一种基于SOI封装的六轴微惯性器件及其加工方法与流程

本发明涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种基于soi封装的六轴微惯性器件及其加工方法。

背景技术：

微惯性器件是测量物体运动加速度和角速度的关键器件，属于mems(微机械系统)产品之一，主要包括微机械加速度计和微机械陀螺仪。与传统惯性器件相比具有小尺寸、低功耗、低成本、便于批量生产等特点，使其在汽车消费类电子、导航定位、武器制导等领域拥有广泛的应用。

目前，多轴单片集成、晶圆级真空封装构成高集成度传感芯片已成为微惯性传感器研发的主流趋势，对于减小微惯导系统的体积、降低生产成本、提高器件性能都有重要意义。当前主要的六轴微惯性器件主要采用组装式的方案，存在组装误差，且体积较大，性能有待提高。

另外，soi工艺的发展与成熟，为mems器件的加工制造提供了新的方案，对于解决部分mems器件的封装问题也提供了一种新的解决思路。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种基于soi封装的单片集成六轴微惯性器件及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于soi封装的六轴微惯性器件，包括单片集成的六轴微惯性器件、玻璃衬底、金属电极、金属引线、soi盖帽和soi密封墙；六轴微惯性器件通过阳极键合工艺键合在玻璃衬底上；金属电极为一个以上，均匀设置在玻璃衬底一侧，金属电极通过金属引线与六轴微惯性器件相接，soi盖帽设在玻璃衬底正上方，soi密封墙设在soi盖帽和soi密封墙之间，形成空腔结构；每个金属电极正上方的soi盖帽上设有梯形电极孔，梯形电极孔正下方的soi密封墙上设有垂直贯通；梯形电极孔、垂直贯通与金属电极一一对应。

工作原理：本发明基于soi封装的六轴微惯性器件，外界通过梯形孔内金属焊盘-垂直贯通-衬底上的金属键合区-金属引线-金属电极区实现与六轴微惯性器件的信号传输。

优选，所述六轴微惯性器件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，三轴加速度计包括器件中心位置的谐振梁式xy轴加速度计与位于四顶角处的扭摆式z轴加速度计；谐振梁式xy轴加速度计由中心正方形大质量块、位于大质量块四角的谐振梁以及四个放大杠杆结构组成，四个放大杠杆结构分别设在四个谐振梁两两之间，其中一三象限的谐振梁检测x轴加速度，二四象限的谐振梁结构检测y轴加速度；四个扭摆式z轴加速度计关于六轴微惯性器件的中心对称，各自由绕扭杆、非对称质量块和检测梳齿组成，检测梳齿包括移动梳齿和固定梳齿，移动梳齿设在非对称质量块外围，绕扭杆设在非对称质量块之间，固定梳齿设在移动梳齿外侧；三轴陀螺仪包括四个相同结构的大框架；四个大框架分别对应设在相邻两扭摆式z轴加速度计之间；每个大框架包括两侧两个正方形驱动框架，一个中间的pitch/roll敏感框架和一个外侧的yaw敏感框架；各类框架通过u型梁、蟹脚梁和蹦蹦床结构连接。

上述u型梁、折叠梁和蹦蹦床结构三者共同作用，实现陀螺仪内力的传递以及模态的解耦。

优选，所述三轴陀螺仪的驱动框架和敏感框架、谐振梁式xy轴加速度计和扭摆式z轴加速度计均包含活动梳齿和固定梳齿。

优选，所述soi盖帽、梯形电极孔、垂直贯通和soi密封墙在一块soi晶圆上同时加工；其中soi盖帽和梯形电极孔位于soi晶圆的上层，垂直贯通和soi密封墙位于soi晶圆的下层。

优选，所述六轴微惯性器件下方的玻璃衬底上设有金属电极区、垂直贯通下方的玻璃衬底上设有金属键合区，金属键合区相应设在每个金属电极外围；金属键合区可以同时实现键合与信号传输的功能；金属电极区与金属键合区通过金属引线互连；梯形孔内沉积金属焊盘，金属引线一端通过焊接在金属电极区完成信号的传输。

优选，所述六轴微惯性器件正上方的soi盖帽下表面沉积有纳米吸气剂。

上述基于soi封装的六轴微惯性器件的加工方法，结合了体硅加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺进行制作：包括以下步骤：

(1)清洗晶圆，在晶硅片上表面沉积sio2作为第一层掩膜，接着在sio2表面旋涂光刻胶层并利用第一块掩膜版定义出锚点的位置，然后利用反应离子刻蚀rie去除其余部分的sio2，用丙酮溶液清洗去除光刻胶；

