新的氮化硅阻隔三轴陀螺仪工艺技术领域
本发明涉及一种陀螺仪及其制造方法，特别的，涉及一种氮化硅
阻隔三轴陀螺仪及其制造方法。
背景技术
传统的陀螺仪加工工艺，要求在其中一片硅基板上布线，从而实
现电性及信号连接功能，另一片硅基板作为真空盖板，传统工艺也可
实现电容式三轴加速度计的功能，但因需要两层金属布线，并且金属
外连的位置不在硅衬底上基板背面，故使用的光罩层数多，并且单个
芯片面积大。传统工艺更贴切平面的IC工艺，没有更多的立体加工
工艺。
因此，如何解决传统工艺的不足，减少加工步骤，并且容易控制
陀螺仪空腔的深度，成为现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的氮化硅阻隔三轴陀螺仪工艺，其
加工步骤少，并且可控性强，以氮化硅层作为阻隔以控制陀螺仪空腔
的深度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种氮化硅阻隔三轴陀螺仪，包括下基板，硅外延可动结构层和
上基板，
其中，所述下基板包括底层硅衬底，在底层硅衬底上的底层氧化
隔离层，在所述底层氧化隔离层上的底层金属走线，在所述底层金属
走线和所述底层氧化隔离层上的氮化硅隔离层，在所述氮化硅隔离层
上的上层金属走线，在所述氮化硅隔离层和上层金属走线上的上层氧
化隔离层；
所述硅外延可动结构层位于所述下基板的上部，包括硅外延层，
所述硅外延层中部具有梳齿结构，所述梳齿结构与下基板之间具有空
隙，所述硅外延层上还具有金属互联窗口；
所述上基板位于硅外延可动结构层的上部，包括顶层硅衬底，所
述顶层硅衬底包括一定深度的凹槽，所述凹槽面对所述梳齿结构，利
用位于凹槽两侧的突起，通过键合密封，与所述梳齿结构形成真空腔
体。
优选地，所述下基板既作为电容感应的基板，也作为当层的金属
互联，同时也起到了连接可动结构层的作用。
优选地，所述上层氧化隔离层起到支撑外延可动结构层的作用。
优选地，所述金属互联窗口旁边有一圈氮氧化硅隔离层，以起到
了保护作用。
优选地，所述氮化硅隔离层存在着第一开口，使得底层金属走线
与上层金属走线电连接。
优选地，所述上层氧化隔离层存在着第二开口作为连接锚点，硅
外延层通过所述连接锚点与上层金属走线电连接，从而与底层金属走
线电连接。
优选地，所述连接锚点与所述第一开口对应。
优选地，所述底层氧化隔离层和上层氧化隔离层为氧化硅层，所
述金属走线和金属窗口采用铝。
优选地，所述底层硅衬底厚度为300至400微米，所述底层氧化
隔离层厚度为1微米左右，所述凹槽深度为10微米左右。
本发明还公开了一种制造上述氮化硅阻隔三轴陀螺仪的制造方
法，包括如下步骤：
步骤1.清洗底层硅衬底，为后面的光刻或是沉积工艺提供无杂
质的表面；
步骤2：在底层硅衬底上生长一层底层氧化隔离层，再对所述底
层氧化隔离层进行一次清洗，沉积底层金属层，然后通过光刻的方式
在底层金属层上做出图形，并基于该图形，对金属层进行蚀刻出图形，
得到底层金属走线；
步骤3：在底层金属走线和底层氧化隔离层上生长一层氮化硅隔
离层，所述氮化硅隔离层覆盖整个硅片的上表面，通过光刻的方式在
氮化硅隔离层上做出图形，并基于该图形，对氮化硅隔离层进行蚀刻
出图形，得到露出底层金属走线的第一开口，然后在氮化硅隔离层上
面沉积一层上层金属层，通过光刻的方式在上层金属层上做出图形，
并基于该图形，对上层金属层进行蚀刻出图形，最终形成应下基板的
上层金属走线，所述上层金属走线和所述底层金属走线通过所述第一
开口电连接，
步骤4：在从上层金属走线和所述氮化硅隔离层上生长一层上层
氧化隔离层，该上层氧化隔离层作为释放层，通过光刻的方式在该上
层氧化隔离层上做出图形，并基于该图形，对该上层氧化隔离层进行
蚀刻出图形，从而得到下基板，所述上层氧化离隔层上具有连接锚点；
步骤5：清洗整个下基板，使用高温还原法沉积硅外延层，硅外
延层在连接锚点与所述上层金属走线电连接，硅外延层沉积之后，清
洗表面；
步骤6：在硅外延层表面沉积一层氮氧化硅隔离层，通过光刻的
方式在所述氮氧化硅隔离层上做出图形，并基于该图形，对氮氧化硅
隔离层进行蚀刻出图形，再通过溅射的方式沉积顶层金属层，并通过
