專利名稱：一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種四質量硅微機電陀螺結構加工方法，特別是具有不等高梳齒結構和需圓片級封裝的硅微機電陀螺結構的加工方法。
背景技術：
微機電陀螺的研究始于20世紀80年代。1985年，Drape實驗室首先開始研制微機電陀螺，其性能由1994年的漂移為4000° /h到2000年的漂移優(yōu)于10° /h。2002年，美國噴氣實驗室開發(fā)了一種用于飛行器的硅微陀螺，性能指標1° Λ。目前，正在向0.1° /h甚至更高的精度方向發(fā)展。由于具有體積小、質量輕、可靠性高、功耗低、可批量生產和測量范圍大等優(yōu)點，微陀螺在制導炮彈、小型衛(wèi)星和航天器、汽車防滑剎車系統(tǒng)、安全氣囊展開和自動調整系統(tǒng)等軍事和民用方面得到廣泛的應用。目前，MEMS器件多采用硅材料，它具有優(yōu)良的機械和電氣特性。為提高硅微機電陀螺的性能指標，本專利中涉及的微機電陀螺結構為四質量塊微機電陀螺。下面具體說明四質量微機電陀螺的結構特征。圖1表示四質量硅微機電陀螺100三維結構示意圖。本發(fā)明中的微機電陀螺100包括上封帽20、敏感結構10和下封帽30三部分構成，呈典型的“三明治”結構，上封帽20和下封帽30關于敏感結構10對稱。上述敏感結構10主要包括敏感結構質量塊11、支撐梁12、梳齒結構13、錨點14、中心支撐點17和連接結構16等結構。敏感結構10的厚度為60 80 μ m。上述敏感結構質量塊11共有4個，4個敏感結構質量塊11以中心支撐點17為中心沿圓周均勻布置。敏感結構質量塊11呈弧形，弧度為60°，且每個質量塊的面積、厚度均相同。在相鄰敏感結構質量塊11之間設置驅動定輪連接塊15。上述4個敏感結構質量塊11分別通過4個支撐梁12與中心支撐點17相連，其中支撐梁12寬度約為20 30 μ m。上述梳齒結構13包括定齒13a和動齒13b，其中動齒13b位于于敏感結構質量塊11上，定齒13a位于驅動定輪連接塊15上，動齒13b與定齒13a的寬度為3 5 μ m，平面尺寸精度控制在±0.5μπι以內，側壁垂直度控制90° ±1°，且兩者交錯分布，間隙約為3 5 μ m0上述上封帽20共有13個引線孔22，其中引線孔22a、弓丨線孔22b、引線孔22c和引線孔22d主要用于給上封帽質量塊21、下極板質量塊31施加電信號；引線孔22e用于向敏感結構10施加電信號；引線孔22f、引線孔22g、引線孔22h和引線孔22i用于向定齒13a施加電信號。上述敏感結構質量塊11與上封帽質量塊21、下極板質量塊31存在一定的電容間隙，通常為2 3 μ m。圖2a 圖2b為不等高梳齒結構示意圖。圖2a為定齒13a和動齒13b的二維截面圖，其中定齒13a和動齒 13b之間存在一定的間隙G，一般為2 3 μ m。定齒13a高度為T，動齒的高度為Tl，其中動齒13b的頂部與底部的高度與定齒的相應位置的高度差分別為ΛΤ2。圖2b為定齒13a和動齒13b的側面示意圖，可以看出相鄰的定齒13a和動齒13b存在一定的重疊區(qū)域18。圖3a 圖3c表示敏感結構10、上封帽20和下封帽30結構示意圖。圖3a表示上封帽器件層20a結構，共有4個質量塊，上封帽質量塊21a、上封帽質量塊21b、上封帽質量塊21c和上封帽質量塊21d，4個連接結構，上封帽連接結構26a、上封帽連接結構26b、上封帽連接結構26c和上封帽連接結構26d，其中上封帽連接結構26a、上封帽連接結構26b、上封帽連接結構26c和上封帽連接結構26d分別與上封帽質量塊21a、上封帽質量塊21b、上封帽質量塊21c和上封帽質量塊21d相連，且相對于上封帽質量塊21，上封帽連接結構26呈逆時針旋轉。圖3b表示敏感結構10，共有4個質量塊，敏感結構質量塊11a、敏感結構質量塊lib、敏感結構質量塊Ilc和敏感結構質量塊lld，4個連接結構，感結構連接結構16a、感結構連接結構16b、感結構連接結構16c和感結構連接結構16d，其中感結構連接結構16a、感結構連接結構16b、感結構連接結構16c和感結構連接結構16d與敏感結構質量塊I la、敏感結構質量塊I lb、敏感結構質量塊Ilc和敏感結構質量塊Ild不相連。圖3c表示下封帽器件層30a，共有4個質量塊，下極板質量塊3la、下極板質量塊3Ib、下極板質量塊31c和下極板質量塊31d, 4個連接結構，下極板連接結構36a、下極板連接結構36b、下極板連接結構36c和下極板連接結構36d,其中下極板連接結構36a、下極板連接結構36b、下極板連接結構36c和下極板連接結構36d分別與下極板質量塊31a、下極板質量塊31b、下極板質量塊31c和下極板質量塊31d相連，且相對于下極板質量塊31，下極板連接結構36呈順時針旋轉。