石英MEMS傳感器工作原理、敏感芯片結(jié)構(gòu)及加工工藝

摘要：簡要介紹了石英MEMS傳感器工作原理、敏感芯片結(jié)構(gòu)及加工工藝，著重闡述了石英晶體各向異性刻蝕機(jī)理及濕法刻蝕工藝技術(shù)，針對影響濕法刻蝕石英晶體形貌結(jié)構(gòu)的溶液濃度、溶液流場、反應(yīng)氣泡等因素，結(jié)合設(shè)備制造安全性重點(diǎn)論述了濕法刻蝕設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)、溶液濃度控制技術(shù)、晶片轉(zhuǎn)動(dòng)控制技術(shù)等設(shè)備制造關(guān)鍵技術(shù)。

MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機(jī)電系統(tǒng)，是指采用微機(jī)電加工技術(shù)按照功能要求在微米量級(jí)的芯片上集成機(jī)械零件、電子組件和傳感器執(zhí)行組件等而形成的一個(gè)獨(dú)立智能系統(tǒng)。由于單晶石英材料具有壓電效應(yīng)，且具有優(yōu)良的溫度、機(jī)械性能、高品質(zhì)因素等特性，采用單晶石英制作的石英MEMS加速度傳感器、壓力傳感器和石英MEMS陀螺儀等，具有高精度、高穩(wěn)定性、高分辨率等特點(diǎn)，在微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、姿態(tài)測量與控制、航空航天、汽車電子、儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其加工工藝和設(shè)備制造技術(shù)研究對促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持具有十分重要的意義。

1石英MEMS傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)

石英MEMS傳感器主要應(yīng)用于振動(dòng)慣性器件，是通過振動(dòng)原理測量運(yùn)動(dòng)物體的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)（包括角速度、角度、線加速度等）的慣性器件。石英MEMS振動(dòng)慣性器件主要包括石英微機(jī)械振動(dòng)陀螺、石英振梁加速度計(jì)等，其敏感結(jié)構(gòu)采用石英晶體，基于石英晶體壓電效應(yīng)原理、采用微電子加工工藝，是振動(dòng)慣性技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

石英微機(jī)械振動(dòng)陀螺是一種音叉結(jié)構(gòu)的哥氏振動(dòng)陀螺，是一種MEMS角速度傳感器。其敏感芯片結(jié)構(gòu)為雙端音叉結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)音叉、讀出音叉及支撐結(jié)構(gòu)。石英微機(jī)械振動(dòng)陀螺工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)音叉被激勵(lì)以其自然頻率左右振動(dòng)，當(dāng)石英MEMS陀螺繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)音叉受到哥氏力（Coriolis）的作用產(chǎn)生一個(gè)垂直于音叉平面的振動(dòng)，這個(gè)哥氏力運(yùn)動(dòng)傳遞到讀出音叉，使讀出音叉垂直于音叉平面的方向振動(dòng)，振動(dòng)幅度正比于驅(qū)動(dòng)音叉的速度和外加速度，利用壓電效應(yīng)，通過制作在讀出音叉上的電極即可檢測到電信號(hào)，再經(jīng)過讀出電路解調(diào)得到一個(gè)正比于輸入角速度的直流電壓輸出。敏感芯片結(jié)構(gòu)是以石英晶體為基體材料的一體式音叉結(jié)構(gòu)，有雙端音叉、單端音叉等結(jié)構(gòu)形式。雙端音叉結(jié)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)音叉與讀出音叉分開，有利于減少耦合誤差，靈敏度高，但是體積較大；單端音叉結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)音叉與讀出音叉共用一個(gè)音叉，體積小，但信號(hào)相互干擾，靈敏度低。

圖1 石英微機(jī)械振動(dòng)陀螺工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)

