一種采用圓片級(jí)真空封裝的全硅MEMS三明治電容式加速度計(jì)

胡啟方，李男男，邢朝洋，劉 宇，莊海涵，徐宇新

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

高性能硅基 MEMS加速度計(jì)與傳統(tǒng)機(jī)電式加速度計(jì)以及石英基加速度計(jì)相比具有體積小、重量輕、低功耗、可批量制造以及便于ASIC集成等優(yōu)勢(shì)，從而在GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）微系統(tǒng)、重力檢測(cè)以及平臺(tái)穩(wěn)定等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。常見的MEMS加速度計(jì)按照檢測(cè)原理可分為電容式、壓阻式、壓電式、諧振式、隧道電流式等。其中，差分電容式 MEMS加速度計(jì)以其均衡的性能以及良好的可集成性成為目前中、高精度MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品的主要形式。對(duì)于MEMS三明治加速度計(jì)，通常通過增加質(zhì)量塊的體積并降低其周圍的氣體阻尼提高信噪比[1-2]。質(zhì)量塊的加工工藝采用硅片的雙面各向異性腐蝕，得到的質(zhì)量塊的厚度與整個(gè)硅片的厚度相當(dāng)[3]。為了降低MEMS三明治加速度計(jì)的空氣阻尼，從而提高其Q值、靈敏度、并降低噪聲，通常對(duì)器件進(jìn)行管殼級(jí)或者圓片級(jí)的真空封裝[4-9]。管殼級(jí)真空封裝通常占整表成本的50%~80%并且體積較大，而圓片級(jí)真空封裝在成本、體積、一致性方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)[10]。MEMS三明治電容式加速度計(jì)的圓片級(jí)真空封裝蓋板材料通常為硼硅玻璃或單晶硅。采用硼硅玻璃制作三明治電容式加速度計(jì)電極蓋板的優(yōu)勢(shì)在于硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的溫度較低，僅為 330℃~400℃。同時(shí)，陽(yáng)極鍵合的鍵合容差率高，對(duì)加速度計(jì)造成的寄生電容小。但是，由于硼硅玻璃和單晶硅材料之間存在熱膨脹系數(shù)差，會(huì)造成加速度計(jì)溫度系數(shù)增大[11-17]。

本文介紹了一種基于金-硅共晶鍵合工藝的全硅MEMS三明治加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝加工以及測(cè)試標(biāo)定。其特點(diǎn)在于三明治加速度計(jì)的上、下電極蓋板以及中間硅擺片都采用同種晶向的單晶硅材料制成，能夠降低由材料熱失配造成的加表輸出溫度漂移。該加速度計(jì)的鍵合工藝采用三層硅同時(shí)鍵合技術(shù)，以避免二次鍵合造成的電極污染以及成品率降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三明治加表的圓片級(jí)低真空封裝。

1 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

該加速度計(jì)的整體設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)為：標(biāo)度因數(shù)0.5 V/g，量程±2g，可用帶寬150 Hz，加速度計(jì)全溫零位輸出穩(wěn)定性優(yōu)于50 mg。為了提高M(jìn)EMS三明治加速度計(jì)的靈敏度，該加速度計(jì)利用整個(gè)硅片厚度加工敏感質(zhì)量塊。在質(zhì)量塊上、下表面加工出MEMS差動(dòng)電容的電容間隙，兩個(gè)懸臂梁放置在質(zhì)量的同一側(cè)。采用這種設(shè)計(jì)的梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)具有較高的扭轉(zhuǎn)剛度并且對(duì)應(yīng)力不敏感，從而降低了加速度計(jì)的交叉軸靈敏度并提高了加速度計(jì)的穩(wěn)定性。敏感質(zhì)量塊的長(zhǎng)度為3920 μm，寬度為 4720 μm，厚度為 380 μm。MEMS電容間隙為4 μm，初始電容為40 pF。懸臂梁的長(zhǎng)度為1 430 μm，寬度為770 μm，厚度為40 μm。兩個(gè)懸臂梁的間距為2 230 μm。梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的三維有限元（FEM）模型是使用商用有限元軟件 ANSYS?構(gòu)建的，并采用具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體單元SOLID95進(jìn)行網(wǎng)格化。圖1給出了梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的前三階振動(dòng)模態(tài)的仿真結(jié)果。

