專利名稱：雙軸mems陀螺儀的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystem，簡稱 MEMS)的 加工技術，特別是涉及一種雙軸MEMS陀螺儀的制造方法。
背景技術：
微機電系統(MEMQ是對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技 術，它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統，它 是用微電子技術和微加工技術相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型 化的傳感器、執行器、驅動器和微系統，其中微加工技術包括硅體微加工、硅表面微加工、 LIGA(LIGA 是德文 Lithographie、Galanoformung 和 Abformung 的三個詞，即光刻、電鑄和 注塑的縮寫)和晶片鍵合等技術。MEMS慣性傳感器是應用微機電系統(MEMS)技術研發出來的典型微傳感器。隨著 MEMS技術的日益發展，MEMS慣性傳感器(包括加速度計和陀螺儀)的性能指標越來越高， 以其尺寸小、價格便宜的優勢在工業、醫療以及其他消費電子產品的各個層面都發揮著巨 大的作用。在MEMS陀螺儀中，振動式硅微機械陀螺儀是最常見的一種陀螺儀，這種陀螺儀利 用哥式效應檢測角速度的大小，其基本工作原理是首先使檢測質量塊沿驅動方向做線振 動或角振動，進入驅動模態；當沿敏感軸方向有角速度輸入時，在檢測軸方向就會出現哥式 力，迫使檢測質量塊沿檢測方向有位移產生。輸入角速度和哥式力的大小成正比關系，因此 通過檢查哥式力引起的位移變化量就可以直接得到輸入角速度的信息。驅動方向、檢測方 向和敏感軸方向在空間中成垂直關系，例如垂直平面的Z軸陀螺儀的驅動方向為平面內X 軸方向，而檢測方向為平面內Y軸方向。目前借助常用的MEMS加工手段，在硅片上形成平面內的可動質量塊和驅動/檢測 電極比較容易實現，因此目前市場上較為普遍的是Z軸陀螺儀。通常通過垂直封裝的方式 實現雙軸或多軸陀螺儀，但這種方法實現的雙軸或多軸陀螺儀的尺寸較大，并且封裝成本 較高。因此，為了實現具有較高性價比的單芯片雙軸MEMS陀螺儀，人們進行了各種方法的 嘗試，但是都沒有突破性技術。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其分別加 工三個晶圓，并使用晶圓鍵合的辦法，在對MEMS結構進行氣密性封裝的同時，實現了平面 內驅動/檢測電極以及垂直平面方向的驅動/檢測電極，從而實現了雙軸陀螺儀結構，制造 成本低且性能高。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種雙軸MEMS陀螺儀的制 造方法，其特征在于，其包括以下步驟步驟一、提供一個底部晶圓，通過化學氣相淀積工藝在底部晶圓上淀積氮化硅，通過光刻和進行各向異性腐蝕后形成底部空腔，在底部空腔上淀積第一層氧化硅；步驟二、在底部晶圓上淀積第一層金屬，對第一層金屬進行光刻和刻蝕工藝后形 成第一層金屬下電極和第一層金屬連線，通過化學氣相淀積工藝淀積第二層氧化硅，通過 光刻和刻蝕工藝后形成第一層金屬和第二層金屬之間的通孔；步驟三、在底部晶圓的第二層氧化硅上淀積第二層金屬，對第二層金屬進行光刻 和刻蝕工藝后形成第二層金屬密封環和第二層金屬導電塊，然后對第二層氧化硅進行光刻 和刻蝕工藝后使第一層金屬下電極暴露出來；步驟四、提供一個頂部晶圓，通過干法工藝或濕法工藝在頂部晶圓上形成頂部空 腔，通過化學氣相淀積工藝在頂部空腔上淀積第三層氧化硅；步驟五、提供一個MEMS晶圓，通過熔化鍵合工藝將MEMS晶圓與頂部晶圓鍵合在一 起，形成硅和氧化硅之間的熔化鍵合面并形成硅與氧化硅之間的熔化鍵合面，MEMS晶圓與 頂部晶圓形成了第一組合晶圓；步驟六、利用化學機械拋光工藝將第一組合晶圓中的MEMS晶圓的厚度減小至設 計要求的厚度，再進行光刻后用干法工藝刻蝕出MEMS結構，厚度減小后的MEMS晶圓與底部 晶圓形成了第二組合晶圓；步驟七、采用共晶鍵合的方法將第二組合晶圓與底部晶圓鍵合在一起，同時形成 第二層金屬密封環、第二層金屬導電塊與MEMS晶圓的共晶鍵合面，這樣就完成雙軸MEMS陀 螺儀的制造。