專利名稱：一種超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)加工領(lǐng)域，尤其涉及一種超重質(zhì)量塊微型慣性器件結(jié)構(gòu) 及其制備方法。
技術(shù)背景微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS作為新興的高新技術(shù)領(lǐng)域，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將 整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在一塊芯片中，在軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 這些器件主要以硅材料為基礎(chǔ)加工成各種結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、熔融鍵 合技術(shù)、陽(yáng)極鍵合技術(shù)的等微細(xì)加工手段的快速發(fā)展，為研制高精度的MEMS器件提供 了基礎(chǔ)技術(shù)儲(chǔ)備。北京大學(xué)開(kāi)發(fā)了陽(yáng)極鍵合等離子體耦合刻蝕成套制備工藝，應(yīng)用于許多慣性器件的 制備中,如Z. H. Li, Z. C. Yang, Z- X. Xiao， et aL A bulk micromachined vibratory lateral gyroscope fabricated with wafer bonding and deep trench etching. Sensors and Actuators a—Physical 83 (2000) 24.; Z. X. Xiao, G. Y. Wu, G. B. Zhang, et al. Laterally capacity s'ensed accelerometer fabricated with the anodic bonding and the high aspect ratio etching. 1998 5th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings (1998) 921.;楊振 川；閆桂珍等， 一種水平軸微機(jī)械陀螺及其制備方法，專利號(hào)申請(qǐng)?zhí)?00510007397. 8等。 該工藝的基本步驟是首先將一片硅片和一片玻璃襯底鍵合在一起，然后對(duì)硅片減薄到約 80微米左右，最后通過(guò)等離子體耦合深刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)。由于刻蝕深寬比和檢測(cè)梳齒 間距的要求，結(jié)構(gòu)厚度一般在80微米左右。這就限制了質(zhì)量塊質(zhì)量的提高，在加速度 計(jì)的設(shè)計(jì)中，通常要有檢測(cè)梳齒，在陀螺的設(shè)計(jì)中，除檢測(cè)梳齒外， 一般還要有驅(qū)動(dòng)部 分，這就進(jìn)一步縮小了質(zhì)量塊的體積和重量，從而降低了微型慣性器件的靈敏度，增加 了器件的噪聲。本專利的另一個(gè)背景技術(shù)是熔融鍵合技術(shù)，熔融鍵合也稱直接鍵合，是指通過(guò)對(duì)鏡 面拋光晶片的直接鍵合和后續(xù)熱處理使兩層或多層晶片粘結(jié)在一起，這種制備方法工藝 簡(jiǎn)單，不需附加材料，不需加電，可實(shí)現(xiàn)低溫鍵合，具有其他鍵合方法不具備的諸多優(yōu) 點(diǎn)。近年來(lái)，美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出多層熔融鍵合技術(shù)，用于微型燃燒渦輪機(jī)的制備。 如A. Mehra, X. Zhang, A. A. Ayon, et al. A sixiafer combustion system for a4silicon micro gas turbine'engine. Journal of' Microel'ectromechanical Systems 9 (2000) 517.