一階模態(tài)是沿 Z軸的線振動(dòng)模態(tài)，模態(tài)頻率為437 Hz。二階模態(tài)是沿著Y軸的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，二階模態(tài)頻率為2 897 Hz，比一階模態(tài)頻率高5.6倍。三階模態(tài)是沿X軸的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，三階模態(tài)頻率為8 042 Hz，比一階模態(tài)頻率高17.4倍。因此，該加速度計(jì)具有良好的單軸性。

圖1 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)仿真結(jié)果Fig.1 FEM simulation results of first three order vibration modes

加速度計(jì)的噪聲主要來(lái)自敏感質(zhì)量塊周圍氣體分子引起的機(jī)械熱噪聲以及接口電路噪聲。因此，在接口電路噪聲水平一定的前提下可以通過降低加表的封裝氣壓來(lái)降低機(jī)械熱噪聲，從而降低加表的整體噪聲水平。

MEMS三明治加速度計(jì)的機(jī)械熱噪聲等效加速度（BNEA）解析表達(dá)式為[18]：

式中：T代表絕對(duì)溫度；m是加速度計(jì)的敏感質(zhì)量；D是阻尼因子；ω0是加速度計(jì)的梁-質(zhì)量結(jié)構(gòu)的諧振角頻率；kB是玻爾茲曼常數(shù)；Q是加速度計(jì)的品質(zhì)因數(shù)；g是重力加速度（9.8 m/s2）。 三明治電容加速度計(jì)的另一個(gè)主要噪聲來(lái)源于接口電路。 由接口電路的最小電容分辨率決定的電路噪聲等效加速度（CNEA）可以表示為[19]：

式中：ΔCmin是電路的電容分辨率；Sc是加速度計(jì)接口電路的電容靈敏度。對(duì)于差分電容加速度計(jì)，Sc可以表示為：

式中：Cs1和Cs2是MEMS電容器的值；ε為介電常數(shù)；A為MEMS電容正對(duì)面積；h0為初始電容間隙；k為加速度計(jì)懸臂梁剛度。目前，前端C-V對(duì)流體的電容分辨率（ΔCmin）通常在1~10 aF之間。 總噪聲等效加速度（TNEA）可以表述為：

以Q值和接口電路電容分辨率ΔCmin作為自變量做TNEA的等高線圖，如圖2所示。當(dāng)Q值從0.1增加到10時(shí)，TNEA顯著降低，這表明如果三明治電容加速度計(jì)腔體中保持一定真空度有助于加速度計(jì)噪聲水平的降低。然而，當(dāng)Q值持續(xù)增加時(shí)，TENA的下降趨于平緩，這意味著在高真空環(huán)境下，源自于接口電路的噪聲成為主要的噪聲源。另一方面，如果Q值持續(xù)增加，加速度計(jì)的空氣阻尼將降至極低，此時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)將趨向于不穩(wěn)定。

綜上所述，MEMS三明治加速度計(jì)應(yīng)該采用低真空封裝以降低噪聲，同時(shí)增加帶寬并改善動(dòng)態(tài)特性。

圖2 加速度計(jì)總體噪聲和Q值以及ΔCmin的關(guān)系Fig.2 Contour plot of TNEA as a function of Q factor and ΔCmin

2 設(shè)計(jì)和制造

本文所述的 MEMS三明治電容式加速度計(jì)具有上、下電極蓋板以及中間結(jié)構(gòu)層。三明治加速度計(jì)的中間層是梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，具體包括敏感質(zhì)量塊、懸臂梁、硅框架和引線鍵合電極。硅中間層的加工是通過基于 KOH或四甲基氫氧化銨（TMAH）的各向異性硅腐蝕實(shí)現(xiàn)的。硅的濕法腐蝕掩膜是通過多次緩沖氫氟酸（BHF）腐蝕制備的帶有臺(tái)階的SiO2層。硅蓋板的加工結(jié)合了硅的干法蝕刻和濕腐蝕工藝。 加速度計(jì)的三明治結(jié)構(gòu)是通過Au-Si共晶鍵合組裝完成。三個(gè)硅結(jié)構(gòu)層通過SiO2絕緣環(huán)進(jìn)行絕緣隔離。

