CN111422827A

CN111422827A - 高性能mems惯性传感器的晶圆制作工艺流程

Info

Publication number: CN111422827A
Application number: CN202010283685.0A
Authority: CN
Inventors: 郭述文; 何凯旋; 刘磊; 王鹏; 郭群英
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2020-07-17

Abstract

本发明公开了一种MEMS惯性传感器的晶圆制作工艺流程，包括以下步骤：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层；提供具有上平坦表面的第二基板；将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻，以形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第一基板的总厚度，以形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构。在硅硅键合时不需要进行图标对准，使得键合工艺简单，形成的梁的厚度与质量块相等，不会产生误差，具有更好的结构对称性。

Description

高性能MEMS惯性传感器的晶圆制作工艺流程

技术领域

本发明涉及一种惯性传感器的制造工艺，具体地涉及一种MEMS惯性传感器的晶圆制造方法。

背景技术

各种各样的应用，尤其是惯性导航***，制导***和航空数据测量***等航空航天应用，都需要具有接近微重力分辨率，高灵敏度，高线性度和低偏置漂移的高性能加速度计和陀螺仪。传感器的热机械布朗噪声限制了高性能加速度计和陀螺仪的分辨率，该噪声由结构的阻尼系数和质量以及读数电子设备决定。

制造技术在确保同时获得大质量，大电容和小阻尼以及实现微重力分辨率方面起着至关重要的作用。以前，已经报道了许多高性能的硅加速度计和陀螺仪。这些器件结合了电容，谐振或隧穿电流感测方案，可利用较大的检测质量来实现高灵敏度。在所有这些之中，硅电容式加速度计具有许多优势，使其在从低成本，大体积汽车加速度计到高精度惯性级微重力设备等众多应用中非常有吸引力。硅电容式加速度计具有高灵敏度，良好的直流响应和噪声性能，低漂移，低温灵敏度，低功耗。

电容式加速度计通常是垂直和横向结构。一些设计使用跷跷板结构，其具有诸如通过扭力梁悬挂的平板之类的检测质量。该结构通常为非对称形状，以使一侧具有比另一侧更大的质量，从而导致质量中心偏离扭杆的轴线。当加速力绕扭杆轴线产生力矩时，板自由旋转，仅受扭杆的弹簧常数约束。

这些类型的加速度计的灵敏度定义为挠度与加速度之比。板的质量，质量中心到扭杆轴的距离以及扭杆的刚度决定了灵敏度。为了增加质心的偏移，将板结构设计为具有不对称形状。例如，板的一侧的宽度可以大于板的另一侧的宽度，或者板的一侧的长度可以大于另一侧的长度。然而，通过上述非对称成形方法增加中心质量偏移可能导致板的总质量增加，这导致共振频率降低和灵敏度降低。通过不对称成形增加中心质量偏移也会导致牺牲一些动态g范围，该范围由固定的传感元件和摆式加速度传感板之间的间距确定。增加中心质量偏移的另一种方法涉及延长摆传感器板的一部分。中心质量偏移量与平板延伸部分的长度成比例。但是，延伸板的一侧可能会导致不平衡的气体阻尼，从而导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。它由固定的感应元件和摆式加速度敏感结构之间的距离定义。增加中心质量偏移的另一种方法涉及延长摆传感器板的一部分。中心质量偏移量与平板延伸部分的长度成比例。但是，延伸板的一侧可能会导致不平衡的气体阻尼，从而导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。它由固定的感应元件和摆式加速度敏感结构之间的距离定义。增加中心质量偏移的另一种方法涉及延长摆传感器板的一部分。中心质量偏移量与平板延伸部分的长度成比例。但是，延伸板的一侧可能会导致不平衡的气体阻尼，从而导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。增加中心质量偏移的另一种方法涉及延长摆传感器板的一部分。中心质量偏移量与平板延伸部分的长度成比例。但是，延伸板的一侧可能会导致不平衡的气体阻尼，从而导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。增加中心质量偏移的另一种方法涉及延长摆传感器板的一部分。中心质量偏移量与平板延伸部分的长度成比例。但是，延伸板的一侧可能会导致不平衡的气体阻尼，从而导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。这会导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。这会导致性能下降。可以通过在扩展板上打孔来平衡气体阻尼。但是，这样的穿孔也减少了中心质量偏移，因此降低了灵敏度。另外，延伸板的一侧可导致整体芯片尺寸的增加。

