一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法

摘要

一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法，属于微硅结构加工技术领域。该方法包括玻璃刻蚀；玻璃溅金：金属层高出玻璃表面400～600埃；玻璃打孔；硅片第1、第2次RIE刻蚀；薄膜梁工艺：高温干氧化及表面腐蚀；第1次玻硅静电键合；硅片减薄和抛光；硅片ICP刻蚀；硅片第3次RIE刻蚀；硅片第4次RIE刻蚀；第2次玻硅静电键合；薄膜梁的ICP去除，制备得到制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构。本发明玻璃打孔采用喷砂打孔方案；引入二氧化硅薄膜梁作为牺牲层，采用ICP除去薄膜梁工艺；有效解决了“三明治”微结构在第2次静电键合中的存在黏附问题，无需后处理，效率更高，与MEMS工艺兼容性更好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS惯性仪表敏感结构的加工方法，属于微硅结构加工技术领域。

背景技术

国外对于静电悬浮技术的研究已经进行很多，主要应用于惯性导航、空间领域科学实验和微重力测量等军用和民用领域。静电悬浮微陀螺/加速度计在结构上借鉴了以往MEMS器件中的玻硅玻“三明治”结构。悬浮原理上借鉴了以往依靠精密加工的静电陀螺和静电加速度计，加转原理借鉴了微电机的可变电容原理。静电力在微机械中得到了广泛应用，静电微马达的研制成功表明了研制静电悬浮转子式微陀螺实现高精度线速度和角速度测量是可行的，国外研究转子式悬浮微惯性仪表的单位有：日本东北大学、美国SatCon技术公司、日本Tokemic公司、英国南安普敦大学等。国内的研究单位主要集中在清华大学、上海交通大学浙江大学和上海微系统所。

美国Satcon技术公司于20世纪90年代初在NASA兰立研究中心的SBIR计划支持下，进行了静电悬浮微陀螺的原理验证并申请了发明专利(美国专利，专利号：G01C 019/24.5353656)。该陀螺仪采用标准的VLSI多层多晶硅工艺制造，整个器件的集成度高，转子直径为200μm，厚度为2.0μm，转子与电极间的轴向间隙和径向间隙均为2.0μm；转子电极数为4，定子电极数为6，转速为500,000rpm。在预期的100Hz带宽内的分辨率为0.01°/s。目前正在进行SBIR二期计划(No.NAS1-19590)的研究，其研究成果还未见报道。

美国球半导体公司(Ball Semiconductor Inc.)于2002年研制成功MEMS静电悬浮球形三轴加速度计，通过三轴静电力将Φ1mm的单晶硅球悬浮在球腔中，噪声水平为40μg/Hz^1/2，今后研究的目标就是降低腔体真空度，对转子加转，实现基于MEMS工艺的静电陀螺议。

日本东机美株式会社(Tokimec inc.)自1995年开始致力于静电悬浮微陀螺的工程化研究。他们在2003年分别推出了能同时测量3轴线加速度和2轴角速度的环形转子微陀螺。目前，环形转子微陀螺已经形成工程样机，正在向提高产品精度方向迈进。此种形式的微陀螺采用玻硅玻“三明治”结构，转子采用单晶硅材料，采用了反应离子深刻蚀(DRIE)工艺；通过微位移检测线路、控制器和静电驱动电路构成的闭环伺服回路，控制转子在5自由度上稳定悬浮；基于可变电容静电微马达原理驱动转子旋转。

国内浙江大学与上海冶金所合作在1995-1998年间对直径为Φ32mm、厚度为0.2mm的玻璃圆盘进行了无源静电悬浮的验证实验，其中三自由方向为主动控制，并对应用于微机械陀螺的静电悬浮技术进行了初步的理论研究。通过调整LC谐振电路本身的参数达到稳定悬浮，电路部分比较简单，没有位置检测反馈控制机构，但这种无源静电悬浮方式支承刚度较低，系统特性不便调整，电感线圈不易微型化。

