一种全碳化硅MEMS三轴加速度计及其制造方法与流程

本发明属于mems传感器技术领域，具体涉及一种全碳化硅mems三轴加速度计及其制造方法。

背景技术：

微型高温加速度传感器是微机电系统领域非常重要的一种传感器，体积小且耐高温的优点使得其在高温mems测量领域，如航空航天发动机、军事导弹制导控制、汽车工业等加速度测量中得到了广泛的发展和应用。目前常见的加速度传感器多是硅基衬底的，而普通硅器件由于硅材料半导体高温特性的限制，难以在超过200℃以上的恶劣环境中可靠工作。基于此，为了使mems加速度传感器适应更高温度的工作环境，相关研究者主要是从两个方面进行发展和改进的。一是soi加速度传感器的广泛研究和应用，目前报道的其最高耐受温度达500摄氏度，值得注意的是，尽管soi加速度传感器显著提升了传感器的耐受环境温度，但其基底仍然是硅材料，这也限制了其工作温度的进一步提升；二是给现有加速度传感器设计降温结构，例如设计散热微流道或是加装水冷套等，但这样会增加传感器的加工难度、成本以及体积，不利于安装和使用。因此，目前尚缺少耐受高温恶劣环境且结构相对简单的mems加速度传感器。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全碳化硅mems三轴加速度计及其制造方法，借助第三代半导体材料碳化硅的高温稳定性好、击穿场强大、硬度高、耐腐蚀的特点，实现了高温恶劣环境下的加速度测量，加速度计具有体积小、结构简单、灵敏度高、耐高温恶劣环境等优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全碳化硅mems三轴加速度计，包括下部碳化硅基底层300，下部碳化硅基底层300通过中间连接层200和上部碳化硅结构外框100连接，上部碳化硅结构外框100的背部与下部碳化硅基底层300相接；

以上部碳化硅结构外框100所在平面为xoy平面，以其中心为平面xoy的坐标系原点，上部碳化硅结构外框100内部设有中心对称的五组阵列式四梁质量岛结构，中心四梁质量岛单元400设置在xoy平面的中心位置，并通过四根第一支撑梁401与上部碳化硅结构外框100连接，构成了一组中心四梁质量岛单元，中心四梁质量岛单元400的四根第一支撑梁401上设有第一压阻条403，每个第一压阻条403通过第一金属引线402及焊盘连接，并形成闭环惠斯通电桥；

所述中心四梁质量岛单元400将xoy平面均匀划分为四个子区域，每个子区域设置一个四梁质量岛子结构，分别为四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800，四个子区域之间及子区域与中心四梁质量岛单元400之间通过支撑梁相互连接，四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800与中心四梁质量岛单元400之间通过两根第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801连接，其中第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801设有各自对应的第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803，第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803与各自对应的第二金属引线502、第三金属引线602、第四金属引线702、第五金属引线802连接，并构成半开环惠斯通电桥；

所述的中心四梁质量岛单元400、四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800与下部碳化硅基底层300有间隙，处于悬空状态。

所述的四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800对应的支撑梁、敏感压阻条、金属引线及焊盘几何尺寸一样，且关于中心四梁质量岛单元400对称分布。

所述的四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800分别与上部碳化硅结构外框100通过另外两根支撑梁相连接，即四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800分别与上部碳化硅结构外框100通过第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801连接，第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801上布置有第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803，敏感压阻条通过第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801上的第二金属线路502、第三金属线路602、第四金属线路702、第五金属线路802相互连通，处于y方向的线路构成一半开环惠斯通电桥，x方向线路构成另一半开环惠斯通电桥。

所述的上部碳化硅结构外框100、中心四梁质量岛单元400、四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800和下部碳化硅基底层300通过碳化硅晶片制成。

所述的上部碳化硅结构外框100的厚度h1、中心四梁质量岛厚度h2及四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800的厚度h3应满足关系：h1>h2>h3。

一种全碳化硅mems三轴加速度计的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，对n(p)型的碳化硅片1进行减薄；

