自对准多晶硅单晶硅混合MEMS垂直梳齿电极的制作方法

本技术属于微电子晶圆加工的，具体是涉及一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极。

背景技术：

1、mems(micro-electro-mechanical system)芯片中通常具有可动结构、支撑可动结构的固定结构和弹簧结构、固定电极以及为可动结构提供自由活动空间的腔体。一些mems芯片结构需要驱动结构，为mems可动结构提供运动动力，这些动力包括静电力、磁力、流体压力、压电力等等，其中最广泛的是静电力，例如mems振荡器、mems陀螺仪、谐振式mems加速度计、mems微镜、mems光衰减器、谐振式mems压力传感器、mems致动器等都要用到静电力机械驱动结构。一般静电力由固定电极和可动电极间的电压差提供，通过平行板电极或叉指电极驱动可动结构上相应的电极，使可动结构产生可控制的运动。可动结构的运动方向根据mems器件的功能要求可以是水平方向的，也可以是垂直方向的，水平方向的驱动结构比较容易加工，垂直方向的驱动结构加工工艺复杂。平行板电极驱动距离小、线性度差、单位面积驱动效率低，所以一些mems器件，如光衰减器、微镜、以及某些三轴陀螺仪需要用到垂直方向的梳齿电极驱动结构。另外，一些mems传感器的信号通过可动结构的位移来感测信号，如mems陀螺仪、mems加速度计等，它们的芯片设计中也需用到要垂直电极结构。

2、图1所示的垂直电极(以下所述的垂直电极均指mems可动电极沿垂直于mems芯片底板方向运动的电极结构)结构是最容易加工的，可动电极173与固定电极171在上部形成一个高度差d，下部无高度差，电极间距为w0，可动电极173可沿垂直方向运动，当该结构用于驱动时，可动电极只能向上单方向运动；当该结构用于检测时，也只能测单方向的信号，而且线性度差。图2所示的垂直电极结构被广泛应用于mems光衰减器、mems微镜等产品中，可动电极273位于固定电极271上方，两者在水平方向无重叠，垂直方向的间距差为d，由于该结构通过二次光刻对准/刻蚀工艺形成，或者通过双单晶硅圆片键合工艺形成，考虑到对准精度，水平方向的电极间距w1与w2不一定相等，而且间距较大，驱动力与电极间距成反比，导致驱动力较小，而且该结构制造工艺复杂，可动电极273可沿垂直方向运动，当该结构用于驱动时，可动电极只能向下单方向运动，线性度差，无法用于精确检测。专利cn11718906、cn103086316、cn113820851、cn113820852、us10268037b2、us10551613b2等描述的mems器件结构设计和加工方法形成的就是图2所示的结构。

3、专利us10077184b2、us20050013087a1描述的是在弹簧上加上不同热膨胀系数的材料，引起弹簧在垂直方向翘起，形成不同电极在垂直方向的高度差。这类技术的加工精度重复性差，所制作的器件的温度特性差。专利us7469588b2、us9493344b2通过叉指电极在垂直方向的电隔离形成全悬挂式的垂直方向感应电极，无法用于垂直方向的驱动。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极通过一次光刻/刻蚀形成，电极间距w控制精确、加工重复性好、性能好、加工工艺简单。

2、为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，由单晶硅可动电极、多晶硅固定电极、空腔、单晶硅衬底、单晶硅固定柱和边缘键合区构成，多晶硅固定电极通过二氧化硅层固定在单晶硅固定柱上，与单晶硅固定柱通过接触孔电连接；单晶硅固定柱键合在单晶硅衬底上，单晶硅固定柱与单晶硅衬底间有绝缘层；单晶硅可动电极连接mems功能结构；单晶硅可动电极与多晶硅固定电极间具有水平间距w，单晶硅可动电极底部低于多晶硅可动电极底部，高度差为d1，多晶硅固定电极顶部高于单晶硅可动电极，高度差为d2；单晶硅可动电极和多晶硅固定电极与单晶硅衬底间存在有空腔室，为单晶硅可动电极自由运动提供空间。