上海交通大学自2001年以来从事转子式悬浮陀螺的研究，先后提出了磁悬浮微陀螺和静电悬浮微陀螺两种方案。吴校生等人于2006年成功研制磁悬浮微陀螺原理样机，采用Φ2.2mm厚度为20μm的铝转子，在真空环境下转子转速为4,000rpm，角速度分辨率为3°/sec。崔峰等人设计了轮式静电悬浮微陀螺，根据陀螺的轴向(4g)和径向(3g)静态过载，设计转子直径和厚度分别为4mm和250μm。在工艺方案上采用SU-8 UV-LIGA技术和微组装技术，第1步在上、下层玻璃片上，通过光刻、电镀、溅射和研磨工艺制造金属薄电极、金属导带、金属键线台、金属止档和绝缘层；第2步在下层玻璃表面溅射SU-8保护膜，通过掩模在SU-8层上刻蚀出径向电极和导通柱的模腔，然后在模腔内注入金属镍，然后将SU-8层移去；第3步在上层玻璃基片上采用钛作为种子层，同样以SU-8膜作为牺牲层，电铸出镍转子，经过研磨和抛光之后，去除SU-8层和钛种子层，释放出转子；第4步，在微显微镜下，将转子安放在底层玻璃的止档层上，转子和周围的电极形成径向间隙，将上层玻璃与底层基片通过铅锡键合剂键合在一起，形成轴向间隙。目前该悬浮表头工艺成处于实验探索阶段，还未见形成原理样机的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法。

本发明基于体硅工艺设计了悬浮式微陀螺/加速度计敏感结构的加工方法，悬浮表头采用玻硅玻“三明治”结构，轴向控制电极、加转电极和公共电极可以通过顶层和底层玻璃上溅射金属制得，径向控制电极和公共电极可以通过体硅刻蚀工艺制得。本发明分13个工步完成，下面将对每一个工步作详细介绍。

一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法，该方法包括以下步骤：

1、玻璃刻蚀工艺；用缓冲氢氟酸(BHF)溶液腐蚀玻璃而形成电极凹槽，通过反应时间来控制刻蚀凹槽的深度，BHF成分为HF+NH₄F+H₂O，提供稳定的F+离子浓度，在25摄氏度下对玻璃的腐蚀速率为454埃/分钟，腐蚀3.5分钟可形成约1600埃深的浅槽。

2、玻璃溅金工艺；采用溅射仪在玻璃上依次溅射三层金属Cr(800埃)、Pt(500埃)和Au(800埃)，形成2100埃厚的金属层。金属层的成分分析：Cr层能吸收玻璃中的氧(O₂)，与玻璃结合力较大，作为黏附层；Au层与硅在360度左右能形成共熔体，结合力较大作为导电层；Pt作为中间过渡层，防止Ti-Au形成共熔体。金属层的厚度分析：在后续的玻硅键合中，过高的金属层将撑起硅片，使得金属边缘玻璃无法与硅片形成良好的接触，影响键合强度；过低的金属层使得硅片无法与金属层得到充分接触，引起接触电阻较大，金属层高出玻璃表面约400～600埃最为适宜。

3、玻璃打孔工艺；喷砂打孔(sand blasting)是利用高压水射流原理开发的打孔技术，其利用水作为携带能量的载体，直径几十微米的砂粒随着高压水流柱喷射到玻璃表面，无数小砂砾对玻璃肌体不断进行“蚕食”，直至最终形成通孔。

4、硅片第1次RIE刻蚀；采用n型或p型高掺杂(电阻率0.002～0.004Ω)<100>晶向的单晶硅片，先对硅片进行标准清洗，经过前烘、匀胶后，光刻机按照掩模版图meml-1对硅片正面进行单面光刻，再经过后烘将掩模板图完全固定到硅片表面的光刻胶版图上。采用ICP刻蚀机进行RIE干法刻蚀，形成底部键合台面。

