MEMS加工誤差對(duì)圓環(huán)形與多邊形多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的影響研究

喻 磊，陳慧斌，周 銘，鳳 瑞，王 帆

(華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠 233000)

0 引言

硅MEMS(微機(jī)械電子系統(tǒng))陀螺由于其小體積、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于自動(dòng)駕駛、消費(fèi)電子和航空航天等領(lǐng)域。從目前公開(kāi)報(bào)導(dǎo)的文獻(xiàn)來(lái)看，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子下的模態(tài)匹配是架設(shè)MEMS陀螺的高性能橋梁。MEMS多環(huán)陀螺在材料和結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為中心軸對(duì)稱[1]，驅(qū)動(dòng)和敏感模態(tài)是諧振頻率相匹配的兩退化模態(tài)，具有能量傳輸效率高和對(duì)外界振動(dòng)干擾不敏感等先天優(yōu)勢(shì)[2]。因此，MEMS多環(huán)陀螺近年來(lái)成為高性能MEMS陀螺的研究熱點(diǎn)。

中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在對(duì)模態(tài)匹配的追求，但事實(shí)上模態(tài)失配不可避免，主要來(lái)源于工藝加工誤差和材料誤差(硅晶圓晶向偏差等)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)之間會(huì)產(chǎn)生頻差Δf，結(jié)構(gòu)誤差可由η=Δf/f0來(lái)表征，f0為陀螺諧振頻率。頻差會(huì)降低模態(tài)間能量傳輸效率和有效Q值，顯著影響陀螺的性能，因此頻差是多環(huán)陀螺的關(guān)鍵參數(shù)之一，高對(duì)稱性是中心軸對(duì)稱敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝加工中的重點(diǎn)考慮因素。

頻率失配需要最小化，為此研究者們提出了許多方法，最常用的方法是采用靜電調(diào)頻[3]，該方法簡(jiǎn)單有效，廣泛應(yīng)用于MEMS陀螺中，然而當(dāng)頻差過(guò)大時(shí)需要很大的調(diào)頻電壓，難以精確控制電壓幅值。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，需要一種對(duì)MEMS工藝加工誤差敏感度更低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)提升加工后的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。蘇州大學(xué)提出了一種蛛網(wǎng)式的多邊形多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且在加工后與圓環(huán)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多邊形結(jié)構(gòu)的平均頻差要優(yōu)于圓環(huán)形結(jié)構(gòu)7倍左右，指出直線形幾何結(jié)構(gòu)比曲線形幾何結(jié)構(gòu)對(duì)加工誤差具有更高的容忍度[4]。

為了進(jìn)一步研究MEMS加工誤差對(duì)多邊形與圓環(huán)形多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)加工后結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的影響，作為對(duì)比，基于相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，分別設(shè)計(jì)了2組不同結(jié)構(gòu)半徑與環(huán)數(shù)的圓環(huán)形與多邊形多環(huán)結(jié)構(gòu)，加工后對(duì)陀螺進(jìn)行了頻率響應(yīng)測(cè)試，通過(guò)頻差和相對(duì)頻差的指標(biāo)來(lái)對(duì)CDRG和RDRG的加工后結(jié)構(gòu)對(duì)稱性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

RDRG由短直梁將多個(gè)圓環(huán)連接構(gòu)成，CDRG由短直梁將多個(gè)多邊形環(huán)連接構(gòu)成，每個(gè)多邊形環(huán)由16條長(zhǎng)度相等的直線首尾相連形成，可見(jiàn)，CDRG完全由直線構(gòu)成。為了獲得更大的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和更高的Q值，以便做進(jìn)一步陀螺性能的測(cè)試研究，在敏感結(jié)構(gòu)的短直梁上設(shè)計(jì)了懸掛質(zhì)量塊[5]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RDRG、CDRG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

基于相同的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了2組CDRG和RDRG的對(duì)比結(jié)構(gòu)，第一組結(jié)構(gòu)頻率設(shè)計(jì)在18 kHz左右；第二組結(jié)構(gòu)頻率設(shè)計(jì)10 kHz左右。采用有限元仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，2組結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)退化模態(tài)的仿真結(jié)果如圖2所示。仿真狀態(tài)下是理想的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不存在材料誤差和加工誤差，多邊形和圓環(huán)形結(jié)構(gòu)都可以得到頻差幾乎為零的模態(tài)匹配。

(a)第一組結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真圖

(b)第二組結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真圖圖2 2組結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果

每組結(jié)構(gòu)的直徑、環(huán)數(shù)、厚度與刻蝕間隙均相同、通過(guò)調(diào)整環(huán)寬使得頻率接近，最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真結(jié)果如表1所示。

表1 2組RDRG和CDRG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真結(jié)果

2 工藝加工

設(shè)計(jì)的DRG芯片在某研究所6英寸MEMS工藝線上采用成熟的MEMS陀螺SOI加工體系進(jìn)行制備，2組結(jié)構(gòu)在同一張晶圓上采用相同的工藝流程和工藝參數(shù)進(jìn)行加工，工藝流程如圖3所示。首先在襯底SOI硅片的頂層硅上制作淺腔與電極引線，見(jiàn)圖3(a)；然后結(jié)構(gòu)層SOI硅片與襯底硅片進(jìn)行硅硅鍵合，見(jiàn)圖3(b)；接著去除結(jié)構(gòu)層SOI硅片的襯底硅和埋氧層，露出表面晶向?yàn)?111>，厚度100 μm的硅結(jié)構(gòu)層，見(jiàn)圖3(c)；接著采用深硅刻蝕工藝形成多環(huán)諧振結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3(d)；最后，采用玻璃漿料鍵合完成晶圓級(jí)真空封裝，見(jiàn)圖3(e)。諧振結(jié)構(gòu)處于小于0.1 Pa的高真空度環(huán)境內(nèi)。

