CN117865060A - 一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法，包括：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板；提供具有上平坦表面的第二基板；将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻，形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面形成锚固部分；刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第一基板的总厚度，将透明封盖晶圆蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽，并将透明封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合；顶层封盖完成后进行激光调频。本发明在能够实现晶圆制造流片过程中的在线频率调节，激光调频的可调范围广，调节精度高。

Description

一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法
技术领域
本发明涉及一种惯性传感器的调频工艺，具体地涉及一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法。
背景技术
各种各样的应用，尤其是惯性导航系统，制导系统和航空数据测量系统等航空航天应用，都需要具有接近微重力分辨率，高灵敏度，高线性度和低偏置漂移的高性能加速度计和陀螺仪。
其中，陀螺结构一般分为驱动和敏感二个质量模块，敏感模块的频率与驱动模块的频率一般会有一点微小差别，这个差别对于传感器性能有很大的关联，在不同的工作模式下需要调整到不同的频差。
现有技术中，有些方案采用电压调频的方式进行调频操作，但是而电调频的可调范围小，满足不了传感器对精度的要求。采用激光调频可以提高可调范围，但是现有技术是封盖之前进行激光调频，即在封盖之前把整个晶圆放入一个带有透明窗口的大型真空腔内进行激光光调频，这方法有两个缺点，一是很难把驱动电路板放入真空室内对陀螺加电，二是即使可以调频，但是调频后再进行晶圆键合封盖，所引入的键合应力又会使得频率发生变化，会导致之前的调频达不到应有的结果。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种高性能惯性传感器的在线调频方法，在顶层封盖完成真空封装后，利用激光对陀螺仪进行在线调频。。
本发明的技术方案是：
一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法，包括以下步骤：
S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；
S02：提供具有上平坦表面的第二基板；
S03：将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度，以形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；
S04：将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；
S05：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；
S06：从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块；
S07：将封盖晶圆蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽，并将封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合；
S08：顶层封盖完成后用探针卡对陀螺加电激励，使得陀螺结构产生谐振，然后对陀螺结构进行激光调频。
可选的，所述封盖采用透明材料。
可选的，所述封盖包括石英玻璃、氟化玻璃。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明在是完成了高真空封装后再利用激光对陀螺结构进行在线调频的，真空封装后可以给陀螺芯片结构直接加电激励压使其产生谐振，从而可以实现在线检测，测出频率后就可以进行调频。真空封盖后晶圆的键合应力固定了，调频后频率也不会因为工艺过程中产生的附加应力而变化，调频效率高。此外，而激光调频的范围可以从0.01Hz到十几Hz甚至几百Hz，而且精度更高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法流程图；
图2是本发明的制造方法制造的加速度计结构的剖视图；
图3是本发明第一基板的结构示意图；
图4是本发明第二基板的结构示意图；
图5是本发明浅腔刻蚀之后的第二基板的结构示意图；
图6是本发明固定电极刻蚀之后的第二基板的结构示意图；
图7是本发明硅硅键合后的结构示意图；
图8是本发明去除衬底后的结构示意图；
图9是本发明氧化物层刻蚀后的结构示意图；
图10是本发明结构层刻蚀后的结构示意图；
图11是本发明封装后的结构示意图；
图12为本发明对称式梳齿结构的加速度计的剖视图；
图13为本发明环式陀螺仪的敏感结构的示意图；
图14为本发明激光在线调频的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
本发明提供一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法，包括以下步骤：
S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；
S02：提供具有上平坦表面的第二基板；
S03：将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度，以形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；
S04：将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；
S05：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；
