專利名稱：基于(111)硅的微機械加速度傳感器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器及其制作方法，采用微電子機械加工技術(shù)制作，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
加速度傳感器，在慣性導航、姿態(tài)控制、振動測量、石油勘探等領(lǐng)域有廣泛而重要的應用。利用微電子機械加工技術(shù)(Micro-machining Technology)制作的微機械加速度傳感器，具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、環(huán)境適應性好等特點。
目前的微機械加速度傳感器在檢測方面主要采用開環(huán)和閉環(huán)方式，閉環(huán)工作的傳感器具有更高的動態(tài)范圍、更高的檢測精度。RobertH.Bullis等人提出一種三明治結(jié)構(gòu)的微機械加速度傳感器(“Capacitive accelerometer with mid-plane proof mass”，美國專利5008774)，其中，用于電容檢測的加速度質(zhì)量塊由兩個硅片鍵合形成，而對稱分布的懸掛支撐梁(hinge)是通過重摻雜硼(B)實現(xiàn)自終止腐蝕而制造出來，這些梁位于慣性質(zhì)量塊中部。該慣性質(zhì)量塊可上下運動，通過測量由此運動引起的與上下基板檢測電極間的電容變化，以獲得加速度信息。該傳感器可以閉環(huán)工作。在Gessner等人提出的微機械加速度傳感器(“Micromechanical accelerometerand method of manufacture thereof”，美國專利5504032)，由5塊硅片組成，中央可動慣性質(zhì)量塊與硅片的連接梁利用雙面各向異性腐蝕形成。該傳感器可工作在閉環(huán)方式。Warren等人提出的力平衡式微機械加速度傳感器(“Method for forming an electrostaticallyforce balanced silicon accelerometer”，美國專利5503285)，慣性質(zhì)量塊是由兩塊互補的(Complementary)硅質(zhì)量塊鍵合而成，懸掛支撐梁在離子注入的硅上由自終止腐蝕形成。Selvakumar等人提出的應用于地震勘探的加速度傳感器的設(shè)計與制造方法(“Sensordesign and process”，美國專利6871544)中，其傳感器由4塊硅片組成，中央可動慣性質(zhì)量塊是由2塊硅片鍵合而成，并且制有真空抽氣通道；彈性梁同樣是在兩硅片上分別形成的。
從上述微機械加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是制作工藝上可以看出，普遍存在工藝比較復雜的不足，慣性質(zhì)量塊的制作均需要多硅片鍵合，這要求高精度的鍵合對準，高摻雜(或離子注入)腐蝕終止法制作懸掛支撐梁會引入較高的應力。這些不僅增加的工藝成本，而且會增加微機械結(jié)構(gòu)的非對稱性，增加了閉環(huán)控制的復雜性，對傳感器的穩(wěn)定性、溫度特性等都有負面作用。另外，這種多硅片鍵合制作慣性質(zhì)量塊的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計，很難實現(xiàn)單片的三軸集成，在三分量應用場合，通常需采用三軸組裝的方式，在定位精度、定位成本、長期穩(wěn)定可靠性等方面都存在大量挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述的問題，本發(fā)明提供一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器及制造方法，該傳感器是由一片(111)單晶硅基板和上、下基板各一片構(gòu)成，并且a)在(111)硅基板上有慣性質(zhì)量塊、至少一對彈性懸梁、邊框；該彈性懸梁相對于(111)硅基板為上下對稱，且每根彈性懸梁的一端連接于慣性質(zhì)量塊上，另一端連接于邊框上；b)慣性質(zhì)量塊可以在彈性懸梁的支撐下作垂直于(111)硅基板表面方向的運動；c)(111)硅基板是有邊框與上基板及下基板鍵合連接的；d)上基板的下表面上有上平板電極，該上平板電極與(111)硅基板間為電絕緣隔離，并與慣性質(zhì)量塊及空氣間隙共同構(gòu)成上電容；同時，下基板的上表面上有下平板電極，該下平板電極與(111)硅基板間為電絕緣隔離，并與慣性質(zhì)量塊及空氣間隙共同構(gòu)成下電容；e)至少一個基板上分布有過載保護凸點結(jié)構(gòu)。
所述在(111)硅基板的上下表面對稱制造的彈性懸梁的各邊分別平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。
所述(111)硅基板上的慣性質(zhì)量塊的最長邊分別平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。
所述的彈性懸梁的厚度小于彈性懸梁的寬度，并且遠小于慣性質(zhì)量塊厚度。