3、所述的mems功能结构是反光镜、质量块或振子。

4、所述的多晶硅固定电极与单晶硅固定柱间存留有二氧化硅，起到固定作用。

5、本实用新型的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，可以用于检测mems功能结构在垂直方向的位移信号，也可用于驱动mems功能结构在垂直方向运动。在用作检测电极时，mems功能结构在垂直方向的位移通过多晶硅固定电极与单晶硅可动电极间的电容信号变化测出；在用作驱动电极时，在多晶硅固定电极与单晶硅可动电极间施加不同极性的电压时，单晶硅可动电极向上运动；施加相同极性的电压时，单晶硅可动电极向下运动。而且本实用新型的电极间距w是由氧化层(二氧化硅层)的厚度决定，也就是对于同样厚度的mems结构层，本实用新型的电极间距可以做到更小。当本实用新型的垂直梳齿电极用于mems结构的驱动电极时，垂直方向的驱动力与电极间距w成反比，电极间距w越小，驱动力越大；同理，本实用新型的垂直梳齿电极用于mems结构的检测电极时，垂直方向的灵敏度与电极间距w成反比，电极间距w越小，灵敏度越大；更大的好处还在于在检测过程中，电极间距w保持不变，只有单晶硅可动电极和多晶硅固定电极的重叠面积发生变化，线性度较好，检测量程大；另外，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极在垂直方向的高度差d1、d2是由刻蚀形成的，上下端都有高度差，该高度差可以根据设计需要进行调节，考虑到边缘效应，驱动力比单端高度差的电极大，所以，本实用新型的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直电极驱动力强、驱动行程大、线性度好。

技术特征：

1.一种自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，其特征在于：由单晶硅可动电极、多晶硅固定电极、空腔、单晶硅衬底、单晶硅固定柱和边缘键合区构成，多晶硅固定电极通过二氧化硅层固定在单晶硅固定柱上，与单晶硅固定柱通过接触孔电连接；单晶硅固定柱键合在单晶硅衬底上，单晶硅固定柱与单晶硅衬底间有绝缘层；单晶硅可动电极连接mems功能结构；单晶硅可动电极与多晶硅固定电极间具有水平间距w，单晶硅可动电极底部低于多晶硅可动电极底部，高度差为d1，多晶硅固定电极顶部高于单晶硅可动电极，高度差为d2；单晶硅可动电极和多晶硅固定电极与单晶硅衬底间存在有空腔室，为单晶硅可动电极自由运动提供空间。

2.根据权利要求1所述的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，其特征在于：所述的mems功能结构是反光镜、质量块或振子。

3.根据权利要求1或2所述的自对准多晶硅单晶硅混合mems垂直梳齿电极，其特征在于：多晶硅固定电极与单晶硅固定柱间存留有二氧化硅层。

技术总结本技术公开一种自对准多晶硅单晶硅混合MEMS垂直梳齿电极，由单晶硅可动电极、多晶硅固定电极、空腔、单晶硅衬底、单晶硅固定柱和边缘键合区构成，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极间具有水平间距W，单晶硅可动电极底部低于多晶硅可动电极底部，多晶硅固定电极顶部高于单晶硅可动电极顶部。本技术的垂直梳齿电极可用于检测MEMS功能结构在垂直方向的位移信号，也可用于驱动MEMS功能结构在垂直方向运动，电极间距W由氧化层厚度决定，对于同样厚度的MEMS结构层，本技术的电极间距W可以做到更小，在检测过程中，电极间距W还保持不变，线性度好，检测量程大；另外，单晶硅可动电极与多晶硅固定电极上下端都有高度差，驱动力强、驱动行程大。技术研发人员：华亚平,苏佳乐受保护的技术使用者：安徽芯动联科微系统股份有限公司技术研发日：20221227技术公布日：2024/1/12