CN112209332B - 一种单片六轴imu的双面电极制作及圆片级真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片六轴IMU的双面电极制作及圆片级真空封装方法。本发明方法所形成的整体结构包括基底层、器件层和盖帽层，在基底层上实现多层互联结构，优化走线布局，减小寄生电容，便于后续和外部电路之间的连接；器件层包括敏感结构、硅柱以及硅墙，硅柱用于连接盖帽层上的与基底层金属电极；硅墙分别与基底层和盖帽层键合形成真空封闭腔室。本发明方法将真空封装与MEMS敏感结构的加工合并，避免对裸芯片二次真空封装时可能带来的污染，同时可实现双面电极制作，为非平面运动信号的检测提供可能。

Description

一种单片六轴IMU的双面电极制作及圆片级真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种微机电传感器的微加工工艺方法，具体涉及一种单片六轴IMU 的双面电极制作及圆片级真空封装方法。

背景技术

常见的多轴惯性传感器多采用多个单轴或多轴的陀螺仪和加速度计组合在一起的方案，整个***集成度不够高，体积大。2017年，清华大学提出一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器(专利号CN201710119983)，可利用单一敏感结构实现六轴惯性测量，包括x轴、y轴、z轴共三轴的加速度测量和x轴、y轴、z轴共三轴角速度测量。该单片六轴IMU(Inertial Measurement Unit)可兼顾整体尺寸、制造成本和综合性能，具有很高的研究价值和应用价值。目前单片六轴IMU的制造存在以下几个难点：1)单片六轴IMU在实工作时的模态运动包括平面运动和非平面运动。检测非平面的运动信号时，为了提高检测精度，增强环境适应性，检测方式采用差分形式，消除外部干扰信号是一个常用的手段。因此需要铺设双面电极提供差分检测方式，同时为保证差分电容相等，应严格控制敏感结构与上下两个电极间的间隙。2)单片六轴 IMU在实现高精度角速度检测时，需要真空度较高的真空封装。3)单片六轴惯性传感器的引脚数量相比单轴陀螺仪或加速度计要多，金属走线也相对复杂，使得与外部测控电路的连接变得困难，因此MEMS结构内部需要多层互联结构以简化金属走线。

发明内容

本发明的目的是提供一种单片六轴IMU的双面电极制作及圆片级真空封装方法，该方法基于单片六轴惯性传感器的结构设计，为其提供工艺支撑。本发明方法采用多层互联引线方式提高集成度、简化复杂的金属走线和引脚排布，同时一体化实现等间隙的双面电极和圆片级真空封装。

本发明方法所形成的整体结构包括基底层、器件层和盖帽层，在基底层上实现多层互联结构，优化走线布局，减小寄生电容，便于后续和外部电路之间的连接；器件层包括敏感结构、硅柱以及硅墙，硅柱用于连接盖帽层上的与基底层金属电极；硅墙分别与基底层和盖帽层键合形成真空封闭腔室。本发明方法将真空封装与MEMS敏感结构的加工合并，避免对裸芯片二次真空封装时可能带来的污染，同时可实现双面电极制作，为非平面运动信号的检测提供可能。

具体地，本发明所提供的单片六轴IMU的双面电极制作及圆片级真空封装方法，包括如下步骤：

(1)在一硅圆片上生长一层二氧化硅隔离层；然后在所述二氧化硅隔离层上制作金属层即形成盖帽层；所述金属层包括中心锚点键合点、盖帽层电极、硅柱键合点和硅墙键合点；

(2)在一硅圆片上生长第一二氧化硅隔离层；然后在所述第一二氧化硅隔离层上制作第一金属层，再次生长第二二氧化硅隔离层，并预留通孔；再次生长第二金属层，并使金属填满所述通孔，实现所述第一金属层和第二金属层的互联，即形成基底层；