所述的彈性懸梁的厚度不小于5微米。
上電容和下電容相對于(111)硅基板為上下對稱，其空氣間隙是上基板下表面的凹部、或下基板上表面的凹部、或(111)硅基板的上下表面的凹部。
所述的慣性質(zhì)量塊上有阻尼通孔陣列。
本發(fā)明是通過如下的主要步驟制作來實現(xiàn)的a)在(111)硅基板的上表面或上基板的下表面形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點；在(111)硅基板的下表面或下基板的上表面形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點；b)在(111)硅基板上對應于前述凹部區(qū)域，垂直于硅基板上、下表面進行雙面對準刻蝕至所需深度，在對稱位置形成沿<110>晶向的上限制溝槽和下限制溝槽；c)沉積鈍化層覆蓋(111)硅基板的上下表面，并填充腐蝕上下限制溝槽的底面和側(cè)面；d)垂直于(111)硅基板下表面刻蝕至所需深度，形成平行于下限制溝槽的沿<110>晶向的腐蝕溝槽，其沿<110>晶向的溝槽側(cè)壁為(110)晶面；同時，該溝槽底面與上表面距離不大于限制溝槽深度；e)對腐蝕溝槽中的(110)晶面?zhèn)缺谶M行化學各向異性腐蝕，直至其橫向腐蝕寬度大于彈性懸梁所需寬度；然后，去除下表面鈍化層；f)在下基板的上表面形成下平板電極；在下基板表面形成下引線電極；g)將(111)硅片基板的下表面與下基板的上表面對準鍵合，與(111)基板及空氣間隙構(gòu)成下電容；h)在(111)硅片基板的上表面形成中引線電極；
i)垂直(111)硅片基板上表面進行貫通基板的深刻蝕，形成慣性質(zhì)量塊、至少一對彈性懸梁、阻尼通孔陣列、邊框；j)在上基板的下表面形成上平板電極；在上基板表面形成上引線電極；k)將(111)硅片基板的上表面與上基板的下表面對準鍵合，與(111)基板及上間隙構(gòu)成上電容；l)經(jīng)劃片等工藝，實現(xiàn)傳感器芯片的分離。
所述上限制溝槽和下限制溝槽的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度，同時，所述腐蝕溝槽的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度。
該傳感器檢測垂直于(111)硅基板表面方向的外來加速度，并且可以閉環(huán)檢測。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的基于(111)硅的微機械加速度傳感器，是由一片(111)單晶硅基板和上、下基板各一片構(gòu)成的；慣性質(zhì)量塊是由至少一對在同一(111)硅基板上形成的彈性懸梁連接到固定邊框，在外來加速度作用下可作垂直于基板表面方向的運動，通過檢測其與上、下基板上的平板電極間的電容變化，可獲得外來加速度信息。所述的彈性懸梁相對于(111)硅基板為上下對稱，其制造和尺度控制是由硅化學各向異性腐蝕和高深寬比干法刻蝕工藝組合實現(xiàn)的；(111)硅基板與上基板及下基板則是通過對準鍵合連接而形成整體。
本發(fā)明涉及的微機械加速度傳感器，在結(jié)構(gòu)上的核心部分是在單片(111)單晶硅基板上形成的、由至少一對基板上下表面對稱位置的彈性懸梁連接支撐的、可以作垂直于(111)硅基板表面方向運動的慣性質(zhì)量塊。由于是在同一(111)單晶硅基板上制作的，微機械結(jié)構(gòu)各部分，尤其是彈性懸梁及與其連接的慣性質(zhì)量塊和邊框等在材料的性質(zhì)上是完全相同的，可以最大程度減少甚至消除由摻雜等引起的應力及應力梯度對器件性能(如零點穩(wěn)定性、溫度漂移等)的影響。
本發(fā)明涉及的微機械加速度傳感器的制作方法，結(jié)合硅化學各向異性腐蝕和高深寬比干法刻蝕工藝，在同一(111)單晶硅基板上制作出慣性質(zhì)量塊、相對于(111)硅基板上下對稱配置的至少一對彈性懸梁等核心微結(jié)構(gòu)，無需進行多片硅基板的對準鍵合，大大降低了制造工藝難度，有利于提高成品率，降低制作成本。特別是彈性懸梁的制作，充分利用了硅(111)、(110)晶面及鈍化層的腐蝕速率的高度差異，或選擇性，通過制作沿<110>晶向腐蝕限制溝槽等來對化學各向異性腐蝕行為進行限制和控制，可以很好地保證彈性懸梁在尺度和位置上的對稱性，這有利于抑制交叉耦合和提高傳感器性能。
本發(fā)明的優(yōu)越功效在于1)該傳感器可以實現(xiàn)對垂直于基板表面的外來加速度的閉環(huán)檢測，具有結(jié)構(gòu)對稱性好、工藝可控性好、檢測精度高、制作工藝簡單易控、成本較低、動態(tài)響應好等特點，可應用于石油地震勘探等領(lǐng)域。
2)本發(fā)明的核心部分是(111)硅基板上形成的、由至少一對基板上下表面對稱位置的彈性懸梁連接支撐的、可以作垂直于(111)硅基板表面方向運動的慣性質(zhì)量塊。由于是在同一(111)單晶硅基板上制作的，微機械結(jié)構(gòu)的各個部分，尤其是彈性懸梁及與其連接的慣性質(zhì)量塊和邊框等在材料的性質(zhì)上是完全相同的，可以最大程度減少甚至消除由于摻雜等引起的應力及應力梯度對器件性能，如零點穩(wěn)定性、溫度漂移等的影響。
