基于無掩模腐蝕技術的高性能微加速度傳感器*

袁明權， 唐　彬， 孫遠程， 熊　壯， 彭　勃

(中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

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基于無掩模腐蝕技術的高性能微加速度傳感器*

袁明權， 唐彬， 孫遠程， 熊壯， 彭勃

(中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

摘要:針對深溝槽內結構制作困難的問題，基于單晶硅各向異性腐蝕原理，推導了{100}單晶硅在KOH溶液中無掩模腐蝕過程臺階寬度與無掩模腐蝕深度之間的解析表達式，通過工藝實驗確定了單晶硅{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掩模腐蝕成型工藝流程，實現(xiàn)了深溝槽內懸臂梁的準確成型，研制出一種±100 gn量程的微加速度傳感器。樣品測試表明:運用無掩模腐蝕技術制作的微加速度傳感器相對精度優(yōu)于6×10-5，靈敏度為17.78 mV/gn。

關鍵詞：微機械加工; 微加速度傳感器; 各向異性腐蝕; 無掩模; 陽極鍵合

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腐蝕工藝[5]的三明治微加速度傳感器就具有這樣的特點。

三明治微加速度傳感器的微敏感部分為梁—島(懸臂梁—質量塊)結構，懸臂梁位于質量塊的中平面上，這種結構在常規(guī)制造過程中會遇到深溝槽內懸臂梁成型困難的問題。本文采用無掩模腐蝕技術在深溝槽內形成準確的懸臂梁結構，避免了常規(guī)方式所導致的懸臂梁成型困難、缺陷過多等問題。

1微敏感單元結構

傳感器的微敏感單元由一個帶懸臂梁—質量塊結構的硅芯與兩個帶有金屬薄膜電極的玻璃蓋板經靜電封接而成，見圖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，電極采用內外兩層的結構形式。

硅芯200 μm厚，其上設計有敏感質量、懸臂梁、引線槽和錨點，見圖2所示。敏感質量2 mm×2 mm見方，由2根10 μm厚的懸臂梁支撐，用以響應加速度的變化；引線槽用于隔離蓋板上的電極引線；錨點通過磁控濺射Ti—Pt—Au—Pt金屬薄膜制作而成，用于檢測電路中交直流信號的引入。

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工藝過程

硅芯制作采用體硅濕化學腐蝕工藝，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)設計要求先腐蝕出一定厚度的“懸臂梁”，此時的“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)同時暴露在腐蝕液中對“懸臂梁”進行無掩模腐蝕。隨著腐蝕的進行，“懸臂梁”同待穿通區(qū)一起向硅片的中平面推進。當穿通區(qū)腐蝕穿透、質量塊形成時，位于表面的“懸臂梁”通過腐蝕被推至質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腐蝕硅臺階的無掩模腐蝕規(guī)律

利用無掩模腐蝕技術，可以非常容易地控制懸臂梁的厚度。由于KOH溶液對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，“懸臂梁”與穿通區(qū)之間存在一個有固定角度的臺階，臺階側面為{111}面。同樣道理，當去除“懸臂梁”上的掩模進行雙面腐蝕時，由于{311}面腐蝕速率比{111}和{100}面都高，在“懸臂梁”的{111}側面與表面{100}面相交的棱邊上會出現(xiàn)“削邊”現(xiàn)象，最終形成的懸臂梁側面與最初在硅片表面形成的“懸臂梁”側面在形狀和尺寸上都存在差異。圖4為無掩模腐蝕過程臺階變化的示意圖。其中，α=54.74°，β=25.24°。

圖4　無掩模腐蝕臺階變化示意圖Fig 4　Step variation diagram of maskless etching

當去除表面掩模進行無掩模腐蝕時，邊棱A處暴露的{311}快腐蝕面就會隨著整個臺階的向下腐蝕而側向腐蝕切削邊棱。假定KOH腐蝕液對{311}面與{100}面的腐蝕速率比為r，無掩模腐蝕前臺階高度為h，臺階沿{100}晶向向下無掩模腐蝕深度為d，則臺階沿{311}晶向側向腐蝕深度為AG=rd。

臺階在{100}面和{311}面同時腐蝕作用下，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}側面的水平寬度為

=d(3.517 5r-2.121 3).

