袁明權(quán)， 唐　彬， 孫遠(yuǎn)程， 熊　壯， 彭　勃

(中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

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基于無(wú)掩模腐蝕技術(shù)的高性能微加速度傳感器*

袁明權(quán)， 唐彬， 孫遠(yuǎn)程， 熊壯， 彭勃

(中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

摘要:針對(duì)深溝槽內(nèi)結(jié)構(gòu)制作困難的問(wèn)題，基于單晶硅各向異性腐蝕原理，推導(dǎo)了{(lán)100}單晶硅在KOH溶液中無(wú)掩模腐蝕過(guò)程臺(tái)階寬度與無(wú)掩模腐蝕深度之間的解析表達(dá)式，通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)確定了單晶硅{311}面與{100}面的腐蝕速率比；采用適合于三明治微加速度傳感器硅芯片制作的無(wú)掩模腐蝕成型工藝流程，實(shí)現(xiàn)了深溝槽內(nèi)懸臂梁的準(zhǔn)確成型，研制出一種±100 gn量程的微加速度傳感器。樣品測(cè)試表明:運(yùn)用無(wú)掩模腐蝕技術(shù)制作的微加速度傳感器相對(duì)精度優(yōu)于6×10-5，靈敏度為17.78 mV/gn。

關(guān)鍵詞：微機(jī)械加工; 微加速度傳感器; 各向異性腐蝕; 無(wú)掩模; 陽(yáng)極鍵合

0引言

除了采用石英玻璃可制作高性能慣性器件[1,2]以外，利用單晶硅材料和MEMS技術(shù)制作的硅微器件也可以獲得比較好的性能，特別是在加速度傳感器方面[3,4]，一種采用體硅濕化學(xué)腐蝕工藝[5]的三明治微加速度傳感器就具有這樣的特點(diǎn)。

三明治微加速度傳感器的微敏感部分為梁—島(懸臂梁—質(zhì)量塊)結(jié)構(gòu)，懸臂梁位于質(zhì)量塊的中平面上，這種結(jié)構(gòu)在常規(guī)制造過(guò)程中會(huì)遇到深溝槽內(nèi)懸臂梁成型困難的問(wèn)題。本文采用無(wú)掩模腐蝕技術(shù)在深溝槽內(nèi)形成準(zhǔn)確的懸臂梁結(jié)構(gòu)，避免了常規(guī)方式所導(dǎo)致的懸臂梁成型困難、缺陷過(guò)多等問(wèn)題。

1微敏感單元結(jié)構(gòu)

傳感器的微敏感單元由一個(gè)帶懸臂梁—質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的硅芯與兩個(gè)帶有金屬薄膜電極的玻璃蓋板經(jīng)靜電封接而成，見(jiàn)圖1所示。

圖1　微加速度傳感器敏感單元Fig 1　Sensitive component of micro acceleration sensor

玻璃蓋板上濺射有Ti—Pt—Au—Pt電極，電極采用內(nèi)外兩層的結(jié)構(gòu)形式。

硅芯200 μm厚，其上設(shè)計(jì)有敏感質(zhì)量、懸臂梁、引線槽和錨點(diǎn)，見(jiàn)圖2所示。敏感質(zhì)量2 mm×2 mm見(jiàn)方，由2根10 μm厚的懸臂梁支撐，用以響應(yīng)加速度的變化；引線槽用于隔離蓋板上的電極引線；錨點(diǎn)通過(guò)磁控濺射Ti—Pt—Au—Pt金屬薄膜制作而成，用于檢測(cè)電路中交直流信號(hào)的引入。