3)本發(fā)明涉及的微機械加速度傳感器的制作方法，結(jié)合硅化學各向異性腐蝕和高深寬比干法刻蝕工藝，在同一(111)單晶硅基板上制作出慣性質(zhì)量塊、相對于(111)硅基板上下對稱配置的至少一對彈性懸梁等核心微結(jié)構(gòu)，無需進行多片硅基板的對準鍵合，大大降低了制造工藝難度，有利于提高成品率，降低制作成本。特別是彈性懸梁的制作，充分利用了硅(111)、(110)晶面及鈍化層的腐蝕速率的高度差異，或選擇性，來對化學各向異性腐蝕行為進行限制和控制，可以很好地保證彈性懸梁在尺度和位置上的對稱性，這有利于抑制交叉耦合和提高傳感器性能。
4)本發(fā)明的微機械加速度傳感器，可以與其他加速度傳感器實現(xiàn)單片集成，由于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)工藝特點，可以保證正交性，有利于實現(xiàn)小型化的三軸集成加速度傳感器微系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的微機械加速度傳感器的整體斷面示意圖；圖2(包括圖2a、圖2b)為本發(fā)明的微機械加速度傳感器中的(111)硅基板的俯視圖和斷面圖；圖3(包括圖3a、圖3b)為本發(fā)明的微機械加速度傳感器中的上基板的斷面圖和下表面示意圖；圖4(包括圖4a、圖4b)為本發(fā)明的微機械加速度傳感器中的下基板的斷面圖和上表面示意圖；圖5(包括圖5a～圖5f)為本發(fā)明的(111)單晶硅基板的制作工藝流程斷面圖；圖6(包括圖6a～圖6e)為本發(fā)明的上基板的制作工藝流程斷面圖；圖7(包括圖7a～圖7e)為本發(fā)明的下基板的制作工藝流程斷面圖；圖8(包括圖8a～圖8h)為本發(fā)明的基板整合和微結(jié)構(gòu)釋放制作工藝流程斷面圖；圖9(包括圖9a～圖9c)為單晶硅各向異性化學腐蝕原理說明圖；圖10(包括圖10a、圖10b)為本發(fā)明的微機械加速度傳感器的基本工作原理說明圖；圖11為基于(111)硅的微機械加速度傳感器的三軸正交組合示意圖。
附圖中標號說明100--(111)硅基板；101-邊框；102a--(111)硅基板的上表面； 102b--(111)硅基板的下表面；103--慣性質(zhì)量塊；103a--慣性質(zhì)量塊的最長邊； 103b--慣性質(zhì)量塊的最寬邊；104-彈性懸梁；
104a--彈性懸梁的上表面； 104b--彈性懸梁的下表面；105--阻尼通孔陣列； 106--中引線電極；107a--中間錨點； 107b-角部錨點；110a-上限制溝槽； 110b-下限制溝槽；111a-鈍化層； 111b-鈍化層；113-腐蝕溝槽；200-上基板；201a-上表面； 201b-下表面；202-電絕緣隔離層；203-上凹部；204-過載保護凸點；205-上平板電極；206-上引線電極；300-下基板；301a-上表面； 301b-下表面；302-電絕緣隔離層；303-下凹部；304-過載保護凸點；305-下平板電極；306-下引線電極；401-掩膜層； 500-基板；600-三基板整合體；601-Z向的傳感器； 602-Y向的傳感器；603-X向的傳感器；610a-固定電極； 610b-固定電極；611a-可動電極； 611b-可動電極；612a-彈性梁； 612b-彈性梁；613a-固定電極上的電容梳齒； 613b-固定電極上的電容梳齒；614a-可定電極上的電容梳齒； 614b-可定電極上的電容梳齒；615a-慣性質(zhì)量塊； 615b-慣性質(zhì)量塊；620-分離溝槽。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步闡明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和制作過程。
本發(fā)明提供一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器及其制造方法，該傳感器是由一片(111)單晶硅基板100和上基板200、下基板300各一片構(gòu)成，并且a)在(111)硅基板100上有慣性質(zhì)量塊103、至少一對彈性懸梁104、邊框；該彈性懸梁104相對于(111)硅基板100為上下對稱，且每根彈性懸梁104的一端連接于慣性質(zhì)量塊103上，另一端連接于邊框101上；b)慣性質(zhì)量塊103可以在彈性懸梁104的支撐下作垂直于(111)硅基板100表面方向的運動；c)(111)硅基板100是有邊框101與上基板200及下基板300鍵合連接的；d)上基板的下表面201b上有上平板電極205，該上平板電極205與(111)硅基板100間為電絕緣隔離層202，并與慣性質(zhì)量塊103及空氣間隙共同構(gòu)成上電容；同時，下基板的上表面301a上有下平板電極305，該下平板電極305與(111)硅基板100間為電絕緣隔離302，并與慣性質(zhì)量塊103及空氣間隙共同構(gòu)成下電容；e)至少一個基板上分布有過載保護凸點結(jié)構(gòu)204/304。
所述在(111)硅基板100的上表面102a、下表面102b對稱制造的彈性懸梁104的各邊分別平行于和垂直于(111)硅基板100表面上的<110>晶向。
