一种压阻式双轴运动传感器的制作方法

本申请涉及微机电系统技术领域，具体涉及一种压阻式双轴运动传感器。

背景技术：

微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。mems是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

本申请的发明人在长期研发中发现，现有的传感器器件所占平面面积大，单个晶元上所能制造的总芯片数少，导致成本高；器件的设计，使得器件本身受封装的影响极大，从而残余应力大，温度系数高；现有案例的工艺制造方式，使得其在工艺实现上，较为复杂，良率低，周期长。

技术实现要素：

本申请提供一种压阻式双轴运动传感器，以解决现有技术中由于封装引起的残余应力大，温度系数高的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种压阻式双轴运动传感器，其中，该压阻式双轴运动传感器包括：soi硅片，包括第一单晶硅层、第一氧化硅层和第二单晶硅层，所述第一氧化硅层设置于所述第一单晶硅层和所述第二单晶硅层之间；第一刻蚀槽和第二刻蚀槽，形成于所述第二单晶硅层靠近所述第一氧化硅层的一侧；质量块，形成于所述第二单晶硅层上，且形成于所述第一刻蚀槽和所述第二刻蚀槽之间；掺杂层，形成于所述第二单晶硅层背离所述第一氧化硅层的一侧；第二氧化硅层，形成于所述第二单晶硅层和所述掺杂层上；焊接层，形成所述第二单晶硅层和所述掺杂层上，且形成于所述第二氧化硅层中；隔离槽，形成于所述第二刻蚀槽远离所述质量块的一侧；其中所述隔离槽与所述质量块、所述第一刻蚀槽、所述第二刻蚀槽同时形成。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请提供一种压阻式双轴运动传感器，该压阻式双轴运动传感器包括soi硅片，包括第一单晶硅层、第一氧化硅层和第二单晶硅层；第一刻蚀槽和第二刻蚀槽，形成于第二单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧；质量块，形成于第二单晶硅层上，且形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间；掺杂层，形成于第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧；第二氧化硅层，形成于第二单晶硅层和掺杂层上；焊接层，形成第二单晶硅层和掺杂层上，且形成于第二氧化硅层中；隔离槽，形成于第二刻蚀槽远离质量块的一侧；其中隔离槽与质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽同时形成。通过制作质量块的同时制作隔离槽，实现隔离设计，解决了现有技术中封装引起的残余应力大，温度系数高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本申请一种压阻式双轴运动传感器一实施例的截面结构示意图；

图2是图1所示一种压阻式双轴运动传感器一实施例的结构示意图；

图3是图2所示压阻式双轴运动传感器在第一坐标轴上运动的结构示意图；

图4是图2所示压阻式双轴运动传感器在第二坐标轴上运动的结构示意图；

图5是图2所示压阻式双轴运动传感器的电路结构示意图；

图6是本申请一种运动传感器的制作方法一实施例的流程示意图；

图7是图6所示步骤s15后形成的压阻式双轴运动传感器的结构示意图；

图8是本申请一种压阻式双轴运动传感器的制作方法另一实施例的流程示意图；

图9是图8所示步骤s23中形成的一个敏感电阻一实施例的结构示意图；

图10是图8所示步骤s28中形成的压阻式双轴运动传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动情况下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1和图2，图1是本申请一种压阻式双轴运动传感器一实施例的截面结构示意图，图2是图1所示一种压阻式双轴运动传感器一实施例的结构示意图。本实施例所揭示的压阻式双轴运动传感器100，压阻式双轴运动传感器100包括soi硅片11、刻蚀槽12、质量块13、掺杂层14、第二氧化硅层15、焊接层16和隔离槽17。下面以一个轴上的运动传感器为例进行说明。

具体来说，soi硅片11作为制作压阻式双轴运动传感器100的基板。soi硅片11包括第一单晶硅层111、第一氧化硅层112和第二单晶硅层113三层，其中，第一氧化硅层112设置于第一单晶硅层111和第二单晶硅层113之间。