S06：从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块；
S07：将封盖晶圆蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽，并将封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合；
S08：顶层封盖完成后用探针卡对陀螺加电激励，使得陀螺结构产生谐振，然后对陀螺结构进行激光调频。
具体的步骤解释如下：
提供第一基板S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；第一基板为绝缘体上硅(SOI)，器件层(顶层硅)厚度为20-200μm。
提供第二基板S02：提供具有上平坦表面的第二基板；第二基板为绝缘体上硅(SOI)，硅厚度约5-15μm。
浅腔刻蚀S03：对第二基板进行光刻图案化，进行浅腔刻蚀，将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度(3-10μm)，以形成3-10μm的浅腔，和多个凸起，每个凸起具有上平坦表面，然后进行深反应离子蚀刻(DRIE)以形成固定电极。
硅硅键合S04：将第一基板的顶部平面熔融结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；
去除第一基板的衬底硅S05：去除第一基板的衬底，留下氧化物层(二氧化硅)；
氧化物层刻蚀S06：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；
结构层刻蚀S07：对第一基板进行光图案化，并通过DRIE蚀刻将其释放，以释放可旋转的敏感结构。采用双面光刻技术从质量块上表面刻出结构图形，从底部表面和顶部表面同时蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，由于氧化物层比硅的刻蚀速度慢很多，在没有氧化物层覆盖的地方刻穿(即结构释放)时，在有氧化物层覆盖的地方还未刻穿，形成了一个带有凹槽的质量块，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块。敏感结构因此，可以在顶部电极释放蚀刻期间形成不对称的检测质量，而无需增加额外的蚀刻步骤。然后通过荫罩溅射随后烧结来金属化释放的器件晶片。在约50-100mTorr的分压下，通过玻璃粉将晶圆粘合并密封到顶部晶圆上。
该方法不仅可以用来制作非对称扭摆式加速度计，也可以用来制作各种对称式梳齿结构或者环形结构的加速度计或陀螺仪。非对称扭摆式加速度计的敏感结构包括锚定部分的第一侧和第二侧上的基本中空的质量块或者第一侧上的实心质量块和第二侧上的基本中空的质量块。对称式梳齿结构的加速度计或陀螺仪的敏感结构包括锚定部分两侧的刻穿的多个质量块，多个质量块之间通过形成梳齿结构的质量块框架连接。环形结构的加速度计或陀螺仪的敏感结构包括分别在锚定部分周边的多个环状的谐振子。
下面以摆式加速度计为例结合附图进行详细说明：
制造的摆式加速度计100的截面图，如2所示，加速度计100可以包括第一基板102，第二基板104和封盖晶圆106。
第一基板如图3所示，第一基板102包括绝缘体上硅(SOI)材料。第一基板102可以包括结合至氧化物层110的器件层108，该氧化物层110又结合至底部硅层112。在一个示例性实施例中，氧化物层110由二氧化硅制成。底部硅层112可以在制造工艺期间用作处理晶片。器件层108包括顶部平面114和基本平行于顶部平面114的底部平面116。
第二基板104如图4所示，第二基板104可以是绝缘体上硅(SOI)衬底，其包括上硅层124，掩埋氧化物层126和下硅层128。第二基板104还可以包括形成在硅衬底上的操作氧化物层142，操作氧化物层142在下硅层128的下表面。第二基板104的上硅层124包括上平坦表面130，其厚度可以明显小于第一基板102的器件层108的厚度。第二基板104的上硅层124的厚度约为5-15μm，而第一基板102的器件层108的厚度约为20-100μm。
如图5所示，可以包括使用低压化学气相沉积(LPCVD)来施加氮化物掩模层以选择上平坦表面130的区域。上硅层124的未被氮化物层覆盖的部分将被蚀刻至预定深度，可以为3-10μm。可以使用KOH蚀刻来形成蚀刻工艺，以形成多个具有矩形横截面的浅腔134和多个凸起132，每个第凸起132具有矩形横截面以及基本上平行于晶片的平坦上表面136。浅腔134在掩埋氧化物层126的上面。
对第二基板104进一步光刻，如图6所示。蚀刻上硅层124的选择部分以暴露掩埋的氧化物层126。蚀刻步骤可以包括施加氮化物掩模使用深反应离子刻蚀(DRIE)来沉积硅层并选择性地去除上硅层124的部分。在浅腔132内的上硅层124的部分向下蚀刻至第二基板104的掩埋氧化物层126，以形成具有从掩埋氧化物层126向上延伸的矩形截面的多个凸起，即固定电极140。在固定电极140表面沉积氧化物层148。以保护固定电极在后面的结构释放过程中不被刻蚀。
如图7所示，将第一基板102与第二基板104硅硅键合。第一基板102的器件层108的顶部平面114与凸起132的上平面136结合。中间凸起132与顶部平面114的中间部分被结合在一起以形成加速度计100的敏感结构的锚定部分152。
如图8，可以采用抛光和刻蚀的方法去除第一基板102的底部硅层112，以暴露氧化物层110。氧化物层110是SOI硅片固有的埋氧层，埋氧层厚度一般固定为2μm，由于氧化层厚度与后面刻蚀的凹槽深度相关，因此需要根据刻蚀的凹槽深度决定氧化层厚度。一般需要的氧化物层小于1μm，因此需要对埋氧层进行打薄，以降低埋氧层的厚度。也可以刻蚀掉原有的埋氧层，再重新生长一层新的一定厚度的氧化层。
如图9所示，结构层第一次光刻，刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层，即刻除需要刻穿结构部分的氧化物层122。
如图10所示，采用双面光刻技术从第一基板102的器件层108上表面刻出结构图形，从底部表面和顶部表面同时蚀刻器件层108的一部分至预定深度，该预定深度至少等于第一基板的总厚度，由于氧化物层比硅的刻蚀速度慢很多，在没有氧化物层覆盖的地方刻穿(即结构释放)时，在有氧化物层覆盖的地方还未刻穿，形成了一个带有凹槽的质量块。结果形成敏感结构154，该敏感结构154具有位于左侧固定电极表面上方的实心质量块156和位于右侧固定电极上方的基本中空质量块158。实心质量块156和基本中空质量块158它们通过锚定部分152连接，使得敏感结构154可以围绕锚定部分152自由旋转。