5、硅片第2次RIE刻蚀；在硅片表面涂敷光刻胶，利用掩模板meml-2进行光刻(曝光和显影)，经过后烘固定光刻胶版图，对硅片正面进行RIE刻蚀，刻键合台面和14个止挡，经过去胶清洗可得第2次RIE刻蚀图形。

6、薄膜梁工艺；该工艺实现了止挡表面形成绝缘膜，且在质量外环和外径电极之间形成薄膜梁，分2步进行：a)高温干氧化：将硅片置于氧化炉中，在硅片整个表面形成约二氧化硅薄膜。b)表面腐蚀；将硅片进行标准清洗，在硅片正面涂敷光刻胶并经过前烘后，采用光刻机对按照meml-3掩模版进行曝光和显影，经过后烘形成光刻胶版图，将硅片放入BHF溶液中经过去胶清洗后即可。

7、第1次玻硅静电键合；玻璃片和硅片先进行标准清洗，再进行兆声清洗，保证键合的表面非常干净从而增强键合效果。采用键合机将硅片的结构图形朝上放置，玻璃片上的图形反扣在硅片上，利用键合机自带光学系统进行玻硅位置找准，找到后将玻硅固定，翻转180度，对玻硅表面施加一定预紧力，使两者紧密接触，在300～400摄氏度的环境中对玻硅施加1000～2000V的直流电压，经过20～30分钟后键合完毕，组合片的剖面图通过是否透光及透光颜色检验键合是否牢固。

8、硅片减薄和抛光；采用腐蚀液，将硅片厚度腐蚀减薄，再用抛光液在聚胺酯盘上进行抛光，粗糙度在纳米量级。

9、硅片ICP刻蚀；对硅片背面进行标准清洗、前烘和涂胶，按照掩模版进行光刻，经过后处理在硅片背面形成光刻胶版图，采用ICP刻蚀机将硅结构层刻透，形成径向电极、导通硅和质量环，正因为第6工步硅片底面刻蚀出薄膜梁，有效防止在去胶清洗过程中质量环脱落。

10、硅片第3次RIE刻蚀；对硅片背面进行标准清洗，经过前烘、涂胶后，用光刻机按照掩模版图进行双面光刻(曝光和显影)，经过后烘处理形成光刻胶版图，采用RIE刻蚀机对硅片背面进行干法刻蚀，形成顶部键合台面。

11、硅片第4次RIE刻蚀；对硅片背面进行标准清洗、前烘和涂胶，按照掩模版进行光刻，经过后烘处理在硅片背面形成光刻胶版图，采用RIE刻蚀机对硅片背面进行刻蚀，形成键合台面和止挡。

12、第2次玻硅静电键合；在键合机平台上组合片硅片图形朝上放置，顶层玻璃图案反扣在硅片图形上，利用光刻机将玻硅图案对准、固定并翻转180度，对玻硅组合施加一定预紧力，在300～400摄氏度的环境中对玻硅施加1000～2000V的直流电压，经过20～30分钟后键合完成，键合牢固性检验方法如同工步7。

13、薄膜梁的ICP去除；采用ICP刻蚀机，利用ICP刻蚀离子束的垂直性，穿过顶层玻璃通孔将外径电极和质量环间的薄膜梁刻蚀掉，得到完全可动的质量环，由于薄膜梁仅400～800nm厚，刻蚀时对于在通孔暴露下的外径硅电极和硅质量环造成的厚度损失可忽略不计。