所述(111)硅基板100上的慣性質(zhì)量塊103的最長邊103a分別平行于和垂直于(111)硅基板100表面上的<110>晶向。
所述的彈性懸梁104的厚度小于彈性懸梁的寬度103b，并且遠小于慣性質(zhì)量塊厚度。
所述的彈性懸梁的厚度不小于5微米。
上電容和下電容相對于(111)硅基板100為上下對稱，其空氣間隙是上基板下表面201b的凹部、或下基板上表面301a的凹部、或(111)硅基板100的上下表面102a/102b的凹部。
所述的慣性質(zhì)量塊103上有阻尼通孔陣列105。
本發(fā)明是通過如下的主要步驟制作來實現(xiàn)的
a)在(111)硅基板100的上表面102a或上基板200的下表面201b形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點204；在(111)硅基板100的下表面102b或下基板300的上表面301a形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點304；b)在(111)硅基板100上對應于前述凹部區(qū)域，垂直于硅基板上表面102a、下表面102b進行雙面對準刻蝕至所需深度，在對稱位置形成沿<110>晶向的上限制溝槽110a和下限制溝槽110b；c)沉積鈍化層覆蓋(111)硅基板100的上下表面102a/102b，并填充腐蝕上下限制溝槽110a/110b的底面和側(cè)面；d)垂直于(111)硅基板100下表面102b刻蝕至所需深度，形成平行于下限制溝槽110b的沿<110>晶向的腐蝕溝槽113，其沿<110>晶向的溝槽側(cè)壁為(110)晶面；同時，該溝槽底面與上表面距離不大于限制溝槽深度；e)對腐蝕溝槽113中的(110)晶面?zhèn)缺谶M行化學各向異性腐蝕，直至其橫向腐蝕寬度大于彈性懸梁104所需寬度；然后，去除下表面鈍化層；f)在下基板300的上表面301a形成下平板電極305；在下基板300表面形成下引線電極306；g)將(111)硅片基板100的下表面102b與下基板300的上表面301a對準鍵合，與(111)基板100及空氣間隙構(gòu)成下電容；h)在(111)硅片基板100的上表面102a形成中引線電極106；i)垂直(111)硅片基板100上表面102a進行貫通基板的深刻蝕，形成慣性質(zhì)量塊103、至少一對彈性懸梁104、阻尼通孔陣列105、邊框101；j)在上基板200的下表面201b形成上平板電極205；在上基板200表面形成上引線電極206；k)將(111)硅片基板100的上表面102a與上基板200的下表面201b對準鍵合，與(111)基板100及上間隙構(gòu)成上電容；l)經(jīng)劃片等工藝，實現(xiàn)傳感器芯片的分離。
所述上限制溝槽110a和下限制溝槽110b的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度，同時，所述腐蝕溝槽113的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度。
該傳感器檢測垂直于(111)硅基板100表面方向的外來加速度，并且可以閉環(huán)檢測。
請參閱附圖1、2、3、4所示，附圖1為本發(fā)明的微機械加速度傳感器的整體斷面示意圖，該傳感器由(111)硅基板100、上基板200和下基板300組成，是本實施例的首選結(jié)構(gòu)。圖2a是(111)硅基板100的俯視圖，圖2b是(111)硅基板100沿A-A’截線的斷面圖；圖3a是上基板200的俯視圖，圖3b是上基板200沿B-B’截線的斷面圖；圖4a是下基板300的俯視圖，圖4b是下基板300沿C-C’截線的斷面圖。
如圖2a、2b所示，(111)硅基板100的上表面102a下表面102b形成有平行于<110>晶向形成的彈性懸梁104，(上表面的104a和下表面的104b)，這些彈性懸梁104經(jīng)由中間錨點107a和角部107b將慣性質(zhì)量塊103與邊框101連接起來，慣性質(zhì)量塊103上有垂直于(111)硅基板100的阻尼通孔陣列105，(111)硅基板100的上表面102a上形成的中引線電極106。彈性懸梁104的厚度不小于5微米，但遠小于慣性質(zhì)量塊103的厚度。慣性質(zhì)量塊103的最長邊103a、最寬邊103b分別平行于和垂直于<110>晶向。
如圖3a、3b所示，上基板200的下表面201b形成有上凹部203，上凹部203中的過載保護凸點204結(jié)構(gòu)上平板電極205，上基板200的下表面201b上的電絕緣隔離層202，以及上基板200的上表面201a上有上引線電極206。
如圖4a、4b所示，下基板300的上表面301a形成有下凹部303，下凹部303中的過載保護凸點304結(jié)構(gòu)和下平板電極305，下基板300的上表面301a上的電絕緣隔離層302，以及下基板300的下表面301b上有下引線電極306。
請參閱附圖所示，為本發(fā)明的(111)單晶硅基板的制作工藝流程斷面圖，其制造工藝流程主要包括以下工藝步驟(一)(111)單晶硅基板100的制作工藝流程(參閱附圖5a～5f)