圖2　硅芯三維立體圖Fig 2　Three-dimensional diagram of Si chip

2硅芯制作工藝

2.1工藝過(guò)程

硅芯制作采用體硅濕化學(xué)腐蝕工藝，工藝流程如圖3所示。

圖3　硅芯制作工藝流程Fig 3　Process flow of Si chip

首先,在硅片表面光刻出懸臂梁圖形，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求先腐蝕出一定厚度的“懸臂梁”，此時(shí)的“懸臂梁”位于硅片表面，如圖3(b)所示；然后去除“懸臂梁”上的掩模，讓“懸臂梁”與待穿通區(qū)同時(shí)暴露在腐蝕液中對(duì)“懸臂梁”進(jìn)行無(wú)掩模腐蝕。隨著腐蝕的進(jìn)行，“懸臂梁”同待穿通區(qū)一起向硅片的中平面推進(jìn)。當(dāng)穿通區(qū)腐蝕穿透、質(zhì)量塊形成時(shí)，位于表面的“懸臂梁”通過(guò)腐蝕被推至質(zhì)量塊的中平面附近形成真正的懸臂梁。以上硅腐蝕工藝全部采用KOH溶液[6]。

2.2KOH腐蝕硅臺(tái)階的無(wú)掩模腐蝕規(guī)律

利用無(wú)掩模腐蝕技術(shù)，可以非常容易地控制懸臂梁的厚度。由于KOH溶液對(duì)硅片不同晶向的腐蝕存在各向異性[7～9]，在硅片表面腐蝕形成“懸臂梁”時(shí)，“懸臂梁”與穿通區(qū)之間存在一個(gè)有固定角度的臺(tái)階，臺(tái)階側(cè)面為{111}面。同樣道理，當(dāng)去除“懸臂梁”上的掩模進(jìn)行雙面腐蝕時(shí)，由于{311}面腐蝕速率比{111}和{100}面都高，在“懸臂梁”的{111}側(cè)面與表面{100}面相交的棱邊上會(huì)出現(xiàn)“削邊”現(xiàn)象，最終形成的懸臂梁側(cè)面與最初在硅片表面形成的“懸臂梁”側(cè)面在形狀和尺寸上都存在差異。圖4為無(wú)掩模腐蝕過(guò)程臺(tái)階變化的示意圖。其中，α=54.74°，β=25.24°。

圖4　無(wú)掩模腐蝕臺(tái)階變化示意圖Fig 4　Step variation diagram of maskless etching

當(dāng)去除表面掩模進(jìn)行無(wú)掩模腐蝕時(shí)，邊棱A處暴露的{311}快腐蝕面就會(huì)隨著整個(gè)臺(tái)階的向下腐蝕而側(cè)向腐蝕切削邊棱。假定KOH腐蝕液對(duì){311}面與{100}面的腐蝕速率比為r，無(wú)掩模腐蝕前臺(tái)階高度為h，臺(tái)階沿{100}晶向向下無(wú)掩模腐蝕深度為d，則臺(tái)階沿{311}晶向側(cè)向腐蝕深度為AG=rd。

臺(tái)階在{100}面和{311}面同時(shí)腐蝕作用下，其邊棱就要向后推移至K處，其水平推移量為

=d(2.345 2r-2.121 3).

(1)

{311}側(cè)面的水平寬度為

=d(3.517 5r-2.121 3).

(2)

{111}側(cè)面部分的水平寬度為

=0.707h+(0.707-1.172 3r)d,

(3)

式中h為無(wú)掩模腐蝕前的臺(tái)階高度。

無(wú)掩模腐蝕后臺(tái)階腐蝕側(cè)面的水平總寬度為

W=W1+W2=0.707h+(2.345 2r-1.414 3)d.

(4)

從上面的公式可以看出，隨著腐蝕深度d的不斷增大，{311}面的水平寬度W1將增大，而{111}面的水平寬度W2將逐漸減小，直到{111}側(cè)面完全被{311}面代替。令W2=0，此時(shí)腐蝕深度d為

(5)

3腐蝕速率比的實(shí)驗(yàn)確定

單晶硅{311}面與{100}面的腐蝕速率比r是一個(gè)隨單晶硅材料、腐蝕液溫度與濃度變化而變化的量，但在單晶硅材料相同、腐蝕液溫度與濃度均相同的條件下，r是一個(gè)定值。為了將無(wú)掩模腐蝕技術(shù)成功運(yùn)用于微加速度傳感器硅芯片的制備過(guò)程中，需要首先確定在芯片實(shí)際制備條件下r的值。

