专利名称：：一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计的制作方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种全新结构的带静电自检测功能的加速度计(或称加速度传感器)，更确切地说这种带静电自检测功能的加速度计是由单硅片体微机械工艺实现的。属于硅微机械传感器
技术领域：
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背景技术：
：随着硅微机械加工工艺的日益成熟，硅微机械加速度传感器由于具有体积小、价格低和适合批量生产的优势，被广泛地应用于各种运动量的测量应用领域中。随着商品化的硅微机械加速度传感器应用越来越广泛，市场对该器件的各方面性能也提出了更高的要求。在许多的应用领域，必须能够及时获取加速度传感器是否失效的信息。比如地质勘探时，往往需要将大量的加速度计组成链状阵列，这其中任何一个加速度计的损坏都会对最终结果的精度造成影响，这种情况下加速度计的“可自检”(self-testable)是非常重要的功能。此外当加速度传感器用于控制系统时，出于可靠性考虑，自检功能往往是必要的。比如用于汽车安全气囊控制系统的加速度计，在汽车引擎发动时，往往会进行电自检测以确认该设备是否正常工作。硅微机械加速度传感器的检测核心部件为硅微机械敏感梁——质量块结构。往往采用压阻效应等电敏感方式被用来实现电信号读出。采用各向异性腐蚀等传统体微机械工艺制造的敏感梁结构是垂直于硅片平面方向挠动的，并且在器件的上下表面均键合了盖板，起到过载保护和阻尼间隙的作用。该结构正好提供了进行静电自检测的电容(HenryV.Allen，StephenC.Terry，DiederikW.DeBruin，Accelerometersystemswithself-testablefeatures，SensorsandActuators，Vol.20(1989)，153-161E.H.)，如图1所示，是一个量程为5g可自检的加速度计系统，它在上盖板和质量块上分别施加电压V1和V2。为了实现静电力驱动自检功能，本发明拟对原有结构做了两个改动1.在保证上盖板与框架之间阻尼系数不变的情况下，将过载保护部分面积做得尽可能大，以尽可能增大静电驱动力；2.为了器件易于制作和封装，上盖板上施加自检电压的电极，通过金属引线引到框架上一起焊接。近年来随着深反应离子刻蚀工艺(DRIE)的日益成熟，可以在硅片平面内制作挠动的敏感梁结构(Klaassen，K.Petersen，J.M.Noworolski，J.Logan，N.I.Maluf，J.Brown，C.Storment，W.McCully，andG.T.A.Kovacs，“Siliconfusionbondinganddeepreactiveionetching；Anewtechnologyformicrostructures，”inProc.Int.Solid-StateSens.Actuators，TransducersConf.，1995，pp.556-559)。这样制作的器件的优点是灵敏度和谐振频率都与刻蚀深度无关而只与光刻精度有关，同时可以避免键合上下盖板，利用刻蚀间隙实现自限制，简化了工艺制程。此类结构的加速度传感器，由于无上下盖板，不能使用前述结构实现静电自检测。尤其是考虑到SOI硅片的昂贵价格，希望采用普通硅片实现该自检测系统，目前国内外尚无相关报道。
