CN112723298B - 一种用于mems传感器刻蚀的散热补偿微结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构。具体是通过在刻蚀热量集中区域，如梳齿空隙，梁结构周围等需要被刻蚀区域下方设计散热结构，散热结构连接结构层与基底层，在结构硅层刻通之前，反应产生的热量通过散热柱传递至基底；结构硅层刻通之后，反应离子将继续刻蚀散热柱，一方面不影响可动结构运动，另一方面可以解决反应离子经基底反射刻蚀结构层背面的问题。该方法优点在于结构简单，易于设计，效果明显，一致性明显，可以有效解决单锚点MEMS器件深硅刻蚀步骤的散热途径长，散热不均匀，不同部分过刻量不同以及表面刻蚀缺陷等问题。

Description

一种用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构

技术领域

本发明涉及MEMS器件结构刻蚀的补偿结构，尤其涉及一种用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构。

背景技术

经过几十年的发展，微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)传感器由于小型化、易于集成、成本低等优点广泛应用于航空、导弹、消费电子、汽车电子等军用领域和民用领域。MEMS微机械加工技术包括：体硅微加工(Bulk Micromachining)、表面微加工(Surface Micromachining)、LIGA工艺(光刻、电铸和模造)，三种工艺方法各有其优势和局限性。目前的电容式MEMS传感器，尤其是以惯性传感器为典型代表，为获得高深宽比，大敏感质量以及大检测电容，体硅微加工是最常用的加工方式。

由于硅微传感器是基于硅微机械加工技术研制而成，加工完毕后尺寸无法准确修正，因此加工缺陷对于器件的最终性能有决定性作用。以微机械陀螺为例，加工误差会严重影响微陀螺的性能，它会改变微陀螺的固有频率、带宽及灵敏度，影响微陀螺系统输出的精度及稳定。国内外已有一些研究人员开展了加工误差对微陀螺的影响研究。因此消除微工艺过程中的加工缺陷十分重要。MEMS器件最重要的工艺步骤是可动结构的释放，体硅工艺中结构释放常用手段为湿法腐蚀和等离子刻蚀。对于高深宽比器件，湿法腐蚀存在各向异性腐蚀，横向腐蚀的问题，因此适用于结构层结构层厚度较小的情况(厚度小于10μm)。深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching)被广泛用于高深宽比的硅刻蚀。

深反应离子刻蚀是基于氟基气体的高深宽比硅刻蚀技术。与反应离子刻蚀原理相同，通过化学作用和物理作用进行刻蚀。刻蚀过程分为两个步骤：1)钝化：反应室中通入C4F8气体，通过化学反应形成聚合物薄膜；2)刻蚀：反应室中通入SF6气体，进行物理和化学刻蚀。刻蚀和钝化交替进行，实现对侧壁的保护，能够实现可控的侧向刻蚀，可以制作出陡峭或其他倾斜角度的侧壁。在进行离子反应刻蚀硅时，会产生一部分热量，热量通过连接结构和基底的锚点传递出去。在MEMS器件结构设计时，单锚点器件具有如应力小，Q值高等优点，因此单锚点结构设计是MEMS传感器一种重要的结构形式。但这种结构与基底相连的锚点数量少，因此刻蚀过程中热量传递途径长，散热慢，热量积累导致硅表面温度过高，高温则会加速反应的进行，最终引起加工尺寸过刻蚀，刻蚀形貌缺陷甚至表面掩膜碳化等问题。除此之外，在结构层的硅刻通后，反应离子会被基底层反射从而刻蚀结构背面，引起加工缺陷。常见的解决办法有两种，一种是修改反应温度，但是单锚点器件不同的区域散热快慢不同，不同区域尺寸参数通常也不相同，因此不同部分的刻蚀速度差异使得最终的过刻量不同。另一种方法是分阶段刻蚀，刻蚀一段时间，停止冷却一段时间再继续刻蚀，但是该方法费时费力，不同批次的加工一致性难以控制，并且加工出的微结构侧壁不光滑。此外。以上两种方法均无法解决反应离子背面刻蚀问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构。其通过在结构层需要被刻蚀的区域下方设计散热柱，散热柱连接结构层与基底层，用于传递反应离子刻蚀时产生的热量，并且在结构刻通后避免反应离子经基底反射刻蚀结构层背面。该方法优点在于结构简单，易于设计，效果明显，一致性明显，可以有效解决MEMS器件深硅刻蚀步骤的散热途径长，散热不均匀，不同部分过刻量不同以及表面刻蚀缺陷等问题。

本发明所提供的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，包括MEMS传感器，所述单锚点MEMS传感器包括由上向下依次设置的结构层、锚点层和基底层，所述锚点层设有散热结构，所述散热结构连接结构层与基底层，用于传递反应离子刻蚀时产生的热量，并且在结构刻通后避免反应离子经基底反射刻蚀结构层背面。