其他常规结构在延伸的板部分下方利用了较深的间隙以增加最大旋转角度，同时保持平衡的气体阻尼。这种结构可以在一定程度上增加动态g范围。然而，板的延伸部分增加了整体芯片尺寸的尺寸，导致不平衡的气体阻尼，并且降低了旋转结构的共振频率，这再次导致了加速度计的性能下降。

美国专利申请号US7736931B1中公开了一种摆式加速度计的制造方法，提供的第一基板需要先从顶部平面（质量块下表面）刻蚀一深度的凹槽，然后与第二基板进行硅硅直接图形对准键合，然后从质量块上表面刻蚀出具有一定空腔深度的质量块，下表面刻蚀的深与上表面刻蚀的深度加起来正好是质量块的厚度，也就是说，上表面刻蚀的深度正好可以让整个质量块刻穿，整个结构得以释放。而连接中心锚点连接两边质量块的梁的厚度等于质量块厚度减去下表面刻蚀深度。然而上述工艺需要第一基板刻蚀一深度的凹槽，然后进行图形对准键合，使得键合工艺复杂；并且梁的厚度小于质量块厚度，结构的重心偏上，会使得加速度计传感器的±1G的输出对称性产生一定误差。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种高性能MEMS惯性传感器的晶圆制作工艺流程，在硅硅键合时不需要进行图标对准，使得键合工艺简单，形成的梁的厚度与质量块相等，不会产生误差，具有更好的结构对称性。

本发明的技术方案是：

一种MEMS惯性传感器的制造方法，包括以下步骤：

S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；

S02：提供具有上平坦表面的第二基板；

S03：将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度，以形成多个凸起和浅腔，每个凸起具有上平坦表面；

S04：将第一基板的顶部平面结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；

S05：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；

S06：从底部表面和/或顶部表面蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块。

优选的技术方案中，所述第一基板的总厚度为50-150μm。

优选的技术方案中，所述第一预定深度为3-10μm。

优选的技术方案中，所述步骤S03后还包括：

在中部凸起两侧的浅腔形成固定电极；

在固定电极表面沉积氧化物层。

优选的技术方案中，步骤S08后还包括以下步骤：

提供封盖晶圆；以及

蚀刻封盖晶圆的一部分以形成顶部凹槽；和

将封盖晶圆粘结到第二基板上，使得可自由旋转的敏感结构被包围在封盖晶圆的凹槽内。

优选的技术方案中，进一步包括通过吸气剂溅射在所述凹槽的一部分表面上沉积薄膜。

优选的技术方案中，进一步包括用玻璃料印刷将玻璃浆料印在封盖晶圆的接触表面；

将封盖晶圆与第二基板在高真空条件下完成真空键合。

优选的技术方案中，所述第一基板的锚定部分的两侧刻蚀掉部分表面，以形成梁结构，用于连接质量块。

优选的技术方案中，所述敏感结构为中空结构、梳齿结构或者环形结构。

与现有技术相比，本发明的优点是：

第一基板的顶部平面（质量块下表面）不做预刻蚀，而是以没有图形的光板直接与第二基片做硅硅直接键合，然后采用双面光刻技术从质量块上表面刻出结构图形，在需要刻凹槽的部分覆盖一定厚度的二氧化硅，由于二氧化硅比硅的刻蚀速率慢很多，所以在接下里的结构释放深硅刻蚀过程中，当整个质量块备刻穿（即结构释放）之时，有二氧化硅覆盖的区域还未刻穿，形成了一个带有凹槽的质量块。这种方法的优点是：

