專利名稱：一種微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械慣性傳感器領(lǐng)域，包括微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加速度計(jì)和陀螺是最基本的慣性傳感器，分別用來測試物體的加速 度和角速度。微機(jī)械加速度計(jì)和陀螺在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域均 有重要的應(yīng)用，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ湫阅苡兄煌囊蟆?br> 加速度計(jì)和陀螺的性能受限于本身的機(jī)械熱噪聲基底，降低加速度計(jì)和陀 螺的布朗熱噪聲基底可有效提高加速度計(jì)和陀螺的性能。降低機(jī)械熱噪聲的主 要方法有兩種 一是降低加速度計(jì)系統(tǒng)和陀螺系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，二是提高加速 度計(jì)和陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量。目前國際上降低加速度計(jì)和陀螺阻尼系數(shù)的主 要方法有真空封裝，提高加速度計(jì)和陀螺可動(dòng)質(zhì)量塊的方法有用體硅微機(jī)械 的方法獲得大的可動(dòng)質(zhì)量塊；采用電鑄的方法添加金屬塊；通過人工裝配的方 法增加質(zhì)量；增加表面微機(jī)械器件的結(jié)構(gòu)層厚度等。
傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)加速度計(jì)和陀螺采用體硅微機(jī)械的加工方法增加結(jié)構(gòu)層厚 度，得到較大的可動(dòng)質(zhì)量塊，使其在大氣中工作時(shí)也具有較小的機(jī)械熱噪聲。 但傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放同時(shí)進(jìn)行，將硅片刻穿，使得可動(dòng) 質(zhì)量塊質(zhì)量受到限制，同時(shí)深反應(yīng)離子刻蝕過程中的滯后效應(yīng)和凹缺效應(yīng)會損 傷微機(jī)械器件的結(jié)構(gòu)，造成器件受損及柵電極表面粗糙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可提高梳狀柵電容加速度計(jì)和陀螺 的位移機(jī)械靈敏度及降低其機(jī)械熱噪聲的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容。
本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思是通過刻蝕或腐蝕體硅背面形成微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容 的柵電極，柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放分開進(jìn)行，柵電極不被刻穿并將柵槽深度 控制在一定范圍內(nèi)，由此進(jìn)一步提高加速度計(jì)和陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量。相對 于傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可在同等面積大幅度地提高加速度計(jì)和陀螺可動(dòng)質(zhì)量塊的質(zhì)量?？蓜?dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量的提高可使得加速度計(jì)和陀螺在其位移機(jī)械靈敏 度得到大幅度提升的同時(shí)，也使得其機(jī)械熱噪聲大幅度地下降。而柵電極的形 成和結(jié)構(gòu)釋放分開，還極大地降低了深反應(yīng)離子刻蝕過程中的凹缺效應(yīng)和滯后
效應(yīng)對微結(jié)構(gòu)的損傷，提高了器件成品率和加工質(zhì)量。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是
本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容主要包括固定電極和硅片上的與梁活動(dòng)連 接的柵電極，其特征是所述柵電極的柵槽深度的最小值與柵電容間距的比值
為1:1，所述柵電極的柵槽深度的最大值與所述硅片的厚度的比值為0.8:1。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述柵電極的柵槽深度與柵電容間距的比值》10:1，所
述柵電極的柵槽深度與硅片的厚度的比值《0. 5:1。
本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作方法主要包括以下步驟，
步驟一取硅片進(jìn)行清洗，先通過熱氧化在硅片的正反兩面形成氧化層，
接著在該硅片背面進(jìn)行光刻，對硅片正面涂光刻膠進(jìn)行保護(hù)，然后腐蝕硅片背
面的氧化層形成氧化層掩膜；
步驟二刻蝕或腐蝕硅片背面形成懸浮區(qū)域；
步驟三刻蝕或腐蝕硅片背面形成柵電極，所述柵電極的柵槽深度的最小 值與柵電容間距的比值為1:1，所述柵電極的柵槽深度的最大值與硅片的厚度的 比值為0.8:1;
步驟四選取玻璃片進(jìn)行清洗，在該玻璃片上淀積一層金屬薄膜，腐蝕該
金屬薄膜層形成固定金屬電極；
