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1石英MEMS传感器敏感芯片结构
石英MEMS传感器主要应用于振动惯性器件，是通过振动原理测量运动物体的各种运动参数（包括角速度、角度、线加速度等）的惯性器件。石英MEMS振动惯性器件主要包括石英微机械振动陀螺、石英振梁加速度计等，其敏感结构采用石英晶体，基于石英晶体压电效应原理、采用微电子加工工艺，是振动惯性技术与微机械加工技术的有机结合。
图1 石英微机械振动陀螺工作原理及敏感芯片结构
图2 石英振梁加速度计工作原理及敏感芯片结构
2石英MEMS传感器敏感芯片加工工艺
图3 石英MEMS传感器敏感芯片加工工艺流程
3湿法刻蚀工艺
石英在常压下，随着温度的变化有不同性质的变体，包括低温石英（α石英）、高温石英（β石英）和磷石英、方石英和石英玻璃等五类。其中石英玻璃是晶型二氧化硅转变为非晶型的玻璃熔体，也叫熔融石英，各向同性且不具有压电效应。石英晶体通常指低温石英（α石英），α石英晶体具有典型的压电效应，良好的绝缘性以及显著的各向异性。适合于石英不规则复杂结构加工，如尖角、空腔、高深宽比侧壁、悬臂梁等，是石英MEMS传感器敏感芯片复杂三维结构重要的晶体材料。
由于石英晶体原子结构排列具有方向性，不同切向的晶面原子排布结构及原子密度各异，引起不同晶面化学反应（刻蚀速率）不同，表现出各向异性特性。石英MEMS传感器敏感芯片湿法刻蚀工艺，利用石英晶体各向异性刻蚀特性，即通过化学刻蚀液和被刻蚀晶体之间非等向性化学反应去除刻蚀部分实现敏感芯片的微纳米图形结构。
为了获得预期稳定的刻蚀结构和良好的石英表面加工质量，就需要严格控制刻蚀时间及刻蚀速率。为了达到这个目的，一般通过选择合适的腐蚀液配比及控制腐蚀液温度、浓度来改变各晶面的刻蚀速率，减少侧向腐蚀量，达到预期形貌结构。
通常腐蚀液为HF溶液加入适量NH4F溶液，或者是饱和NH4HF2溶液，温度范围（40~90 ℃）±1 ℃。化学反应方程式：
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O
SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3·H2O
通常湿法蚀刻分为三个过程：①化学刻蚀液扩散至晶片表面；②刻蚀液与晶片材料发生化学反应；③反应后的产物从晶片表面扩散至溶液中，并随溶液排出。通常溶液温度越高，扩散越快；溶液浓度越高，腐蚀性越强，腐蚀速率越高。HF+NH4F+H2O溶液与石英晶体反应的生成物SiF62-离子、反应过程产生的气泡也会吸附在石英晶体表面，形成微掩膜阻碍HF溶液的扩散。因此石英MEMS传感器敏感芯片湿法刻蚀设备结构技术、化学液温度、化学液流场、化学液浓度及气泡去除等是湿法刻蚀设备关键制造技术。
4湿法刻蚀设备关键制造技术
4.1湿法刻蚀设备整体结构技术
图4 湿法刻蚀设备整体结构图
图5 刻蚀槽体结构原理图
4.2湿法刻蚀槽体浓度控制技术
通常化学液浓度越高，腐蚀性越强，侧向腐蚀性也越强，形貌控制越困难。石英晶体湿法刻蚀通常溶液温度在40~90 ℃，溶液挥发很快，如果不能有效控制溶液挥发，溶液浓度上升很快，腐蚀过程形貌无法有效控制。高精度浓度控制仪可以实现对HF离子浓度精准检测及控制，但是实现复杂，成本较高。如图6所示，采用冷凝密封槽盖，槽盖呈拱形结构，槽盖内通入10~15 ℃的冷却水，有效冷凝腐蚀过程挥发的溶液，并通过冷凝盖人字形结构有效导入工艺槽中。槽盖选用不锈钢材料，整体喷氟耐腐蚀保护，密封圈选用氟材料。
图6 冷凝密封槽盖
结合工艺槽精密液位检测机构及自动定时定量补水系统，实现腐蚀过程浓度不上升。
通常一定配比的溶液（浓度）试验好后，在整个腐蚀过程中，氟离子会减少，浓度会下降，腐蚀效率会降低，腐蚀时间就会延长，造成不可控因素增加。因此，通常采用大容量的腐蚀液，即工艺槽与大容积储液槽通过循环泵连接使用，以降低浓度下降的速率。溶液加热采用储液槽投入式加热元件管路在线加热，结合晶片转动机构，实现刻蚀槽体溶液温度均匀性。
4.3晶片旋转运动控制技术
石英晶体腐蚀过程会产生一定量的SiF4气体，在溶液中形成气泡，这些气泡会形成微掩膜而影响酸液扩散，通过晶片的提升或旋转运动可以有效排出气泡。另外，晶片转动实现晶片上各个点最大限度出现在槽体中各个位置，才能与溶液温度、流场、浓度等控制完美结合。为此采用晶片自转+公转的方式，晶片转动机构如图7所示，主要由晶片装载夹具及传动轴组成，典型参数如下：旋转机构及夹具材料：PVDF材料；夹具旋转方式：公转+自转（转速比：1/4）；速度：0~10 r/min（连续可调），调节精度≤1 r。
图7 晶片转动机构示意图
5结束语
湿法刻蚀设备是石英MEMS传感器敏感芯片结构制造的工艺载体之一，设备整体结构技术、槽体溶液浓度与流场控制、晶片旋转运动控制等关键技术是实现石英晶体形貌结构刻蚀工艺性能的重要保障。采用这些关键技术的湿法刻蚀设备应用已超过20台套，经过近10年的实际运行，证明设备制造技术性能稳定，安全可靠，工艺适应性强，可扩展应用于其他湿法刻蚀工艺领域，例如MEMS中单晶硅深槽刻蚀、铝图形刻蚀等工艺。
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原文标题：石英MEMS传感器湿法刻蚀工艺及设备制造技术研究
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