CN111308126A - 一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法，所述的微加速度计采用SOI硅片制成，包括惯性质量块、敏感结构、外联电极三部分。惯性质量块为中心对称的米字型结构，包括中心的主质量块，以及延伸出的8个矩形质量块，矩形质量块的另一端通过梁连接锚点。矩形质量块两侧设置有可动梳齿电极，可动梳齿电极与外侧的固定梳齿电极构成敏感结构。外联电极包括锚点电极以及固定电极。本发明制作的三轴微加速度计采用了中心对称的米字形结构，独立检测Z轴加速度，避免了交叉轴干扰。同时利用了部分SOI硅片的底层硅，极大提高了惯性质量，从而可以获得更大的灵敏度。

Description

一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法
技术领域
本发明属于微机械电子系统技术领域，具体涉及一种增大质量块的设计的电容式三轴加速度计，该加速度计具有较高的稳定性，高灵敏度的特点。
背景技术
微机电系统(MEMS，micro-electrical mechanical system)以及采用微机械技术的微型化传感器、执行器、谐振器以其低成本低、体积小、高可靠性、功耗低、集成度高、可大规模生产等特点在过去几十年中引起了广泛关注。
采用MEMS技术的微加速度计，广泛应用于惯性导航、导引、汽车气囊部署和运动控制系统。电容式MEMS加速度计具有温度系数低、功耗低、制造成本低、可与集成电路相集成等优点。基于电容传感的电容式MEMS加速度计由于其自身的优点，在MEMS市场中得到了广泛的应用和高度的关注。
SOI(silicon on insulator，绝缘体上硅)晶片以其优越的单晶材料特性、易于实现大厚度器件、易于实现高深宽比的制造、良好的机械稳定性、残余应力小以及后续制造工艺简单的优点逐渐在惯性传感器领域得到广泛应用。同时采用SOI晶片的MEMS加速度计很容易实现大的惯性质量块和低布朗噪声。因此，基于SOI的微加速度计是将来惯性传感技术的重要发展方向。
通常采用SOI硅片的微加速度计通常只是利用SOI硅片的顶层硅部分进行制作，因此微加速计的惯性质量块的质量有限，微加速度计存在器件噪声较大，灵敏度有限的问题。另外，有的三轴微加速度计采用同一个梳齿电极敏感结构来同时检测平面内(X轴、Y轴)与Z轴的加速度，因此这种微加速度计的交叉轴干扰较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种增大惯性质量块的电容式三轴加速度计，本发明的的微加速度计增大了惯性质量，提高了加速度计的灵敏度。采用了中心对称的米字形结构，独立检测Z轴加速度，避免了交叉轴干扰
本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计，其特征在于：所述的微加速度计采用SOI硅片制成，包括惯性质量块、外联电极、敏感结构三部分；
所述惯性质量块为中心对称的米字型结构，包括中心对称的主质量块1，以及延伸出的相邻轴夹角为45度的8个矩形质量块2；所述主质量块上设置有均匀分布的阻尼孔3；所述矩形质量块的另一端通过梁结构4连接锚点5；所述矩形质量块两侧设置有可动梳齿电极6，可动梳齿电极与外侧的固定梳齿电极7构成敏感结构；所述固定梳齿电极一端连接外侧的U型固定结构8。
所述轴夹角为90度的四个敏感结构，其可动梳齿电极与固定梳齿电极高度相同；另外的两组敏感结构中，其中的一组可动梳齿电极为固定梳齿电极高度的一半，另一组固定梳齿电极为可动梳齿电极高度的一半。
所述外联电极包括锚点电极9以及固定电极10，所述锚点电极为设置于锚点上方的第一金属电极，所述固定电极为设置于U形固定结构上方的第二金属电极。
进一步地，所述主质量块的厚度包括顶层硅、中间氧化层以及部分底层硅的厚度。
进一步地，所述梁结构为蛇形梁或者U形梁。
进一步地，所述主质量块为圆柱形或者八棱柱形。
本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计的制作方法，包括下列步骤(a-h为微加速度计正面工艺，i-m为背面工艺)：
(a)备片：准备顶层硅厚度为40um-60um，电阻率＜0.01Ωcm，N型<100>的双面抛光的SOI硅片；