步驟五將步驟三得到的具有柵電極的硅片與步驟四得到的具有固定金屬 電極的玻璃片相對放置，進(jìn)行硅-玻璃鍵合，形成柵電容；
步驟六在鍵合后的硅片正面淀積一層金屬薄膜，然后腐蝕該金屬薄膜層， 形成體硅引出電極；
步驟七在步驟六得到的硅片上進(jìn)行光刻，利用深反應(yīng)離子刻蝕硅片以釋 放結(jié)構(gòu)形成梁和固定外框，得到微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容。
進(jìn)一步地，本發(fā)明步驟二所述的刻蝕為深反應(yīng)離子刻蝕，所述的腐蝕為各 向異性濕法腐蝕。
進(jìn)一步地，本發(fā)明步驟三所述的刻蝕為深反應(yīng)離子刻蝕，所述的腐蝕為各 向異性濕法腐蝕。
本發(fā)明新型微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的柵電容結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放分開進(jìn)行，柵電極不被刻穿并將柵槽深度控 制在一定范圍內(nèi)，由此進(jìn)一步提高加速度計(jì)和陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量，從而使 加速度計(jì)和陀螺的位移機(jī)械靈敏度得到大幅度提升，機(jī)械熱噪聲大幅度地下降。
(2) 柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放分開，柵電極的形成采用正面對準(zhǔn)，可將對 準(zhǔn)誤差控制在lum之內(nèi)，較傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)采用的正反對準(zhǔn)誤差可提高l 2um,從而提高了器件加工質(zhì)量和成品率。
(3) 柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放分開，避免了滯后效應(yīng)和凹缺效應(yīng)對柵電極 表面的損傷，獲得了光潔的柵電極表面。
(4) 極大地降低了結(jié)構(gòu)釋放時(shí)的刻蝕面積，有助于設(shè)計(jì)均一的刻蝕尺寸圖 形，從而極大減輕了滯后效應(yīng)，因而也減輕了凹缺效應(yīng)對器件底部的損傷。
(5) 降低了柵電極的柵槽的深寬比，減少了制作成本。


圖1是本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的柵電極與梁活動(dòng)連接時(shí)的結(jié)構(gòu)示意
圖2是本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的固定金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)梳狀柵電容的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟一所得到的硅片的 結(jié)構(gòu)示意圖7是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟二所得到的硅片的 結(jié)構(gòu)示意圖8是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟三所得到的形成柵 電極的硅片的結(jié)構(gòu)示意圖9是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟四所得到的形成固 定金屬電極的玻璃片的結(jié)構(gòu)示意圖10是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟五所得到的柵電容 的結(jié)構(gòu)示意圖11是制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的過程中步驟六所得到的形成了體硅引出電極的柵電容的結(jié)構(gòu)示意圖中l(wèi).硅片，2.氧化層掩膜，3.懸浮區(qū)域，4.柵電極，5.柵槽，6. 玻璃片，7.固定金屬電極，8.體硅引出電極，9.U型梁，10.固定外框，11. 本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的柵電極表面，12.傳統(tǒng)梳狀柵電容的柵電極表 面，a.硅片厚度，b.懸浮區(qū)域?qū)挾龋琧.懸浮區(qū)域深度，d.柵槽深度，e.柵槽 寬度，f.柵電容間距。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作工藝步驟主要包括(1)對硅片1進(jìn) 行熱氧化形成氧化層并腐蝕氧化層形成氧化層掩膜2; (2)刻蝕或腐蝕硅片背面 形成懸浮區(qū)域3; (3)在硅片背面形成柵電極4和柵槽5; (4)腐蝕玻璃片6上 的金屬形成固定金屬電極7; (5)硅一玻璃鍵合形成柵電容；(6)腐蝕硅正面金
屬形成體硅引出電極8; (7)利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)進(jìn)行釋放形成U型梁9，
得到本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容。
以下以具體實(shí)施例說明本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作過程