刻蚀槽12和质量块13可以同时形成。在本实施例中，刻蚀槽12包括第一刻蚀槽121和第二刻蚀槽122，形成于第二单晶硅层113靠近第一氧化硅层112的一侧；质量块13形成于第二单晶硅层113上，且形成于第一刻蚀槽121和第二刻蚀槽122之间。

掺杂层14，形成于第二单晶硅层113背离第一氧化硅层112的一侧。第二氧化硅层15，形成于第二单晶硅层113和掺杂层14上。焊接层16，形成第二单晶硅层113和掺杂层14上，且形成于第二氧化硅层15中。

隔离槽17，形成于第二刻蚀槽122远离质量块13的一侧。在本实施例中，刻蚀槽12、质量块13和隔离槽17可以同时形成。

在一具体实施例中，压阻式双轴运动传感器100还可以包括悬臂梁18。悬臂梁18包括第一悬臂梁181和第二悬臂梁182，形成于质量块13的两侧，第一悬臂梁181与第一刻蚀槽121相匹配，第二悬臂梁182与第二刻蚀槽122相匹配。在本实施例中，刻蚀槽12、质量块13、隔离槽17和悬臂梁18可以同时形成。掺杂层14还设置于第一悬臂梁181远离质量块13的一侧。

在一具体实施例中，至少部分掺杂层14形成于第一悬臂梁181上。掺杂层14包括重掺杂层141和轻掺杂层142，部分重掺杂层141形成于轻掺杂层142上。

在本实施例中，掺杂层14为敏感电阻，压阻式双轴运动传感器100可以包括多个敏感电阻，多个敏感电阻分布设置于第一悬臂梁181和第二悬臂梁182上。例如，压阻式双轴运动传感器100包括8个敏感电阻，其中4个敏感电阻设置于第一悬臂梁181，另外4个敏感电阻设置于第二悬臂梁182上。

在一具体实施例中，部分焊接层16还形成于重掺杂层141上。

在一具体实施例中，压阻式双轴运动传感器100还包括盖板19，盖板19包括第一盖板191和第二盖板192。第一盖板191键合封装于第一单晶硅层111背离第一氧化硅层112的一侧；第二盖板192键合封装于第二氧化硅层15背离第二单晶硅层113的一侧；焊接层16进一步裸露于第二盖板192的一端。

在一具体实施例中，第一盖板191包括第一键合部1911和第二键合部1912，第一键合部1911设置于第一刻蚀槽121远离质量块13的一端，第二键合部1912设置于隔离槽17远离质量块13的一端。

在一具体实施例中，第二盖板192包括第三键合部1921和第四键合部1922，第三键合部1921和第四键合部1922并排设置，第三键合部1921设置于焊接层16靠近第一刻蚀槽121的一侧，且与第一键合部1911相对设置；第四键合部1922与第二键合部1912相对设置。

在一具体实施例中，第二盖板192还包括焊接窗口(图未视)，焊接窗口用于裸露出焊接层16。第三键合部1921设置于焊接窗口和第四键合部1922之间，第三键合部1921与焊接窗口相邻。

在一具体实施例中，第一盖板191通过苯并环丁烯(bcb)键合封装于第一单晶硅层111背离第一氧化硅层112的一侧；第二盖板192通过苯并环丁烯键合封装于第二氧化硅层15背离第二单晶硅层113的一侧。

请一并参阅图3～图5，图3是图2所示压阻式双轴运动传感器在第一坐标轴上运动的结构示意图，图4是图2所示压阻式双轴运动传感器在第二坐标轴上运动的结构示意图，图5是图2所示压阻式双轴运动传感器的电路结构示意图。

在一具体实施例中，建立一三轴坐标系，包括相互垂直的第一坐标轴x、第二坐标轴y和第三坐标轴z。压阻式双轴运动传感器100包括设置于第一坐标轴方向上的第一电阻rx1、第二电阻rx2、第三电阻rx3和第四电阻rx4，以及第五电阻rz1、第六电阻rz2、第七电阻rz3和第八电阻rz4，当压阻式双轴运动传感器100在第一坐标轴x的方向和第三坐标轴z的方向上移动时，八个电阻的电阻值变化情况如表一所示，其中横向标题表示电阻所在坐标轴，纵向标题表示双周运动传感器的运动方向，“+”表示增大，“-”表示减小。

