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加速度传感器芯片湿法加工技术研究


龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 加速度传感器芯片湿法加工技术研究 作者:张岩 尚瑛琦 来源:《中国新技术新产品》2013 年第 12 期 摘 要:本文主要研究了加速度传感器芯片的湿法加工技术,主要包括 KOH 腐蚀中凸角补 偿图形设计,引线电极保护技术,TMAH 腐蚀技术等内容。本文设计了合理的凸角补偿图 形,能够制作出完整的凸角结构。本文结合实际工艺中遇到的问题,讨论了湿法加工技术中引 线电极的保护方法,包括 TMAH 腐蚀技术的应用。制作出的加速度传感器芯片灵敏度大于 0.1mV/g,非线性优于 1%,横向灵敏度比小于 3%。 关键词:加速度芯片;湿法腐蚀;KOH;凸角补偿;TMAH 中图分类号:TP21 文献标识码:A 1 概述 硅压阻式加速度传感器的敏感芯片一般采用梁-质量块结构,质量块由敏感梁支撑,在敏 感梁上制作压敏电阻并连接成惠斯通电桥。质量块在加速度作用下运动,敏感梁上的压敏电阻 阻值随之发生变化,引起测量电桥输出变化,以此实现对加速度的测量。 加速度传感器芯片的性能很大程度上取决于梁-质量块结构制作的质量。制作梁-质量块结 构可以用硅深槽刻蚀工艺和 KOH 湿法腐蚀工艺。硅深槽刻蚀技术能够获得图形完整的大的质 量块,刻蚀掩膜制备方便,加工工艺简单,而且刻蚀速率能够达到 300μm/h,缺点是加工成本 高,由于很难设计成所有刻蚀线宽一致,因此会导致不同线宽刻蚀速率不一致的结果,加上加 速度芯片需要进行穿透刻蚀,释放结构时会引起对背面的过刻,从而导致敏感梁表面不理想, 此外由于其均匀性较差,所以很难获得较薄的敏感梁。在芯片外形尺寸较小的情况下,要制作 大的质量块,薄的敏感梁,采用湿法加工技术具有明显的优势。 2 凸角补偿 2.1 硅的各向异性腐蚀 在硅的湿法腐蚀技术中,(100)硅的各向异性腐蚀时应采用最广泛的一种技术。利用 KOH 对硅面的腐蚀速率远比其它晶面为低的特点,采用 SiO2 或 Si3N4 作掩膜,可以加工出多 种微机械结构。实践表明,利用边沿方向的矩形掩膜,无法形成台面为矩形的岛,因为在侧面 相交的凸角处会出现其它高腐蚀速率的晶面,从而使凸角掩膜下的硅受到钻蚀。如图 1。 为了减小或消除钻蚀的影响,人们在凸角掩膜上附加补偿图形,让补偿图形首先受到钻蚀 [4]。适当的设计可以在一定的腐蚀深度下获得接近于理想的凸直角结构。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 2.2 凸角补偿 对于 KOH 腐蚀液,常用的补偿图形有方块和矩形条。如图 2。 图 2 方块和矩形条补偿图形 上述两种补偿图形都要占据凸角两侧的区域,而且其线宽要比腐蚀深度大,因此不适用于 尺寸较小的加速度敏感芯片。为了在有限的空间内增大条沿的有效补偿长度,可以在离开岛角 适当距离处将转弯到平行岛边的方向上来。为了防止转弯形成新的凸角,转弯要在两个方向形 成端点分枝,如图 3 所示。 图 3 条的不对称分枝 2.3 补偿结果 我们只做了上述条的不对称分枝补偿图形的版图,采用 SiO2 或 Si3N4 复合膜进行保护, 并在 39wt%,80℃ 的 KOH 溶液进行了试验,结果获得了很好的凸直角结构。如图 4。 3 金属保护 3.1 工艺方案 加速度芯片封装过程中,需要进行硅与玻璃的静电键合,为保证键合强度,需要将背面保 护的 SiO2 或 Si3N4 复合膜去除,去除该复合膜通常采用的方法是将圆片正面图形涂覆保护层 后放置到 HF 溶液中,由于 HF 去除 Si3N4 需要的时间较长,这对结构释放后芯片正


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