(2)在上表面沉积一层氮化硅并旋涂光刻胶层，通过第二块掩膜版定义出负坑的位置，用rie去除负坑位置的氮化硅，使用drie/icp工艺刻蚀，得到负坑；洗去光刻胶，用rie去除氮化硅层，之后使用drie/icp工艺刻蚀，得到锚点；

(3)清洗玻璃衬底，在玻璃表面涂覆光刻胶，在第三块掩膜版下曝光，定义出引线和金属键合点的位置；采用sputter工艺溅射cr/au金属，利用lift-off剥离工艺制成引线和金属键合点，去除残留的光刻胶；

(4)通过阳极键合将硅片上表面的锚点与玻璃基底连接；利用cmp将晶圆减薄到指定的厚度；在硅片下表面热生长一层sio2，旋涂光刻胶层并利用第四块掩膜版定义正坑位置；利用rie去除正坑位置的sio2，用丙酮溶液清洗去除光刻胶；

(5)在硅片下表面沉积一层氮化硅作掩膜，旋涂光刻胶，利用第五块掩膜版定义梳齿结构；通过rie去除对应位置的氮化硅并利用drie/icp工艺刻蚀其下方的二氧化硅和硅晶圆；

(6)使用h3po4去除残留的氮化硅层，通过drie/icp工艺将器件层完全刻通，释放结构；用boe溶液去除残留的二氧化硅层，得到键合到玻璃片上的六轴微惯性器件；

(7)清洗soi晶圆，在soi上表面lpcvd氮化硅，旋涂光刻胶，利用第六块掩膜版定义硅通孔位置；使用rie刻蚀氮化硅，形成刻蚀硅通孔的窗口；使用丙酮溶液清洗去除光刻胶，使用33％的koh溶液刻蚀硅通孔，得到梯形电极孔；

(8)使用rie刻蚀通孔底部暴露出来的二氧化硅，使用h3po4去除残留的氮化硅；喷涂光刻胶，利用第七块掩膜版定义在梯形孔内的金属pad位置，使用lift-off工艺沉积30/300nmcr/au的金属pad，洗去残留的光刻胶；

(9)在soi硅片反面pecvd一层sio2做掩膜，旋涂光刻胶层；用第八块掩膜版定义soi密封墙和垂直贯通的位置，使用rie刻蚀sio2掩膜层，使用drie刻蚀结构层，形成soi密封墙和垂直贯通，使用koh去除残留sio2，用丙酮溶液洗去光刻胶；

(10)在soi硅片下表面喷涂光刻胶，使用第九块掩膜版定义吸气剂所在位置，使用lift-off工艺在密封腔上表面沉积吸气剂，去除残留的光刻胶，得到soi盖帽；

(11)在soi盖帽下表面喷涂光刻胶，使用第十块掩膜版定义金属键合点位置，使用lift-off工艺在相应位置沉积键合金属点，去除光刻胶；在真空环境中，利用金金键合/金锡键合，将soi盖帽的键合点与(3)中的玻璃衬底的金属键合点粘合，实现soi盖帽与带器件的玻璃衬底的连接，制成整个六轴微惯性器件同时完成真空封装。

另一种可供选择的方案是在步骤(3)中，在soi晶圆的下表面沉积金或锡，步骤(11)中，取消金属键合点的加工，通过金-硅键合直接与玻璃衬底连接，完成封装。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：本发明具有全解耦、质量小、结构精巧、成本低和便于批量生产等优点，在单个器件内同时实现了对三轴的加速度和角速度的检测，应用范围广，有着良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明基于soi封装的六轴微惯性器件的结构示意图；

