一种三明治加速度计微结构制作方法技术

本发明专利技术公开了一种三明治加速度计微结构制作方法，涉及MEMS芯片制造领域，包括以下内容：上、下电极圆片采用硅衬底上薄层玻璃的晶片，首先上下电极圆片在玻璃面进行通孔光刻，再生长铬金薄膜，光刻腐蚀制造出上下电极极板，结构采用单晶硅晶片，利用湿法腐蚀工艺制作结构层，三层晶片通过阳极键合工艺键合在一起，在上极板背面生长铬金薄膜，最后切割上电极圆片露出焊盘，切割三层圆片得到三明治加速度计芯片。本方法充分利用硅玻璃键合的特点，简单易操作，对键合表面的要求低，本发明专利技术加工出的三明治加速度计近似全硅器件，热失配问题小、寄生电容小，本发明专利技术能使芯片的质量和成品率得到很大的提高。

A fabrication method of sandwich accelerometer microstructure

【技术实现步骤摘要】
一种三明治加速度计微结构制作方法
本专利技术涉及MEMS芯片制造领域，尤其涉及一种三明治加速度计微结构制作方法。
技术介绍
MEMS加速度计以其成本低、体积小、功耗低、可大规模生产等特点在国防、惯性导航、地震探测、工业、医疗、自动化以及消费电子等众多领域中获得了广泛的应用。MEMS加速度计有很多种类，按照敏感信号的不同方式来分，可分为压电式、压阻式、电容式、热对流式、谐振式以及隧道电流式等。其中基于敏感电容变化的原理来对加速度进行检测的MEMS电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点，因而得到了广泛的应用。MEMS三明治加速度计采用体硅微机械加工技术制作，工艺相对复杂但更易得到高的检测精度。传统的三明治加速度计主要有玻璃硅玻璃结构、全硅结构形式，玻璃硅玻璃结构的加速度计热失配问题大，温度性能差，而全硅结构的加速度计热失配问题小，温度性能好，但键合区域的隔离层由于间隙的存在，不宜生长过厚，寄生电容较大，因此可以将二种结构形式结合起来设计一种三明治加速度计微结构来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：提供一种三明治加速度计微结构制作方法，是一种操作方便、成本低、成品率高、适应性好的MEMS芯片圆片级封装的加工方法，加工出的加速度计微结构(MEMS芯片)寄生电容小、热失配小。本专利技术的技术方案是：一种三明治加速度计微结构制作方法，步骤如下：1)在一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出上电极通孔(111)，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出上电极极板(112)，形成上电极圆片；上电极圆片，分为结构区(113)和辅助区(114)；上电极通孔(111)和上电极极板(112)位于结构区(113)内；结构区(113)外为辅助区(114)；2)在另一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出下电极通孔(211)和下电极焊盘通孔(212)，(下电极通孔(211)和下电极焊盘通孔(212)下方的硅衬底是相连接的)玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出下电极极板(213)、下电极焊盘(214)和中间电极焊盘(215)，形成下电极圆片；下电极圆片分为结构区(113)和辅助区(114)；下电极极板(213)和下电极通孔(211)位于结构区(113)内，下电极焊盘通孔(212)、下电极焊盘(214)和中间电极焊盘(215)位于辅助区(114)内；3)在单晶硅圆片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片分为结构区(113)和辅助区(114)；结构圆片，包括：质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)，质量块(311)通过梁(312)与外框(313)连接，中间凸点(314)与外框(313)连接；中间凸点(314)位于外框(313)的外侧，质量块(311)与梁(312)位于外框(313)的内侧；质量块(311)、梁(312)和外框(313)位于结构区(113)内；中间凸点(314)位于辅助区(114)内；4)将结构圆片的两端分别与上电极圆片和下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片；(将上电极圆片、下电极圆片的玻璃面和结构圆片的两端贴合，在设定气压的键合设备内对准键合)5)在三明治微加速度计圆片中上电极圆片硅衬底表面制作上电极焊盘(115)，上电极焊盘(115)位于结构区(113)内；中电极焊盘(215)通过中间凸点(314)与外框(313)相连；上电极极板(112)通过上电极通孔(111)与上电极圆片的硅衬底连接；下电极焊盘(214)通过下电极焊盘通孔(212)与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板(213)通过下电极通孔(211)与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘(214)与下电极极板(213)连接；上电极焊盘(115)、中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)共同形成三明治微加速度计焊盘；6)先划切掉上电极圆片的辅助区，露出中电极焊盘(215)和下电极焊盘(214)；然后按照要求的形状划切三明治微加速度计圆片，得到三明治微加速度计微结构。优选的，所述步骤1)的上电极圆片和步骤2)的下电极圆片，均包括两层，一层的材料是重掺杂<100>晶向的单晶硅衬底，另一层为其上的薄膜玻璃，薄膜玻璃的厚度在10～20μm，所述步骤3)的结构圆片的材料是双面抛光的重掺<100>晶向的单晶硅，优选的电阻率在0.002Ω·cm～0.003Ω·cm。优选的，所述步骤(4)中键合工艺为阳极键合，优选的温度为300～400℃，优选的电压在800～1200V；优选的，所述步骤5)中的上电极焊盘为硬掩模溅射生长铬金薄膜，优选的厚度在0.5～1μm；优选的，所述步骤6)划切位置为上电极圆片的辅助区，划切深度为上电极圆片厚度；划切后露出下电极焊盘和中间电极焊盘。优选的，所述加速度计中的微结构由MEMS工艺加工而成。