CN102495234B - 一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法，其特征在于(1)双器件层SOI硅片为弹性梁-质量块结构的基片；(2)固定上电极、固定下电极分别位于质量块的上下两边；(3)弹性梁为直梁，其一端与质量块相连，另一端与支撑框架相连；(4)过载保护凸点制作在质量块的上下两面；(5)阻尼调节槽制作在质量块的上下两面；(6)质量块电极引出通孔的位置在支撑框架之上。利用湿法腐蚀自停止技术，在湿法腐蚀中一次加工形成加速度传感器中最为重要的弹性梁-质量块结构；利用硅硅直接键合方法实现了三层硅片的键合，质量块电极引出通孔通过红外对准光刻在固定上电极制作。在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉轴灵敏度。

Description

一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法

技术领域

本发明涉及一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法，更确切地说本发明涉及一种基于双器件层SOI硅片的双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法。属于微电子机械***领域。

背景技术

微加速度传感器是一种重要的惯性传感器，将外界加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号。硅微加速度传感器的类型较多，按检测质量的运动方式来分，有角振动式和线振动式；按检测质量支承方式来分，有扭摆式和悬臂梁式；按信号检测方式来分，有电容式、电阻式和隧道电流式；按控制方式来分，有开环和闭环之分。

电容式加速度传感器是一种将被测的加速度信号转换为电容器的电容量变化的传感器。实现这种功能的方式通常有变间隙式和变面积式两种。传感器的可动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，由可动电极和固定电极构成的两个差分电容的间隙或相对面积发生变化，导致两个差分电容的电容量发生变化，将这种变化量用***电路检测出来就可测量加速度的大小。开环加速度传感器的接口电路是开环的，没有反馈，容易受外界干扰。闭环工作加速度传感器采用反馈功能，把输出电压施加到敏感可动质量块上，使质量块始终工作在零位附近，从而提高了线性度和抗干扰能力，改善了动态响应特性。

制作电容式微加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。体硅微机械加工方法是一种典型的微机械加工方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上还应用到键合或粘结技术，能够使得可动电极的敏感质量加大，检测电容量加大，传感器的分辨率和灵敏度等性能得以提高。高性能加速度传感器通常采用双面对称弹性梁-质量块结构，其制作方法非常关键，直接影响到电容式加速度传感器的各项性能。现有的制作通常是采用异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合方法。

采用异质自停止方法，如以二氧化硅梁工艺为例，它的流程是对硅片氧化后在氧化层上制作出梁的图形，然后通过硅腐蚀释放出由二氧化硅梁支撑着的梁-质量块结构。由于二氧化硅很脆，且氧化得到的二氧化硅厚度一般不超过3μm，所以使用二氧化硅梁的加速度传感器只能使用闭环检测电路，而且抗冲击性能很差。

采用浓硼掺杂自停止的方法(H Seidel，H Riedel，R Kolbeck，G Mueck，WKupke，M Koeniger，Capacitive Silicon Accelerometer with Highly SymmetricalDesign，Sensors and Actuators A：Physical，Vol.21，pp.312-315)，在制作双面对称弹性梁-质量块结构时，KOH腐蚀形成弹性梁-质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致弹性梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响加速度传感器的性能，如灵敏度和线性度等。

采用双层键合方法，形成双面对称弹性梁-质量块结构(W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384)。其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出弹性梁-质量块结构。将两个这样的弹性梁-质量块背靠背键合起来可以得到双面对称结构。这种方法的工艺非常复杂，成本相对较高。

本发明提出的一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器，属于变间隙式加速度传感器，其特征在于以双器件层SOI硅片为基片，利用湿法腐蚀自停止技术，在湿法腐蚀中一次加工形成加速度传感器中最为重要的弹性梁-质量块结构，质量块上下两面的弹性梁双面对称且平行。本发明提供的方法简化了微加速度传感器的制作工艺，提高了器件的成品率和一致性，在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉轴灵敏度，是一种非常实用的高精度电容式微加速度传感器。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器。所述的微加速度传感器基于双器件层SOI(100)单晶硅片包括质量块、电容间隙、阻尼调节槽、过载保护凸点、弹性梁、固定上电极、固定下电极和质量块电极引出通孔，其特征之一在于：