硅蓋板的加工采用 N-型（100）雙面拋光單晶硅圓片。首先對(duì)硅片進(jìn)行熱氧化生長(zhǎng) 3 μm厚的SiO2，如圖3（a）所示。熱氧化后，使用BHF對(duì)正面的SiO2進(jìn)行圖案化。在KOH（或TMAH）中以SiO2為掩膜進(jìn)行硅的深槽腐蝕以制造硅蓋板上的引線鍵合電極，如圖3（b）所示。在硅腐蝕工藝完成之后，在硅片背面進(jìn)行光刻，并且使用 BHF濕法腐蝕將硅片背面的SiO2進(jìn)行圖案化。鍵合區(qū)上的SiO2被光刻膠保護(hù)，將蓋板上質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)區(qū)域的SiO2腐蝕到余厚0.8 μm。

在鍵合區(qū)和質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行第二次 SiO2腐蝕，以制造用于放置Au焊料環(huán)的SiO2凹槽以及SiO2縱向防過載凸點(diǎn)，如圖 3（d）所示。在 SiO2腐蝕工藝之后，通過磁控濺射工藝在晶片背面上生長(zhǎng)1 μm厚的Au層，并通過光刻以及碘化鉀腐蝕將Au層圖案化。Au環(huán)嵌套于SiO2槽中，如圖3（e）所示。最后，通過ICP垂直硅蝕刻工藝使電極蓋板穿通，如圖3（f）所示。

采用 N-型（100）雙拋光單晶硅圓片進(jìn)行硅擺片的加工。硅擺片的加工同樣起始于硅片正反面的熱氧化工藝，如圖 3（g）所示。梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制造通過三步KOH腐蝕實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)硅片正反面上的SiO2層進(jìn)行三次光刻以及BHF腐蝕得到臺(tái)階化的SiO2掩膜，如圖3（h）所示。中間硅擺片鍵合區(qū)位置的SiO2厚度最大，質(zhì)量塊區(qū)域的SiO2具有第二厚度，懸臂梁位置的 SiO2厚度最薄，結(jié)構(gòu)釋放區(qū)域的 SiO2則完全腐蝕去除干凈露出下層體硅。

中間硅擺片的腐蝕加工采用的是質(zhì)量百分比為40%的KOH溶液。在溫度為80℃的KOH腐蝕液中，溶液對(duì)N型（100）單晶硅的腐蝕速率為1 μm/min。第一次硅腐蝕是在質(zhì)量塊周圍形成24 μm的淺槽，如圖3（i）所示。在第一步硅腐蝕步驟之后，將臺(tái)階化的SiO2掩膜在BHF中腐蝕變薄，從而將懸臂梁位置的SiO2腐蝕去除并露出下層體硅。第二次硅腐蝕工藝是用于制造懸臂梁和敏感質(zhì)量塊，如圖3（j）所示。在第二次硅腐蝕過程中，前步硅腐蝕工藝制備的 24 μm硅臺(tái)階會(huì)整體向硅片中間推進(jìn)，最終硅片兩側(cè)的24 μm 的硅臺(tái)階同步推進(jìn)到硅片中間位置，最終形成了厚度為48 μm的懸臂梁。在完成第二步硅梁腐蝕后，進(jìn)一步通過 BHF腐蝕去除質(zhì)量塊表面的 SiO2，僅余鍵合區(qū)的SiO2掩膜，并在40 ℃的低溫KOH腐蝕溶液中對(duì)硅質(zhì)量塊進(jìn)行低速率精確腐蝕，以制造 MEMS初始電容間隙，如圖3（k）所示。最后，上、下硅蓋板和中間硅擺片通過Au-Si共晶鍵合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)組裝并完成加速度計(jì)的圓片級(jí)真空封裝（WLP），如圖3所示。

圖4給出了加工完成的單晶硅蓋板的SEM照片。SiO2材質(zhì)的抗過載凸點(diǎn)分布在質(zhì)量塊的對(duì)電極上，以防止加速度計(jì)在工作過程中由于質(zhì)量塊過沖引起MEMS敏感電容吸合及短路失效。Au焊環(huán)的寬度為800 μm，SiO2隔離槽寬度為1 200 μm。Au焊環(huán)和SiO2槽之間的邊界區(qū)域是用來(lái)防止Au-Si共晶反應(yīng)的液態(tài)產(chǎn)物從SiO2凹槽內(nèi)流出并導(dǎo)致加速度計(jì)的短路。

