專利名稱：一種超小型mems陀螺儀傳感器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，簡稱 MEMS)的加工技術(shù)，特別是涉及一種超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技 術(shù)，它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。它 是用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型 化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)，其中微加工技術(shù)包括硅體微加工、硅表面微加工、 LIGA(LIGA 是德文 Lithographie，Galanoformung 和 Abformung 三個詞，即光刻、電鑄和注 塑的縮寫)和晶片鍵合等技術(shù)。MEMS慣性傳感器是應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研發(fā)出來的典型微傳感器。隨著 MEMS技術(shù)的日益發(fā)展，MEMS慣性傳感器(包括加速度計(jì)和陀螺儀)的性能指標(biāo)越來越高， 以其尺寸小、價(jià)格便宜的優(yōu)勢在工業(yè)、醫(yī)療以及其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的各個層面都發(fā)揮著巨 大的作用。常見的MEMS加速度計(jì)按敏感原理的不同可以分為壓阻式、壓電式、隧道效應(yīng)式、 電容式等，但都是基于“支撐梁_質(zhì)量塊”原理的振動式微慣性器件。通過質(zhì)量塊感受加速 度場中由于加速度產(chǎn)生的慣性力，再通過各種方法把慣性力檢測出來。該加速度計(jì)的質(zhì)量 塊對靈敏度特性有重大影響，質(zhì)量塊越大，所感受到的慣性力越大，檢查出的信號幅值也就 越大。在MEMS陀螺儀中，振動式硅微機(jī)械陀螺儀是最常見的一種陀螺儀，這種陀螺儀利 用哥式效應(yīng)檢測角速度的大小。其基本工作原理是首先使檢測質(zhì)量塊沿驅(qū)動方向做線振 動或角振動，進(jìn)入驅(qū)動模態(tài)；當(dāng)沿敏感軸方向有角速度輸入時(shí)，在檢測軸方向就會出現(xiàn)哥式 力，迫使檢測質(zhì)量塊沿檢測方向有位移產(chǎn)生。輸入角速度和哥式力的大小成正比關(guān)系，因此 通過檢查哥式力引起的位移變化量就可以直接得到輸入角速度的信息。質(zhì)量塊是MEMS陀 螺儀中一個非常重要的部件，一般都會在器件結(jié)構(gòu)中占用較大面積。從以上MEMS慣性傳感器的原理可以看出，質(zhì)量塊在器件的工作中起到至關(guān)重要 的作用，并且在器件的整體結(jié)構(gòu)中占用了較大的面積。因此，為了盡可能減小器件尺寸以降 低成本，或在質(zhì)量塊尺寸相同情況下能提高器件性能，人們進(jìn)行了各種方法的嘗試，但是都 沒有突破性技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種超小型MEMS陀 螺儀傳感器的制造方法，其采用了將密度大于硅密度的金屬材料引入到MEMS結(jié)構(gòu)中的方 法，在質(zhì)量相同的情況下減小了質(zhì)量塊的尺寸，或者在質(zhì)量塊尺寸相同時(shí)增加了慣性器件 質(zhì)量塊的質(zhì)量，能夠適當(dāng)優(yōu)化器件性能。