发明内容本发明的目的在于提供一种带有静电自检测功能的加速度传感器，也即是使平面内自限制结构的压阻式加速度传感器具有电自检测功能。从成本角度考虑，本发明采有普通单晶硅片的体微机械工艺实现本器件制作。为了在器件垂直于硅片平面的方向形成自检驱动的电容结构，对器件的刻蚀侧壁进行半导体掺杂。从而在掺杂工艺同时在器件的侧壁形成了敏感电阻。为了对拓扑相连的侧壁结构进行绝缘，使用二氧化硅薄膜填充的绝缘条将侧壁隔绝为不同电学区域。本发明的加速度传感器的立体结构示意图如图2所示。在使用DRIE将硅体垂直刻透之后，梁——质量块结构可以横向摆动。使用侧壁掺杂扩散技术在刻透的硅体深沟侧壁淀积一层掺杂杂质，并使用深沟绝缘槽在外侧壁特定区域形成电绝缘区域，这些区域可以被独立施加电压，利用电容极板间静电力的原理驱动悬臂梁——质量块，达到自检目的。侧壁掺杂扩散在内侧壁形成了压阻敏感电阻，同样用深沟绝缘槽将其与侧壁其它杂质扩散区域电学隔离。综上所述，本发明提供的一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度传感器，包括横向摆动加速度敏感悬臂梁与质量块、梁的根部支撑框架、深沟电隔离绝缘条。其特征在于(1)使用非键合单硅片制造、同一个器件上集成了加速度传感器和静电驱动执行器、使用深沟电隔离绝缘条把体硅深刻蚀侧壁隔绝为不同电学区域后，独立出适当的区域用以实现静电驱动；(2)在体硅结构上形成垂直于硅片平面方向的静电驱动电容结构，该结构使用多个深沟电隔离绝缘条将半导体掺杂的侧壁电学隔离，从而实现了在不同电学区域上施加不同的电压；(3)采用普通未键合硅片在同一个器件上集成了压阻式加速度传感器和静电驱动执行器。(4)静电驱动电容结构和敏感压阻部分通过在深反应离子刻蚀(DRIE)形成的高深宽比沟槽中进行半导体掺杂扩散形成。(5)用于隔离不同电学区域的深沟电隔离绝缘条，可以采用任何体微机械加工而成，包括硅深刻蚀后使用电学绝缘薄膜填充。该绝缘条的特征是垂直于硅片平面将刻蚀侧壁物理切断。本发明提供的带静电自检测的加速度计利用单硅片体微机械工艺实现的具体工艺步骤，详见实施例。本器件为单片集成，十分有利于封装和批量生产。图1可自检的加速度传感器剖示2本发明的加速度传感器立体示意中1.横向摆动加速度敏感悬臂梁与质量块2.梁的根部支撑框架3.DRIE刻蚀的纵向深沟间隙4.深沟电隔离绝缘条5.侧壁扩散压阻敏感电阻6.被电隔离的外侧壁杂质扩散区7.表面重掺杂区图3本发明的加速度传感器制作流程(1)为图2所示传感器的AA′、BB′剖面方向(2)表示AA′视角所示的工艺流程(3)表示BB′视角所示的工艺流程具体实施方式本发明提供的一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计的加速度计器，一种可能的制作实施方式如图3所示，其中左半部(2)表示AA′视角；右半部表示(3)表示BB′视角。本器件的实施绝不仅限于此工艺流程。结合如下所选用的材料4英寸双抛N型(100)硅片，电阻率3～8Ω·cm，片厚450±10μm，<110>切边清除，且角度误差＜1％。1.使用KOH溶液湿法腐蚀，对硅片背面选择性减薄，同时利用{111}截止面形成倒三角形分片槽。衬底剩余部分厚度超过器件的设计厚度；2.用DRIE设备进行硅的深刻蚀形成绝缘槽，刻蚀深度超过器件的设计深度，但不能刻穿，为绝缘槽的填充作准备；3.用热氧化的方式，在整个绝缘槽内腔形成一层二氧化硅薄膜，然后使用气相化学方法淀积一层多晶硅薄膜。控制厚度，使膜厚大约为氧化后绝缘槽剩余宽度的1/4；4.热氧化，将淀积的多晶硅薄膜转换为二氧化硅膜，并且可以将绝缘槽彻底塞死，使之成为电绝缘的二氧化硅条。考虑到被填充的深沟绝缘槽表面状况不平整，因此去除表面覆盖的SiO2层时，在被填塞的缝隙上面预留一个保护盖；5.氧化，并光刻出表面局部浓硼扩散区域后扩浓硼，以形成电欧姆接触区域。为了下一步引线孔制作，再分布时通湿氧生成一层二氧化硅绝缘薄膜；6.先光刻出引线孔，在二氧化硅上腐蚀出引线孔区域后，用光刻胶将其覆盖，再光刻出器件结构刻蚀区域。注意该区域下一步深刻蚀之后，在合适的侧壁，必须和前面的浓硼区域接触，确保电学连接。同时，也要在合适的侧壁，确保被二氧化硅填充绝缘条隔断，达到电绝缘的目的；7.以前面步骤留下的光刻胶为掩模，使用DRIE进行深刻蚀，从上向下刻蚀到器件的设计深度；8.使用氧离子点膜去除侧壁氟化物后，使用固态源扩散的方式，进行淡硼扩散，在器件的侧壁产生所需浓度和结深的P型层，以形成压阻结构和侧壁驱动电容结构；9.考虑到此时器件表面不甚平整，采用剥离(lift-off)工艺在引线孔形成铝导电薄膜。