步骤2，对步骤1完成的碳化硅片1进行外延生长，生长过程中进行竞位掺杂，先后形成p(n)型碳化硅中间层和n(p)型碳化硅层；

步骤3，再对步骤2处理完成的碳化硅片1外延n(p)型层进行浅刻蚀形成敏感压阻条，刻蚀厚度要保证略大于最上面n(p)型外延层；

步骤4，再对步骤3处理完成的碳化硅片1进行热氧化，生成热氧化二氧化硅层；

步骤5，再对步骤4处理完成的碳化硅片1正面进行湿法腐蚀，腐蚀掉支撑梁501/601/701/801两端对应的热氧化二氧化硅层，形成欧姆接触区；

步骤6，再在步骤5处理完成的碳化硅片1正面溅射导电金属线路，然后对导电金属层进行图形化，形成欧姆接触及金属引线焊盘502/602/702/802；

步骤7，再在步骤6处理完成的碳化硅1正面进行等离子体刻蚀，释放掉中心四梁质量岛单元400及四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800；

再在碳化硅片1背面先后进行等离子体刻蚀，分别得到具有不同厚度的中心四梁质量岛单元400和四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800；

对碳化硅背面的刻蚀分两次进行，先刻蚀一定深度h1，形成中心四梁质量岛400，再对中心四梁质量岛400以外的区域刻蚀一定深度h2，形成中心四梁质量岛单元的四根第一支撑梁401和四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800，且满足0<h1<h2<h1,使刻蚀区域的表面低于上部碳化硅结构外框100的背面，内部整体处于悬空状态；

步骤8，取另一碳化硅片2进行减薄并在其正面做防静电吸附处理；

步骤9，再将步骤7完成后得到的碳化硅片1的背面与步骤8得到的碳化硅片2的正面通过中间连接层200连接形成一体，碳化硅片1的背面只有上部碳化硅结构外框100区域参与连接，对应碳化硅片2正面的其余区域均进行防静电吸附处理。

本发明的有益效果是：本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计及其制造方法，解决了高温恶劣环境下三轴加速度便捷测量的问题。结构上，通过五组阵列式四梁质量岛结构实现三轴加速度测量，在受到z方向加速度作用时，中心质量岛发生振动，位于其四根支撑梁上的压阻条发生变形，产生信号输出；同一平面内位于对面的一组四梁质量岛子结构在受到x方向加速度作用时，其支撑梁上的压阻条受到不同方向的拉压应力作用，从而实现x方向的加速度测量；同理，位于同一平面内的另外一组对面四梁质量岛子结构用来测量y方向加速度；中心质量岛、质量块的厚度大于其他四个子结构的厚度，当有x或y方向加速度时，由于中心四梁质量岛单元与四个子结构相连，中心质量岛(质量块)也会由于质量大的原因，对该方向的加速度产生一定的响应，起到了拉动压阻条变形的辅助作用，从而大大提升传感器灵敏度，三个感测方向电路的独立集成避免了加速度信号之间的耦合影响。将第三代宽禁带半导体材料---碳化硅作为加速度传感器的结构敏感材料，使得高温恶劣环境下的加速度测量不再需要繁琐的保护和降温装置，保证传感器高测量性能的同时大大简化测量方式，降低了成本。

附图说明

图1为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计的三维结构示意图。

图2为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计的主视图。

图3为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计的制造方法的工艺流程图。

图4为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计受x方向加速度时的工作原理。

图5为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计受y方向加速度时的工作原理。

图6为本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计受z方向加速度时的工作原理。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图2所示，一种全碳化硅mems三轴加速度计，包括下部碳化硅基底层300，下部碳化硅基底层300通过中间连接层200和上部碳化硅结构外框100连接，上部碳化硅结构外框100的背部与下部碳化硅基底层300相接；

所述的上部碳化硅结构外框100作为传感器结构外围支撑，以上部碳化硅结构外框100所在平面为xoy平面，以其中心为平面xoy的坐标系原点，上部碳化硅结构外框100内部设有中心对称的五组阵列式四梁质量岛结构，中心四梁质量岛单元400设置在xoy平面的中心位置，并通过四根第一支撑梁401与上部碳化硅结构外框100连接，构成了一组中心四梁质量岛单元，中心四梁质量岛单元400的四根第一支撑梁401上设有第一压阻条403，每个第一压阻条403通过第一金属引线402及焊盘连接，并形成闭环惠斯通电桥；