(1)双器件层SOI硅片为弹性梁-质量块结构的基片；

(2)固定上电极、固定下电极分别位于质量块的上下两边；

(3)弹性梁为直梁，其一端与质量块相连，另一端与支撑框架相连；

(4)过载保护凸点制作在质量块的上下两面。

(5)阻尼调节槽制作在质量块的上下两面。

(6)质量块电极引出通孔的位置在支撑框架之上。

本发明所提供的一种电容式微加速度传感器结构，特征之二在于微加速度传感器中质量块上下两面的弹性梁对称且平行，在双器件层SOI(100)单晶硅片的各向异性腐蚀过程中，能够一次加工，同时形成具有双层对称弹性梁-质量块结构。由此制作的电容式微加速度传感器，器件具有高度法向对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。

本发明所提供的一种电容式微加速度传感器结构，特征之三在于利用质量块的八个角处的直弹性梁，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。质量块的每个角处可以分布1根弹性梁或者2根弹性梁，但不仅限于此。

如图2所示，本发明提出的弹性梁-质量块结构中，弹性梁分布在质量快上层和下层的四个角，上层的弹性梁与下层对应位置的弹性梁相互对称且平行。

其中，①如图2a所示，弹性梁-质量块结构中质量块上层相邻的两根弹性梁分别与质量块呈T形排布，质量块下层相邻的两根弹性梁也分别与质量块呈T形排布，质量块上层、下层各四根弹性梁。

②如图2b所示，弹性梁-质量块结构呈H形排布，质量块上层、下层各四根弹性梁。

③如图2c所示，弹性梁-质量块结构呈井形排布，质量块上层、下层各八根弹性梁。

本发明的目的之二在于提供所述的双面对称弹性梁结构的电容式微加速度传感器的制作方法，其特征之一在于采用SOI埋层二氧化硅层作为释放弹性梁结构的自停止层，提供一种梁结构厚度精确可控的制作方法。

本发明所述的制作方法特征之二在于提供了一种实现三层硅片键合的方法，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固定上电极或固定下电极与质量块之间间隙可小于3μm，使制造出来的电容式微加速度传感器表现出较高的灵敏度。

本发明所述的制作方法特征之三在于提供两种阻尼调节槽的制作方法，一种采用两步光刻法、另一种通过设计阻尼槽宽度，利用各向异性腐蚀自停止形成V型阻尼调节槽。

本发明所述的制作方法特征之四在于中间电极引线孔图形在三层键合完成后进行红外光刻对准，省去了键合预对准的复杂工艺过程。

制作的工艺步骤简单描述如下：

由于设计中的结构微小(微米量级)，并应用到硅的各向异性腐蚀，所以要保证梁的截面形状一致以及矩形的质量块，光刻时必须严格对准<110>晶向。

1.弹性梁-质量块结构的制作：

(1)利用各向异性腐蚀方法，在经过氧化的(100)双抛双器件层SOI硅片上、下表面制作小于3μm的电容间隙；

(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通过各向异性腐蚀方法制作过载保护凸点(不超过1μm)；

(3)去除剩下区域的氧化层，氧化形成氧化硅，双面光刻，用各项异性腐蚀方法，在硅片上下表面腐蚀出双面对称弹性梁-质量块图形，腐蚀停止层是SOI的埋层氧化层，并形成阻尼调节槽；

(4)去除剩下区域的氧化层，通过热氧化，用氧化硅覆盖弹性梁的上表面、两个侧面以及质量块上下表面；

(5)再次对硅片进行双面光刻，制作出进行各向异性腐蚀的窗口；

(6)用各向异性腐蚀方法进行硅片腐蚀，直至双面对称弹性梁-质量块结构形成。在腐蚀完成弹性梁结构时，SOI的埋层氧化硅层作为腐蚀的停止层，实现了腐蚀梁工艺的自停止。