a)選擇(111)單晶硅基板100；b)在(111)硅基板100的上表面102a或上基板200的下表面201b形成上凹部203，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點204；在(111)硅基板100的下表面102b或下基板300的上表面301a上形成下凹部303，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點304；c)在(111)硅基板100上對應于前述凹部區(qū)域，垂直于上表面102a和下表面102b進行雙面對準刻蝕至所需深度t0，在對稱位置形成沿<110>晶向的長度遠遠大于寬度的上限制溝槽110a和下限制溝槽110b；d)在(111)硅基板100的上表面102a和下表面102b形成鈍化層111a和111b，同時鈍化材料填充上限制溝槽110a和下限制溝槽110b。鈍化層111a和111b可以是熱氧化硅(SiO2)薄膜，也可以是沉積Si3N4薄膜等，這些鈍化材料在化學各向異性腐蝕溶液中的腐蝕速率很小，可以保護基板表面、上下限制溝槽底面和側(cè)面，對腐蝕過程進行控制和限制。
e)垂直于(111)硅基板100下表面102b進行刻蝕至所需深度，形成沿<110>晶向的、平行于下限制溝槽110b的長度遠遠大于寬度的腐蝕溝槽113，其沿<110>晶向的溝槽側(cè)壁為(110)晶面；同時，該溝槽底面與上表面距離t1不大于限制溝槽深度t0；f)利用KOH水溶液等堿性腐蝕液對腐蝕溝槽113的(110)晶面?zhèn)缺谶M行化學各向異性腐蝕，直至其橫向腐蝕寬度大于彈性懸梁104所需寬度W；然后，去除下表面鈍化層111b；(二)上基板的制作工藝流程(參閱附圖6a～6e)a)選擇硅基板作為上基板200，但并不局限于硅基板，也可選用玻璃基板等。
b)在上基板200的下表面201b，利用KOH水溶液等堿性腐蝕液對硅進行腐蝕，形成上凹部203和過載保護凸點204。但并不局限于堿性腐蝕液的腐蝕，也可利用反應離子深刻蝕(DRIE)工藝對硅進行刻蝕。
c)在上表面201a形成熱氧化硅(SiO2)層，作為電絕緣隔離層202。該絕緣層也可以是沉積Si3N4層等。
d)在上凹部203形成鋁(Al)材料的上平板電極205。該上平板電極205的材料也可以是金(Au)或其他導電薄膜材料。
e)在上基板200的上表面201a，形成鋁材料的上引線電極206。該上引線電極206也可以采用金(Au)或其他導電薄膜材料，也可以選取上基板200的其他位置。
(三)下基板的制作工藝流程(參閱附圖7a～7e)a)選擇硅基板作為下基板300，但并不局限于硅基板，也可選用玻璃基板等。
b)在下基板300的上表面301a，利用KOH水溶液等堿性腐蝕液對硅進行腐蝕，形成下凹部303和過載保護凸點304。但并不局限于堿性腐蝕液的腐蝕，也可利用反應離子深刻蝕(DRIE)工藝對硅進行刻蝕。
c)在上表面301a形成熱氧化硅(SiO2)層，作為電絕緣隔離層302。該絕緣層也可以是沉積Si3N4層等。
d)在下凹部303形成鋁(Al)材料的下平板電極305。該下平板電極305的材料也可以是金(Au)或其他導電薄膜材料。
e)在下基板300的下表面301b，形成鋁材料的下引線電極306。該下引線電極306也可以采用金(Au)或其他導電薄膜材料，也可以選取下基板300上的其他位置。
(四)基板整合和微結(jié)構(gòu)釋放制作工藝流程(參閱附圖8a～8h)a)取已完成制作流程(一)的(111)硅基板100和完成制作流程(三)的下基板300；b)將(111)硅基板100與下基板300對準，完成第一次鍵合。與(111)基板100及下間隙構(gòu)成下電容；c)在(111)硅片基板100的上表面102a形成鋁(Al)材料的中引線電極106。該中引線電極106的材料也可以是金(Au)或其他導電薄膜材料。
d)在(111)硅片基板100的上表面102a、中引線電極106、鈍化層111a上形成刻蝕圖形掩膜層401。
e)利用深反應離子刻蝕(DRIE)工藝，根據(jù)掩膜層401確定的刻蝕，垂直刻蝕(111)硅片基板100，直至穿透整個基板，形成慣性質(zhì)量塊103、彈性懸梁104(上表面的104a和下表面的104b)、邊框101、阻尼通孔陣列105等，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的釋放，去除上表面102a上的鈍化層111a。完成第一次整合的基板500。
f)取已完成制作流程(二)的上基板200。
g)取已完成第一次整合的基板500。
h)將上基板200與基板500對準，完成第二次鍵合。
i)經(jīng)劃片等工藝，實現(xiàn)傳感器芯片的分離。
由以上所述工藝步驟，制作出本發(fā)明涉及的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器。
