CN103213939B - 一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工方法，特别是具有不等高梳齿结构和需圆片级封装的硅微机电陀螺结构的加工方法。它包括步骤一：加工下封帽；步骤二：下封帽与敏感结构键合，敏感结构上表面结构加工；下封帽与敏感结构键合；步骤三：加工敏感结构，敏感结构支撑层与绝缘层的去除；氮化硅掩膜图形化；生长二氧化硅；敏感结构掩膜图形化；刻蚀定齿结构；刻蚀动齿结构；步骤四：加工上封帽，上封帽引线孔加工；上封帽质量块加工；步骤五：敏感结构与上封帽键合；步骤六：金属化。本发明的效果是：有利于保证线条质量，提高梳齿结构的侧壁垂直度；解决了不同材料的热膨胀系数不同所引起的残余应力等问题，提高了工艺兼容性；减少了加工工序，降低了工艺成本。

Description

一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法

技术领域

本发明涉及一种四质量硅微机电陀螺结构加工方法，特别是具有不等高梳齿结构和需圆片级封装的硅微机电陀螺结构的加工方法。

背景技术

微机电陀螺的研究始于20世纪80年代。1985年，Drape实验室首先开始研制微机电陀螺，其性能由1994年的漂移为4000°/h到2000年的漂移优于10°/h。2002年，美国喷气实验室开发了一种用于飞行器的硅微陀螺，性能指标1°/h。目前，正在向0.1°/h甚至更高的精度方向发展。由于具有体积小、质量轻、可靠性高、功耗低、可批量生产和测量范围大等优点，微陀螺在制导炮弹、小型卫星和航天器、汽车防滑刹车***、安全气囊展开和自动调整***等军事和民用方面得到广泛的应用。

目前，MEMS器件多采用硅材料，它具有优良的机械和电气特性。为提高硅微机电陀螺的性能指标，本专利中涉及的微机电陀螺结构为四质量块微机电陀螺。下面具体说明四质量微机电陀螺的结构特征。

图1表示四质量硅微机电陀螺100三维结构示意图。本发明中的微机电陀螺100包括上封帽20、敏感结构10和下封帽30三部分构成，呈典型的“三明治”结构，上封帽20和下封帽30关于敏感结构10对称。

上述敏感结构10主要包括敏感结构质量块11、支撑梁12、梳齿结构13、锚点14、中心支撑点17和连接结构16等结构。敏感结构10的厚度为60～80μm。

上述敏感结构质量块11共有4个，4个敏感结构质量块11以中心支撑点17为中心沿圆周均匀布置。敏感结构质量块11呈弧形，弧度为60°，且每个质量块的面积、厚度均相同。在相邻敏感结构质量块11之间设置驱动定轮连接块15。

上述4个敏感结构质量块11分别通过4个支撑梁12与中心支撑点17相连，其中支撑梁12宽度约为20～30μm。

上述梳齿结构13包括定齿13a和动齿13b，其中动齿13b位于于敏感结构质量块11上，定齿13a位于驱动定轮连接块15上，动齿13b与定齿13a的宽度为3～5μm，平面尺寸精度控制在±0.5μm以内，侧壁垂直度控制90°±1°，且两者交错分布，间隙约为3～5μm。

上述上封帽20共有13个引线孔22，其中引线孔22a、引线孔22b、引线孔22c和引线孔22d主要用于给上封帽质量块21、下极板质量块31施加电信号；引线孔22e用于向敏感结构10施加电信号；引线孔22f、引线孔22g、引线孔22h和引线孔22i用于向定齿13a施加电信号。

上述敏感结构质量块11与上封帽质量块21、下极板质量块31存在一定的电容间隙，通常为2～3μm。

图2a～图2b为不等高梳齿结构示意图。图2a为定齿13a和动齿13b的二维截面图，其中定齿13a和动齿13b之间存在一定的间隙G，一般为2～3μm。定齿13a高度为T，动齿的高度为T1，其中动齿13b的顶部与底部的高度与定齿的相应位置的高度差分别为ΔT2。图2b为定齿13a和动齿13b的侧面示意图，可以看出相邻的定齿13a和动齿13b存在一定的重叠区域18。

