目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种材料都各有优缺点,其选择与目标要求和具体工艺相关。硅膜不破坏晶格,机械性能优异,适于阳极键合形成空腔,从简化工艺的目的出发,本方案选择硅膜。
利用有限元分析软件ANSYS对接触式结构的薄膜工作状态进行了模拟。材料为Si,膜的形状为正方形,边长1000 μm,膜厚5 μm,极板间距10 μm。在1.01105Pa的大气压力下,薄膜中央接触部分及四个边角基本不受应力,四边中央应力最大为1.07 MPa,小于硅的屈服应力7 MPa,其应力分布如图2所示。
整个制造流程都采用标准工艺,如图3所示。先热氧化100 nm的SiO2,既作为腐蚀Si的掩膜,又作为电容两电极的绝缘层。利用各向异性腐蚀形成电容空腔和将来露电极的停刻槽,如果硅片厚度一致且KOH腐蚀速率均匀,此法可以在相当程度上等效于自停止腐蚀。从玻璃上引出电容两电极,然后和硅片进行阳极键合。键合片利用KOH腐蚀减薄后反应离子深刻蚀露出测量电极。
4、 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。