專利名稱：基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電容式微機械加速度傳感器，具體地說，涉及一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器。
背景技術：
電容式硅微機械加速度傳感器由于具有溫度系數(shù)低，重復性好，性能穩(wěn)定，抗沖擊等優(yōu)良特性而被廣泛關注，是目前研制最多、應用最廣的慣性器件之一。電容式硅微機械加速度傳感器的制作方法又分為兩大類，第一類是表面微機械加工法，第二類是體硅微機械加工法。前者與集成電路工藝兼容，具有集成度高成本低的優(yōu)點，但也存在穩(wěn)定性差，噪聲大等缺點。而體硅式加工的微加速度計采用單晶硅作為敏感單元，質(zhì)量塊較大，因而靈敏度高，噪聲小，性能穩(wěn)定。因而高性能加速度計通常采用體硅工藝制作。體硅工藝主要又可分為硅_玻璃鍵合工藝和硅_硅鍵合工藝兩種。當對傳感器的性能要求進一步提高后，比如精度要求達到戰(zhàn)術級和導航級后，對材料的熱漲系數(shù)的匹配要求也更加嚴格。從這一點來說，硅-硅鍵合又比硅_玻璃鍵合更勝一籌。到目前為止，大多數(shù)硅-硅鍵合采用的是共熔鍵合，共熔材料可以是微晶玻璃漿料或可熔性合金材料，有時還需要一層二氧化硅絕緣材料作為隔離層。然而這些鍵合共熔材料和隔離材料或多或少會帶來一些不匹配熱應力問題，從而影響到器件性能。因此，要想徹底消除熱應力問題，最好是采用三維硅_硅直接鍵合，晶圓片之間不夾帶任何非硅材料。目前市場上普遍采用的SOI工藝是不可能達到這一要求的。因為晶圓片之間的二氧化硅絕緣層是將質(zhì)量塊和電極之間電隔離必不可少的材料之一。但是這一層絕緣層會或多或少在垂直于晶圓片的方向引起不匹配熱應力。近年來發(fā)展起來的通孔硅技術是用二氧化硅作為垂直絕緣層，垂直的二氧化硅層對垂直方向的熱應力影響較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱應力較小、性能較好的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器及其加工工藝。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是
一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，其包括硅-硅直接鍵合的三層硅晶圓層，所述的三層硅晶圓層依次為固定電極晶圓層、質(zhì)量塊晶圓層、封蓋晶圓層；
所述的固定電極晶圓層為通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于所述的通孔硅晶圓層的第一固定電極，相鄰的第一固定電極之間具有垂直于所述的通孔硅晶圓層的第一絕緣層；
所述的質(zhì)量塊晶圓層通過單錨點硅-硅直接鍵合方式懸掛于所述的通孔硅晶圓層的下方；其包括對稱的懸于所述的單錨點兩側(cè)的兩個可動質(zhì)量塊，兩個所述的可動質(zhì)量塊的大小相同、質(zhì)量不同，其形成質(zhì)量塊電極，所述的質(zhì)量塊電極的大小相同；所述的質(zhì)量塊電極與所述的第一固定電極為可變電容的兩個極。優(yōu)選的，所述的三層硅晶圓層的材料均為高摻雜單晶硅，所述的第一固定電極由所述的高摻雜單晶硅形成。優(yōu)選的，所述的第一固定電極的寬度為300-600 μ m，長度為500-1000 μ m。優(yōu)選的，所述的第一絕緣層由二氧化硅形成，所述的第一絕緣層的厚度即相鄰的所述的第一固定電極之間的距離為10-20 μ m。優(yōu)選的，所述的質(zhì)量塊晶圓層的與所述的通孔硅晶圓層相鍵合的上表面具有第一淺坑，所述的質(zhì)量塊電極位于所述的第一淺坑中，所述的第一淺坑的深度為所述的可變電容的兩個極的距離；所述的封蓋晶圓層的與所述的質(zhì)量塊晶圓層相鍵合的表面具有第二淺坑。優(yōu)選的，一個所述的可動質(zhì)量塊為實心，另一個所述的可動質(zhì)量塊為空心；所述的質(zhì)量塊晶圓層與固定電極晶圓層和封蓋晶圓層直接硅-硅鍵合而被密封于中間。第二種結構為三層結構，所述的封蓋晶圓層為與所述的固定電極晶圓層結構相同的通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于所述的封蓋晶圓層的第二固定電極，相鄰的第二固定電極之間具有垂直于所述的封蓋晶圓層的第二絕緣層。