[5] A. A. Ayon, X. Zhang, K. T. Turner, et al. Characterization of silicon wafer bonding for power MEMS applications. Sensors and Actuators a-Physical 103 (2003) 1. [6]A. A. Ayon, X. Zhang, K. Turner, et al. Low temperature silicon wafer bonding for MEMS applications. Fifteenth Ieee International Conference on Micro Electro Mechinical Systems, Technical Digest(2002) 411.; A. H. Epstein. Millimeter-scale, micro-electro-mechanical systems gas turbine engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power-Transactions of the Asme 126 (2004) 205. ; N. Miki, X. Zhang, R. Kh翻a, et al. Multi-stack silicon-direct wafer bonding for 3D MEMS manufacturing. Sensors and Actuators a-Physical 103 (2003) 194. ; N. Miki， X. Zhang， R. Kha腿，et al. A study of multi-stack silicon—direct wafer bonding for MEMS manufacturing. Fifteenth Ieee International Conference on Micro Electro Mechinical Systems, Technical Digest (2002) 407.上述這些文獻(xiàn)中所涉及的微型燃燒渦輪機(jī)的制備，均采用熔融鍵合工藝， 在熔融鍵合之前， 一般采用深刻蝕工藝加工出微型燃燒渦輪機(jī)各層所需的特定結(jié)構(gòu)。但 是采用該工藝制備的微型燃燒渦輪機(jī)沒(méi)有慣性器件中完全懸浮的結(jié)構(gòu)、也不涉及電極引 線的問(wèn)題，微型渦輪馬達(dá)的結(jié)構(gòu)中也沒(méi)有微小間距密集梳齒的結(jié)構(gòu)，而這些問(wèn)題是微型 慣性器件制備中必需予以解決的重要問(wèn)題，否則不可能采用該工藝進(jìn)行微型慣牲器件的 制備。在結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朇N200510096227. 1，苑偉政常洪龍等，電容式微機(jī) 械陀螺、申請(qǐng)?zhí)?00510007397. 8，楊振川閆桂珍等， 一種水平軸微機(jī)械陀螺及其制備 方法，及非專利文獻(xiàn)Z. H. Li， Z. C. Yang, Z. X. Xiao, et al. A bulk micromachined vibratory lateral gyroscope fabricated with wafer bonding and deep trench etching. Sensors and Actuators a-Physical 83 (2000) 24. : Z. X. Xiao, G. Y. Wu， G. B. Zhang, et al. Laterally capacity sensed accelerometer fabricated with the anodic bonding and the high aspect ratio etching. 1998 5th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings (1998) 921.均涉及某種特定微型慣性器件的結(jié)構(gòu)，但這些器件的結(jié)構(gòu)均是兩層結(jié)構(gòu)，其共同的 問(wèn)題是質(zhì)量塊太小，導(dǎo)致器件靈敏度和精度較低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊質(zhì)量小，直接增加厚度難以實(shí)現(xiàn)，以及直接增加厚度對(duì)阻尼、模態(tài)設(shè)計(jì)帶來(lái)的不利影響，提出了一種超重質(zhì)量塊面 內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)及其制備方法，其質(zhì)量塊可以超重，使整個(gè)器件的靈敏度和精度提 高，且器件封裝的橫向尺寸基本不變。