莊須葉，喻 磊，王新龍，李平華，呂東鋒，郭群英

(華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042)

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MEMS硅半球陀螺球面電極成形工藝

莊須葉*，喻 磊，王新龍，李平華，呂東鋒，郭群英

(華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042)

由于球面電極是曲面結(jié)構(gòu)，電極各處的電感耦合等離子體(ICP)刻蝕深度不一致，在加工過(guò)程中常發(fā)生球面電極還未刻蝕到位而諧振器已被破壞的現(xiàn)象，故本文提出了新的球面電極成形工藝?；贗CP刻蝕固有的lag效應(yīng)，采用刻蝕窗口寬度由60 μm漸變至10 μm的V形刻蝕掩模調(diào)制電極各處的刻蝕速度，在電極各處獲得了基本一致的歸一化刻蝕速度(2.3 μm/min)。利用臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合球面電極的3D曲面結(jié)構(gòu)，并保證通刻階段的硅厚度基本一致為150 μm來(lái)消除球面電極加工時(shí)最薄處已經(jīng)刻穿阻擋層并破壞諧振器而最厚處還沒(méi)有刻蝕到位的現(xiàn)象。結(jié)合臺(tái)階狀的二氧化硅掩模對(duì)球面電極各點(diǎn)處的硅ICP刻蝕當(dāng)量進(jìn)行了調(diào)整，使其基本相等，通過(guò)一次ICP刻蝕即完成了對(duì)硅球面電極的加工。利用提出的方法成功制備出了具有功能性輸出的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)半球陀螺的硅球面電極，其最大半徑可達(dá)500 μm。

微機(jī)電系統(tǒng)；半球陀螺；球面電極；電感耦合等離子體(ICP)刻蝕

1 引 言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS陀螺在汽車電子、消費(fèi)電子類產(chǎn)品中獲得了大量的應(yīng)用[1-3]。目前市場(chǎng)上的MEMS陀螺多采用梳齒結(jié)構(gòu)的振幅式陀螺，零漂穩(wěn)定性在0.1～100°/h量級(jí)，難以滿足航空航天等慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)高精度MEMS陀螺儀的需求。MEMS半球陀螺是一種新型的相位檢測(cè)式微機(jī)電陀螺，具有精度高、可靠性好、體積小、易集成、抗過(guò)載和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)際上MEMS陀螺的主流發(fā)展方向之一，得到了各科研單位的廣泛關(guān)注。喬治亞理工大學(xué)、猶他大學(xué)、密歇根州大學(xué)、加州大學(xué)、查爾斯.斯塔克.德雷珀實(shí)驗(yàn)室，以及Systron Donner Inertial Segment of Custom Sensors & Technologies(CST公司)等美國(guó)知名研究單位和美國(guó)幾家慣性傳感器公司如霍尼韋爾(Honeywell)，諾斯羅普·格魯曼(Northrop Grumman)，古德里奇(Goodrich)等都在從事MEMS半球陀螺的研發(fā)[4-12]。2014年，美國(guó)密歇根州大學(xué)利用吹玻璃泡法制備的融石英半球陀螺，陀螺Q值可達(dá)為72 000，量程為700°/s[4]。同年，加州大學(xué)也利用吹玻璃泡法制備了融石英半球陀螺，陀螺Q值高達(dá)1百萬(wàn)，角隨機(jī)游走優(yōu)于0.001 deg/rt-hr[5]。

MEMS半球陀螺多采用靜電驅(qū)動(dòng)，電極與諧振殼體之間的電容越大越有利于陀螺的啟振和信號(hào)檢測(cè)，且電極對(duì)陀螺諧振子電容變化的敏感性越強(qiáng)，傳感器的性能就越高，電極結(jié)構(gòu)是影響陀螺性能的重要因素。目前，國(guó)際上研發(fā)的MEMS半球陀螺多采用摻硼硅層電極[6]、金屬膜層電極[7]以及柱狀電極[4-5，8-9]。金屬膜層電極和摻硼硅層電極的厚度較小，只有幾微米，因電極與諧振器的邊緣基本處與同一平面內(nèi)，形象的稱其為平面電極。平面電極與陀螺諧振器的有效傳感面積少，電容小。柱狀電極是單獨(dú)成形的柱狀體，在完成半球陀螺諧振器的加工后，需要再將其與諧振器組裝在一起，形成最終的半球陀螺[12]。柱狀電極與諧振器的間隙大，且需要額外的裝配過(guò)程，增大了工作量，不利于半球陀螺的批量化生產(chǎn)。