步驟一如圖6所示，選取低阻n型(100)雙拋單晶硅片l，硅片電阻率 為0. Ol化cm，硅片厚度a為300網(wǎng)。清洗硅片，進(jìn)行熱氧化，常用溫度為900 1200°C。根據(jù)氧化氣氛不同可分為干氧氧化、水汽氧化和濕氧氧化。干氧氧化 是以干燥純凈的氧氣作為氧化氣氛，在高溫下氧直接與硅反應(yīng)生成二氧化硅； 水汽氧化是以高純水蒸汽為氧化氣氛，由硅片表面的硅原子和水分子反應(yīng)生成 二氧化硅，水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的為大；而濕氧氧化實(shí)質(zhì)上是干氧 氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之間。本實(shí)施例中采用干氧氧化在 硅片正反兩面氧化出0.5^11的二氧化硅層，本發(fā)明也可采用上述的其他熱氧化 方法。接著在硅片背面進(jìn)行第一次光刻，并對硅片正面涂光刻膠進(jìn)行保護(hù)。然 后腐蝕硅片背面的二氧化硅層形成氧化層掩膜2。
步驟二如圖7所示，利用各向異性濕法腐蝕在硅片1背面形成懸浮區(qū)域3， 懸浮區(qū)域深度c為2pm， 一般情況下懸浮區(qū)域?qū)挾萣達(dá)到上百微米甚至更寬。
步驟三如圖8所示，先在硅片1背面進(jìn)行第二次光刻以形成柵電極4的 圖形，后利用深反應(yīng)離子刻蝕形成柵電極4。其中，柵槽5的深度d為60拜， 該柵槽5的深度d與硅片厚度a的比值為0.2:l，柵槽5的寬度e為20^irn，柵 槽5的深寬比為3:1。步驟四如圖9所示，選取Pyrex#7740玻璃片6 (厚度為500Mm)并清洗, 在該玻璃片的正面淀積一層金屬鋁薄膜，厚度為0. 5nm，所用金屬也可以是金等。 然后進(jìn)行第三次光刻，利用濃磷酸溶液腐蝕鋁，從而在玻璃片上形成固定金屬 電極7。
步驟五如圖10所示，將具有柵電極4的硅片1與具有固定金屬電極7的 玻璃片6相對放置，進(jìn)行硅-玻璃鍵合，鍵合溫度為350。C，鍵合電壓為800V， 加lkg的壓力。柵電極4與固定金屬電極7之間的間距即為柵電容間距f，柵電 容間距f為1. 5pm，此時(shí)柵槽深度與柵電容間距比值為40:1;
步驟六清洗鍵合片，在硅片正面淀積一層金屬鋁薄膜，該金屬鋁薄膜的 厚度為0.5pm，所用金屬也可以是金等。接著進(jìn)行第四次光刻，利用濃磷酸溶液 腐蝕鋁，形成如圖11所示的體硅引出電極8;
步驟七在鍵合片的正面涂厚膠，進(jìn)行第五次光刻，形成U型梁等圖形， 利用深反應(yīng)離子刻穿硅片，刻蝕深度為298pm，形成如圖2所示的U型梁9及固 定外框IO，得到本發(fā)明的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容。
一般來說，濕法腐蝕可分為溶液法和陽極法，溶液腐蝕依賴于硅的掩蔽性， 各向異性，選擇性，具有使用方便，成本低，加工效果好，加工范圍寬等優(yōu)點(diǎn)， 但難以加工出深寬比大的柵槽結(jié)構(gòu)。各向異性濕法腐蝕是利用硅的不同晶向具 有不同的腐蝕速率這一腐蝕特性對硅材料進(jìn)行加工。各向異性濕法腐蝕根據(jù)腐 蝕劑的不同還可分為有機(jī)腐蝕劑和無機(jī)腐蝕劑兩類。例如，本發(fā)明可采用無機(jī) 腐蝕劑氫氧化鉀溶液對硅片進(jìn)行腐蝕。干法刻蝕種類較多，常見的有等離子體 刻蝕、深反應(yīng)離子刻蝕等。深反應(yīng)離子刻蝕主要應(yīng)用于微機(jī)械器件制造中硅材 料的柵槽的刻蝕，能加工出深寬比大的柵槽結(jié)構(gòu)。在制作本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳 狀柵電容的過程中，對于其中的步驟二和步驟三，本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以根據(jù) 具體需要選擇適當(dāng)?shù)目涛g或腐蝕方法。對于其中的步驟四和步驟六，可根據(jù)制 作固定金屬電極時(shí)所選用的金屬選擇適當(dāng)?shù)母g方法，如鋁可采用濃磷酸溶液， 金可采用王水。
如圖1所示，本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容中的柵電極4通過U型梁9活 動(dòng)連接在固定外框10上。固定外框10是在步驟七中利用深反應(yīng)離子刻穿硅片 形成。U型梁9是眾多梁結(jié)構(gòu)中的一種，除U型梁9外，也可采用直梁、折疊梁 等將柵電極4活動(dòng)連接在固定外框10上。圖3是本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容 的固定金屬電極7的結(jié)構(gòu)示意圖，該固定金屬電極7與圖1所示的柵電極4形
7成柵電容。為避免未刻穿的柵槽5引入過大的寄生電容致使器件性能下降，柵 槽5的深度d不能過小，它與柵電容間距f的比值最好》1:1;為保證柵電極4 有一定的機(jī)械強(qiáng)度，柵槽5的深度d也不能過大，它與硅片1的厚度a的比值 最好《0.8:1。
利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為2. 09X10—6kg、 位移機(jī)械靈敏度為1.49X10—Vm/g、機(jī)械熱噪聲為5.78X10—7g/VHZ;利用傳統(tǒng) 柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為5.96X10_6kg、位移機(jī)械靈敏度為 1.46X10—9m/° /s、機(jī)械熱噪聲為2. 176X10—5rad/s。