先光刻出铝引线、焊盘区域后，不后烘直接溅射铝，然后使用有机去胶液超声去胶，将光刻胶上的铝薄膜剥离，剩余的铝即为所需；10.器件背面使用干法刻蚀设备进行整体减薄，直至整个器件的梁被释放，并且可以从反面观察到绝缘槽。权利要求1.单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计器，包括横向摆动加速度敏感悬臂梁与质量块(1)、梁的根部支撑框架(2)，其特征在于使用非键合单硅片在同一个器件上集成了加速度传感器和静电驱动执行器、使用多个深沟电隔离绝缘条(4)把体硅深刻蚀侧壁隔绝为不同电学区域后，独立出适当的区域用以实现静电驱动。2.按权利要求1所述的带静电自检测的加速度计器，其特征在于所述的多个深沟电隔离绝缘条将半导体掺杂的侧壁电学隔离，在体硅结构上形成垂直于硅片平面方向的静电驱动电容结构，从而实现了在不同电学区域上施加不同的电压。3.按权利要求1或2所述的带静电自检测的加速度计器，其特征在于所述的电隔离绝缘条是由二氧化硅薄膜填充。4.按权利要求1所述的带静电自检测的加速度计器的实现方法，其特征是(1)是采用普通未键合硅片在同一个器件上集成了压阻式加速度传感器和静电驱动执行器；(2)静电驱动电容结构和敏感压阻部分通过在深反应离子刻蚀形成的高深宽比沟槽中进行半导体掺杂扩散形成；(3)用于隔离不同电学区域的深沟电隔离绝缘条，采用体微机械加工而成，包括硅深刻蚀后使用电学绝缘薄膜填充。该绝缘条是垂直于硅片平面将刻蚀侧壁物理切断。5.按权利要求4所述的带静电自检测的加速度计器的实现方法，其特征在于具体工艺步骤是(1)所选用的材料4英寸双抛N型(100)硅片，电阻率3～8Ω·cm，片厚450±10μm，<110>切边清除，且角度误差＜1％；使用KOH溶液湿法腐蚀，对硅片背面选择性减薄，同时利用{111}截止面形成倒三角形分片槽；衬底剩余部分厚度超过器件的设计厚度；(2)用DRIE设备进行硅的深刻蚀形成绝缘槽，刻蚀深度超过器件的设计深度，但不能刻穿，为绝缘槽的填充作准备；(3)用热氧化的方式，在整个绝缘槽内腔形成一层二氧化硅薄膜，然后使用气相化学方法淀积一层多晶硅薄膜，使膜厚为氧化后绝缘槽剩余宽度的1/4；(4)热氧化，将淀积的多晶硅薄膜转换为二氧化硅膜，并且可以将绝缘槽成为电绝缘的二氧化硅条；(5)氧化，并光刻出表面局部浓硼扩散区域后扩浓硼，以形成电欧姆接触区域；通湿氧生成一层二氧化硅绝缘薄膜；(6)先光刻出引线孔，在二氧化硅上腐蚀出引线孔区域后，用光刻胶将其覆盖，再光刻出器件结构刻蚀区域；和上述步骤(5)中浓硼区域接触，确保电学连接；同时，在侧壁，用二氧化硅填充绝缘条隔断，达到电绝缘的目的；(7)以步骤(6)留下的光刻胶为掩模，使用DRIE进行深刻蚀，从上向下刻蚀到器件的设计深度；(8)使用氧离子点膜去除侧壁氟化物后，使用固态源扩散的方式，进行淡硼扩散，在器件的侧壁产生所需浓度和结深的P型层，以形成压阻结构和侧壁驱动电容结构；(9)采用剥离工艺在引线孔形成铝导电薄膜；方法是先光刻出铝引线、焊盘区域后，不后烘直接溅射铝，然后使用有机去胶液超声去胶，将光刻胶上的铝薄膜剥离，剩余的铝即为所需；(10)器件背面使用干法刻蚀设备进行整体减薄，直至整个器件的梁被释放，并且从反面观察到绝缘槽。全文摘要本发明涉及一种单硅片体微机械工艺实现的带有静电自检测功能的加速度传感器，其特征在于它在同一个单元上集成了加速度传感器和自检驱动执行器。使用深沟电隔离绝缘条将体硅深刻蚀侧壁隔绝为不同电学区域后，独立出适当的区域用以实现静电驱动。该传感器采用压阻敏感原理，在平面内自限制工作。该器件使用深反应离子(DRIE)刻蚀出可横向摆动的悬臂梁，在刻蚀深沟进行侧壁扩散与侧壁绝缘形成敏感压阻和静电驱动电容。本加速度传感器采用非键合的普通单硅片制造。本器件为单片集成，有利于封装和批量生产。文档编号G01P15/00GK1570651SQ20041001807公开日2005年1月26日申请日期2004年4月29日优先权日2004年4月29日发明者李昕欣,程保罗,王跃林申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所