CN1959417A - 微机械电容式加速度传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械电容式加速度传感器及制作方法，属于微电子机械系统领域。其特征在于，最为关键的就是通过可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，呈90°交叉或平行分布的设计，利用各向异性腐蚀技术，在(100)单晶硅片上实现在无凸角补偿下矩形质量块的形成，同时在质量块的上下两面形成直弹性梁结构。利用一般的硅硅键合技术实现了三层硅片的键合。在上电极和中间电极引出的制作上，通过可动质量块电极引出通孔和屋檐形遮挡台在一步淀积上电极和可动电极的引线盘的同时，也实现了两个电极之间的电信号隔离。本发明简化了制作微机械传感器的工艺，提高了成品率，在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉灵敏度，是一种实用的加速度传感器。

Description

微机械电容式加速度传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种微机械电容式加速度传感器及制作方法，更确切地说本发明是以硅各向异性腐蚀为关键技术制造微机械电容式加速度传感器的结构和制作方法。属于微电子机械系统领域。

背景技术

硅微小加速度计是非常重要的微惯性器件，可应用于汽车、机器人以及各种制导和测控系统中。按照敏感原理，微机械加速度传感器大致可以分为：压阻式、压电式、厚膜应变计式、电磁式、热电偶式、谐振器式和电容式。其中电容式加速度传感器又可分为力平衡式和非力平衡式。可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由可动电极和可动电极之间构成的电容量的发生变化，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂形，在设计中都采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的线形度，常常采用差动电容式的测量结构。电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有温度效应小，重复性好等优点，是目前研制最多的一类传感器。

制作电容式加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和硅体微机械加工方法。采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大，稳定性差，量程有限，带宽小等缺点。采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度的优点在于噪声低，稳定性好，可具有高灵敏度，具有大阻尼等优点，缺点是体积稍大。

以往利用硅体微机械方法制作电容式加速度传感器时，特别是在腐蚀矩形质量块时一般采用凸角补偿的方法，如Raymond K.Erickson，Method forfabricating suspension members for micromachined sensors，US PatentNo.5,484,073，Mar.28，1994。这种方法使得器件在设计时比较复杂，并且尺寸的形状控制较困难。同时他们在制作质量块上下均有梁的器件时，都是采用将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后在进行硅硅键合形成双面都有梁的中间可动电极，这无疑又增加了制作工艺的复杂度。而且在制作弹性梁和质量块时，常常是分两步进行，先腐蚀出质量块图形，而后再用干法刻蚀技术制作弹性梁，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shaped springlegs，US Patent No.5,652,384，这也增加了工艺的复杂度，而且需要使用昂贵的设备，增加了器件制作的成本。

在弹性梁的制作上，以往常常采用高掺杂的自停止腐蚀的方法(包括上述两个专利)，所述的方法虽然能够将梁的厚度控制在很小的范围内，但是由于掺杂的不均匀性，导致梁的厚度的不一致，更重要的是掺杂引入了应力，降低了器件的灵敏度(L.Bruce Wilner，Differential capacitive transducer andmethod of making，US Patent no.4,999,735)。

在上电极板，中间可动电极板以及下电极板的电极的制作上，以往的电极制作方法比较复杂，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shapedspring legs，US Patent No.5,652,384，他们将引线从键合面引出再经过台阶侧壁后引出，增加了工艺制作的难度和复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械电容式加速度传感器及制作方法。所述的微机械电容式加速度传感器，包括可动质量块、直弹性梁、固定上电极、固定下电极、防过载凸点和可动质量块电极引出通孔，其特征在于：

(1)固定上、下电极分别位于可动质量块的上下两边；

(2)直弹性梁的一端与可动电极的锚区相连，另一端与可动质量块相连；

(3)相互平行的电容极板平行于硅片表面；

(4)过载保护的凸点制作在质量块的上下两面。

(5)可动质量块电极引出通孔的位置在可动质量块的锚区之上。

本发明的特征之二在于提供一种微机械电容式加速度传感器结构，通过可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，呈90°交叉或平行分布的设计，在(100)单晶硅片的各向异性腐蚀过程中，能够同时形成具有双层弹性梁的质量块结构。由此制作的微机械电容式加速度传感器，器件具有高度法向的对称性，提高器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。