按上述具體工藝步驟制作出的新型微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容，其柵槽深度d 為60拜、柵電容間距f為1. 5|Lim、硅片厚度a為300拜、柵槽深度d與柵電容 間距f的比值為40:l，柵槽深度d與硅片厚度a的比值為0.2:l。由此制作出 的微機(jī)械加速度計(jì)，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為3.30X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容 結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量提高了 58.0%;其位移機(jī)械靈敏度為 2. 36X 10—Vm/g，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的位移機(jī)械靈敏 度提高了 58. 0%;其機(jī)械熱噪聲為3. 66X 10—7g/ VHz，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié) 構(gòu)制作出的加速度計(jì)的機(jī)械熱噪聲降低了 36. 7%。利用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵 電容制作出的微機(jī)械陀螺，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為9.66X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng) 柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量提高了 62. 2%;其位移機(jī)械靈敏度為 3.02X10"9111/。 /s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的位移機(jī)械靈敏度 提高了 106.5%;其機(jī)械熱噪聲為1.054X10—5rad/s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié) 構(gòu)制作出的陀螺的機(jī)械熱噪聲降低了 51. 6%。
當(dāng)本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的硅片厚度a為300pm、柵電容間距f為 1. 5蹕、柵槽深度d為1. 5mhi時(shí)，柵槽深度d與柵電容間距f比值為1:1，柵槽 深度d與硅片厚度a的比值為0.005:1，制作出的微機(jī)械加速度計(jì)，其可動(dòng)質(zhì)量 塊質(zhì)量為3. 60X 10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的可動(dòng)質(zhì) 量塊質(zhì)量提高了 72.24%;其位移機(jī)械靈敏度為2.57X10—>n/g，相對于利用傳 統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的位移機(jī)械靈敏度提高了 72.24%;其機(jī)械熱噪 聲為3. 36X10—7g/VHZ，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的械熱噪 聲降低了 41.94%。利用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容制作出的微機(jī)械陀螺，其 可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為1.06X10—5kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的可 動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量提高了 77.42%;其位移機(jī)械靈敏度為3.46X10—9m/° /s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的位移機(jī)械靈敏度提高了 136. 33%;其機(jī)械熱 噪聲為0.92X10—5rad/s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的機(jī)械熱噪 聲降低了 57. 69%。
當(dāng)本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的當(dāng)硅片厚度a為300)Lim、柵電容間距f 為1. 5pm、柵槽深度d為15^xm時(shí)，柵槽深度d與柵電容間距f比值為10: 1,柵 槽深度d與硅片厚度a的比值為0.05:1，制作出的微機(jī)械加速度計(jì)，其可動(dòng)質(zhì) 量塊質(zhì)量為3. 53X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的可動(dòng) 質(zhì)量塊質(zhì)量提高了69.0%;其為2.52X10—Vm/g，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制 作出的加速度計(jì)的位移機(jī)械靈敏度提高了 69.0%;其機(jī)械熱噪聲為3.42X10—7g/ VHz，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的加速度計(jì)的機(jī)械熱噪聲降低了 40.8%。