进一步的，所述散热结构可为散热柱。

进一步的，所述散热结构位于所述结构层被刻通区域的下方，优选的，所述散热结构的各边和与其对应的结构层中相邻的边的距离保持一致。

根据本发明的一个实施例，所述MEMS器件为单锚点支撑MEMS陀螺仪；所述单锚点支撑MEMS陀螺仪包括结构层、锚点层和基底层；所述结构层包括支撑架、敏感结构、振动梁以及梳齿结构；所述锚点层用于连接基底层与结构层，支撑静梳齿和敏感结构，由支撑结构、定梳齿的锚点和散热结构组成；基底层上具有金属图形化，用于将陀螺信号引出。

进一步的，所述梳齿结构为不等间距梳齿，由定梳齿与动梳齿构成，且动梳齿与定梳齿形成的间距分为大间距和小间距。

进一步的，所述陀螺仪为硅玻璃结构，所述锚点层与基底层通过阳极键合的方式连接到一起。

进一步的，所述散热结构位于结构层被刻通区域的下方，可以位于所述振动梁周围，也可以位于梳齿结构间隙下方。为保持刻蚀效果的一致，敏感结构与散热结构各边距离保持一致。

根据本发明的一个实施例，所述MEMS器件为单锚点支撑MEMS陀螺仪；所述单锚点支撑MEMS陀螺仪包括结构层、锚点层和基底层；所述结构层包括支撑架、敏感结构、振动梁以及梳齿结构。

本发明再一个目的是提供上述用于单锚点MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构的制备方法。

本发明所提供的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构的制备方法，包括下述步骤：

1)准备所述MEMS传感器的基底层圆片；

2)准备双抛硅片，经过涂胶、光刻、显影形成锚点层掩膜，通过反应离子刻蚀刻蚀锚点区域，形成锚点层；

3)将所述基底层与所述硅片的锚点区域进行键合；

4)将键合片基底层面朝下，硅面朝上进行减薄、抛光，将硅片厚度减至所需结构层厚度；

5)在所述硅片未键合的面上经过涂胶、光刻、显影形成结构层掩膜，进行深反应离子刻蚀，释放可动结构，即得。

进一步的，所述可动结构释放完毕后再继续刻蚀一段时间，确保所述散热结构与所述结构层分离。

其中，所述基底层圆片的材料可为Pyrex玻璃7740，厚度可为500μm。

所述双抛硅片具体可为100晶向N型双抛硅片，厚度可为300μm。所述锚点区域的高度可为20μm。

当所述基底层圆片的材料Pyrex玻璃7740时，所述基底层与所述硅片的锚点区域的键合为阳极键合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：(1)散热结构为锚点层结构，不改变结构层设计，不影响器件性能，易于设计；(2)不需要大量工艺实验，对于不同批次的器件改善效果一致；(3)除了可以解决散热途径长，散热不均匀的问题，还可以解决反应离子反向刻蚀器件结构的问题；(4)可用于各种单锚点MEMS器件，适用性强。

附图说明

图1是本发明中具有散热结构的单锚点器件的剖视图，图中，

表示MEMS器件结构层，

表示MEMS器件锚点层；

图2是本发明中单锚点器件梳齿区域散热结构的俯视图；

图3是本发明中单锚点器件梳齿区域散热结构的俯视图的局部放大图；

图4是本发明中具有散热结构的单锚点器件加工流程。

图中各标记如下：

1-结构层、2-锚点层、3-基底层、11-定梳齿键合区域、12-梳齿、13-梳齿结构中的小间隙、14-梳齿结构中的大间隙、15-可动质量块、16-支撑架、21-散热结构、22-定梳齿的锚点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、带有散热结构的单锚点MEMS陀螺

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步解释。

一种用于单锚点MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，如图1、2所示(需要说明的是：剖视图不涉及具体结构细节，本实施例的散热结构位于梳齿周围，因此具体图形仅涉及梳齿区域(刻蚀比较困难的区域)，没有展示支撑梁的平面形状)。

该实施例中的单锚点MEMS器件包括由上向下依次设置的结构层1、锚点层2和基底层3。结构层1包括支撑架16，敏感结构15，以及梳齿结构，支撑架用于连接中心支撑锚点22与敏感结构15，梳齿结构由位于敏感结构上的动梳齿12与键合在基底层3上的定梳齿11组成，其中定梳齿与动梳齿组合形成不等间距梳齿，由梳齿12，大间隙14和小间隙13组成。锚点层2用于连接基底层3与结构层1，由支撑结构的锚点22和定梳齿11下方的锚点和散热结构21组成，锚点层厚度为20μm。在本实施例中，如图3所示，所述散热结构位于大梳齿间隙的下方，为保持刻蚀效果的一致，散热结构21各边与周围梳齿的距离保持一致，距离均为不等间距梳齿小间隙13的长度，即4.2μm。

