[发明专利]一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法

摘要

本发明涉及加工方法，特别是具有不等高梳齿结构和需圆片级封装的硅微机电陀螺结构的加工方法。它包括步骤一：加工下封帽；步骤二：下封帽与敏感结构键合，敏感结构上表面结构加工；下封帽与敏感结构键合；步骤三：加工敏感结构，敏感结构支撑层与绝缘层的去除；氮化硅掩膜图形化；生长二氧化硅；敏感结构掩膜图形化；刻蚀定齿结构；刻蚀动齿结构；步骤四：加工上封帽，上封帽引线孔加工；上封帽质量块加工；步骤五：敏感结构与上封帽键合；步骤六：金属化。本发明的效果是：有利于保证线条质量，提高梳齿结构的侧壁垂直度；解决了不同材料的热膨胀系数不同所引起的残余应力等问题，提高了工艺兼容性；减少了加工工序，降低了工艺成本。

主权项

一种四质量块硅微机电陀螺结构的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：加工下封帽步骤1.2：下封帽基片加工对清洗完成的基片进行光刻工艺，形成掩膜图形，再进行深反应离子刻蚀深硅刻蚀，刻蚀深度SOI基片下封帽器件层30a的厚度，形成下封帽的边框结构53、下极板质量块31、下极板连接结构36和下极板中心支撑点37，最后利用5％的NaOH溶液去除光刻胶，步骤二：下封帽与敏感结构键合步骤2.2：敏感结构上表面结构加工对清洗好的敏感结构基片进行光刻形成掩膜图形，最后进行深反应离子刻蚀，对无掩膜覆盖的硅材料进行刻蚀，形成浅槽结构61，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm，并用5％的NaOH溶液去除光刻胶掩膜，步骤2.3：下封帽与敏感结构键合将敏感结构10和下封帽30进行对准，然后在键合机进行硅直接键合，键合完成后在高温退火炉中进行退火，退火温度为1000℃，退火时间4小时，键合区域为敏感结构边框结构51和下封帽边框结构53、中心支撑点17和下极板中心支撑点37、敏感结构连接结构16和下极板连接结构36，步骤三：加工敏感结构 步骤3.1：敏感结构支撑层与绝缘层的去除敏感结构支撑层10c通过机械研磨或湿法腐蚀的方法进行去除，湿法腐蚀可采用KOH溶液进行腐蚀，KOH浓度为40％(质量浓度)，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间约10小时，敏感结构绝缘层10b可采用缓冲HF(HF∶NH4F＝1∶5，体积比)进行腐蚀去除，去除敏感结构基片的敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b的结构如图9所示，本领域的技术人员利用本步骤提供的KOH浓度，腐蚀温度和腐蚀时间可以完成敏感结构支撑层10c的腐蚀过程，同时利用本步骤提供的缓冲HF可以完成敏感结构绝缘层10b腐蚀去除，步骤3.2：氮化硅掩膜图形化首先在上步去除敏感结构支撑层10c和敏感结构绝缘层10b后的表面沉积Si3N4掩膜，沉积方式为增强型等离子PECVD，薄膜厚度为400～500nm，然后通过光刻和RIE刻蚀Si3N4掩膜图形101，步骤3.3：生长二氧化硅采用热氧化方法制备SiO2掩膜，上步去除Si3N4掩膜后的Si片表面生长SiO2，形成掩膜图形102，SiO2掩膜厚度为400～500nm，步骤3.4：敏感结构掩膜图形化光刻敏感结构图形，再对无光刻胶103覆盖的氮化硅掩膜101和氧化硅掩膜102进行RIE刻蚀，形成动齿掩膜图形104和定齿掩膜图形105，步骤3.5：刻蚀定齿结构对无掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成 敏感结构连接结构16、中心支撑点17和敏感结构边框结构51，刻蚀深度为敏感结构器件层10a的厚度，为60～80μm，步骤3.6：刻蚀动齿结构首先去除光刻胶，再湿法腐蚀Si3N4掩膜，Si3N4掩膜腐蚀液为80％的磷酸(H3PO4)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，最后对没有Si3N4掩膜覆盖的敏感结构器件层10a进行深反应离子刻蚀，形成质量块结构11，刻蚀深度为动齿与定齿的高度差ΔT2，一般为2～3μm，步骤四：加工上封帽步骤4.2：上封帽引线孔加工将SOI基片上、下表面同时制备掩膜，先制备SiO2掩膜，再在SiO2掩膜上制备Si3N4掩膜，其中SiO2掩膜采用热氧化方式制备，厚度为100nm～150nm，Si3N4掩膜采用低压化学气相沉积(LPCVD)方式制备，厚度为400～500nm，然后在上封帽支撑层20c上光刻引线孔22图形，再利用RIE刻蚀掩膜图形，下一步湿法腐蚀引线孔22，腐蚀液为40％(质量百分比)的KOH溶液，腐蚀温度为60℃，腐蚀时间为8～10h，腐蚀深度为支撑层20c厚度，最后腐蚀去除掩膜，Si3N4掩膜腐蚀液为80％(质量百分比)的磷酸(H3PO4)，腐蚀温度为160℃～180℃，腐蚀时间为30～40min，SiO2掩膜腐蚀液为缓冲HF(HF∶NH4F＝1∶5，体积比)，腐蚀温度为50～60℃，步骤4.3：上封帽质量块加工加工方法与步骤1.2中的下封帽器件层30a的加工方法相同，通 过光刻形成掩膜图形，最后利用深反应离子刻蚀进行深硅刻蚀形成上封帽器件层20a结构，并去除剩余光刻胶掩膜，步骤五：敏感结构与上封帽键合键合工艺过程与步骤2.3键合工艺相同，键合区域为敏感结构边框结构51和上封帽边框结构52、中心支撑点17和上极板中心支撑点27、敏感结构连接结构16和上封帽连接结构26，至此加工好的产品可以称为微机电陀螺100，步骤六：金属化键合完成后，将微机电陀螺100与金属遮挡板50对准并进行有效固定，再采用热蒸发方式向引线孔22内镀制金属薄膜41，使金属薄膜41与上封帽器件层20a形成良好欧姆结构，其中金属薄膜41的材料为Al或Ti/Pt/Au，Al薄膜厚度为800～1000nm，Ti/Pt/Au薄膜的厚度分别为20nm/50nm/200nm，镀膜结束后，将金属遮挡板50与微机电陀螺100分离，最后，将引线40与金属薄膜41进行引线键合，以实现信号的输入和输出。