Notching效應(yīng)在MEMS風(fēng)速儀制造工藝中的應(yīng)用*

常洪龍，周平偉，謝建兵，楊 勇，謝中建，袁廣民

(西北工業(yè)大學(xué)空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

空氣流速測量是環(huán)境監(jiān)測中非常重要的一項(xiàng)，市區(qū)的氣流特性影響行人的舒適度、空氣質(zhì)量、污染物擴(kuò)散以及建筑物的能量消耗[1]。傳統(tǒng)的風(fēng)速儀包括風(fēng)杯風(fēng)速計、熱線風(fēng)速計、激光多普勒風(fēng)速計和聲波風(fēng)速計等。這些風(fēng)速計通常體積龐大或者價格昂貴，不利于同時需要大量風(fēng)速計的測量場合。目前，微機(jī)電系統(tǒng) MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術(shù)在微型風(fēng)速測量傳感器所取得的成績引起了越來越多的注意。小型傳感器意味著較低的功耗，這在野外使用中尤其重要。同時由于MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)批量制造，降低了單個器件的成本。

MEMS風(fēng)速儀是利用電流加熱的熱敏單元的熱量損失與氣流速度之間關(guān)系的裝置[2－5]。MEMS風(fēng)速儀具有結(jié)構(gòu)簡單和易于使用的特點(diǎn)。氣流速度越大，由對流引起的敏感元件的熱量損失越大。提高風(fēng)速儀的熱敏單元與基底的熱絕緣性，可以提高敏感單元的空間分辨率和靈敏度，降低能耗，減少由于基底的不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)帶來的干擾。Chen等人[6]采用三維組裝的辦法將金屬熱線懸空。Ulrich Buder等人[7]報道了一種壁面鎳金屬熱線傳感器，采用反應(yīng)離子刻蝕工藝將鎳金屬熱線懸空。這種懸空金屬熱線主要的缺點(diǎn)是它的脆弱性。為了適應(yīng)更為惡劣的環(huán)境，Jing X M[1]提出了一種魯棒性好的熱膜結(jié)構(gòu)，然而，它不具有熱絕緣的結(jié)構(gòu)，且響應(yīng)時間比較長。

針對上述問題，本文中通過新的加工工藝實(shí)現(xiàn)了一個魯棒性好同時具有熱絕緣性的懸空硅敏感單元風(fēng)速儀。

1 工藝設(shè)計原理

Notching效應(yīng)是在導(dǎo)電與絕緣材料界面處產(chǎn)生窄的水平凹槽的現(xiàn)象[8]，與刻蝕槽的深寬比、圖形形狀和圖形密度等有關(guān)。在DRIE刻蝕SOI硅片時，Notching效應(yīng)經(jīng)常被認(rèn)為是對刻蝕速率和結(jié)構(gòu)輪廓不利的效應(yīng)[9]。通常認(rèn)為Notching效應(yīng)是由電荷積聚引起的。微電荷積聚效應(yīng)是由界面處離子鞘層中離子與電子之間的方向性差異引起的。實(shí)際上，當(dāng)刻蝕高深寬比的溝槽時，由于電子比離子有更寬的角度分布，側(cè)壁和掩膜對電子的遮蔽要多于對離子的遮蔽，因此，最后到達(dá)溝槽底部的離子要多于電子。當(dāng)刻蝕到達(dá)氧化硅埋層時，因?yàn)檠趸铻榻^緣體，離子電荷積聚在槽底部，造成溝槽底部電勢的差異，當(dāng)后續(xù)離子轟擊槽底時會受到積聚電荷的排斥而改向轟擊側(cè)壁，導(dǎo)致側(cè)壁底部被掏蝕。

工藝設(shè)計原理如圖1所示，由于 RIE lag[10]效應(yīng)，寬槽比窄槽刻蝕速率大，因此刻蝕先到達(dá)寬槽埋氧層。由于槽比較寬，電子遮蔽效應(yīng)不明顯，即使離子在寬槽埋氧層側(cè)壁處積聚，電子也會很快到達(dá)寬槽底部與離子中和，使得電勢不會繼續(xù)升高，整個過程達(dá)到一種平衡狀態(tài)。因此，寬槽界面處不會發(fā)生側(cè)壁底部被掏蝕現(xiàn)象。繼續(xù)刻蝕幾分鐘之后，刻蝕到達(dá)窄槽埋氧層。與寬槽不同的是窄槽側(cè)壁對電子的遮蔽效應(yīng)明顯，電子不能到達(dá)窄槽底部與積聚的離子中和。離子在窄槽底部積聚，使得窄槽底部電勢升高，后續(xù)的離子進(jìn)入到窄槽內(nèi)部時會受到靜電力的作用而改向轟擊側(cè)壁，窄槽界面處發(fā)生側(cè)壁底部被掏蝕現(xiàn)象。一旦窄槽側(cè)壁被掏蝕，被掏蝕區(qū)域在DRIE鈍化周期中得不到有效的保護(hù)，離子繼續(xù)在切口下面的氧化硅層積聚，使得離子在靜電力的作用下偏轉(zhuǎn)更大，不斷增加切口的深度[11]。