球面電極是一種3 D立體結(jié)構(gòu)的硅電極，電極的有效傳感面與半球殼體具有相同的曲率，傳感面積大，且球面電極和陀螺諧振器是集成在一起加工的，不要額外的裝配過(guò)程，有利于半球陀螺的批量化生產(chǎn)。

2 球面電極的特性分析

平面電極、柱狀電極、球面電極與半球諧振殼體間的有效傳感面積的比較，如圖1所示。在如圖1所示的坐標(biāo)系中，平面電極和球面電極的有效傳感面積spl和ssp可分別用式(1)和式(2)表示。因平面電極的積分上限y1遠(yuǎn)小于球面電極的積分上限y2，平面電極的有效傳感面積遠(yuǎn)小于球面電極的有效傳感面積，且二者與殼體的間隙都是g，球面電極與諧振殼體之間的電容也遠(yuǎn)大于平面電極。

(1)

(2)

圖1 各電極有效傳感面積示意圖

Fig.1 Comparison of effective sensing areas among the three kinds of electrode

柱狀電極與諧振殼體之間的有效傳感面積可用式(3)表示，Θ是諧振殼體球面弧中點(diǎn)處的切平面角。比較式(3)和式(2)可知，柱狀電極與諧振殼體之間的有效傳感面積小于球面電極。此外，柱狀電極與半球諧振殼體的間隙不再是常數(shù)，其電容Cpo可用式(4)表示，式中ε為介電常數(shù)。球面電極的電容Csp可用式(5)表示，比較式(4)和式(5)可知球面電極與諧振殼體之間的電容遠(yuǎn)大于柱狀電極：

(3)

(4)

(5)

球面電極的有效傳感面積以及與諧振殼體的電容較平面電極和柱狀電極大，更有利于陀螺的驅(qū)動(dòng)和傳感信號(hào)的檢測(cè)。但球面電極是立體的曲面結(jié)構(gòu)，屬于新興的3 D MEMS曲面成形領(lǐng)域，加工難度大，目前國(guó)際上尚未有硅球面電極加工的報(bào)道。

3 球面電極加工工藝設(shè)計(jì)

電極剖面如圖2所示，因球面電極是曲面結(jié)構(gòu)，電極各處的ICP刻蝕深度不一致。

圖2 半球陀螺球面電極剖面示意圖

MEMS半球陀螺球面電極的最大刻蝕深度與最小刻蝕深度之差是半球腔的深度，設(shè)計(jì)500 μm。諧振殼體與電極之間是二氧化硅犧牲層，為保證諧振殼體與電極的電容足夠大，犧牲層厚度設(shè)計(jì)為2 μm。在電極刻蝕時(shí)犧牲層作為阻擋層使用，可起到保護(hù)半球諧振殼體不被ICP等離子體破壞的作用，但犧牲層的阻擋能力有限，僅為250 μm厚的硅刻蝕當(dāng)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電極刻蝕的高度差，導(dǎo)致在電極刻蝕過(guò)程中常發(fā)生最薄處已刻穿阻擋層并破壞半球殼體，而最厚處還未刻蝕到位的現(xiàn)象。為保證半球諧振殼體不被破壞，要求球面電極各點(diǎn)處的刻蝕必須在基本相同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)阻擋層。

3.1 V形窗口刻蝕技術(shù)

3.1.1 基本原理

ICP刻蝕具有l(wèi)ag效應(yīng)，即具有刻蝕窗口越大，刻蝕速度越高的工藝現(xiàn)象。此外，隨著ICP刻蝕深度的增加，ICP的刻蝕速度也逐漸變小。圖3所示為實(shí)際測(cè)得的ICP刻蝕速度隨刻蝕窗口寬度和刻蝕時(shí)間(刻蝕深度)的變化曲線。由圖3 可知，當(dāng)ICP刻蝕窗口從10 μm增加到65 μm 時(shí)，ICP的刻蝕速度從2.25 μm/min增加到約3.1 μm/min。當(dāng)刻蝕時(shí)間從160 min增加到300 min 時(shí)，刻蝕速度平均減小了約0.6 μm/min。因此，通過(guò)在球面電極的不同刻蝕深度處設(shè)計(jì)不同的刻蝕窗口寬度可對(duì)刻蝕速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保在電極的整個(gè)ICP刻蝕過(guò)程中，電極各點(diǎn)處的刻蝕速度基本相等。

