[发明专利]基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式微机械加速度传感器，具体地说，涉及一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器。

背景技术

电容式硅微机械加速度传感器由于具有温度系数低，重复性好，性能稳定，抗冲击等优良特性而被广泛关注，是目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。

电容式硅微机械加速度传感器的制作方法又分为两大类，第一类是表面微机械加工法，第二类是体硅微机械加工法。前者与集成电路工艺兼容，具有集成度高成本低的优点，但也存在稳定性差，噪声大等缺点。而体硅式加工的微加速度计采用单晶硅作为敏感单元，质量块较大，因而灵敏度高，噪声小，性能稳定。因而高性能加速度计通常采用体硅工艺制作。

体硅工艺主要又可分为硅-玻璃键合工艺和硅-硅键合工艺两种。当对传感器的性能要求进一步提高后，比如精度要求达到战术级和导航级后，对材料的热涨系数的匹配要求也更加严格。从这一点来说，硅-硅键合又比硅-玻璃键合更胜一筹。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需要一层二氧化硅绝缘材料作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料或多或少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响到器件性能。因此，要想彻底消除热应力问题，最好是采用三维硅-硅直接键合，晶圆片之间不夹带任何非硅材料。

目前市场上普遍采用的SOI工艺是不可能达到这一要求的。因为晶圆片之间的二氧化硅绝缘层是将质量块和电极之间电隔离必不可少的材料之一。但是这一层绝缘层会或多或少在垂直于晶圆片的方向引起不匹配热应力。近年来发展起来的通孔硅技术是用二氧化硅作为垂直绝缘层，垂直的二氧化硅层对垂直方向的热应力影响较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种热应力较小、性能较好的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器及其加工工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，所述的三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；

所述的固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的通孔硅晶圆层的第一固定电极，相邻的第一固定电极之间具有垂直于所述的通孔硅晶圆层的第一绝缘层；

所述的质量块晶圆层通过单锚点硅-硅直接键合方式悬挂于所述的通孔硅晶圆层的下方；其包括对称的悬于所述的单锚点两侧的两个可动质量块，两个所述的可动质量块的大小相同、质量不同，其形成质量块电极，所述的质量块电极的大小相同；

所述的质量块电极与所述的第一固定电极为可变电容的两个极。

优选的，所述的三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅，所述的第一固定电极由所述的高掺杂单晶硅形成。

优选的，所述的第一固定电极的宽度为300-600μm，长度为500-1000μm。

优选的，所述的第一绝缘层由二氧化硅形成，所述的第一绝缘层的厚度即相邻的所述的第一固定电极之间的距离为10-20μm。

优选的，所述的质量块晶圆层的与所述的通孔硅晶圆层相键合的上表面具有第一浅坑，所述的质量块电极位于所述的第一浅坑中，所述的第一浅坑的深度为所述的可变电容的两个极的距离；所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层相键合的表面具有第二浅坑。

优选的，一个所述的可动质量块为实心，另一个所述的可动质量块为空心；所述的质量块晶圆层与固定电极晶圆层和封盖晶圆层直接硅-硅键合而被密封于中间。

第二种结构为三层结构，所述的封盖晶圆层为与所述的固定电极晶圆层结构相同的通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的封盖晶圆层的第二固定电极，相邻的第二固定电极之间具有垂直于所述的封盖晶圆层的第二绝缘层。

优选的，所述的质量块晶圆层与所述的固定电极晶圆层和封盖晶圆层直接硅-硅键合而被密封于中间，所述的质量块晶圆层与所述的第一固定电极和所述的第二固定电极上下对称，间距相等。