石英 MEMS 加jia速su度du計ji也ye即ji石shi英ying振zhen梁liang加jia速su度du計ji
，是shi一yi種zhong基ji於yu石shi英ying振zhen梁liang的de諧xie振zhen頻pin率lv隨sui外wai力li發fa生sheng變bian化hua的de特te性xing來lai檢jian測ce運yun動dong體ti加jia速su度du。石shi英ying振zhen梁liang加jia速su度du計ji工gong作zuo原yuan理li及ji敏min感gan芯xin片pian結jie構gou如ru圖tu 2 所(suo)示(shi)。一(yi)對(dui)匹(pi)配(pei)的(de)壓(ya)電(dian)石(shi)英(ying)振(zhen)梁(liang)和(he)質(zhi)量(liang)塊(kuai)通(tong)過(guo)撓(nao)性(xing)係(xi)統(tong)支(zhi)撐(cheng)形(xing)成(cheng)一(yi)體(ti)。石(shi)英(ying)振(zhen)梁(liang)和(he)外(wai)電(dian)路(lu)一(yi)起(qi)構(gou)成(cheng)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)自(zi)激(ji)振(zhen)蕩(dang)器(qi)，若(ruo)在(zai)其(qi)敏(min)感(gan)軸(zhou)方(fang)向(xiang)有(you)加(jia)速(su)度(du)輸(shu)入(ru)時(shi)，一(yi)個(ge)振(zhen)梁(liang)受(shou)到(dao)張(zhang)力(li)而(er)另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)振(zhen)梁(liang)受(shou)到(dao)壓(ya)力(li)，相(xiang)應(ying)的(de)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)一(yi)個(ge)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)減(jian)少(shao)
，求(qiu)其(qi)頻(pin)率(lv)差(cha)就(jiu)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)輸(shu)入(ru)加(jia)速(su)度(du)大(da)小(xiao)。石(shi)英(ying)振(zhen)梁(liang)加(jia)速(su)度(du)計(ji)敏(min)感(gan)芯(xin)片(pian)結(jie)構(gou)采(cai)用(yong)集(ji)石(shi)英(ying)振(zhen)梁(liang)、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，但裝配工藝較複雜。一體式結構是在一片石英基片上完成振梁
、naoxingzhichenghegelikuangjiadezhizuo，qiyoudianshibimianleyouyucailiaobutongyinqiderepipeiwenti
，juyougenggaodejingdu
，qietijigengxiao，gengyijichengzhuangpei。danqiquedianzaiyuxinpianzhizuogongyinanduda
，chengpinlvdi。

 

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、幹法刻蝕和濕法刻蝕等。機械加工、激光加工由於加工質量和尺寸精度有限，不適合石英 MEMS 傳感器敏感芯片複雜微細結構
；幹法刻蝕結構尺寸控製好，可以得到石英晶體表麵平整的高深寬比結構，但其加工成本高
、效率低
，目前石英的幹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，是適合於石英 MEMS 傳感器敏感芯片複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 suoshi。shiyingjingpianqingxiganzaohou，jinxingjingpiandeshuangmiandumo，xingchengshifakeshidebaohumo，zaitongguoshuangmianguangkegongyi
，zaijingpiandejinshumoshangxingchengminganxinpianjiegouxingzhuang
，jiezhejinxingshiyingjingpiandeshifakeshi，xingchengsuoxuyaodesanweixinpianjiegou，ranhouzaixinpianjiegoushangxingchengdianji，xingchengwanzhengdeminganxinpian。youyushiyingshifakeshiyeweiqiangfushixingde 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suan反fan應ying，且qie金jin掩yan膜mo層ceng致zhi密mi能neng很hen好hao阻zu止zhi腐fu蝕shi液ye的de滲shen透tou
，但dan是shi金jin與yu石shi英ying的de粘zhan附fu性xing較jiao差cha
，長chang時shi間jian在zai腐fu蝕shi液ye中zhong浸jin泡pao易yi與yu石shi英ying發fa生sheng脫tuo落luo，使shi掩yan膜mo失shi效xiao。因yin此ci通tong常chang在zai金jin與yu石shi英ying間jian先xian濺jian射she或huo蒸zheng鍍du一yi層ceng與yu石shi英ying粘zhan附fu性xing較jiao強qiang的de鉻ge或huo鈦tai，有you效xiao避bi免mian掩yan膜mo層ceng失shi效xiao。