本實施例涉及一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器的制作方法的關(guān)鍵工藝之一是單晶硅的化學各向異性腐蝕，這是微機械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域的成熟而重要加工手段之一，參閱附圖9對其原理進行說明。所謂單晶硅的化學各向異性腐蝕工藝指的是在化學腐蝕溶液中，硅的腐蝕速率與被腐蝕硅表面晶向(晶面方向)有關(guān)，這是因為不同結(jié)晶表面的原子密度和懸掛鍵密度不同。硅(111)晶面具有最高的原子密度和最低的懸掛鍵密度，因此是慢腐蝕晶面；而(100)和(110)晶面則是快腐蝕晶面。例如，在氫氧化鉀(KOH)腐蝕溶液中，一般而言，(110)與(111)晶面的腐蝕速率比大于100，甚至在一定條件下可以達到170。單晶硅經(jīng)化學各向異性腐蝕形成的幾何結(jié)構(gòu)，通常是由這些慢腐蝕晶面和快腐蝕晶面構(gòu)成和決定的。圖9a、9b分別是(100)和<110>晶向的單晶硅基板上，以SiO2或Si3N4為掩膜，對各自腐蝕窗口中的硅基板進行化學各向異性腐蝕的結(jié)果示意圖。如圖9c中，首先對(111)晶向的單晶硅基板上的腐蝕窗口進行垂直刻蝕，形成溝槽，如圖9d然后再對其硅側(cè)壁進行化學各向異性腐蝕，由于該側(cè)壁為(110)晶面，所以側(cè)向腐蝕很快，而對底面(111)晶面則腐蝕很慢。此外，熱氧化硅(SiO2)、Si3N4等鈍化材料在其中的腐蝕速率也非常小，可以用作腐蝕掩膜或阻擋材料。單晶硅的化學各向異性腐蝕溶液除KOH水溶液外，還有TMAH(四甲基氫氧化銨)、EPW(鄰苯二酚、水和乙二胺混合溶液)等其他堿性水溶液。
在本發(fā)明中，(111)硅基板100上的至少一對彈性懸梁104(上表面的104a和下表面的104b)就是利用(111)硅基板的化學各向腐蝕特性進行制作的。沿<110>晶向的上下限制溝槽110a和110b的深度t0可以在刻蝕過程中得到精確控制，而這些限制溝槽中填充的鈍化材料(熱氧化硅SiO2，或沉積Si3N4等)在隨后的、通過同樣沿<110>晶向腐蝕溝槽113進行的橫向腐蝕過程中起到控制彈性懸梁104厚度的作用。開始的腐蝕過程就如同附圖9c一樣，但當橫向腐蝕前沿到達上下限制溝槽110a和110b后，越過限制溝槽后的腐蝕，在厚度方向，即沿(111)晶面的腐蝕速率是非常緩慢的，這樣彈性懸梁104的厚度就可以得到精確控制，而且可以在(111)硅基板100的上下表面同時形成對稱的彈性懸梁104微結(jié)構(gòu)。彈性懸梁104的厚度等尺度和位置對稱性對于器件的動態(tài)響應，如靈敏度、頻響等，器件性能都具有重要意義。
由于本發(fā)明中，彈性懸梁104及與其連接的慣性質(zhì)量塊103和邊框101等在材料的性質(zhì)上是完全相同的，是從同一(111)硅基板中形成的，可以最大程度減少甚至消除由注入、摻雜等過程引起的晶格損傷、應力及應力梯度對器件性能，如零點穩(wěn)定性、溫度漂移等的影響。
請參閱附圖10所示，對本發(fā)明涉及的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器的基本工作原理進行說明。如圖10a所示為該加速度傳感器的微機械結(jié)構(gòu)的局部放大圖，慣性質(zhì)量塊103與上平板電極205通過空氣介質(zhì)，構(gòu)成上平板電容C1；而慣性質(zhì)量塊103與下平板電極305通過空氣介質(zhì)，構(gòu)成下平板電容C2。C1和C2的初始靜態(tài)電容值C10和C20，是由慣性質(zhì)量塊103與上下平板電極205和305之間的相對面積、以及慣性質(zhì)量塊103與上下平板電極205和305間的初始距離d10和d20決定。
如圖10b所示，當傳感器受到具有沿垂直于基板方向的外來加速度g(附圖中以向下方向為例)時，根據(jù)牛頓第二定律F＝M*a，慣性質(zhì)量塊103將受到沿外來加速度g的方向的慣性力，引起彈性懸梁104a和104b向相同方向發(fā)生彎曲，慣性質(zhì)量塊103同時發(fā)生同方向位移，與上下平板電極205和305之間的距離分別變化為d1和d2，這時，d1＞d10，而d2＜d20同時，|d1-d10|＝|d2-d20|因此，上下電容C1和C2的值均發(fā)生相應變化。根據(jù)彈性懸梁104的變形量，即慣性質(zhì)量塊103的位移量與所受慣性力間的物理關(guān)系，通過檢測C1或C2的電容值的變化都可以獲得外來加速度g的信息，如大小、頻率等。電容C1和C2的值及其變化的檢測可以通過連接端口1-對應于(111)硅基板100上的中引線電極106、2-對應于上基板200上的上引線電極206和3-對應于下基板300上的下引線電極306的接口電路來實現(xiàn)。這就是所謂開環(huán)檢測方法。
利用開環(huán)檢測方法，對于傳感器結(jié)構(gòu)要求較低，比較方便。實際上，只需要(111)硅基板100與下基板300完成第一次基板整合后的結(jié)構(gòu)，就可以通過檢測C2的變化來獲得外來加速度g的信息。但是，開環(huán)檢測在檢測的精度、帶寬等性能的提高受到較多限制。本發(fā)明涉及的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器可以工作在閉環(huán)檢測方式。如圖10b，當受到圖中的外來加速度g作用后，慣性質(zhì)量塊103向下基板300方向發(fā)生位移，這時，d1＞d10，而d2＜d20同時，|d1-d10|＝|d2-d20|所謂閉環(huán)檢測方式，在慣性質(zhì)量塊103與上平板電極205之間施加反饋靜電力，其大小足以將慣性質(zhì)量塊103拉回其初始位置。