【導讀】MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統，是指采用微機電加工技術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行組件等而形成的一個獨立智能系統。
MEMS（Micro Electro mechanical System）即微機電系統，是指采用微機電加工技術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行組件等而形成的一個獨立智能系統。由于單晶石英材料具有壓電效應，且具有優良的溫度、機械性能、高品質因素等特性，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、高穩定性、高分辨率等特點，在微型慣性導航系統、姿態測量與控制、航空航天、汽車電子、儀器儀表等領域具有廣泛應用，其加工工藝和設備制造技術研究對促進產業發展提供技術支持具有十分重要的意義。
1 石英 MEMS 傳感器敏感芯片結構
石英 MEMS 傳感器主要應用于振動慣性器件，是通過振動原理測量運動物體的各種運動參數（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，其敏感結構采用石英晶體，基于石英晶體壓電效應原理、采用微電子加工工藝，是振動慣性技術與微機械加工技術的有機結合。
石英微機械振動陀螺是一種音叉結構的哥氏振動陀螺，是一種 MEMS 角速度傳感器。其敏感芯片結構為雙端音叉結構，包括驅動音叉、讀出音叉及支撐結構。石英微機械振動陀螺工作原理及敏感芯片結構如圖 1 所示。驅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時，驅動音叉受到哥氏力（Coriolis）的作用產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，振動幅度正比于驅動音叉的速度和外加速度，利用壓電效應，通過制作在讀出音叉上的電極即可檢測到電信號，再經過讀出電路解調得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出。敏感芯片結構是以石英晶體為基體材料的一體式音叉結構，有雙端音叉、單端音叉等結構形式。雙端音叉結構將驅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；單端音叉結構驅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構
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構如圖 2 所示。一對匹配的壓電石英振梁和質量塊通過撓性系統支撐形成一體。石英振梁和外電路一起構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構采用集石英振梁、質量塊、撓性支撐等一體單片式結構，通常有分體式和一體式兩種形式。分體式結構由雙端固定石英振梁、撓性支撐結構等組成。其優點是石英振梁、撓性支撐結構單獨完成加工，工藝相對簡單，但裝配工藝較復雜。一體式結構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構
2 石英 MEMS 傳感器敏感芯片加工工藝
石英 MEMS 傳感器敏感芯片結構采用石英晶體材料。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量和尺寸精度有限，不適合石英 MEMS 傳感器敏感芯片復雜微細結構；干法刻蝕結構尺寸控制好，可以得到石英晶體表面平整的高深寬比結構，但其加工成本高、效率低，目前石英的干法深刻蝕設備還不夠成熟；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 傳感器敏感芯片復雜微細結構加工的工藝技術。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構形狀，接著進行石英晶片的濕法刻蝕，形成所需要的三維芯片結構，然后在芯片結構上形成電極，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，對包括光刻膠在內的大多數物質有腐蝕性，因此一般選用金屬做掩膜層，金的化學性質穩定，不與 HF 酸反應，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變為非晶型的玻璃熔體，也叫熔融石英，各向同性且不具有壓電效應。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，良好的絕緣性以及顯著的各向異性。適合于石英不規則復雜結構加工，如尖角、空腔、高深寬比側壁、懸臂梁等，是石英 MEMS 傳感器敏感芯片復雜三維結構重要的晶體材料。