表一

本申请提供一种压阻式双轴运动传感器100，该压阻式双轴运动传感器100包括soi硅片11，包括第一单晶硅层111、第一氧化硅层112和第二单晶硅层113，第一氧化硅层112设置于第一单晶硅层111和第二单晶硅层113之间；第一刻蚀槽121和第二刻蚀槽122，形成于第二单晶硅层113靠近第一氧化硅层112的一侧；质量块13，形成于第二单晶硅层113上，且形成于第一刻蚀槽121和第二刻蚀槽122之间；掺杂层14，形成于第二单晶硅层113背离第一氧化硅层112的一侧；第二氧化硅层15，形成于第二单晶硅层113和掺杂层14上；焊接层16，形成第二单晶硅层113和掺杂层14上，且形成于第二氧化硅层15中；隔离槽17，形成于第二刻蚀槽122远离质量块13的一侧；其中隔离槽17与质量块13、第一刻蚀槽121、第二刻蚀槽122同时形成。通过制作质量块13刻蚀的同时制作隔离槽17，实现隔离设计，能够降低封装引起的残余应力和温度系数。

对应上述压阻式双轴运动传感器，本申请进一步提出一种压阻式双轴运动传感器的制作方法，请参阅图6，图6是本申请一种压阻式双轴运动传感器的制作方法一实施例的流程示意图。本实施例揭示的方法包括以下步骤：

s11：soi硅片。

在本实施例中，将包括soi硅片作为基板，soi硅片包括第一单晶硅层、第一氧化硅层和第二单晶硅层，其中第一氧化硅层设置于第一单晶硅层和第二单晶硅层之间。

例如，选择4寸soi片和4英寸硅片，soi片device层的厚度15μm，埋氧层的厚度为500nm，handle层的厚度为380μm。

s12：在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧设置掺杂层。

在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧，可以通过氧化、光刻、离子注入等工艺形成掺杂层。

s13：在第二单晶硅层和掺杂层上设置第二氧化硅层。

在第二单晶硅层和掺杂层上根据预设工艺处理，从而形成第二氧化硅层，完成敏感电阻的制作。在一具体实施例中，可以同时或者依次形成多个敏感电阻。

s14：在第二单晶硅层和掺杂层上以及第二氧化硅层中设置焊接层。

在第二单晶硅层和掺杂层上以及第二氧化硅层中可以通过光刻、刻蚀、离子溅射等工艺进行处理，形成焊接层，从而完成引线。

s15：在第二单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧上同时设置质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，质量块形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间，隔离槽设置于第二刻蚀槽远离质量块的一侧。

在第二单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧上进行光刻、刻蚀等工艺，同时刻蚀出第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，即通过光刻胶来形成所需的第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，并且在第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间形成质量块。质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽的深度、宽度可以根据预设数据进行制作，此处不做限定。此时形成的压阻式双轴运动传感器如图7所示，图7是图6所示步骤s15后形成的压阻式双轴运动传感器的结构示意图。其中，压阻式双轴运动传感器100包括soi硅片111、刻蚀槽12、质量块13、掺杂层14、第二氧化硅层15、焊接层16和隔离槽17。soi硅片11包括第一单晶硅层111、第一氧化硅层112和第二单晶硅层111，刻蚀槽12包括第一刻蚀槽121和第二刻蚀槽122。

本申请提供一种压阻式双轴运动传感器的制作方法，该方法包括将soi硅片作为基板，soi硅片包括第一单晶硅层、第一氧化硅层和第二单晶硅层，其中第一氧化硅层设置于第一单晶硅层和第二单晶硅层之间；在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧设置掺杂层；在第二单晶硅层和掺杂层上设置第二氧化硅层；在第二单晶硅层和掺杂层上以及第二氧化硅层中设置焊接层；在第二单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧上同时设置质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，质量块形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间，隔离槽设置于第二刻蚀槽远离质量块的一侧。通过制作质量块的同时制作隔离槽，实现隔离设计，能够降低封装引起的残余应力和温度系数。

