RU2207658C2 - Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа - Google Patents
Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2207658C2 RU2207658C2 RU2001119005A RU2001119005A RU2207658C2 RU 2207658 C2 RU2207658 C2 RU 2207658C2 RU 2001119005 A RU2001119005 A RU 2001119005A RU 2001119005 A RU2001119005 A RU 2001119005A RU 2207658 C2 RU2207658 C2 RU 2207658C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frame
- base
- boards
- silicon
- jumpers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при изготовлении малогабаритных микромеханических датчиков: акселерометров, гироскопов и др. Технический результат изобретения - повышение чувствительности, упрощение сборки узла чувствительного элемента совместно с его герметизацией и обеспечение контроля герметичности узла при сборке и эксплуатации. Сущность изобретения: способ позволяет изготавливать микромеханический инерциальный чувствительный элемент емкостного типа с повышенной чувствительностью путем совершенствования управляемости процесса травления кремния при формировании перемычек с прямоугольным сечением, обеспечивает упрощение сборки узла чувствительного элемента совместно с его герметизацией и контроль герметичности узла при сборке и эксплуатации. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при изготовлении малогабаритных микромеханических датчиков: акселерометров, гироскопов и др.
Известен способ изготовления микромеханического чувствительного элемента емкостного типа, включающий формирование травлением из кремния неподвижной платы и инерциальной подвижной платы, закрепленной на гибких перемычках на рамке [1].
Недостатком способа являются отсутствие вакуумированной области перемещения инерциальной массы, резко снижающее метрологические характеристики чувствительного элемента, и незначительная инерциальная масса, ограничивающая его чувствительность.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ изготовления инерциального емкостного чувствительного элемента гироскопа [2], заключающийся в формировании размерным травлением кремния рамки и плат емкостных обкладок, закрепленных на рамке с помощью взаимно перпендикулярных перемычек и углубленных по отношению к плоскости рамки на величину, соответствующую емкостному зазору, двустороннее присоединение инерциальных масс к центральной плате, формировании основания из щелочносодержащего стекла, содержащего емкостные обкладки из пленки алюминия и глухое отверстие под размещение инерциальной массы, присоединении к основанию рамки с платами и герметизации с одновременным вакуумированием сформированных емкостей и областей перемещения инерциальных масс.
Недостатками известного способа являются невоспроизводимость формирования перемычек прямоугольного сечения перемычек, удерживающих инерциальную массу, что снижает чувствительность элемента, а также сложности в создании внутренней полости гироскопа и контроле ее герметичности.
Цель изобретения - повышение чувствительности, упрощение сборки узла чувствительного элемента совместно с его герметизацией и обеспечение контроля герметичности узла при сборке и эксплуатации.
Указанная цель достигается путем изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа. Формирование рамки с платами проводят из кремния р-типа проводимости с удельным объемным сопротивлением не менее 0,03 Ом•см на пластине ориентацией (100) толщиной h, при этом после создания емкостных зазоров на противоположных поверхностях пластины создают из пленки двуокиси кремния толщиной 0,5..1,5 мкм совмещенные между собой маски под рамку, платы и перемычки с размерами, превышающими требуемые размеры рамки, плат и перемычек на величину (1,05...1,1)h, и содержащие в участках соединения перемычек с рамкой и платами прорези в областях рамки и плат длиной 1=h, причем перемычки располагают под углом 45o к направлению [110] плоскости пластины, проводят встречное травление кремния в 20. ..30%-ном водном растворе КОН до сквозных отверстий, получения требуемых размеров рамки, плат и перемычек и формирования на концах перемычек трапециевидных участков, расширяющихся к области присоединения перемычек к рамке и платам. При формировании основания одновременно с обкладками создают из пленки алюминия контактные площадки на периферии основания, равномерно заходящие в углы области соединения основания с рамкой, токоведущие шины, соединяющие кремниевую рамку с контактными площадками, и токоведущие шины, соединяющие обкладки с контактными площадками. Присоединение рамки с основанием проводят электростатическим способом при температуре 400...500oС при подаче постоянного напряжения +800. ..1000 В на рамку. При герметизации сформированных емкостей и областей перемещения инерциальных масс на основание приплавляют легкоплавким стеклом при температуре 450...500oС каркас из щелочносодержащего стекла, соприкасающийся с основанием в зоне между контактными площадками и сформированными емкостями, и к каркасу электростатическим способом в вакууме не менее 0,0001 мм рт.ст. при температуре 400...450oС при подаче постоянного напряжения +800...1000В присоединяют крышку из кремния.