图3a～图3c表示敏感结构10、上封帽20和下封帽30结构示意图。图3a表示上封帽器件层20a结构，共有4个质量块，上封帽质量块21a、上封帽质量块21b、上封帽质量块21c和上封帽质量块21d，4个连接结构，上封帽连接结构26a、上封帽连接结构26b、上封帽连接结构26c和上封帽连接结构26d，其中上封帽连接结构26a、上封帽连接结构26b、上封帽连接结构26c和上封帽连接结构26d分别与上封帽质量块21a、上封帽质量块21b、上封帽质量块21c和上封帽质量块21d相连，且相对于上封帽质量块21，上封帽连接结构26呈逆时针旋转。图3b表示敏感结构10，共有4个质量块，敏感结构质量块11a、敏感结构质量块11b、敏感结构质量块11c和敏感结构质量块11d，4个连接结构，感结构连接结构16a、感结构连接结构16b、感结构连接结构16c和感结构连接结构16d，其中感结构连接结构16a、感结构连接结构16b、感结构连接结构16c和感结构连接结构16d与敏感结构质量块11a、敏感结构质量块11b、敏感结构质量块11c和敏感结构质量块11d不相连。图3c表示下封帽器件层30a，共有4个质量块，下极板质量块31a、下极板质量块31b、下极板质量块31c和下极板质量块31d，4个连接结构，下极板连接结构36a、下极板连接结构36b、下极板连接结构36c和下极板连接结构36d，其中下极板连接结构36a、下极板连接结构36b、下极板连接结构36c和下极板连接结构36d分别与下极板质量块31a、下极板质量块31b、下极板质量块31c和下极板质量块31d相连，且相对于下极板质量块31，下极板连接结构36呈顺时针旋转。圆片级封装过程中，通过硅直接键合，上封帽连接结构26a、敏感结构连接结构16a和下极板连接结构36b键合在一起，这样上封帽质量块21a与下极板质量块31b实现电学互连。同理，上封帽质量块21b、上封帽质量块21c和上封帽质量块21d分别与下极板质量块31c、下极板质量块31d和下极板质量块31a实现电学互连。若向上封帽质量块21a、上封帽质量块21b、上封帽质量块21c和上封帽质量块21d分别施加“+”、“-”、“+”、“-”信号，则下极板质量块31a、下极板质量块31b、下极板质量块31c和下极板质量块31d为“-”、“+”、“-”、“+”信号。

目前，常采用光刻、刻蚀、键合等工艺加工上述结构，需要保证：(1)中间敏感结构的定齿13a和动齿13b高度差要求控制在2～3μm以内，同时平面尺寸精度控制在±0.5μm以内，侧壁垂直度控制90°±1°；(2)敏感结构10要求实现低应力圆片级封装；(3)要求在引线孔22中进行金属化，使金属电极与上下极板、锚点等结构实现良好欧姆接触，但是由于引线孔22深度较深，因此难度很大。

因此，本发明中四质量块硅微机电陀螺结构的加工难点有：(1)高精度不等高梳齿的加工。目前常采用单层掩膜(SiO₂)工艺方案和金属(Al)与介质掩膜(Si₃N₄)双掩膜工艺方案，但单层掩膜工艺方案加工不等高结构时，很难精确控制每次掩膜刻蚀的厚度且经过多次刻蚀易造成较大的尺寸误差，而金属和介质掩膜双层掩膜工艺方案加工不等高结构时，由于金属掩膜图形化时，需采用湿法腐蚀，很难保证掩膜图形的尺寸精度和线条质量，进而影响微结构的尺寸精度和侧壁垂直度；(2)低应力圆片级封装。目前，硅微机电陀螺常采用玻璃(Corning7740)-硅阳极键合方式进行圆片级封装，但键合过程中，Corning7740的热膨胀系数从室温到450℃时几乎为常数3.3×10^-6/℃，而硅在这个温度区间的热膨胀系数由2.5×10^-6/℃增至4×10^-6/℃，这样导致玻璃-硅键合界面会存在较大的残余应力，严重影响微机电陀螺的性能指标；(3)深引线孔金属化工艺。传统工艺中，常采用剥离(lift-off)工艺对微结构进行金属化，但由于上述结构中引线孔深度较深，匀胶过程中，光刻胶堆积于深引线孔内，很难显影干净，因此无法采用剥离工艺进行金属化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术缺陷，提供一种基于SOI工艺加工四质量块微机电陀螺的方法。本发明采取的技术方案如下：