圖1 Notching效應(yīng)原理圖

如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)速儀敏感單元懸空，在結(jié)構(gòu)旁布置犧牲硅島[12]。犧牲硅島是指填充有呈矩陣排列的釋放孔并與敏感單元相隔離的硅加工區(qū)域。犧牲硅島可以釋放敏感單元周邊大面積的區(qū)域，并避免了‘Grass’現(xiàn)象[13]的發(fā)生。同時犧牲硅島與敏感單元之間形成窄的溝槽，其深寬比大于2[7]，確保敏感單元的側(cè)壁底部被掏蝕，使得結(jié)構(gòu)懸空。最后，犧牲硅島被完全刻蝕掉，完成懸空硅敏感單元的加工。

圖2 敏感單元和犧牲硅島的掩膜版圖

在刻蝕過程中，整個硅片的冷卻是通過SOI硅片背面與氦氣接觸實(shí)現(xiàn)的。在結(jié)構(gòu)釋放之前，結(jié)構(gòu)表面的熱是通過傳遞到埋氧層和基底耗散的?？墒牵?dāng)結(jié)構(gòu)釋放之后，熱不能再傳遞到埋氧層和基底，而只能通過傳遞到結(jié)構(gòu)與硅片之間的連接點(diǎn)散熱，降低了散熱的效率，使得結(jié)構(gòu)局部溫度超過100℃。通過在敏感單元中設(shè)置弓形結(jié)構(gòu)，用于釋放熱應(yīng)力，可以降低過熱引起的結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險。

2 加工

圖3 懸空硅敏感單元的工藝流程圖

具體的工藝流程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)層厚50 μm，埋氧層厚1 μm，支撐層厚400 μm 的 SOI硅片。首先，清洗硅片，去除表面原生氧化層(圖3(a))。然后濺射鋁作為敏感單元的金屬連接(圖3(b))，光刻，圖形化鋁錨點(diǎn)(圖3(c))，濕法腐蝕鋁，去除光刻膠，形成鋁錨點(diǎn)(圖3(d))。接下來，器件層硅光刻，圖形化敏感單元和犧牲硅島(圖3(e))。之后，采用感應(yīng)耦合離子(ICP)刻蝕硅結(jié)構(gòu)，直至犧牲硅島全部去除，完成懸空硅敏感單元的加工(圖3(f))。最后，HF酸濕法腐蝕埋氧層，增大敏感單元的懸空距離(圖3(g))，去除光刻膠(圖3(h))。

如圖4(a)所示，風(fēng)速儀由兩個鋁錨點(diǎn)和帶有釋放熱應(yīng)力的弓形結(jié)構(gòu)的懸空硅敏感單元組成。圖4(b)是敏感單元的側(cè)視SEM圖，從圖4中可以清晰看出由Notching效應(yīng)形成的懸空結(jié)構(gòu)，測得結(jié)構(gòu)層的厚度為43 μm，懸空距離達(dá)到8 μm。圖5所示是沒有布置犧牲硅島的敏感單元，在相同時間的刻蝕之后，可以看出沒有形成懸空結(jié)構(gòu)。因此，對比圖4與圖5，說明通過在結(jié)構(gòu)旁布置犧牲硅島加工以懸空硅作為敏感單元的風(fēng)速儀是可行的。該加工方法具有更高的加工精度、3%片內(nèi)、5%片間的重復(fù)性以及90%的成品率。

圖4 懸空硅敏感單元的俯視和側(cè)視SEM圖

圖5 未懸空硅敏感單元的側(cè)視SEM圖

3 測試

3．1 電阻溫度系數(shù)(TCR)測試

電阻溫度系數(shù)是熱敏元器件的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響著熱敏元器件的靈敏度。TCR測試系統(tǒng)如圖6所示，其主要由精密溫度控制儀、測量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)和水槽等組成[14]。分別對非懸空硅敏感單元和懸空硅敏感單元進(jìn)行TCR的測試，測得 TCR值分別為4 323×10－6/℃和4 738×10－6/℃。可見，懸空硅敏感單元具有更高的TCR值，具有更高的靈敏度。

圖6 TCR測試系統(tǒng)

3．2 熱響應(yīng)時間常數(shù)測試

具有某初始溫度的溫度傳感器放入溫度恒定的介質(zhì)中后，熱敏傳感器的溫度變化量由零達(dá)到介質(zhì)溫度與溫度傳感器初始溫度之差的63．2%所用的時間稱之為熱時間常數(shù)。動態(tài)參數(shù)熱時間常數(shù)τ是傳感器的一個重要指標(biāo)，熱時間常數(shù)越小，熱敏元件的動態(tài)響應(yīng)頻率越高，傳感器的動態(tài)響應(yīng)越好，對于外界流體速度變化的動態(tài)跟蹤性越好。在過熱比為0．1的情況下，分別對非懸空硅敏感單元和懸空硅敏感單元進(jìn)行熱時間常數(shù)測試。測試結(jié)果如圖7所示，測得熱時間常數(shù)值分別為 2．04 μs 和 1．08 μs?？梢姡瑧铱展杳舾袉卧哂懈斓捻憫?yīng)時間。