圓片級封裝過程中，通過硅直接鍵合，上封帽連接結構26a、敏感結構連接結構16a和下極板連接結構36b鍵合在一起，這樣上封帽質量塊21a與下極板質量塊31b實現(xiàn)電學互連。同理，上封帽質量塊21b、上封帽質量塊21c和上封帽質量塊21d分別與下極板質量塊31c、下極板質量塊31d和下極板質量塊31a實現(xiàn)電學互連。若向上封帽質量塊21a、上封帽質量塊21b、上封帽質量塊21c和上封帽質量塊21d分別施加“ +信號，則下極板質量塊3la、下極板質量塊3Ib、下極板質量塊31c和下極板質量塊31d為“
“ +” 信號。目前，常采用光刻、刻蝕、鍵合等工藝加工上述結構，需要保證:(I)中間敏感結構的定齒13a和動齒13b高度差要求控制在2 3μπι以內，同時平面尺寸精度控制在±0.5μπι以內，側壁垂直度控制90° ±1° ; (2)敏感結構10要求實現(xiàn)低應力圓片級封裝；
(3)要求在引線孔22中進行金屬化，使金屬電極與上下極板、錨點等結構實現(xiàn)良好歐姆接觸，但是由于引線孔22深度較深，因此難度很大。因此，本發(fā)明中四質量塊硅微機電陀螺結構的加工難點有:(1)高精度不等高梳齒的加工。目前常采用單層掩膜(SiO2)工藝方案和金屬(Al)與介質掩膜(Si3N4)雙掩膜工藝方案，但單層掩膜工藝方案加工不等高結構時，很難精確控制每次掩膜刻蝕的厚度且經過多次刻蝕易造成較大的尺寸誤差，而金屬和介質掩膜雙層掩膜工藝方案加工不等高結構時，由于金屬掩膜圖形化時，需采用濕法腐蝕，很難保證掩膜圖形的尺寸精度和線條質量，進而影響微結構的尺寸精度和側壁垂直度；(2)低應力圓片級封裝。目前，硅微機電陀螺常采用玻璃(Corning 7740)-硅陽極鍵合方式進行圓片級封裝，但鍵合過程中，Corning7740的熱膨脹系數(shù)從室溫 到450°C時幾乎為常數(shù)3.3X10_6/°C，而硅在這個溫度區(qū)間的熱膨脹系數(shù)由2.5X 10_6/°C增至4X 10_6/°C，這樣導致玻璃-硅鍵合界面會存在較大的殘余應力，嚴重影響微機電陀螺的性能指標；(3)深引線孔金屬化工藝。傳統(tǒng)工藝中，常采用剝離(lift-off)工藝對微結構進行金屬化，但由于上述結構中引線孔深度較深，勻膠過程中，光刻膠堆積于深引線孔內，很難顯影干凈，因此無法采用剝離工藝進行金屬化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術缺陷，提供一種基于SOI工藝加工四質量塊微機電陀螺的方法。本發(fā)明采取的技術方案如下:一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，包括下述步驟:步驟一:加工下封帽步驟1.2:下封帽基片加工對清洗完成的基片進行光刻工藝，形成掩膜圖形，再進行深反應離子刻蝕深硅刻蝕，刻蝕深度SOI基片下封帽器件層30a的厚度，形成下封帽的邊框結構53、下極板質量塊31、下極板連接結構36和下極板中心支撐點37，最后利用5%的NaOH溶液去除光刻膠，步驟二:下封帽與敏感結 構鍵合步驟2.2:敏感結構上表面結構加工對清洗好的敏感結構基片進行光刻形成掩膜圖形，最后進行深反應離子刻蝕，對無掩膜覆蓋的硅材料進行刻蝕，形成淺槽結構61，刻蝕深度為動齒與定齒的高度差ΛΤ2，一般為2 3 μ m，并用5%的NaOH溶液去除光刻膠掩膜，步驟2.3:下封帽與敏感結構鍵合將敏感結構10和下封帽30進行對準，然后在鍵合機進行硅直接鍵合，鍵合完成后在高溫退火爐中進行退火，退火溫度為1000°c，退火時間4小時，鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和下封帽邊框結構53、中心支撐點17和下極板中心支撐點37、敏感結構連接結構16和下極板連接結構36，步驟三:加工敏感結構步驟3.1:敏感結構支撐層與絕緣層的去除敏感結構支撐層IOc通過機械研磨或濕法腐蝕的方法進行去除，濕法腐蝕可采用KOH溶液進行腐蝕，KOH濃度為40% (質量濃度)，腐蝕溫度為80°C，腐蝕時間約10小時，敏感結構絕緣層IOb可采用緩沖HF (HF: NH4F = I: 5，體積比)進行腐蝕去除，去除敏感結構基片的敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb的結構如圖9所示，本領域的技術人員利用本步驟提供的KOH濃度，腐蝕溫度和腐蝕時間可以完成敏感結構支撐層IOc的腐蝕過程，同時利用本步驟提供的緩沖HF可以完成敏感結構絕緣層IOb腐蝕去除，步驟3.2:氮化硅掩膜圖形化首先在上步去除敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb后的表面沉積Si3N4掩膜，沉積方式為增強型等離子PECVD，薄膜厚度為400 500nm，然后通過光刻和RIE刻蝕Si3N4掩膜圖形101，步驟3.3:生長二氧化硅采用熱氧化方法制備SiO2掩膜，上步去除Si3N4掩膜后的Si片表面生長SiO2，形成掩膜圖形102，SiO2掩膜厚度為400 500nm，