 

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、fangshiyingheshiyingbolidengwulei。qizhongshiyingbolishijingxingeryanghuaguizhuanbianweifeijingxingdebolirongti，yejiaorongrongshiying

，gexiangtongxingqiebujuyouyadianxiaoying。shiyingjingtitongchangzhidiwenshiying（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。適合於石英不規則複雜結構加工，如尖角、空腔
、高深寬比側壁、懸臂梁等，是石英 MEMS 傳感器敏感芯片複雜三維結構重要的晶體材料。

 

由於石英晶體原子結構排列具有方向性，不同切向的晶麵原子排布結構及原子密度各異，引起不同晶麵化學反應（刻蝕速率）不同，表現出各向異性特性。石英 MEMS chuanganqiminganxinpianshifakeshigongyi，liyongshiyingjingtigexiangyixingkeshitexing，jitongguohuaxuekeshiyehebeikeshijingtizhijianfeidengxiangxinghuaxuefanyingquchukeshibufenshixianminganxinpiandeweinamituxingjiegou。

 

weilehuodeyuqiwendingdekeshijiegouhelianghaodeshiyingbiaomianjiagongzhiliang

，jiuxuyaoyangekongzhikeshishijianjikeshisulv。weiledadaozhegemude，yibantongguoxuanzeheshidefushiyepeibijikongzhifushiyewendu
、濃度來改變各晶麵的刻蝕速率
，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，溫度範圍（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麵；②刻蝕液與晶片材料發生化學反應
；③反應後的產物從晶片表麵擴散至溶液中，並隨溶液排出。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麵，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製造技術。

 

4 濕法刻蝕設備關鍵製造技術

 

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
，主要由安裝在潔淨、封閉環境的腐蝕槽及清洗槽組成，包括耐腐蝕機架
、槽體、排風係統、控製係統及水氣管路係統。由於 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。槽體材料選用高潔淨、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，由於 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gong藝yi刻ke蝕shi槽cao為wei濕shi法fa刻ke蝕shi設she備bei的de核he心xin結jie構gou單dan元yuan。為wei實shi現xian腐fu蝕shi形xing貌mao的de均jun勻yun可ke控kong性xing，化hua學xue液ye均jun勻yun擴kuo散san至zhi晶jing片pian表biao麵mian至zhi關guan重zhong要yao。刻ke蝕shi槽cao體ti結jie構gou原yuan理li圖tu如ru圖tu 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。槽體采用四麵 360°循(xun)環(huan)溢(yi)流(liu)的(de)結(jie)構(gou)，化(hua)學(xue)液(ye)注(zhu)入(ru)采(cai)用(yong)底(di)部(bu)兩(liang)側(ce)對(dui)稱(cheng)腔(qiang)室(shi)均(jun)勻(yun)小(xiao)孔(kong)注(zhu)入(ru)及(ji)勻(yun)流(liu)洞(dong)洞(dong)板(ban)的(de)方(fang)式(shi)，溶(rong)液(ye)循(xun)環(huan)采(cai)用(yong)風(feng)囊(nang)泵(beng)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)減(jian)少(shao)溶(rong)液(ye)的(de)脈(mai)動(dong)
，結(jie)合(he)管(guan)路(lu)注(zhu)入(ru)泵(beng)的(de)壓(ya)力(li)流(liu)量(liang)調(tiao)節(jie)，實(shi)現(xian)化(hua)學(xue)液(ye)自(zi)底(di)向(xiang)上(shang)四(si)周(zhou)的(de)均(jun)勻(yun)流(liu)場(chang)。化(hua)學(xue)液(ye)底(di)部(bu)及(ji)溢(yi)流(liu)口(kou)采(cai)用(yong)大(da)口(kou)徑(jing)排(pai)放(fang)管(guan)，確(que)保(bao)工(gong)藝(yi)結(jie)束(shu)時(shi)
，DIW（去離子水）快速衝洗終止化學腐蝕，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製技術