所述第一金属层包括金属走线和金属引脚；

所述第二金属层包括锚点键合点、基底层电极、硅柱键合点和硅墙键合点，所述锚点键合点、所述硅柱键合点和所述基底层电极分别与所述第一金属层互联；

(3)在一硅圆片上生长金属层并在其上形成正面锚点，即形成器件层；

(4)通过所述基底层上的所述锚点键合点、所述硅柱键合点和所述硅墙键合点与所述器件层上的所述正面锚点之间的键合，实现所述基底层与所述器件层之间的键合；按照步骤(3)在所述器件层的另一面形成反面锚点，且所述正面锚点与所述反面锚点的高度相等，然后经结构释放形成MEMS敏感结构、硅柱和硅墙，且所述硅柱和所述硅墙与所述MEMS敏感结构分离；

(5)通过所述盖帽层上的中心锚点键合点、所述硅柱键合点和硅墙键合点与所述器件层上的所述反面锚点之间的键合，实现所述盖帽层与所述器件层之间的键合；减小所述盖帽层的尺寸以小于所述基底层；去除所述基底层上的二氧化硅，使所述第一金属层中的所述金属引脚露出，用于与外界相连。

上述的方法中，所述盖帽层上设置吸气剂层。

上述的方法中，通过光刻、刻蚀、去胶等方法制作各金属层。

上述的方法中，步骤(4)中，采用台阶仪测量所述正面锚点与所述反面锚点的高度。

上述的方法中，步骤(4)中，通过将所述基底层和所述器件层进行键合，使敏感结构与所述基底层连接紧密，同时将各梳齿电极的电信号通过对应的锚点引到所述基底层上的金属走线，硅柱保证所述器件层和所述基底层的电气连接，硅墙保证机械连接。

上述的方法中，步骤(5)中，所述盖帽层与所述器件层键合之后，硅墙分别与所述盖帽层和所述基底层紧密连接，将所述器件层包围起来，形成真空封装腔室。

上述的方法中，步骤(5)中，采用如下方式减小所述盖帽层的尺寸：

在所述盖帽层上生长二氧化硅层作为掩膜，然后进行刻蚀；

上述的方法中，步骤(5)中，使所述盖帽层的尺寸小于所述基底层的尺寸，以便于与***测控电路进行引线键合等连接。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

(1)通过双层键合，同时实现真空封装和双面电极，工艺简单；(2)利用双面电极实现非平面运动的差分检测，利用硅柱结构实现上下电极互联；(3)利用多层互联结构简化金属走线和实现真空封装走线；(4)该方法在现有常规微工艺设备和单步工艺的基础上实现单片六轴MEMS结构的制造，具有工艺简单，成本低，生产效率高等优点。

附图说明

图1是本发明涉及的单片六轴IMU的各工作模态示意图；

图2是本发明制作的具有双面电极和真空封装的MEMS结构的剖视图；

图3是本发明中单片六轴IMU检测非平面运动的示意图；

图4是本发明方法中盖帽层的加工流程；

图5是本发明方法中基底层的加工流程；

图6是本发明方法中器件层的正面刻蚀的加工流程；

图7是本发明方法中器件与基底层键合及结构释放的示意图；

图8是本发明方法中器件层与盖帽层键合的示意图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

图1所示为单片六轴IMU的单各工作模态示意图，实心原点表示静止，箭头表示运动方向。图1(a)表示六轴IMU敏感结构在静止状态下的有限元模型，为方便描述，对四个质量块顺时针编号；图1(b)为敏感结构的“驱动模态”有限元模型；图 1(c)为敏感结构在驱动模式下受到X轴角速度的有限元模型；图1(d)为敏感结构在驱动模式下受到Y轴角速度的有限元模型；图1(e)为敏感结构在驱动模式下受到 Z轴角速度的有限元模型；图1(f)为敏感结构受到X轴加速度的有限元模型；图1 (g)为敏感结构受到Y轴加速度的有限元模型；图1(h)为敏感结构受到Z轴加速度的有限元模型。其中图1(c)“X轴角速度检测模态”和图1(d)“Y轴角速度检测模态“为一对相似模态。其中图图1(b)、图1(e)、图1(f)、图1(g)均为平面模态，图1(c)、图1(d)和图1(h)为非平面模态，产生沿Z向的振动。