在上述实施方式的基础上，本申请进一步提出一种压阻式双轴运动传感器的制作方法，请参阅图8，图8是本申请一种压阻式双轴运动传感器的制作方法另一实施例的流程示意图。本实施例中与上述实施方式相同的部分此处不做赘述，本实施例所揭示的方法可以包括以下步骤：

s21：soi硅片。

s22：在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧设置掺杂层。

在一具体实施例中，在第二单晶硅层上进行热氧化处理得到第一阻挡层，阻挡层可以包括氧化硅，用于阻挡刻蚀。在第一阻挡层上设置光刻胶，进行第一次光刻处理，此时第一阻挡层还可以包括光刻胶。在第二单晶硅层上进行第一次离子注入处理，在本实施例中，注入第一浓度的硼离子，得到轻掺杂层。

在第一阻挡层上进行去除光刻胶处理和第一次退火处理。在本实施例中，通过灰化工艺去除光刻胶；通过氮气退火工艺进行第一次退火处理，退火时的温度为900℃～1200℃，例如900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃，1200℃。

去除第一阻挡层。在本实施例中，可以通过氢氟酸去除第一阻挡层中氧化层的部分。

进行第一次氧化处理得到第二阻挡层，在第二阻挡层上设置光刻胶，进行第二次光刻处理。在第二单晶硅层和轻掺杂层上注入第二浓度的硼离子，得到重掺杂层，其中，第二浓度大于第一浓度，即第二浓度的硼离子为高浓度的硼离子。

s23：在第二单晶硅层和掺杂层上设置第二氧化硅层。

掺杂层包括轻掺杂层和重掺杂层，设置第二氧化硅层时，在第二单晶硅层、轻掺杂层和重掺杂层上进行去除光刻胶处理和第二次退火处理，得到第二氧化硅层，以形成敏感电阻。此时形成的敏感电阻可以如图9所示，图9是图8所示步骤s23中形成的一个敏感电阻一实施例的结构示意图。

s24：在第二单晶硅层和掺杂层上以及第二氧化硅层中设置焊接层。

在已经形成的敏感电阻上引线。具体来说，在第二氧化硅层上设置光刻胶，进行第三次光刻处理。在第二氧化硅层上进行刻蚀处理，例如氢氟酸湿法刻蚀工艺，以裸露出第二单晶硅层和重掺杂层，得到引线孔。

在第二氧化硅层上进行去除光刻胶处理，在引线孔中溅射金属铝和硅，得到金属层。在第二氧化硅层上设置光刻胶，进行第四次光刻处理，对金属层进行刻蚀处理，去除引线孔以外的金属铝，从而得到焊接层。

s25：在第二单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧上同时设置质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，质量块形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间，隔离槽设置于第二刻蚀槽远离质量块的一侧。

本步骤s25用于制作质量块，且在制作质量块的同时形成隔离槽。具体来说，在第一单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧设置光刻胶，进行第五次光刻处理。在第一单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧进行深反应离子刻蚀，以裸露出第一氧化硅层。对第一氧化硅层进行反应离子刻蚀，以裸露出第二单晶硅层。

在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧进行去除光刻胶处理，得到质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽、隔离槽、第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁，质量块形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间。其中隔离槽设置于第二刻蚀槽远离质量块的一侧，第一悬臂梁和第二悬臂梁形成于质量块的两侧，第一悬臂梁与第一刻蚀槽相匹配，第二悬臂梁与第二刻蚀槽相匹配；第三悬臂梁与隔离槽相匹配。此时形成的压阻式双轴运动传感器可参阅图7。