本发明的特征之三在于利用可动质量块的八个角处都有直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块经各向异性腐蚀后的为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，不被破坏，简化了结构设计。可动质量块的上表面和下表面分别至少有四根直弹性梁位于四角；硅片表面的四条边对准(100)硅片的<110>晶向；所有直弹性梁尺寸一致。

本发明的特征之四在于提供一种方便上电极板和中间可动质量块之间电绝缘的方法。由于在微机械电容式加速度传感器的设计中，上电极和中间质量块是不同的电极，因此必须保证两层硅片之间的电绝缘，否则会影响器件的电学性能。通过上电极的背面腐蚀2um深的绝缘层方形窗口，同时在上电极板的正面相同的位置利用各向异性腐蚀技术腐蚀穿通整个硅片，最后在表面制作电极，利用2um的间隙以及两层之间的绝缘层实现上电极板和中间可动电极之间的电绝缘。

固定电极和可动质量块之间的间隙在0.5～10um之间；

可动质量块电极的引出由绝缘层、隔离间隙、屋檐形遮挡台和可动质量块电极引出通孔实现的；下电极和可动质量块之间通过绝缘层实现电绝缘的。

本发明的特征之五在于提供了一种实现三层硅片对准键合的方法，大大平衡了弹性梁上由于高温键合产生的热应力，不仅仅简化了工艺同时还能够实现电容极板之间间隙可小于4um，使得制造出来的微机械电容式加速度传感器表现出较高的灵敏度。

制作的工艺步骤简单描述如下：

1.腐蚀形成可动质量块阻尼间隙窗口：

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口(如设计实例1中的4um)；

(2)去除剩下区域的氧化层，二次氧化形成氧化硅，双面光刻，在质量块上下两表面制作Si₃N₄防过载凸点；

(3)光刻可动质量块图形，各向异性双面同时对穿腐蚀或分别进行上下两面的对穿腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，并且可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，是90°或平行分布，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定；光刻时可动质量块必须对准<110>晶向；

2.固定上电极板经过氧化的双抛(100)硅片双面光刻后，形成隔离间隙；

3.固定下电极板直接制作绝缘层(SiO₂，Si₃N₄，SiC等，但不限于此)；

4.可动质量块和下电极板首先键合，然后再和上电极板进行真空对准键合；

5.正面光刻，而后进行腐蚀(各向异性或者各向同性腐蚀)，形成可动质量块电极引出通孔；

6.键合片的上下表面制作(溅射，蒸发等，但不限于此)金属层(Al，Au，Ni等，但不限于此)；

上述步骤1中(3)可以分以下两步实施：

①正面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块；

②二次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，两次腐蚀的深度相同，均由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定，硅片的正面质量块至少有四根直弹性梁，分布在可动质量块的角上，硅片的背面质量块上至少有四根弹性梁；分布在可动质量块的角上，且可动质量块上、下两面的直弹性梁交错分布，不重合，呈90°或平行分布。

制作方法中所述的各向同性腐蚀或各向异性腐蚀均为本领域常用的方法，即腐蚀液和时间、温度的选择均为已知技术。

由于设计中的弹性梁的结构很小，同时为了保证截面形状一致以及矩形的质量块，在微机械电容式加速度传感器的可动质量块光刻时必须严格对准<110>晶向，这是十分关键的一点。同时固定上、下电极板之间的间隙是通过腐蚀可动质量块区域形成的，因此之间的间隙可以尽可能的小，甚至可以小于2um，这就大大地提高了器件地灵敏度。

为了提高器件地抗过载能力，在可动质量块上淀积了几千埃的氮化硅或者氧化硅等绝缘层作防过载凸点。

总而言之，本发明提供了一种微机械电容式加速度传感器的结构和制作方法，和之前的结构及方法相比，加工工艺简单，同时器件结构完全是由各向异性腐蚀出来的，使得器件的制造成本大大地降低。本发明还提供了一种微机械电容式加速度传感器所述的传感器的结构使得在湿法腐蚀形成矩形的可动电极时，不需要凸角补偿，使得版图的设计更为简单，器件的面积也大大的缩小。本发明采用了可动质量块电极引出通孔和屋檐形结构在一步淀积上电极和可动电极的引线盘的同时，也实现了两个电极之间的电信号隔离，简化了工艺。而且，由于上下电极以及中间的可动质量块都是采用单晶硅，加速度传感器的性能稳定，并且可以根据需要，设计不同梁长度和电容间隙，改变传感器的灵敏度，灵活性更大。