本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，包括玻璃襯底， 下層硅結(jié)構(gòu)，中間硅結(jié)構(gòu)和上層硅結(jié)構(gòu)；玻璃襯底上有電連接線和壓焊電極；玻璃襯底通過(guò)陽(yáng)級(jí)鍵合錨點(diǎn)與下層硅結(jié)構(gòu)連 接；下層硅結(jié)構(gòu)通過(guò)熔融鍵合錨點(diǎn)和中間硅結(jié)構(gòu)連接；中間硅結(jié)構(gòu)通過(guò)熔融鍵合錨點(diǎn)與 上層硅結(jié)構(gòu)連接；上層硅結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)上支撐梁、位于兩個(gè)上支撐梁之間且與其剛性連接的上層質(zhì)量 塊，上層質(zhì)量塊上有凸出的與其剛性連接的可動(dòng)梳齒下層硅結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)下支撐梁、位于兩個(gè)下支撐梁之間且與其剛性連接的下層質(zhì)量 塊，下層質(zhì)量塊上有凸出的與其剛性連接的可動(dòng)梳齒，此處的可動(dòng)梳齒與固定梳齒構(gòu)成 驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電容，固定梳齒與玻璃襯底剛性連接；中間硅結(jié)構(gòu)包括中間層質(zhì)量塊，中間層質(zhì)量塊與上層質(zhì)量塊和下層質(zhì)量塊剛性連接；中間層質(zhì)量塊的厚度為硅片的原始厚度， 一般為450-600微米，可以為一個(gè)原始硅 片厚度或多個(gè)原始硅片厚度的疊加。中間層質(zhì)量塊的面積覆蓋或小于上下兩層中除錨點(diǎn) 之外的所有區(qū)域，使中間層質(zhì)量塊的質(zhì)量進(jìn)一步增加。所述的上層質(zhì)量塊、中間層質(zhì)量塊、下層質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒、固定梳齒的側(cè)壁均垂 直于玻璃襯底表面，整個(gè)慣性器件的檢測(cè)方向?yàn)槊鎯?nèi)方向，或面外方向。所述的壓焊電極為一層濺射薄膜結(jié)構(gòu)，其與錨點(diǎn)和固定梳齒之間的存在電連接。所述的上支撐梁或下支撐梁為直梁結(jié)構(gòu)，或打折結(jié)構(gòu)。一種超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟(1) 基本材料為三片硅片和一片玻璃片，硅片可以增多為四片、或五片甚至更多， 增加的硅片用于中間附加質(zhì)量塊的增加；(2) 采用濕法腐蝕或干法腐蝕在其中第一片硅片上刻蝕出1 4微米的淺槽，采用 熔融鍵合工藝將刻蝕好的第一片硅片與第二片硅片鍵合在一起；(3) 采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻穿沒(méi)有進(jìn)行淺槽刻蝕的第二片硅片，獲得中間硅 結(jié)構(gòu)的中間層質(zhì)量塊；(4) 在第三片硅片上刻蝕出1 4微米的淺槽；(5) 第三片硅片與前述鍵合后的第一片硅片和第二片硅片再進(jìn)行一次鍵合，鍵合面為所述步驟(2)中第一片硅片與第二片硅片兩層鍵合結(jié)構(gòu)的深刻蝕面和第三片硅片 的淺槽刻蝕面；(6) 鍵合之后，采用濕法腐蝕方法、或干法刻蝕方法，或化學(xué)機(jī)械拋光的方法將 上層硅片和下層硅片兩層硅片的厚度減薄至70-90um;(7) 此時(shí)結(jié)構(gòu)上下完全對(duì)稱，對(duì)其中一片硅片進(jìn)行3 — 4微米的淺槽刻蝕，然后在 該淺槽刻蝕面進(jìn)行下層硅結(jié)構(gòu)中的下層質(zhì)量塊、下支撐梁、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電容的刻蝕；(8) 在玻璃襯底上制備壓焊電極，首先在玻璃襯底上腐蝕出900 1200A淺槽，然 后在該淺槽內(nèi)采用剝離工藝或者濺射后腐蝕的工藝淀積金屬，以實(shí)現(xiàn)鍵合和電連接；(9) 采用陽(yáng)極鍵合的方法，將步驟(7)所制備的三層鍵合硅片與步驟(8)所制 備的玻璃片鍵合在一起；(10) 采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，刻蝕出上層硅結(jié)構(gòu)中的上層質(zhì)量塊、上 支撐梁、可動(dòng)梳齒(3);(11) 裂片，完成超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備。所述步驟(2)和步驟(4)中，熔融鍵合前的淺槽腐蝕可以刻蝕在中間硅片上。 所述步驟(6)中，三層熔融鍵合完成后可以先減薄下層硅片，上層硅片在陽(yáng)極鍵 合后再減薄。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)現(xiàn)有技術(shù)的敏感層厚度為70-90微米，質(zhì)量塊厚度也是70-90微米，本發(fā)明增 加了一層中間硅結(jié)構(gòu)層，中間層質(zhì)量塊的厚度為硅片的原始厚度，所以質(zhì)量塊的質(zhì)量大 幅度提高，使整個(gè)器件的靈敏度和精度提高，使器件封裝的橫向尺寸基本不變。