为满足上述工作模态需要，如图2所示，本发明提供了具有双面电极和真空封装的MEMS结构，包括盖帽层1、器件层2和基底层3，其中，盖帽层1包括硅层、二氧化硅隔离层4，金属层(分别为中心锚点键合点5、盖帽层电极6、硅柱键合点7和硅墙键合点8)和吸气剂层10，器件层2包括敏感结构24、硅柱25、硅墙26、正面锚点(17、23)和反面锚点22，基底层3包括二氧化硅隔离层13、第一层金属层12 和第二层金属层14，其中金属引脚28位于第一层金属层12上。器件层2分别与盖帽层1和基底层3键合，硅墙将硅柱、敏感结构等器件层其他部分包围起来，提供真空环境，在盖帽层上沉积吸气剂，提高封装的寿命。

完成双面电极制作及圆片级真空封装的单片六轴IMU的非平面运动检测原理如图3所示，图3(a)为Z轴的电极排布形式示意图，在上下极板上铺设金属电极，与器件层保持一定距离，且位置相对应，从而形成垂直检测电容或垂直力平衡电容，用于质量块在Z轴方向运动的检测和抑制。图3(b)为图1(c)“X轴角速度检测模态”在YZ平面上的投影示意图，MASS3和MASS1沿Z轴反向运动，检测电容计算公式为(C_3--C₃₊)+(C₁₊-C_1-)。由于四个质量块全对称，则图1(d)“Y轴角速度检测模态”的运动形式和检测电容计算方法与“X轴角速度检测模态”相同。图3(c)为图1(h) 在YZ平面上的投影示意图，四个质量块同向运动，对于MASS3和MASS1，检测电容计算公式为(C_3--C₃₊)+(C_1--C₁₊)。双面电极的引入可以消除外部干扰信号，提高信噪比。

为了得到图2所示的MEMS结构，本发明采用如下制作方法：

如图4所示，在盖帽层1上形成金属电极和金属键合点，沉积吸气剂用于提供真空环境和提高封装寿命。具体流程如下：

a)在盖帽层1(硅片)上热氧生长二氧化硅形成带有金属层图案的二氧化硅隔离层4(光刻胶层)；

b)涂胶、光刻、显影、溅射金属层，形成中心锚点键合点5、盖帽层电极6、硅柱键合点7和硅墙键合点8；

c)涂胶、光刻、显影，用光刻胶9作掩膜保护金属层，留出吸气剂的空间；

d)光刻、溅射、剥离，在盖帽层1沉积吸气剂10。

如图5所示，在基底层3上形成多层互联结构，第二层金属层14上包括金属电极和各金属键合点，第一层金属层12包括用于简化布线的金属走线和金属引脚28。具体流程如下：

a)在基底层3(硅片)上热氧生长第一层二氧化硅层，形成绝缘层11；

b)涂胶、光刻、显影，溅射金属，剥离，形成第一层金属层12；

c)沉积生长第二层二氧化硅隔离层13，隔离保护第一层金属层12，预留出需要做金属互联的孔；

d)涂胶、光刻、显影、溅射金属、剥离，形成第二层金属层14，第二金属层14 包括锚点键合点、基底层电极、硅柱键合点和硅墙键合点，金属将二氧化硅隔离层13 上的小孔填满，形成第一层和第二层金属层的互联，具体是锚点键合点、硅柱键合点和基底层电极分别与第一金属层互联(为了简洁，图中没有示出所有的互联)。