(7)去除剩下区域的腐蚀掩蔽用氧化层，得到弹性梁-质量块结构。

2.固定上电极和固定下电极直接通过双抛硅片的热氧化制作二氧化硅绝缘层。

3.通过硅硅直接键合方法实现层于三层硅片的键合，将固定上电极、弹性梁-质量块结构和固定下电极键合在一起。

4.通过红外对准光刻在键合片上下表面制作质量块电极引线通孔腐蚀窗口，而后进行腐蚀，形成质量块电极的引出通孔；

5.键合片的电极引出金属层制作，在键合片的正反面制作金属(溅射，蒸发等，但不限于此)(Al，Au，Ni等，但不限于此)。

其中，阻尼调节槽的两种制作方法

(1)两步光刻法

在上述制作弹性梁-质量块结构的第三步中分为两步进行，第一步双面光刻使弹性梁-质量块结构先腐蚀，第二步在质量块表面光刻制作出阻尼槽腐蚀窗口，进行第二次腐蚀，当梁结构腐蚀到SOI埋层二氧化硅时，停止腐蚀。这样就得到了弹性梁-质量块结构和质量块上的阻尼槽，阻尼槽深度等于第二次腐蚀梁结构的深度。

(2)通过设计阻尼槽宽度，利用各向异性腐蚀自停止形成V型阻尼调节槽。

通过设计阻尼调节槽宽度，使得质量块表面在硅的各向异性腐蚀形成V槽结构而自停止。阻尼调节槽的宽度B满足以下条件：H为SOI硅片的器件层硅层的厚度。

总而言之，本发明提供了一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法。本发明还提供了梁结构厚度精确可控的制作方法，采用SOI埋层氧化硅作为腐蚀自停止层，使工艺可控性大大提高。本发明提供了两种制作阻尼调节槽的方法，工艺简单可控。本发明提供了一种直接三层键合后红外对准实现引线孔的制作工艺，省去了键合预对准的复杂工艺流程，简化了工艺，提高了器件的成品率和一致性。本发明所提供的加速度传感器的性能稳定，在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉轴灵敏度。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是本发明提出的双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器示意图

图2是本发明提出的弹性梁-质量块结构示意图。

图2a质量块上层和下层相邻的两根弹性梁分别与质量块呈T形排布，质量块上层、下层各四根弹性梁。

图2b弹性梁-质量块结构呈H形排布，质量块上层、下层各四根弹性梁。

图2c弹性梁-质量块结构呈井形排布，质量块上层、下层各八根弹性梁。

图3(a)～图3(j)是本发明提出的双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器制作工艺流程示意图。其中，(a)双器件层SOI硅片的顶层硅和埋层二氧化硅；(b)在(a)基底上制作电容间隙；(c)制作过载保护凸点；(d)形成V型阻尼调节槽；(e)热氧化用SO₂覆盖弹性梁和质量块表面；(f)开出进行各向异性腐蚀的窗口；(g)中间层的弹性梁-质量块结构；(h)键合；(i)形成质量块电极的引出通孔；(j)引出金属层。

图4(a)～图4(d)是两步光刻法制作阻尼调节槽的工艺流程示意图。其中，(a)制作电容间隙；(b)制作过保护凸点；(c)制作弹性梁-质量块图形结构；(d)用光刻方法制作阻尼调节槽。

图中各数字代表的含义为：

1.固定上电极硅片  2.双器件层SOI硅片  3.固定下电极硅片  4.质量块  5.过载保护凸点  6.质量块电极引出金属层  7.阻尼调节槽  8.弹性梁  9.质量块电极引线通孔  10.双器件层SOI硅片的顶层硅  11.双器件层SOI硅片的埋层二氧化硅  12.电容间隙  13.固定上电极与质量块电极以及固定下电极与质量块电极绝缘层二氧化硅  14.质量块电极引线通孔腐蚀窗口  15.固定上电极引出金属层  16.固定下电极引出金属层  17.各向异性腐蚀释放窗口  18.支撑框架