上述優(yōu)點(diǎn)的原因簡(jiǎn)單敘述如下-慣性器件的靈敏度與慣性力成正比，在加速度計(jì)和陀螺中，慣性力的大小分別為 ■F = wa (i)尸二附vxr (2)其中m為質(zhì)量塊質(zhì)量，a為加速度，v為質(zhì)量塊振動(dòng)速度，r為角速率輸入從(1) ， (2)式不難看處，提高質(zhì)量塊的厚度，可以線性提高慣性力的大小，從而提高器件的靈敏度，在其他條件不變的情況下，降低器件的零位漂移。慣性器件的本底噪聲源主要由結(jié)構(gòu)引起的機(jī)械熱噪聲和電路噪聲兩部分組成，以機(jī)械熱噪聲為例，其理論計(jì)算公式為尸=V枯，m (3其中，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，D為阻尼系數(shù)，m為質(zhì)量塊質(zhì)量。上式表 明，本發(fā)明增大質(zhì)量塊質(zhì)量，可以有效降低結(jié)構(gòu)噪聲，提高器件的分辨率，從而顯著提 高了器件的靈敏度和精度。(2) 另外，本發(fā)明中的中間質(zhì)量塊的面積覆蓋或小于上下兩層中除錨點(diǎn)之外的所有 區(qū)域，其面積可以覆蓋上下兩層中除錨點(diǎn)和壓焊點(diǎn)之外的所有區(qū)域，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)要 求適當(dāng)縮小或加大，因此使中間質(zhì)量塊的質(zhì)量進(jìn)一步增加，進(jìn)一步顯著提高了器件的靈 敏度和精度，使器件封裝的橫向尺寸基本不變，保證了器件的微型化特點(diǎn)。(3) 本發(fā)明的三層硅片結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，容易進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模 態(tài)設(shè)計(jì)。(4) 結(jié)構(gòu)下層的支撐梁、固定梳齒和玻璃襯底上的電極引線通過(guò)錨點(diǎn)相連，這樣 即便三層硅片之間鍵合過(guò)程中在鍵合面有薄的氧化層，也不會(huì)影響器件的測(cè)試精度。(5) 本發(fā)明的上層質(zhì)量塊、中間層質(zhì)量塊、下層質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒、固定梳齒的 側(cè)壁均垂直于玻璃襯底表面，可以進(jìn)一步提高質(zhì)量塊厚度和質(zhì)量，同時(shí)保證器件的側(cè)壁 形貌。(6) 結(jié)構(gòu)下層的支撐梁、固定梳齒和玻璃襯底上的電極引線通過(guò)錨點(diǎn)相連，這樣 即便三層硅片之間鍵合過(guò)程中在鍵合面有薄的氧化層，也不會(huì)影響器件的測(cè)試精度。(7) 本發(fā)明設(shè)計(jì)的制備方法，采用常規(guī)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝設(shè)備和多層熔融 鍵合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大枇量制造，同時(shí)保證了器件的微型化。(8) 本發(fā)明設(shè)計(jì)的制備方法，在相同深刻蝕技術(shù)水平下，大大提高了質(zhì)量塊厚度 和質(zhì)量，提高了器件的靈敏度和精度，同時(shí)保證了器件的側(cè)壁形貌。


圖1為本發(fā)明超重質(zhì)量塊微型慣性器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的制備方法流程圖，其中a-l為工藝流程示意圖，a-d表示四片原始 晶片，其中a,b,c為硅片，d為玻璃片；e為硅片a淺槽刻蝕后的結(jié)果；f為e和b鍵合 后的結(jié)果；g為硅片c淺槽刻蝕后的結(jié)果；h為玻璃片d淀積金屬薄膜后的結(jié)果；i為f 深刻蝕后的結(jié)果；j為i和g鍵合后的結(jié)果；k為j減薄以及鍵合面釋放后的結(jié)果；l為 k與h陽(yáng)極鍵合并進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放后的結(jié)果；圖中l(wèi)一玻璃襯底，2—電連接線與壓焊電極，3—固定梳齒，4一陽(yáng)極鍵合錨點(diǎn)， 5 —下層質(zhì)量塊；6—中間層質(zhì)量塊，7 —熔融鍵合錨點(diǎn)，8 —上支撐梁，9一可動(dòng)梳齒， 10-上層質(zhì)量塊，ll一上層硅結(jié)構(gòu)，12—中間硅結(jié)構(gòu)，13 —下層硅結(jié)構(gòu)，14下支撐梁。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括玻璃襯'底1，下層硅結(jié)構(gòu)13，中間硅結(jié)構(gòu)12和上層硅結(jié)構(gòu)ll。