电极焊盘(215)，形成下电极圆片；
3)如图3所示，采用单晶硅晶片，硅晶片厚度优选在200μm～300μm，在晶片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，厚度优选在2μm～2.5μm，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片，包含质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)；质量块(311)比外框(313)每侧薄优选为2μm～4μm，中间凸点(314)与外框(313)厚度一致，梁厚度优选在20～30μm；
4)将结构圆片和上下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片，其中外框(313)与上下电极圆片上的玻璃三层阳极键合在一起，形成密封腔，质量块(311)、梁(312)位于密封腔内，上下电极板位于密封腔内的上下两侧；
5)如图4所示，在圆片表面硬掩模溅射生长铬金薄膜制作上电极焊盘(115)，厚度优选在0.5～1μm，上电极焊盘(115)位于结构区(113)内；中电极焊盘(215)通过中间凸点(314)与外框(313)相连；上电极极板(112)通过上电极通孔(111)与上电极圆片的硅衬底连接；下电极焊盘(214)通过下电极焊盘通孔(212)与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板(213)通过下电极通孔(211)与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘(214)与下电极极板(213)连接；上电极焊盘(115)、中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)共同形成三明治微加速度计焊盘；
6)先划切掉上电极圆片的辅助区，划切深度为上电极圆片厚度，露出中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)；然后按照要求的形状划切三明治微加速度计圆片，得到三明治微加速度计微结构。
本发明加工出的以上加速度计微结构，全温稳定性比硅玻璃结构加速度计可提高一个数量级，寄生电容为全硅结构的几分之一，能加工出寄生电容小、热失配小、性能优异的加速度计微结构。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于步骤如下：
(1)在一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出上电极通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出上电极极板，形成上电极圆片；上电极圆片，分为结构区和辅助区；上电极通孔和上电极极板位于结构区内；结构区外为辅助区；
(2)在另一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出下电极通孔和下电极焊盘通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出下电极极板、下电极焊盘和中间电极焊盘，形成下电极圆片；下电极圆片分为结构区和辅助区；下电极极板和下电极通孔位于结构区内，下电极焊盘通孔、下电极焊盘和中间电极焊盘位于辅助区内；
(3)在单晶硅圆片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片分为结构区和辅助区；
结构圆片，包括：质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)，质量块(311)通过梁(312)与外框(313)连接，中间凸点(314)与外框(313)连接；中间凸点(314)位于外框(313)的外侧，质量块(311)与梁(312)位于外框(313)的内侧；
质量块(311)、梁(312)和外框(313)位于结构区内；中间凸点(314)位于辅助区内；
(4)将结构圆片的两端分别与上电极圆片和下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片；
(5)在三明治微加速度计圆片中上电极圆片硅衬底表面制作上电极焊盘，上电极焊盘位于结构区内；中电极焊盘通过中间凸点与外框(313)相连；上电极极板通过上电极通孔与上电极圆片的硅衬底连接；下电极焊盘通过下电极焊盘通孔与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板通过下电极通孔与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘与下电极极板连接；上电极焊盘、中电极焊盘和下电极焊盘共同形成三明治微加速度计焊盘；
(6)先划切掉上电极圆片的辅助区；然后按照要求的形状划切三明治微加速度计圆片，得到三明治微加速度计微结构。
2.根据权利要求1所述的一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于：所述步骤1)的上电极圆片和步骤2)的下电极圆片，均包括两层，一层的材料是重掺杂<100>晶向的单晶硅衬底，另一层为其上的薄膜玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中键合工艺为阳极键合。
4.根据权利要求1所述的一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于：所述步骤5)中的上电极焊盘为硬掩模溅射生长铬金薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于：所述步骤6)划切位置为上电极圆片的辅助区，划切深度为上电极圆片厚度；划切后露出下电极焊盘和中间电极焊盘。
6.根据权利要求1所述的一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于：所述加速度计中的微结构由MEMS工艺加工而成。
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