图2为图1中沿a-a面的剖视图；

图3为本发明基于soi封装的六轴微惯性器件的六轴微惯性器件俯视图；

图4为图3中的谐振梁式双轴加速度计11的谐振梁结构放大图；

图5为u型梁结构示意图；

图6为蟹脚梁结构示意图；

图7为蹦蹦床结构结构示意图；

图8为本发明的加工工艺流程图；

图中：1是六轴微惯性器件，2是玻璃衬底，3是soi盖帽，4是梯形电极孔，5是金属焊盘，6是垂直贯通，7是soi密封墙，8是金属电极，9是金属引线，10是扭摆式z轴加速度计，11是谐振梁式xy轴加速度计，12是三轴陀螺仪，13是纳米吸气剂，14是金属电极区，15是金属键合区；101是绕扭杆，102是非对称质量块，103是移动梳齿，104是固定梳齿；111是大质量块，112是谐振梁，113是放大杠杆；121是驱动框架、122是yaw敏感框架，123是roll/pitch敏感框架；124为u型梁，125为蟹脚梁，126为蹦蹦床结构。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-7所示，一种基于soi封装的六轴微惯性器件，其特征在于：包括单片集成的六轴微惯性器件、玻璃衬底、金属电极、金属引线、soi盖帽和soi密封墙；六轴微惯性器件通过阳极键合工艺键合在玻璃衬底上；金属电极为一个以上，均匀设置在玻璃衬底一侧，金属电极通过金属引线与六轴微惯性器件相接，soi盖帽设在玻璃衬底正上方，soi密封墙设在soi盖帽和soi密封墙之间，形成空腔结构；每个金属电极正上方的soi盖帽上设有梯形电极孔，梯形电极孔正下方的soi密封墙上设有垂直贯通；梯形电极孔、垂直贯通与金属电极一一对应；六轴微惯性器件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，三轴加速度计包括器件中心位置的谐振梁式xy轴加速度计与位于四顶角处的扭摆式z轴加速度计；谐振梁式xy轴加速度计由中心正方形大质量块、位于大质量块四角的谐振梁以及四个放大杠杆结构组成，四个放大杠杆结构分别设在四个谐振梁两两之间，其中一三象限的谐振梁检测x轴加速度，二四象限的谐振梁结构检测y轴加速度；四个扭摆式z轴加速度计关于六轴微惯性器件的中心对称，各自由绕扭杆、非对称质量块和检测梳齿组成，检测梳齿包括移动梳齿和固定梳齿，移动梳齿设在非对称质量块外围，绕扭杆设在非对称质量块之间，固定梳齿设在移动梳齿外侧；三轴陀螺仪包括四个相同结构的大框架；四个大框架分别对应设在相邻两扭摆式z轴加速度计之间；每个大框架包括两侧两个正方形驱动框架，一个中间的pitch/roll敏感框架和一个外侧的yaw敏感框架；各类框架通过u型梁、蟹脚梁和蹦蹦床结构连接；三轴陀螺仪的驱动框架和敏感框架、谐振梁式xy轴加速度计和扭摆式z轴加速度计均包含活动梳齿和固定梳齿；soi盖帽、梯形电极孔、垂直贯通和soi密封墙在一块soi晶圆上同时加工；其中soi盖帽和梯形电极孔位于soi晶圆的上层，垂直贯通和soi密封墙位于soi晶圆的下层；六轴微惯性器件下方的玻璃衬底上设有金属电极区、垂直贯通下方的玻璃衬底上设有金属键合区，金属键合区相应设在每个金属电极外围；金属键合区可以同时实现键合与信号传输的功能；金属电极区与金属键合区通过金属引线互连；梯形孔内沉积金属焊盘，金属引线一端通过焊接在金属电极区完成信号的传输；六轴微惯性器件正上方的soi盖帽下表面沉积有纳米吸气剂。

六轴微惯性器件的工作原理为：

(1)x/y轴方向的角速度检测：驱动框架在内部固定驱动梳齿引线上施加带直流偏置的交流电压后，产生的电容静电力驱动活动梳齿及其所在的框架沿y轴方向做周期性简谐振动，驱动框架通过u型梁推动大框架产生相同的振动，当x轴方向的加速度作用于陀螺仪时，由于哥式效应，中心的敏感框架会沿z轴方向做简谐振动，振幅与角加速度有关，由此可得到x轴角速度大小；y轴方向的加速度检测同理；

(2)z轴方向的角速度检测：驱动框架在驱动大框架产生简谐振动的同时也通过u型梁使122框架的可动梳齿沿x/y轴做简谐振动，当z轴方向的加速度作用于框架后，可动梳齿沿y/x轴做简谐振动，振幅与角加速度有关，由此得到z轴角加速度；

(3)x/y轴方向的加速度检测：在谐振梁式xy轴加速度计的第一、三象限的谐振梁在外加的带直流偏置的交流电压产生的电容静电力作用下产生谐振，当沿x轴方向加速度作用于大质量块后，产生的力通过杠杆结构放大后作用于谐振梁，谐振梁受到力的作用后谐振频率发生改变，谐振频率变化量与加速度大小有关，由此可以实现x轴方向的加速度检测，y轴方向同理；

