CN113670287A - 一种mems半球陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS半球陀螺仪及其制备方法，它包括由谐振器主体、半球槽、多晶硅谐振子、玻璃盖板、玻璃衬底组成的一种半球谐振陀螺仪，通过在谐振器主体上依次设置绝缘沟槽、半球槽、多晶硅谐振子、玻璃盖板、玻璃衬底以及金属pad点。本发明具有结构简单，封装测试方便的优点，利用正反面晶圆级键合工艺、poly‑TSV刻蚀填充工艺、吸气剂沉积工艺确保键合后的芯片长时间处在高真空工作环境，提高陀螺品质因数，有利于大批量、低成本微半球陀螺制备。

Description

一种MEMS半球陀螺仪及其制备方法

技术领域：

本发明涉及高精度导航陀螺仪技术领域，具体地说就是一种MEMS半球陀螺仪及其制备方法。

背景技术：

半球陀螺是一种基于哥式检测效应的固体振动陀螺仪，具有精度高、寿命长、稳定性好的优点，在航空、航天领域有着广泛的应用前景，而半球陀螺的微型化是微机械机电陀螺领域的研究热点。目前半球陀螺的研究主要集中在传统的机械加工陀螺，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。

随着半球陀螺研究的深入，采用MEMS技术进行批量化、低成本、小尺寸的微半球陀螺制备已成为最佳选择，由于半球谐振器球壳与侧壁之间的电容间隙较小，主要的气体阻尼机制为压膜阻尼。为提高半球陀螺仪Q值，采用poly-TSV绝缘沟槽将各电极固定并形成电学绝缘，在玻璃盖板和基座上加入吸气剂，通过晶圆级键合维持半球谐振子的高真空环境。

现有技术中如：《一种球面电极微半球谐振陀螺仪及其制备方法》(专利申请号201910793419.X)，多晶谐振子在VHF释放后，采用盖板阳极键合、衬底玻璃浆料键合将电极固定，采用机械划片将各电极分离，由于划片时水和硅渣会沿着电极间隙进入球腔，会导致电极短路；另一方面电极间隙使得谐振子工作在大气环境中，需要进行管壳封装来降低压膜阻尼，增加工艺步骤提高成本等问题。

发明内容：

本发明就是为了克服现有技术中的不足，提供一种MEMS半球陀螺仪及其制备方法。

本申请提供以下技术方案：

一种MEMS半球陀螺仪，其特征在于：它包括谐振器主体，在谐振器主体上设有绝缘沟槽，在绝缘沟槽内填充有多晶硅，在绝缘沟槽内侧的谐振器主体上设有半球槽，在半球槽内设有多晶硅谐振子，在谐振器主体上表面设有玻璃盖板，在谐振器主体下表面设有玻璃衬底，通过玻璃衬底、玻璃盖板使得在谐振器主体上形成有空腔，在玻璃盖板上设有金属吸气剂，通过吸气剂使得该空腔成为高真空度晶圆级封装，在空腔外侧的谐振器主体上均布有一组金属pad点，在玻璃盖板上设有与金属pad点对应分布的引线孔。

在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：

所述的金属pad为铝制，呈环形分布于玻璃盖板与绝缘沟槽之间的谐振器主体上表面上。

在所述玻璃盖板上设有与半球槽对应分布的安装槽,在安装槽内设置有金属吸气剂层。

一种MEMS半球陀螺仪的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

S1、取P型硅做作为谐振器主体，在谐振器主体上、下表面上生长氧化硅薄膜；

S2、取另一块P型硅，作为衬底将衬底与谐振器主体下表面上的氧化硅薄膜进行键合，将二者连接在一起；

S3、采用光刻刻蚀工艺，在氧化硅薄膜上刻蚀掩膜图形层，而后在谐振器主体上制备绝缘沟槽，而后在掩膜层和绝缘沟槽内生长出多晶硅，通过机械减薄的方式去除衬底，而后再去除绝缘沟槽之外的多晶硅，而后再去除谐振器主体上的氧化硅薄膜；