優(yōu)選的，所述的質(zhì)量塊晶圓層與所述的固定電極晶圓層和封蓋晶圓層直接硅-硅鍵合而被密封于中間，所述的質(zhì)量塊晶圓層與所述的第一固定電極和所述的第二固定電極上下對稱，間距相等。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點1、由于本發(fā)明采用通孔硅作為可變電容傳感器結構的電極材料，即用垂直的電絕緣層將數(shù)個電極隔開，而三層硅晶圓層之間不需要夾帶任何非硅材料，不僅將熱應力降至最小，還有效地減小了器件的尺寸，同時還有效地提升了氣密性和可靠性；可以省去通常加速度傳感器所需要加的吸氣膜層，從而簡化了加工工藝，降低了成本；2、由于本發(fā)明采用單錨點硅-硅直接鍵合方式將質(zhì)量塊晶圓層懸掛于通孔硅晶圓層的下方，結合硅晶圓層的直接鍵合，傳感器的寄生電容遠小于采用SOI工藝制作的差分電容式傳感器，使得芯片對于由封裝貼片產(chǎn)生的附加應力幾乎不敏感，從而大大提高了傳感器的性能；3、由于本發(fā)明采用封蓋晶圓層作為襯底材料，其通過貼片與封裝襯底材料相連接，把傳感器電極與質(zhì)量塊通過封蓋晶圓層與封裝材料相隔離開，可以減小應力、提高傳感器性能；4、由于本發(fā)明的質(zhì)量塊晶圓層具有大小相同、質(zhì)量不同的可動質(zhì)量塊，其質(zhì)量塊電極面積相同，因而阻尼也相同，使得兩個可動質(zhì)量塊的振動阻尼達到平衡，有效的降低了振動整流誤差。


附圖1為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的剖面圖。附圖2為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的立體示意圖。附圖3為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的通孔硅晶圓層的立體示意圖。附圖4為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的質(zhì)量塊晶圓層的立體示意圖。附圖5為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的封蓋晶圓層的立體示意圖。附圖6為本發(fā)明的實施例一的加速度傳感器的三層硅晶圓片相直接鍵合的示意圖。附圖7為本發(fā)明的實施例二的加速度傳感器的剖面圖。
以上附圖中1、固定電極晶圓層；2、質(zhì)量塊晶圓層；3、封蓋晶圓層；4、第一固定電極；5、第一絕緣層；6、第一金屬電極；7、單錨點；8、空心質(zhì)量塊電極；9、實心質(zhì)量塊電極； 10、第二固定電極；11、第二絕緣層；12、第二金屬電極。
具體實施例方式下面結合附圖所示的實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例一參見附圖1至附圖5所示。一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，其包括硅-硅直接鍵合的三層硅晶圓層，三層硅晶圓層依次為固定電極晶圓層1、質(zhì)量塊晶圓層2、封蓋晶圓層3。三層硅晶圓層的材料均為高摻雜單晶硅。質(zhì)量塊晶圓層2與固定電極晶圓層1和封蓋晶圓層3直接硅-硅鍵合而被密封于中間。固定電極晶圓層1為通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于通孔硅晶圓層的第一固定電極4，相鄰的第一固定電極4之間具有垂直于通孔硅晶圓層的第一絕緣層5。第一固定電極4由高摻雜單晶硅形成，第一絕緣層5由二氧化硅形成。第一固定電極4的面積較大，其寬度為300-600 μ m,長度為500-1000 μ m,第一絕緣層5的厚度即相鄰的第一固定電極4之間的距離為10-20 μ m，典型值是20 μ m。通孔硅晶圓層的未與質(zhì)量塊晶圓層2相鍵合的外表面具有與第一固定電極4相對應的第一歐姆接觸窗口，第一歐姆接觸窗口中由金屬鋁薄膜形成第一金屬電極6。質(zhì)量塊晶圓層2通過單錨點7硅-硅直接鍵合方式懸掛于通孔硅晶圓層的下方。 其包括對稱的懸于單錨點7兩側(cè)的兩個可動質(zhì)量塊，兩個可動質(zhì)量塊通過彈簧懸臂梁連接并對稱的懸于單錨點7的兩側(cè)。