圖3 ICP刻蝕速度隨刻蝕窗口寬度和刻蝕時(shí)間的變化曲線

Fig.3 Dependence of ICP etching speed on the width of open window and etching time

3.1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)硅片厚度為600 μm，刻蝕時(shí)間約為200 min，選擇刻蝕160 min的ICP刻蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)ICP刻蝕的lag效應(yīng)進(jìn)行分析。圖3中所示的160 min的刻蝕速度曲線可用式(6)進(jìn)行擬合表示，x刻蝕窗口寬度μm；y刻蝕速度μm/min。

y=-1.28e(-x/39.5)+3.2.

(6)

由式(6)可知，當(dāng)刻蝕窗口大于60 μm時(shí)，ICP的刻蝕速度基本不變，lag效應(yīng)的調(diào)制能力變?nèi)酢?/p>

結(jié)合式(6)和實(shí)際ICP刻蝕設(shè)備的能力，優(yōu)化后的最大刻蝕窗口寬度取60 μm，最小刻蝕窗口寬度為10 μm。

圖4 球面電極的V形刻蝕窗口設(shè)計(jì)

球面電極的刻蝕窗口設(shè)計(jì)如圖4所示，刻蝕窗口的寬度從諧振器的外圍向內(nèi)部逐漸收縮，類似一個(gè)削掉尖頭的V形結(jié)構(gòu)。由式(6)可得，刻蝕窗口10 μm處的刻蝕速度為2.3 μm/min，開(kāi)口60 μm處的刻蝕速度為2.9 μm/min，速度相差0.6 μm/min，與ICP刻蝕速度隨刻蝕深度增加而減小的量相等。采用V形刻蝕窗口后，球面電極各點(diǎn)處的刻蝕速度基本一致。

3.2 臺(tái)階擬合刻蝕技術(shù)

3.2.1 基本原理

針對(duì)半球陀螺3D球面電極的曲面制備問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用多臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合3D電極的球面結(jié)構(gòu)，如圖5所示。用于球面擬合的臺(tái)階數(shù)量越多，擬合效果越好，當(dāng)臺(tái)階數(shù)量無(wú)限多時(shí)，可以獲得完美的球面結(jié)構(gòu)。在實(shí)際加工條件的限制下，最多采用5階臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合半球陀螺的球面電極結(jié)構(gòu)。

圖5 臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合球面電極的原理示意圖

Fig.5 Conceptual schematics of step-like silicon structure for spherical electrodes

利用臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合球面結(jié)構(gòu)時(shí)，工藝重點(diǎn)是保證最后一次ICP刻蝕(通刻階段)的硅層厚度基本相同，如圖5中紅色區(qū)域所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)，則在最后一次刻蝕過(guò)程中，電極各處的刻蝕可基本同時(shí)到達(dá)阻擋層，有效避免了半球諧振殼體被刻壞的現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅球面電極的優(yōu)化加工。

圖5所示的5階臺(tái)階結(jié)構(gòu)中，臺(tái)階1由第1次掩膜刻蝕出來(lái)，臺(tái)階2由第2次掩膜刻蝕出來(lái)，以此類推，通刻階段由電極掩膜保護(hù)刻蝕。加工5階的硅臺(tái)階結(jié)構(gòu)共需制備6次掩膜。如圖6示，采用臺(tái)階掩膜，即在ICP刻蝕掩膜層上做出與所要刻蝕的電極臺(tái)階結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的掩膜臺(tái)階結(jié)構(gòu)，使電極各處的歸一化刻蝕量基本一致。電極刻蝕時(shí)，沒(méi)有掩膜層的區(qū)域直接刻蝕硅基底，有掩膜層的區(qū)域先刻蝕掩膜層再刻蝕硅，則在一次刻蝕中即可形成球面電極的硅臺(tái)階擬合結(jié)構(gòu)。