需要说明的是，本实施例中以在第一悬臂梁上形成一个敏感电阻为例进行说明，在其他实施例中，可以形成多个敏感电阻，多个敏感电阻可以分布于第一悬臂梁和第二悬臂梁上。例如，在本实施例中，可以形成8个敏感电阻，其中4个敏感电阻设置于第一悬臂梁上，另外4个敏感电阻设置于第二悬臂梁上。

s26：释放第三悬臂梁。

本步骤s26中释放第三悬臂梁用于将压阻式双轴运动传感器可动部分隔离出来。在第二氧化硅层背离第二单晶硅层的一侧上设置光刻胶；进行第六次光刻处理。在第二氧化硅层背离第二单晶硅层的一侧上进行反应离子刻蚀处理，以裸露出第二单晶硅层。在第二单晶硅层上进行反应离子刻蚀处理，以释放第三悬臂梁，从而将压阻式双轴运动传感器可动部分隔离出来。

s27：在第一单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧键合封装第一盖板。

具体来说，将第一单晶硅片作为第一盖板，在第一单晶硅片的一侧设置光刻胶进行第七次光刻处理，得到第一键合部和第二键合部；在第一单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧，将第一键合部和第二键合部与第一单晶硅层进行键合封装处理。在本实施例中，采用了键合环宽更小的有机物键合，其键合环宽为50um～100um之间，例如50um、60um、70um、80um、100um，相比普通键合工艺的150um～250um，大大减小了芯片的平面尺寸，从而降低成本。

s28：在第二氧化硅层背离第二单晶硅层的一侧键合封装第二盖板。

将第二单晶硅片作为第二盖板，在第二单晶硅片的一侧进行硅酸乙酯沉积处理；在硅酸乙酯上设置光刻胶，进行第八次光刻处理，以裸露出部分硅酸乙酯。

对裸露出的部分硅酸乙酯进行第一次硅酸乙酯刻蚀处理，以裸露出光刻胶；除去光刻胶，进行硅刻蚀处理；进行第二次硅酸乙酯刻蚀处理，得到焊接窗口；进行喷胶、曝光和显影处理，以形成第三键合部和第四键合部，其中第三键合部与焊接窗口相邻；将第三键合部和第四键合部与第二氧化硅层背离第二单晶硅层的一侧键合处理，其中焊接窗口对应焊接层设置。此时形成的压阻式双轴运动传感器如图10所示，图10是图8所示步骤s28中形成的压阻式双轴运动传感器的结构示意图，其中第二盖板192包括焊接窗口1923。

在本实施例中，同样采用了键合环宽更小的有机物键合，其键合环宽为50um～100um之间，例如50um、60um、70um、80um、100um，相比普通键合工艺的150um～250um，大大减小了芯片的平面尺寸，从而降低成本。

在本步骤s28完成后，焊接层未打开，因此需要执行下述步骤s29。

s29：对第二盖板和第一盖板进行减薄处理，其中第二盖板裸露出焊接窗口。

在一般的工艺中，焊接层区域要通过切割的方式来打开，工艺复杂，本案采用减薄的方式被动打开焊盘区，例如通过研磨工艺。在本实施例中，对第二盖板和第一盖板进行减薄处理，在第二盖板减薄的同时打开焊接层，减化了工艺流程。此时形成的压阻式双轴运动传感器可参阅图1。

需要说明的是，在本实施例中，名称相同的处理方式所使用的具体工艺可以相同，例如退火处理为氮气退火处理，去除光刻胶处理均可以为灰化工艺。

本申请提供一种压阻式双轴运动传感器的制作方法，该方法包括soi硅片，包括第一单晶硅层、第一氧化硅层和第二单晶硅层，第一氧化硅层设置于第一单晶硅层和第二单晶硅层之间；在第二单晶硅层背离第一氧化硅层的一侧设置掺杂层；在第二单晶硅层和掺杂层上设置第二氧化硅层；在第二单晶硅层和掺杂层上以及第二氧化硅层中设置焊接层；在第一单晶硅层靠近第一氧化硅层的一侧上同时设置质量块、第一刻蚀槽、第二刻蚀槽和隔离槽，质量块形成于第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间，隔离槽设置于第二刻蚀槽远离质量块的一侧。通过采用有机光刻胶键合，使得光刻胶既作为结构层，也是牺牲层，将不需要区域的光刻胶曝光并清洗完成后，直接与上第一盖板键合，简化了工艺流程，从而提高了产品良率和生产效率；在作焊盘区域开窗口的时候，通过减薄的方式，直接打开所需区域；制作质量块的同时制作隔离槽，实现隔离设计，将压阻式双轴运动传感器的可动部分隔离出来，能够降低封装引起的残余应力和温度系数。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。