一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，包括下述步骤：

步骤一：加工下封帽

步骤1.2：下封帽基片加工

对清洗完成的基片进行光刻工艺，形成掩膜图形，再进行深反应离子刻蚀深硅刻蚀，刻蚀深度SOI基片下封帽器件层30a的厚度，形成下封帽的边框结构53、下极板质量块31、下极板连接结构36和下极板中心支撑点37，最后利用5％的NaOH溶液去除光刻胶，

步骤二：下封帽与敏感结构键合

步骤2.2：敏感结构上表面结构加工

对清洗好的敏感结构基片进行光刻形成掩膜图形，最后进行深反应离子刻蚀，对无掩膜覆盖的硅材料进行刻蚀，形成浅槽结构61，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm，并用5％的NaOH溶液去除光刻胶掩膜，

步骤2.3：下封帽与敏感结构键合

将敏感结构10和下封帽30进行对准，然后在键合机进行硅直接键合，键合完成后在高温退火炉中进行退火，退火温度为1000℃，退火时间4小时，键合区域为敏感结构边框结构51和下封帽边框结构53、中心支撑点17和下极板中心支撑点37、敏感结构连接结构16和下极板连接结构36，

步骤三：加工敏感结构

步骤3.1：敏感结构支撑层与绝缘层的去除

敏感结构支撑层10c通过机械研磨或湿法腐蚀的方法进行去除，湿法腐蚀可采用KOH溶液进行腐蚀，KOH浓度为40％(质量浓度)，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间约10小时，敏感结构绝缘层10b可采用缓冲HF(HF∶NH₄F＝1∶5，体积比)进行腐蚀去除，去除敏感结构基片的敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b的结构如图9所示，本领域的技术人员利用本步骤提供的KOH浓度，腐蚀温度和腐蚀时间可以完成敏感结构支撑层10c的腐蚀过程，同时利用本步骤提供的缓冲HF可以完成敏感结构绝缘层10b腐蚀去除，

步骤3.2：氮化硅掩膜图形化

首先在上步去除敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b后的表面沉积Si₃N₄掩膜，沉积方式为增强型等离子PECVD，薄膜厚度为400～500nm，然后通过光刻和RIE刻蚀Si₃N₄掩膜图形101，

步骤3.3：生长二氧化硅

采用热氧化方法制备SiO₂掩膜，上步去除Si₃N₄掩膜后的Si片表面生长SiO₂，形成掩膜图形102，SiO₂掩膜厚度为400～500nm，

步骤3.4：敏感结构掩膜图形化

光刻敏感结构图形，再对无光刻胶103覆盖的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102进行RIE刻蚀，形成动齿掩膜图形104和定齿掩膜图形105，

步骤3.5：刻蚀定齿结构

对无掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成敏感结构连接结构16、中心支撑点17和敏感结构边框结构51，刻蚀深度为敏感结构器件层10a的厚度，为60～80μm，

步骤3.6：刻蚀动齿结构

首先去除光刻胶，再湿法腐蚀Si₃N₄掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％的磷酸(H₃PO₄)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，最后对没有Si₃N₄掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成质量块结构11，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm，

步骤四：加工上封帽

步骤4.2：上封帽引线孔加工

将SOI基片上、下表面同时制备掩膜，先制备SiO₂掩膜，再在SiO₂掩膜上制备Si₃N₄掩膜，其中SiO₂掩膜采用热氧化方式制备，厚度为100nm～150nm，Si₃N₄掩膜采用低压化学气相沉积(LPCVD)方式制备，厚度为400～500nm，然后在上封帽支撑层20c上光刻引线孔22图形，再利用RIE刻蚀掩膜图形，下一步湿法腐蚀引线孔22，腐蚀液为40％(质量百分比)的KOH溶液，腐蚀温度为60℃，腐蚀时间为8～10h，腐蚀深度为支撑层20c厚度，最后腐蚀去除掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％(质量百分比)的磷酸(H₃PO₄)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，SiO₂掩膜腐蚀液为缓冲HF(HF∶NH₄F＝1∶5，体积比)，腐蚀温度为50～60℃，