1．硅硅键合时不需要进行图标对准，使得键合工艺简单；

2．双面光刻的对准精度高于硅硅键合对准，因而结构对称性更好；

3．形成的梁的厚度与质量块相等，不会使得加速度计传感器的正负1G的输出对称性产生一定误差。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明高性能MEMS惯性传感器的晶圆制作工艺流程图；

图2是本发明的制造方法制造的加速度计结构的剖视图；

图3是本发明第一基板的结构示意图；

图4是本发明第二基板的结构示意图；

图5是本发明浅腔刻蚀之后的第二基板的结构示意图；

图6是本发明固定电极刻蚀之后的第二基板的结构示意图；

图7是本发明硅硅键合后的结构示意图；

图8是本发明去除衬底后的结构示意图；

图9是本发明氧化物层刻蚀后的结构示意图；

图10是本发明结构层刻蚀后的结构示意图；

图11是本发明封装后的结构示意图；

图12为本发明对称式梳齿结构的加速度计的剖视图；

图13为本发明环式陀螺仪的敏感结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

如图1所示，高性能MEMS惯性传感器的晶圆制作工艺流程，包括以下步骤：

提供第一基板S01：提供具有顶部平面和底部平面的第一基板，所述底部平面下方设置有一氧化物层，所述底部平面基本上平行于顶部平面；第一基板为绝缘体上硅（SOI），顶层硅厚度为50-150μm。

提供第二基板S02：提供具有上平坦表面的第二基板；第二基板为绝缘体上硅（SOI），硅厚度约5-15μm。

浅腔刻蚀S03：对第二基板进行光刻图案化，进行浅腔刻蚀，将第二基板的一部分从上平坦表面蚀刻到第一预定深度（3-10μm），以形成3-10μm的浅腔，和多个凸起，每个凸起具有上平坦表面，然后进行深反应离子蚀刻（DRIE）以形成固定电极。

硅硅键合S04：将第一基板的顶部平面熔融结合到凸起的上部平坦表面以形成锚固部分；

去除第一基板的衬底硅S05：去除第一基板的衬底，留下氧化物层（二氧化硅）；

氧化物层刻蚀S06：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；

结构层刻蚀S07：对第一基板进行光图案化，并通过DRIE蚀刻将其释放，以释放可旋转的敏感结构。采用双面光刻技术从质量块上表面刻出结构图形，从底部表面和顶部表面同时蚀刻第一基板的一部分至第二预定深度，该第二预定深度至少等于第一基板的总厚度，由于氧化物层比硅的刻蚀速度慢很多，在没有氧化物层覆盖的地方刻穿（即结构释放）时，在有氧化物层覆盖的地方还未刻穿，形成了一个带有凹槽的质量块，以在第一基板上形成具有一定结构可自由旋转的敏感结构，所述敏感结构包括锚定部分周边一定结构的质量块。敏感结构因此，可以在顶部电极释放蚀刻期间形成不对称的检测质量，而无需增加额外的蚀刻步骤。然后通过荫罩溅射随后烧结来金属化释放的器件晶片。在约50-100 mTorr的分压下，通过玻璃粉将晶圆粘合并密封到顶部晶圆上。

该方法不仅可以用来制作非对称扭摆式加速度计，也可以用来制作各种对称式梳齿结构或者环形结构的加速度计或陀螺仪。非对称扭摆式加速度计的敏感结构包括锚定部分的第一侧和第二侧上的基本中空的质量块或者第一侧上的实心质量块和第二侧上的基本中空的质量块。对称式梳齿结构的加速度计或陀螺仪的敏感结构包括锚定部分两侧的刻穿的多个质量块，多个质量块之间通过形成梳齿结构的质量块框架连接。环形结构的加速度计或陀螺仪的敏感结构包括分别在锚定部分周边的多个环状的谐振子。

