專利名稱：一種超小型mems陀螺儀傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，簡稱 MEMS)技術，特別涉及一種超小型MEMS陀螺儀傳感器。
背景技術：
微機電系統(MEMQ是對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技 術，它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。它 是用微電子技術和微加工技術相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型 化的傳感器、執行器、驅動器和微系統，其中微加工技術包括硅體微加工、硅表面微加工、 LIGA(LIGA 是德文 Lithographie，Galanoformung 和 Abformung 三個詞，即光刻、電鑄和注 塑的縮寫)和晶片鍵合等技術。MEMS慣性傳感器是應用微機電系統(MEMS)技術研發出來的典型微傳感器。隨著 MEMS技術的日益發展，MEMS慣性傳感器(包括加速度計和陀螺儀)的性能指標越來越高， 以其尺寸小、價格便宜的優勢在工業、醫療以及其他消費電子產品的各個層面都發揮著巨 大的作用。常見的MEMS加速度計按敏感原理的不同可以分為壓阻式、壓電式、隧道效應式、 電容式等，但都是基于“支撐梁-質量塊”原理的振動式微慣性器件。通過質量塊感受加速 度場中由于加速度產生的慣性力，再通過各種方法把慣性力檢測出來。該加速度計的質量 塊對靈敏度特性有重大影響，質量塊越大，所感受到的慣性力越大，檢查出的信號幅值也就 越大。在MEMS陀螺儀中，振動式硅微機械陀螺儀是最常見的一種陀螺儀，這種陀螺儀利 用哥式效應檢測角速度的大小。其基本工作原理是首先使檢測質量塊沿驅動方向做線振 動或角振動，進入驅動模態；當沿敏感軸方向有角速度輸入時，在檢測軸方向就會出現哥式 力，迫使檢測質量塊沿檢測方向有位移產生。輸入角速度和哥式力的大小成正比關系，因此 通過檢查哥式力引起的位移變化量就可以直接得到輸入角速度的信息。質量塊是MEMS陀 螺儀中一個非常重要的部件，一般都會在器件結構中占用較大面積。從以上MEMS慣性傳感器的原理可以看出，質量塊在器件的工作中起到至關重要 的作用，并且在器件的整體結構中占用了較大的面積。因此，為了盡可能減小器件尺寸以降 低成本，或在質量塊尺寸相同情況下能提高器件性能，人們進行了各種嘗試，但是都沒有突 破性技術。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是為了克服現有技術的缺陷，提供一種超小型MEMS 陀螺儀傳感器，其能夠適當優化器件性能。本實用新型是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種超小型MEMS陀螺 儀傳感器，其特征在于，其包括一 MEMS晶圓，在MEMS晶圓內挖槽后填埋密度大于硅的金屬于槽內形成復合材料的質量塊，該MEMS晶圓周圍形成一固定框架，該質量塊通過至少一彈 簧與固定框架連接。優選地，所述固定框架固定在一玻璃片上。優選地，所述彈簧為四根，分別位于固定框架的每一內角上。優選地，所述質量塊上固定有多個運動梳齒。優選地，所述固定框架上固定有多個固定梳齒。優選地，所述運動梳齒和固定梳齒相互交錯排列。優選地，所述超小型MEMS陀螺儀傳感器為一種MEMS慣性傳感器。本實用新型的積極進步效果在于本實用新型減小質量塊的面積尺寸，同時保持 質量塊本身的質量不變或更大，通過在MEMS晶圓內挖槽后填埋密度大于硅的金屬于槽內， 最終形成復合材料的質量塊。本實用新型所引入的電鍍制造質量塊技術具有設備投資少， 成本低的優點。同時，該超小型MEMS陀螺儀傳感器的質量塊面積尺寸大大縮小，也就節省 了整個超小型MEMS陀螺儀傳感器的面積。
圖1為本實用新型在晶圓上淀積二氧化硅和氮化硅步驟的示意圖。圖2為本實用新型形成填埋區步驟的示意圖。圖3為本實用新型填埋金屬步驟的示意圖。圖4為本實用新型平整步驟的示意圖。圖5為本實用新型鍵合步驟的示意圖。圖6為本實用新型釋放步驟的示意圖。圖7為超小型MEMS陀螺儀傳感器的結構示意圖。
具體實施方式
下面舉個較佳實施例，并結合附圖來更清楚完整地說明本實用新型。本實用新型涉及的超小型MEMS陀螺儀傳感器是在硅片/晶圓上通過刻蝕并電鍍 的方法將密度比硅高的金屬嵌入硅片內，然后與硅或玻璃基片鍵合，最后按照正常的硅微 機械加工方法釋放可動結構，其中，超小型MEMS陀螺儀傳感器為一種MEMS慣性傳感器，超 小型MEMS陀螺儀傳感器的制造過程具體包括以下步驟Al、如圖1所示，先是淀積步驟提供一 MEMS晶圓1，將硅基片兩面均拋光或 直接購買兩面拋光晶圓，作為MEMS晶圓1的材料。通過熱氧化或CVD(Chemical Vapor D印osition，化學氣相淀積)工藝在MEMS晶圓1上生長或淀積二氧化硅2，然后通過CVD (化 學氣相淀積)工藝淀積氮化硅3，作為硅濕法腐蝕的掩膜。其中氮化硅作為主要的硅濕法腐 蝕的掩膜材料和CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光)工藝的阻擋層，二 氧化硅的作用是作為氮化硅和晶圓1的硅基片之間的應力緩沖層。