光刻的方式在顶层金属层上做出图形，并基于该图形，对顶层金属层
进行蚀刻出图形，形成作为金属互联窗口，所述金属互联窗口旁边有
一圈氮氧化硅隔离层，以起到了保护作用；
步骤7：对所述硅外延层加工，通过光刻的方式在所述硅外延层
做出图形，并基于该图形，对外延层进行蚀刻出图形，形成梳齿结构；
步骤8：利用释放工艺，对上层氧化隔离层进行各向同性的蚀刻，
暴露上层金属走线和所述氮化硅隔离层，蚀刻深度除了受到时间的控
制，也受到了氮化硅隔离层的限制，氮化硅隔离层作为蚀刻的阻止层，
起到了在释放过程中的蚀刻停止作用，释放完毕后，在梳齿结构和下
基板之间形成空隙，从而形成硅外延可动结构层；
步骤9：在顶层硅衬底上，通过光刻定义图形以及蚀刻衬底的方
式在硅顶层硅衬底上形成一定深度的凹槽，得到上基板；
步骤10：将所述上基板反扣，所述凹槽面对所述梳齿结构，通
过硅硅键和的方式，将上基板与硅外延可动结构层键和密封，所述凹
槽与所述梳齿结构形成真空腔体。
本发明氮化硅层既作为支撑层，也作为工艺中的阻隔层，通过所
述释放工艺形成可动空腔，提供两层金属互联的结构，上层作为电容
感应基板，金属基板整体起到了电容感应和引线互联的作用。陀螺仪
通过测量电容的变化，检测角速度的变化情况，通过分析动态角速度，
可以分析出设备移动的方式，且工艺步骤少，便于控制。
附图说明
图1为根据本发明具体实施例的氮化硅阻隔三轴陀螺仪的剖面
图；
图2为本发明下基板的底层氧化隔离层上的底层金属走线形成
图形；
图3为本发明硅下基板的氮化硅隔离层上的上层金属走线形成
图形；
图4为本发明下基板的上金属走线上的上层氧化隔离层开孔形
成图形；
图5为本发明硅外延结构层以及上面覆盖的氮氧隔离层和顶层
金属层形成图形；
图6为本发明顶层金属层以及硅外延结构层蚀刻后外延层蚀刻
后的结构；
图7为本发明上基板湿法刻蚀后形成的空腔；
图8为本发明上下基板键和后的最终结构。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、底层硅衬底；2、氧化隔离层；3、底层金属走线；4、氮化硅
隔离层；5、上层金属走线；6、空隙；7、上层氧化隔离层；8、氮氧
化硅隔离层；9、金属互联窗口；10、突起；11、凹槽；12、连接锚
点；13、硅外延层；14、顶层硅衬底；15、突起。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解
的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明
的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本
发明相关的部分而非全部结构。
参见图1，示出了根据本发明的具体实施例的氮化硅阻隔三轴陀
螺仪的剖面图，所述氮化硅阻隔三轴陀螺仪包括下基板，硅外延可动
结构层和上基板，
其中，所述下基板包括底层硅衬底1，在底层硅衬底1上的底层
氧化隔离层2，在所述底层氧化隔离层2上的底层金属走线3，在所
述底层金属走线3和所述底层氧化隔离层2上的氮化硅隔离层4，在
所述氮化硅隔离层4上的上层金属走线5，在所述氮化硅隔离层4和
上层金属走线5上的上层氧化隔离层7。其中由于底层金属走线3和
上层金属走线5均存在空隙以形成走线，使得氮化硅隔离层4的部分
与底层金属走线3位于同一层，上层氧化隔离层7的部分与上层金属
走线5位于同一层。
所述硅外延可动结构层位于所述下基板的上部，包括硅外延层
13，所述硅外延层中部具有梳齿结构，所述梳齿结构与下基板之间具
有空隙6，所述硅外延层上还具有金属互联窗口9。
所述上基板位于硅外延可动结构层的上部，包括顶层硅衬底14，
所述顶层硅衬底包括一定深度的凹槽11，所述凹槽面对所述梳齿结
构，利用位于凹槽两侧的突起10,15，通过键合密封，与所述梳齿结
构形成真空腔体。
所述下基板既作为电容感应的基板，也作为当层的金属互联，同
时也起到了连接可动结构层的作用。所述上层氧化隔离层7起到支撑
外延可动结构层的作用。
上基板通过加工形成凹槽11，凹槽的深度根据结构需求而定，
保证不会碰撞。