本发明玻璃打孔采用喷砂打孔方案，打孔电极位置需要打Φ100μm～500μm的通孔，常用的打孔方案有：金刚石机械打孔、湿法打孔，、激光打孔、超声波打孔和喷砂打孔(sandblasting)。由于PYREX7740玻璃为各向同性，采用湿法腐蚀玻璃的实验表明：不管采用何种材料做掩膜，横向腐蚀速率会大于纵向腐蚀速率，于是在玻璃横向侧掏将占优势，在内部形成半径大于500μm的大空洞，无法满足要求；采用金刚石打孔会在玻璃通孔附近会产生裂纹，影响玻硅键合质量。采用超声波打孔无直径小于Φ150μm的工具电极，而且超声波打孔所用的煤油工作液会对溅金玻璃形成二次污染，采用激光打孔产生的热量会使玻璃产生严重的变形，无法进行玻硅键合。喷砂打孔(sand blasting)是利用高压水射流原理开发的打孔技术，其原理如图2所示，利用水作为携带能量的载体，直径几十微米的砂粒随着高压水流柱喷射到玻璃表面，无数小砂砾对玻璃肌体不断进行“蚕食”，直至最终形成通孔。喷砂打孔特别适合加工像玻璃这样的硬脆的非金属材料，打孔质量高、无撕裂或应变硬化现象，切口平整、无毛边和飞刺；切削时无火花，对玻璃片不会产生任何热效应。

本发明的另一个技术特点是：引入二氧化硅薄膜梁作为牺牲层，悬浮微陀螺/加速度计敏感表头的结构特点决定了在结构体内部必须有一个完全可动的质量环，于是在第2次键合过程中就存在质量环的吸附问题，通过在径向电极和质量环之间设计4个薄膜梁有效避免了质量环吸附于玻璃电极上。

本发明的另一个技术特点是：ICP除去薄膜梁工艺，采用湿法腐蚀薄膜梁，腐蚀液与薄膜梁反应形成的物质会部分残留在腔体内，使得转子容易黏附与底层电极上，其次腐蚀液会与对内部玻璃反应，严重影响玻璃上金属层的牢固程度。而采用ICP干法除去牺牲层则可以有效地避免上述2个问题，ICP离子流与薄膜梁反应形成的气化物质会逸出敏感表头，不会在敏感结构内部残留，由于ICP刻蚀的垂直性较好，可以避免对玻璃造成的伤害。

本发明经过8次光刻、2次玻璃刻蚀，2次玻璃溅金、1次玻璃打孔、4次干法腐蚀(RIE)、1次热氧化、1次湿法腐蚀、1次体硅减薄、2次反应离子深刻蚀(ICP)和2次静电键合完成；8次光刻需要8张掩模板，形成微陀螺结构的平面图；2次玻璃刻蚀就是在缓冲氢氟酸(BHF)在PREX7740玻璃表面刻蚀浅槽，用于布置电极、焊点及导线；2次玻璃溅金采用溅射仪在玻璃上依次溅射三层金属。1次玻璃打孔采用喷砂打孔，在玻璃上形成4个工艺锥孔，其上、下表面孔直径分别为240～550μm和180～120μm，正是通过该工艺孔将薄膜梁除去。4次RIE在体硅上、下表面形成键合台面和轴向止挡。通过1次热氧化在体硅底面形成绝缘薄膜，经过湿法刻蚀形成薄膜梁，并在体硅底面的止挡面上形成一层绝缘薄膜，防止敏感结构在起支过程中，体硅底面电极接触形成短路。通过先化学溶液腐蚀对体硅表面进行减薄，然后通过机械抛光提高硅片表面的光洁度。通过第1次ICP形成径向电极、导通硅和质量环结构，通过第2次ICP将束缚质量环可动结构的薄膜梁打掉。第1次静电键合在质量环与底面玻璃间形成轴向间隙，通过第2次静电键合形成质量环与顶层玻璃的轴向间隙。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明有效解决了“三明治”微结构在第2次静电键合中的存在黏附问题，以往仅靠在键合方向上加止挡不足以解决质量环的吸附问题，止挡在键合时也要与玻璃接触，止挡面积太小，数目太少，在键合过程中止挡容易被压碎，从而导致质量环表面与玻璃电极吸附，止挡面积太大、数目太多，在键合过程中止挡本身因接触面积大而直接与玻璃黏附。引入薄膜梁可直接将质量环固定在上、下极板的中间位置，而且薄膜梁自身的抗拉强度足以将质量环拉在中间位置，此外，薄膜梁在工艺上很容易实现，具有工艺可行性。本发明有效地解决了