S4、在谐振器主体上、下两面制备氮化硅层，而后在一面氮化硅层上旋涂光刻胶，而后再进行光刻图形化后，再在谐振器主体上表面上刻蚀一部分的氮化硅层露出圆形的腐蚀窗口，而后在谐振器主体上制备出半球槽；

S5、通过在半球槽内制备第一锚点；

S6、在谐振器主体的底面与半球槽内生成有牺牲层而后光刻刻蚀第二锚点；

S7、在牺牲层上生长出多晶硅层，通过离子注入改变多晶硅导电能力而后化学机械抛光去除谐振器主体上、下表面上的多晶硅层；

S8、去除谐振器主体底部的牺牲层，而后在谐振器主体刻蚀形成一组槽体并通过槽体形成的刻蚀窗口去除半球槽内的牺牲层，从而形成由多晶硅层构成的多晶硅谐振子；

S9、在谐振器主体上、下两面分别键合有玻璃盖板和玻璃衬底，通过玻璃盖板和玻璃衬底与谐振器主体键合，形成一个将一组槽体和多晶硅谐振子包裹在内的空腔，在玻璃盖板上沉积有金属吸气剂层，通过吸气剂使得该空腔成为真空，从而形成高真空度晶圆级封装，而后在半球槽外侧的谐振器主体上设置制备金属pad，用于引出电信号。

发明优点：

本发明具有结构简单，使用方便，利用正反面晶圆级键合工艺、poly-TSV、吸气剂沉积工艺确保键合后的芯片长时间处在高真空工作环境，提高陀螺品质因数，有利于大批量、低成本微半球陀螺制备。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

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中带有掩膜图形时的示意图；

图5是步骤S3中设置绝缘沟槽并消除掩膜层后的示意图；

图6是步骤S3中在氧化硅薄膜表面和绝缘沟槽内设置多晶硅后的示意图；

图7是步骤S3中去除衬底后的示意图；

图8是步骤S3中去除氧化硅薄膜后的示意图；

图9是本发明制备方法步骤S4中设置了腐蚀窗口后的示意图；

图10是步骤S4中设置了半球槽17后的示意图；

图11是步骤S5中设置了第一锚点后的示意图；

图12是步骤S5中去胶后的示意图；

图13是步骤S6中生成牺牲层后的示意图；

图14是步骤S6中在牺牲层上喷胶光刻胶后的示意图；

图15是步骤S6中设置了第二锚点后的示意图；

图16是步骤S7中生成有多晶硅层23后的示意图；

图17是步骤S7完成后的示意图；

图18是步骤S8中设置了刻槽并去除了牺牲层后的示意图；

图19是步骤S9完成后的示意图；

图20是图1中的A向放大图

具体实施方式：

如图1和20所示，一种MEMS半球陀螺仪，它包括谐振器主体1，所述振器主体1选用P型硅，在谐振器主体1上设有环形分布的绝缘沟槽13，在绝缘沟槽13内填充有多晶硅21，在绝缘沟槽13内侧的谐振器主体1上设有半球槽17。

在半球槽17 内设有多晶硅谐振子7，所述多晶硅谐振子7为半球形，底部延伸出与半球槽17底部延伸出凸起7a，所述凸起7a的底部与半球槽17的圆孔状的第一锚点19连接，所述多晶硅谐振子7的球面与半球槽17的球形槽壁不接触，且在硅谐振子7上设有与凸起7a同轴分布的盲孔状的第二锚点22。

在谐振器主体1下表面上键合有玻璃衬底3，在谐振器主体1上表面上键合玻璃盖板2，在玻璃盖板2的下表面上设有与半球槽17对应分布的安装槽2a。通过玻璃盖板2和玻璃衬底3使得在谐振器主体1上形成有密封的空腔，所述的多晶硅谐振子7就位于这个空腔内。