 

通常化學液濃度越高，腐蝕性越強，側向腐蝕性也越強，形貌控製越困難。石英晶體濕法刻蝕通常溶液溫度在 40~90 ℃，溶液揮發很快，如果不能有效控製溶液揮發，溶液濃度上升很快，腐蝕過程形貌無法有效控製。高精度濃度控製儀可以實現對 HF 離子濃度精準檢測及控製，但是實現複雜，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(de)冷(leng)卻(que)水(shui)，有(you)效(xiao)冷(leng)凝(ning)腐(fu)蝕(shi)過(guo)程(cheng)揮(hui)發(fa)的(de)溶(rong)液(ye)

，並(bing)通(tong)過(guo)冷(leng)凝(ning)蓋(gai)人(ren)字(zi)形(xing)結(jie)構(gou)有(you)效(xiao)導(dao)入(ru)工(gong)藝(yi)槽(cao)中(zhong)。槽(cao)蓋(gai)選(xuan)用(yong)不(bu)鏽(xiu)鋼(gang)材(cai)料(liao)
，整(zheng)體(ti)噴(pen)氟(fu)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)保(bao)護(hu)，密(mi)封(feng)圈(quan)選(xuan)用(yong)氟(fu)材(cai)料(liao)。

 

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係統，實現腐蝕過程濃度不上升。

 

通常一定配比的溶液（濃度）試(shi)驗(yan)好(hao)後(hou)，在(zai)整(zheng)個(ge)腐(fu)蝕(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)，氟(fu)離(li)子(zi)會(hui)減(jian)少(shao)
，濃(nong)度(du)會(hui)下(xia)降(jiang)
，腐(fu)蝕(shi)效(xiao)率(lv)會(hui)降(jiang)低(di)
，腐(fu)蝕(shi)時(shi)間(jian)就(jiu)會(hui)延(yan)長(chang)，造(zao)成(cheng)不(bu)可(ke)控(kong)因(yin)素(su)增(zeng)加(jia)。因(yin)此(ci)，通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)大(da)容(rong)量(liang)的(de)腐(fu)蝕(shi)液(ye)，即(ji)工(gong)藝(yi)槽(cao)與(yu)大(da)容(rong)積(ji)儲(chu)液(ye)槽(cao)通(tong)過(guo)循(xun)環(huan)泵(beng)連(lian)接(jie)使(shi)用(yong)
，以(yi)降(jiang)低(di)濃(nong)度(du)下(xia)降(jiang)的(de)速(su)率(lv)。溶(rong)液(ye)加(jia)熱(re)采(cai)用(yong)儲(chu)液(ye)槽(cao)投(tou)入(ru)式(shi)加(jia)熱(re)元(yuan)件(jian)管(guan)路(lu)在(zai)線(xian)加(jia)熱(re)，結(jie)合(he)晶(jing)片(pian)轉(zhuan)動(dong)機(ji)構(gou)，實(shi)現(xian)刻(ke)蝕(shi)槽(cao)體(ti)溶(rong)液(ye)溫(wen)度(du)均(jun)勻(yun)性(xing)。

 

4.3 晶片旋轉運動控製技術

 

石英晶體腐蝕過程會產生一定量的 SiF4 qiti，zairongyezhongxingchengqipao，zhexieqipaohuixingchengweiyanmoeryingxiangsuanyekuosan，tongguojingpiandetishenghuoxuanzhuanyundongkeyiyouxiaopaichuqipao。lingwai，jingpianzhuandongshixianjingpianshanggegedianzuidaxianduchuxianzaicaotizhonggegeweizhi，cainengyurongyewendu
、流場
、濃度等控製完美結合。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製造的工藝載體之一，設備整體結構技術、槽體溶液濃度與流場控製
、晶片旋轉運動控製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 台套，經過近 10 年的實際運行，證明設備製造技術性能穩定，安全可靠，工藝適應性強，可擴展應用於其他濕法刻蝕工藝領域，例如 MEMS 中單晶矽深槽刻蝕、鋁圖形刻蝕等工藝。