步骤4.3：上封帽质量块加工

加工方法与步骤1.2中的下封帽器件层30a的加工方法相同，通过光刻形成掩膜图形，最后利用深反应离子刻蚀进行深硅刻蚀形成上封帽器件层20a结构，并去除剩余光刻胶掩膜，

步骤五：敏感结构与上封帽键合

键合工艺过程与步骤2.3键合工艺相同，键合区域为敏感结构边框结构51和上封帽边框结构52、中心支撑点17和上极板中心支撑点27、敏感结构连接结构16和上封帽连接结构26，

至此加工好的产品可以称为微机电陀螺100，

步骤六：金属化

键合完成后，将微机电陀螺100与金属遮挡板50对准并进行有效固定，再采用热蒸发方式向引线孔22内镀制金属薄膜41，使金属薄膜41与上封帽器件层20a形成良好欧姆结构，其中金属薄膜41的材料为Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度为800～1000nm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分别为20nm/50nm/200nm，镀膜结束后，将金属遮挡板50与微机电陀螺100分离，最后，将引线40与金属薄膜41进行引线键合，以实现信号的输入和输出。

如上所述的一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其中，制作过程按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行；或按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工。

如上所述的一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其中，按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行加工时，加工上封帽的步骤设置在加工下封帽与下封帽与敏感结构键合之间，或者设置在下封帽与敏感结构键合与加工敏感结构之间。

如上所述的一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其中，当按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工的时候，加工下封帽的步骤设置在加工上封帽与敏感结构与上封帽键合之间，或者设置在敏感结构与上封帽键合与加工敏感结构之间。

如上所述的一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其中，在步骤一中增加下述步骤

步骤1.1清洗下封帽基片

在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，该基片包括下封帽器件层30a、下封帽绝缘层30b和下封帽支撑层30c，其中下封帽器件层30a为Si，p型掺杂，(111)晶向，厚度为60～80μm，下封帽绝缘层30b为SiO₂，厚度为1～2μm，下封帽支撑层30c，p型掺杂，(111)晶向，厚度为400～500μm，清洗工艺如下：第一步在70℃～75℃的SC-1(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5，体积比)中清洗5～10min，第二步在70℃～75℃的SC-2(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6，体积比)中清洗5～10min，最后用去离子水冲洗，

在步骤二中增加下述步骤：

步骤2.1：敏感结构基片清洗

先清洗SOI基片，SOI基片的技术要求与上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工艺与步骤1.1中清洗工艺相同，

在步骤四中增加下述步骤：

步骤4.1：上封帽基片清洗

首先清洗SOI基片，清洗方法与步骤1.1清洗工艺相同。。

采用上述技术方案，本发明取得以下的效果：

1.本发明通过双掩膜(SiO₂和Si₃N₄)技术方案实现了不等高梳齿结构的加工，同时采用干法刻蚀进行掩膜图形化，有利于保证线条质量，提高梳齿结构的侧壁垂直度；

2.本发明基于三层SOI基片，并利用硅直接键合技术对敏感结构进行圆片级封装，一方面有效解决了不同材料的热膨胀系数不同所引起的残余应力等问题，另一方面SOI基片中SiO₂绝缘层可起电学隔离作用和腐蚀停止层作用，提高了工艺兼容性；

