CN110514188B

CN110514188B - 陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法

Info

Publication number: CN110514188B
Application number: CN201910826543.1A
Authority: CN
Inventors: 邹波; 郭梅寒
Original assignee: Senodia Technologies Shanghai Co Ltd
Current assignee: Shendi semiconductor (Shaoxing) Co.,Ltd.
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: CN110514188A

Abstract

本发明提供了一种陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法，所述方法包括：质量块在若干弹性梁配合下适于沿驱动方向和检测方向活动；所述若干弹性梁包括相配合的第一弹性梁和第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁具有不同的结构，从而在限定所述若干弹性梁的工艺中，工艺参数的调整对于所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的影响程度不同，从而可以通过对所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的调整来抵消所述陀螺仪的正交误差。

Description

陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已得以越来越广泛的应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。其中，电容式MEMS陀螺仪，在成本、尺寸、功耗方面远小于其他传统技术的陀螺仪，目前已被广泛用于手机拍照防抖、无人机、机器人和车辆的姿态控制等领域。

电容式MEMS陀螺仪是基于微机械加工的器件，其主要依靠科氏力来检测角速度信号，具有两个工作模态，即驱动模态和检测模态。如图1所示，在理想情况下，当陀螺仪的驱动端施加驱动模态本征频率电信号后，陀螺仪的质量块会再驱动轴(X轴)以本征频率做往复振动。当外界有Z轴向的角速度输入时，在科氏力的作用下，质量块会同时在检测轴(Y轴)振动，振动幅度和角速度的大小呈线性关系，通过检测质量块在检测轴的振动幅度就可以求得当前的角速度大小。

由于微机械加工的制造工艺缺陷可能会导致陀螺仪出现非理想型结构，实际工作时，驱动模态下质量块并不严格在驱动轴振动，实际的振动方向可能会与驱动轴有一个小的角度偏差，这个偏差会使得驱动轴的振动直接耦合到检测轴，使得陀螺仪即使在角速度输入为零的情况下也还是会有检测信号输出，这种现象被称之为正交误差。

相较于传统的用于航空、航天、军工等领域的光纤陀螺仪、悬浮陀螺仪，电容式MEMS陀螺仪的绝对精度和偏移稳定性尚存在明显差距。电容式MEMS陀螺仪的正交误差是造成这种差距的一个主要因素，业内众多文献对正交误差已有广泛深入的研究，当陀螺仪设计上采用差分输出时，理想情况下正交误差能够被完美正负抵消。但是在MEMS晶圆加工过程中，当前技术加工能力无法保证正负极电容间距或影响电容位移的弹性梁刚度等关键结构完全对称，正交误差固然存在。需要额外的机制来降低正交误差，或减少正交误差对检测信号的影响。

业内目前最常用的补偿正交误差信号的方式为，在陀螺仪芯片测试阶段测量出当时的正交误差值，再在信号处理电路中设法将正交误差部分的信号减掉，从而减少正交误差对陀螺仪检测输出信号的影响。这个方法的缺点是仅从信号上进行了补偿，陀螺结构本身的实际正交误差运动仍然存在，当补偿电路本身波动，补偿值变化后，仍然会有正交误差信号产生。也有其它物理修正陀螺结构正交误差的方法，如激光修阻，但其操作难度和成本较高。

发明内容

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种修正陀螺仪正交误差的方法，质量块在若干弹性梁配合下适于沿驱动方向和检测方向活动；所述若干弹性梁包括相配合的第一弹性梁和第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁具有不同的结构，从而在限定所述若干弹性梁的工艺中，工艺参数的调整对于所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的影响程度不同，从而可以通过对所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的调整来抵消所述陀螺仪的正交误差。

进一步地，所述限定所述若干弹性梁的工艺是光刻工艺，通过所述光刻工艺调整所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的尺寸，从而影响两者的刚度。

进一步地，在所述光刻工艺中通过曝光能量来调整所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的尺寸。

进一步地，所述第一弹性梁为单梁结构，所述第二弹性梁包括若干子弹性梁，任一所述子弹性梁的尺寸小于所述第一弹性梁的尺寸，所述第二弹性梁的尺寸由所述若干子弹性梁的尺寸所限定。