Для исключения деформации кремниевой рамки на рельефе алюминиевых шин при ее присоединении к стеклянному основанию при формировании рамки с платами создают на прилегающей к основанию поверхности рамки из пленки алюминия толщиной, соответствующей толщине пленки алюминия на основании, области, конфигурация которых повторяет рамку, за исключением участков токоведущих шин основания, заходящих на рамку.
Для обеспечения контроля герметичности узла элемента до присоединения к каркасу в крышке из кремния со стороны, прилегающей к каркасу, локальным травлением кремния через маску формируют мембрану размером □(5...10)h и толщиной (0,1. ..0,2)h, по прогибу которой проводят оценку герметизации вакуумированной полости со сформированными емкостями и областей перемещения инерциальных масс.
Предложенный способ изготовления поясняется на фиг.1-7.
На фиг.1 изображена пластина с совмещенными между собой идентичными масками, сформированными в пленке двуокиси кремния на противоположных поверхностях пластины. Удельное объемное сопротивление кремния р-типа проводимости ρ=0,03 Ом•см выбрано исходя из обеспечения омического контакта кремния с алюминиевой металлизацией и исключения торможения травления кремния в КОН, имеющего место при ρ<0,03 Ом•см. Ориентация пластины (100) и расположение элементов под углом 45o к направлению [110] плоскости пластины выбраны для обеспечения вертикальных стенок травления. Концентрация водного раствора КОН выбрана с учетом того, что при ее величине менее 20% резко снижается скорость травления кремния, а при величине более 30% существенно возрастает скорость травления маскирующей пленки двуокиси кремния.
Толщина пленки двуокиси кремния 1 выбрана в связи с тем, что при толщине менее 0,5 мкм не обеспечивается маскирование при травлении кремния в данном травителе на глубину h/2 (150...250 мкм при толщине исходных пластин 300... 500 мкм), а толщина более 1,5 мкм трудно реализуется технологически. Превышение на h размеров масок под рамку 2, платы 3 и перемычки 4 (соответственно b, с1, с2 и g) над требуемыми размерами данных элементов (соответственно a, d1, d2 и е) определено тем, что травление кремния происходит с одинаковой скоростью как в глубину, так и в сторону под маску. Дополнительное превышение на (0,05...0,1)h выбрано для обеспечения более управляемого получения размеров консолей за счет продолжения травления до их требуемой ширины после получения сквозных отверстий в окнах маски 5. Предварительно сформированный емкостной зазор имеет величину hз. Длина прорезей 6 в маске в участках соединения перемычек с рамкой и платами выбрана в обеспечение получения перемычек прямоугольного сечения на требуемой их длине l.
На фиг. 2 изображена пластина с элементами после проведения сквозного двустороннего травления кремния пластины до сквозных отверстий 7 с отделением рамки от пластины и получения требуемых размеров рамки 2, плат 3 и перемычек 4, при этом образованы трапециевидные участки 8 на концах перемычек. На рамке созданы области из алюминия 9 толщиной hAl, соответствующей толщине пленки алюминия на основании из стекла, при этом в участках 10, куда будут заходить токоведущие шины основания для контакта с кремнием рамки, алюминий отсутствует.
На фиг. 3 изображена рамка и платы с закрепленными к центральной плате инерциальными массами 11, например из вольфрама.
На фиг.4 изображено основание 12 с выполненными из пленки алюминия емкостными обкладками 13, контактными площадками 14, токоведущими шинами 15 для контакта с рамкой и токоведущими шинами 16, соединяющими обкладки с площадками, а также глухое отверстие 17 под размещение инерциальной массы.
