一种一体化法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片加工方法

一种一体化法布里珀罗mems加速度敏感芯片加工方法
技术领域
1.本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种一体化法布里珀罗mems加速度敏感芯片加工方法。


背景技术：

2.mems加速度传感器由于其高精度、小体积、低功耗、低成本、便于大批量生产的优势被广泛应用于机器人、无人机、智能汽车、电子消费品等领域。目前，常见mems加速度传感器根据其检测方式不同可以分为电容、谐振、压阻、光学等类型。其中，基于光学干涉原理的mems加速度传感器结合了光学检测的超高位移分辨率及mems技术小体积、低功耗的特点，具有广泛的应用前景。
3.基于法布里珀罗腔的mems加速度传感器敏感芯片的加工工艺是集成式光学mems加速度传感器研制过程中的一大难点，其工艺流程通常包含光学镀膜、功能结构制作、腔体形成等关键步骤。在上述工艺步骤中，有三点需要特别注意：1、光学镀膜一般需要交替重复制作多层薄膜，其单层薄膜厚度一般在百纳米级别，薄膜的厚度直接决定了法布里珀罗腔的反射率，进而影响到加速度传感器的灵敏度，因此在镀膜过程中需要精确控制其薄膜生长速率以控制其厚度；2、为了保证提高加速度传感器的灵敏度，其弹簧质量结构一般设计的主频较低，具体结构体现为支撑梁“长而薄”，惯性质量块“大而厚”，此种结构一般比较脆弱，在工艺过程中容易损坏；3、最终键合形成的法布里珀罗腔，要求可动镜面与固定镜面之间的平行度较高，否则会影响加速度传感器输出一致性，通常需要通过优化弹簧质量结构的设计及键合工艺来确保腔体平行度。
4.而目前已报道的技术，例如，中国专利cn201911213113.9和cn202011125893.4公开的法布里珀罗光学mems加速度敏感芯片加工工艺，其加工流程为：首先在晶圆表面通过磁控溅射、电子束蒸发或气相沉积等技术制作光学增反膜或增透膜以调节法布里珀罗腔的反射率，然后根据弹簧质量结构的具体特征在另一晶圆上依次经过匀胶、光刻、显影、刻蚀等步骤完成功能结构的加工，最后将已经释放的弹簧质量结构与制作有光学增反或增透膜的晶圆利用硅硅直接键合、硅玻璃阳极键合或者胶合技术将两者固定在一起形成法布里珀罗腔，进而完成法布里珀罗mems加速度传感器敏感芯片的制备。按照上述工艺步骤虽然可以完成法布里珀罗mems加速度敏感芯片的加工，但由于在进行最后的键合工艺时，弹簧质量结构已经释放，键合过程中的高温及施加的机械压力会使弹簧质量结构产生应力导致结构变形甚至损坏，而且该过程工艺操作难度大，容易损坏弹簧质量结构。此外，采用上述工艺加工的弹簧质量结构通常其支撑梁和质量块的中性面不在同一个平面，导致最终制作的敏感芯片受到侧向加速度时其腔体平行度变差，从而影响到传感器输出。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种一体化法布里珀罗mems加速度敏感芯片加工方法，以克服现有技术先刻蚀后键合存在残余应力导致敏感芯片变形或损坏的问题，具有工艺简
单、成品率高的优势，另外本发明能够保证最终制作的法布里珀罗腔体的腔长与设计值的一致性，进而保证传感器处于高灵敏工作状态。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种一体化法布里珀罗mems加速度敏感芯片加工方法，包括以下步骤：
8.(1)硅晶圆清洗，去除氧化膜和表面杂质；
9.(2)利用硅的各向异性湿法腐蚀技术腐蚀经步骤(1)清洗的硅晶圆，制作腔体深度参考槽；
10.(3)利用低气压化学气相沉积方法在经步骤(2)制作的深度参考槽表面沉积氮化硅薄膜，并利用反应离子刻蚀技术图形化该氮化硅薄膜；