玻璃襯底1上有電連接線和壓焊電極2，為Ti/Pt/Au三層結(jié)構(gòu)或者Cr/Au雙層結(jié)構(gòu) 等，電連接線和壓焊電極2中的壓焊電極為一層濺射薄膜結(jié)構(gòu)，其與錨點(diǎn)(4)和固定 梳齒3之間的存在電連接。玻璃襯底1通過(guò)陽(yáng)級(jí)鍵合錨點(diǎn)4與下層硅結(jié)構(gòu)13連接。下 層硅結(jié)構(gòu)13通過(guò)熔融鍵合錨點(diǎn)7和中間硅結(jié)構(gòu)12連接，中間硅結(jié)構(gòu)12通過(guò)熔融鍵合 錨點(diǎn)7與上層硅結(jié)構(gòu)11連接。上層硅結(jié)構(gòu)11包括兩個(gè)上支撐梁8、上層質(zhì)量塊IO、可動(dòng)梳齒(9)，支撐梁8和 上層質(zhì)量塊IO通過(guò)雙端支撐梁剛性連接、上層質(zhì)量塊10上有凸出的可動(dòng)梳齒9，上層 質(zhì)量塊10和可動(dòng)梳齒9剛性連接。下層硅結(jié)構(gòu)13包括兩個(gè)下支撐梁14、位于兩個(gè)下支撐梁14之間且與其剛性連接 的下層質(zhì)量塊5，下層質(zhì)量塊5上有凸出的與其剛性連接的可動(dòng)梳齒9，此處的可動(dòng)梳 齒9與固定梳齒3構(gòu)成驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電容，固定梳齒3與玻璃襯底1剛性連接；中間硅結(jié)構(gòu)12包括中間層質(zhì)量塊6，中間層質(zhì)量塊6與上層質(zhì)量塊10和下層質(zhì)量 塊5剛性連接，中間層質(zhì)量塊6的厚度為一個(gè)硅片的原始厚度，或多個(gè)原始硅片厚度的 疊加中間層質(zhì)量塊6的面積覆蓋或小于上下兩層中除錨點(diǎn)之外的所有區(qū)域。本發(fā)明實(shí)施例中的中間層硅質(zhì)量塊6其厚度可以為500微米與上層質(zhì)量塊10，其厚 度80微米和下層質(zhì)量塊5，其厚度80微米剛性連接。本發(fā)明中的上層質(zhì)量塊10、中間層質(zhì)量塊6、下層質(zhì)量塊5、可動(dòng)梳齒9、固定梳 齒3的側(cè)壁均垂直于玻璃襯底1表面，整個(gè)慣性器件的檢測(cè)方向?yàn)槊鎯?nèi)方向，即X-Y方 向，或面外方向，即Z方向。本發(fā)明中的上支撐梁8或下支撐梁14為直梁結(jié)構(gòu)，或打折結(jié)構(gòu)。如圖2所示，上述結(jié)構(gòu)的制備方法如下(1) 起始材料為三片雙拋N型(IOO)硅片，厚度為500土10微米，電阻率2、Qcm， 一片perx7740玻璃片，厚度約500微米。如圖2a~2c為起始的三塊硅片，圖2d為起始的一片玻璃片；也可以采用四片、或五片甚至更多硅片；(2) 采用KOH腐蝕在其中第一片硅片上刻蝕出淺槽，濃度30%，溫度8(TC,制備 結(jié)構(gòu)的活動(dòng)空間，淺槽深度為3 4Wn，也可以為2陶，如圖2e所示；前述制備好淺槽 的硅片，如圖2e所示，與另一片硅片，如圖2b所示進(jìn)行熔融鍵合，如圖2f所示，鍵合之前對(duì)晶片進(jìn)行清洗和表面活化處理。(3) 采用電感耦合等離子體深槽對(duì)圖2f中鍵合好后的沒(méi)有進(jìn)行淺槽刻蝕的第二片硅片進(jìn)行單面深槽刻蝕，采用刻蝕鈍化交替的DRTE'設(shè)備(如'STS公司的ASE),刻蝕 深度為硅片厚度，刻蝕處中間層質(zhì)量塊圖形，如圖2i所示。(3) 采用電感耦合等離子體深槽刻蝕對(duì)圖2f中鍵合好后的硅片進(jìn)行單面深槽刻 蝕，采用刻蝕鈍化交替的DRIE設(shè)備(如STS公司的ASE)，刻蝕深度為硅片厚度，刻 蝕出中間層質(zhì)量;fe圖形，如圖2i所示。(4) 采用KOH腐蝕在第三片硅片上刻蝕出淺槽，濃度30%，溫度80'C,制備結(jié)構(gòu) 的活動(dòng)空間，淺槽深度為3 4陶，也可以為2陶，如圖2g所示；(5) 將圖2g所示硅片與圖2i所示的完成鍵合與刻蝕的兩層硅片再一次進(jìn)行熔融 鍵合，鍵合面為所述步驟(2)中第一片硅片與第二片硅片兩層鍵合結(jié)構(gòu)的深刻蝕面和 第三片硅片的淺槽刻蝕面，如圖2j所示，圖中可看到質(zhì)量塊6。(6) KOH雙面減薄，使上下兩硅片的厚度減薄到70-90um左右，根據(jù)具體情況和 刻蝕技術(shù)的發(fā)展，該尺寸可能會(huì)有所不同，如圖2k所示。(7) 采用第二次電感耦合等離子體深槽刻蝕工藝，對(duì)其中一片硅片進(jìn)行3 — 4微米 的淺槽刻蝕，然后在該淺槽刻蝕面進(jìn)行下層硅結(jié)構(gòu)中的下層質(zhì)量塊、下支撐梁、驅(qū)動(dòng)和 檢測(cè)電容的刻蝕，控制刻蝕時(shí)間和鈍化時(shí)間分別為8秒/9秒，氣壓小于150毫乇，釋放 結(jié)構(gòu)，如圖2k所示。