所述中心四梁质量岛单元400将xoy平面均匀划分为四个子区域，每个子区域设置一个四梁质量岛子结构，分别为四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800，四个子区域之间及子区域与中心四梁质量岛单元400之间通过支撑梁相互连接，四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800与中心四梁质量岛单元400之间通过两根第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801连接，其中第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801设有各自对应的第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803，第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803与各自对应的第二金属引线502、第三金属引线602、第四金属引线702、第五金属引线802连接，并构成半开环惠斯通电桥；

所述的中心四梁质量岛单元400、四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800与下部碳化硅基底层300有间隙，处于悬空状态。

所述的四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800对应的支撑梁、敏感压阻条、金属引线及焊盘几何尺寸一样，且关于中心四梁质量岛单元400对称分布。

所述的四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800分别与上部碳化硅结构外框100通过另外两根支撑梁相连接，即四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800分别与上部碳化硅结构外框100通过第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801连接，第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801上布置有第二敏感压阻条503、第三敏感压阻条603、第四敏感压阻条703、第五敏感压阻条803，敏感压阻条通过第二支撑梁501、第三支撑梁601、第四支撑梁701、第五支撑梁801上的第二金属线路502、第三金属线路602、第四金属线路702、第五金属线路802相互连通，处于y方向的线路构成一半开环惠斯通电桥，x方向线路构成另一半开环惠斯通电桥。

所述的上部碳化硅结构外框100、中心四梁质量岛单元400、四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800和下部碳化硅基底层300通过碳化硅晶片制成。

所述的上部碳化硅结构外框100的厚度h1、中心四梁质量岛厚度h2及四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800的厚度h3应满足关系：h1>h2>h3。

本实施例的加速度计由五个结构相似的四梁质量岛结构单元构成，每个单元有一个中心质量岛及四根支撑梁，其中两根支撑梁上设置有压阻条并和上部碳化硅结构外框100相连，另外两根支撑梁与其他子结构单元相连，形成了中心对称的传感器结构；将四个四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800中关于中心四梁质量岛单元400处于相对位置的设置有敏感压阻条的四根支撑梁503/603/703/803作为一组，并通过金属引线502/602/702/802与焊盘连接，由此形成两组互不干扰的半开环惠斯通电桥；中心四梁质量岛单元400通过布置有第一敏感压阻条403的四根第一支撑梁401与上部碳化硅结构外框100直接相连，并通过第一金属引线402形成闭环惠斯通电桥。

参照图3，一种全碳化硅mems三轴加速度计的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，将厚度为350μm的n型的碳化硅片1减薄至150μm，降低体刻蚀工艺难度；

步骤2，对步骤1完成的n型的碳化硅片1进行同质外延生长，具体流程为，外延在减薄后得到的n型碳化硅片的si面分两次进行，首先选用铝作为掺杂离子，外延反应室中通入硅烷、丙烷和三甲基铝，最终形成厚度为5μm，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3的p型碳化硅层；然后选用氮作为掺杂离子，通入硅烷、丙烷和氮气作为反应物，在上述p型碳化硅层上形成厚度为2μm，掺杂浓度为1.8×10¹⁹cm^-3的n型碳化硅层；

步骤3，对步骤2得到的碳化硅片1外延型层进行浅刻蚀，通过涂胶，溅射ni掩膜，光刻，剥离等一系列工艺，刻蚀深度保证略大于n型碳化硅层的厚度，最终得到各个四梁质量岛结构单元与上部碳化硅结构外框100连接的梁上的敏感压阻条；

步骤4，用hno3：hcl：h2o＝1:1:3的配制溶液，去除步骤3处理完成的碳化硅片1上的ni掩膜，并清洗烘干，然后对整个碳化硅片1进行热氧化，生成一层热氧化二氧化硅层；

步骤5，再对步骤4处理完成的碳化硅片1正面涂胶并图形化，用hf腐蚀掉欧姆接触窗口上覆盖的二氧化硅，去胶清洗后，溅射导电金属层；此时整个结构平面都覆盖有金属层，因此再次涂胶图形化后，腐蚀掉欧姆接触和各个金属引线402/502/602/702/802以外的金属层，留下各四梁质量岛单元对应的欧姆接触和金属引线402/502/602/702/802；

