- MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计

关键工艺

4.1 KOH各向异性腐蚀

在各种各向异性腐蚀方法里面，KOH腐蚀简单实用，成本低廉。在硅片大面积、大深度腐蚀的情况下，KOH腐蚀容易影响硅片表面的形状和光洁度，如何选择合适的溶液配比起着重要的作用。在KOH质量分数为20%～40%，硅片电阻率为0.05 Ω？cm，80℃水浴恒温的条件下，随着KOH浓度的提高，腐蚀表面有着很明显的变化：凸起的小丘逐渐由圆锥变成八棱锥进而变成四棱锥，如图4（a）所示，棱锥高度多为几十微米，底边长一两百微米;提高KOH浓度，小丘消失，出现四棱台，如图4（b）所示，棱台深度多为几个微米，底边长一两百微米;再加大KOH浓度，小坑形状发生变化，完整的四棱台坑几乎消失，多为斜坡状的半四棱台小坑，如图4（c）所示，坡高1～2μm，边长10μm以内。

四棱锥和四棱台的四个斜面对应于腐蚀速率最低的（111）系列晶面。当浓度较低时，（100）和（111）晶面的腐蚀速率比小，所以出现小丘;当浓度增大时，（100）和（111）晶面的腐蚀速率比增大，所以出现小坑;浓度达到一定程度后，（100）和（111）晶面的腐蚀速率比趋于稳定，依然出坑，而（110）和（111）晶面的腐蚀速率比增大，从而产生斜坡。只有调整KOH的浓度，得到匹配的（100）、（110）、（111）晶面的腐蚀速率，才能获得较好的腐蚀表面。试验还表明，温度主要影响腐蚀速率，对硅片腐蚀形貌影响不大。

4.2 阳极键合

目前真空腔的形成多采用Si—Si键合或者阳极键合。本方案采用阳极键合，是因为阳极键合比Si—Si键合的要求低。首先温度只需要400～500℃，其次表面光洁度要求也相对较低。本工艺过程中存在金属电极，不适于用高温;键合面存在高约1400 nm，宽为20μm的电极引线，键合面的SiO2经过一定程度的KOH各向异性腐蚀后粗糙度为100nm左右，经过试验证明，键合情况良好（图5），并具有良好的密封效果。

4.3 反应离子深刻蚀

反应离子深刻蚀（DRIE）能刻出非常深的垂直结构，本试验用于最后硅薄膜的形成。DRIE的刻蚀效果（刻深为250 μm）没有KOH腐蚀的平坦，刻蚀表面比较粗糙，表面颗粒起伏为几个微米，如图6。此外刻蚀存在不均匀性，75 mm硅片四周已经刻到电极露出，而硅片中央的电极还没有露出。深刻蚀的不均匀性与刻蚀表面的图形有着密切的联系，但其中的成因和机理目前还没有具体合理的理论和解释说明。因而无法从理论上指导规划刻蚀表面的形状设计，更多的是依靠经验手动凋整。