圖3 全硅圓片級(jí)真空封裝MEMS三明治加速度計(jì)的加工工藝流程Fig.3 Fabrication processes of the wafer-level packaging MEMS sandwich accelerometer

圖4 加工完成的MEMS三明治加速度計(jì)全硅蓋板Fig.4 Scanning electron microscope (SEM) images of the silicon cap

圖5 給出了加工完成的梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的SEM照片。敏感質(zhì)量塊的凸角在版圖設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償，以保護(hù)敏感質(zhì)量塊的凸角在KOH溶液中不被過度腐蝕。在梁-質(zhì)量塊的各向異性濕法腐蝕加工過程中，懸臂梁的寬度會(huì)隨著腐蝕工藝的進(jìn)行而逐漸減小，因此梁的寬度應(yīng)該在版圖設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以獲得具有目標(biāo)尺寸的懸臂梁。

圖5 加工完成的硅擺片的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM of the beam-mass structure

三層硅結(jié)構(gòu)片的鍵合工藝是在 EVG510中進(jìn)行的。為提高鍵合的對(duì)稱性并減少鍵合面污染，鍵合工藝中采用了EVG公司的三層硅片同時(shí)鍵合夾具。Au-Si共晶鍵合的關(guān)鍵點(diǎn)是硅片清洗工藝。鍵合區(qū)域上的顆粒將導(dǎo)致MEMS三明治加速度計(jì)氣密封裝失效。此外，質(zhì)量塊和電極蓋板上的顆粒污染會(huì)造成可動(dòng)質(zhì)量塊卡死從而導(dǎo)致器件失效。在鍵合前采用超聲清洗和兆聲清洗分別對(duì)三個(gè)待鍵合硅片進(jìn)行清洗，以去除微米、亞微米尺度的顆粒污染。在Au-Si共晶鍵合工藝實(shí)施之前需要除去硅晶片表面上的自然氧化層，因?yàn)樽匀谎趸瘜訒?huì)抑制金和硅材料之間的原子互擴(kuò)散從而降低Au-Si共晶反應(yīng)的質(zhì)量，最終導(dǎo)致氣密鍵合失效。在清洗工藝之后，三個(gè)硅片在EVG620光刻機(jī)上通過三層鍵合對(duì)準(zhǔn)夾具進(jìn)行圖形對(duì)準(zhǔn)。在硅片對(duì)準(zhǔn)之后，將夾具從光刻機(jī)上取下，并放入鍵合機(jī)的腔室內(nèi)，用高純 N2充滿鍵合腔室，然后將室中的N2泵出，直到腔室內(nèi)壓降至200 Pa。在腔室內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力后，將腔室內(nèi)溫度在35 min內(nèi)升至340 ℃，如圖6所示。

當(dāng)溫度達(dá)到時(shí)，將三層硅片之間的間隔片抽出，并在三層硅片上施加5 kN的壓力。將腔室內(nèi)的溫度進(jìn)一步升至 386 ℃，此時(shí)，在金和硅之間發(fā)生共晶反應(yīng)，而金-硅共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是一種粘性液體，冷卻固化后將三層硅晶片粘接在一起，并將低壓氮封裝在MEMS加速度計(jì)的空腔中從而形成低氣壓封裝的 MEMS三明治加速度計(jì)。在鍵合工藝完成之后在加速度計(jì)的電極區(qū)域制備Au電極作為引線鍵合焊盤。最后，采用砂輪劃片將MEMS加速度計(jì)器件從圓片上分離。圖 7給出了加工完成的WLP-MEMS三明治電容加速度計(jì)的照片。

圖6 全硅三明治加速度計(jì)圓片級(jí)封裝Au-Si共晶鍵合流程Fig.6 The Au-Si eutectic bonding process for the sandwich accelerometer wafer-level hermetic packaging

圖7 加工完成的WLP-MEMS三明治加速度計(jì)照片F(xiàn)ig.7 The fabricated MEMS full silicon sandwich accelerometer with wafer level hermetic packaging