A2、如圖2所示，形成填埋區步驟在MEMS晶圓1的正面(即上面)刻蝕出 二氧化硅2和氮化硅3圖形，用RIEOteaction Ion Etch，反應離子刻蝕法)工藝或 ICP (ICP-Inductive Coupled Plasma,電導耦合等離子體刻蝕法)工藝刻蝕MEMS晶圓1 (硅 基片)，或把二氧化硅2和氮化硅3作為掩膜，用濕法刻蝕硅基片，形成MEMS結構的彈簧/感應區域4和MEMS結構中金屬填埋區域5。A3、如圖3所示，填埋金屬步驟在MEMS晶圓1正面濺射金屬層作為電鍍種子層， 然后在晶圓1正面涂光刻膠6，光刻后暴露出填埋區域，然后在金屬填埋區域4填埋出(比 如電鍍)密度大于硅密度的金屬7或合金，該金屬為如Ni(鎳)，Cu(銅)，W(鎢)或Au(金) 等，合金為銅鎳鎢，銅鎳或鎳金等，其中填埋工藝包括電鍍、涂覆或濺射等，主要由所填埋材 料工藝特性決定。A4、如圖4所示，平整步驟去除MEMS晶圓1正面的光刻膠6，再利用電鍍后的金屬 圖形作為掩膜，去除晶圓1表面其余位置的電鍍種子層。利用氮化硅作阻擋層，用CMP方法 除去高出晶圓平面的金屬，使MEMS晶圓正面平整，再用RIE或ICP干法刻蝕工藝去除MEMS 晶圓正面和背面所有的二氧化硅和氮化硅。A5、如圖5所示，鍵合步驟準備一片雙面拋光的玻璃片10或硅片，用干法(RIE或 ICP)或濕法在硅片或玻璃片上腐蝕出凹槽8，凹槽8與MEMS圓片上CMP后的彈簧區域9相 對，凹槽8必須有足夠的深度以容納MEMS器件的正常運動或受強外力沖擊時的MEMS結構 的形變，以及降低寄生電容，然后將MEMS晶圓1正面翻轉過來與硅片或玻璃片10對準后進 行陽極鍵合，形成了 MEMS晶圓上的質量塊和玻璃凹腔的間隙11。A6、如圖6所示，釋放步驟利用CMP將MEMS晶圓1的厚度減小至設計需要的厚 度，如厚度為Ium至lOOum，在MEMS晶圓1背面濺射金屬，光刻后形成電極13，再進行光刻 后用ICP或RIE工藝刻蝕出MEMS器件的質量塊、彈簧12和感應等結構，最后去除光刻膠后 完成超小型MEMS陀螺儀傳感器的制造。圖7為超小型MEMS陀螺儀傳感器的結構示意圖。如圖7所示，MEMS晶圓中間形 成一質量塊14，在MEMS晶圓周圍形成一固定框架15，超小型MEMS陀螺儀傳感器內的質量 塊14由硅和密度大于硅的金屬或金屬合金7組成，至少一彈簧12 (最好在固定框架的每一 內角上設置一根彈簧)把質量塊14連接在MEMS器件的固定框架15上，固定框架15固定 在玻璃片10上。質量塊14上制造了能跟隨其一起運動的若干個運動梳齒16，即運動梳齒 16固定在質量塊14上，固定框架15上固定有與運動梳齒16對應的固定梳齒17，運動梳齒 16和固定梳齒17相互交錯排列，運動梳齒16和固定梳齒17之間形成靜態電容。當質量塊受到外界的激勵(加速度或哥式力)時產生位移，使得運動梳齒與固定 梳齒之間的間隙發生變化，運動梳齒與固定梳齒之間的電容會發生變化，通過檢測電容的 變化就可以測算出加速度或哥式力的大小。對于質量塊面積相同的情況，內嵌密度大于硅 的金屬或金屬合金的結構具有大于質量塊的質量。若質量相等時，內嵌密度大于硅的金屬 或金屬合金的結構面積小于質量塊所占面積。雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解， 這些僅是舉例說明，在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做 出多種變更或修改。因此，本實用新型的保護范圍由所附權利要求書限定。
權利要求1.一種超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，其包括一 MEMS晶圓，在MEMS晶圓內挖 槽后填埋密度大于硅的金屬于槽內形成復合材料的質量塊，該MEMS晶圓周圍形成一固定 框架，該質量塊通過至少一彈簧與固定框架連接。
2.如權利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述固定框架固定在 一玻璃片上。
3.如權利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述彈簧為四根，分別 位于固定框架的每一內角上。
4.如權利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述質量塊上固定有 多個運動梳齒。
5.如權利要求4所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述固定框架上固定 有多個固定梳齒。
6.如權利要求5所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述運動梳齒和固定 梳齒相互交錯排列。
7.如權利要求1所述的超小型MEMS陀螺儀傳感器，其特征在于，所述超小型MEMS陀螺 儀傳感器為一種MEMS慣性傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種超小型MEMS陀螺儀傳感器，其包括一MEMS晶圓，在MEMS晶圓內挖槽后填埋密度大于硅的金屬于槽內形成復合材料的質量塊，該MEMS晶圓周圍形成一固定框架，該質量塊通過至少一彈簧與固定框架連接。本實用新型能夠適當優化器件性能，以及大大縮小質量塊的面積尺寸。
文檔編號B81B3/00GK201828268SQ201020546278
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者華亞平, 李莉, 鄒波 申請人:深迪半導體(上海)有限公司