石英MEMS加速度計(jì)也即石英振梁加速度計(jì)，是一種基于石英振梁的諧振頻率隨外力發(fā)生變化的特性來檢測運(yùn)動(dòng)體加速度。石英振梁加速度計(jì)工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。一對匹配的壓電石英振梁和質(zhì)量塊通過撓性系統(tǒng)支撐形成一體。石英振梁和外電路一起構(gòu)成兩種不同頻率的自激振蕩器，若在其敏感軸方向有加速度輸入時(shí)，一個(gè)振梁受到張力而另外一個(gè)振梁受到壓力，相應(yīng)的振蕩頻率一個(gè)增加一個(gè)減少，求其頻率差就可以測量輸入加速度大小。石英振梁加速度計(jì)敏感芯片結(jié)構(gòu)采用集石英振梁、質(zhì)量塊、撓性支撐等一體單片式結(jié)構(gòu)，通常有分體式和一體式兩種形式。分體式結(jié)構(gòu)由雙端固定石英振梁、撓性支撐結(jié)構(gòu)等組成。其優(yōu)點(diǎn)是石英振梁、撓性支撐結(jié)構(gòu)單獨(dú)完成加工，工藝相對簡單，但裝配工藝較復(fù)雜。一體式結(jié)構(gòu)是在一片石英基片上完成振梁、撓性支撐和隔離框架的制作，其優(yōu)點(diǎn)是避免了由于材料不同引起的熱匹配問題，具有更高的精度，且體積更小，更易集成裝配。但其缺點(diǎn)在于芯片制作工藝難度大，成品率低。

圖2 石英振梁加速度計(jì)工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)

2石英MEMS傳感器敏感芯片加工工藝

石英MEMS傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)采用石英晶體材料。石英通常的加工方法有機(jī)械加工、激光加工、干法刻蝕和濕法刻蝕等。機(jī)械加工、激光加工由于加工質(zhì)量和尺寸精度有限，不適合石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)；干法刻蝕結(jié)構(gòu)尺寸控制好，可以得到石英晶體表面平整的高深寬比結(jié)構(gòu)，但其加工成本高、效率低，目前石英的干法深刻蝕設(shè)備還不夠成熟；濕法刻蝕通過光刻的方法，加工尺寸小、尺寸精度高、可批量加工、效率高、成本低，是適合于石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)加工的工藝技術(shù)。石英MEMS傳感器敏感芯片工藝流程如圖3所示。石英晶片清洗干燥后，進(jìn)行晶片的雙面鍍膜，形成濕法刻蝕的保護(hù)膜，再通過雙面光刻工藝，在晶片的金屬膜上形成敏感芯片結(jié)構(gòu)形狀，接著進(jìn)行石英晶片的濕法刻蝕，形成所需要的三維芯片結(jié)構(gòu)，然后在芯片結(jié)構(gòu)上形成電極，形成完整的敏感芯片。由于石英濕法刻蝕液為強(qiáng)腐蝕性的HF溶液，對包括光刻膠在內(nèi)的大多數(shù)物質(zhì)有腐蝕性，因此一般選用金屬做掩膜層，金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與HF酸反應(yīng)，且金掩膜層致密能很好阻止腐蝕液的滲透，但是金與石英的粘附性較差，長時(shí)間在腐蝕液中浸泡易與石英發(fā)生脫落，使掩膜失效。因此通常在金與石英間先濺射或蒸鍍一層與石英粘附性較強(qiáng)的鉻或鈦，有效避免掩膜層失效。

圖3 石英MEMS傳感器敏感芯片加工工藝流程

3濕法刻蝕工藝

石英在常壓下，隨著溫度的變化有不同性質(zhì)的變體，包括低溫石英（α石英）、高溫石英（β石英）和磷石英、方石英和石英玻璃等五類。其中石英玻璃是晶型二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷偷牟Ａ垠w，也叫熔融石英，各向同性且不具有壓電效應(yīng)。石英晶體通常指低溫石英（α石英），α石英晶體具有典型的壓電效應(yīng)，良好的絕緣性以及顯著的各向異性。適合于石英不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工，如尖角、空腔、高深寬比側(cè)壁、懸臂梁等，是石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)重要的晶體材料。