На фиг.5 изображены соединенные между собой электростатическим способом рамка 2 и основание 12 с образованием рабочих емкостей 18. При температуре менее 400oС имеет место слабая адгезия между кремнием и стеклом, обусловленная недостаточной подвижностью примесных ионов в стекле. При температуре более 500oС возникают необратимые нарушения в структуре стекла и алюминиевой металлизации. Нижний порог подаваемого на стеклянную структуру постоянного напряжения обусловлен тем, что при его величине менее 800 В напряженность электрического поля недостаточна для прочного соединения кремния со стеклом. При величине напряжения более 1000 В возможен электрический пробой емкостного зазора.
На фиг. 6 изображена структура чувствительного элемента после приплавления к основанию 12 каркаса 19 из щелочносодержащего стекла с помощью легкоплавкого стекла 20 по зоне между контактными площадками 14 и сформированными емкостями 18. Минимальная температура присоединения каркаса 450oС обусловлена тем, чтобы сформированный расплав стекла выдержал максимальную температуру последующего процесса электростатического соединения. Максимальная температура 500oС определена недопустимостью необратимых нарушений в структуре стеклянного основания и алюминиевой металлизации.
На фиг.7 изображен чувствительный элемент после присоединения к каркасу крышки 21 из кремния. Величина вакуума в процессе соединения не менее 0,0001 мм рт.ст. выбрана для исключения демпфирования при движении инерционной массы в обеспечение высоких метрологических характеристик чувствительного элемента. Минимальная температура процесса 400oС обусловлена получением высокой прочности соединения кремния со стеклом, а максимальная температура 450oС предотвращает деградацию соединительного шва из легкоплавкого стекла между каркасом и основанием. Диапазон величин подаваемых напряжений имеет то же обоснование, что и при соединении рамки с основанием.
При формировании в крышке мембраны 22 при ее размере менее 5h сложно визуально контролировать прогиб мембраны при оценке герметизации вакуумированной полости, а при ее размере более 10h повышается хрупкость крышки, что может привести к ее разрушению. При толщине мембраны менее 0,1h также возможно ее разрушение, а при толщине более 0,2h затруднен визуальный контроль изгиба мембраны.
Источники информации
1. RU, патент 2114489, H 01 L 29/84, 27.06.1998, БИ 18.
1. RU, патент 2114489, H 01 L 29/84, 27.06.1998, БИ 18.
2. St. Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, 1996, p. 3-10.
Claims (3)
1. Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа, включающий формирование размерным травлением кремния рамки и плат емкостных обкладок, закрепленных на рамке с помощью взаимно перпендикулярных перемычек и углубленных по отношению к плоскости рамки на величину, соответствующую емкостному зазору, двустороннее присоединение инерциальных масс к центральной плате, формирование основания из щелочносодержащего стекла, содержащего емкостные обкладки из пленки алюминия и глухое отверстие под размещение инерциальной массы, присоединение к основанию рамки с платами и герметизацию с одновременным вакуумированием сформированных емкостей и областей перемещения инерциальных масс, отличающийся тем, что формирование рамки с платами проводят из кремния р-типа проводимости с удельным объемным сопротивлением не менее 0,03 Ом•см на пластине ориентацией (100) толщиной h, при этом после создания емкостных зазоров на противоположных поверхностях пластины создают из пленки двуокиси кремния толщиной 0,5...1,5 мкм совмещенные между собой маски под рамку, платы и перемычки с размерами, превышающими требуемые размеры рамки, плат и перемычек на величину (1,05...1,1)h, содержащие в участках соединения перемычек с рамкой и платами прорези в областях рамки и плат длиной 1=h, причем перемычки располагают под углом 45o к направлению (110) плоскости пластины, проводят встречное травление кремния в 20...30%-ном водном растворе КОН до сквозных отверстий, получения требуемых размеров рамки, плат и перемычек и формирования на концах перемычек трапециевидных участков, расширяющихся к области присоединения перемычек к рамке и платам, при формировании основания одновременно с обкладками создают из пленки алюминия контактные площадки на периферии основания, равномерно заходящие в углы области соединения основания с рамкой токоведущие шины, соединяющие кремниевую рамку с контактными площадками, и токоведущие шины, соединяющие обкладки с контактными площадками, присоединение рамки с основанием проводят электростатическим способом при 400. . . 