(8) 制備電連接線、壓焊電極和陽(yáng)極鍵合保護(hù)電極，首先在玻璃上用HF溶液腐蝕 深1000A.的淺槽，然后淀積光刻膠，采用同一張掩膜版進(jìn)行光刻、顯影后，采用濺射 工藝淀積Ti/Pt/Au (厚度為400A/300A/900A)，最后采用丙酮超聲工藝剝離，在玻璃 襯底l上制備出電連接線、壓焊電極和陽(yáng)極鍵合保護(hù)電極，如圖2h所示；(9) 陽(yáng)極鍵合，首先在雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)(型號(hào)KarlSussMA6/BA6)上將玻璃襯底 l和三層硅片對(duì)準(zhǔn)，然后在鍵合機(jī)(型號(hào)KSSB6)上進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，鍵合溫度380'C、 鍵合電壓1500V，常壓鍵合，如圖2h所示，圖中4為陽(yáng)極鍵合錨點(diǎn)；(10) 第三次電感耦合等離子體深槽刻蝕工藝，控制刻蝕時(shí)間和鈍化時(shí)間分別為8 秒/9秒，氣壓小于150毫乇，釋放結(jié)構(gòu)，如圖21所示，得到最終的上支撐梁8和懸 浮質(zhì)量塊6。(11)裂片，完成超重質(zhì)量塊微型慣性器件的制備。 本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。盡管為說(shuō)明目的公開(kāi)了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。10
權(quán)利要求
1、一種超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于包括玻璃襯底(1)，下層硅結(jié)構(gòu)(13)，中間硅結(jié)構(gòu)(12)和上層硅結(jié)構(gòu)(11)；玻璃襯底(1)上有電連接線和壓焊電極(2)；玻璃襯底(1)通過(guò)陽(yáng)級(jí)鍵合錨點(diǎn)(4)與下層硅結(jié)構(gòu)(13)連接；下層硅結(jié)構(gòu)(13)通過(guò)熔融鍵合錨點(diǎn)(7)和中間硅結(jié)構(gòu)(12)連接；中間硅結(jié)構(gòu)(12)通過(guò)熔融鍵合錨點(diǎn)(7)與上層硅結(jié)構(gòu)(11)連接；上層硅結(jié)構(gòu)(11)包括兩個(gè)上支撐梁(8)、位于兩個(gè)上支撐梁(8)之間且與其剛性連接的上層質(zhì)量塊(10)，上層質(zhì)量塊(10)上有凸出的與其剛性連接的可動(dòng)梳齒(9)；下層硅結(jié)構(gòu)(13)包括兩個(gè)下支撐梁(14)、位于兩個(gè)下支撐梁(14)之間且與其剛性連接的下層質(zhì)量塊(5)，下層質(zhì)量塊(5)上有凸出的與其剛性連接的可動(dòng)梳齒(9)，此處的可動(dòng)梳齒(9)與固定梳齒(3)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電容，固定梳齒(3)與玻璃襯底(1)剛性連接；中間硅結(jié)構(gòu)(12)包括中間層質(zhì)量塊(6)，中間層質(zhì)量塊(6)與上層質(zhì)量塊(10)和下層質(zhì)量塊(5)剛性連接；中間層質(zhì)量塊(6)的厚度為硅片的原始厚度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 的中間層質(zhì)量塊(6)的面積覆蓋或小于上下兩層中除錨點(diǎn)之外的所有區(qū)域，使中間層 質(zhì)量塊(6)的質(zhì)量進(jìn)一步增加。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的上層質(zhì)量塊(10)、中間層質(zhì)量塊(6)、下層質(zhì)量塊(5)、可動(dòng)梳齒(9)、 固定梳齒(3)的側(cè)壁均垂直于玻璃襯底(1)表面，整個(gè)慣性器件的檢測(cè)方向?yàn)槊鎯?nèi)方 向，或面外方向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的中間層質(zhì)量塊(6)的厚度為一個(gè)原始硅片厚度或多個(gè)原始硅片厚度的疊加。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 的電連接線和壓焊電極(2)中的壓焊電極為一層濺射薄膜結(jié)構(gòu)，其與錨點(diǎn)(4)和固定 梳齒(3)之間的存在電連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的中間層質(zhì)量塊(6)的厚度為450-600微米。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的上支撐梁(8)或下支撐梁(14)為直梁結(jié)構(gòu)，或打折結(jié)構(gòu)。