步驟3.4:敏感結構掩膜圖形化光刻敏感結構圖形，再對無光刻膠103覆蓋的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102進行RIE刻蝕，形成動齒掩膜圖形104和定齒掩膜圖形105，步驟3.5:刻蝕定齒結構對無掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕，形成敏感結構連接結構16、中心支撐點17和敏感結構邊框結構51，刻蝕深度為敏感結構器件層IOa的厚度，為60 80 μ m,步驟3.6:刻蝕動齒結構首先去除光刻膠，再濕法腐蝕Si3N4掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80%的磷酸(H3PO4)，腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，最后對沒有Si3N4掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕,形成質量塊結構11，刻蝕深度為動齒與定齒的高度差ΛΤ2，一般為 2 3μπι，步驟四:加工上封帽步驟4.2:上封帽引線孔加工將SOI基片上、下表面同時制備掩膜，先制備SiO2掩膜，再在SiO2掩膜上制備Si3N4掩膜，其中SiO2掩膜采用熱氧化方式制備，厚度為IOOnm 150nm，Si3N4掩膜采用低壓化學氣相沉積(LPCVD)方式制備，厚度為400 500nm，然后在上封帽支撐層20c上光刻引線孔22圖形，再利用RIE刻蝕掩膜圖形，下一步濕法腐蝕引線孔22，腐蝕液為40% (質量百分比)的KOH溶液，腐蝕溫度為60°C，腐蝕時間為8 10h，腐蝕深度為支撐層20c厚度，最后腐蝕去除掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80% (質量百分比)的磷酸(H3PO4),腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，SiO2掩膜腐蝕液為緩沖HF (HF: NH4F = I: 5，體積比)，腐蝕溫度為50 60°C，步驟4.3:上封帽質量塊加工加工方法與步驟1.2中的下封帽器件層30a的加工方法相同，通過光刻形成掩膜圖形，最后利用深反應離子刻蝕進行深硅刻蝕形成上封帽器件層20a結構，并去除剩余光刻膠掩膜，步驟五:敏感結構與上封帽鍵合鍵合工藝過程與步驟2.3鍵合工藝相同，鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和上封帽邊框結構52、中心支撐點17和上極板中心支撐點27、敏感結構連接結構16和上封帽連接結構26，至此加工好的產品可以稱為微機電陀螺100，步驟六:金屬化鍵合完成后，將微機電陀螺100與金屬遮擋板50對準并進行有效固定，再采用熱蒸發(fā)方式向引線孔22內鍍制金屬薄膜41，使金屬薄膜41與上封帽器件層20a形成良好歐姆結構，其中金屬薄膜41的材料為Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度為800 lOOOnm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分別為20nm/50nm/200nm，鍍膜結束后，將金屬遮擋板50與微機電陀螺100分離，最后，將引線40與金屬薄膜41進行引線鍵合，以實現(xiàn)信號的輸入和輸出。如上所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其中，制作過程按照加工下封帽、下封帽與敏 感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行；或按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工。