從式(1)可以得出如下公式

(6)

由上式可知，要得到在某一條件下r的值需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出腐蝕推移量與無(wú)掩模腐蝕深度的比值，即b/d的值。

實(shí)驗(yàn)所用材料為N〈100〉晶向、電阻率為3.8Ω·的單晶硅、腐蝕液溫度為80 ℃、腐蝕液質(zhì)量比為40 %。實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)硅片進(jìn)行光刻、有掩模腐蝕、測(cè)量腐蝕深度和臺(tái)階寬度；其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)硅片進(jìn)行光刻、無(wú)掩模腐蝕、測(cè)量腐蝕深度和臺(tái)階寬度、計(jì)算無(wú)掩模腐蝕深度和推移量。

本次實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行了4輪，無(wú)掩模腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　無(wú)掩模腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將實(shí)驗(yàn)所得b/d的值代入式(6)即可求得r值為1.628 9。

4制作與測(cè)試

4.1樣品制作

基于上述無(wú)掩模腐蝕工藝技術(shù)，采用N〈100〉晶向、電阻率為3.8 Ω·、直徑100 mm、厚度200 μm的雙面拋光單晶硅片和直徑100 mm、厚度600 μm的雙面拋光硼硅玻璃片成功制作出一種高性能微加速度傳感器。圖5為采用無(wú)掩模腐蝕技術(shù)加工成型的硅芯樣品。圖6為封裝完成后的高性能微加速度傳感器。

在無(wú)掩模腐蝕過(guò)程中，“懸臂梁”的寬度會(huì)隨著腐蝕的進(jìn)行而逐漸變小。因此，設(shè)計(jì)版圖時(shí)需要將“懸臂梁”的寬度適當(dāng)加大。由于采用了雙面腐蝕技術(shù)，有掩模臺(tái)階腐蝕高度h=5 μm，無(wú)掩模腐蝕的深度d為95 μm。高性能微加速度傳感器敏感芯片制作實(shí)驗(yàn)條件與前述腐蝕速率比無(wú)掩模腐蝕實(shí)驗(yàn)確定的條件完全相同，即腐蝕液質(zhì)量比為40 %、腐蝕液溫度為80 ℃。

將r與d的值代入式(1)即可得到推移量

b=d(2.345 2r-2.121 3)=161.39 μm.

(7)

在無(wú)掩模腐蝕過(guò)程中，“懸臂梁”的兩個(gè)側(cè)面均會(huì)受到腐蝕，因此,在工藝版圖中“懸臂梁”寬度應(yīng)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論值大322.78 μm。

運(yùn)用式(5)可得到無(wú)掩模腐蝕的臨界深度為2.94 μm。在高性能微加速度傳感器敏感芯片制作過(guò)程中無(wú)掩模腐蝕深度為95 μm，因此，高性能微加速度傳感器敏感芯片制作完成后懸臂梁側(cè)面將完全由{311}面構(gòu)成，其水平寬度為10.61 μm。這將比有掩模腐蝕所得{111}側(cè)面的水平寬度3.53 μm寬出7.08 μm。這一點(diǎn)需要在敏感芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真中加以重視，在追求高性能的慣引用微加速度傳感器研制中尤其需要重視。

4.2性能測(cè)試

通過(guò)100gn精密離心機(jī)標(biāo)定，微加速度傳感器樣品的輸入輸出曲線見(jiàn)圖7。傳感器量程為±100gn，靈敏度為17.78 mV/gn，殘差不大于6 mgn、即相對(duì)精度優(yōu)于6×10-5。