为了使得敏感结构154可以围绕锚定部分152更好地自由旋转，在第一基板102的锚定部分152的两侧分别刻蚀掉部分表面，以形成梁结构153，用于连接质量块，即锚定部分152连接两侧的质量的地方变窄。
在一示例性实施例中，敏感结构154的每一半具有基本相同的尺寸。即，实心质量块156和基板中空质量块158分别具有大致相同的长度和宽度。基本中空质量块158可包括基本平坦的底部160，侧壁162从底部160向上延伸以形成一个或多个空腔164。侧壁162可包括至少两个以基本直角相交以形成多个的壁。在一个示例性实施例中，基本中空质量块158包括由基本上垂直于底部160的侧壁162隔开的四个矩形空腔164。空腔164的其他形状和尺寸也在本发明的范围内。
在另一实施例中，敏感结构154可以包括在锚定部分的两侧上都形成基本中空的质量块，并且两侧的质量块的质量不相等。
优选的，基本中空质量块158允许质心偏移，同时在敏感结构154的每一侧的底表面上保持相等的表面积，这可以平衡气体阻尼。可以通过调节敏感结构154的厚度和/或调节空腔164的深度来调节质心偏移的中心。
锚点可以位于左侧实心质量块和右侧中空质量块的中间位置，也可以为设置在其它位置，或者可以有数个锚点分布于其它位置，取决于敏感结构(质量块可以是中空或者是也可以是梳齿结构)的需要。
如图11所示出了，封盖晶圆106被蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽170。在溅射吸气剂膜172时，需要采用掩膜溅射法，预留出窗口让激光可以透过，吸气剂膜172可以被施加在封盖晶圆106的表面在顶部凹槽170内的一部分，并且玻璃料粘结174可以被施加到封盖晶圆106的将被键合到结构晶圆的表面。将封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合。
另一实施例中，对称式梳齿结构的加速度计或陀螺仪的制作工艺与上面相同，只是制作的敏感结构不一样，为梳齿结构。敏感结构200如图12所示，敏感结构200包括锚定部分201，及锚定部分201两侧的中部刻穿形成的多个质量块框架202，两边的质量块框架200错开，形成梳齿结构。该结构通过光刻工艺，在需要形成质量块框架的地方使用光刻胶遮挡，在没有光刻胶遮挡的地方刻穿。
又一实施例中，本发明方法还可以制作环形结构的加速度计或陀螺仪，制作工艺与上面相同，只是制作的敏感结构不一样，为环形结构。敏感结构300如图13所示，敏感结构300包括锚定部分301，分别在锚定部分301周边形成多个环状的质量块框架302，质量块框架302可以为圆环或者正多边形，质量块框架302间通过辐条303连接。该结构通过光刻工艺，在需要形成质量块框架和辐条的地方使用光刻胶遮挡。
进一步的，顶层封盖完成后用探针卡对陀螺加电激励，使得陀螺结构产生谐振，而进行激光在线调频。
本发明的在线调频是表示在流片工艺过程中实现频率调节，因为陀螺只能在真空条件下加驱动电压后才能启动，所以陀螺的调频只能在真空下加电条件下才能进行，也就是说本发明中的在线调频同时满足以下三个条件：(1)真空(2)有能让激光透过的窗口(3)能上电启振。
所以本发明在是完成了高真空封装后再利用激光对陀螺结构进行在线调频的，真空封装后可以给陀螺芯片结构直接加电激励压使其产生谐振，从而可以实现在线检测，测出频率后就可以进行在线调频。
本实施例中的封盖晶圆106既要通过激光还要有能力保持传感器结构的高真空度。比如，封盖晶圆可以采用石英玻璃，氟化玻璃等材料。当封盖晶圆采用石英玻璃时，整个晶圆的总厚度约为500-600微米。
相比与现有技术中在封盖之前把整个晶圆放入一个带有透明窗口的大型真空腔内进行激光光调频来讲，本发明中真空封盖后晶圆的键合应力固定了，调频后频率也不会因为工艺过程中产生的附加应力而变化，调频效率高。
具体的，激光调频的原理是在陀螺结构质量块的某个特定部位烧孔来改变质量，从而改变频率。具体参见图14，激光可以在悬挂质量块上烧孔，质量减小后，在沿着该质量块方向的振动频率就会升高；激光还可以在支撑该悬挂质量块的辐条(悬梁)边缘烧孔，辐条变窄后该方向上频率变小。
本发明在完成了高真空封装后再利用激光进行调频，提供了一种高效的晶圆制造流片过程中的在线调节方法，不仅提高了调频的精度也提高了频率的可调范围。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种高性能惯性传感器的工艺制备流程中在线调频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；
S02：提供具有上平坦表面的第二基板；
S03：将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度，以形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；
S04：将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；
S05：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；
S06：从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块；
S07：将封盖晶圆蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽，并将封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合；
S08：顶层封盖完成后用探针卡对陀螺加电激励，使得陀螺结构产生谐振，然后对陀螺结构进行激光调频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封盖采用透明材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述封盖包括石英玻璃、氟化玻璃。
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