下面以摆式加速度计为例结合附图进行详细说明：

制造的摆式加速度计100的截面图，如2所示，加速度计100可以包括第一基板102，第二基板104和封盖晶圆106。

第一基板如图3所示，第一基板102包括绝缘体上硅（SOI）材料。第一基板102可以包括结合至氧化物层110的顶部硅层108，该氧化物层110又结合至底部硅层112。在一个示例性实施例中，氧化物层110由二氧化硅制成。底部硅层112可以在制造工艺期间用作处理晶片。顶部硅层108包括顶部平面114和基本平行于顶部平面114的底部平面116。

第二基板104如图4所示，第二基板104可以是绝缘体上硅（SOI）衬底，其包括上硅层124，掩埋氧化物层126和下硅层128。第二基板104还可以包括形成在硅衬底上的操作氧化物层142，操作氧化物层142在下硅层128的下表面。第二基板104的上硅层124包括上平坦表面130，其厚度可以明显小于第一基板102的上硅层108的厚度。第二基板104的上硅层124的厚度约为5-15μm，而第一基板102的上硅层108的厚度约为50-150μm。

如图5所示，可以包括使用低压化学气相沉积（LPCVD）来施加氮化物掩模层以选择上平坦表面130的区域。上硅层124的未被氮化物层覆盖的部分将被蚀刻至预定深度，可以为3-10μm。可以使用KOH蚀刻来形成蚀刻工艺，以形成多个具有矩形横截面的浅腔134和多个凸起132，每个第凸起132具有矩形横截面以及基本上平行于晶片的平坦上表面136。浅腔134在掩埋氧化物层126的上面。

对第二基板104进一步光刻，如图6所示。蚀刻上硅层124的选择部分以暴露掩埋的氧化物层126。蚀刻步骤可以包括施加氮化物掩模使用深反应离子刻蚀（DRIE）来沉积硅层并选择性地去除上硅层124的部分。在浅腔132内的上硅层124的部分向下蚀刻至第二基板104的掩埋氧化物层126，以形成具有从掩埋氧化物层126向上延伸的矩形截面的多个凸起，即固定电极140。在固定电极140表面沉积氧化物层148。以保护固定电极在后面的结构释放过程中不被刻蚀。

如图7所示，将第一基板102与第二基板104硅硅键合。第一基板102的顶部硅层108的顶部平面114与凸起132的上平面136结合。中间凸起132与顶部平面114的中间部分被结合在一起以形成加速度计100的敏感结构的锚定部分152。

如图8，可以采用抛光和刻蚀的方法去除第一基板102的底部硅层112，以暴露氧化物层110。氧化物层110是SOI硅片固有的埋氧层，埋氧层厚度一般固定为2μm，由于氧化层厚度与后面刻蚀的凹槽深度相关，因此需要根据刻蚀的凹槽深度决定氧化层厚度。一般需要的氧化物层小于1μm，因此需要对埋氧层进行打薄，以降低埋氧层的厚度。也可以刻蚀掉原有的埋氧层，再重新生长一层新的一定厚度的氧化层。

如图9所示，结构层第一次光刻，刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层，即刻除需要刻穿结构部分的氧化物层122。

如图10所示，采用双面光刻技术从第一基板102的上硅层108上表面刻出结构图形，从底部表面和顶部表面同时蚀刻上硅层108的一部分至预定深度，该预定深度至少等于第一基板的总厚度，由于氧化物层比硅的刻蚀速度慢很多，在没有氧化物层覆盖的地方刻穿（即结构释放）时，在有氧化物层覆盖的地方还未刻穿，形成了一个带有凹槽的质量块。结果形成敏感结构154，该敏感结构154具有位于左侧固定电极表面上方的实心质量块156和位于右侧固定电极上方的基本中空质量块158。实心质量块156和基本中空质量块158它们通过锚定部分152连接，使得敏感结构154可以围绕锚定部分152自由旋转。