如上所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其中，按照加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行加工時，加工上封帽的步驟設置在加工下封帽與下封帽與敏感結構鍵合之間，或者設置在下封帽與敏感結構鍵合與加工敏感結構之間。如上所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其中，當按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工的時候，加工下封帽的步驟設置在加工上封帽與敏感結構與上封帽鍵合之間，或者設置在敏感結構與上封帽鍵合與加工敏感結構之間。如上所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其中，在步驟一中增加下述步驟步驟1.1清洗下封帽基片在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，該基片包括下封帽器件層30a、下封帽絕緣層30b和下封帽支撐層30c，其中下封帽器件層30a為Si，P型摻雜，(111)晶向，厚度為60 80μπι，下封帽絕緣層30b為SiO2,厚度為I 2μπι，下封帽支撐層30c，P型摻雜，(111)晶向，厚度為400 500 μ m，清洗工藝如下:第一步在70°C 75 °C的SC-1 (NH4OH: H2O2: H2O = I: I: 5，體積比)中清洗 5 lOmin，第二步在 70°C 75°C的SC-2(HC1: H2O2: H2O = I: I: 6，體積比)中清洗5 lOmin，最后用去離子水沖洗，在步驟二中增加下 述步驟:步驟2.1:敏感結構基片清洗先清洗SOI基片，SOI基片的技術要求與上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工藝與步驟1.1中清洗工藝相同，在步驟四中增加下述步驟:步驟4.1:上封帽基片清洗首先清洗SOI基片，清洗方法與步驟1.1清洗工藝相同。。采用上述技術方案，本發(fā)明取得以下的效果:1.本發(fā)明通過雙掩膜(SiO2和Si3N4)技術方案實現(xiàn)了不等高梳齒結構的加工，同時采用干法刻蝕進行掩膜圖形化，有利于保證線條質量，提高梳齒結構的側壁垂直度；2.本發(fā)明基于三層SOI基片，并利用硅直接鍵合技術對敏感結構進行圓片級封裝，一方面有效解決了不同材料的熱膨脹系數(shù)不同所引起的殘余應力等問題，另一方面SOI基片中SiO2絕緣層可起電學隔離作用和腐蝕停止層作用，提高了工藝兼容性；3.本發(fā)明采用遮擋板定向濺射方法進行深引線孔金屬化，避免了剝離工藝中深引線孔的勻膠、顯影及后續(xù)光刻膠剝離等問題，減少了加工工序，降低了工藝成本。


圖1是四質量硅微機電陀螺結構示意圖；圖2a是不等聞梳齒_二維截面不意圖；圖2a是不等聞梳齒_二維側面不意圖3a表示敏感結構的示意圖；圖3b表示上封帽的示意圖；圖3c表示下封帽的示意圖；圖4是下封帽加工示意圖；圖5是上封帽引線孔加工示意圖；圖6是上封帽質量塊加工示意圖；圖7是敏感結構上表面加工示意圖；圖8是敏感結構與下封帽鍵合示意圖；圖9是敏感結構支撐層與絕緣層去除示意圖；圖10是氮化硅掩膜圖形化示意圖；圖11是生長氧化硅示意圖；圖12是定齒圖形化示意圖；圖13是刻蝕定齒示意圖；圖14是刻蝕動齒示意圖；圖15是敏感結構與上封帽鍵合示意圖；圖16是深引線孔金屬化示意圖。圖中:10.敏感結構、IOa.敏感結構器件層、IOb.敏感結構絕緣層、IOc.敏感結構支撐層、11.11a.lib.lie.1ld.敏感結構質量塊、12.支撐梁、13.梳齒結構、13a.定齒、13b.動齒、14.錨點、15.驅動定輪連接塊、16.16a.16b.16c.16d.敏感結構連接結構、17.中心支撐點、18.重疊區(qū)域、20.上封帽、20a.上封帽器件層、20b.上封帽絕緣層、20c.上封帽支撐層、21.21a.21b.21c.21d.上封帽質量塊、22.22a.22b.22c.22d.22e.22f.22g.22h.221.引線孔、26.26a.26b.26c.26d.上封帽連接結構、27.上極板中心支撐點、30.下封帽、30a.下封帽器件層、30b.下封帽絕緣層、30c.下封帽支撐層、31.31a.31b.31c.31d.下極板質量塊、36.36a.36b.36c.36d.下極板連接結構、37.下極板中心支撐點、40.引線、41.金屬薄膜、50.金屬遮擋板、51.敏感結構邊框結構、52.上封帽邊框結構、53.下封帽邊框結構、61.淺槽結構、100.微機電陀螺、101.氮化硅掩膜、102.氧化硅掩膜、103.光刻膠、104.動齒掩膜圖形、105.定齒掩膜圖形。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式