11.(4)以步骤(3)图形化后的氮化硅薄膜为掩蔽，利用深反应离子刻蚀技术进行硅腔体刻蚀，当刻蚀深度达到深度参考槽的底部时停止刻蚀，以达到对腔体刻蚀深度的精确控制；
12.(5)利用低气压化学气相沉积方法在经由步骤(4)制作的硅腔体表面沉积多层增反膜；
13.(6)利用反应离子刻蚀技术和湿法腐蚀技术分步图形化经由步骤(5)沉积的多层增反膜；
14.(7)玻璃晶圆清洗，去除表面杂质；
15.(8)利用低气压化学气相沉积方法在经由步骤(7)清洗的玻璃晶圆表面沉积多层增反膜；
16.(9)利用反应离子刻蚀技术图形化经由步骤(8)沉积的多层增反膜；
17.(10)利用硅-玻璃阳极键合技术将经过步骤(1)-(6)制作的硅腔体和经过步骤(7)-(9)制作的玻璃晶圆键合在一起，形成法布里珀罗干涉腔；
18.(11)利用减薄工艺将经由步骤(10)键合的硅晶圆减薄至目标厚度；
19.(12)利用深反应离子刻蚀技术刻蚀经由步骤(11)减薄后的硅晶圆以图形化弹簧质量结构，完成法布里珀罗mems加速度敏感芯片的一体化加工。
20.进一步地，所述步骤(2)中的利用硅各向异性湿法腐蚀技术制作的刻蚀深度参考槽，利用了硅在湿法腐蚀过程中不同晶向腐蚀速率不同而产生的54.74
°
的腐蚀角度，通过对腐蚀掩蔽窗口大小的设计，可以使得腐蚀深度达到预设值后自动停止腐蚀，进而为后续腔体刻蚀提供深度参考。
21.进一步地，所述步骤(3)中在深度参考槽表面沉积氮化硅薄膜的厚度为200nm。
22.进一步地，所述步骤(5)和步骤(8)中多层增反膜采用电介质膜或金属膜，当采用电介质膜时，沉积工艺采用交替重复沉积的方式，用以保证制作的多层薄膜具有光学增反作用。
23.进一步地，所述电介质膜采用二氧化硅、氮化硅、一氧化硅和氟化镁中的两种。
24.进一步地，所述金属膜采用铝或锗。
25.进一步地，所述步骤(5)和步骤(8)中多层增反膜沉积工艺具体为：交替重复沉积二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜，步骤(5)共沉积4层，步骤(8)共沉积6层，且每层二氧化硅薄膜厚度为162nm，每层氮化硅薄膜厚度为117nm。
26.进一步地，所述步骤(6)多层增反膜的图形化过程为：从上至下前三层氮化硅/二
氧化硅/氮化硅采用反应离子刻蚀技术，而最后一层二氧化硅采用湿法腐蚀技术。
27.进一步地，所述步骤(11)中利用减薄工艺将经由步骤(10)键合的硅晶圆减薄至80μm-100μm。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
29.本发明采用先键合后刻蚀释放弹簧质量结构的工艺顺序，可以避免现有技术中采用先刻蚀释放弹簧质量结构后键合存在的各种应力导致敏感芯片变形或损坏的问题，同时具有工艺简单、操作难度低的优势，并且由于在刻蚀前进行键合，硅和玻璃晶圆表面形貌及特征尺寸比较好，因此制作的腔体平行度高；此外，本发明加工的弹簧质量结构的支撑梁和质量块的中性面处于同一平面，可以保证敏感芯片受到侧向加速度时其腔体仍然保持高平行度，使得传感器的交叉灵敏度低。同时本工艺流程中利用硅各向异性湿法腐蚀技术制作的刻蚀深度参考槽，可以为后续腔体的干法刻蚀步骤提供深度参考，进而保证最终制作的法布里珀罗腔体的腔长与设计值的一致性，进而保证传感器处于高灵敏工作状态。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明的一种一体化法布里珀罗mems加速度敏感芯片加工方法流程图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
