一種低應力Z軸加速度計的製備方法與流程
2023-06-01 08:53:06 1
本發明涉及微機械電子技術領域，具體是一種低應力Z軸加速度計的製備方法。
背景技術：
微機械加速度計是基於微電子機械系統加工技術製作而成的一種力學量傳感器，可以用於慣性力、傾斜角、振動及衝擊等慣性參數的測量。利用微機械加工工藝製作的電容式加速度計在測量精度、溫度特性、利用靜電力進行閉環測量和自檢及易與電子線路集成等方面具有獨特的優點，已在交通運輸、工業控制、慣性導航、醫學、儀器檢測、軍事等很多領域得到了廣泛的應用。
普通平板電容式Z軸加速度計的微結構通常包含可動結構以及與襯底相連的固定電極結構，質量塊與固定電極之間形成電容，輸入加速度引起的慣性力，在Z軸上產生電容的變化，從而將加速度信號轉換成電學信號。
作為一種力敏感器件，環境溫度變化形成的熱應力會導致襯底形變，進而傳遞到與襯底相連的固定電極，引起固定電極的形變，最終造成加速度計零位輸出漂移，傳感器全溫性能下降，降低了傳感器的綜合精度。
為了降低熱應力對固定電極的影響，目前，一種相關製備方法是通過犧牲層來實現固定電極與襯底的隔離，該方法有以下缺陷：一、犧牲層需要CMP設備平坦化，氣態HF釋放，工藝方法複雜，工藝控制困難；二、利用該方法實現襯底與下電極的隔離，需要在結構層和下電極開較多的釋放孔，從而減小了器件有效感應電容面積；三、利用該方法很難實現上下兩面都分布固定電極的高靈敏度器件。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種低應力Z軸加速度計的製備方法，該方法製備得到的加速度計能夠大幅降低環境溫度變化、封裝以及安裝導致的應力對加速度計性能的影響，且該結構加速度計採用MEMS體矽工藝，加工工藝簡單，產品的可靠性、一致性好，可以實現批量製造。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種低應力Z軸加速度計的製備方法，包括以下步驟：
S1）製備下襯底層:
採用雙拋矽片作為襯底，在雙拋矽片的兩面通過熱氧化生長襯底氧化層；以其中一面作為加工面，通過光刻工藝製備出隔離腔圖形、支撐錨點圖形與中心錨點圖形，再利用幹法刻蝕，形成襯底隔離腔、襯底支撐錨點以及襯底中心錨點，得到下襯底層；襯底中心錨點、襯底支撐錨點與襯底隔離腔依次由內向外分布，襯底中心錨點與襯底支撐錨點之間存在間隙；
S2）製備下固定電極層:
採用SOI矽片作為固定電極層的基體，利用矽矽鍵合將SOI矽片鍵合於下襯底層的頂部；利用光刻與幹法刻蝕製備出活動腔，活動腔與襯底隔離腔相對應；再利用光刻與幹法刻蝕製備出下固定電極、下固定電極層中心錨點與下固定電極層支撐框架，得到下固定電極層；下固定電極層中心錨點與襯底中心錨點形成配合，下固定電極的內側與襯底支撐錨點形成配合；
S3）製備可動結構層:
採用SOI矽片作為可動結構層的基體，利用矽矽鍵合將SOI矽片鍵合於下固定電極層的頂部；利用光刻與幹法刻蝕製備出可動電極、可動結構層中心錨點以及可動結構層支撐框架；可動結構層中心錨點與下固定電極層中心錨點形成配合，可動電極位於下固定電極上方，並能夠在下固定電極層的活動腔內沿Z軸移動；
S4）製備上襯底層:
按照步驟S1的方法製備與下襯底層結構相同的上襯底層；
S5）製備上固定電極層:
按照步驟S2的方法製備與下固定電極層結構相同的上固定電極層；
S6）上固定電極層與上襯底層相鍵合後再與可動結構層矽矽鍵合，上固定電極層及上襯底層與下固定電極層及下襯底層形成對稱，得到Z軸加速度計。
