【導(dǎo)讀】MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統(tǒng)，是指采用微機電加工技術(shù)按照功能要求在微米量級的芯片上集成機械零件、電子組件和傳感器執(zhí)行組件等而形成的一個獨立智能系統(tǒng)。
MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統(tǒng)，是指采用微機電加工技術(shù)按照功能要求在微米量級的芯片上集成機械零件、電子組件和傳感器執(zhí)行組件等而形成的一個獨立智能系統(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，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)用于振動慣性器件，是通過振動原理測量運動物體的各種運動參數(shù)（包括角速度、角度、線加速度等）的慣性器件。石英 MEMS 振動慣性器件主要包括石英微機械振動陀螺、石英振梁加速度計等，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，是振動慣性技術(shù)與微機械加工技術(shù)的有機結(jié)合。
石英微機械振動陀螺是一種音叉結(jié)構(gòu)的哥氏振動陀螺，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)動音叉、讀出音叉及支撐結(jié)構(gòu)。石英微機械振動陀螺工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。驅(qū)動音叉被激勵以其自然頻率左右振動，當石英 MEMS 陀螺繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動音叉受到哥氏力（Coriolis）的作用產(chǎn)生一個垂直于音叉平面的振動，這個哥氏力運動傳遞到讀出音叉，使讀出音叉垂直于音叉平面的方向振動，振動幅度正比于驅(qū)動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，再經(jīng)過讀出電路解調(diào)得到一個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)動音叉與讀出音叉共用一個音叉，體積小，但信號相互干擾，靈敏度低。
圖 1 石英微機械振動陀螺工作原理及敏感芯片結(jié)構(gòu)
石英 MEMS 加速度計也即石英振梁加速度計，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動體加速度。石英振梁加速度計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，一個振梁受到張力而另外一個振梁受到壓力，相應(yīng)的振蕩頻率一個增加一個減少，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)點是石英振梁、撓性支撐結(jié)構(gòu)單獨完成加工，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械加工、激光加工、干法刻蝕和濕法刻蝕等。機械加工、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，進行晶片的雙面鍍膜，形成濕法刻蝕的保護膜，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，就需要嚴格控制刻蝕時間及刻蝕速率。為了達到這個目的，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過程：①化學(xué)刻蝕液擴散至晶片表面；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)物從晶片表面擴散至溶液中，并隨溶液排出。通常溶液溫度越高，擴散越快；溶液濃度越高，腐蝕性越強，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)生的氣泡也會吸附在石英晶體表面，形成微掩膜阻礙 HF 溶液的擴散。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，包括耐腐蝕機架、槽體、排風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及水氣管路系統(tǒng)。由于 HF 溶液極強的腐蝕性，設(shè)備的安全性至關(guān)重要。通常機架采用鋼結(jié)構(gòu)骨架包塑，殼體為耐腐蝕性及強度好的 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），確保長時間刻蝕過程槽體不變形。另外除了過載、過溫、排風風道風壓力檢測，管路區(qū)酸液漏液檢測等常規(guī)安全性保護，由于 HF 濃度相對較高，在操作區(qū)及管路區(qū)設(shè)置 HF 氣體濃度檢測報警等保護，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。為實現(xiàn)腐蝕形貌的均勻可控性，化學(xué)液均勻擴散至晶片表面至關(guān)重要。刻蝕槽體結(jié)構(gòu)原理圖如圖 5 所示，主要由槽體、密封槽蓋、晶片轉(zhuǎn)動機構(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)采用風囊泵最大程度減少溶液的脈動，結(jié)合管路注入泵的壓力流量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)化學(xué)液自底向上四周的均勻流場。化學(xué)液底部及溢流口采用大口徑排放管，確保工藝結(jié)束時，DIW（去離子水）快速沖洗終止化學(xué)腐蝕，實現(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)
通常化學(xué)液濃度越高，腐蝕性越強，側(cè)向腐蝕性也越強，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現(xiàn)對 HF 離子濃度精準檢測及控制，但是實現(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，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構(gòu)及自動定時定量補水系統(tǒng)，實現(xiàn)腐蝕過程濃度不上升。
通常一定配比的溶液（濃度）試驗好后，在整個腐蝕過程中，氟離子會減少，濃度會下降，腐蝕效率會降低，腐蝕時間就會延長，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。溶液加熱采用儲液槽投入式加熱元件管路在線加熱，結(jié)合晶片轉(zhuǎn)動機構(gòu)，實現(xiàn)刻蝕槽體溶液溫度均勻性。
4.3 晶片旋轉(zhuǎn)運動控制技術(shù)
石英晶體腐蝕過程會產(chǎn)生一定量的 SiF4 氣體，在溶液中形成氣泡，這些氣泡會形成微掩膜而影響酸液擴散，通過晶片的提升或旋轉(zhuǎn)運動可以有效排出氣泡。另外，晶片轉(zhuǎn)動實現(xiàn)晶片上各個點最大限度出現(xiàn)在槽體中各個位置，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)動機構(gòu)如圖 7 所示，主要由晶片裝載夾具及傳動軸組成，典型參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)機構(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)動機構(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)運動控制等關(guān)鍵技術(shù)是實現(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 臺套，經(jīng)過近 10 年的實際運行，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，可擴展應(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。
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