MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的基本特点。近年来，MEMS的蓬勃发展推动了基于传统半导体制造技术的微传感器的发展。由微加速度计和微陀螺仪组成的微机械惯性传感器是传感器中最重要的类型之一。
据麦姆斯咨询报道，为了解决传统机械加速度计和陀螺仪结构复杂、制备成本高等问题，并且考虑到热加速度计与热陀螺仪的制备工艺能够完全兼容，上海应用技术大学李以贵教授团队提出了一项制备策略，将微热陀螺仪和微热加速度计设计在同一掩模中，在同一绝缘体上硅（SOI）基板上同时制备二者，通过MEMS技术成功实现了批量制备高精度、高均匀性和低成本的传感芯片。相关研究成果以“基于MEMS工艺的微热加速度计和微热陀螺仪的制备”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。
在这项研究工作中，研究人员在同一块SOI基板上运用同一工艺流程同时制备出了微热陀螺仪传感芯片和微热加速度计传感芯片。为了准确地创建微尺度的图案和结构，研究人员设计了四块光刻掩模版来制作该微热加速度计芯片和微热陀螺仪芯片，分别对应于接触孔开口、热敏电阻、互连布线和背面空腔。轻掺杂硅热敏电阻的可控电阻温度系数（TCR）大于传统金属丝，因此选择p型硅作为热敏电阻材料。TCR由硅片的掺杂浓度决定，使用了三种不同掺杂浓度的硅片进行对比实验，从而选定硅片的掺杂浓度为1×10¹⁷ cm⁻³，对应的TCR为3500×10⁻⁶/℃。选择SOI作为衬底材料，显著增强了微热陀螺仪和微热加速度计的耐高温性，并且提高了其灵敏度。在电感耦合等离子体-反应离子刻蚀（ICP-RIE）和氢氟酸（HF）蒸气工艺过程中，通过光刻胶和聚酰亚胺层成功保护了非常薄和易碎的热敏电阻，在4英寸（1英寸=2.54 cm）SOI基板上一次最多可以成功制备出180个微热陀螺仪传感芯片和108个微热加速度计传感芯片，制备的微热加速度计传感芯片尺寸为2 mm×2 mm×0.4 mm，微热陀螺仪传感芯片尺寸为5.8 mm×5.8 mm×0.4 mm。
图1 微热陀螺仪和微热加速度计的掩模版的整体图
图2 传感器的制作工艺流程
图3 在4英寸SOI硅片上制备的微热加速度计与微热陀螺仪
图4 制备的微热陀螺仪传感芯片
图5 微热加速度计
研究人员分别对制备的微热加速度计和微热陀螺仪进行了测试，微热陀螺仪x轴灵敏度为0.107 mV/（°/s），y轴灵敏度为0.102 mV/（°/s），微热加速度计灵敏度为13 mV/g。通过一次工艺流程制备出两种热流体惯性传感器，极大地缩短了制备时间，降低了制备成本，成功实现了高精度的批量生产。
图6 微热陀螺仪灵敏度的测试结果
图7 微加速度计灵敏度的测试结果
这项研究工作提出的MEMS制备工艺和设计策略将为后续微热加速度计和微热陀螺仪的制备提供更多有益借鉴。
论文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24070404