優選地，所述步驟一為底部晶圓形成底部空腔步驟，步驟二為底部晶圓形成第一 層金屬下電極和連線步驟，步驟三為底部晶圓形成第二金屬密封環和導電塊步驟，步驟四 為頂部晶圓形成頂部空腔步驟，步驟五為形成第一組合晶圓，步驟六為形成MEMS結構步 驟，步驟七為第二組合晶圓與底部晶圓鍵合步驟。優選地，所述MEMS晶圓的材料采用兩面均拋光的硅基片。優選地，所述底部晶圓和頂部晶圓的材料采用硅基片或者玻璃基片。優選地，所述第一層金屬和第二層金屬為鋁、金、鎳、銅或鎢或者是這些金屬的合
^^ ο優選地，所述頂部晶圓的頂部空腔形成是通過濕法工藝的各向異性腐蝕或者干法 工藝的各向異性腐蝕。優選地，所述MEMS晶圓與頂部晶圓的熔化鍵合工藝為高溫熔化鍵合、低溫熔化鍵 合或陽極鍵合工藝。 優選地，所述MEMS結構包括MEMS器件的質量塊和彈簧，MEMS器件的質量塊通過 彈簧與周圍的MEMS晶圓連接，質量塊的側面和下面均有電極結構。優選地，所述雙軸MEMS陀螺儀包括XY雙軸陀螺儀，YL雙軸陀螺儀或者TL雙軸陀 螺儀。優選地，所述雙軸MEMS陀螺儀為一種MEMS慣性傳感器。本發明的積極進步效果在于本發明雙軸MEMS陀螺儀的制造方法通過分別加工 三個晶圓并對其進行晶圓鍵合，最終形成了具有氣密性封裝的雙軸陀螺儀結構。本發明可 以實現單芯片的XY雙軸MEMS陀螺儀，或TL雙軸MEMS陀螺儀，或TL雙軸MEMS陀螺儀。同 時，本發明所述雙軸陀螺儀的面積小，制造成本低，性能高，并且可以批量生產。
圖1為本發明底部晶圓形成底部空腔步驟的示意圖。圖2為本發明底部晶圓形成第一層金屬下電極和連線步驟的示意圖。圖3為本發明底部晶圓形成第二金屬密封環和導電塊步驟的示意圖。圖4為本發明頂部晶圓形成頂部空腔步驟的示意圖。圖5為本發明形成第一組合晶圓步驟的示意圖。圖6為本發明形成MEMS結構步驟的示意圖。圖7為本發明第二組合晶圓與底部晶圓鍵合步驟的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。本發明涉及的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法是分別在底部晶圓、頂部晶圓和MEMS 晶圓上進行加工，最后通過晶圓鍵合在一起，形成具有氣密性封裝的雙軸MEMS陀螺儀。其 中，雙軸MEMS陀螺儀包括XY雙軸陀螺儀，)(Z雙軸陀螺儀或者TL雙軸陀螺儀。雙軸MEMS陀 螺儀為一種MEMS慣性傳感器，其制造方法具體包括以下步驟Al、如圖1所示，底部晶圓形成底部空腔步驟提供一個底部晶圓1，該底部晶圓的 材料可以采用硅片或者玻璃片。通過CVD(Chemical VaporD印osition，化學氣相淀積)工 藝在底部晶圓1上淀積氮化硅，作為硅濕法腐蝕的掩膜。然后涂光刻膠，光刻后暴露出要腐 蝕的區域，用Κ0Η(氫氧化鉀)腐蝕液對硅片進行各向異性腐蝕，形成底部空腔3，底部空腔 3的形狀為梯形，然后再通過CVD工藝在底部空腔3上淀積第一層氧化硅2。A2、如圖2所示，底部晶圓形成第一層金屬下電極和連線步驟在底部晶圓1的第 一層氧化硅2上面通過濺射或者蒸發工藝，淀積第一層金屬5，第一層金屬可以為鋁、金、 鎳、銅或鎢或者是這些金屬的合金。采用光刻和濕法腐蝕的方法刻蝕第一層金屬5，形成第 一層金屬下電極6和第一層金屬連線7。然后通過CVD工藝淀積第二層氧化硅4，通過光刻 和刻蝕工藝暴露出第一層金屬5和第二層金屬之間的通孔10。A3、如圖3所示，底部晶圓形成第二金屬密封環和導電塊步驟在底部晶圓1的第 二層氧化硅4上淀積第二層金屬，第二層金屬可以為鋁、金、鎳、銅或鎢或者是這些金屬的 合金。