本发明采用设计了更合理的牺牲层去除方案。与通常采用的湿法除去牺牲层相比，ICP干法具有更明显的优势：1、无需后处理，薄膜梁与高能量的离子流反应后形成气状物质会随刻蚀气体一起逸出，而在湿法腐蚀中液体分子对微结构的吸附力较大，彻底清除反应后的残留液难度较大；2、效率更高，湿法腐蚀是化学反映需要更长的时间，而ICP干法刻蚀能力集中，刻蚀牺牲层需要更短的时间。

本发明采用了喷砂打孔方案。与传统打孔(金刚石机械打孔、湿法打孔，、激光打孔、超声波打孔)方案相比，喷砂打孔具有更高定位精度和形状误差，打孔质量高、无撕裂或应变硬化现象，切口平整、无毛边和飞刺，与MEMS工艺兼容性更好。

附图说明

图1为悬浮微硅静电陀螺/加速度计敏感表头示意图。

图2为喷砂打孔原理示意图。

图3为第1次静电键合后的结构剖面图。

图4为第4次RIE后的体硅顶层结构示意图。

图5为第2次键合后的结构剖面图。

图6为本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

采用该本工艺已经成功流出管芯，如图1所示，管芯尺寸平面尺寸在毫米量级，厚度为微米量级，对管芯采用CQFP、DIP或PLCC的管壳进行封装。本敏感结构工艺需要8张掩模版，表1对掩模版的定义进行了详细描述。

表1工艺所需掩模版的定义

图6为本发明工艺流程示意图。结合表1对工艺所需掩膜版，对本发明描述如下：

1、玻璃刻蚀工艺和溅金工艺；对玻璃进行标准清洗，涂覆光刻胶并按照meml-1和meml-2掩膜版对底层和顶层玻璃进行光刻，用缓冲氢氟酸(BHF)溶液腐蚀玻璃而形成电极凹槽，通过反应时间来控制刻蚀凹槽的深度，BHF成分为HF+NH₄F+H₂O，提供稳定的F+离子浓度，在25摄氏度下对玻璃的腐蚀速率为454埃/分钟，腐蚀3.5分钟可形成1600埃深的浅槽。采用溅射仪在玻璃上依次溅射三层金属Cr(800埃)、Pt(500埃)和Au(800埃)，形成2100埃厚的金属层。金属层的成分分析：Cr层能吸收玻璃中的氧(O₂)，与玻璃结合力较大，作为黏附层；Au层与硅在360度左右能形成共熔体，结合力较大作为导电层；Pt作为中间过渡层，防止Ti-Au形成共熔体。金属层的厚度分析：在后续的玻硅键合中，过高的金属层将撑起硅片，使得金属边缘玻璃无法与硅片形成良好的接触，影响键合强度；过低的金属层使得硅片无法与金属层得到充分接触，引起接触电阻较大，金属层高出玻璃表面400～600埃最为适宜。

2、玻璃打孔工艺；采用喷砂打孔在顶层玻璃上打下4个通孔，即在玻璃上形成4个工艺锥孔，其上、下表面孔直径分别为240～550μm和180～120μm，通过该工艺孔便于以后将薄膜梁除去；喷砂打孔是利用高压水射流原理开发的打孔技术，其原理如图2所示，利用水作为携带能量的载体，直径几十微米的砂粒随着高压水流柱喷射到玻璃表面，无数小砂砾对玻璃肌体不断进行“蚕食”，直至最终形成通孔。

3、硅片第1次RIE刻蚀；采用n型或p型高掺杂(电阻率0.002～0.004Ω)<100>晶向单晶硅片，先对硅片进行标准清洗，经过前烘、匀胶后，光刻机按照掩模版图meml-3对硅片正面进行单面光刻，再经过后烘将掩模板图完全固定到硅片表面的光刻胶版图上。采用ICP刻蚀机进行RIE干法刻蚀形成底部键合台面。