3 性能測(cè)試

圖8~10給出了加速度計(jì)的常溫輸出特性曲線。

圖 8示出了加速度計(jì)在重力場(chǎng)中的輸出靈敏度曲線。使用光學(xué)分度頭對(duì) MEMS加速度計(jì)的輸出靈敏度進(jìn)行了測(cè)試標(biāo)定。加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)為 0.575 V/g。加速度計(jì)的零位偏置為0.43 g。全硅三明治加速度計(jì)的零位偏置與若干因素有關(guān)，包括 MEMS加工誤差、鍵合應(yīng)力以及封裝應(yīng)力。

使用加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試MEMS加速度計(jì)的穩(wěn)定性。 加速度計(jì)上電1 min后，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。采樣速率為60次每分鐘，采樣時(shí)間為1 h。輸出穩(wěn)定曲線如圖9所示。全硅MEMS三明治加速度計(jì)1 h的輸出漂移為 2.23×10-4g（1σ）。

加速度計(jì)的全溫溫度實(shí)驗(yàn)采用高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的起始溫度為 20 ℃，溫度范圍為-40 ℃~60 ℃。當(dāng)加速度計(jì)溫度達(dá)到20 ℃并穩(wěn)定1 h后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。溫度實(shí)驗(yàn)的變溫間隔為 20 ℃，先降溫再升溫，溫度點(diǎn)間的升降溫時(shí)間為15 min，穩(wěn)定穩(wěn)定時(shí)間為1 h。如圖10所示，加速度計(jì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的輸出漂移為45.78 mg，最大溫度滯環(huán)點(diǎn)出現(xiàn)在0 ℃，最大溫度滯環(huán)值為3.725 mg。

圖8 加工完成的圓片級(jí)封裝MEMS三明治加速度計(jì)照片F(xiàn)ig.8 The fabricated MEMS full-silicon sandwich accelerometer with wafer-level hermetic packaging

圖9 加速度計(jì)1 h穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果（1σ）Fig.9 Stability measurement result of the accelerometer for 1 h (1σ)

圖10 加速度計(jì)全溫溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Temperature experiment results of the accelerometer in full-temperature range

通過使用振動(dòng)頻率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)的頻率響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。振動(dòng)頻率測(cè)試系統(tǒng)是由小型機(jī)械振動(dòng)臺(tái)、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、示波器等設(shè)備組成。測(cè)試的起始頻率為5 Hz，終止頻率為2 000 Hz，加速度計(jì)的-3 dB帶寬為278.14 Hz。加速度計(jì)的頻率響應(yīng)曲線如圖11所示。由于靜電負(fù)剛度和低通濾波器的影響，測(cè)量得到的加速度計(jì)響應(yīng)帶寬低于模擬結(jié)果。

圖 11 MEMS三明治加速度計(jì)頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.11 Frequency response curve of the MEMS accelerometer

4 結(jié) 論

本文介紹了一種圓片級(jí)真空封裝全硅MEMS三明治加速度計(jì)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試標(biāo)定。基本封裝方案是三層硅結(jié)構(gòu)的Au-Si共晶鍵合。加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真使用FEM軟件ANSYS?進(jìn)行。梁-質(zhì)量結(jié)構(gòu)的加工通過臺(tái)階化的 KOH各向異性濕法腐蝕工藝制造，以獲得具有整硅片厚度敏感質(zhì)量塊、薄懸臂梁，以及狹窄的MEMS電容間隙。封裝蓋板和中間硅擺片在N2壓力為200 Pa的EVG晶圓鍵合腔室內(nèi)進(jìn)行三層結(jié)構(gòu)組裝并完成敏感結(jié)構(gòu)的低真空封裝。測(cè)量結(jié)果表明，本文給出的 MEMS三明治加速度計(jì)的閉環(huán)輸出靈敏度為0.575 V/g，零位偏置為0.43 g。加速度計(jì)的-3 dB帶寬為278.14 Hz。1 h的輸出穩(wěn)定度為2.23×10-4g（1σ）。加速度計(jì)在全溫度范圍（-40 ~60 ℃）的輸出漂移為45.78 mg，最大的溫度滯環(huán)為3.725 mg。

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