在安装槽2a内沉积有金属吸气剂层4，通过吸气剂4使得该空腔具有高真空度，从而完成晶圆级封装。

在高真空度的空腔外侧的谐振器主体1上均布有一组金属pad点8，所述的pad点8为铝制分布于玻璃盖板2与绝缘沟槽13之间的谐振器主体1上表面上。在玻璃盖板2上设有一组与金属pad点8对应分布的引线孔2b。

如图2-19所示， 一种MEMS半球陀螺仪的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

S1、取P型硅做作为谐振器主体1，在谐振器主体1上、下表面上生长氧化硅薄膜10。

S2、取另一块P型硅作为衬底11，将衬底11与谐振器主体1下表面上的氧化硅薄膜10进行硅-二氧化硅晶圆级键合，从而将二者连接在一起。

S3、采用光刻刻蚀工艺，在氧化硅薄膜10上制备掩膜层12，并在其上设置图形，而后再在掩膜层12、氧化硅薄膜10和谐振器主体1上采用DRIE刻蚀Poly-TSV的绝缘沟槽13，而后氧化绝缘沟槽13，同时将去除掩膜层12。而后在绝缘沟槽13内填充满多晶硅21，同时在氧化硅薄膜10上也覆盖有多晶硅21，而后通过机械减薄的方式去除衬底11，以及其上的多晶硅21，而后再去除掩膜层12以及其上的多晶硅21，最后采用BOE工艺腐蚀掉谐振器主体1上除氧化硅薄膜10。

S4、在谐振器主体1上、下两面，采用LPCVD(低压气相淀积)工艺生长出氮化硅层14。而后在上表面的氮化硅层14上旋涂光刻胶15，而后再进行光刻图形化后，再在谐振器主体1上表面上刻蚀一部分的氮化硅层14露出圆形的腐蚀窗口16。

再将谐振器主体1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槽17结构后，停止腐蚀。将谐振器主体1取出后用浓磷酸将剩余的氮化硅层14去除。

S5、在谐振器主体1的上、下表面和半球槽17内均匀喷涂光刻胶形成光刻胶层24，而后采用DIRE刻蚀在半球槽17底部中心处向下刻蚀出圆形的第一锚点19，而后采用硫酸去光刻胶层24。

S6、在半球槽17、谐振器主体1的上、下表面以及第一锚点19上生成有牺牲层20，所述的牺牲层20即为氧化层。而后在半球槽17内牺牲层20上喷胶光刻胶21，而后光刻制作小锚点圆形掩膜，采用RIE刻蚀小锚点处氧化硅牺牲层20，硫酸去除光刻胶21，在第一锚点19内制备出第二锚点22。

S7、在牺牲层20上生成有多晶硅层23，离子注入球腔面多晶硅，而后采用CMP工艺消除谐振器主体1上、下表面牺牲层20上的多晶硅层23，暴露出谐振器主体1的上、下表面的牺牲层20。

S8、在绝缘沟槽13内侧的谐振器主体1的下表面向上刻蚀出一组槽体6，所述槽体6上端与牺牲层20的底面连通，从而形成的刻蚀窗口，而后采用气态HF腐蚀去除半球槽17内的牺牲层20，从而在半球槽17内形成由晶硅层23构成的多晶硅谐振子7。

S9、在谐振器主体1上、下两面分别键合有玻璃盖板2和玻璃衬底3，通过玻璃盖板2和玻璃衬底3和谐振器主体1形成一个将一组槽体6和多晶硅谐振子7包裹在内的空腔。

在玻璃盖板2上的安装槽2a内沉积有金属吸气剂层4，通过吸气剂4使得该空腔成为高真空度晶圆级封装。

而后在半球槽17外侧的谐振器主体1的玻璃盖板2上设置出一组成环状分布的引线孔2b，在引线孔2b内的谐振器主体1表面上使用shadow mask沉积金属pad8，用于引出电信号，所述金属pad采用铝制。