4、硅片第2次RIE刻蚀；在硅片表面涂敷光刻胶，利用掩模板meml-4进行光刻(曝光和显影)，经过后烘固定光刻胶版图，对硅片正面进行RIE刻蚀从而形成键合台面和止挡，经过去胶清洗可得第2次RIE刻蚀图形。

5、硅薄膜梁工艺；该工艺实现了止挡表面形成氧化膜，在后续的质量外环和外径电极之间形成薄膜梁，分2步进行：a)：在硅片表面形成一层绝缘薄膜。b)表面腐蚀；将硅片进行标准清洗，在硅片正面涂敷光刻胶并经过前烘后，采用光刻机对按照meml-5掩模版进行曝光和显影，经过后烘形成光刻胶版图，将硅片放入25摄氏度的BHF溶液(腐蚀速率为454埃/分钟)中3.5分钟，经过去胶清洗后即可。

6、第1次静电键合；玻璃片和硅片先进行标准清洗，再进行兆声清洗，保证键合的表面非常干净从而增强键合效果。采用键合机将硅片的结构图形朝上放置，玻璃片上的图形反扣在硅片上，利用键合机自带光学系统进行玻硅位置找准，找到后将玻硅固定，翻转180度，对玻硅表面施加一定预紧力，使两者紧密接触，在365摄氏度的环境中对玻硅施加1000V的直流电压，经过25分钟后键合完毕，通过是否透光及透光颜色检验键合是否牢固。

7、硅片减薄和抛光；采用腐蚀液将硅片厚度腐蚀减薄，再用抛光液在聚胺酯盘上进行抛光，抛光表面平整度可达到2μm，粗糙度在纳米量级。

9、硅片第3次RIE刻蚀；先对硅片背面进行标准清洗，经过前烘、涂胶后，用光刻机按照掩模版图meml-6进行双面光刻(曝光和显影)，经过后烘处理形成光刻胶版图，采用RIE刻蚀机对硅片背面进行干法刻蚀，形成顶部键合台面。

10、硅片第4次RIE刻蚀；对硅片背面进行标准清洗、前烘和涂胶，按照掩模版meml-7进行光刻，经过后烘处理在硅片背面形成光刻胶版图，采用RIE刻蚀机对硅片背面进行刻蚀，形成键合台面和止挡，局部结构如图4所示。

11、硅片ICP刻蚀；对硅片背面进行标准清洗、前烘和涂胶，按照掩模版meml-8进行光刻，经过后处理在硅片背面形成光刻胶版图，采用ICP刻蚀机将硅结构层刻透，形成径向电极、导通硅和质量环。

9、第2次静电键合；在键合机平台上组合片硅片图形朝上放置，顶层玻璃图案反扣在硅片图形上，利用键合机上的自带光刻机将玻硅图案对准、固定并翻转180度，对玻硅组合施加一定预紧力，在365摄氏度的环境中对玻硅施加2000V的直流电压，经过25分钟后键合完成，键合牢固性检验方法如同工步6，键合后的局部剖面如图5所示。

13、薄膜梁的ICP去除；利用ICP刻蚀离子束的垂直性，穿过顶层玻璃通孔将外径电极和质量环间的薄膜梁刻蚀掉，得到完全可动的质量环，刻蚀时对于在通孔暴露下的外径硅电极和硅质量环厚度的损失可忽略不计。

该发明采用了国内现有的体硅工艺和玻璃打孔工艺，成功加工出悬浮式微硅静电陀螺敏感表头，可以检测载体3轴线加速度和2轴角速度的运动量，与梳齿式MEMS加速度计和谐振MEMS陀螺相比具有更高的集成度，由于质量环完全悬浮完全消除了机械梁的干扰，具有进一步提高精度的潜力，在捷联式惯性导航中单个芯片就可以替代3只加速度计和2只陀螺，极大地降低了成本，具有巨大的市场前景。