利用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容制作出的微機(jī)械陀螺，其可動(dòng)質(zhì)量塊 質(zhì)量為1.04X10—5kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì) 量提高了73.9%;其位移機(jī)械靈敏度為3.36X10—9m/° /s，相對于利用傳統(tǒng)柵電 容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的位移機(jī)械靈敏度提高了 129.3%;其機(jī)械熱噪聲為0.95X 10—5rad/S，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的機(jī)械熱噪聲降低了 56. 4%。
當(dāng)本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的硅片厚度為300^im、柵槽深度d為150^m、 柵電容間距f為1.5jLim時(shí)，柵槽深度d與硅片厚度a比值為0.5:l，柵槽深度d 與柵電容間距f的比值為100:1，制作出微機(jī)械加速度計(jì)，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為 2. 84X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度計(jì)的可動(dòng)質(zhì)量 塊質(zhì)量提高了36.1%;其位移機(jī)械靈敏度為2.03X10—Vm/g，相對于利用傳統(tǒng)柵 電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度計(jì)的位移機(jī)械靈敏度提高了 36.1%;其機(jī)械熱噪 聲為4. 25X 1(Tg/ VHz，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度計(jì)的 機(jī)械熱噪聲降低了 26.5%。用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容制作出的微機(jī)械陀 螺，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為8.26Xl(T6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀 螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量提高了 38. 7%;其位移機(jī)械靈敏度為2.39X10—9m/° /s,相 對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的位移機(jī)械靈敏度提高了 63. 3%;其機(jī)械 熱噪聲為1.33X10—5rad/s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的機(jī)械熱 噪聲降低了 38. 8%。
當(dāng)本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的硅片厚度為300nm、柵槽深度d為240^、 柵電容間距f為1.5nm時(shí)，柵槽深度d與硅片厚度a比值為0.8:l，柵槽深度d與柵電容間距f的比值為160:1，制作出微機(jī)械加速度計(jì)，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為 2. 38X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度計(jì)的可動(dòng)質(zhì)量 塊質(zhì)量提高了 14.13%;其位移機(jī)械靈敏度為1.70X10—Vm/g，相對于利用傳統(tǒng) 柵電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度計(jì)的位移機(jī)械靈敏度提高了 14.13%;其機(jī)械 熱噪聲為5.07X10_7g/VHz，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的微機(jī)械加速度 計(jì)的機(jī)械熱噪聲降低了 12.38%;用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容制作出的微機(jī) 械陀螺，其可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量為6.86X10—6kg，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出 的陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量提高了 15.15%;其位移機(jī)械靈敏度為1.81X10—9m/° /s，相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的位移機(jī)械靈敏度提高了 23. 56%; 其機(jī)械熱噪聲為1.76X10—5rad/s,相對于利用傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)制作出的陀螺的 機(jī)械熱噪聲降低了 19.07%。
本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容取得了如下的技術(shù)效果