兩個可動質(zhì)量塊的大小相同、質(zhì)量不同。一個可動質(zhì)量塊為實心，另一個可動質(zhì)量塊為空心?？蓜淤|(zhì)量塊形成質(zhì)量塊電極，分別為空心質(zhì)量塊電極8 和實心質(zhì)量塊電極9，兩個質(zhì)量塊電極的大小相同。質(zhì)量塊晶圓層2的與通孔硅晶圓層相鍵合的上表面具有第一淺坑，質(zhì)量塊電極位于第一淺坑中。質(zhì)量塊電極與第一固定電極4為可變電容的兩個極，第一淺坑的深度為可變電容的兩個極的距離。由于支點兩側(cè)的質(zhì)量塊電極面積相同，因而阻尼也相同，使得左右振動阻尼達到平衡，這就有效地降低了振動整流誤差(Vibration Rectification Error VRE)。由于第一固定電極4之間的隔離間距是10-20微米，遠大于通常的SOI絕緣層的厚度(1-2 μ m)，加速度傳感器雖然也是采用單支點扭擺式差分電容式結構，但是本發(fā)明的傳感器寄生電容效應要遠小于采用SOI工藝制作的差分電容式傳感器。封蓋晶圓層3的與質(zhì)量塊晶圓層2相鍵合的表面具有第二淺坑，其作為襯底材料通過貼片與封裝襯底材料相連接，把傳感器的電極和質(zhì)量塊通過較厚的封蓋晶圓層3與封裝材料隔開，有利于減小應力，提高器件性能。參見附圖6所示，上述基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器的加工工藝包括如下流程
(1)分別加工形成第一固定電極4晶圓片、質(zhì)量塊晶圓片、封蓋晶圓片； 加工形成第一固定電極4晶圓片包括如下流程
①采用P+單晶硅晶圓片光刻形成第一固定電極4的圖形，并采用DRIE深度等離子刻蝕法刻蝕形成垂直于晶圓片的多個深槽；②采用化學汽相淀積氧化物材料法填充深槽形成第一絕緣層5；
③采用碾磨或化學拋光法減薄P+單晶硅晶圓片的厚度形成通孔硅晶圓片；由于深槽并未將P+單晶硅晶圓片完全穿透，因此需在其未穿透的一面采用上述方法減薄P+單晶硅晶圓片的厚度，使深槽形成穿透P+單晶硅晶圓片的通孔；
加工形成質(zhì)量塊晶圓片包括如下流程
①采用P+單晶硅晶圓片或SOI晶圓片采用光刻掩膜加等離子刻蝕形成縱向抗過載阻擋層的圖形；
②對第二晶圓片進行光刻形成第一淺坑；
③對第二晶圓片進行光刻形成可動質(zhì)量塊的圖形； 加工形成封蓋晶圓片包括如下流程
采用P型硅晶圓片光刻形成第二淺坑。(2)將第一固定電極4晶圓片與質(zhì)量塊晶圓片進行硅_硅直接鍵合。(3)采用拋光或深度刻蝕法減薄質(zhì)量塊晶圓片的厚度至合適值。(4)采用DRIE深度等離子刻蝕法刻蝕質(zhì)量塊晶圓片形成兩個可動質(zhì)量塊，并采用汽相氫氟酸去掉質(zhì)量塊晶圓片表面的二氧化硅層。(5)將質(zhì)量塊晶圓片與封蓋晶圓片進行硅_硅直接鍵合。(6)在固定電極晶圓片的未與質(zhì)量塊晶圓片相鍵合的外表面上由光刻加二氧化硅腐蝕形成與第一固定電極4相對應的歐姆接觸窗口。(7)在歐姆固定窗口中濺射形成金屬電極。三層硅晶圓片全部采用硅-硅直接鍵合，硅晶圓片之間不夾帶任何非單晶硅材料，甚至不包括二氧化硅絕緣層，因而將熱應力減至最小。此外硅_硅直接鍵合具有氣密性好的特點，可以省去通常慣性傳感需要加的吸氣膜層，從而簡化了工藝，降低了成本。這一方法不僅可以用來制作加速度傳感器，還可以用來制作其它高性能慣性傳感器如微機械陀螺儀等。實施例二 參見附圖7所示。一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，與實施例一的不同在于封蓋晶圓層3為與固定電極晶圓層1結構相同的通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于封蓋晶圓層3的第二固定電極10，相鄰的第二固定電極10之間具有垂直于封蓋晶圓層3的第二絕緣層11。封蓋晶圓層3的未與質(zhì)量塊晶圓層2相鍵合的外表面形成有與第二固定電極10相對應的第二歐姆接觸窗口，第二歐姆接觸窗口中由金屬鋁薄膜形成第二金屬電極12。質(zhì)量塊晶圓層2與固定電極晶圓層1和封蓋晶圓層3直接硅-硅鍵合而被密封于中間。質(zhì)量塊晶圓層2與第一固定電極4和第二固定電極10上下對稱，間距相等。這種結構的優(yōu)點是在芯片大小不變的條件下使敏感電極的面積增加了一倍，因而使信號靈敏度提高；此外，由激勵電壓產(chǎn)生的靜電力上下對稱，不會使芯片質(zhì)量塊變形， 這種變形雖然及其微小，但對于高性能傳感器來說，這種變形也許不能忽略。