3.本发明采用遮挡板定向溅射方法进行深引线孔金属化，避免了剥离工艺中深引线孔的匀胶、显影及后续光刻胶剥离等问题，减少了加工工序，降低了工艺成本。

附图说明

图1是四质量硅微机电陀螺结构示意图；

图2a是不等高梳齿二维截面示意图；

图2a是不等高梳齿二维侧面示意图；

图3a表示敏感结构的示意图；

图3b表示上封帽的示意图；

图3c表示下封帽的示意图；

图4是下封帽加工示意图；

图5是上封帽引线孔加工示意图；

图6是上封帽质量块加工示意图；

图7是敏感结构上表面加工示意图；

图8是敏感结构与下封帽键合示意图；

图9是敏感结构支撑层与绝缘层去除示意图；

图10是氮化硅掩膜图形化示意图；

图11是生长氧化硅示意图；

图12是定齿图形化示意图；

图13是刻蚀定齿示意图；

图14是刻蚀动齿示意图；

图15是敏感结构与上封帽键合示意图；

图16是深引线孔金属化示意图。

图中：10.敏感结构、10a.敏感结构器件层、10b.敏感结构绝缘层、10c.敏感结构支撑层、11.11a.11b.11c.11d.敏感结构质量块、12.支撑梁、13.梳齿结构、13a.定齿、13b.动齿、14.锚点、15.驱动定轮连接块、16.16a.16b.16c.16d.敏感结构连接结构、17.中心支撑点、18.重叠区域、20.上封帽、20a.上封帽器件层、20b.上封帽绝缘层、20c.上封帽支撑层、21.21a.21b.21c.21d.上封帽质量块、22.22a.22b.22c.22d.22e.22f.22g.22h.22i.引线孔、26.26a.26b.26c.26d.上封帽连接结构、27.上极板中心支撑点、30.下封帽、30a.下封帽器件层、30b.下封帽绝缘层、30c.下封帽支撑层、31.31a.31b.31c.31d.下极板质量块、36.36a.36b.36c.36d.下极板连接结构、37.下极板中心支撑点、40.引线、41.金属薄膜、50.金属遮挡板、51.敏感结构边框结构、52.上封帽边框结构、53.下封帽边框结构、61.浅槽结构、100.微机电陀螺、101.氮化硅掩膜、102.氧化硅掩膜、103.光刻胶、104.动齿掩膜图形、105.定齿掩膜图形。

具体实施方式

下面根据附图来说明本发明的具体实施方式。

一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，包括下述步骤：

步骤一：加工下封帽

步骤1.1清洗下封帽基片

如附图4所示，在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，该基片包括下封帽器件层30a、下封帽绝缘层30b和下封帽支撑层30c，其中下封帽器件层30a为Si，p型掺杂，(111)晶向，厚度为60～80μm，下封帽绝缘层30b为SiO₂，厚度为1～2μm，下封帽支撑层30c，p型掺杂，(111)晶向，厚度为400～500μm。清洗工艺如下：第一步在70℃～75℃的SC-1(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5，体积比)中清洗5～10min，第二步在70℃～75℃的SC-2(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6，体积比)中清洗5～10min，最后用去离子水冲洗。

步骤1.2：下封帽基片加工

对清洗完成的基片进行光刻工艺，形成掩膜图形，再进行深反应离子刻蚀深硅刻蚀，刻蚀深度SOI基片下封帽器件层30a的厚度，形成下封帽的边框结构53、下极板质量块31、下极板连接结构36和下极板中心支撑点37，最后利用5％的NaOH溶液去除光刻胶。本步骤的光刻、深硅刻蚀、去胶采用现有技术实现。

步骤二：下封帽与敏感结构键合

步骤2.1：敏感结构基片清洗

先清洗SOI基片，SOI基片的技术要求与上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工艺与步骤1.1中清洗工艺相同。

步骤2.2：敏感结构上表面结构加工

对清洗好的敏感结构基片进行光刻形成掩膜图形，最后进行深反应离子刻蚀，对无掩膜覆盖的硅材料进行刻蚀，形成浅槽结构61，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm，并用5％的NaOH溶液去除光刻胶掩膜。加工好的敏感结构10的上表面结构如图7所示。本步骤的光刻、深反应离子刻蚀、去胶采用现有技术实现。

步骤2.3：下封帽与敏感结构键合

先利用步骤1.1中清洗工艺清洗敏感结构10和下封帽30，并将两者进行对准，然后在键合机进行硅直接键合，键合完成后在高温退火炉中进行退火，退火温度为1000℃，退火时间4小时。键合区域为敏感结构边框结构51和下封帽边框结构53、中心支撑点17和下极板中心支撑点37、敏感结构连接结构16和下极板连接结构36。敏感结构10的上表面与下封帽30键合好后的结构如图8所示。