(2)

{111}側面部分的水平寬度為

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

(3)

式中h為無掩模腐蝕前的臺階高度。

無掩模腐蝕后臺階腐蝕側面的水平總寬度為

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}側面完全被{311}面代替。令W2=0，此時腐蝕深度d為

(5)

3腐蝕速率比的實驗確定

單晶硅{311}面與{100}面的腐蝕速率比r是一個隨單晶硅材料、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是一個定值。為了將無掩模腐蝕技術成功運用于微加速度傳感器硅芯片的制備過程中，需要首先確定在芯片實際制備條件下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的值需要通過實驗得出腐蝕推移量與無掩模腐蝕深度的比值，即b/d的值。

實驗所用材料為N〈100〉晶向、電阻率為3.8Ω·的單晶硅、腐蝕液溫度為80 ℃、腐蝕液質量比為40 %。實驗過程簡述如下：首先，對實驗硅片進行光刻、有掩模腐蝕、測量腐蝕深度和臺階寬度；其次，對實驗硅片進行光刻、無掩模腐蝕、測量腐蝕深度和臺階寬度、計算無掩模腐蝕深度和推移量。

本次實驗總共進行了4輪，無掩模腐蝕實驗結果數(shù)據(jù)見表1。

表1　無掩模腐蝕實驗數(shù)據(jù)表

將實驗所得b/d的值代入式(6)即可求得r值為1.628 9。

4制作與測試

4.1樣品制作

基于上述無掩模腐蝕工藝技術，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為采用無掩模腐蝕技術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。

在無掩模腐蝕過程中，“懸臂梁”的寬度會隨著腐蝕的進行而逐漸變小。因此，設計版圖時需要將“懸臂梁”的寬度適當加大。由于采用了雙面腐蝕技術，有掩模臺階腐蝕高度h=5 μm，無掩模腐蝕的深度d為95 μm。高性能微加速度傳感器敏感芯片制作實驗條件與前述腐蝕速率比無掩模腐蝕實驗確定的條件完全相同，即腐蝕液質量比為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)

在無掩模腐蝕過程中，“懸臂梁”的兩個側面均會受到腐蝕，因此,在工藝版圖中“懸臂梁”寬度應比結構設計理論值大322.78 μm。

運用式(5)可得到無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程中無掩模腐蝕深度為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面將完全由{311}面構成，其水平寬度為10.61 μm。這將比有掩模腐蝕所得{111}側面的水平寬度3.53 μm寬出7.08 μm。這一點需要在敏感芯片結構設計與仿真中加以重視，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性能測試

通過100gn精密離心機標定，微加速度傳感器樣品的輸入輸出曲線見圖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結論

為了解決深溝槽內懸臂梁成型困難的問題，從單晶硅各向異性腐蝕原理出發(fā)，詳細推導了無掩模腐蝕過程中臺階寬度與深度之間的關系，提出了通過工藝實驗確定單晶硅{311}面與{100}面腐蝕速率比的方法，突破了運用無掩模腐蝕技術解決深溝槽內結構制作的關鍵。通過具體實例，闡明了無掩模腐蝕技術應用于具有中心對稱梁—島結構微器件制作的詳細過程。在4″硅基MEMS生產線上制作出了±100gn量程的高性能微加速度傳感器樣品；最終測試

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

通過對工藝流程的適應性改變，無掩模腐蝕技術也可應用于其它具有相似結構的MEMS器件研制過程。

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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

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305412，61404121)；行業(yè)預先研究項目(426010104)；中國工程物理研究院超精密加工重點實驗室資助項目(2012CJMZZ00003)

中圖分類號：TN 623; TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0053—03

作者簡介:

袁明權(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工藝技術等方面的研究。

彭勃，通迅作者，E—mail：sw_mems@163.com。