這樣，慣性質(zhì)量塊103在外來加速度慣性力與反饋靜電力的共同作用下，回復初始位置。閉環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓正比于被測加速度，這就是所謂閉環(huán)檢測方法。電容C1和C2的值及其變化的檢測及反饋靜電力的施加和控制可以通過在連接端口1、2和3的接口電路來實現(xiàn)。閉環(huán)傳感器有諸多優(yōu)點，如精度高、靈敏度高，線性好、量程大，動態(tài)特性好，即時間常數(shù)小，固有頻率高。高精度測量應用，一般要求加速度傳感器采用閉環(huán)檢測方式。本發(fā)明涉及的基于(111)硅的微機械加速度傳感器能實現(xiàn)閉環(huán)檢測。
彈性懸梁104的寬度大于其厚度，可以更好地抑制其它方向外來加速度的影響，也即對交叉耦合有較好的抑制作用；同時，慣性質(zhì)量塊103的上下對稱配置的一對以上的彈性懸梁104對交叉耦合的抑制也有正面作用。過載保護凸點204和304，在慣性質(zhì)量塊103受到強加速度作用時，可以限制慣性質(zhì)量塊103在垂直于基板表面方向的位移范圍，是器件可靠性的有力保障。阻尼通孔陣列105，可以用來對慣性質(zhì)量塊103在運動中的阻尼進行調(diào)節(jié)和控制，對器件結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應有重要作用。
如上所述，本發(fā)明所涉及的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，具有結(jié)構(gòu)對稱性好、利于閉環(huán)控制，精度高等特點?？梢栽趩纹?111)硅基板上制作通常需要多硅片制作的傳感器關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)，而且器件結(jié)構(gòu)的對稱性、關(guān)鍵尺度等可以實現(xiàn)精確控制，這都有利于器件結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的改善和器件性能的提高。
請參閱附圖11所示，本發(fā)明的另一實施例涉及一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器三軸正交組合。如前實施例中相同的三基板整合體600上，同時制作出可分別檢測三個正交方向外來加速度的傳感器組合，即檢測Z向加速度的傳感器601、檢測Y向加速度的傳感器602和檢測X向加速度的傳感器603。為簡明起見，圖11中，三基板整合體600的上基板并未畫出，而只是從(111)硅基板100上方的俯視圖。
如前實施例中，傳感器601主要包括在(111)硅基板100上的邊框101、慣性質(zhì)量塊103、彈性懸梁104(上表面的104a和下表面的104b)、阻尼通孔陣列105。傳感器602和603的結(jié)構(gòu)，主要包括在(111)硅基板100上的固定電極610a和610b、可動電極611a和611b、彈性梁612a和612b、固定電極上的電容梳齒613a和613b、可定電極上的電容梳齒614a和614b、慣性質(zhì)量塊615a和615b。620是傳感器間的分離溝槽，以保證傳感器間的隔離。
傳感器601的工作原理在前實施例中已經(jīng)說明。傳感器602和603是典型的電容檢測型加速度傳感器，但并不局限于這種結(jié)構(gòu)，外來加速度可通過檢測電容梳齒612和613間電容變化而獲得，只是由于慣性質(zhì)量塊的運動方向不同，而檢測不同方向的外來加速度，其原理是相同的。
在本實施例中的傳感器601、602、603的制作方法上，傳感器601的制作與前實施例相同，傳感器602和603的慣性質(zhì)量塊、固定電極及其上梳齒、可動電極及其上梳齒、彈性梁等結(jié)構(gòu)，均可以在刻蝕形成傳感器601中的慣性質(zhì)量塊、彈性懸梁、阻尼通孔陣列等的同一工藝步驟中刻蝕形成。因此，三個檢測正交外來加速度的微機械加速度傳感器組合可以實現(xiàn)集成制造。
如上所述，本發(fā)明所涉及的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，作為一種Z方向(垂直于基板表面)加速度傳感器，可以與其它典型的X方向、Y方向(平行于基板表面)加速度傳感器，實現(xiàn)集成制造。三方向加速度傳感器的正交性是由微電子機械系統(tǒng)(MEMS)制造工藝的光刻精度決定的，可以得到很好保證，對于降低正交偏差、減小校準成本等都有積極的作用。