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，其包括以下步驟Si、提供一 MEMS晶圓，通過熱氧化或CVD工藝在MEMS晶圓上生長或淀積二氧化 硅，然后通過CVD工藝淀積氮化硅，作為硅濕法腐蝕的掩膜；S2、在MEMS晶圓的正面刻蝕出二氧化硅和氮化硅的圖形，用RIE或ICP工藝刻蝕 MEMS晶圓，或把二氧化硅和氮化硅作為掩膜，用濕法刻蝕MEMS晶圓，形成MEMS結(jié)構(gòu)的彈簧 區(qū)域和MEMS結(jié)構(gòu)中金屬填埋區(qū)域；S3、在MEMS晶圓正面濺射金屬層作為種子層，然后在晶圓正面涂光刻膠，光刻后 暴露出金屬填埋區(qū)域，然后在金屬填埋區(qū)域填埋出密度大于硅密度的金屬或合金；S4、去除MEMS晶圓正面的光刻膠，再利用填埋后的金屬圖形作為掩膜，去除晶圓 表面其余位置的種子層，并利用氮化硅作阻擋層，用CMP方法除去晶圓平面外的金屬，使 MEMS晶圓正面平整；S5、準(zhǔn)備一片雙面拋光的玻璃片或硅片，用干法或濕法在硅片或玻璃片上腐蝕出 凹槽，然后將MEMS晶圓正面翻轉(zhuǎn)過來與硅片或玻璃片對準(zhǔn)后進(jìn)行陽極鍵合，形成了 MEMS晶 圓上的質(zhì)量塊和玻璃凹腔的間隙；S6、利用CMP工藝將MEMS晶圓的厚度減小到Ium至lOOum，在MEMS晶圓背面濺射 金屬，光刻后形成電極，再進(jìn)行光刻后用ICP或RIE工藝刻蝕出MEMS器件的質(zhì)量塊和彈簧 結(jié)構(gòu)，最后去除光刻膠后完成MEMS陀螺儀傳感器的制造。優(yōu)選地，所述步驟Sl為淀積步驟，步驟S2為形成填埋區(qū)步驟，步驟S3為填埋金屬 步驟，步驟S4為平整步驟，步驟S5為鍵合步驟，步驟S6為釋放步驟。優(yōu)選地，所述MEMS晶圓的材料采用兩面均拋光的硅基片。優(yōu)選地，所述氮化硅作為硅濕法腐蝕的掩膜材料和CMP工藝的阻擋層，二氧化硅 是作為氮化硅和硅基片之間的應(yīng)力緩沖層。優(yōu)選地，所述金屬為鎳，銅，鎢或金，合金為銅鎳鎢，銅鎳或鎳金。優(yōu)選地，所述填埋工藝包括電鍍、涂覆或?yàn)R射。優(yōu)選地，所述步驟S4中還包括一步驟用RIE或ICP干法刻蝕工藝去除MEMS晶圓 正面和背面所有的二氧化硅和氮化硅。優(yōu)選地，所述質(zhì)量塊通過彈簧與周圍的MEMS晶圓連接，質(zhì)量塊內(nèi)部具有密度大于 硅密度的金屬或合金。優(yōu)選地，所述超小型MEMS陀螺儀傳感器為一種MEMS慣性傳感器。本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于本發(fā)明減小質(zhì)量塊的面積尺寸，同時(shí)保持質(zhì)量塊本 身的質(zhì)量不變或更大，通過在MEMS晶圓內(nèi)挖槽后填埋密度大于硅的金屬于槽內(nèi)，最終形成 復(fù)合材料的質(zhì)量塊。本發(fā)明所引入的電鍍制造質(zhì)量塊技術(shù)具有設(shè)備投資少，成本低的優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)，該MEMS器件的質(zhì)量塊面積尺寸大大縮小，也就節(jié)省了整個MEMS陀螺儀傳感器的面 積。


圖1為本發(fā)明在晶圓上淀積二氧化硅和氮化硅步驟的示意圖。圖2為本發(fā)明形成填埋區(qū)步驟的示意圖。
圖3為本發(fā)明填埋金屬步驟的示意圖。圖4為本發(fā)明平整步驟的示意圖。圖5為本發(fā)明鍵合步驟的示意圖。圖6為本發(fā)明釋放步驟的示意圖。圖7為MEMS陀螺儀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明涉及的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，是在硅片/晶圓上通過刻蝕 并電鍍的方法將密度比硅高的金屬嵌入硅片內(nèi)，然后與硅或玻璃基片鍵合，最后按照正常 的硅微機(jī)械加工方法釋放可動結(jié)構(gòu)，其中，超小型MEMS陀螺儀傳感器為一種MEMS慣性傳感 器，其制造方法具體包括以下步驟Al、如圖1所示，先是淀積步驟提供一 MEMS晶圓1，將硅基片兩面均拋光或 直接購買兩面拋光晶圓，作為MEMS晶圓1的材料。通過熱氧化或CVD(Chemical Vapor D印osition，化學(xué)氣相淀積)工藝在MEMS晶圓1上生長或淀積二氧化硅2，然后通過CVD (化 學(xué)氣相淀積)工藝淀積氮化硅3，作為硅濕法腐蝕的掩膜。其中氮化硅作為主要的硅濕法腐 蝕的掩膜材料和CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械拋光)工藝的阻擋層，二 氧化硅的作用是作為氮化硅和晶圓1的硅基片之間的應(yīng)力緩沖層。A2、如圖2所示，形成填埋區(qū)步驟在MEMS晶圓1的正面(即上面)刻蝕出 二氧化硅2和氮化硅3圖形，用RIEOteaction Ion Etch，反應(yīng)離子刻蝕法)工藝或 ICP (ICP-Inductive Coupled Plasma，電導(dǎo)耦合等離子體刻蝕法)工藝刻蝕MEMS晶圓1 (硅 基片)，或把二氧化硅2和氮化硅3作為掩膜，用濕法刻蝕硅基片，形成MEMS結(jié)構(gòu)的彈簧/ 感應(yīng)區(qū)域4和MEMS結(jié)構(gòu)中金屬填埋區(qū)域5。A3、如圖3所示，填埋金屬步驟在MEMS晶圓1正面濺射金屬層作為電鍍種子層， 然后在晶圓1正面涂光刻膠6，光刻后暴露出填埋區(qū)域，然后在金屬填埋區(qū)域4填埋出(比 如電鍍)密度大于硅密度的金屬7或合金，該金屬為如Ni(鎳)，Cu(銅)，W(鎢)或Au(金) 等，合金為銅鎳鎢，銅鎳或鎳金等，其中填埋工藝包括電鍍、涂覆或?yàn)R射等，主要由所填埋材 料工藝特性決定。A4、如圖4所示，平整步驟去除MEMS晶圓1正面的光刻膠6，再利用電鍍后的金屬 圖形作為掩膜，去除晶圓1表面其余位置的電鍍種子層。利用氮化硅作阻擋層，用CMP方法 除去高出晶圓平面的金屬，使MEMS晶圓正面平整，再用RIE或ICP干法刻蝕工藝去除MEMS 晶圓正面和背面所有的二氧化硅和氮化硅。A5、如圖5所示，鍵合步驟準(zhǔn)備一片雙面拋光的玻璃片10或硅片，用干法(RIE或 ICP)或濕法在硅片或玻璃片上腐蝕出凹槽8，凹槽8與MEMS圓片上CMP后的彈簧區(qū)域9相 對，凹槽8必須有足夠的深度以容納MEMS器件的正常運(yùn)動或受強(qiáng)外力沖擊時(shí)的MEMS結(jié)構(gòu) 的形變，以及降低寄生電容，然后將MEMS晶圓1正面翻轉(zhuǎn)過來與硅片或玻璃片10對準(zhǔn)后進(jìn) 行陽極鍵合，形成了 MEMS晶圓上的質(zhì)量塊和玻璃凹腔的間隙11。A6、如圖6所示，釋放步驟利用CMP將MEMS晶圓1的厚度減小至設(shè)計(jì)需要的厚 度，如厚度為Ium至lOOum，在MEMS晶圓1背面濺射金屬，光刻后形成電極13，再進(jìn)行光刻后用ICP或RIE工藝刻蝕出MEMS器件的質(zhì)量塊、彈簧12和感應(yīng)等結(jié)構(gòu)，最后去除光刻膠后 完成MEMS陀螺儀傳感器的制造。圖7為MEMS陀螺儀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，MEMS晶圓1中間形成一質(zhì)量 塊14，質(zhì)量塊14通過彈簧12與周圍的MEMS晶圓1連接，質(zhì)量塊14內(nèi)部具有密度大于硅密 度的金屬7或合金，從而減小質(zhì)量塊的面積尺寸，同時(shí)保持質(zhì)量塊本身的 質(zhì)量不變或更大。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些 僅是舉例說明，在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對這些實(shí)施方式做出多種變 更或修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