步骤三：加工敏感结构

步骤3.1：敏感结构支撑层与绝缘层的去除

敏感结构支撑层10c可通过机械研磨或湿法腐蚀的方法进行去除，湿法腐蚀可采用KOH溶液进行腐蚀，KOH浓度为40％(质量浓度)，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间约10小时，敏感结构绝缘层10b可采用缓冲HF(HF∶NH₄F＝1∶5，体积比)进行腐蚀去除。去除敏感结构基片的敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b的结构如图9所示。本领域的技术人员利用本步骤提供的KOH浓度，腐蚀温度和腐蚀时间可以完成敏感结构支撑层10c的腐蚀过程，同时利用本步骤提供的缓冲HF可以完成敏感结构绝缘层10b腐蚀去除。

步骤3.2：氮化硅掩膜图形化

首先在上步去除敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b后的表面沉积Si₃N₄掩膜，沉积方式为增强型等离子PECVD，薄膜厚度为400～500nm，然后通过光刻和RIE刻蚀Si₃N₄掩膜图形101。Si₃N₄掩膜图形化完成后的结构如图10所示。

步骤3.3：生长二氧化硅

采用热氧化方法制备SiO₂掩膜，上步去除Si₃N₄掩膜后的Si片表面生长SiO₂，形成掩膜图形102，SiO₂掩膜厚度为400～500nm。生长SiO₂完成后的结构如图11所示。

步骤3.4：敏感结构掩膜图形化

光刻敏感结构图形，再对无光刻胶103覆盖的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102进行RIE刻蚀，形成动齿掩膜图形104和定齿掩膜图形105。刻蚀敏感结构掩膜图形化完成后的结构如图12所示。

步骤3.5：刻蚀定齿结构

对无掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成敏感结构连接结构16、中心支撑点17和敏感结构边框结构51。刻蚀深度为敏感结构器件层10a的厚度，为60～80μm。定齿结构刻蚀完成后的结构如图13所示。

步骤3.6：刻蚀动齿结构

首先去除光刻胶，再湿法腐蚀Si₃N₄掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％的磷酸(H₃PO₄)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，最后对没有Si₃N₄掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成质量块结构11，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm。动齿结构刻蚀完成后的结构如图14所示。

步骤四：加工上封帽

步骤4.1：上封帽基片清洗

首先清洗SOI基片，清洗方法与步骤1.1清洗工艺相同。

步骤4.2：上封帽引线孔加工

将SOI基片上、下表面同时制备掩膜，先制备SiO₂掩膜，再在SiO₂掩膜上制备Si₃N₄掩膜。其中SiO₂掩膜采用热氧化方式制备，厚度为100nm～150nm，Si₃N₄掩膜采用低压化学气相沉积(LPCVD)方式制备，厚度为400～500nm。然后在上封帽支撑层20c上光刻引线孔22图形，再利用RIE刻蚀掩膜图形，下一步湿法腐蚀引线孔22，腐蚀液为40％(质量百分比)的KOH溶液，腐蚀温度为60℃，腐蚀时间为8～10h，腐蚀深度为支撑层20c厚度，最后腐蚀去除掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％(质量百分比)的磷酸(H₃PO₄)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，SiO₂掩膜腐蚀液为缓冲HF(HF∶NH₄F＝1∶5，体积比)，腐蚀温度为50～60℃。

步骤4.3：上封帽质量块加工

加工方法与步骤1.2中的下封帽器件层30a的加工方法相同，通过光刻形成掩膜图形，最后利用深反应离子刻蚀进行深硅刻蚀形成上封帽器件层20a结构，并去除剩余光刻胶掩膜。上封帽器件层20a加工完成后的结构如图6所示。

步骤五：敏感结构与上封帽键合

键合工艺过程与步骤2.3键合工艺相同。键合区域为敏感结构边框结构51和上封帽边框结构52、中心支撑点17和上极板中心支撑点27、敏感结构连接结构16和上封帽连接结构26。敏感结构10与上封帽20进行硅直接键合形成圆片级封装后的结构如图15所示。