(4)z轴方向的加速度检测：当六轴微惯性器件受到沿z轴方向加速度作用时，四个象限的每组非对称质量块均绕扭杆转动，从而导致第一、三象限的两组梳齿电容和第二、四象限的两组梳齿电容产生大小相等，方向相反的变化，电容变化量与z轴加速度有关，由此可以检测z轴加速度。

如图8所示，一种基于soi封装的六轴微惯性器件的加工方法，结合了体硅加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺进行制作：包括以下步骤：

(1)清洗晶圆，在晶硅片上表面沉积sio2作为第一层掩膜，接着在sio2表面旋涂光刻胶层并利用第一块掩膜版定义出锚点的位置，然后利用反应离子刻蚀rie去除其余部分的sio2，用丙酮溶液清洗去除光刻胶；

(2)在上表面沉积一层氮化硅并旋涂光刻胶层，通过第二块掩膜版定义出负坑的位置，用rie去除负坑位置的氮化硅，使用drie/icp工艺刻蚀，得到负坑；洗去光刻胶，用rie去除氮化硅层，之后使用drie/icp工艺刻蚀，得到锚点；

(3)清洗玻璃衬底，在玻璃表面涂覆光刻胶，在第三块掩膜版下曝光，定义出引线和金属键合点的位置；采用sputter工艺溅射cr/au金属，利用lift-off剥离工艺制成引线和金属键合点，去除残留的光刻胶；

(4)通过阳极键合将硅片上表面的锚点与玻璃基底连接；利用cmp将晶圆减薄到指定的厚度；在硅片下表面热生长一层sio2，旋涂光刻胶层并利用第四块掩膜版定义正坑位置；利用rie去除正坑位置的sio2，用丙酮溶液清洗去除光刻胶；

(5)在硅片下表面沉积一层氮化硅作掩膜，旋涂光刻胶，利用第五块掩膜版定义梳齿结构；通过rie去除对应位置的氮化硅并利用drie/icp工艺刻蚀其下方的二氧化硅和硅晶圆；

(6)使用h3po4去除残留的氮化硅层，通过drie/icp工艺将器件层完全刻通，释放结构；用boe溶液去除残留的二氧化硅层，得到键合到玻璃片上的六轴微惯性器件；

(7)清洗soi晶圆，在soi上表面lpcvd氮化硅，旋涂光刻胶，利用第六块掩膜版定义硅通孔位置；使用rie刻蚀氮化硅，形成刻蚀硅通孔的窗口；使用丙酮溶液清洗去除光刻胶，使用33％的koh溶液刻蚀硅通孔，得到梯形电极孔；

(8)使用rie刻蚀通孔底部暴露出来的二氧化硅，使用h3po4去除残留的氮化硅；喷涂光刻胶，利用第七块掩膜版定义在梯形孔内的金属pad位置，使用lift-off工艺沉积30/300nmcr/au的金属pad，洗去残留的光刻胶；

(9)在soi硅片反面pecvd一层sio2做掩膜，旋涂光刻胶层；用第八块掩膜版定义soi密封墙和垂直贯通的位置，使用rie刻蚀sio2掩膜层，使用drie刻蚀结构层，形成soi密封墙和垂直贯通，使用koh去除残留sio2，用丙酮溶液洗去光刻胶；

(10)在soi硅片下表面喷涂光刻胶，使用第九块掩膜版定义吸气剂所在位置，使用lift-off工艺在密封腔上表面沉积吸气剂，去除残留的光刻胶，得到soi盖帽；

(11)在soi盖帽下表面喷涂光刻胶，使用第十块掩膜版定义金属键合点位置，使用lift-off工艺在相应位置沉积键合金属点，去除光刻胶；在真空环境中，利用金金键合/金锡键合，将soi盖帽的键合点与(3)中的玻璃衬底的金属键合点粘合，实现soi盖帽与带器件的玻璃衬底的连接，制成整个六轴微惯性器件同时完成真空封装。

本发明中陀螺仪的制作结合了mems体硅加工工艺、表面微加工工艺和键合工艺。

本发明具有全解耦、质量小、结构精巧、成本低和便于批量生产等优点，在单个器件内同时实现了对三轴的加速度和角速度的检测，应用范围广，有着良好的市场前景。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：步骤(3)中，在soi晶圆的下表面沉积金或锡，步骤(11)中，取消金属键合点的加工，通过金-硅键合直接与玻璃衬底连接，完成封装。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。