进一步地，所述子弹性梁的数量为2。

进一步地，在制备所述陀螺仪的晶圆上，如不同区域的陀螺仪具有不同的正交误差，则在所述不同区域采用相应的所述工艺参数来使得所述不同区域的陀螺仪的正交误差均能被抵消。

进一步地，所述限定所述若干弹性梁的工艺是光刻工艺，通过步进式光刻机来对所述不同区域采用相应的曝光能量，以调整所述第一弹性梁的尺寸和所述第二弹性梁的尺寸，从而影响两者的刚度。

进一步地，设置有多个所述第一弹性梁以及一个所述第二弹性梁。

进一步地，所述第一弹性梁和所述第二弹性梁均设置在所述质量块的***。

本发明还提供了一种陀螺仪，采用上述修正陀螺仪正交误差的方法制备。

本发明还提供了一种图案转移版，至少用于陀螺仪中连接质量块的弹性梁的图案化，所述弹性梁的图案包括第一弹性梁图案和第二弹性梁图案，所述第一弹性梁图案与所述第二弹性梁图案不同，从而在图案化所述弹性梁的光刻工艺中，曝光能量的变化对所述第一弹性梁的尺寸和所述第二弹性梁的尺寸的影响程度不同。

进一步地，所述第一弹性梁图案为单线条，所述第二弹性梁图案包括若干子线条，任一所述子线条的尺寸小于所述第一弹性梁图案的尺寸，所述第二弹性梁图案的尺寸由所述若干子线条的尺寸所限定。

本发明的陀螺仪及工艺修正陀螺仪正交误差的方法，通过对弹性梁结构的改进结合工艺参数的调整，来克服弹性梁刚度的不对称，从而有效地抵消正交误差，并可解决晶圆上正交误差分布不均的问题。在实际应用中，相比于其它物理修正陀螺结构正交误差的方法，如激光修阻，其易于实现并且成本低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是一种现有的电容式MEMS陀螺仪正交耦合示意图；

图2是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例中正交误差分布示意图；

图4是本发明的一个实施例中增加曝光能量后的结构示意图；

图5是本发明的一个实施例中降低曝光能量后的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

图2是本发明的一个具体实施例的结构示意图，其中包括中心锚点A0、质量块M0、固定锚点A1～A4和固定电极E1～E4，整体结构沿水平方向和垂直方向均呈轴对称布置。

中心锚点A0通过弹性梁La、Lb、Lc、Ld与质量块M0连接，弹性梁La、Lb、Lc、Ld分别连接在质量块M0的四个角上并呈45度向外延伸同样长度并连接于质量块M0，使弹性梁La和Ld沿水平方向对称布置，弹性梁La和Lb沿垂直方向对称布置，弹性梁Lb和Lc沿水平方向对称布置，弹性梁Lc和Ld沿垂直方向对称布置。

固定电极E1和E3对称地设置在质量块M0的左右两侧，固定电极E1和E3上分别设置有指向质量块M0方向水平延伸的固定梳齿E10和E30，质量块M0的左右两侧分别设置有水平延伸地与固定梳齿E10和E30相配合的可动梳齿E11和E31。固定电极E1和E3可作为陀螺仪的驱动电极或检测电极，在本实施例中，将固定电极E1和E3作为驱动电极。

固定电极E2和E4对称地设置在质量块M0的上下两侧，固定电极E2和E4上分别设置有指向质量块M0方向垂直延伸的固定梳齿E20和E40，质量块M0的上下两侧分别设置有垂直延伸地与固定梳齿E20和E40相配合的可动梳齿E21和E41。固定电极E2和E4可作为陀螺仪的驱动电极或检测电极，在本实施例中，将固定电极E2和E4作为检测电极。

固定锚点A1～A4对称地分布在质量块M0***的四个角端，固定锚点A1～A4分别通过弹性梁L1～L4与质量块M0相连接。弹性梁L1～L4均具有L型结构，本实施例的L型结构的水平段和垂直段的长度相等。在另一些实施例中，弹性梁L1～L4也可以采用其它的适于配合质量块M0在驱动和检测方向活动的结构，如弓型结构等。