步骤6，将步骤5结束后已经形成欧姆接触和金属引线的碳化硅片1正面利用光刻胶进行保护，在其背面进行等离子体刻蚀，释放掉中心四梁质量岛单元400及四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800；具体流程为，在最下方n型碳化硅层上溅射少量cr和au，作为形成ni掩膜的种子层，然后在其上涂胶，对光刻胶图形化后腐蚀掉裸露出的种子层并去胶，随后电镀ni层作为碳化硅片深刻蚀掩蔽层，将得到的碳化硅片用丙酮和酒精进行清洗后进行icp刻蚀，刻蚀掉未被保护的非有效结构区域，初步形成厚度一样的中心四梁质量岛单元400及四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800；

步骤7，在步骤6得到的碳化硅片1背面继续进行等离子体刻蚀，此时刻蚀分两次进行，先刻蚀深度h1，形成中心四梁质量岛400，再保护中心四梁质量岛400，刻蚀其余区域深度h2，形成中心四梁质量岛单元的四根第一支撑梁401和四梁质量岛子结构a500、四梁质量岛子结构b600、四梁质量岛子结构c700、四梁质量岛子结构d800，且刻蚀深度满足0<h1<h2<h1,使刻蚀区域的表面低于上部碳化硅结构外框100的背面，即内部所有四梁质量岛单元处于悬空释放状态，以保证加速度传感器在工作状态下正常运动；

步骤8，取另一碳化硅片2进行减薄，并在其正面除了上部碳化硅结构外框100以外区域对应的区域溅射cr/au层制作防静电吸附电极；

步骤9，再将步骤7完成后得到的碳化硅片1的背面与步骤8得到的碳化硅片2的正面用中间连接层200以粘接、阳极键合等各种方式连接形成一体，碳化硅片1的背面只有上部碳化硅结构外框100区域参与碳化硅片2连接，其余部分由于厚度小于上部碳化硅结构外框100，故保证处于悬空释放状态；对应碳化硅片2正面的其余区域均进行防静电吸附处理。

本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计的工作原理如下：

如图4和图5所示，由牛顿第二定律f＝ma可得，当三轴加速度计受到结构面内x或y方向的加速度ax/ay作用时，分别处于x轴/y轴正半轴和负半轴的子结构x1/y1和x2/y2由于惯性而发生面内移动，引起支撑梁的拉压变形，从而引起其上敏感压阻条产生应力，根据碳化硅的压阻效应，支撑梁501/601/701/801上压阻条的阻值变化与其所受应力之间的关系如下：

δr＝πσr

其中：r为压阻条的初始阻值；

π为压阻条的压阻系数；

σ为压阻条中的应力；

此时，同一工作方向上的四个压阻条构成的半开环惠斯通电桥失去平衡，输出与外部加速度成正比的电信号，实现对x荷y向加速度的检测。

如图6所示，当加速度计受到z方向的加速度az作用时，此时，中心四梁质量岛单元400与上部碳化硅外框100连接的第一支撑梁401由于惯性而发生z向拉伸移动，从而引起其上敏感压阻条产生应力，这四个第一敏感压阻条403构成的闭环惠斯通电桥失去平衡，输出与外部加速度成正比的电信号，实现对z向加速度的检测。

本发明一种全碳化硅mems三轴加速度计及其制造方法，解决了高温恶劣环境下三轴加速度便捷测量的问题。结构上，通过五组阵列式四梁质量岛结构单元实现三轴加速度测量。同时，设计中心质量岛质量块的厚度大于其他四组子结构的厚度，当有x或y方向加速度时，由于中心四梁质量岛单元与四个子结构相连，中心质量岛质量块会由于质量大的原因，对该方向的加速度产生一定的响应，起到了拉动压阻条变形的辅助作用，从而大大提升传感器灵敏度；三个感测方向电路的独立集成避免了加速度信号之间的耦合影响；将第三代宽禁带半导体材料碳化硅作为加速度传感器的结构敏感材料，使得高温恶劣环境下的加速度测量不再需要繁琐的保护和降温装置，保证传感器高测量性能的同时大大简化测量方式，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。