圖7 非懸空和懸空敏感單元的熱時間響應(yīng)測試圖

3．3 穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)

圖8 懸空與非懸空硅敏感單元的測試與擬合曲線

在風(fēng)洞測試中，懸空與非懸空硅敏感單元的輸出電壓與風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖8所示。風(fēng)速儀的輸出電壓隨風(fēng)速增加而減小。風(fēng)速越高對流耗散的熱量就越多，因此，敏感單元電阻隨風(fēng)速提高而減小。由于風(fēng)速儀的敏感單元懸空，相比未懸空結(jié)構(gòu)，其通過基底傳導(dǎo)的熱減少，更多的熱量通過對流的方式傳遞到氣流中，增加風(fēng)速儀的靈敏度并減少由基底不穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)引起的干擾。

4 結(jié)語

本文中提出并實(shí)現(xiàn)了一種利用Notching效應(yīng)使結(jié)構(gòu)懸空的MEMS工藝。利用該工藝完成了以懸空硅作為敏感單元的風(fēng)速儀的工藝原理設(shè)計、加工和測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過在結(jié)構(gòu)旁合理布置犧牲硅島，硅島可以保證Notching效應(yīng)的產(chǎn)生，加工出完整的懸空結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，風(fēng)速儀響應(yīng)時間常數(shù)和為 1．08 μs，電阻溫度系數(shù) TCR(Temperature Coefficient of Resistant)為 4 738×10－6/℃。

[1]Jing X M，Lu J Y，Miao J M，et al．An Aerodynamically Efficient Sphere Anemometer with Integrated Hot-Film Sensors for 2-D EnvironmentalAirflow Monitoring[C]//The 16th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems．Beijing，China，2011:96－99．

[2]Kahroba P，Mirzaee I，Sharifi P，et al．The Microcavity-Based Mico-Heater:An Optimum Design for Micro-Heaters[J]．Microsyst．Technol，2008，14:705－710．

[3]張驊，沈廣平，吳劍，等．一種MEMS熱風(fēng)速計的系統(tǒng)級封裝[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2008，21(4):571－573．

[4]楊松迎，梁國偉，黃震威，等．組合鉑膜探頭線性風(fēng)速儀的研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2009，22(7):941－945．

[5]Meng E，Li P Y，Tai Y C．A Biocompatibleparylene Thermal flow Sensing Array[J]．Sensors and Actuators A，2008，144:18－28．

[6]Jack Chen，Chang Liu．Development and Characterization of Surface Micromachined，out-of-Plane Hot-Wire Anemometer[J]．IEEE J Microelectromechanical Sys，2003，12(6):979－988．

[7]Ulrich Buder，Andreas Berns，Ralf Petz，et al．AeroMEMS Wall Hot-Wire Anemometer on Polyimide Substrate Featuring Top Side or Bottom Side Bondpads[J]．IEEE J Sensors，2007，7(8):1095－1101．

[8]Hwang G S，Giapis K P．On the Origin of the Notching Effect During Etching in Uniform High Density Plasmas[J]．Vacuum Sci．Technol．B:Microelect．Process．Phenom，1997，15(1):70－87．

[9]Giapis K P，Hwang G S．Pattern-Dependent Charging and the Role of Electron Tunneling[J]．Appl．Phys，1998，37:2281－2290．

[10]Ayon A A，Zhang X，Khanna R．Ultra Deep Anisotropic Silicon Trenches Using Deep Reactive Ion Etching(DRIE)[J]．Solid-State Sensor and Actuator，2000，339－342．

[11]Liu Haobing，F(xiàn)ranck Chollet．Layout Controlled Cne-Step Dry Etch and Release of MEMS Using Deep RIE on SOI Wafer[J]．Microelectromech Syst，2006，15(3):541－547．

[12]Docker P T，Kinnell P K，Ward M C L．Development of the One-Step DRIE Dry Process for Unconstrained Fabrication of Released MEMS Devices[J]．Micromech Microeng，2004，14(7):941－944．

[13]Xie Jianbing，Yuan Weizheng，Chang Honglong．A Novel Method for the Manufacture of MEMS Devices with Large Exposed Area Based on SOl Wafers[C]//The 4th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems．Shenzhen，China，2009:253－256．

[14]徐延光，馬炳和，鄧進(jìn)軍．基于MEMS技術(shù)的柔Ni基熱敏傳感器陣列研制[J]．微/納工藝材料與器件，2009，34(7):697－700．