为了使得敏感结构154可以围绕锚定部分152更好地自由旋转，在第一基板102的锚定部分152的两侧分别刻蚀掉部分表面，以形成梁结构153，用于连接质量块，即锚定部分152连接两侧的质量的地方变窄。

在一示例性实施例中，敏感结构154的每一半具有基本相同的尺寸。即，实心质量块156和基板中空质量块158分别具有大致相同的长度和宽度。基本中空质量块158可包括基本平坦的底部160，侧壁162从底部160向上延伸以形成一个或多个空腔164。侧壁162可包括至少两个以基本直角相交以形成多个的壁。在一个示例性实施例中，基本中空质量块158包括由基本上垂直于底部160的侧壁162隔开的四个矩形空腔164。空腔164的其他形状和尺寸也在本发明的范围内。

在另一实施例中，敏感结构154可以包括在锚定部分的两侧上都形成基本中空的质量块，并且两侧的质量块的质量不相等。

优选的，基本中空质量块158允许质心偏移，同时在敏感结构154的每一侧的底表面上保持相等的表面积，这可以平衡气体阻尼。可以通过调节敏感结构154的厚度和/或调节空腔164的深度来调节质心偏移的中心。

锚点可以位于左侧实心质量块和右侧中空质量块的中间位置，也可以为设置在其它位置，或者可以有数个锚点分布于其它位置，取决于敏感结构（质量块可以是中空或者是也可以是梳齿结构）的需要。

如图11所示出了，封盖晶圆106由硅制成并且被蚀刻至预定深度以形成顶部凹槽170。通吸气剂溅射沉积层172可以被施加在封盖晶圆106的表面在顶部凹槽170内的一部分，并且玻璃料粘结174可以被施加到封盖晶圆106的将被键合到结构晶圆的表面。将封盖晶圆与结构晶圆在高真空条件下使用玻璃料粘结来完成真空键合。

另一实施例中，对称式梳齿结构的加速度计或陀螺仪的制作工艺与上面相同，只是制作的敏感结构不一样，为梳齿结构。敏感结构200如图12所示，敏感结构200包括锚定部分201，及锚定部分201两侧的中部刻穿形成的多个质量块框架202，两边的质量块框架200错开，形成梳齿结构。该结构通过光刻工艺，在需要形成质量块框架的地方使用光刻胶遮挡，在没有光刻胶遮挡的地方刻穿。

又一实施例中，本发明方法还可以制作环形结构的加速度计或陀螺仪，制作工艺与上面相同，只是制作的敏感结构不一样，为环形结构。敏感结构300如图13所示，敏感结构300包括锚定部分301，分别在锚定部分301周边形成多个环状的质量块框架302，质量块框架302可以为圆环或者正多边形，质量块框架302间通过辐条303连接。该结构通过光刻工艺，在需要形成质量块框架和辐条的地方使用光刻胶遮挡。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims

1.一种MEMS惯性传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S02：提供具有上平坦表面的第二基板；

S05：刻蚀掉第一基板的一定位置的氧化物层；

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第一基板的总厚度为50-150μm。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述第一预定深度为3-10μm。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S03后还包括：

在中部凸起两侧的浅腔形成固定电极；

在固定电极表面沉积氧化物层。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S08后还包括以下步骤：

提供封盖晶圆；以及

蚀刻封盖晶圆的一部分以形成顶部凹槽；和

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，进一步包括通过吸气剂溅射在所述凹槽的一部分表面上沉积薄膜。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，进一步包括用玻璃料印刷将玻璃浆料印在封盖晶圆的接触表面；

将封盖晶圆与第二基板在高真空条件下完成真空键合。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一基板的锚定部分的两侧刻蚀掉部分表面，以形成梁结构，用于连接质量块。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制造方法，其特征在于，所述敏感结构为中空结构、梳齿结构或者环形结构。