采用光刻和濕法腐蝕的方法刻蝕第二層金屬，形成第二層金屬密封環8和第二層金 屬導電塊9。然后對第二層氧化硅4采用光刻和刻蝕的方法，暴露出第一層金屬下電極6， 從而形成帶有金屬圖形的底部晶圓22。A4、如圖4所示，頂部晶圓形成頂部空腔步驟提供一個頂部晶圓13，該晶圓 的材料可以采用硅片或者玻璃片。用干法工藝或濕法工藝在頂部晶圓13上各向異性 腐蝕出頂部空腔11，干法工藝包括RIE(Reactic)n Ion Etch，反應離子刻蝕法)工藝和 ICPdnductive Coupled Plasma,電導耦合等離子體)工藝，頂部空腔11與底部晶圓1上 的底部空腔3相對，頂部空腔11必須有足夠的深度以容納MEMS器件的正常運動或受強外 力沖擊時的MEMS結構的形變，以及降低寄生電容，然后通過CVD工藝在頂部空腔11上淀積 第三層氧化硅12。A5、如圖5所示，形成第一組合晶圓步驟提供一個MEMS晶圓14，該晶圓的材料采用兩面均拋光的硅基片，通過熔化鍵合工藝將MEMS晶圓14與頂部晶圓13鍵合在一起，形 成硅和氧化硅之間的熔化鍵合面15，該熔化鍵合工藝為高溫熔化鍵合、低溫熔化鍵合或陽 極鍵合等工藝，MEMS晶圓與頂部晶圓從而形成了第一組合晶圓20。A6、如圖 6 所示，形成 MEMS 結構步驟利用 CMP (Chemical MechanicalPolishing, 化學機械拋光)工藝將第一組合晶圓20中的MEMS晶圓14的厚度減小至設計要求的厚度 16，該厚度16可以為Ium至lOOum，再進行光刻后用ICP工藝或RIE工藝刻蝕出MEMS器件 的質量塊和彈簧等MEMS結構17，MEMS器件的質量塊通過彈簧與周圍的MEMS晶圓連接，質 量塊的側面和下面均有電極結構，最后去除光刻膠，厚度減小后的MEMS晶圓14與底部晶圓 1形成了第二組合晶圓21。A7、如圖7所示，第二組合晶圓與底部晶圓鍵合步驟采用共晶鍵合的方法將第二 組合晶圓21與帶金屬圖形的底部晶圓22鍵合在一起，同時形成第二層金屬密封環8、第二 層金屬導電塊9與MEMS晶圓14的共晶鍵合面19。在鍵合過程中要注意位置對準，同時控 制MEMS結構17與第一層金屬下電極6之間的間距18在設計要求的厚度，如0. Ium至10um。 這樣，就完成了雙軸MEMS陀螺儀的制造。 因此，本發明制得的雙軸MEMS陀螺儀包括底部晶圓1、頂部晶圓13和MEMS晶圓 14，底部晶圓1上有第一層氧化硅2和底部空腔3，第一層氧化硅2上依次設有第一層金屬 5和第二層氧化硅4，第二層氧化硅4上有第二層金屬密封環8和第二層金屬導電塊9，頂部 晶圓13上有頂部空腔11和第三層氧化硅12，MEMS晶圓14與頂部晶圓13鍵合在一起，第 二層金屬密封環8、第二層金屬導電塊9與MEMS晶圓14鍵合在一起。
雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些 僅是舉例說明，在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變 更或修改。因此，本發明的保護范圍由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，其包括以下步驟步驟一、提供一個底部晶圓，通過化學氣相淀積工藝在底部晶圓上淀積氮化硅，通過光 刻和進行各向異性腐蝕后形成底部空腔，在底部空腔上淀積第一層氧化硅；步驟二、在底部晶圓上淀積第一層金屬，對第一層金屬進行光刻和刻蝕工藝后形成第 一層金屬下電極和第一層金屬連線，通過化學氣相淀積工藝淀積第二層氧化硅，通過光刻 和刻蝕工藝后形成第一層金屬和第二層金屬之間的通孔；步驟三、在底部晶圓的第二層氧化硅上淀積第二層金屬，對第二層金屬進行光刻和刻 蝕工藝后形成第二層金屬密封環和第二層金屬導電塊，然后對第二層氧化硅進行光刻和刻 