圖6 臺(tái)階掩膜的原理示意圖(非實(shí)際比例)

3.2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

半球陀螺采用600 μm厚的硅片，設(shè)計(jì)半球腔深度為500 μm。阻擋層用2 μm厚的二氧化硅，取工藝安全系數(shù)1.5，最大過(guò)刻量為200 μm。

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)分析，球面電極的硅臺(tái)階擬合結(jié)構(gòu)需要滿足：

(7)

其中：D為硅片厚度；n為刻蝕次數(shù)，取6；C為最大過(guò)刻量；x為余刻量，即通刻階段的最大不會(huì)過(guò)刻的量；y為最后通刻量。

解式(7)并根據(jù)設(shè)備能力，最優(yōu)化y值為150 μm，x值為60 μm，最佳臺(tái)階高度依次為90，180，270，360和450 μm。

4 試驗(yàn)結(jié)果

半球陀螺硅3D球面電極的工藝流程如圖7所示，左側(cè)部分為硅基底的剖面圖，右側(cè)部分為硅基底的俯視圖。

圖7 球面電極工藝流程示意圖

3D球面電極制備工藝流程如下：

(a)在硅片上生長(zhǎng)一層二氧化硅層。

(b)在二氧化硅層上進(jìn)行5次光刻、BOE腐蝕工藝，制備出具有5階臺(tái)階結(jié)構(gòu)的二氧化硅掩膜(俯視圖中不同高度的二氧化硅臺(tái)階用方向左右交替的紅色斜線填充表示)。

(c)濺射金屬鋁，用做電極刻蝕的掩膜層。

(d)光刻，開(kāi)電極刻蝕窗口。

(e)ICP刻蝕，加工硅臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。

(f)除掉掩膜層，得到球面電極的5階硅臺(tái)階擬合結(jié)構(gòu)。實(shí)際加工中，將硅片刻穿至半球諧振殼體的阻擋層后就完成了硅球面電極的3D成形工藝過(guò)程。

圖8 試驗(yàn)制備的5階硅臺(tái)階球面擬合結(jié)構(gòu)

圖8所示為實(shí)際制備的球面電極的5階硅臺(tái)階擬合結(jié)構(gòu)，圖中小圖標(biāo)注的是各臺(tái)階結(jié)構(gòu)的最終刻蝕深度。由圖8可知，該工藝可實(shí)現(xiàn)刻蝕深度差500 μm 的球面電極的制備。

圖9 MEMS半球陀螺球面電極的SEM照片

圖9所示為實(shí)際制備的MEMS硅半球陀螺3D球面電極的SEM照片，圖9(a)為處于工作狀態(tài)下的球面電極和半球諧振器的SEM照片，圖9(b)和圖9(c)分別為剝離下的屏蔽電極、驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)電極的SEM照片。實(shí)驗(yàn)證明利用V形窗口掩膜調(diào)制球面電極各處的刻蝕速度，結(jié)合臺(tái)階擬合刻蝕技術(shù)對(duì)電極的曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，可保證電極各處的刻蝕在基本相同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)阻擋層，消除球面電極刻蝕厚度不一致對(duì)電極加工的影響，制備出硅MEMS半球陀螺的球面電極。

圖10 硅半球陀螺及其球面電極引線封裝照片

Fig.10 Photograph of a hemispherical gyro equipped with spherical electrodes

圖11 硅半球陀螺的頻率測(cè)試響應(yīng)曲線

Fig.11 Frequency response of finished resonator equipped with spherical electrodes

圖10所示為實(shí)際加工的MEMS硅半球陀螺的封裝照片，球面電極通過(guò)金絲球焊工藝與管殼電學(xué)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振器的電學(xué)驅(qū)動(dòng)和測(cè)量。在圖10所示的驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)電極上施加0.8 V的交流驅(qū)動(dòng)電壓，在屏蔽電極上施加5 V的偏置電壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺諧振器的有效驅(qū)動(dòng)。圖11所示為利用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的諧振器四波腹振動(dòng)(N=2)的頻譜曲線，頻率為27.96 kHz。當(dāng)將施加在屏蔽電極上的偏置電壓從1 V變化到10 V時(shí)，諧振器四波腹諧振頻率發(fā)生頻移，由28.01 kHz轉(zhuǎn)換至29.91 kHz，表明半球陀螺的球面電極能夠?qū)χC振器的頻率進(jìn)行有效調(diào)制，硅球面電極具有良好的電學(xué)性能輸出，滿足諧振器的需求。