圖7　微加速度傳感器輸入輸出曲線Fig 7　Input and output curve of micro acceleration sensor

5結(jié)論

為了解決深溝槽內(nèi)懸臂梁成型困難的問(wèn)題，從單晶硅各向異性腐蝕原理出發(fā)，詳細(xì)推導(dǎo)了無(wú)掩模腐蝕過(guò)程中臺(tái)階寬度與深度之間的關(guān)系，提出了通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)確定單晶硅{311}面與{100}面腐蝕速率比的方法，突破了運(yùn)用無(wú)掩模腐蝕技術(shù)解決深溝槽內(nèi)結(jié)構(gòu)制作的關(guān)鍵。通過(guò)具體實(shí)例，闡明了無(wú)掩模腐蝕技術(shù)應(yīng)用于具有中心對(duì)稱(chēng)梁—島結(jié)構(gòu)微器件制作的詳細(xì)過(guò)程。在4″硅基MEMS生產(chǎn)線上制作出了±100gn量程的高性能微加速度傳感器樣品；最終測(cè)試

結(jié)果表明:樣品相對(duì)精度優(yōu)于6×10-5，靈敏度為17.78 mV/gn。

通過(guò)對(duì)工藝流程的適應(yīng)性改變，無(wú)掩模腐蝕技術(shù)也可應(yīng)用于其它具有相似結(jié)構(gòu)的MEMS器件研制過(guò)程。

參考文獻(xiàn):

[1]魏茗，譚文斌．石英撓性加速度計(jì)數(shù)字再平衡回路設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(3)：103-106.

[2]王曉東，宋雪杰，章培成，等．鈹材在高精度石英撓性加速度計(jì)上的應(yīng)用[J]．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2015(1)：96-100.

[3]袁明權(quán)，孫遠(yuǎn)程，張茜梅，等．基于圓片級(jí)陽(yáng)極鍵合封裝的高gn值壓阻式微加速度計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(5)：1111-1114.

[4]王猛，肖鵬，徐林鵬，等．差分電容硅微加速度計(jì)檢測(cè)電路研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015(3)：347-351.

[5]唐彬，袁明權(quán)，彭勃，等．單晶硅各向異性濕法刻蝕的研究進(jìn)展[J]．微納電子技術(shù)，2013(5)：327-334.

[6]王樹(shù)橋，幸研，田秘，等．混合進(jìn)化算法的Metropolis蒙特卡羅MEMS單晶濕法刻蝕工藝模型[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013(5)：167-172.

[7]李倩，崔鑫，李湘君．硅各向異性腐蝕技術(shù)研究[J]．微處理機(jī)，2012(6)：12-19.

[8]蔣玉榮，邊長(zhǎng)賢，秦瑞平．體硅微機(jī)械濕法加工技術(shù)研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2011(19)：13-17.

[9]姜巖峰，黃慶安．硅各向異性腐蝕的原子級(jí)模擬[J]．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005(3)：618-623.

High performance micro-acceleration sensor based on maskless etching technology*

YUAN Ming-quan， TANG Bin， SUN Yuan-cheng， XIONG Zhuang， PENG Bo

(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China)

Abstract:In order to solve problem that structure forming can not finish easily in deep groove,an analytical expression of step width and depth of maskless etching is derived based on theory of anisotropic etching of crystalline silicon in KOH solution.The etching rate of{311}surface and{100}surface of the crystalline silicon is determined by process experiments；a maskless etching forming process flow for chip fabrication of sandwich micro acceleration sensor is proposed,and accurate forming of cantilever beam during fabrication in deep groove is realized,a micro acceleration sensor for ±100 gn range is developed.Sample tests show that the relative precision of micro acceleration sensor fabricated by maskless etching technique is prior to 6×10-5and sensitivity is 17.78 mV/gn.

Key words:micro-machining； micro-acceleration sensor； anisotropic etching； maskless； anode bonding

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0053—03

收稿日期：2015—07—21

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305412，61404121)；行業(yè)預(yù)先研究項(xiàng)目(426010104)；中國(guó)工程物理研究院超精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2012CJMZZ00003)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 623; TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)03—0053—03

作者簡(jiǎn)介:

袁明權(quán)(1972-)，男，四川廣安人，碩士，副研究員,主要從事力敏慣性傳感器、硅基MEMS工藝技術(shù)等方面的研究。

彭勃，通迅作者，E—mail：sw_mems@163.com。