应用双埋层SOI工艺制备低g值微惯性开关

　　1　引　言

　　低g值惯性开关是一种感受惯性加速度，执行开关机械动作的精密惯性装置，大多采用典型的“弹簧-质量-阻尼”结构，其闭合阈值为1～30　g(g：标准重力加速度，1g=9.8m/s2)，在汽车安全气囊和航空航天等领域有着广泛的应用[1]。低g值惯性开关所感知的惯性加速度信号是准静态的、频率近乎为零，在实验室里这种信号一般由基于离心原理的离心机试验设备产生。基于传统精密机械加工的低g值惯性开关[2]在汽车和机械等领域已得到成熟的应用，但由于其存在零件多、装配复杂、体积大等缺点，难以适应复杂环境的应用需求。基于现代半导体工业的MEMS技术具有体积小、重量轻、成本低、批量生产等传统精密机械加工方式难以实现的优点，随着MEMS技术的不断发展以及先进制造技术的不断完善，采用MEMS技术研制低g值微惯性开关具有重要的研究价值。

　　MEMS加工工艺技术主要包括表面硅工艺、体硅工艺和UV-LIGA工艺等等。体硅工艺主要以单晶硅作为器件的结构材料，其关键工艺技术包括KOH腐蚀、ICP刻蚀、阳极键合等。单晶硅是理想的弹性材料，具有较好的力学性能和稳定性，在精密惯性器件上具有较好的应用价值。同时，体硅工艺因工艺技术成熟易行，被广泛应用于多种MEMS器件的制作。但是，基于普通单晶硅片的MEMS工艺技术可以对晶圆平面内结构参数实现较高精度的控制，而对厚度方向上结构参数控制精度较差。当MEMS器件的性能对这些结构参数较为敏感时，将大大增加工艺难度。绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术[3]基于顶层硅和背衬底之间氧化埋层具有KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点，利用顶层硅作为MEMS器件主体结构，较好地提高了器件在厚度方向上的尺寸精度，在微加速度计[4]、射频MEMS[5]、热光开关[6]等MEMS器件上得到了广泛的应用。基于这一思想，本文针对一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关的结构特点，提出基于双埋层SOI的加工工艺方案。双埋层SOI是一种3层单晶硅和2层二氧化硅相叠分布的特殊SOI材料，其中中间的单晶硅层用作平面矩形螺旋梁结构。利用上下2层二氧化硅埋层KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点，可以将平面螺旋梁厚度的加工精度控制在±0.5μm范围内。通过对关键工艺技术进行研究和分析，解决工艺难题，进一步优化改进工艺方案，可为大批量地研制微惯性开关提供可靠的工艺基础。

　　2　结构原理

　　基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关[7]采用双触点结构，如图1所示，由封盖、管芯和基底3部分组成。管芯为惯性敏感单元，是整个结构的核心部件，包括悬空的感知惯性加速度的质量块，和2根结构完全相同的平面矩形螺旋梁，3者组成“弹簧-质量”结构。带有浅槽的封盖用于限制质量块的反向运动，保护“弹簧-质量”结构。由于硅材料的导电性较差，故在质量块底面上溅射了一层金属作为金属电桥，以减小惯性开关的导通电阻。