具体实施方式

通过下面的双面对称弹性梁结构电容式微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.弹性梁-质量块结构的制作：

(1)利用各向异性腐蚀方法，在经过氧化的双抛双器件层SOI硅片上下表面制作电容间隙12，腐蚀深度1μm(图3b)；

(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、下两表面通过各向异性腐蚀方法制作过载保护凸点5(高1μm)，如图3c；

(3)去除剩下区域的氧化层，氧化形成氧化硅，双面光刻，用各向异性腐蚀方法，在硅片上、下表面刻蚀出双面对称弹性梁-质量块结构图形，腐蚀停止层是SOI的埋层氧化层，并形成阻尼调节槽7，如图3d；阻尼调节槽的宽度H为SOI硅片的器件层硅层的厚度。

(4)去除剩下区域的氧化层，通过热氧化，用氧化硅覆盖弹性梁的上表面、两个侧面以及质量块上、下表面，如图3e；

(5)再次对硅片进行双面光刻，开出进行各向异性腐蚀的窗口17，如图3f；

(6)用各向异性腐蚀方法进行硅片腐蚀，直至弹性梁8和质量块4形成。在腐蚀完成弹性梁结构时，SOI的埋层氧化硅层作为腐蚀的停止层，实现了腐蚀梁工艺的自停止。湿法各向异性腐蚀同时得到弹性梁8和质量块4，腐蚀深度由硅片的厚度决定。

(7)去除剩下区域的腐蚀掩蔽用氧化层，得到中间层的弹性梁-质量块结构，如图3g。

2.固定上电极硅片1和固定下电极硅片3直接通过双抛硅片的热氧化制作二氧化硅绝缘层。

3.通过键合，将固定上电极硅片1、双器件层SOI硅片2和固定下电极硅片3键合在一起，如图3h。

4.通过红外对准光刻在键合片上、下表面制作质量块电极引线通孔腐蚀窗口，而后进行腐蚀，形成质量块电极的引出通孔，如图3i。

5.键合片的电极引出金属层制作，在键合片的正反面制作Au金属层，如图3j。

实施例2

在实施例1中阻尼调节槽的制作方法为：通过设计阻尼槽宽度，利用各向异性腐蚀自停止形成V型阻尼调节槽。本实施例2中采用两步光刻法制作阻尼调节槽。

(1)利用各向异性腐蚀方法，在经过氧化的双抛双器件层SOI硅片上、下表面制作电容间隙12，腐蚀深度1μm，如图4a所示；

(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、下两表面通过各向异性腐蚀方法制作过载保护凸点(高1μm)，如图4b所示；

(3)去除剩下区域的氧化层，氧化形成氧化硅，双面光刻，用各向异性腐蚀方法，在硅片上、下表面腐蚀一定深度，制作出弹性梁-质量块图形，如图4c所示；

(4)再次进行双面光刻，在质量块表面光刻开出阻尼槽腐蚀窗口，进行第二次腐蚀，当梁结构腐蚀到SOI埋层二氧化硅时，停止腐蚀。这样就得到了弹性梁-质量块结构和质量块上的阻尼调节槽，阻尼调节槽的深度等于第二次腐蚀梁结构的深度，如图4d所示。必须强调的是光刻时必须严格对准<110>晶向，其它未涉及的步骤均与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种具有双面对称弹性梁结构的电容式微加速度传感器的制作方法，其特征在于包括以下各步骤： 

①在湿法腐蚀中一次加工完成弹性梁-质量块结构的制作： 

(a)利用各向异性腐蚀方法，在经过氧化的双器件层SOI(100)硅片上、下表面制作电容间隙； 

(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通过各向异性腐蚀方法制作过载保护凸点； 

(c)去除剩下区域的氧化层，氧化形成氧化硅，双面光刻，用各向异性腐蚀方法，在硅片上下表面腐蚀出双面对称弹性梁-质量块图形，腐蚀停止层是SOI的埋层氧化层，并形成阻尼调节槽； 