至此加工好的产品可以称为微机电陀螺100。

步骤六：金属化

键合完成后，将微机电陀螺100与金属遮挡板50对准并进行有效固定，再采用热蒸发方式向引线孔22内镀制金属薄膜41，使金属薄膜41与上封帽器件层20a形成良好欧姆结构。其中金属薄膜41的材料为Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度为800～1000nm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分别为20nm/50nm/200nm。镀膜结束后，将金属遮挡板50与微机电陀螺100分离。最后，将引线40与金属薄膜41进行引线键合，以实现信号的输入和输出。金属化完成后的结构如附图16所示。

上述制作过程可以如本申请实施例所述的按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行；也可以按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工。另外按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行加工时，加工上封帽的步骤可以设置在加工下封帽与下封帽与敏感结构键合之间，也可以设置在下封帽与敏感结构键合与加工敏感结构之间；类似的当按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工的时候，加工下封帽的步骤可以设置在加工上封帽与敏感结构与上封帽键合之间也可以设置在敏感结构与上封帽键合与加工敏感结构之间。

Claims (7)

1.一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：加工下封帽

步骤1.2：下封帽基片加工

对清洗完成的基片进行光刻工艺，形成掩膜图形，再进行深反应离子刻蚀深硅刻蚀，刻蚀深度为SOI基片下封帽器件层的厚度，形成下封帽的边框结构、下极板质量块、下极板连接结构和下极板中心支撑点，最后利用5％的NaOH溶液去除光刻胶，

步骤二：下封帽与敏感结构键合

步骤2.2：敏感结构上表面结构加工

对清洗好的敏感结构基片进行光刻形成掩膜图形，最后进行深反应离子刻蚀，对无掩膜覆盖的硅材料进行刻蚀，形成浅槽结构，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差△T2，为2～3μm，并用5％的NaOH溶液去除光刻胶掩膜，

步骤2.3：下封帽与敏感结构键合

将敏感结构和下封帽进行对准，然后在键合机进行硅直接键合，键合完成后在高温退火炉中进行退火，退火温度为1000℃，退火时间4小时，键合区域为敏感结构边框结构和下封帽边框结构、中心支撑点和下极板中心支撑点、敏感结构连接结构和下极板连接结构，

步骤三：加工敏感结构

步骤3.1：敏感结构支撑层与绝缘层的去除

敏感结构支撑层通过机械研磨或湿法腐蚀的方法进行去除，湿法腐蚀采用KOH溶液进行腐蚀，KOH浓度为40％，质量浓度，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间约10小时，敏感结构绝缘层采用缓冲HF，HF：NH₄F＝1：5，体积比，进行腐蚀去除，去除敏感结构基片的敏感结构支撑层和敏感结构绝缘层的结构，利用本步骤提供的KOH浓度，腐蚀温度和腐蚀时间可以完成敏感结构支撑层的腐蚀过程，同时利用本步骤提供的缓冲HF完成敏感结构绝缘层腐蚀去除，

步骤3.2：氮化硅掩膜图形化

首先在上步去除敏感结构支撑层和敏感结构绝缘层后的表面沉积Si₃N₄掩膜，沉积方式为增强型等离子PECVD，薄膜厚度为400～500nm，然后通过光刻和RIE刻蚀Si₃N₄掩膜图形，

步骤3.3：生长二氧化硅

采用热氧化方法制备SiO₂掩膜，上步去除Si₃N₄掩膜后的Si片表面生长SiO₂，形成掩膜图形，SiO₂掩膜厚度为400～500nm，

步骤3.4：敏感结构掩膜图形化

光刻敏感结构图形，再对无光刻胶覆盖的氮化硅掩膜和氧化硅掩膜进行RIE刻蚀，形成动齿掩膜图形和定齿掩膜图形，

步骤3.5：刻蚀定齿结构

对无掩膜覆盖的敏感结构器件层进行深反应离子刻蚀，形成敏感结构连接结构、中心支撑点和敏感结构边框结构，刻蚀深度为敏感结构器件层的厚度，为60～80μm，

步骤3.6：刻蚀动齿结构

首先去除光刻胶，再湿法腐蚀Si₃N₄掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％的磷酸，H₃PO₄，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，最后对没有Si₃N₄掩膜覆盖的敏感结构器件层进行深反应离子刻蚀，形成质量块结构，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差△T2，为2～3μm，