33.下面结合具体的附图1对本发明的技术方案进行详细的说明。
34.(1)准备硅晶圆，先将其浸入丙酮、酒精溶液进行清洗，然后再浸入硫酸/双氧水配置的溶液进行清洗，以去除氧化膜、金属离子及其他杂质。
35.(2)利用硅的各向异性湿法腐蚀技术腐蚀经步骤(1)清洗的硅晶圆，制作腔体深度参考槽；
36.(3)利用低气压化学气相沉积(lpcvd)系统在经步骤(2)制作的深度参考槽表面沉积氮化硅薄膜，沉积厚度为200nm，并利用反应离子刻蚀技术(rie)图形化该氮化硅薄膜制作干法刻蚀的掩蔽；
37.(4)以步骤(3)图形化后的氮化硅薄膜为掩蔽，利用深反应离子刻蚀技术进行腔体刻蚀；此刻蚀过程刻蚀采用分阶段刻蚀法，即先通过一段较短时间刻蚀确定当前参数的刻蚀速率，然后再以该速率进行长时间刻蚀至离目标深度还有10μm左右停止，最后刻蚀时注意和深度参考槽做对比，当刻蚀深度达到深度参考槽的底部时停止刻蚀，以达到对腔体刻蚀深度的精确控制；
38.(5)利用低气压化学气相沉积(lpcvd)系统在经由步骤(4)刻蚀形成的腔体表面交
替重复沉积二氧化硅(162nm)和氮化硅(117nm)多层薄膜(共四层)制作可动反射镜面(弹簧质量结构表面)的增反膜，采用以上组合薄膜，可以使得法布里珀罗腔对700-1000nm波段的激光的反射率达到70％左右；
39.(6)利用反应离子刻蚀技术(rie)和湿法腐蚀技术分步图形化经由步骤(5)沉积的多层增反膜；其中，前三层(即氮化硅/氧化硅/氮化硅)采用反应离子刻蚀技术，而最后一层二氧化硅采用boe溶液进行湿法腐蚀；采用这种干湿法组合的工艺可以保证图形化增反膜的过程中不会损坏器件层的硅，刻蚀完成后只保留惯性质量块结构上表面区域的增反膜。
40.(7)准备4英寸bf33阳极键合玻璃，然后将其浸入丙酮、酒精溶液进行清洗；
41.(8)利用低气压化学气相沉积(lpcvd)系统在经过步骤(7)清洗的玻璃表面交替重复沉积二氧化硅(162nm)和氮化硅(117nm)多层薄膜(共六层)制作固定反射镜面，采用以上组合薄膜，可以使得法布里珀罗腔对700-1000nm波段的激光的反射率达到70％左右；
42.(9)利用反应离子刻蚀技术(rie)图形化经由步骤(8)沉积的多层增反膜，刻蚀完成后只保留玻璃表面与质量块面积相同区域的多层膜；
43.(10)利用硅-玻璃阳极键合技术将经过步骤(1)-(6)制作的硅腔体和经过步骤(7)-(9)制作的玻璃晶圆键合在一起形成法布里珀罗干涉腔；键合时注意玻璃腔晶圆和硅腔体的对准。
44.(11)利用减薄工艺将经由步骤(10)键合的硅晶圆减薄至80μm-100μm。
45.(12)利用深反应离子刻蚀技术(drie)刻蚀经由步骤(11)减薄后的硅晶圆以图形化弹簧质量结构，刻蚀完成后惯性质量块被释放。
46.在步骤(12)中也可以图形化形成压力敏感膜，还可以图形化形成mems微镜，还可以图形化形成光学滤波器。
47.本发明工艺流程采用先键合后刻蚀释放弹簧质量结构的工艺顺序，可以避免现有技术中采用先刻蚀释放弹簧质量结构后键合存在的各种应力导致敏感芯片变形或损坏的问题，同时具有工艺简单、操作难度低的优势，并且由于在刻蚀前进行键合，硅和玻璃晶圆表面形貌及特征尺寸比较好，因此制作的腔体平行度高；此外，本技术方案加工的弹簧质量结构的支撑梁和质量块的中性面处于同一平面，可以保证敏感芯片受到侧向加速度时其腔体仍然保持高平行度，使得传感器的交叉灵敏度低。同时本工艺流程中利用硅各向异性湿法腐蚀技术制作的刻蚀深度参考槽，可以为后续腔体的干法刻蚀步骤提供深度参考，进而保证最终制作的法布里珀罗腔体的腔长与设计值的一致性，进而保证传感器处于高灵敏工作状态。
48.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。