(d)去除剩下区域的氧化层，通过热氧化，用氧化硅覆盖弹性梁的上表面、两个侧面以及质量块上下表面； 

(e)再次对硅片进行双面光刻，制作出进行各向异性腐蚀的窗口； 

(f)用各向异性腐蚀方法进行硅片腐蚀，直至双面对称弹性梁-质量块结构形成，在腐蚀完成弹性梁结构时，SOI的埋层氧化层作为腐蚀的停止层，实现了腐蚀梁工艺的自停止； 

(g)去除剩下区域的腐蚀掩蔽用氧化层，得到弹性梁-质量块结构； 

②固定上电极和固定下电极直接通过双抛硅片的热氧化制作二氧化硅绝缘层； 

③通过硅硅直接键合方法实现了三层硅片的键合，将固定上电极、弹性梁-质量块结构和固定下电极键合在一起； 

④通过红外对准光刻在键合片上下表面制作质量块电极引线通孔腐蚀窗口，而后进行腐蚀，形成质量块电极的引出通孔； 

⑤键合片的电极引出金属层制作，在键合片的正反面制作金属层； 

其中，A.阻尼调节槽有两种制作方法 

(1)两步光刻法 

在步骤①弹性梁-质量块结构的制作中(c)步骤分为两步进行，第一步双面光刻使弹性梁-质量块结构先腐蚀，第二步在质量块表面光 刻制作出阻尼槽腐蚀窗口，进行第二次腐蚀，当梁结构腐蚀到SOI埋层氧化层时，停止腐蚀，所制得的阻尼调节槽深度等于第二次腐蚀梁结构的深度； 

(2)通过设计阻尼调节槽宽度，利用各向异性腐蚀自停止形成V型阻尼调节槽； 

通过设计阻尼调节槽宽度，使得质量块表面在硅的各向异性腐蚀形成V形槽结构而自停止，阻尼调节槽的宽度，H为SOI硅片的器件层硅层的厚度； 

B.上述步骤中涉及的光刻必须严格对准<110>晶向； 

按上述步骤所制作的电容式微加速度传感器基于双器件层SOI硅片，包括质量块、电容间隙、阻尼调节槽、过载保护凸点、弹性梁、固定上电极、固定下电极和质量块电极引出通孔；其中， 

(1)双器件层SOI硅片为弹性梁-质量块结构的基片； 

(2)固定上电极、固定下电极分别位于质量块的上下两边； 

(3)弹性梁为直梁，其一端与质量块相连，另一端与支撑框架相连； 

(4)过载保护凸点制作在质量块的上下两面； 

(5)阻尼调节槽制作在质量块的上下两面； 

(6)质量块电极引出通孔的位置在支撑框架之上。 

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于双器件层SOI硅片上、下表面制作电容间隙小于3μm。 

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于制作的过载保护凸点的高度不超过1μm。 

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤⑤制作金属层时采用溅射或蒸发方法，金属层为Al、Au或Ni。 

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于在所述传感器的弹性梁-质量块结构中，弹性梁分布在质量块上层和下层的四个角，上层的弹性梁与下层对应位置的弹性梁相互对称且平行。 

6.按权利要求1或5所述的方法，其特征在于在所述传感器的弹性梁-质量块结构中质量块上层相邻的两根弹性梁分别与质量块呈 T形排布，质量块下层相邻的两根弹性梁也分别与质量块呈T形排布，且质量块上层、下层各四根弹性梁。 

7.按权利要求1或5所述的方法，其特征在于所述传感器的弹性梁-质量块结构呈H形排布，质量块上层、下层各四根弹性梁。 

8.按权利要求1或5所述的方法，其特征在于所述传感器的弹性梁-质量块结构呈H形排布，质量块上层、下层各八根弹性梁。 

9.按权利要求1或5所述的方法，其特征在于所述传感器的弹性梁，无需采用凸角补偿结构就可使最终的质量块为矩形结构，具有高度法向对称性。