由于石英晶體原子結(jié)構(gòu)排列具有方向性，不同切向的晶面原子排布結(jié)構(gòu)及原子密度各異，引起不同晶面化學(xué)反應(yīng)（刻蝕速率）不同，表現(xiàn)出各向異性特性。石英MEMS傳感器敏感芯片濕法刻蝕工藝，利用石英晶體各向異性刻蝕特性，即通過化學(xué)刻蝕液和被刻蝕晶體之間非等向性化學(xué)反應(yīng)去除刻蝕部分實(shí)現(xiàn)敏感芯片的微納米圖形結(jié)構(gòu)。

為了獲得預(yù)期穩(wěn)定的刻蝕結(jié)構(gòu)和良好的石英表面加工質(zhì)量，就需要嚴(yán)格控制刻蝕時(shí)間及刻蝕速率。為了達(dá)到這個(gè)目的，一般通過選擇合適的腐蝕液配比及控制腐蝕液溫度、濃度來改變各晶面的刻蝕速率，減少側(cè)向腐蝕量，達(dá)到預(yù)期形貌結(jié)構(gòu)。

通常腐蝕液為HF溶液加入適量NH4F溶液，或者是飽和NH4HF2溶液，溫度范圍（40~90 ℃）±1 ℃。化學(xué)反應(yīng)方程式：

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3·H2O

通常濕法蝕刻分為三個(gè)過程：①化學(xué)刻蝕液擴(kuò)散至晶片表面；②刻蝕液與晶片材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③反應(yīng)后的產(chǎn)物從晶片表面擴(kuò)散至溶液中，并隨溶液排出。通常溶液溫度越高，擴(kuò)散越快；溶液濃度越高，腐蝕性越強(qiáng)，腐蝕速率越高。HF+NH4F+H2O溶液與石英晶體反應(yīng)的生成物SiF62-離子、反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣泡也會(huì)吸附在石英晶體表面，形成微掩膜阻礙HF溶液的擴(kuò)散。因此石英MEMS傳感器敏感芯片濕法刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)技術(shù)、化學(xué)液溫度、化學(xué)液流場、化學(xué)液濃度及氣泡去除等是濕法刻蝕設(shè)備關(guān)鍵制造技術(shù)。

4濕法刻蝕設(shè)備關(guān)鍵制造技術(shù)

4.1濕法刻蝕設(shè)備整體結(jié)構(gòu)技術(shù)

濕法刻蝕設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由安裝在潔凈、封閉環(huán)境的腐蝕槽及清洗槽組成，包括耐腐蝕機(jī)架、槽體、排風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及水氣管路系統(tǒng)。由于HF溶液極強(qiáng)的腐蝕性，設(shè)備的安全性至關(guān)重要。通常機(jī)架采用鋼結(jié)構(gòu)骨架包塑，殼體為耐腐蝕性及強(qiáng)度好的PP（聚丙烯）板材焊接成型。槽體材料選用高潔凈、耐HF腐蝕及耐高溫的PVDF材料（聚偏氟乙烯），確保長時(shí)間刻蝕過程槽體不變形。另外除了過載、過溫、排風(fēng)風(fēng)道風(fēng)壓力檢測，管路區(qū)酸液漏液檢測等常規(guī)安全性保護(hù)，由于HF濃度相對較高，在操作區(qū)及管路區(qū)設(shè)置HF氣體濃度檢測報(bào)警等保護(hù)，確保設(shè)備及人員的安全。

圖4 濕法刻蝕設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

工藝刻蝕槽為濕法刻蝕設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)單元。為實(shí)現(xiàn)腐蝕形貌的均勻可控性，化學(xué)液均勻擴(kuò)散至晶片表面至關(guān)重要?？涛g槽體結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示，主要由槽體、密封槽蓋、晶片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、注入及排放接口等組成。槽體采用四面360°循環(huán)溢流的結(jié)構(gòu)，化學(xué)液注入采用底部兩側(cè)對稱腔室均勻小孔注入及勻流洞洞板的方式，溶液循環(huán)采用風(fēng)囊泵最大程度減少溶液的脈動(dòng)，結(jié)合管路注入泵的壓力流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)液自底向上四周的均勻流場?；瘜W(xué)液底部及溢流口采用大口徑排放管，確保工藝結(jié)束時(shí)，DIW（去離子水）快速?zèng)_洗終止化學(xué)腐蝕，實(shí)現(xiàn)腐蝕清洗一體式結(jié)構(gòu)。