所述单锚点MEMS传感器具体为单锚点支撑MEMS陀螺仪。

具体加工步骤见图4：

1)准备MEMS陀螺仪基底层圆片3，材料为Pyrex玻璃7740，厚度500μm；

2)准备100晶向N型双抛硅片，厚度300μm，经过涂胶、光刻、显影形成锚点层掩膜，通过反应离子刻蚀刻蚀锚点区域，包括支撑结构、定梳齿的锚点22和散热结构21，高度为20μm；

3)去胶后，将基底层3与硅片锚点层2进行阳极键合；

4)将硅玻璃键合片玻璃面朝下，硅面朝上进行减薄、抛光，将硅片厚度减至100μm；

5)经过涂胶、光刻、显影形成结构层1的掩膜，进行深反应离子刻蚀，释放可动结构，结构释放完毕后再刻蚀一段时间，保证散热结构与可动结构分离。

如图4(f)所示，当刻蚀基底层3时，在没有将梳齿刻通之前，反应生成的热量可以直接通过梳齿空隙下方的散热结构21传递至基底层3，如果没有散热结构21，散热路径为梳齿12到支撑结构1再到支撑锚点22传递至基底层3，不同梳齿距离中心锚点距离不同，散热情况不同，因此相同刻蚀参数下的不同区域过刻量和刻蚀形貌不同，此为散热结构的作用方式。此外，当梳齿结构刻通后，反应离子将进一步刻蚀散热结构21，可以避免离子经基底层3反射刻蚀结构层1的背面。

对比例、无散热结构的单锚点MEMS陀螺

该无散热结构的单锚点MEMS陀螺的结构基本同实施例1，区别在于：锚点层2中无散热结构21。

制备方法如下：

1)准备MEMS陀螺仪基底层圆片3，材料为Pyrex玻璃7740，厚度500μm；

2)准备100晶向N型双抛硅片，厚度300μm，经过涂胶、光刻、显影形成锚点层掩膜，通过反应离子刻蚀刻蚀锚点区域，包括支撑结构和定梳齿的锚点22，高度为20μm；

3)去胶后，将基底层3与硅片锚点层2进行阳极键合；

4)将硅玻璃键合片玻璃面朝下，硅面朝上进行减薄、抛光，将硅片厚度减至100μm；

5)经过涂胶、光刻、显影形成结构层1的掩膜，进行深反应离子刻蚀，释放可动结构。

经过刻蚀实验对比，带有散热结构与无散热结构的MEMS陀螺的梳齿过刻蚀对比如下：

本发明与现有技术相比，具备的优点：(1)散热结构为锚点层结构，不改变结构层设计，不影响器件性能，易于设计；(2)不需要大量工艺实验，对于不同批次的器件改善效果一致；(3)除了可以解决散热途径长，散热不均匀的问题，还可以解决反应离子反向刻蚀器件结构的问题；(4)可用于各种单锚点MEMS器件，适用性强。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，包括MEMS传感器，所述MEMS传感器包括由上向下依次设置的结构层、锚点层和基底层，其特征在于：所述锚点层设有散热结构，所述散热结构连接结构层与基底层，用于传递反应离子刻蚀时产生的热量，并且在结构刻通后避免反应离子经基底反射刻蚀结构层背面；

所述散热结构为散热柱；

所述散热结构位于所述结构层被刻通区域的下方；

所述MEMS传感器为单锚点MEMS传感器；

所述单锚点MEMS传感器为单锚点支撑MEMS陀螺仪；

所述单锚点支撑MEMS陀螺仪包括结构层、锚点层和基底层；所述结构层包括支撑架、敏感结构、振动梁以及梳齿结构；所述锚点层用于连接基底层与结构层，支撑定梳齿和敏感结构，由支撑结构、定梳齿的锚点和散热结构组成；所述基底层上具有金属图形化，用于将陀螺信号引出。

2.根据权利要求1所述的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，其特征在于：所述散热结构的各边和与其对应的结构层中相邻的边的距离保持一致。

3.根据权利要求1所述的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，其特征在于：所述梳齿结构为不等间距梳齿，由梳齿、大间隙和小间隙组成；

所述散热结构位于所述振动梁周围或位于所述梳齿结构间隙下方。

4.根据权利要求1或3所述的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构，其特征在于：所述陀螺仪为硅玻璃结构，所述锚点层与基底层通过阳极键合的方式连接到一起。

5.权利要求1-4中任一项所述的用于MEMS传感器刻蚀的散热补偿微结构的制备方法，包括下述步骤：

1）准备所述MEMS传感器的基底层圆片；

2）准备双抛硅片，经过涂胶、光刻、显影形成锚点层掩膜，通过反应离子刻蚀刻蚀锚点区域，形成锚点层；

3）将所述基底层与所述硅片的锚点区域进行键合；

4）将键合片基底层面朝下，硅面朝上进行减薄、抛光，将硅片厚度减至所需结构层厚度；

5）在所述硅片未键合的面上经过涂胶、光刻、显影形成结构层掩膜，进行深反应离子刻蚀，释放可动结构，即得；

所述可动结构释放完毕后再继续刻蚀一段时间，确保所述散热结构与所述结构层分离。

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