500oС при подаче постоянного напряжения +800...1000 В на рамку, при герметизации сформированных емкостей и областей перемещения инерциальных масс на основание приплавляют легкоплавким стеклом при 450...500oС каркас из щелочносодержащего стекла, соприкасающийся с основанием в зоне между контактными площадками и сформированными емкостями, и к каркасу электростатическим способом в вакууме не менее 0,0001 мм рт.ст. при 400...450oС при подаче постоянного напряжения +800...1000 В присоединяют крышку из кремния толщиной h.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании рамки с платами создают на прилегающей к основанию поверхности рамки из пленки алюминия толщиной, соответствующей толщине пленки алюминия на основании, области, конфигурация которых повторяет рамку за исключением участков токоведущих шин основания, заходящих на рамку.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до присоединения к каркасу в крышке из кремния со стороны, прилегающей к каркасу, локальным травлением кремния через маску формируют мембрану размером □ (5...10)h и толщиной (0,1. . . 0,2)h, по прогибу которой проводят оценку герметизации вакуумированной полости со сформированными емкостями и областей перемещения инерциальных масс.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001119005A RU2207658C2 (ru) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001119005A RU2207658C2 (ru) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2207658C2 true RU2207658C2 (ru) | 2003-06-27 |
Family
ID=29209980
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001119005A RU2207658C2 (ru) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2207658C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2601219C1 (ru) * | 2015-08-24 | 2016-10-27 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления микромеханических упругих элементов |
RU2620987C1 (ru) * | 2016-07-22 | 2017-05-30 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Способ формирования 3d микроструктур кремния металл-стимулированным травлением |
RU2662499C1 (ru) * | 2017-09-01 | 2018-07-26 | Общество ограниченной ответственности "Игла" | Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния |
-
2001
- 2001-07-09 RU RU2001119005A patent/RU2207658C2/ru active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2601219C1 (ru) * | 2015-08-24 | 2016-10-27 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Способ изготовления микромеханических упругих элементов |
RU2620987C1 (ru) * | 2016-07-22 | 2017-05-30 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Способ формирования 3d микроструктур кремния металл-стимулированным травлением |
RU2662499C1 (ru) * | 2017-09-01 | 2018-07-26 | Общество ограниченной ответственности "Игла" | Способ изготовления микромеханических элементов из пластин монокристаллического кремния |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6263735B1 (en) | Acceleration sensor | |
US7005732B2 (en) | Methods and systems for providing MEMS devices with a top cap and upper sense plate | |
US7316965B2 (en) | Substrate contact for a capped MEMS and method of making the substrate contact at the wafer level | |
CN106698330B (zh) | 用于集成mems-cmos装置的方法和结构 | |
US20020106862A1 (en) | Glass frit wafer bonding process and packages formed thereby | |
US20030183009A1 (en) | Micro inertia sensor and method of manufacturing the same | |
JP2005534897A (ja) | モノリシックシリコン加速度センサー | |
JP2013030759A (ja) | パッケージされたデバイス、パッケージング方法及びパッケージ材の製造方法 | |
JP2012225920A (ja) | マイクロ−電子機械システム(mems)デバイス | |
JP2001066321A (ja) | マイクロマシニング型の構成エレメント | |
GB9819821D0 (en) | Improvements relating to micro-machining | |
EP2017628A1 (en) | Physical sensor and method of manufacturing | |
EP3030875B1 (en) | Inertial and pressure sensors on single chip | |
JP4665942B2 (ja) | 半導体力学量センサ | |
US8240205B2 (en) | Mechanical quantity sensor and method of manufacturing the same | |
JP2009016717A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
RU2207658C2 (ru) | Способ изготовления микромеханического инерциального чувствительного элемента емкостного типа | |
JP4562524B2 (ja) | モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法 | |
US20090139328A1 (en) | Packaged micro movable device and method for making the same | |
KR20000028948A (ko) | 각속도 센서 제조방법 | |
JP3405108B2 (ja) | 外力計測装置およびその製造方法 | |
JP6569382B2 (ja) | 電子デバイスの製造方法 | |
JP2007322149A (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
JP5598420B2 (ja) | 電子デバイスの製造方法 | |
JPH11326366A (ja) | 半導体電子部品装置及びその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |