專利名稱：濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的一種濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器，更確切地說(shuō)本發(fā)明涉及一種以補(bǔ)償條犧牲技術(shù)及硅各向異性腐蝕技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)的制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器。屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅微小加速度計(jì)是非常重要的微慣性器件，可應(yīng)用于汽車、機(jī)器人以及各種制導(dǎo)和測(cè)控系統(tǒng)中。按照敏感原理，微機(jī)械加速度傳感器大致有以下幾種壓阻式、壓電式、厚膜應(yīng)變計(jì)式、電磁式、熱電偶式、諧振器式和電容式等等。其中電容式加速度傳感器又可分為力平衡式和非力平衡式?？蛇\(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊構(gòu)成了可變電容的一個(gè)可動(dòng)電極。當(dāng)質(zhì)量塊受加速度作用而產(chǎn)生位移時(shí)，由固定電極和可動(dòng)電極之間構(gòu)成的電容量發(fā)生變化，將這種變化量用外圍電路檢測(cè)出來(lái)就可測(cè)量加速度的大小。為了得到較高的測(cè)量靈敏度和減小外圍電路的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)中都采用增加電極面積和減小電極之間的間距來(lái)獲得較高的等效電容。為了增加輸出信號(hào)的線性度，常常采用差動(dòng)電容式的測(cè)量結(jié)構(gòu)。電容式加速度傳感器相對(duì)于壓阻式或壓電式而言，具有溫度效應(yīng)小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前研制最多的一類傳感器。
制作電容式加速度傳感器的方法有表面微機(jī)械加工方法和硅體微機(jī)械加工方法。采用表面微機(jī)械加工方法制作電容式加速度傳感器的好處在于與集成電路工藝兼容，可以集成信號(hào)處理電路，成本低，但也存在噪聲大，穩(wěn)定性差，量程有限，帶寬小等缺點(diǎn)。采用硅體微機(jī)械加工方法制作電容式加速度傳感器的好處在于噪聲低，穩(wěn)定性好，可具有高靈敏度，具有大阻尼等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積稍大。
在以往用硅體微機(jī)械加工方法制作電容式加速度傳感器時(shí)，多數(shù)采用(100)晶向的硅片，雙面腐蝕方法形成電容加速度器件結(jié)構(gòu)，如F.Rudolf et.al，Precision Accelerometers with μg Resolution，Sensors and Actuators，A21-23，(1990)pp297-302。這種方法存在器件結(jié)構(gòu)尺寸控制難，工藝加工難度大及封裝應(yīng)力等問(wèn)題。采用(100)晶向的硅片進(jìn)行濕法各向異性腐蝕無(wú)法形成垂直硅片表面和相互平行的條狀結(jié)構(gòu)，因此為了形成垂直硅片表面和相互平行的條狀結(jié)構(gòu)通常需要采用干法刻蝕技術(shù)(深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)DRIE)，這就要使用昂貴的設(shè)備，增加了器件制作成本，同時(shí)電容極板間隙受DRIE技術(shù)深寬比限制，不能很窄，如Zhixiong Xiao et.al，Silicon micro-accelerometer withresolution，high linearity and large frequency bandwidth fabricated with two maskbulk process，Sensors and Actuators，A77，(1999)pp113-119。
采用(110)晶向硅片進(jìn)行濕法各向異性腐蝕可形成垂直硅片表面和相互平行的條狀結(jié)構(gòu)。然而，由于硅各向異性的特性，通常腐蝕的結(jié)果是形成一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，而無(wú)法形成矩形結(jié)構(gòu)，如D.R.Ciarlo，A latchingaccelerometer fabricated by the anisotropic etching of(110)oriented siliconwafers，J.Micrromechanics and Microengineering，Volume 2，Number 1，March1992，pp10。這就限制了器件的形狀設(shè)計(jì)，影響器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種濕法腐蝕制造微機(jī)械電容式加速度傳感器方法，電容加速度傳感器可動(dòng)電極和固定電極可同時(shí)形成在(110)單晶硅上，平行電容極板間隙可小于10微米。不僅可簡(jiǎn)化制造工藝，而且使制造出來(lái)的微機(jī)械電容式加速度傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種在濕法腐蝕硅過(guò)程中保護(hù)希望保留的單晶硅結(jié)構(gòu)方法，采用細(xì)條結(jié)構(gòu)被犧牲腐蝕，使得最終形成矩形結(jié)構(gòu)；采用二次氧化形成的氧化硅作為傳感器結(jié)構(gòu)底面的保護(hù)掩膜，使得預(yù)期的器件結(jié)構(gòu)在完成濕法各向異性腐蝕后，能完整保留，不被損壞。
本發(fā)明的目的之三在于提供一種用上述新的制造方法制作的具有特殊結(jié)構(gòu)的微機(jī)械電容式加速度傳感器，其特征是采用兩組阻擋塊，增加微機(jī)械電容式加速度傳感器抗過(guò)載能力。兩組阻擋塊除了起增加傳感器抗過(guò)載能力作用外，還可用于器件的自檢測(cè)。
本發(fā)明是通過(guò)下述過(guò)程實(shí)施的(1)首先對(duì)雙面拋光(110)單晶硅片1氧化，正面光刻膠保護(hù)，背面對(duì)準(zhǔn)<111>晶向光刻出懸空釋放區(qū)域圖形。
(2)然后各向異性腐蝕劑氫氧化鉀(KOH)溶液，或四甲基氫氧化氨(TMAH)溶液腐蝕硅，腐蝕深度可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求決定。
(3)用HF溶液漂去氧化硅，再次對(duì)硅片氧化，正面光刻膠保護(hù)，背面光刻出鍵合區(qū)。進(jìn)行雙面光刻，正面光刻出加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖形，背面光刻膠保護(hù)。
(4)將硅片腐蝕面與另一塊Pyrex玻璃片鍵合。
(5)接著用各向異性腐蝕劑腐蝕硅，直至硅被腐蝕穿，形成電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)。
(6)漂去氧化硅，釋放加速度傳感器結(jié)構(gòu)。
(7)蒸發(fā)金屬鋁薄膜，形成電極。
(8)用倒扣封裝法完成器件封裝。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)闡明本發(fā)明。
具體的制作加速度傳感器的方法過(guò)程如下選擇雙面拋光(110)晶向單晶硅片1，進(jìn)行1050-1150℃熱氧化，形成0.1-0.3微米氧化硅2(圖3)。然后正面光刻膠保護(hù)，背面對(duì)準(zhǔn)<111>晶向光刻出電容式加速度傳感器懸空釋放區(qū)域圖形(圖4)。用硅各向異性腐蝕液如氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕硅，腐蝕形成一定深度，該深度根據(jù)需要來(lái)控制，一般在4-10微米。用HF溶液漂去氧化硅，在1050-1150℃條件下進(jìn)行第二次熱氧化，形成1-1.4微米的氧化硅。對(duì)硅片進(jìn)行二次光刻，正面光刻膠保護(hù)，背面光刻出鍵合區(qū)3(圖5)。再進(jìn)行雙面光刻，正面光刻出加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖形，背面光刻膠保護(hù)。將光刻好的硅片與Pyrex 7740玻璃4進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，鍵合溫度380℃～470℃，鍵合電壓800V～1100V(圖6)?；蚩膳c另一硅片鍵合。硅片與玻璃片鍵合為陽(yáng)極靜電鍵合，硅片與硅片鍵合為高溫鍵合。然后將鍵合后的硅片放入氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(TMAH)硅各向異性腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，腐蝕溫度為60℃。在硅片被腐蝕穿透形成加速度傳感器結(jié)構(gòu)后，取出硅片進(jìn)行清洗(圖7)。用HF溶液漂去氧化硅，釋放加速度傳感器結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)金屬鋁薄膜5，形成電極(圖8)。最后用倒扣封裝完成加速度傳感器封裝(圖9)。
為了形成垂直硅片平面和相互平行的電容極板，加速度傳感器電容平行電極光刻圖形必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)<111>晶向，即最終形成的平行電容極板平面平行于和(110)硅片表面垂直的(111)面。電容加速度傳感器可動(dòng)電極和固定電極可同時(shí)形成在(110)單晶硅上，平行電容極板間隙為3-15微米。
為了形成所需的矩形加速度傳感器結(jié)構(gòu)，垂直于電容極板間隙的電容極板邊，采用細(xì)條結(jié)構(gòu)8(圖10)，使得在硅各向異性腐蝕液中進(jìn)行腐蝕過(guò)程中，由于硅的各向異性特性，細(xì)條結(jié)構(gòu)被犧牲腐蝕，而使得最終矩形傳感器結(jié)構(gòu)能得以形成。精確的犧牲細(xì)條結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度根據(jù)腐蝕液的削角腐蝕速率確定，通常犧牲細(xì)條結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與腐蝕硅片深度的比為1.2-2∶1，而腐蝕犧牲細(xì)條的寬度一般為5微米至50微米，細(xì)條間距為20微米至100微米。
為了保護(hù)加速度傳感器可動(dòng)電極的底面在各向異性濕法腐蝕加速度傳感器結(jié)構(gòu)過(guò)程中不被腐蝕，第二次氧化形成的氧化硅除作為各向異性濕法腐蝕加速度傳感器結(jié)構(gòu)的掩膜外，還用于保護(hù)可動(dòng)質(zhì)量塊電極9的底面(圖7)。
為了提高電容式加速度傳感器抗過(guò)載能力，設(shè)計(jì)了一種電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)。采用上述制作加速度傳感器方法，在腐蝕形成加速度固定電極14和可動(dòng)質(zhì)量塊電極9的同時(shí)，可動(dòng)電極的兩端可以同時(shí)制作形成兩組阻擋塊12、13。阻擋塊12、13與可動(dòng)質(zhì)量塊電極9的間隙小于固定電極14和可動(dòng)質(zhì)量塊電極9的間隙，這樣阻擋塊可以提高電容式加速度傳感器抗過(guò)載能力。兩組阻擋塊12、13與相關(guān)電路配合，還可以使該電容式加速度傳感器成為帶有自檢功能的電容式加速度傳感器(圖1)。
按本發(fā)明方法所提供的電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)是固定電極位于可動(dòng)質(zhì)量塊電極的兩側(cè)，彈性懸臂梁一端與固定錨點(diǎn)相連，另一端與可動(dòng)質(zhì)量塊電極相連；二組阻擋塊分別位于可動(dòng)質(zhì)量塊二邊，且對(duì)稱于彈性懸臂梁。
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明提供了一種制作微機(jī)械電容式加速度傳感器的方法，和以前的方法相比，易于制造加速度傳感器，成本低。本發(fā)明還提供了一種電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有兩組獨(dú)立的阻擋塊，可用于傳感器的過(guò)載保護(hù)以及用于自檢。此外，由于采用單晶硅，加速度傳感器的性能穩(wěn)定，并且可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)不同的懸臂長(zhǎng)度，改變傳感器靈敏度，靈活性大。


圖1是硅片腐蝕穿透后形成加速度傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是圖1所示的加速度傳感器的剖面示意圖。(a)AA剖面(b)BB剖面。
圖3是在硅襯底上形成懸空釋放區(qū)域圖形的示意圖。
圖4是腐蝕硅形成一定懸空深度的示意圖。
圖5是腐蝕氧化硅形成保護(hù)器件結(jié)構(gòu)掩膜的示意圖。
圖6是鍵合的示意圖。
圖7是硅片被腐蝕穿透形成加速度傳感器結(jié)構(gòu)后的示意圖。
圖8是用HF溶液漂去氧化硅，蒸發(fā)金屬鋁薄膜，形成電極后的示意圖。
圖9是倒扣封裝完成加速度傳感器封裝的示意圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明制作的加速度傳感器圖形結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-硅 2-氧化硅3-硅片鍵合區(qū) 4-Pyrex玻璃
5-金屬 6-封裝蓋板7-焊料 8-犧牲補(bǔ)償細(xì)條9-電容式加速度傳感器可動(dòng)質(zhì)量塊電極10-彈性懸臂梁11-電容式加速度傳感器可動(dòng)電極的固支錨點(diǎn)12-第一組抗過(guò)載阻擋塊 13-第二組抗過(guò)載阻擋塊14-電容式加速度傳感器固定電極具體實(shí)施方式
通過(guò)下面用濕法腐蝕制造微機(jī)械電容式加速度傳感器的方法描述，以進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明決非僅限于實(shí)施例。
實(shí)施例1(1)選擇雙面拋光(110)晶向單晶硅片1，進(jìn)行1100℃熱氧化，形成0.2微米氧化硅層2；(2)然后正面光刻膠保護(hù)，背面對(duì)準(zhǔn)<111>晶向光刻出電容式加速度傳感器懸空釋放區(qū)域圖形；(3)用KOH各向異性腐蝕液腐蝕硅，腐蝕深度6微米；(4)用HF溶液漂去氧化硅，在1100℃進(jìn)行第二次熱氧化，形成1.2微米的氧化硅；(5)對(duì)硅片進(jìn)行二次光刻，正面光刻膠保護(hù)，背面光刻出鍵合區(qū)3；(6)再進(jìn)行雙面光刻，正面光刻出加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖形，背面光刻膠保護(hù)；(7)光刻好的硅片與Pyrex 7740玻璃4進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，鍵合溫度420℃，鍵合電壓1000V；(8)鍵合后的硅片放入四甲基氫氧化銨腐蝕液中進(jìn)行腐蝕穿透，腐蝕溫度為60℃；(9)在硅片被腐蝕穿透，細(xì)條結(jié)構(gòu)被腐蝕后，形成加速度傳感器結(jié)構(gòu)，取出硅片進(jìn)行清洗；(10)用HF溶液漂去氧化硅，釋放加速度傳感器結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)金屬鋁薄膜5，形成電極；(11)最后用倒扣封裝完成加速度傳感器封裝。
經(jīng)上述工藝過(guò)程制造的電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。平行電容極板間隙為10微米。
權(quán)利要求
1.一種濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器，包括固定電極、可動(dòng)質(zhì)量塊電極，其特征在于(1)固定電極位于可動(dòng)質(zhì)量塊電極的兩側(cè)；(2)彈性懸臂梁一端與固支錨點(diǎn)(11)相連，另一端與可動(dòng)質(zhì)量塊電極相連；(3)二組阻擋塊(12)、(13)分別位于可動(dòng)質(zhì)量塊電極的二邊，且對(duì)稱于彈性懸臂梁。(4)相互平行的電容極板垂直硅片平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，其特征在于二組阻擋塊(12)、(13)與可動(dòng)質(zhì)量塊電極(9)的間隙小于固定電極(14)和可動(dòng)質(zhì)量塊電極(9)的間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器，其特征在于傳感器電容平行電極光刻圖形對(duì)準(zhǔn)<111>晶向，即形成的平行電容極板平面平行于和(100)面硅片表面垂直的(111)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕法腐蝕制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器，其特征在于可動(dòng)質(zhì)量塊電極和固定電極同時(shí)形成在(110)面的單晶硅上，平行電容極板間隙為3-15微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濕法制造的微機(jī)械電容式加速度傳感器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。其特征在于，最為關(guān)鍵的是利用補(bǔ)償條結(jié)構(gòu)犧牲方法和(110)單晶硅在各向異性腐蝕液中選擇性腐蝕特性，采用硅各向異性濕法腐蝕在(110)單晶硅上制造出所需要的電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)，電容加速度傳感器可動(dòng)電極和固定電極同時(shí)形成在(110)單晶硅上，電容極板間隙為3－15微米。電容的平行電極必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)(111)晶向。本發(fā)明提供的方法簡(jiǎn)化了微機(jī)械電容式加速度傳感器的制造工藝，提高了電容式加速度傳感器的成品率，而且也使制造出來(lái)的加速度傳感器具有高的靈敏度和輸出穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01P15/125GK1651922SQ20051000805
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者熊斌, 朱建軍, 車錄鋒, 王躍林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所