弹性梁L1、L3、L4结构相同，弹性梁L2与弹性梁L1、L3、L4整体结构相似，差异在于，弹性梁L1、L3、L4均采用单一的梁体结构，而弹性梁L2是由两条较细的弹性梁L21和L22构成的，弹性梁L21和L22均具有L型结构，两者整体呈间隔设置，本实施例中的弹性梁L22在L型结构的90度弯曲处在水平方向和垂直方向上均有一小段延伸，延伸段与弹性梁L21相连接，以使弹性梁L2整体稳固。

弹性梁L2被设计为其在驱动方向和检测方向上的刚度与弹性梁L1、L3、L4相匹配，即在理想状态下本实施例的结构不会产生正交误差。

但如前所述，微机械加工的制造工艺所可能产生的缺陷会导致产品出现非理想型结构，对于电容式MEMS陀螺仪而言，可能产生正交误差的原因众多，包括但不限于加工工艺不完美导致的电容间距、弹性梁刚度、应力分布不对称等因素，而实际产品中往往多种因素混合在一起，甚至同一片晶圆上不同区域芯片的正交误差也不同，对陀螺仪产品性能一致性和良率造成显著影响。

此类由工艺误差导致的结构不对称通常与具体工艺流程中使用的工艺步骤，设备及其参数设置密切相关。对于量产的晶圆，其工艺步骤和设备参数通常不太会改变，很多情况下即使调整工艺和/或参数也很难避免晶圆上产品参数的非均匀分布，这是由于很多工艺上非均匀性的出现是受限于设备能力的，所以对于生产来说，保持工艺和设备的稳定性才是最重要的。因此在量产的多片晶圆上通常具有相似的正交误差梯度分布。

正是基于现有生产中，晶圆上正交误差分布的重复性，使得可以使用本实施例的结构来相对方便地在晶圆上根据不同区域分别修正正交误差。

首先，通过测试确认生产线上陀螺仪晶圆上芯片的正交误差值的分布，以下以图3所示的分布为例，最大的圆形表示晶圆，其中4×4的16方格为步进式光刻机在晶圆上的曝光顺序矩阵，在晶圆的4个区域ZONE1～ZONE4的陀螺芯片存在较大的正交误差，其中区域ZONE1和区域ZONE3误差值为正，区域ZONE2和区域ZONE4误差值为负。对应到本实施例的陀螺仪结构上，将固定电极E1和E3作为驱动电极，固定电极E2和E4作为检测电极，从而当弹性梁L2刚度大于弹性梁L1、L3、L4时，不对称的弹性支撑会导致额外的正向的正交误差信号；当弹性梁L2刚度小于弹性梁L1、L3、L4时，会导致额外的负方向的正交误差。

在形成弹性梁L1～L4的光刻图案时，采用步进式光刻机进行曝光，在编制光刻工作文件的过程中，在第6次和第11次曝光的时候增大曝光能量，使区域ZONE1和区域ZONE3的芯片中弹性梁L1～L4的关键尺寸降低，即减小弹性梁L1～L4的光刻线条的宽度，使后续刻蚀工艺后形成的弹性梁L1～L4的宽度小于使用预设曝光能量的相应弹性梁的宽度。

如图4所示，当增加曝光能量后(虚线为增加曝光能量后的线宽)，对于弹性梁L1、L3、L4宽度的影响为两倍的△d，即弹性梁L1、L3、L4的光刻线条宽度分别减小2×△d；而对于弹性梁L2来说，其中的弹性梁L21和L22的光刻线条宽度分别都减小了2×△d，从而弹性梁L2整体上宽度减小了4×△d，使得弹性梁L2在刚度上降低得比弹性梁L1、L3、L4更多，从而产生额外的负方向的正交误差，该误差与工艺不完美导致的正交误差方向相反，可以互相抵消。

同理，在第7次和第10次曝光的时候降低曝光能量，使区域ZONE2和区域ZONE4的芯片中弹性梁L1～L4的关键尺寸降低，即增大弹性梁L1～L4的光刻线条的宽度，使后续刻蚀工艺后形成的弹性梁L1～L4的宽度大于使用预设曝光能量的相应弹性梁的宽度。