(b)清洗SOI硅片；
(c)双面热氧化硅片：采用热氧化工艺在SOI硅片两面氧化生长厚度为1um的氧化硅；
(d)第一次双面光刻，在SOI硅片正面形成质量块、U形固定结构、以及8个可动梳齿电极与固定梳齿电极高度相同的敏感结构，作为后续深硅刻蚀的氧化硅硬掩模；
(e)制作金属电极：采用电子束蒸发或者磁控溅射在SOI硅片正面生长金属，第二次双面光刻形成金属电极，；
(f)第三次双面光刻，采用光敏聚酰亚胺为光刻胶，形成整体结构，然后亚胺化形成后续深硅刻蚀的硬掩膜；
(g)第一次深硅刻蚀，刻蚀厚度为顶层硅厚度的一半，然后氧等离子体干法刻蚀去除亚胺化后的聚酰亚胺硬掩模；
(h)第二次干法刻蚀，刻蚀到SOI硅片的氧化层；
(i)第四次双面光刻在SOI硅片背面形成电极区域；
(j)采用聚酰亚胺第五次双面光刻，形成整体结构，然后亚胺化形成后续深硅刻蚀的硬掩膜；
(k)背面第一次深硅刻蚀，刻蚀厚度为底层硅厚度的一半，然后氧等离子体干法刻蚀去除亚胺化后的聚酰亚胺；
(l)背面第二次深硅刻蚀，刻蚀到SOI硅片氧化层；
(m)释放结构得到微加速度计。
进一步地，步骤(e)中生长金属的方法为电子束蒸发，所用材料为铝。
进一步地，步骤(m)中生释放结构的方法为氢氟酸蒸气腐蚀。
本发明的增大质量块的设计的电容式三轴加速度计的工作原理为：在惯性加速度作用下，敏感结构上的米字形质量块在某个方向内运动时，由于对称差分设计，质量块与运动方向上的梳齿电极电容分别增大和减少，通过差分电容设计，增大了可检测到的电容，然后通过外围电路检测差分分电容的大小可以得到检测轴方向加速度的大小；
本发明的增大质量块的设计的电容式三轴加速度计优点是：采用SOI硅片制作而成，从而实现了大厚度器件、实现高深宽比的制造，制成的微加度计具有良好的机械稳定性、低布朗噪声；充分利用了SOI硅片的底层硅部分，增大了质量块的质量，从而获得了较小的器件噪声，提高了微加速度计的灵敏度；平面内加速度和垂直方向上的加速度独立测量，减小了交叉轴耦合的影响；采用米字形结构设计，结构中心对称，横向效应得到减小。
附图说明
图1为本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计俯视图；
图2为本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计三维结构图；
图3为本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计中间剖面图；
图4为本发明中的增大质量块的电容式三轴加速度计制作工艺步骤示意图。
附图标号说明：主质量块1、八个矩形质量块2、阻尼孔3、梁结构4、锚点5、可动梳齿电极6、固定梳齿电极7、U型固定结构8、锚点电极9以及固定电极10。
具体实施方式
图1和图2分别为本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计俯视图和三维结构图，包括中心对称的主质量块1，主质量块为八棱柱形；主质量块的厚度包括顶层硅、中间氧化层以及部分底层硅的厚度，如图3所示；主质量块延伸出的相邻轴夹角为45度的8个矩形质量块2；主质量块上设置有均匀分布的阻尼孔3，阻尼孔为圆形；矩形质量块的另一端通过梁结构4连接锚点5；矩形质量块两侧设置有可动梳齿电极6，可动梳齿电极与外侧的固定梳齿电极7构成敏感结构；固定梳齿电极一端连接外侧的U型固定结构8。有四个敏感结构，其可动梳齿电极与固定梳齿电极高度相同；另外的两组敏感结构中，其中的一组可动梳齿电极为固定梳齿电极高度的一半，另一组固定梳齿电极为可动梳齿电极高度的一半。
外联电极包括锚点电极9以及固定电极10，锚点电极为设置于锚点上方的第一金属电极，固定电极为设置于U形固定结构上方的第二金属电极。
整个微加速度计使用双面抛光的N型<100>的SOI硅片制作，硅片的顶层硅厚度为60um，电阻率＜0.01Ωcm。
现结合图4，对微加速度计的制作工艺流程进一步详细说明。
(a)备片：准备顶层硅厚度为40um-60um，电阻率＜0.01Ωcm，N<100>的双面抛光的SOI硅片，如图4(a)所示。
(b)清洗SOI硅片。
