采用防Footing效应工艺加工的SOI微加速度计

　　微 机 电 系 统 ( micro electro mechanical system，MEMS) 技术是近几十年来发展起来的一个新兴技术领域. 采用 MEMS 技术实现的微加速度计具有传统加速度计无可比拟的优点，如微小型化、多功能化和成本低，是加速度计的主要发展方向之一[1]. 按检测原理划分，硅微加速度计可分为压阻式、谐振式和电容式.其中，电容式加速度计具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低及结构简单等优点，逐渐成为硅微加速度传感器的发展主流[2-3].

　　微加速度计的研究与微加工技术紧密相关. 近年来，具有单晶硅结构层的绝缘体上硅( silicon on insula-tor，SOI) 材料在微机械器件研究中受到广泛重视. 根据不同的制作工艺和应用目的，SOI 材料的结构层厚度可以从 20 nm 到几百个微米[4-7]. 较厚的结构层能够实现高深宽比结构，为惯性器件提供大的惯性质量块和检 测 电 容，在 高 性 能 惯 性 器 件 的 开 发 中 具 有 优势[8-11]. 美国 ADI 公司利用 SOI 衬底实现了集成的加速度计[9]. 美国 Amini 等[10]利用背腔释放工艺加工的SOI 加速度计精度达到了 20 μg 但是，由于 SOI 圆片中的埋氧层在结构深反应离子刻蚀 ( deep reactive ionetching，DRIE) 时会引起界面处硅的横向刻蚀 ( Foot-ing) 效应[12]，从而对器件和结构造成损伤，影响器件性能. 实验中得到的典型 Footing 结果如图 1 所示. 虽然可以通过背腔腐蚀工艺在结构刻蚀 前去 除 埋氧层[10]，但由于这种背腔结构的散热效果较差，刻蚀过程中仍会出现结构的损伤[11].

　　针对上述问题，本文中提出了一种基于背腔腐蚀的 SOI MEMS 工艺，利用新增加的背面保护电极有效地改善了刻蚀过程中的 Footing 效应和散热问题，提高了加工的质量. 利用该工艺成功地实现了一种采用梳齿电容的 SOI 微加速度计的设计、加工和测试，证明了工艺的可行性.

　　1 工艺设计和加工

　　改进工艺的基本流程与常规的背腔释放 SOI 工艺类似[10]，即采用腐蚀( 或刻蚀) 背腔的方法去除埋氧层，然后再进行结构区域刻蚀释放结构. 与之不同的是，改进的工艺中在结构刻蚀前在硅片背面溅射一层保护金属，如 Al 薄膜，利用 Al 膜优良的导电和导热特性避免刻蚀过程中多余电荷的积累以抑制 Footing 效应的产生，同时在 DRIE 刻蚀硅时对圆片进行有效散热.具体的工艺流程如图 2 所示. 实验采用结构层厚80 μm，埋氧层厚 2 μm，支撑层厚 400 μm 的 SOI 硅片.首先，生长氧化硅和氮化硅作为后续各向异性腐蚀的掩模材料( 图 2( a) ) ，然后定义背面腐蚀窗口，并完成背腔腐蚀至埋氧层停止( 图 2( b) ) ; 接下来，由背腔腐蚀去除埋氧层后( 图 2( c) ) ，完成正面电极的制备( 图2( d) ) ; 之后，完成背面保护电极的溅射 ( 图 2 ( e) ) ; 最后，利用正面掩模完成结构刻蚀，并去除背面保护电极完成结构释放( 图 2( f) ) .