蝕工藝后使第一層金屬下電極暴露出來；步驟四、提供一個頂部晶圓，通過干法工藝或濕法工藝在頂部晶圓上形成頂部空腔，通 過化學氣相淀積工藝在頂部空腔上淀積第三層氧化硅；步驟五、提供一個MEMS晶圓，通過熔化鍵合工藝將MEMS晶圓與頂部晶圓鍵合在一起， 形成硅和氧化硅之間的熔化鍵合面并形成硅與氧化硅之間的熔化鍵合面，MEMS晶圓與頂部 晶圓形成了第一組合晶圓；步驟六、利用化學機械拋光工藝將第一組合晶圓中的MEMS晶圓的厚度減小至設計要 求的厚度，再進行光刻后用干法工藝刻蝕出MEMS結構，厚度減小后的MEMS晶圓與底部晶圓 形成了第二組合晶圓；步驟七、采用共晶鍵合的方法將第二組合晶圓與底部晶圓鍵合在一起，同時形成第二 層金屬密封環、第二層金屬導電塊與MEMS晶圓的共晶鍵合面，這樣就完成雙軸MEMS陀螺儀 的制造。
2.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述步驟一為底部 晶圓形成底部空腔步驟，步驟二為底部晶圓形成第一層金屬下電極和連線步驟，步驟三為 底部晶圓形成第二金屬密封環和導電塊步驟，步驟四為頂部晶圓形成頂部空腔步驟，步驟 五為形成第一組合晶圓，步驟六為形成MEMS結構步驟，步驟七為第二組合晶圓與底部晶圓 鍵合步驟。
3.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述MEMS晶圓的材 料采用兩面均拋光的硅基片。
4.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述底部晶圓和頂 部晶圓的材料采用硅基片或者玻璃基片。
5.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述第一層金屬和 第二層金屬為鋁、金、鎳、銅或鎢或者是這些金屬的合金。
6.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述頂部晶圓的頂 部空腔形成是通過濕法工藝的各向異性腐蝕或者干法工藝的各向異性腐蝕。
7.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述MEMS晶圓與頂 部晶圓的熔化鍵合工藝為高溫熔化鍵合、低溫熔化鍵合或陽極鍵合工藝。
8.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述MEMS結構包括 MEMS器件的質量塊和彈簧，MEMS器件的質量塊通過彈簧與周圍的MEMS晶圓連接，質量塊的 側面和下面均有電極結構。
9.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述雙軸MEMS陀螺儀包括XY雙軸陀螺儀，XZ雙軸陀螺儀或者TL雙軸陀螺儀。
10.如權利要求1所述的雙軸MEMS陀螺儀的制造方法，其特征在于，所述雙軸MEMS陀 螺儀為一種MEMS慣性傳感器。
全文摘要
雙軸MEMS陀螺儀的制造方法包括七個步驟提供一個底部晶圓，通過光刻和進行各向異性腐蝕后形成底部空腔；在底部晶圓上淀積第一層金屬，對第一層金屬進行光刻和刻蝕工藝后形成第一層金屬下電極和連線；在底部晶圓的第二層氧化硅上淀積第二層金屬，對第二層金屬進行光刻和刻蝕工藝后形成第二層金屬密封環和導電塊；提供一個頂部晶圓，通過干法工藝或濕法工藝在頂部晶圓上形成頂部空腔；提供一個MEMS晶圓，通過熔化鍵合工藝將MEMS晶圓與頂部晶圓鍵合在一起；利用化學機械拋光工藝將第一組合晶圓中的MEMS晶圓的厚度減小至設計要求的厚度；采用共晶鍵合的方法將第二組合晶圓與底部晶圓鍵合在一起。該雙軸陀螺儀的面積小且成本低。
文檔編號B81B7/02GK102134053SQ20101002304
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者華亞平, 鄒波 申請人:深迪半導體(上海)有限公司