8、 一種超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括以下步驟:(1) 基本材料為三片硅片和一片玻璃片，硅片可以增多為四片、或五片甚至更多，增加的硅片用于中間附加質(zhì)量塊的增加；(2) 采用濕法腐蝕或干法腐蝕在其中第一片硅片上刻蝕出1 4微米的淺槽，采用 熔融鍵合工藝將刻蝕好的第一片硅片與第二片硅片鍵合在一起；(3) 采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻穿沒(méi)有進(jìn)行淺槽刻蝕的第二片硅片，獲得中間硅 結(jié)構(gòu)的中間層質(zhì)量塊；(4) 在第三片硅片上刻蝕出1 4微米的淺槽；(5) 第三片硅片與前述鍵合后的第一片硅片和第二片硅片再進(jìn)行一次鍵合，鍵合 面為所述步驟(2)中第一片硅片與第二片硅片兩層鍵合結(jié)構(gòu)的深刻蝕面和第三片硅片 的淺槽刻蝕面；(6) 鍵合之后，采用濕法腐蝕方法、或干法刻蝕方法，或化學(xué)機(jī)械拋光的方法將 上層硅片和下層硅片兩層硅片的厚度減薄至70-90u m;(7) 此時(shí)結(jié)構(gòu)上下完全對(duì)稱，對(duì)其中一片硅片進(jìn)行3 — 4微米的淺槽刻蝕，然后在 該淺槽刻蝕面進(jìn)行下層硅結(jié)構(gòu)中的下層質(zhì)量塊、下支撐梁、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電容的刻蝕；(8) 在玻璃襯底上制備壓焊電極，首先在玻璃襯底上腐蝕出900 1200A淺槽，然 后在該淺槽內(nèi)采用剝離工藝或者濺射后腐蝕的工藝淀積金屬，以實(shí)觀鍵合和電連接；(9) 采用陽(yáng)極鍵合的方法，將步驟(7)所制備的三層鍵合硅片與步驟(8)所制備的玻璃片鍵合在一起；(10) 采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，刻蝕出上層硅結(jié)構(gòu)中的上層質(zhì)量塊、上 支撐梁、可動(dòng)梳齒(3);(11) 裂片，完成超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征 在于所述步驟(2)和步驟(4)中，熔融鍵合前的淺槽腐蝕可以刻蝕在中間硅片上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超重質(zhì)量塊面內(nèi)微型慣性器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征 在于所述步驟(6)中，三層熔融鍵合完成后可以先減薄下層硅片，上層硅片在陽(yáng)極 鍵合后再減薄。
全文摘要
一種超重質(zhì)量塊微型慣性器件新結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種超重質(zhì)量塊微型慣性器件的結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的成套制備工藝。該結(jié)構(gòu)包含一層玻璃襯底、襯底上的金屬引線和三層硅片。制備方法中包含常規(guī)MEMS制備工藝以及熔融鍵合工藝、陽(yáng)極鍵合工藝和深反應(yīng)離子刻蝕。該結(jié)構(gòu)和制備方法在常規(guī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了一層力平衡層和一層超重質(zhì)量塊層，從而在不改變刻蝕深寬比的情況下，大幅度提高質(zhì)量塊的質(zhì)量，而且質(zhì)量塊質(zhì)量的增大主要通過(guò)厚度方向尺寸的增大和檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)部分面積的利用，基本不影響封裝后器件的體積，保證了器件的微型化?；顒?dòng)結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，具有很好的穩(wěn)定性，容易進(jìn)行模態(tài)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)和工藝可以顯著提高器件的精度、降低器件的噪聲。
文檔編號(hào)B81B7/02GK101323426SQ20081011606
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者房建成, 蔚 盛, 董海峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)