如图5所示，当降低曝光能量后(虚线为降低曝光能量后的线宽)，对于弹性梁L1、L3、L4宽度的影响为两倍的△d，即弹性梁L1、L3、L4的光刻线条宽度分别增大2×△d；而对于弹性梁L2来说，其中的弹性梁L21和L22的光刻线条宽度分别都增大了2×△d，从而弹性梁L2整体上宽度增大了4×△d，使得弹性梁L2在刚度上增加得比弹性梁L1、L3、L4更多，从而产生额外的正方向的正交误差，该误差与工艺不完美导致的正交误差方向相反，可以互相抵消。

上述光刻工艺中通过曝光能量来对弹性梁进行线宽调整在实际生产中是容易实现的，这是由于此类产品中的弹性梁的线宽尺寸(微米级)远大于一般的IC电路的线宽尺寸(纳米级)，从而弹性梁的宽度和间距的光刻工艺窗口非常宽，可以有很大的余量选择合适的工艺参数来对线宽进行有效的调整。

在另一些实施例中，在进行曝光能量调整时，需要增加弹性梁L2相对于弹性梁L1、L3、L4的变化程度，为此可以将弹性梁L2设计为由多条子弹性梁构成，由上可知，子弹性梁的数量越多，变化程度越大。对于弹性梁L2的任一子弹性梁，其尺寸(具体表现为宽度)小于弹性梁L1、L3、L4中任一的尺寸。

本实施例还包括使用于上述方法中的图案转移版(或者说是光刻版)，其至少用于弹性梁L1～L4的图案化。如前所述，弹性梁L2被设计为其在驱动方向和检测方向上的刚度与弹性梁L1、L3、L4相匹配，即在理想状态下本实施例的结构不会产生正交误差。对于弹性梁L2的设计，基于理论是可以获得相应版图，从而制成图案转移版，对于实际生产加工中，由于一些工艺线整体变化的原因，如重大的设备调整或是将产品转移到不同的制造厂进行加工(光刻版也会一起转移)，使晶圆整体上的弹性梁L2的刚度相对于弹性梁L1、L3、L4产生了漂移，但基于本实施例的修正方法，弹性梁L2的刚度是可以在一个较大范围内调整的，即弹性梁L2的刚度是既可以被调整为小于弹性梁L1、L3、L4的刚度，也可以被调整为大于弹性梁L1、L3、L4的刚度，从而即使工艺线的整体工艺出现了偏移，仍然可以通过调整光刻参数来使得弹性梁L2与弹性梁L1、L3、L4相匹配，以形成预设工艺条件。同样地，当晶圆上当正交误差分布因上述情况发生变化时，仍然可以通过本发明的修正方法进行有针对性的调整。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种修正陀螺仪正交误差的方法，其特征在于，质量块在若干弹性梁配合下适于沿驱动方向和检测方向活动；所述若干弹性梁包括相配合的第一弹性梁和第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁具有不同的结构，所述第一弹性梁为单梁结构，所述第二弹性梁包括若干子弹性梁，任一所述子弹性梁的尺寸小于所述第一弹性梁的尺寸，所述第二弹性梁的尺寸由所述若干子弹性梁的尺寸所限定，从而在限定所述若干弹性梁的工艺中，工艺参数的调整对于所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的影响程度不同，从而可以通过对所述第一弹性梁的刚度和所述第二弹性梁的刚度的调整来抵消所述陀螺仪的正交误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述限定所述若干弹性梁的工艺是光刻工艺，通过所述光刻工艺调整所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的尺寸，从而影响两者的刚度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述光刻工艺中通过曝光能量来调整所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的尺寸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子弹性梁的数量为2。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在制备所述陀螺仪的晶圆上，如不同区域的陀螺仪具有不同的正交误差，则在所述不同区域采用相应的所述工艺参数来使得所述不同区域的陀螺仪的正交误差均能被抵消。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述限定所述若干弹性梁的工艺是光刻工艺，通过步进式光刻机来对所述不同区域采用相应的曝光能量，以调整所述第一弹性梁的尺寸和所述第二弹性梁的尺寸，从而影响两者的刚度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置有多个所述第一弹性梁以及一个所述第二弹性梁。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一弹性梁和所述第二弹性梁均设置在所述质量块的***。

9.一种陀螺仪，其特征在于，采用如权利要求1~8任一所述的方法制备。