步骤四：加工上封帽

步骤4.2：上封帽引线孔加工

将SOI基片上、下表面同时制备掩膜，先制备SiO₂掩膜，再在SiO₂掩膜上制备Si₃N₄掩膜，其中SiO₂掩膜采用热氧化方式制备，厚度为100nm～150nm，Si₃N₄掩膜采用低压化学气相沉积，LPCVD，方式制备，厚度为400～500nm，然后在上封帽支撑层上光刻引线孔图形，再利用RIE刻蚀掩膜图形，下一步湿法腐蚀引线孔，腐蚀液为40％，质量百分比，的KOH溶液，腐蚀温度为60℃，腐蚀时间为8～10h，腐蚀深度为支撑层厚度，最后腐蚀去除掩膜，Si₃N₄掩膜腐蚀液为80％，质量百分比，的磷酸，H₃PO₄，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，SiO₂掩膜腐蚀液为缓冲HF，HF：NH₄F＝1：5，体积比，腐蚀温度为50～60℃，

步骤4.3：上封帽质量块加工

加工方法与步骤1.2中的下封帽器件层的加工方法相同，通过光刻形成掩膜图形，最后利用深反应离子刻蚀进行深硅刻蚀形成上封帽器件层结构，并去除剩余光刻胶掩膜，

步骤五：敏感结构与上封帽键合

键合工艺过程与步骤2.3键合工艺相同，键合区域为敏感结构边框结构和上封帽边框结构、中心支撑点和上极板中心支撑点、敏感结构连接结构和上封帽连接结构，

至此加工好的产品可以称为微机电陀螺，

步骤六：金属化

键合完成后，将微机电陀螺与金属遮挡板对准并进行有效固定，再采用热蒸发方式向引线孔内镀制金属薄膜，使金属薄膜与上封帽器件层形成良好欧姆结构，其中金属薄膜的材料为Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度为800～1000nm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分别为20nm/50nm/200nm，镀膜结束后，将金属遮挡板与微机电陀螺分离，最后，将引线与金属薄膜进行引线键合，以实现信号的输入和输出。

2.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：制作过程按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行；或按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工。

3.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：按照加工下封帽、加工上封帽、下封帽与敏感结构键合、加工敏感结构、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行加工。

4.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：按照加工下封帽、下封帽与敏感结构键合、加工上封帽、加工敏感结构、敏感结构与上封帽键合、金属化的加工顺序进行加工。

5.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：按照加工上封帽、加工下封帽、敏感结构与上封帽键合、加工敏感结构、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工。

6.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：按照加工上封帽、敏感结构与上封帽键合、加工下封帽、加工敏感结构、下封帽与敏感结构键合、金属化的顺序加工。

7.如权利要求1所述的四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于：在步骤一中增加下述步骤

步骤1.1清洗下封帽基片

在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，该基片包括下封帽器件层、下封帽绝缘层和下封帽支撑层，其中下封帽器件层为Si，p型掺杂，(111)晶向，厚度为60～80μm，下封帽绝缘层为SiO₂，厚度为1～2μm，下封帽支撑层，p型掺杂，(111)晶向，厚度为400～500μm，清洗工艺如下：第一步在70℃～75℃的SC-1,NH₄OH：H₂O₂：H₂O＝1：1：5，体积比中清洗5～10min，第二步在70℃～75℃的SC-2,HCl：H₂O₂：H₂O＝1：1：6，体积比中清洗5～10min，最后用去离子水冲洗，

在步骤二中增加下述步骤：

步骤2.1：敏感结构基片清洗

先清洗SOI基片，SOI基片的技术要求与上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工艺与步骤1.1中清洗工艺相同，

在步骤四中增加下述步骤：

步骤4.1：上封帽基片清洗

首先清洗SOI基片，清洗方法与步骤1.1清洗工艺相同。