附图说明

图1是本发明提出的一种微机械电容式加速度传感器实施例的中间可动质量块的结构示意图

图2是图1的实施例的中间可动质量块的俯视图

图3是实施例1的具体工艺流程图中的阻尼间隙的形成

图4是实施例1的上电极，中间可动质量块和下电极的键合工艺示意图

图5是实施例1的可动质量块电极引出通孔的形成以及金属电极的示意图

图6是实施例2的立体结构示意图

图7是实施例3的立体结构示意图

图8是实施例3的结构的俯视图以及A-A剖面图

图中各数字代表的含义为：

1.器件可动电极的锚区2.中间可动质量块3.可动电极正面的直弹性梁4.可动电极背面的直弹性梁5.上电极和下电极之间的间隙6.二氧化硅层7.防过载凸点8.固定上电极板9.固定下电极板10.可动质量块电极引出通孔11.金属电极12.屋檐形金属遮挡台13.隔离间隙

具体实施方式

通过下面的微机械电容式加速度传感器制作方法描述，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1

1.腐蚀形成可动质量块阻尼间隙窗口，即中间可动质量块的制作：

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口5，腐蚀深度4um；

(2)二次氧化形成氧化硅，双面光刻，利用化学气相沉积工艺在可动质量块上下两表面制作4000Si₃N₄防过载凸点7；

(3)上、下双面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到可动电极正面和背面的直弹性梁3、4和可动质量块2，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定。硅片的正面共有四根直弹性梁3，分布在可动质量块2的四个角上，另四根直弹性梁分布在硅片背面质量块2的另四个角上，并且可动质量块上下两面的直弹性梁交错分布，呈90°或平行分布，且不重合；

2.固定上电极板，经过氧化的双抛(100)硅片双面光刻后，形成2um隔离间隙13；

3.固定下电极9直接氧化2um，作为可动质量块和下电极之间的绝缘层；

4.可动质量块2和下电极板9首先预键合，而后再与上电极板8真空预键合，预键合完成后进行整体的退火工艺，提高三层硅的键合强度；

5.正面光刻，而后进行各向异性腐蚀，形成可动质量块电极引出通孔10；

6.键合片上下表面溅射或者蒸镀金属层Al11；

本结构的特点在于固定上、下电极板8、9位于可动电极的上下两边；直弹性梁的一端与可动电极的锚区1相连，另一端与可动质量块2相连；可动质量块2上、下两面的直弹性梁3、4交错分布，呈90°或平行分布；且不重合，呈平行分布，凸点7起到了过载保护的作用；质量块平行于硅片表面的四条边对准(100)硅片的<110>晶向，保证质量块经各向异性腐蚀后仍能保持矩形。

实施例2

其具体实施步骤与实施例1相同，主要区别在于直弹性梁的分布(图6)：

硅片1的正面的直弹性梁3有四根分布对称分布在质量块的对边的角上；

四根直弹性梁4在硅片1背面对称分布在质量块另两条对边得角上。

实施例3

1.中间可动质量块的制作：

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口5，腐蚀深度4um；

(2)二次氧化形成氧化硅，双面光刻，利用化学气相沉积工艺在质量块上下两表面制作4000Si₃N₄防过载凸点7。

(3)正面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁3和可动质量块2；

(4)二次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁4和可动质量块2，两次腐蚀的深度相同，均由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定。硅片的正面共有四根直弹性梁3，分布在可动质量块2的四个角上，另四根直弹性梁分布在硅片背面质量块2的另四个角上，并且可动质量块上下两面的直弹性梁交错分布，不重合，是90°或平行分布。