。一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，包括下述步驟:步驟一:加工下封帽步驟1.1清洗下封帽基片如附圖4所示，在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，該基片包括下封帽器件層30a、下封帽絕緣層30b和下封帽支撐層30c，其中下封帽器件層30a為Si，p型摻雜，(111)晶向，厚度為60 80 μ m,下封帽絕緣層30b為SiO2,厚度為I 2 μ m，下封帽支撐層30c，P型摻雜，(111)晶向，厚度為400 500 μ m。清洗工藝如下:第一步在70°C 75°C的SC-1 (NH4OH: H2O2: H2O = 1: 1: 5，體積比)中清洗 5 l0min，第二步在 70°C 75°C的SC-2(HC1: H2O2: H2O = 1: 1: 6，體積比)中清洗5 l0min，最后用去離子水沖洗。
步驟1.2:下封帽基片加工對清洗完成的基片進行光刻工藝，形成掩膜圖形，再進行深反應離子刻蝕深硅刻蝕，刻蝕深度SOI基片下封帽器件層30a的厚度，形成下封帽的邊框結構53、下極板質量塊31、下極板連接結構36和下極板中心支撐點37，最后利用5%的NaOH溶液去除光刻膠。本步驟的光刻、深硅刻蝕、去膠采用現(xiàn)有技術實現(xiàn)。步驟二:下封帽與敏感結構鍵合步驟2.1:敏感結構基片清洗先清洗SOI基片，SOI基片的技術要求與上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工藝與步驟1.1中清洗工藝相同。步驟2.2:敏感結構上表面結構加工對清洗好的敏感結構基片進行光刻形成掩膜圖形，最后進行深反應離子刻蝕，對無掩膜覆蓋的硅材料進行刻蝕，形成淺槽結構61，刻蝕深度為動齒與定齒的高度差ΛΤ2，一般為2 3μπι，并用5%的NaOH溶液去除光刻膠掩膜。加工好的敏感結構10的上表面結構如圖7所示。本步驟的光刻、深反應離子刻蝕、去膠采用現(xiàn)有技術實現(xiàn)。步驟2.3:下封帽與敏感結構鍵合先利用步驟1.1中清洗工藝清洗敏感結構10和下封帽30，并將兩者進行對準，然后在鍵合機進行硅直接鍵合，鍵合完成后在高溫退火爐中進行退火，退火溫度為1000°c，退火時間4小時。鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和下封帽邊框結構53、中心支撐點17和下極板中心支撐點37、敏感結構連接結構16和下極板連接結構36。敏感結構10的上表面與下封帽30鍵合好后的結構如圖8所示。步驟三:加工敏感結構步驟3.1:敏感結構支撐層與絕緣層的去除敏感結構支撐層IOc可通過機械研磨或濕法腐蝕的方法進行去除，濕法腐蝕可采用KOH溶液進行腐蝕，KOH濃度為40% (質量濃度)，腐蝕溫度為80°C，腐蝕時間約10小時，敏感結構絕緣層IOb可采用緩沖HF (HF: NH4F = I: 5，體積比)進行腐蝕去除。去除敏感結構基片的敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb的結構如圖9所示。本領域的技術人員利用本步驟提供的KOH濃度，腐蝕溫度和腐蝕時間可以完成敏感結構支撐層IOc的腐蝕過程，同時利用本步驟提供的緩沖HF可以完成敏感結構絕緣層IOb腐蝕去除。步驟3.2:氮化硅掩膜圖形化首先在上步去除敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb后的表面沉積Si3N4掩膜，沉積方式為增強型等離子PECVD，薄膜厚度為400 500nm，然后通過光刻和RIE刻蝕Si3N4掩膜圖形101。Si3N4掩膜圖形化完成后的結構如圖10所示。步驟3.3:生長二氧化硅采用熱氧化方法制備SiO2掩膜，上步去除Si3N4掩膜后的Si片表面生長SiO2，形成掩膜圖形102，SiO2掩膜厚度為400 500nm。生長SiO2完成后的結構如圖11所示。步驟3.4:敏感結構掩膜圖形化光刻敏感結構圖形，再對無光刻膠103覆蓋的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102進行RIE刻蝕，形成動齒掩 膜圖形104和定齒掩膜圖形105?？涛g敏感結構掩膜圖形化完成后的結構如圖12所示。