圖5 刻蝕槽體結(jié)構(gòu)原理圖

4.2濕法刻蝕槽體濃度控制技術(shù)

通?；瘜W(xué)液濃度越高，腐蝕性越強(qiáng)，側(cè)向腐蝕性也越強(qiáng)，形貌控制越困難。石英晶體濕法刻蝕通常溶液溫度在40~90 ℃，溶液揮發(fā)很快，如果不能有效控制溶液揮發(fā)，溶液濃度上升很快，腐蝕過程形貌無法有效控制。高精度濃度控制儀可以實(shí)現(xiàn)對HF離子濃度精準(zhǔn)檢測及控制，但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高。如圖6所示，采用冷凝密封槽蓋，槽蓋呈拱形結(jié)構(gòu)，槽蓋內(nèi)通入10~15 ℃的冷卻水，有效冷凝腐蝕過程揮發(fā)的溶液，并通過冷凝蓋人字形結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)入工藝槽中。槽蓋選用不銹鋼材料，整體噴氟耐腐蝕保護(hù)，密封圈選用氟材料。

圖6 冷凝密封槽蓋

結(jié)合工藝槽精密液位檢測機(jī)構(gòu)及自動(dòng)定時(shí)定量補(bǔ)水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)腐蝕過程濃度不上升。

通常一定配比的溶液（濃度）試驗(yàn)好后，在整個(gè)腐蝕過程中，氟離子會(huì)減少，濃度會(huì)下降，腐蝕效率會(huì)降低，腐蝕時(shí)間就會(huì)延長，造成不可控因素增加。因此，通常采用大容量的腐蝕液，即工藝槽與大容積儲(chǔ)液槽通過循環(huán)泵連接使用，以降低濃度下降的速率。溶液加熱采用儲(chǔ)液槽投入式加熱元件管路在線加熱，結(jié)合晶片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刻蝕槽體溶液溫度均勻性。

4.3晶片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

石英晶體腐蝕過程會(huì)產(chǎn)生一定量的SiF4氣體，在溶液中形成氣泡，這些氣泡會(huì)形成微掩膜而影響酸液擴(kuò)散，通過晶片的提升或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以有效排出氣泡。另外，晶片轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶片上各個(gè)點(diǎn)最大限度出現(xiàn)在槽體中各個(gè)位置，才能與溶液溫度、流場、濃度等控制完美結(jié)合。為此采用晶片自轉(zhuǎn)+公轉(zhuǎn)的方式，晶片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，主要由晶片裝載夾具及傳動(dòng)軸組成，典型參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及夾具材料：PVDF材料；夾具旋轉(zhuǎn)方式：公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速比：1/4）；速度：0~10 r/min（連續(xù)可調(diào)），調(diào)節(jié)精度≤1 r。

圖7 晶片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

5結(jié)束語

濕法刻蝕設(shè)備是石英MEMS傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)制造的工藝載體之一，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)技術(shù)、槽體溶液濃度與流場控制、晶片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)石英晶體形貌結(jié)構(gòu)刻蝕工藝性能的重要保障。采用這些關(guān)鍵技術(shù)的濕法刻蝕設(shè)備應(yīng)用已超過20臺(tái)套，經(jīng)過近10年的實(shí)際運(yùn)行，證明設(shè)備制造技術(shù)性能穩(wěn)定，安全可靠，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可擴(kuò)展應(yīng)用于其他濕法刻蝕工藝領(lǐng)域，例如MEMS中單晶硅深槽刻蝕、鋁圖形刻蝕等工藝。