同時，在相同基板上的集成制作，有利于封裝尺寸的減小、接口電路的小型化，最終可以實現(xiàn)小型化的三軸集成加速度傳感器微系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于傳感器是由一片(111)單晶硅基板和上、下基板各一片構(gòu)成，并且a)在(111)硅基板上有慣性質(zhì)量塊、至少一對彈性懸梁、邊框；該彈性懸梁相對于(111)硅基板為上下對稱，且每根彈性懸梁的一端連接于慣性質(zhì)量塊上，另一端連接于邊框上；b)慣性質(zhì)量塊可以在彈性懸梁的支撐下作垂直于(111)硅基板表面方向的運動；c)(111)硅基板是有邊框與上基板及下基板鍵合連接的；d)上基板的下表面上有上平板電極，該上平板電極與(111)硅基板間為電絕緣隔離，并與慣性質(zhì)量塊及空氣間隙共同構(gòu)成上電容；同時，下基板的上表面上有下平板電極，該下平板電極與(111)硅基板間為電絕緣隔離，并與慣性質(zhì)量塊及空氣間隙共同構(gòu)成下電容；e)至少一個基板上分布有過載保護凸點結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于所述在(111)硅基板的上下表面對稱制造的彈性懸梁的各邊分別平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于所述(111)硅基板上的慣性質(zhì)量塊的最長邊分別平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的彈性懸梁的厚度小于彈性懸梁的寬度，并且遠小于慣性質(zhì)量塊厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的彈性懸梁的厚度不小于5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于上電容和下電容相對于(111)硅基板為上下對稱，其空氣間隙是上基板下表面的凹部、或下基板上表面的凹部、或(111)硅基板的上下表面的凹部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器，其特征在于慣性質(zhì)量塊上有阻尼通孔陣列。
8.一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器的制造方法，其特征在于其制造方法包括以下步驟a)在(111)硅基板的上表面或上基板的下表面形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點；在(111)硅基板的下表面或下基板的上表面形成凹部，作為電容空氣間隙，并形成過載保護凸點；b)在(111)硅基板上對應于前述凹部區(qū)域，垂直于硅基板上、下表面進行雙面對準刻蝕至所需深度，在對稱位置形成沿<110>晶向的上限制溝槽和下限制溝槽；c)沉積鈍化層覆蓋(111)硅基板的上下表面，并填充腐蝕上下限制溝槽的底面和側(cè)面；d)垂直于(111)硅基板下表面刻蝕至所需深度，形成平行于下限制溝槽的沿<110>晶向的腐蝕溝槽，其沿<110>晶向的溝槽側(cè)壁為(110)晶面；同時，該溝槽底面與上表面距離不大于限制溝槽深度；e)對腐蝕溝槽中的(110)晶面?zhèn)缺谶M行化學各向異性腐蝕，直至其橫向腐蝕寬度大于彈性懸梁所需寬度；然后，去除下表面鈍化層；f)在下基板的上表面形成下平板電極；在下基板表面形成下引線電極；g)將(111)硅片基板的下表面與下基板的上表面對準鍵合，與(111)基板及空氣間隙構(gòu)成下電容；h)在(111)硅片基板的上表面形成中引線電極；i)垂直(111)硅片基板上表面進行貫通基板的深刻蝕，形成慣性質(zhì)量塊、至少一對彈性懸梁、阻尼通孔陣列、邊框；j)在上基板的下表面形成上平板電極；在上基板表面形成上引線電極；k)將(111)硅片基板的上表面與上基板的下表面對準鍵合，與(111)基板及上間隙構(gòu)成上電容；l)經(jīng)劃片等工藝，實現(xiàn)傳感器芯片的分離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器的制造方法，其特征在于所述上限制溝槽和下限制溝槽的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度，同時，所述腐蝕溝槽的沿(110)方向的長度遠遠大于其寬度。
10.一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器的檢測方法，其特征在于該傳感器檢測垂直于(111)硅基板表面方向的外來加速度，并且可以閉環(huán)檢測。
全文摘要
一種基于(111)硅的微機械加速度傳感器及其制造方法，該傳感器是由一片(111)單晶硅基板和上、下基板各一片構(gòu)成，(111)硅基板上的慣性質(zhì)量塊是由同一基板上的至少一對彈性懸梁連接到固定邊框，在外來加速度作用下可作垂直于基板表面方向的運動，并引起其與上、下基板上的平板電極間的電容發(fā)生變化，以檢測外來加速度。所述彈性懸梁相對于(111)硅基板為上下對稱，其制造和尺度控制是由硅化學各向異性腐蝕和高深寬比干法刻蝕工藝組合實現(xiàn)的，(111)硅基板與上基板、下基板通過對準鍵合連接。該傳感器實現(xiàn)閉環(huán)檢測，具有結(jié)構(gòu)對稱性好、工藝可控性好、檢測精度高、易于多軸集成等特點，應用于石油地震勘探等領(lǐng)域。
文檔編號G01P15/125GK1920576SQ20061002942
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者袁東海 申請人:浙江杜翔科技有限公司