步驟3.5:刻蝕定齒結構對無掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕，形成敏感結構連接結構16、中心支撐點17和敏感結構邊框結構51?？涛g深度為敏感結構器件層IOa的厚度，為60 80 μ m。定齒結構刻蝕完成后的結構如圖13所示。步驟3.6:刻蝕動齒結構首先去除光刻膠，再濕法腐蝕Si3N4掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80%的磷酸(H3PO4)，腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，最后對沒有Si3N4掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕,形成質量塊結構11，刻蝕深度為動齒與定齒的高度差ΔΤ2,—般為2 3μηι。動齒結構刻蝕完成后的結構如圖14所示。步驟四:加工上封帽步驟4.1:上封帽基片清洗首先清洗SOI基片，清洗方法與步驟1.1清洗工藝相同。步驟4.2:上封帽引線孔加工將SOI基片上、下表面同時制備掩膜，先制備SiO2掩膜，再在SiO2掩膜上制備Si3N4掩膜。其中SiO2掩膜采用熱氧化方式制備，厚度為IOOnm 150nm，Si3N4掩膜采用低壓化學氣相沉積(LPCVD)方式制備，厚度為400 500nm。然后在上封帽支撐層20c上光刻引線孔22圖形，再利用RIE刻蝕掩膜圖形，下一步濕法腐蝕引線孔22，腐蝕液為40% (質量百分比)的KOH溶液，腐蝕溫度為60°C，腐蝕時間為8 10h，腐蝕深度為支撐層20c厚度，最后腐蝕去除掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80% (質量百分比)的磷酸(H3PO4),腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，Si02掩膜腐蝕液為緩沖HF(HF: NH4F = I: 5，體積比)，腐蝕溫度為50 60°C。步驟4.3:上封帽質量塊加工加工方法與步驟1.2中的下封帽器件層30a的加工方法相同，通過光刻形成掩膜圖形，最后利用深反應離子刻蝕進行深硅刻蝕形成上封帽器件層20a結構，并去除剩余光刻膠掩膜。上封帽器件層20a加工完成后的結構如圖6所示。步驟五:敏感結構與上封帽鍵合鍵合工藝過程與步驟2.3鍵合工藝相同。鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和上封帽邊框結構52、中心支撐點17和上極板中心支撐點27、敏感結構連接結構16和上封帽連接結構26。敏感結構10與上封帽20進行硅直接鍵合形成圓片級封裝后的結構如圖15所示。至此加工好的產品可以稱為微機電陀螺100。步驟六:金屬化鍵合完成后，將微機電陀螺100與金屬遮擋板50對準并進行有效固定，再采用熱蒸發(fā)方式向引線孔22內鍍制金屬薄膜41，使金屬薄膜41與上封帽器件層20a形成良好歐姆結構。其中金屬薄膜41的材料為Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度為800 lOOOnm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分別為20nm/50nm/200nm。鍍膜結束后，將金屬遮擋板50與微機電陀螺100分離。最后，將引線40與金屬薄膜41進行引線鍵合，以實現(xiàn)信號的輸入和輸出。金屬化完成后的結構如附圖16所示。上述制作過程可 以如本申請實施例所述的按照加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行；也可以按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工。另外按照加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行加工時，加工上封帽的步驟可以設置在加工下封帽與下封帽與敏感結構鍵合之間，也可以設置在下封帽與敏感結構鍵合與加工敏感結構之間；類似的當按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工的時候，加工下封帽的步驟可以設置在加工上封帽與敏感結構與上封帽鍵合之間也可以設置在敏感結構與上封帽鍵合與加工敏感結構之間。
權利要求