圖3 芯片工藝制備流程

加工后2組CDRG和RDRG的結(jié)構(gòu)SEM圖分別如圖4所示。

(a)第一組結(jié)構(gòu)加工后SEM圖

(b)第二組結(jié)構(gòu)加工后SEM圖圖4 加工后CDRG和RDRG的整體SEM圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

搭建了多環(huán)陀螺參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)加工后的CDRG和RDRG進(jìn)行了頻率響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試原理圖如圖5所示，由信號(hào)發(fā)生器(Keysight 33500B)產(chǎn)生掃頻交流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)陀螺諧振，檢測(cè)電極對(duì)諧振信號(hào)進(jìn)行拾取，信號(hào)通過(guò)電路調(diào)制解調(diào)和濾波后被數(shù)據(jù)采集卡收集記錄。

圖5 多環(huán)陀螺頻率響應(yīng)測(cè)試原理圖

同一片晶圓上對(duì)每種結(jié)構(gòu)選取了25支芯片進(jìn)行了頻率響應(yīng)測(cè)試，2組結(jié)構(gòu)測(cè)試頻差分布如圖6所示。

(a)4種結(jié)構(gòu)頻差分布圖

(b)RDRG_1和CDRG_1頻差分布圖

(c)RDRG_2和CDRG_2頻差分布圖圖6 2組結(jié)構(gòu)的頻差測(cè)試結(jié)果

RDRG_1諧振頻率為(18 896±330)Hz，頻差為6.1～11.2 Hz；CDRG_1諧振頻率為(18 661±341)Hz，頻差為0.1～3.8 Hz。RDRG_1和CDRG_1的頻差均值與相對(duì)頻差均值分別為8.3 Hz、444 ppm和2.0 Hz、107 ppm?？梢?jiàn)，CDRG_1的相對(duì)頻差優(yōu)于RDRG_1約4倍，表明加工后CDRG_1的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性明顯優(yōu)于RDRG_1。

RDRG_2諧振頻率為(9 978±165)Hz，頻差為11.9～19.6 Hz；CDRG_2諧振頻率為(9 517±161) Hz，頻差為0～4.0 Hz。RDRG_2和CDRG_2的頻差均值與相對(duì)頻差均值分別為15.5 Hz、1 559 ppm和2.5 Hz、263 ppm?？梢?jiàn)，CDRG_2的相對(duì)頻差優(yōu)于RDRG_2約6倍，表明加工后CDRG_2的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性顯著地優(yōu)于RDRG_2。

對(duì)比RDRG_1和RDRG_2可見(jiàn)，對(duì)于圓環(huán)形多環(huán)結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)半徑和環(huán)數(shù)分別從3.8 mm、10環(huán)增加至5.0 mm、12環(huán)后，頻差由8.3 Hz增大到15.5 Hz，相對(duì)頻差增大了近4倍，表明結(jié)構(gòu)對(duì)稱性出現(xiàn)了大幅下降。

對(duì)比CDRG_1和CDRG_2可見(jiàn)，對(duì)于多邊形結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)半徑和環(huán)數(shù)分別從3.8 mm、10環(huán)增加至5.0 mm、12環(huán)后，頻差由2.0 Hz到2.5 Hz略有增加，相對(duì)頻差僅提高了1倍左右，表明結(jié)構(gòu)對(duì)稱性沒(méi)有出現(xiàn)明顯下滑。

總體來(lái)看，相同直徑和環(huán)數(shù)的條件下，加工后CDRG的頻差要小于RDRG；在增加結(jié)構(gòu)半徑和環(huán)數(shù)后，CDRG的頻差僅略有增長(zhǎng)，RDRG的頻差則出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)。這是由于隨著環(huán)形結(jié)構(gòu)直徑變大、環(huán)數(shù)變多，加工的結(jié)構(gòu)面積變大，引入的MEMS加工誤差也會(huì)越多，引起結(jié)構(gòu)對(duì)稱性變差；而另一方面，MEMS加工誤差對(duì)多邊形結(jié)構(gòu)CDRG的對(duì)稱性影響要明顯小于圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的RDRG，表明直線型幾何結(jié)構(gòu)比曲線型幾何結(jié)構(gòu)對(duì)MEMS工藝加工誤差具有更高的容忍度。

4 結(jié)束語(yǔ)

MEMS加工誤差會(huì)對(duì)環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)稱性造成影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示直徑越大，環(huán)數(shù)越多的一組結(jié)構(gòu)在加工后對(duì)稱性更差，并且MEMS加工誤差對(duì)多邊形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性影響要明顯小于圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于所有需要高結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。深硅刻蝕是形成高深寬比MEMS結(jié)構(gòu)的工藝手段，也是MEMS結(jié)構(gòu)加工誤差的重要來(lái)源，刻蝕后會(huì)形成非理想的結(jié)構(gòu)陡直度、側(cè)壁粗糙度，以及產(chǎn)生尺寸損失等，都會(huì)使得結(jié)構(gòu)對(duì)稱性惡化，此外深硅刻蝕的局部過(guò)熱現(xiàn)象、刻蝕等離子分布不均勻等都可能是引起不同結(jié)構(gòu)加工后對(duì)稱性存在差異的原因之一，這些將是未來(lái)的研究重點(diǎn)。