本發明的有益效果是：
一、本發明不需要CMP設備平坦化、氣態HF釋放等控制困難的工藝，採用常規工藝方法，即可實現將固定電極與襯底之間形成一定的間隙，達到降低熱應力對器件影響的目的；
二、本發明無需在固定電極上開釋放孔即可實現固定電極與襯底的隔離，不會減小器件感應電容面積；
三、本發明在製備可動結構層時，利用了SOI矽片頂層矽厚度的高度一致性，厚度控制精確；
四、本發明可以實現上、下均分布帶有隔離間隙的固定電極的高靈敏度器件。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明：
圖1是本發明步驟S1的示意圖；
圖2是本發明步驟S2的示意圖；
圖3是本發明步驟S3的示意圖；
圖4是本發明製備出的Z軸加速度計的結構示意圖。
具體實施方式
本發明提供一種低應力Z軸加速度計的製備方法，包括以下步驟：
S1）製備下襯底層1:
如圖1所示，採用雙拋矽片作為襯底1a，在雙拋矽片的兩面通過熱氧化生長襯底氧化層1b；以其中一面作為加工面，通過光刻工藝製備出隔離腔圖形、支撐錨點圖形與中心錨點圖形，再利用幹法刻蝕，形成襯底隔離腔1c、襯底支撐錨點1d以及襯底中心錨點1e，利用120℃硫酸去膠清洗後衝水甩幹,得到下襯底層1；襯底中心錨點1e、襯底支撐錨點1d與襯底隔離腔1c依次由內向外分布，襯底中心錨點1e與襯底支撐錨點1d之間存在間隙；
S2）製備下固定電極層2:
結合圖2所示，採用SOI矽片作為固定電極層的基體，SOI矽片包含頂層矽、埋氧層以及襯底矽三層,利用矽矽鍵合將SOI矽片的頂層矽鍵合於下襯底層的頂部；
利用CMP、KOH腐蝕或ICP刻蝕去除SOI矽片的襯底矽，利用BOE去除SOI矽片的埋氧層；
然後利用光刻與幹法刻蝕製備出活動腔2a，活動腔2a與襯底隔離腔1c相對應；用120℃硫酸去膠清洗後衝水甩幹，再接著利用光刻與幹法刻蝕製備出下固定電極2b、下固定電極層中心錨點2c與下固定電極層支撐框架2d，用120℃硫酸去膠清洗後衝水甩幹，得到下固定電極層；下固定電極層中心錨點2c與襯底中心錨點1e形成配合，下固定電極2b的內側與襯底支撐錨點1d形成配合；下固定電極2b通過襯底隔離腔1c與襯底1a形成隔離，使得固定電極與襯底之間傳遞應力的途徑被切斷；
S3）製備可動結構層3:
結合圖3所示，採用SOI矽片作為可動結構層的基體，利用矽矽鍵合將SOI矽片的頂層矽鍵合於下襯底層的頂部；利用CMP、KOH腐蝕或ICP刻蝕去除SOI矽片的襯底矽，利用BOE去除SOI矽片的埋氧層；
利用光刻與幹法刻蝕製備出可動電極3a、可動結構層中心錨點3b以及可動結構層支撐框架3c，用120℃硫酸去膠清洗後衝水甩幹，得到可動結構層3；可動結構層中心錨點3b與下固定電極層中心錨點2c形成配合，可動電極3a位於下固定電極2b上方，並能夠在下固定電極層的活動腔2a內沿Z軸移動；
S4）製備上襯底層:
按照步驟S1的方法製備與下襯底層結構相同的上襯底層4；
S5）製備上固定電極層:
按照步驟S2的方法製備與下固定電極層結構相同的上固定電極層5；
S6）結合圖4所示，上固定電極層5與上襯底層4相鍵合後再與可動結構層矽矽鍵合，上固定電極層及上襯底層與下固定電極層及下襯底層形成對稱，得到Z軸加速度計。上固定電極層5與上襯底層4既可以作為固定電極，又可以作為晶圓級蓋帽封裝。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。