进一步优选的，所述金属互联窗口9旁边有一圈氮氧化硅隔离层
8，以起到了保护作用。
优选地，所述氮化硅隔离层4存在着第一开口，使得底层金属走
线3与上层金属走线5电连接。
进一步优选的，所述上层氧化隔离层7存在着第二开口作为连接
锚点12，硅外延层13通过所述连接锚点12与上层金属走线5电连
接，从而与底层金属走线3电连接。
进一步优选的，所述连接锚点12与所述第一开口对应。
所述底层氧化隔离层2和上层氧化隔离层7为氧化硅层。所述金
属走线和金属窗口采用铝。
所述底层硅衬底厚度为300至400微米，所述底层氧化隔离层厚
度为1微米左右，所述凹槽深度为10微米左右。
进一步的，本发明公开了根据本发明具体实施例的氮化硅阻隔三
轴陀螺仪的制造方法，包括如下步骤：
步骤1.清洗底层硅衬底1，为后面的光刻或是沉积工艺提供无
杂质的表面；
步骤2：在底层硅衬底1上生长一层底层氧化隔离层2，再对所
述底层氧化隔离层2进行一次清洗，沉积底层金属层，然后通过光刻
的方式在底层金属层上做出图形，并基于该图形，对金属层进行蚀刻
出图形，得到底层金属走线3；
步骤3：在底层金属走线3和底层氧化隔离层2上生长一层氮化
硅隔离层4，所述氮化硅隔离层4覆盖整个硅片的上表面，通过光刻
的方式在氮化硅隔离层上做出图形，并基于该图形，对氮化硅隔离层
进行蚀刻出图形，得到露出底层金属走线的第一开口，然后在氮化硅
隔离层上面沉积一层上层金属层，通过光刻的方式在上层金属层上做
出图形，并基于该图形，对上层金属层进行蚀刻出图形，最终形成应
下基板的上层金属走线5，所述上层金属走线5和所述底层金属走线
3通过所述第一开口电连接，
步骤4：在从上层金属走线5和所述氮化硅隔离层4上生长一层
上层氧化隔离层7，该上层氧化隔离层作为释放层，通过光刻的方式
在该上层氧化隔离层上做出图形，并基于该图形，对该上层氧化隔离
层进行蚀刻出图形，从而得到下基板，所述上层氧化离隔层上具有连
接锚点12，优选的，所述连接锚点和所述第一开口对应；
步骤5：清洗整个下基板，使用高温还原法沉积硅外延层13，硅
外延层13在连接锚点12与所述上层金属走线5电连接，硅外延层沉
积之后，清洗表面；
步骤6：在硅外延层13表面沉积一层氮氧化硅隔离层8，通过光
刻的方式在所述氮氧化硅隔离层8上做出图形，并基于该图形，对氮
氧化硅隔离层8进行蚀刻出图形，再通过溅射的方式沉积顶层金属
层，并通过光刻的方式在顶层金属层上做出图形，并基于该图形，对
顶层金属层进行蚀刻出图形，形成作为金属互联窗口9，所述金属互
联窗口9旁边有一圈氮氧化硅隔离层8，以起到了保护作用；
步骤7：对所述硅外延层13加工，通过光刻的方式在所述硅外
延层13做出图形，并基于该图形，对外延层进行蚀刻出图形，形成
梳齿结构；
步骤8：利用释放工艺，对上层氧化隔离层7进行各向同性的蚀
刻，暴露上层金属走线5和所述氮化硅隔离层4，蚀刻深度除了受到
时间的控制，也受到了氮化硅隔离层的限制，氮化硅隔离层作为蚀刻
的阻止层，起到了在释放过程中的蚀刻停止作用，释放完毕后，在梳
齿结构和下基板之间形成空隙6，从而形成硅外延可动结构层；在该
步骤中，由于上层金属走线5仅仅部分覆盖，在上层氧化隔离层的下
方，主要为氧化硅隔离层4，因此，氧化硅隔离层能够作为蚀刻的阻
止层。
步骤9：在顶层硅衬底14上，通过光刻定义图形以及蚀刻衬底
的方式在硅顶层硅衬底14上形成一定深度的凹槽11，得到上基板；
步骤10：将所述上基板反扣，所述凹槽面对所述梳齿结构，通
过硅硅键和的方式，将上基板与硅外延可动结构层键和密封，所述凹
槽与所述梳齿结构形成真空腔体。
实施例1：
参见图2-图8，示出了氮化硅阻隔三轴陀螺仪的具体行程步骤。
如图2所示，提供一片双面抛光的底层硅衬底1，厚度可以采用
研磨加湿法释放应力的工艺组合加以控制，一般厚度控制在300至
400微米。使用化学溶液清洗硅片，去除表面的金属离子和杂质等。
在此底层硅衬底1的其中一面通过CVD的方式生长一层氧化硅隔离层
2，厚度在一微米左右，再通过溅射的方式沉积一层金属，涂布上光
刻胶，然后通过光罩和光刻机的照射，光刻胶形成图形，利用刻蚀工
艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，剩下的金属被保留下来，得到底
层金属走线3。
如图3所示，在底层金属走线3表面通过CVD的方式沉积一层氮
化硅隔离层4，涂布上光刻胶，然后通过光罩和光刻机的照射，光刻
胶形成图形，利用刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，剩下的
氮化硅被保留下来，再通过溅射的方式沉积一层上层金属，金属填充
进空隙与底层金属走线3连接。
如图4所示，在金属上涂布光刻胶，然后通过光罩和光刻机的照
射，光刻胶形成图形，利用刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，
剩下的金属被保留下来，得到上层金属走线5，通过CVD的方式沉积
氧化硅隔离层7，该氧化硅隔离层7作为蚀刻牺牲层和支撑层，在氧
化硅上涂布光刻胶，然后通过光罩和光刻机的照射，光刻胶形成图形，
利用刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，剩下的氧化硅被保留
下来。
如图5所示，对表面进行化学清洗，然后通过外延设备，进行化
学还原反应，在表面生长一层硅外延层13，厚度可以通过程序控制，
然后在外延表通过CVD的方式沉积一层氮氧化硅隔离层8，作为金属
互联窗口的隔离，在氮氧化硅上涂布光刻胶，然后通过光罩和光刻机
的照射，光刻胶形成图形，利用刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀
刻掉，剩下的氮氧化硅被保留下来，通过溅射的方式沉积一层金属。
如图6所示，在金属上涂布上光刻胶，然后通过光罩和光刻机的
照射，光刻胶形成图形，利用刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻
掉，剩下的金属被保留下来，形成金属互联窗口9，清洗外延表面，
去除杂质，在外延层上涂布光刻胶，然后通过光罩和光刻机的照射，
光刻胶形成图形，利用深硅刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，
剩下的硅外延层13被保留下来，进行释放工艺，将硅外延层开口下
的上层氧化隔离层蚀刻掉，暴露上层金属走线5和所述氮化硅隔离层
4，使得金属基板露出来，当遇到氮化硅隔离层4时由于蚀刻气体的
限制，停止蚀刻，氮化硅层起到了蚀刻阻止层的作用。
如图7所示，提供一个双面抛光的硅片，任选一面，在硅上涂布
光刻胶，然后通过光罩和光刻机的照射，光刻胶形成图形，利用湿法
刻蚀工艺，将没有光刻胶保护地方蚀刻掉，形成一定深度的凹槽11，
剩下的硅被保留下来，形成了键和所需要的突起10和15。
如图7所示，硅衬底上基板和硅衬底下基板通过键和工艺连接在
一起，所述凹槽面对所述梳齿结构，并形成了真空腔体。
本发明的氮化硅阻隔三轴陀螺仪兼容单轴，双轴，三轴加速度计
以及加速度计，该陀螺仪包括下基板，硅外延可动结构层和上基板，
其制造方法提供两片硅衬底及外延层作为电极板和通道的技术，可实
现金属基板作为检测电极的电信号检测，并且在两片硅衬底上实现对
外延片的键和，实现密封腔体内部电性结构和腔体外部电性外连结构
的连接。金属基板的一部分作为检测极板，与可动结构层之间形成固
定高度的空腔，空腔的高度和图形由特定的光刻和蚀刻程序定义，氮
化硅层作为绝缘层材料，也同时作为空腔湿法蚀刻释放时的阻隔层。
可动结构通过接触锚点与金属基板形成互联起到导通的作用。本发明
具有工艺步骤少，便于控制的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详
细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属
技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可
以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权
利要求书确定保护范围。