1.一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其特征在于，包括下述步驟: 步驟一:加工下封帽 步驟1.2:下封帽基片加工 對清洗完成的基片進行光刻工藝，形成掩膜圖形，再進行深反應離子刻蝕深硅刻蝕，刻蝕深度SOI基片下封帽器件層30a的厚度，形成下封帽的邊框結構53、下極板質量塊31、下極板連接結構36和下極板中心支撐點37，最后利用5%的NaOH溶液去除光刻膠， 步驟二:下封帽與敏感結構鍵合 步驟2.2:敏感結構上表面結構加工 對清洗好的敏感結構基片進行光刻形成掩膜圖形，最后進行深反應離子刻蝕，對無掩膜覆蓋的硅材料進行刻蝕，形成淺槽結構61，刻蝕深度為動齒與定齒的高度差△ T2，一般為2 3 μ m，并用5%的NaOH溶液去除光刻膠掩膜， 步驟2.3:下封帽與敏感結構鍵合 將敏感結構10和下封帽30進行對準，然后在鍵合機進行硅直接鍵合，鍵合完成后在高溫退火爐中進行退火，退火溫度為1000°C，退火時間4小時，鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和下封帽邊框結構53、中心支撐點17和下極板中心支撐點37、敏感結構連接結構16和下極板連接結構36， 步驟三:加工敏感結構 步驟3.1:敏感結構支撐層與絕緣層的去除 敏感結構支撐層IOc通過機械研磨或濕法腐蝕的方法進行去除，濕法腐蝕可采用KOH溶液進行腐蝕， KOH濃度為40% (質量濃度)，腐蝕溫度為80°C，腐蝕時間約10小時，敏感結構絕緣層IOb可采用緩沖HF (HF: NH4F = I: 5，體積比)進行腐蝕去除，去除敏感結構基片的敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb的結構如圖9所示，本領域的技術人員利用本步驟提供的KOH濃度，腐蝕溫度和腐蝕時間可以完成敏感結構支撐層IOc的腐蝕過程，同時利用本步驟提供的緩沖HF可以完成敏感結構絕緣層IOb腐蝕去除， 步驟3.2:氮化硅掩膜圖形化 首先在上步去除敏感結構支撐層IOc和敏感結構絕緣層IOb后的表面沉積Si3N4掩膜，沉積方式為增強型等離子PECVD，薄膜厚度為400 500nm，然后通過光刻和RIE刻蝕Si3N4掩膜圖形101， 步驟3.3:生長二氧化硅 采用熱氧化方法制備SiO2掩膜，上步去除Si3N4掩膜后的Si片表面生長SiO2,形成掩膜圖形102，SiO2掩膜厚度為400 500nm， 步驟3.4:敏感結構掩膜圖形化 光刻敏感結構圖形，再對無光刻膠103覆蓋的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102進行RIE刻蝕，形成動齒掩膜圖形104和定齒掩膜圖形105， 步驟3.5:刻蝕定齒結構 對無掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕，形成敏感結構連接結構.16、中心支撐點17和敏感結構邊框結構51，刻蝕深度為敏感結構器件層IOa的厚度，為60 80 μ m， 步驟3.6:刻蝕動齒結構首先去除光刻膠，再濕法腐蝕Si3N4掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80%的磷酸(H3PO4)，腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，最后對沒有Si3N4掩膜覆蓋的敏感結構器件層IOa進行深反應離子刻蝕,形成質量塊結構11,刻蝕深度為動齒與定齒的高度差ΔΤ2,一般為2 3 μ m, 步驟四:加工上封帽 步驟4.2:上封帽引線孔加工 將SOI基片上、下表面同時制備掩膜，先制備SiO2掩膜，再在SiO2掩膜上制備Si3N4掩膜，其中SiO2掩膜采用熱氧化方式制備，厚度為IOOnm 150nm，Si3N4掩膜采用低壓化學氣相沉積(LPCVD)方式制備，厚度為400 500nm，然后在上封帽支撐層20c上光刻引線孔22圖形，再利用RIE刻蝕掩膜圖形，下一步濕法腐蝕引線孔22，腐蝕液為40% (質量百分比)的KOH溶液，腐蝕溫度為60°C，腐蝕時間為8 10h，腐蝕深度為支撐層20c厚度，最后腐蝕去除掩膜，Si3N4掩膜腐蝕液為80% (質量百分比)的磷酸(H3PO4)，腐蝕溫度為160°C 180°C，腐蝕時間為30 40min，SiO2掩膜腐蝕液為緩沖HF (HF: NH4F = I: 5，體積比)，腐蝕溫度為50 60°C， 步驟4.3:上封帽質量塊加工 加工方法與步驟1.2中的下封帽器件層30a的加工方法相同，通過光刻形成掩膜圖形，最后利用深反應離子刻蝕進行深硅刻蝕形成上封帽器件層20a結構，并去除剩余光刻膠掩膜， 步驟五:敏感結構與上封帽鍵合 鍵合工藝過程與步驟2.3鍵合 