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术中MEMS三明治加速度计的焊盘位置采用划切方式露出，与腐蚀穿通相比，优点在于可以减少腐蚀保护层生长和腐蚀穿通的工艺步骤，避免上下电极圆片焊盘加工穿通工艺复杂的问题。(2)利用本专利技术中的键合，可做出近似全硅器件，减少硅玻璃材料不匹配带来的热应力的问题，全温稳定性可提高一个数量级。(3)本专利技术的MEMS芯片尺寸小，便于后续小型化封装，而且，中下焊盘做在下电极圆片上，上焊盘做在上电极圆片背面，不悬空放置，金丝键合时不易压断焊盘。上下电极圆片上的薄层玻璃有一定厚度，是全硅结构的三明治加速度计键合隔离区的厚度几倍，因为电容与距离成反比，所以寄生电容为全硅结构的几分之一，寄生电容小，封装成品率高。(4)本专利技术提高了MEMS三明治加速度计敏感芯片加工质量，且工艺简单、可靠性高，可长期使用。附图说明图1为本专利技术上电极结构示意图；图2为本专利技术下电极结构示意图；图3为本专利技术摆片结构示意图；图4为本专利技术三明治微结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术公开了一种三明治加速度计微结构制作方法，涉及MEMS芯片制造领域。包括以下内容：上下电极圆片采用硅衬底上薄层玻璃的晶片，首先上下电极圆片在玻璃面进行通孔光刻，再生长铬金薄膜，光刻腐蚀制造出上下电极极板，结构采用单晶硅晶片，利用湿法腐蚀工艺制作结构层，三层晶片通过阳极键合工艺键合在一起，在上极板背面生长铬金薄膜，最后切割上电极圆片露出焊盘，切割三层圆片得到三明治加速度计芯片。本方法充分利用硅玻璃键合的特点，简单易操作，对键合表面的要求低，本专利技术加工出的三明治加速度计近似全硅器件，热失配问题小、寄生电容小，本专利技术能使芯片的质量和成品率得到很大的提高。本专利技术提供了提供一种三明治加速度计微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于步骤如下：/n(1)在一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出上电极通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出上电极极板，形成上电极圆片；上电极圆片，分为结构区和辅助区；上电极通孔和上电极极板位于结构区内；结构区外为辅助区；/n(2)在另一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出下电极通孔和下电极焊盘通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出下电极极板、下电极焊盘和中间电极焊盘，形成下电极圆片；下电极圆片分为结构区和辅助区；下电极极板和下电极通孔位于结构区内，下电极焊盘通孔、下电极焊盘和中间电极焊盘位于辅助区内；/n(3)在单晶硅圆片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片分为结构区和辅助区；/n结构圆片，包括：质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)，质量块(311)通过梁(312)与外框(313)连接，中间凸点(314)与外框(313)连接；中间凸点(314)位于外框(313)的外侧，质量块(311)与梁(312)位于外框(313)的内侧；/n质量块(311)、梁(312)和外框(313)位于结构区内；中间凸点(314)位于辅助区内；/n(4)将结构圆片的两端分别与上电极圆片和下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片；/n(5)在三明治微加速度计圆片中上电极圆片硅衬底表面制作上电极焊盘，上电极焊盘位于结构区内；中电极焊盘通过中间凸点与外框(313)相连；上电极极板通过上电极通孔与上电极圆片的硅衬底连接；下电极焊盘通过下电极焊盘通孔与下电极圆片的硅衬底连接，下电极极板通过下电极通孔与下电极圆片的硅衬底连接，使下电极焊盘与下电极极板连接；上电极焊盘、中电极焊盘和下电极焊盘共同形成三明治微加速度计焊盘；/n(6)先划切掉上电极圆片的辅助区；然后按照要求的形状划切三明治微加速度计圆片，得到三明治微加速度计微结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三明治加速度计微结构制作方法，其特征在于步骤如下：
(1)在一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出上电极通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出上电极极板，形成上电极圆片；上电极圆片，分为结构区和辅助区；上电极通孔和上电极极板位于结构区内；结构区外为辅助区；
(2)在另一个圆形晶片的玻璃面光刻腐蚀出下电极通孔和下电极焊盘通孔，玻璃面表面生长铬金薄膜，在该薄膜上光刻腐蚀出下电极极板、下电极焊盘和中间电极焊盘，形成下电极圆片；下电极圆片分为结构区和辅助区；下电极极板和下电极通孔位于结构区内，下电极焊盘通孔、下电极焊盘和中间电极焊盘位于辅助区内；
(3)在单晶硅圆片表面热氧化生长二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上双面光刻出所需的图形，再湿法腐蚀掉图形对应的单晶硅，得到所需的结构；最后去除所有二氧化硅绝缘层，得到结构圆片；结构圆片分为结构区和辅助区；
结构圆片，包括：质量块(311)、梁(312)、外框(313)和中间凸点(314)，质量块(311)通过梁(312)与外框(313)连接，中间凸点(314)与外框(313)连接；中间凸点(314)位于外框(313)的外侧，质量块(311)与梁(312)位于外框(313)的内侧；
质量块(311)、梁(312)和外框(313)位于结构区内；中间凸点(314)位于辅助区内；
(4)将结构圆片的两端分别与上电极圆片和下电极圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成三明治微加速度计圆片；
(5)在三明治微加速度计圆片...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国文，刘宇，邱飞燕，刘福民，杨静，李兆涵，赵亭杰，吴浩越，徐宇新，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11