然而制作這種傳感器的工藝流程較為復雜，制作成本增加。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，其特征在于其包括硅-硅直接鍵合的三層硅晶圓層，所述的三層硅晶圓層依次為固定電極晶圓層、質(zhì)量塊晶圓層、封蓋晶圓層；所述的固定電極晶圓層為通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于所述的通孔硅晶圓層的第一固定電極，相鄰的第一固定電極之間具有垂直于所述的通孔硅晶圓層的第一絕緣層；所述的質(zhì)量塊晶圓層通過單錨點硅-硅直接鍵合方式懸掛于所述的通孔硅晶圓層的下方；其包括對稱的懸于所述的單錨點兩側(cè)的兩個可動質(zhì)量塊，兩個所述的可動質(zhì)量塊的大小相同、質(zhì)量不同，其形成質(zhì)量塊電極，所述的質(zhì)量塊電極的大小相同；所述的質(zhì)量塊電極與所述的第一固定電極為可變電容的兩個極。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于所述的三層硅晶圓層的材料均為高摻雜單晶硅，所述的第一固定電極由所述的高摻雜單晶硅形成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的第一固定電極的寬度為300-600 μ m，長度為500-1000 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于所述的第一絕緣層由二氧化硅形成，所述的第一絕緣層的厚度即相鄰的所述的第一固定電極之間的距離為10-20 μ m。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于所述的質(zhì)量塊晶圓層的與所述的通孔硅晶圓層相鍵合的上表面具有第一淺坑，所述的質(zhì)量塊電極位于所述的第一淺坑中，所述的第一淺坑的深度為所述的可變電容的兩個極的距離；所述的封蓋晶圓層的與所述的質(zhì)量塊晶圓層相鍵合的表面具有第二淺坑。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于一個所述的可動質(zhì)量塊為實心，另一個所述的可動質(zhì)量塊為空心；所述的質(zhì)量塊晶圓層與所述的固定電極晶圓層和所述的封蓋晶圓層直接硅-硅鍵合而被密封于中間。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于所述的封蓋晶圓層為與所述的固定電極晶圓層結構相同的通孔硅晶圓層，其具有多個垂直于所述的封蓋晶圓層的第二固定電極，相鄰的所述的第二固定電極之間具有垂直于所述的封蓋晶圓層的第二絕緣層。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器， 其特征在于所述的質(zhì)量塊晶圓層與所述的固定電極晶圓層和封蓋晶圓層直接硅-硅鍵合而被密封于中間，所述的質(zhì)量塊晶圓層與所述的第一固定電極和所述的第二固定電極上下對稱，間距相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于硅通孔技術的硅晶圓直接鍵合的微機械加速度傳感器，其包括硅-硅直接鍵合的三層硅晶圓層，依次為固定電極晶圓層、質(zhì)量塊晶圓層、封蓋晶圓層；固定電極晶圓層為通孔硅晶圓層，其具有多個垂直的第一固定電極，第一固定電極之間具有垂直的第一絕緣層；質(zhì)量塊晶圓層通過單錨點硅-硅直接鍵合方式懸掛于通孔硅晶圓層的下方；其包括對稱的懸于單錨點兩側(cè)的兩個大小相同、質(zhì)量不同的可動質(zhì)量塊，其形成大小相同的質(zhì)量塊電極；質(zhì)量塊電極與第一固定電極為可變電容的兩個極。本發(fā)明采用通孔硅作為可變電容傳感器結構的電極材料并采用硅-硅直接鍵合方式，不僅將熱應力降至最小，還提升了傳感器的性能；并簡化了加工工藝，降低了成本。
文檔編號G01P15/00GK102435772SQ20111031152
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權日2011年10月14日
發(fā)明者郭述文 申請人:蘇州文智芯微系統(tǒng)技術有限公司