5 結(jié) 論

電極結(jié)構(gòu)是影響MEMS半球陀螺性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，采用球面電極可以增大電極的傳感面積，提高電極與諧振殼體之間的電容，更有利于半球陀螺的啟振和信號(hào)檢測(cè)，可以大幅度的提高半球陀螺的整體性能。但球面電極的加工屬于新興的3D立體硅曲面成形工藝，加工難度大。研究利用ICP刻蝕固有的工藝特性，即刻蝕窗口越大刻蝕速度越快，且隨著刻蝕深度的增加刻蝕速度逐漸減小的特點(diǎn)，采用V形窗口掩膜調(diào)制電極各處的刻蝕速度，使球面電極各點(diǎn)處的刻蝕速度基本一致，為2.3 μm/min。同時(shí)，利用5階硅臺(tái)階結(jié)構(gòu)擬合球面電極的曲面結(jié)構(gòu)，保證電極各處的刻蝕可基本同時(shí)到達(dá)阻擋層，消除了球面電極刻蝕時(shí)常發(fā)生的最薄處已經(jīng)刻穿阻擋層并破壞諧振殼體而最深處還沒(méi)有刻蝕到位的現(xiàn)象，成功加工出了MEMS硅半球陀螺的球面電極，可實(shí)現(xiàn)MEMS硅半球陀螺刻蝕深度差500 μm的硅球面電極的制備。

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莊須葉(1981-)，男，山東日照人，博士，高級(jí)工程師，2004年于西南石油大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2009年于中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事MEMS技術(shù)研究。E-mail： zxye8888@hotmail.com

喻 磊(1988-)，男，安徽蚌埠人，工程師，2010年，2013年于電子科技大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事MEMS慣性傳感器的研究。E-mail：yuleibengbu214@126.com

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Development of spherical capacitive electrodes of MEMS silicon hemispherical gyros

ZHUANG Xu-ye*， YU Lei， WANG Xin-long， LI Ping-hua， Lü Dong-feng， GUO Qun-ying

(East China Institute of Photo-Electronic IC， Bengbu 233042， China)

Due to the spherical shape， the spherical electrode has different etching depths in ICP(Inductively Coupled Plasma) etching， and the resonator following the stopping layer is often damaged in the thin place of the electrode before the ICP etching front reaches the stopping layer in the thick place of the electrode. Therefore， this paper proposes a novel method to fabricate 3D silicon spherical electrodes. On the basis of the inhenrent lag effect of ICP etching， a V-shaped mask with an open window width gradually shrinked from 60 μm to 10 μm was used to modulate the etching speeds of the electrode and the etching speed was tuned to be a normalized speed nearly 2.3 μm/min in all places of the electrode. Then， a silicon step structure was used to simulate the 3D spherical profile of the electrode and to ensure the silicon depth of the last step to be about 150 μm， by which the etching front across the spherical electrode could be made to reach the stopping layer almost simultaneously. With the step-shaped silicon dioxide mask， the normalized ICP etching depth of the spherical electrode was tuned to be approximately the same and the spherical electrodes were fabricated successfully by one ICP etching process. It concludes that the silicon spherical electrode with functional output for MEMS hemisphere gyros can be fabricated successfully， and the maximum radius of the sphere is 500 μm.

Micro-electro-mechanical System(MEMS)； hemispherical gyro； spherical electrode； Inductively Coupled Plasma(ICP) etching

2016-05-07；

2016-06-15.

北方通用電子集團(tuán)預(yù)研資金資助項(xiàng)目(No.BSJ1274)

1004-924X(2016)11-2746-07

TP212.9；U666.1

A

10.3788/OPE.20162411.2746

*Correspondingauthor，E-mail：zxye8888@hotmail.com