Claims (4)

1.一种MEMS半球陀螺仪，其特征在于：它包括谐振器主体（1），在谐振器主体（1）上设有绝缘沟槽（13），在绝缘沟槽（13）内填充有多晶硅（21），在绝缘沟槽（13）内侧的谐振器主体（1）上设有半球槽（17），在半球槽（17）内设有多晶硅谐振子（7），在谐振器主体（1）上表面设有玻璃盖板（2），在谐振器主体（1）下表面设有玻璃衬底（3），通过玻璃衬底（3）、玻璃盖板（2）使得在谐振器主体（1）上形成有空腔，在玻璃盖板（2）上设有金属吸气剂（4），通过吸气剂（4）使得该空腔成为高真空度晶圆级封装，在空腔外侧的谐振器主体（1）上均布有一组金属pad点（8），在玻璃盖板（2）上设有与金属pad点（8）对应分布的引线孔（9）。

2.根据权利要求1中所述的一种MEMS半球陀螺仪，其特征在于：所述的金属pad为铝制分布于玻璃盖板（2）与绝缘沟槽（13）之间的谐振器主体（1）上表面上。

3.根据权利要求1中所述的一种MEMS半球陀螺仪，其特征在于：所述玻璃盖板（2）上设有与半球槽（17）对应分布的安装槽（2a）,在安装槽（2a）内设置有金属吸气剂层（4）。

4.如权利要求1一种MEMS半球陀螺仪的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

S1、取P型硅做作为谐振器主体（1），在谐振器主体（1）上、下表面上生长氧化硅薄膜（10）；

S2、取另一块P型硅，作为衬底（11）将衬底（11）与谐振器主体（1）下表面上的氧化硅薄膜（10）进行键合，将二者连接在一起；

S3、采用光刻刻蚀工艺，在氧化硅薄膜（10）上刻蚀掩膜图形层（12），而后在谐振器主体（1）上制备绝缘沟槽（13），而后在掩膜层（12）和绝缘沟槽（13）内生长出多晶硅（21），通过机械减薄的方式去除衬底（11），而后再去除绝缘沟槽（13）之外的多晶硅（21），而后再去除谐振器主体（1）上的氧化硅薄膜（10）；

S4、在谐振器主体（1）上、下两面制备氮化硅层（14），而后在一面氮化硅层（14）上旋涂光刻胶（15），而后再进行光刻图形化后，再在谐振器主体（1）上表面上刻蚀一部分的氮化硅层（14）露出圆形的腐蚀窗口（16），而后在谐振器主体（1）上制备出半球槽（17）；

S5、通过在半球槽（17）内制备第一锚点（19）；

S6、在谐振器主体（1）的底面与半球槽内生成有牺牲层（20）而后光刻刻蚀第二锚点（22）；

S7、在牺牲层（20）上生长出多晶硅层（23），通过离子注入改变多晶硅（23）导电能力而后化学机械抛光去除谐振器主体（1）上、下表面上的多晶硅层（23）；

S8、去除谐振器主体（1）底部的牺牲层（20），而后在谐振器主体（1）上刻蚀形成一组槽体（6）并通过槽体（6）形成的刻蚀窗口去除半球槽内的牺牲层（20），从而形成由多晶硅层（23）构成的多晶硅谐振子（7）；

S9、在谐振器主体（1）上、下两面分别键合有玻璃盖板（2）和玻璃衬底（3），通过玻璃盖板（2）和玻璃衬底（3）与谐振器主体（1）键合，形成一个将一组槽体（6）和多晶硅谐振子（7）包裹在内的空腔，在玻璃盖板（2）上沉积有金属吸气剂层（4），通过吸气剂（4）使得该空腔成为真空，从而形成高真空度晶圆级封装，而后在半球槽（17）外侧的谐振器主体（1）上设置制备金属pad（8），用于引出电信号。

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