一種超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，其包括以下步驟S1、提供一MEMS晶圓，通過熱氧化或CVD工藝在MEMS晶圓上生長或淀積二氧化硅，然后通過CVD工藝淀積氮化硅，作為硅濕法腐蝕的掩膜；S2、在MEMS晶圓的正面刻蝕出二氧化硅和氮化硅的圖形，用RIE或ICP工藝刻蝕MEMS晶圓，或把二氧化硅和氮化硅作為掩膜，用濕法刻蝕MEMS晶圓，形成MEMS結(jié)構(gòu)的彈簧區(qū)域和MEMS結(jié)構(gòu)中金屬填埋區(qū)域；S3、在MEMS晶圓正面濺射金屬層作為種子層，然后在晶圓正面涂光刻膠，光刻后暴露出金屬填埋區(qū)域，然后在金屬填埋區(qū)域填埋出密度大于硅密度的金屬或合金；S4、去除MEMS晶圓正面的光刻膠，再利用填埋后的金屬圖形作為掩膜，去除晶圓表面其余位置的種子層，并利用氮化硅作阻擋層，用CMP方法除去晶圓平面外的金屬，使MEMS晶圓正面平整；S5、準(zhǔn)備一片雙面拋光的玻璃片或硅片，用干法或濕法在硅片或玻璃片上腐蝕出凹槽，然后將MEMS晶圓正面翻轉(zhuǎn)過來與硅片或玻璃片對準(zhǔn)后進(jìn)行陽極鍵合，形成了MEMS晶圓上的質(zhì)量塊和玻璃凹腔的間隙；S6、利用CMP工藝將MEMS晶圓的厚度減小到1um至100um，在MEMS晶圓背面濺射金屬，光刻后形成電極，再進(jìn)行光刻后用ICP或RIE工藝刻蝕出MEMS器件的質(zhì)量塊和彈簧結(jié)構(gòu)，最后去除光刻膠后完成MEMS陀螺儀傳感器的制造。
2.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟 Sl為淀積步驟，步驟S2為形成填埋區(qū)步驟，步驟S3為填埋金屬步驟，步驟S4為平整步驟， 步驟S5為鍵合步驟，步驟S6為釋放步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述MEMS 晶圓的材料采用兩面均拋光的硅基片。
4.如權(quán)利要求3所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述氮化 硅作為硅濕法腐蝕的掩膜材料和CMP工藝的阻擋層，二氧化硅是作為氮化硅和硅基片之間 的應(yīng)力緩沖層。
5.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述金屬 為鎳，銅，鎢或金，合金為銅鎳鎢，銅鎳或鎳金。
6.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述填埋 工藝包括電鍍、涂覆或?yàn)R射。
7.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟 S4中還包括一步驟用RIE或ICP干法刻蝕工藝去除MEMS晶圓正面和背面所有的二氧化 硅和氮化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述質(zhì)量 塊通過彈簧與周圍的MEMS晶圓連接，質(zhì)量塊內(nèi)部具有密度大于硅密度的金屬或合金。
9.如權(quán)利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其特征在于，所述超小 型MEMS陀螺儀傳感器為一種MEMS慣性傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造方法，其包括步驟提供MEMS晶圓，通過CVD工藝在晶圓上淀積二氧化硅，然后通過CVD工藝淀積氮化硅；在晶圓的正面刻蝕出二氧化硅和氮化硅的圖形，用RIE工藝刻蝕晶圓，形成MEMS結(jié)構(gòu)的彈簧區(qū)域和金屬填埋區(qū)域；在晶圓正面濺射金屬層作為種子層，光刻后暴露出填埋區(qū)域，然后在金屬填埋區(qū)域填埋出密度大于硅密度的金屬；去除MEMS晶圓正面的光刻膠，去除晶圓表面其余位置的種子層；準(zhǔn)備雙面拋光的玻璃片，用干法在玻璃片上腐蝕出凹槽，形成晶圓上的質(zhì)量塊和玻璃凹腔的間隙；在晶圓背面濺射金屬，光刻后形成電極，最后去除光刻膠。本發(fā)明減小質(zhì)量塊的尺寸或增加質(zhì)量塊的質(zhì)量。
文檔編號B81B7/02GK101844739SQ20091005699
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者華亞平, 李莉, 鄒波 申請人:深迪半導(dǎo)體(上海)有限公司