(a) 由于柵電極不被刻穿且柵槽深度d控制在一定范圍之內(nèi)，因此提高了
可動(dòng)質(zhì)量塊質(zhì)量,增加了機(jī)械靈敏度，降低了機(jī)械熱噪聲；
(b) 形成柵電極4時(shí)的對準(zhǔn)為正面對準(zhǔn)，相比于傳統(tǒng)梳狀柵電容結(jié)構(gòu)柵電 極的正反對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度可提高l 2um;
(c) 形成柵電極4時(shí)的刻蝕圖形與結(jié)構(gòu)釋放時(shí)的刻蝕圖形其柵槽具有不同 的深寬比，柵電極的形成與結(jié)構(gòu)釋放分開進(jìn)行，讓具有相同深寬比的柵槽的刻 蝕圖形在同一步驟中進(jìn)行刻蝕，降低了深反應(yīng)離子刻蝕中的凹缺效應(yīng)和滯后效 應(yīng)給器件帶來的損傷。對此，可參看圖4及圖5 。圖4和圖5分別給出了現(xiàn)有 技術(shù)中傳統(tǒng)梳狀柵電容的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖及本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容 的柵電極的結(jié)構(gòu)示意圖。則由兩張圖可以看到，本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容 的柵電極表面11比傳統(tǒng)梳狀柵電容的柵電極表面12具有更為平整的表面，且 柵電極4所受損傷更小。
(d) 本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容具有低深寬比，因此降低了制作成本。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容，它包括固定電極和硅片上的與梁活動(dòng)連接的柵電極，其特征是所述柵電極的柵槽深度的最小值與柵電容間距的比值為1∶1，所述柵電極的柵槽深度的最大值與所述硅片的厚度的比值為0.8∶1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容，其特征是所述柵 電極的柵槽深度與柵電容間距的比值》10:1，所述柵電極的柵槽深度與硅片的 厚度的比值《0.5:1。
3. —種權(quán)利要求1所述的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作方法，其特征是包 括以下步驟，步驟一取硅片進(jìn)行清洗，先通過熱氧化在硅片的正反兩面形成氧化層， 接著在該硅片背面進(jìn)行光刻，對硅片正面涂光刻膠進(jìn)行保護(hù)，然后腐蝕硅片背 面的氧化層形成氧化層掩膜；步驟二刻蝕或腐蝕硅片背面形成懸浮區(qū)域；步驟三刻蝕或腐蝕硅片背面形成柵電極，所述柵電極的柵槽深度的最小 值與柵電容間距的比值為1:1，所述柵電極的柵槽深度的最大值與硅片的厚度的 比值為0.8:1;步驟四選取玻璃片進(jìn)行清洗，在該玻璃片上淀積一層金屬薄膜，腐蝕該 金屬薄膜層形成固定金屬電極；步驟五將步驟三得到的具有柵電極的硅片與步驟四得到的具有固定金屬 電極的玻璃片相對放置，進(jìn)行硅-玻璃鍵合，形成柵電容；步驟六在鍵合后的硅片正面淀積一層金屬薄膜，然后腐蝕該金屬薄膜層， 形成體硅引出電極；步驟七在步驟六得到的硅片上進(jìn)行光刻，利用深反應(yīng)離子刻蝕硅片以釋 放結(jié)構(gòu)形成梁和固定外框，得到微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作方法，其特征是 步驟二所述的刻蝕為深反應(yīng)離子刻蝕，所述的腐蝕為各向異性濕法腐蝕。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容的制作方法，其特征是 步驟三所述的刻蝕為深反應(yīng)離子刻蝕，所述的腐蝕為各向異性濕法腐蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺的微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容及其制作方法，它包括固定電極和硅片上的與梁活動(dòng)連接的柵電極，柵電極的柵槽深度的最小值與柵電容間距的比值為1∶1，所述柵電極的柵槽深度的最大值與硅片厚度的比值為0.8∶1。對于采用本發(fā)明微機(jī)械可動(dòng)梳狀柵電容結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和陀螺相對傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)，在器件性能上，在同等面積下可大幅度地提高加速度計(jì)和陀螺可動(dòng)質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而大幅度提升加速度計(jì)和陀螺的位移機(jī)械靈敏度，同時(shí)大幅度地降低其機(jī)械熱噪聲；在器件加工質(zhì)量上，本發(fā)明柵電極的形成和結(jié)構(gòu)釋放分開，極大地降低了深反應(yīng)離子刻蝕過程中的凹缺效應(yīng)和滯后效應(yīng)對器件的損傷，提高了器件成品率和加工質(zhì)量。
文檔編號G01P15/125GK101639486SQ20091010195
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者霞 張, 胡世昌, 鄭旭東, 金仲和 申請人:浙江大學(xué)