(c)在双面抛光的SOI硅片上双面热氧化生长一层氧化硅硬掩膜，如图4(c)所示。
具体来说，采用干湿干热氧化工艺在SOI硅片两面热生长厚度为1um的氧化硅。
(d)在SOI硅片正面形成质量块、U形固定结构、以及8个可动梳齿电极与固定梳齿电极高度相同的敏感结构，作为后续深硅刻蚀的氧化硅硬掩模，如图4(d)所示。
具体来说，先进行第一次双面光刻，光刻胶采用AZ6112光刻胶，然后采用利用光刻胶为掩膜进行干法刻蚀，刻蚀出结构后再用丙酮酒精去胶处理。
(e)在SOI硅片正面顶层硅上沉积金属电极，如图4(e)所示。
具体来说，在光刻后的SOI硅片正面采用电子束蒸发沉积400nm的铝，然后进行使用AZ6112光刻胶对SOI硅片正面进行第二次双面光刻形成电极区域，再用刻铝液去除多余的铝。
(f)在SOI硅片正面形成整体结构，作为后续深硅刻蚀的聚酰亚胺硬掩膜，如图4(f)所示。
具体来说，在SOI硅片正面进行第三次双面光刻，采用光敏聚酰亚胺为光刻胶，形成整体结构，然后氮气氛围下亚胺化，聚酰亚胺亚胺化的同时也会平坦化。
(g)第一次深硅刻蚀，采用时分复用工艺刻蚀SOI正面露出的硅，形成厚度为顶层硅厚度的一半的深槽，然后使用去胶机氧等离子体去除亚胺化后的聚酰亚胺硬掩模，如图4(g)所示。
(h)第二次深硅刻蚀，采用时分复用工艺刻蚀SOI硅片正面，继续刻蚀到剩下的硅，一直刻蚀到SOI硅片的中间氧化层，如图4(h)所示。
(i)在SOI硅片背面形成锚点和U型固定结构区域，作为后续深硅刻蚀的氧化硅硬掩模，如图4(i)所示。
具体来说，在SOI硅片背面的氧化硅上进行第四次双面光刻，光刻胶采用AZ6112光刻胶，然后采用利用光刻胶为掩膜进行干法刻蚀，刻蚀出结构后再用丙酮酒精去胶处理。
(j)在SOI硅片背面面形成整体结构，作为后续深硅刻蚀的聚酰亚胺硬掩膜，如图4(j)所示。
具体来说，在SOI硅片正面进行第五次双面光刻，采用光敏聚酰亚胺为光刻胶，形成整体结构，然后氮气氛围下亚胺化，聚酰亚胺亚胺化的同时也会平坦化。
(k)背面第一次深硅刻蚀，采用时分复用工艺刻蚀SOI背面露出的硅，形成厚度为顶层硅厚度的一半的深槽，然后使用去胶机氧等离子体去除亚胺化后的聚酰亚胺硬掩模，如图4(k)所示。
(l)背面第二次深硅刻蚀，采用时分复用工艺刻蚀SOI硅片背面，继续刻蚀到剩下的硅，一直刻蚀到SOI硅片的中间氧化层，如图4(l)所示。
(m)释放结构得到微加速度计，如图4(m)所示。
具体来说，先使用氢氟酸蒸汽腐蚀可动部分的氧化硅，再使用超临界干燥法进行清洗氢氟酸蒸气，形成微加速度计。
至此，一种增大质量块的电容式三轴加速度计的制作结束。

Claims (5)

1.一种增大质量块的电容式三轴加速度计，其特征在于：所述的微加速度计采用SOI硅片制成，具体包括设置有阻尼孔的主质量块、八个矩形质量块、梁结构、锚点、可动梳齿电极、固定梳齿电极、U型固定结构、锚点电极以及固定电极。
2.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度计，其特征在于：整体结构为米字形，采用四组等高梳齿电极测量平面内的加速度，采用四组不等高梳齿测量垂直方向的加速度。
3.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度计，其特征在于：主质量块部分包括SOI的顶层硅、中间氧化层和部分底层硅。
4.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度计，其特征在于：所采用的SOI硅片为顶层硅厚度为40um-60um，电阻率＜0.01Ωcm，N型双面抛光的SOI硅片。
5.一种增大质量块的电容式三轴加速度计的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)热氧化形成用于后续正面深硅刻蚀的氧化硅硬掩膜的步骤；
(2)沉积形成正面金属电极的步骤；
(3)形成用于后续正面深硅刻蚀的聚酰亚胺硬掩膜的步骤；
(4)两次深硅刻蚀形成正面不等高梳齿电极的步骤；
(5)刻蚀底层硅形成背面增大质量块部分的步骤；
(6)释放中间氧化层得到悬空结构的步骤。
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