一种低应力Z轴加速度计的制备方法与流程

本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种低应力Z轴加速度计的制备方法。

背景技术：

微机械加速度计是基于微电子机械系统加工技术制作而成的一种力学量传感器，可以用于惯性力、倾斜角、振动及冲击等惯性参数的测量。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度计在测量精度、温度特性、利用静电力进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有独特的优点，已在交通运输、工业控制、惯性导航、医学、仪器检测、军事等很多领域得到了广泛的应用。

普通平板电容式Z轴加速度计的微结构通常包含可动结构以及与衬底相连的固定电极结构，质量块与固定电极之间形成电容，输入加速度引起的惯性力，在Z轴上产生电容的变化，从而将加速度信号转换成电学信号。

作为一种力敏感器件，环境温度变化形成的热应力会导致衬底形变，进而传递到与衬底相连的固定电极，引起固定电极的形变，最终造成加速度计零位输出漂移，传感器全温性能下降，降低了传感器的综合精度。

为了降低热应力对固定电极的影响，目前，一种相关制备方法是通过牺牲层来实现固定电极与衬底的隔离，该方法有以下缺陷：一、牺牲层需要CMP设备平坦化，气态HF释放，工艺方法复杂，工艺控制困难；二、利用该方法实现衬底与下电极的隔离，需要在结构层和下电极开较多的释放孔，从而减小了器件有效感应电容面积；三、利用该方法很难实现上下两面都分布固定电极的高灵敏度器件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低应力Z轴加速度计的制备方法，该方法制备得到的加速度计能够大幅降低环境温度变化、封装以及安装导致的应力对加速度计性能的影响，且该结构加速度计采用MEMS体硅工艺，加工工艺简单，产品的可靠性、一致性好，可以实现批量制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低应力Z轴加速度计的制备方法，包括以下步骤：

S1）制备下衬底层:

采用双抛硅片作为衬底，在双抛硅片的两面通过热氧化生长衬底氧化层；以其中一面作为加工面，通过光刻工艺制备出隔离腔图形、支撑锚点图形与中心锚点图形，再利用干法刻蚀，形成衬底隔离腔、衬底支撑锚点以及衬底中心锚点，得到下衬底层；衬底中心锚点、衬底支撑锚点与衬底隔离腔依次由内向外分布，衬底中心锚点与衬底支撑锚点之间存在间隙；

S2）制备下固定电极层:

采用SOI硅片作为固定电极层的基体，利用硅硅键合将SOI硅片键合于下衬底层的顶部；利用光刻与干法刻蚀制备出活动腔，活动腔与衬底隔离腔相对应；再利用光刻与干法刻蚀制备出下固定电极、下固定电极层中心锚点与下固定电极层支撑框架，得到下固定电极层；下固定电极层中心锚点与衬底中心锚点形成配合，下固定电极的内侧与衬底支撑锚点形成配合；

S3）制备可动结构层:

采用SOI硅片作为可动结构层的基体，利用硅硅键合将SOI硅片键合于下固定电极层的顶部；利用光刻与干法刻蚀制备出可动电极、可动结构层中心锚点以及可动结构层支撑框架；可动结构层中心锚点与下固定电极层中心锚点形成配合，可动电极位于下固定电极上方，并能够在下固定电极层的活动腔内沿Z轴移动；

S4）制备上衬底层:

按照步骤S1的方法制备与下衬底层结构相同的上衬底层；

S5）制备上固定电极层:

按照步骤S2的方法制备与下固定电极层结构相同的上固定电极层；

S6）上固定电极层与上衬底层相键合后再与可动结构层硅硅键合，上固定电极层及上衬底层与下固定电极层及下衬底层形成对称，得到Z轴加速度计。

本发明的有益效果是：

一、本发明不需要CMP设备平坦化、气态HF释放等控制困难的工艺，采用常规工艺方法，即可实现将固定电极与衬底之间形成一定的间隙，达到降低热应力对器件影响的目的；

二、本发明无需在固定电极上开释放孔即可实现固定电极与衬底的隔离，不会减小器件感应电容面积；

三、本发明在制备可动结构层时，利用了SOI硅片顶层硅厚度的高度一致性，厚度控制精确；

四、本发明可以实现上、下均分布带有隔离间隙的固定电极的高灵敏度器件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明步骤S1的示意图；

图2是本发明步骤S2的示意图；

图3是本发明步骤S3的示意图；

图4是本发明制备出的Z轴加速度计的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种低应力Z轴加速度计的制备方法，包括以下步骤：

S1）制备下衬底层1:

如图1所示，采用双抛硅片作为衬底1a，在双抛硅片的两面通过热氧化生长衬底氧化层1b；以其中一面作为加工面，通过光刻工艺制备出隔离腔图形、支撑锚点图形与中心锚点图形，再利用干法刻蚀，形成衬底隔离腔1c、衬底支撑锚点1d以及衬底中心锚点1e，利用120℃硫酸去胶清洗后冲水甩干,得到下衬底层1；衬底中心锚点1e、衬底支撑锚点1d与衬底隔离腔1c依次由内向外分布，衬底中心锚点1e与衬底支撑锚点1d之间存在间隙；

S2）制备下固定电极层2:

结合图2所示，采用SOI硅片作为固定电极层的基体，SOI硅片包含顶层硅、埋氧层以及衬底硅三层,利用硅硅键合将SOI硅片的顶层硅键合于下衬底层的顶部；

利用CMP、KOH腐蚀或ICP刻蚀去除SOI硅片的衬底硅，利用BOE去除SOI硅片的埋氧层；

然后利用光刻与干法刻蚀制备出活动腔2a，活动腔2a与衬底隔离腔1c相对应；用120℃硫酸去胶清洗后冲水甩干，再接着利用光刻与干法刻蚀制备出下固定电极2b、下固定电极层中心锚点2c与下固定电极层支撑框架2d，用120℃硫酸去胶清洗后冲水甩干，得到下固定电极层；下固定电极层中心锚点2c与衬底中心锚点1e形成配合，下固定电极2b的内侧与衬底支撑锚点1d形成配合；下固定电极2b通过衬底隔离腔1c与衬底1a形成隔离，使得固定电极与衬底之间传递应力的途径被切断；

S3）制备可动结构层3:

结合图3所示，采用SOI硅片作为可动结构层的基体，利用硅硅键合将SOI硅片的顶层硅键合于下衬底层的顶部；利用CMP、KOH腐蚀或ICP刻蚀去除SOI硅片的衬底硅，利用BOE去除SOI硅片的埋氧层；

利用光刻与干法刻蚀制备出可动电极3a、可动结构层中心锚点3b以及可动结构层支撑框架3c，用120℃硫酸去胶清洗后冲水甩干，得到可动结构层3；可动结构层中心锚点3b与下固定电极层中心锚点2c形成配合，可动电极3a位于下固定电极2b上方，并能够在下固定电极层的活动腔2a内沿Z轴移动；

S4）制备上衬底层:

按照步骤S1的方法制备与下衬底层结构相同的上衬底层4；

S5）制备上固定电极层:

按照步骤S2的方法制备与下固定电极层结构相同的上固定电极层5；

S6）结合图4所示，上固定电极层5与上衬底层4相键合后再与可动结构层硅硅键合，上固定电极层及上衬底层与下固定电极层及下衬底层形成对称，得到Z轴加速度计。上固定电极层5与上衬底层4既可以作为固定电极，又可以作为晶圆级盖帽封装。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。