由于石英晶體原子結構排列具有方向性，不同切向的晶面原子排布結構及原子密度各異，引起不同晶面化學反應（刻蝕速率）不同，表現出各向異性特性。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，即通過化學刻蝕液和被刻蝕晶體之間非等向性化學反應去除刻蝕部分實現敏感芯片的微納米圖形結構。
為了獲得預期穩定的刻蝕結構和良好的石英表面加工質量，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，減少側向腐蝕量，達到預期形貌結構。
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 ℃。化學反應方程式：
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O
SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3·H2O
通常濕法蝕刻分為三個過程：①化學刻蝕液擴散至晶片表面；②刻蝕液與晶片材料發生化學反應；③反應后的產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的生成物 SiF62- 離子、反應過程產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備結構技術、化學液溫度、化學液流場、化學液濃度及氣泡去除等是濕法刻蝕設備關鍵制造技術。
4 濕法刻蝕設備關鍵制造技術
4.1 濕法刻蝕設備整體結構技術
濕法刻蝕設備整體結構如圖 4 所示，主要由安裝在潔凈、封閉環境的腐蝕槽及清洗槽組成，包括耐腐蝕機架、槽體、排風系統、控制系統及水氣管路系統。由于 HF 溶液極強的腐蝕性，設備的安全性至關重要。通常機架采用鋼結構骨架包塑，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，管路區酸液漏液檢測等常規安全性保護，由于 HF 濃度相對較高，在操作區及管路區設置 HF 氣體濃度檢測報警等保護，確保設備及人員的安全。
圖 4 濕法刻蝕設備整體結構圖
工藝刻蝕槽為濕法刻蝕設備的核心結構單元。為實現腐蝕形貌的均勻可控性，化學液均勻擴散至晶片表面至關重要。刻蝕槽體結構原理圖如圖 5 所示，主要由槽體、密封槽蓋、晶片轉動機構、注入及排放接口等組成。槽體采用四面 360°循環溢流的結構，化學液注入采用底部兩側對稱腔室均勻小孔注入及勻流洞洞板的方式，溶液循環采用風囊泵最大程度減少溶液的脈動，結合管路注入泵的壓力流量調節，實現化學液自底向上四周的均勻流場。化學液底部及溢流口采用大口徑排放管，確保工藝結束時，DIW（去離子水）快速沖洗終止化學腐蝕，實現腐蝕清洗一體式結構。
圖 5 刻蝕槽體結構原理圖
4.2 濕法刻蝕槽體濃度控制技術
通常化學液濃度越高，腐蝕性越強，側向腐蝕性也越強，形貌控制越困難。石英晶體濕法刻蝕通常溶液溫度在 40~90 ℃，溶液揮發很快，如果不能有效控制溶液揮發，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對 HF 離子濃度精準檢測及控制，但是實現復雜，成本較高。如圖 6 所示，采用冷凝密封槽蓋，槽蓋呈拱形結構，槽蓋內通入 10~15 ℃的冷卻水，有效冷凝腐蝕過程揮發的溶液，并通過冷凝蓋人字形結構有效導入工藝槽中。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
結合工藝槽精密液位檢測機構及自動定時定量補水系統，實現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，結合晶片轉動機構，實現刻蝕槽體溶液溫度均勻性。
4.3 晶片旋轉運動控制技術
石英晶體腐蝕過程會產生一定量的 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運動可以有效排出氣泡。另外，晶片轉動實現晶片上各個點最大限度出現在槽體中各個位置，才能與溶液溫度、流場、濃度等控制完美結合。為此采用晶片自轉+公轉的方式，晶片轉動機構如圖 7 所示，主要由晶片裝載夾具及傳動軸組成，典型參數如下：旋轉機構及夾具材料：PVDF 材料；夾具旋轉方式：公轉+自轉（轉速比：1/4）；速度：0~10 r/min（連續可調），調節精度≤1 r。
圖 7 晶片轉動機構示意圖
5 結束語
濕法刻蝕設備是石英 MEMS 傳感器敏感芯片結構制造的工藝載體之一，設備整體結構技術、槽體溶液濃度與流場控制、晶片旋轉運動控制等關鍵技術是實現石英晶體形貌結構刻蝕工藝性能的重要保障。采用這些關鍵技術的濕法刻蝕設備應用已超過 20 臺套，經過近 10 年的實際運行，證明設備制造技術性能穩定，安全可靠，工藝適應性強，可擴展應用于其他濕法刻蝕工藝領域，例如 MEMS 中單晶硅深槽刻蝕、鋁圖形刻蝕等工藝。
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