[發明專利]一種SOI型MEMS結構及其加工方法

有效

• 申請號: 202011507448.4
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112591705B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 劉福民;張樂民;楊靜;劉宇;馬驍;梁德春;崔尉;張樹偉
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

本發明提供了一種SOI型MEMS結構及其加工方法，包括上層器件層底層襯底層和中間的錨區層，通過襯底層和器件層晶圓鍵合與刻蝕技術，形成由錨區支撐的可動質量塊結構。首先在器件層晶圓上加工形成錨區，在襯底層晶圓上加工形成電極焊盤和電極引線，通過硅?硅直接鍵合的方式形成鍵合片，減薄鍵合片至所需厚度，刻蝕形成帶電極引出的可動質量塊結構。與傳統SOG結構的帶電極引出的可動質量塊結構相比，本發明采用薄頂層硅的SOI晶圓作為襯底層，電極引線采用低阻硅材料，通過硅?硅直接鍵合形成鍵合片，具有更高的鍵合強度和更好的機械可靠性；結構主要材料為硅材料，具有相同的熱膨脹系數，避免了材料間的熱失配，從而使所加工的產品具有更好的溫度穩定性。

技術領域

本發明屬于微機電系統(MEMS)制造技術領域，特別涉及一種SOI(Silicon-On-Insulator)型MEMS結構及其加工方法。

背景技術

在微機電系統(MEMS)傳感器中常采用可動質量塊結構及電容結構實現壓力、振動、加速度、角速度等物理量的測量或轉換。一種常用的工藝制備方法是通過晶圓鍵合的方式實現兩層晶圓的鍵合，通過減薄及刻蝕加工一側的晶圓，形成可動質量塊及電容結構。

SOG(Silicon-on-Glass)結構是一種常用的可動質量塊與電容結構實現方式，其采用陽極鍵合工藝實現帶有電極的玻璃襯底與器件層晶圓結合，并通過光刻和干法刻蝕加工形成MEMS敏感結構。由于硅與玻璃及金屬電極間熱膨脹系數存在較大差異，不同溫度條件下器件存在彎曲形變，影響器件工作性能。在敏感結構的加工過程中，存在的一個難題是待刻蝕的可動質量塊及電容結構圖形往往較為復雜，存在不同尺寸的孔隙。這些孔隙在刻蝕過程中具有不同的刻蝕速率，為保證各處孔隙均刻蝕完成，往往會造成襯底片表面損傷，造成器件失效。并且刻蝕過程中在結構底部會沉積刻蝕工藝聚合物，影響產品工作性能。

發明內容

為了克服現有技術中的不足，本發明人進行了銳意研究，提供了一種SOI型MEMS結構及其加工方法，采用SOI型MEMS結構，解決結構材料熱膨脹系數失配問題，提高器件溫度穩定性，并克服可動質量塊及電容結構在刻蝕工藝過程中，由于不同尺寸孔隙的刻蝕速率差異，造成襯底片表面損傷和結構底部沉積聚合物的問題，從而完成本發明。

本發明提供的技術方案如下：

第一方面，一種SOI型MEMS結構，包括上層器件層、底層襯底層和中間的錨區層，所述錨區層分布著多個錨區，器件層和襯底層通過錨區連接；

襯底層由下至上依次包括襯底、絕緣層、電極引線和電極焊盤，所述襯底為硅材料，絕緣層為氧化硅，電極引線為低阻硅材料，電阻率0.001～0.1Ω·cm，電極焊盤為鉻/金或鈦/金復合層，鉻層或鈦層位于下層，金層位于上層；電極引線一端與電極焊盤連接，另一端與錨區連接；

所述器件層、錨區層均為低阻硅材料，電阻率為0.001～0.1Ω·cm；器件層上通過光刻與干法刻蝕形成多個孔隙，在器件層上形成MEMS敏感結構元件；在MEMS結構加工過程中器件層底部設置有過刻蝕阻擋層，結構加工完成后，過刻蝕阻擋層被去除。

第二方面，一種SOI型MEMS結構的加工方法，包括以下步驟，

步驟1，在器件層的晶圓上，通過光刻與干法刻蝕工藝加工出錨區；

步驟2，采用硬掩模遮擋，在器件層的晶圓背面非錨區區域通過磁控濺射或電子束蒸發的方式生長過刻蝕阻擋層；

步驟3，在襯底層的SOI晶圓背面，通過光刻與干法刻蝕加工形成對準標記11；

步驟4，在襯底層的SOI晶圓正面磁控濺射或電子束蒸發形成鉻/金或鈦/金復合金屬層，鉻層或鈦層位于下層，金層位于上層，光刻并腐蝕金屬層，形成電極焊盤；

步驟5：在襯底層的SOI晶圓正面光刻并干法刻蝕頂層硅，形成電極引線；