如图6所示，对器件层2进行第一次刻蚀，形成单侧的锚点。具体流程如下：

a)涂胶、光刻、显影、溅射金属、剥离，形成金属层15；

b)生长二氧化硅隔离层16，图形与金属层15相同，作为掩膜保护金属；

c)深刻蚀，形成器件层2的正面锚点层17。

如图7所示，将带有单侧锚点的器件层2和带有多层互联结构的基底层3键合起来，并对器件层2的反面进行溅射金属、刻蚀等处理，为与盖帽层键合做准备，按照以下流程加工：

a)金-金键合具有单面锚点的器件层2和基底层3；

b)涂胶、光刻、显影、溅射金属、剥离，形成和反面锚点层图案相同的金属层 18；

c)生长二氧化硅隔离层19层作掩膜，深刻蚀，形成锚点层20；

d)再次生长二氧化硅隔离层21，深刻蚀，完成结构释放，形成反面的锚点，用台阶仪测量刻蚀的深度，控制双面台阶高度相等；

e)去除二氧化硅，留下敏感结构29以及表面带有金属层的硅柱和硅墙，此时反面中心锚点22和正面中心锚点23的高度一样，硅柱25和硅墙26与敏感结构24分离开来。

如图8所示，键合器件层2和盖帽层1，刻蚀去掉盖帽层边缘多余的部分，最终基底层的尺寸大于盖帽层，同时去掉基底层3上的金属引脚上的二氧化硅层，露出金属引脚，便于MEMS***与***电路间的引线键合。

a)金-金键合器件层2和盖帽层1，此时两次键合完成，盖帽层1、器件层2和基底层3完成互联；

b)在盖帽层1上生长一层二氧化硅隔离层27作掩膜；

c)深刻蚀盖帽层27，使其的尺寸小于基底层3，去除多余的二氧化硅，露出基底层3上的金属引脚28，此时整个MEMS***加工完成。

盖帽层1上的金属电极6与基底层3上的金属电极14与敏感结构29的距离相等，形成两个等效电容，当单片六轴传感器产生非平面运动时，通过差分计算电容值的变化可以推测出位移的大小，从而进一步获得角速度或加速度的值。硅柱25将盖帽层1 上的金属电极引到基底层，硅墙26将整个腔室密封起来，起到了真空封装的作用。金属走线在二氧化硅层11内，将各个电极引到腔室外的金属引脚28处，便于进行后续与测控电路等部分的连接。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种单片六轴IMU的双面电极制作及圆片级真空封装方法，包括如下步骤：

(1)在一硅圆片上生长一层二氧化硅隔离层；然后在所述二氧化硅隔离层上制作金属层即形成盖帽层；所述金属层包括中心锚点键合点、盖帽层电极、硅柱键合点和硅墙键合点；

(2)在一硅圆片上生长第一二氧化硅隔离层；然后在所述第一二氧化硅隔离层上制作第一金属层，再次生长第二二氧化硅隔离层，并预留通孔；再次生长第二金属层，并使金属填满所述通孔，实现所述第一金属层和第二金属层的互联，即形成基底层；

所述第一金属层包括金属走线和金属引脚；

所述第二金属层包括锚点键合点、基底层电极、硅柱键合点和硅墙键合点，所述锚点键合点、所述硅柱键合点和所述基底层电极分别与所述第一金属层互联；

(3)在一硅圆片上生长金属层并在其上形成正面锚点，即形成器件层；

(4)通过所述基底层上的所述锚点键合点、所述硅柱键合点和所述硅墙键合点与所述器件层上的所述正面锚点之间的键合，实现所述基底层与所述器件层之间的键合；按照步骤(3)在所述器件层的另一面形成反面锚点，且所述正面锚点与所述反面锚点的高度相等，然后经结构释放形成MEMS敏感结构、硅柱和硅墙，且所述硅柱和所述硅墙与所述MEMS敏感结构分离；

(5)通过所述盖帽层上的中心锚点键合点、所述硅柱键合点和硅墙键合点与所述器件层上的所述反面锚点之间的键合，实现所述盖帽层与所述器件层之间的键合；减小所述盖帽层的尺寸以小于所述基底层；去除所述基底层上的二氧化硅，使所述第一金属层中的所述金属引脚露出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述盖帽层上设置吸气剂层。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，采用台阶仪测量所述正面锚点与所述反面锚点的高度。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，采用如下方式减小所述盖帽层的尺寸：

在所述盖帽层上生长二氧化硅层作为掩膜，然后进行刻蚀。