2.固定上电极板8的制作

经过氧化的双抛(100)硅片双面光刻后，形成2um隔离间隙13；

3.固定下电极板9直接氧化2um，作为可动质量块和下电极之间的绝缘层；

4.可动质量块2和下电极板9首先预键合，而后再与上电极板8真空预键合，预键合完成后进行整体的退火工艺，提高三层硅的键合强度；

5.正面光刻，而后进行各向异性腐蚀，形成可动质量块电极引出通孔10；

6.上、下表面溅射或者蒸镀金属层Al11。

Claims (11)

1、一种微机械电容式加速度传感器，其特征在于所述的传感器由可动质量块、直弹性梁、固定上电极、固定下电极、防过载凸点和可动质量块电极引出通孔构成，其中，

(1)固定上、下电极分别位于可动质量块的上下两边；

(2)直弹性梁的一端与可动电极的锚区相连，另一端与可动质量块相连；

(3)可动质量块上、下两面的直弹性梁交错分布，不重合；

(4)相互平行的电容极板平行于硅片表面；

(5)过载保护的凸点制作在质量块的上下两表面。

(6)可动质量块电极引出通孔的位置在可动质量块的锚区之上。

2、据权利要求1所述的微机械电容式加速度传感器，其特征在于质量块的8个顶角上都有直的弹性梁，即可动质量块的上表面和下表面分别至少有四根直弹性梁位于四角，可动质量块上下两面的直弹性梁交错分布，不重合呈90°交叉或平行分布。

3、根据权利要求1所述的微机械电容式加速度传感器，其特征在于所有直弹性梁的尺寸一致。

4、根据权利要求1所述的微机械电容式加速度传感器，其特征在于可动质量块平行于硅片表面的四条边对准(100)硅片的<110>晶向，不需要任何的凸角补偿图形，可动质量块经各向异性腐蚀后仍能保持矩形。

5、根据权利要求1所述的微机械电容式加速度传感器，其特征在于固定上、下电极和质量块之间的间隙在0.5～10um之间。

6、根据权利要求1和3所述的微机械电容式加速度传感器，其特征在于可动质量块电极的引出由绝缘层、隔离间隙、屋檐形遮挡台和可动质量块电极引出通孔实现的；下电极和可动质量块之间通过绝缘层实现电绝缘。

7、制作如权利要求1所述的微机械电容式加速度传感器的方法，其特征在于包括可动质量块与直弹性梁的形成、固定上、下电极与可动质量块的键合以及可动质量块电极引出通孔的制作，具体制作步骤是：

(1)腐蚀形成可动质量块阻尼间隙窗口：

(a)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口；

(b)去除剩下区域的氧化层，二次氧化形成氧化硅，双面光刻，在质量块上下两表面制作Si₃N₄防过载凸点；

(c)光刻可动质量块图形，各向异性双面同时得到直弹性梁和可动质量块，并且可动质量块上、下两面的弹性梁交错分布，不重合，呈90°或平行分布，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定；可动质量块光刻时对准<110>晶向；

(2)固定上电极板经过氧化的双抛(100)硅片双面光刻后，形成隔离间隙；

(3)固定下电极板直接制作绝缘层；

(4)可动质量块和下电极板首先键合，然后再和上电极板进行真空对准键合；

(5)正面光刻，而后进行各向异性或者各向同性腐蚀，腐蚀形成可动质量块电极引出通孔；

(6)键合片的上、下表面制作金属层，所述制作方法为溅射或蒸发；所述的金属层为Al、Au或Ni。

8、根据权利要求7所述的微机械电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于步骤(1)中的(c)可分为以下两步：

①正面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块；

②二次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，两次腐蚀的深度相同，均由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定，硅片的正面质量块至少有四根直弹性梁，分布在可动质量块的角上，硅片的背面质量块上至少有四根弹性梁；分布在可动质量块的角上，且可动质量块上、下两面的直弹性梁交错分布，不重合，呈90°或平行分布。

9、根据权利要求7或8所述的微机械电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于所述的可动质量块与直弹性梁通过各向异性腐蚀的方法同时形成是采用双面同时对穿腐蚀或分别进行上、下两面的对穿腐蚀形成。

10、根据权利要求7或8所述的微机械电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于可动质量块电极引出通孔是通过各向同性或各向异性腐蚀固定上电极形成的，且同时形成了屋檐形遮挡台。

11、根据权利要求7或8所述的微机械电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于所述固定上、下电极板之间的间隙≤2μm。

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