工藝相同，鍵合區(qū)域為敏感結構邊框結構51和上封帽邊框結構52、中心支撐點17和上極板中心支撐點27、敏感結構連接結構16和上封帽連接結構26， 至此加工好的產品可以稱為微機電陀螺100， 步驟六:金屬化 鍵合完成后，將微機電陀螺100與金屬遮擋板50對準并進行有效固定，再采用熱蒸發(fā)方式向引線孔22內鍍制金屬薄膜41，使金屬薄膜41與上封帽器件層20a形成良好歐姆結構，其中金屬薄膜41的材料為Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度為800 lOOOnm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分別為20nm/50nm/200nm，鍍膜結束后，將金屬遮擋板50與微機電陀螺100分離，最后，將引線40與金屬薄膜41進行引線鍵合，以實現(xiàn)信號的輸入和輸出。
2.如權利要求1所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其特征在于:制作過程按照加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行；或按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工。
3.如權利要求2所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其特征在于:按照加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、加工敏感結構、加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、金屬化的加工順序進行加工時，加工上封帽的步驟設置在加工下封帽與下封帽與敏感結構鍵合之間，或者設置在下封帽與敏感結構鍵合與加工敏感結構之間。
4.如權利要求2所述的一種四質量塊硅微機電陀螺結構的加工方法，其特征在于:當按照加工上封帽、敏感結構與上封帽鍵合、加工敏感結構、加工下封帽、下封帽與敏感結構鍵合、金屬化的順序加工的時候，加工下封帽的步驟設置在加工上封帽與敏感結構與上封帽鍵合之間，或者設置在敏感結構與上封帽鍵合與加工敏感結構之間。
5.如權利要求1所述的一種四質量塊娃微機電陀螺結構的加工方法，其特征在于:在步驟一中增加下述步驟 步驟1.1清洗下封帽基片 在加工下封帽之前首先清洗SOI基片，該基片包括下封帽器件層.30a、下封帽絕緣層.30b和下封帽支撐層30c，其中下封帽器件層30a為Si，p型摻雜，(111)晶向，厚度為60 .80 μ m，下封帽絕緣層30b為SiO2，厚度為I 2μπι，下封帽支撐層30c，P型摻雜，(111)晶向，厚度為400 500 μ m，清洗工藝如下:第一步在70°C 75°C的SC-1 (NH4OH: H2O2: H2O= 1:1: 5，體積比)中清洗 5 lOmin，第二步在 70°C 75°C的 SC-2(HC1: H2O2: H2O= 1:1: 6,體積比)中清洗5 IOmin,最后用去離子水沖洗， 在步驟二中增加下述步驟: 步驟2.1:敏感結構基片清洗 先清洗SOI基片，SOI基片的技術要求與上封帽、下封帽的SOI基片相同，清洗工藝與步驟1.1中清洗工藝相同， 在步驟四中增加下述步驟: 步驟4.1:上封帽基片清洗 首先清洗SOI基片，清洗方法與步驟1.1清洗工藝相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及加工方法，特別是具有不等高梳齒結構和需圓片級封裝的硅微機電陀螺結構的加工方法。它包括步驟一加工下封帽；步驟二下封帽與敏感結構鍵合，敏感結構上表面結構加工；下封帽與敏感結構鍵合；步驟三加工敏感結構，敏感結構支撐層與絕緣層的去除；氮化硅掩膜圖形化；生長二氧化硅；敏感結構掩膜圖形化；刻蝕定齒結構；刻蝕動齒結構；步驟四加工上封帽，上封帽引線孔加工；上封帽質量塊加工；步驟五敏感結構與上封帽鍵合；步驟六金屬化。本發(fā)明的效果是有利于保證線條質量，提高梳齒結構的側壁垂直度；解決了不同材料的熱膨脹系數(shù)不同所引起的殘余應力等問題，提高了工藝兼容性；減少了加工工序，降低了工藝成本。
文檔編號B81C1/00GK103213939SQ201210017609
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權日2012年1月19日
發(fā)明者鄭辛, 劉大俊, 楊軍, 盛潔, 唐瓊, 李佳, 劉迎春, 劉曉智, 楊軼博 申請人:北京自動化控制設備研究所