用于承載銣原子鐘濾光泡的高品質微腔體制備*

王婷婷， 曾毅波， 王盛貴， 魏秀燕， 畢瑞可， 郭 航

(1.廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005; 2.廈門大學 薩本棟微米納米技術研究院，福建 廈門 361005)

0 引 言

硅各向異性腐蝕工藝是MEMS 加工技術的重要組成部分。(100)硅片各向異性腐蝕后，{111}斜面與{100}底面成54.74°。通過提高KOH腐蝕溶液的溶度、在腐蝕溶液添加異丙醇、腐蝕過程中采用磁力攪拌等技術，而后進行表征，發現上述腐蝕技術能夠明顯改善{100}晶面的腐蝕質量，能夠有效降低腐蝕表面的粗糙度[1～3]。相比較而言，對于{111}腐蝕表面形貌狀態的研究比較少，這與AFM,SEM等形貌設備在斜面表征功能上存在著局限性有關。激光共聚焦掃描顯微鏡(laser scanning confocal microscope,LSCM)彌補了這一缺陷，它可以對{111}腐蝕表面進行定性和定量分析。LSCM 所具有的共聚焦成像，光學層析和掃描過程中光強調節等特點[4]，使得LSCM具備大角度斜面粗糙度的測量功能。

微小型銣原子鐘或稱芯片級原子鐘不僅可以提供精確的時間標準，而且體積小，功耗低，在國防和民用的眾多領域有廣泛的應用前景，可以為衛星通信技術、全球定位系統(GPS)、雷達系統、交通控制系統以及電力調度等提供精確時間標準[5]。微空腔是微小型銣原子鐘用于放置濾光泡的載體[6]，要求空腔體形制規則，空腔體四周側壁平滑。采用各項異性腐蝕的技術制作微空腔，依據其原理，空腔體四周側面是{111}面。鑒于{111}面腐蝕研究相對缺乏的狀況，本文將探討腐蝕改進的工藝并結合LSCM 的表征手段，以獲得側壁光滑的微空腔體，同時針對硅進行各向異性腐蝕會產生削角現象，在微空腔體凸角處將采用條形補償的方法，保證微空腔的形狀規則, 用于芯片級原子鐘。

1 制造工藝過程

選用采用4 in(l in=2.54 mm)，n型、厚度為900 μm的雙面拋光硅片作為實驗片，具體工藝步驟如表1所示。所設計的的微空腔體如圖1所示，單個腔體的單邊尺寸從2 000～4 000 μm不等，腔體的凸角處在各向異性腐蝕時要采用凸角補償，避免產生削角現象。

表1 微空腔的制作工藝步驟

圖1 硅的各向異性濕法腐蝕

2 LSCM的表征技術

2.1 LSCM成像原理

圖2為共聚焦成像原理。LSCM采用點照明方式，入射光線和發射光線對于物鏡焦平面是共軛的，這樣來自焦平面上下的光線均被針孔阻擋，當針孔大小合適時，便可獲得高清晰的圖像。LSCM采用短波長激光作為點光源，不僅可以提高水平分辨率，而且具有高亮度、高純度等特點。在點照明狀態下,為了獲得完整的樣品表面信息即多點的信息，則必須使入射光線在焦平面(XY) 上逐點逐行掃描，將每點掃描的圖像信息經過PC采集、存儲、處理，轉換后合成二維圖像。三維圖像是Z方向以一定間距掃描，得出Z方向位置的多幅X—Y圖像，并經過PC堆積合成，獲得三維帶有高度信息的重建圖像。研究中采用Olympus公司生產的OLS1200—FAR2型LSCM。該設備采用He—Ne激光束作為光源，其橫向分辨率為0.15 μm，縱向分辨率為0.01 μm。

圖2 LSCM的成像原理

2.2 斜面表征

根據LSCM成像原理可知，LSCM的分辨率除了與光源波長有關外，還取決于針孔直徑與物鏡的數值孔徑。由于有針孔的存在，所用光源和光探頭都是點狀的，只有來自焦平面的光可以參與成像，而其它來自焦平面上、下的光由于不能進入針孔而不能參與成像，使分辨率較普通光學顯微鏡大為提高，顯著改善了視野的廣度和深度。此外，由于縱向掃描裝置的存在，使得LSCM不但具有橫向分辨率，還具有縱向分辨率，不但增加了同一平面兩點間的分辨率，也使得各橫斷面的圖像能夠清晰地顯示。在整個掃描過程中，上下2個表面設置的光強強度較低，而斜面設置的光強強度較高。光學系統在向被測表面逼近的過程中，光探頭接收到的光強經歷了一個從無到有、從弱到強、再變弱直到無的過程。這樣，可根據判斷光強的最大值來確定光探頭在被測表面準確位置，從而準確描繪出整個斜面的形貌[7]。

圖3所示為硅片在80 ℃下，質量分數為30 %的KOH 溶液后應用LSCM進行表征。圖4表示應用LSCM所具備的“Curve-Fitting”功能對整個3D圖進行旋轉，使{111}斜面旋轉為平面，以利進行表面粗糙度的測量。圖5是對旋轉后的{111}面進行粗糙度測量，其Rq值為0.169 μm。

圖3 LSCM 表征{111}腐蝕面

圖4 斜面旋轉為平面

圖5 {111}腐蝕面粗糙度測量

3 基于各向異性腐蝕之{111}斜面粗糙度的改善

3.1 超聲腐蝕系統的改進

(100) 硅片分別在純KOH 溶液，帶有磁力攪拌的KOH 溶液和帶有超聲的KOH溶液中腐蝕，并用LSCM表征{111} 面的腐蝕結果。圖6為改進前的超聲腐蝕系統，瓶蓋通入冷卻水，可有效防止腐蝕溶液受熱揮發。此系統的不足在于超聲爐加熱器置于底部，另外,長時間腐蝕后底部的超聲換能器會發熱，導致腐蝕瓶底部溶液的溫度高于腐蝕瓶頂部溶液的溫度，其溫差可達2°～3°，從而造成腐蝕速率的不均勻。

圖7為改進后的超聲腐蝕系統,該系統不采用超聲機自帶的加熱裝置對溶液進行加熱，而是引入環形加熱圈，經過恒溫水浴鍋加熱后的去離子水在環形加熱圈內進行回流，從環形加熱圈頂部流入，再從環形加熱圈底部流出，最后回流至恒溫水浴鍋。同時超聲能增加攪拌作用，有助于改善腐蝕溶液各個層面的溫度的均勻性。采用該系統，其溶液溫差可控制在0.5°之內。

圖6 改進前的超聲腐蝕系統

圖7 改進后的超聲腐蝕系統

3.2 實驗結果

實驗選用質量分數為30 %KOH的腐蝕溶液，腐蝕溶液質量分數大于30 %，可以獲得比較平滑的腐蝕表面[3,7]。圖8～圖10分別是(100) 硅片在80 ℃，30 %的KOH溶液；80 ℃，30 %KOH，磁力攪拌功率為400 W的溶液；80 ℃，30 %KOH，超聲頻率與功率分別為為59 kHz和60 W的溶液中進行各向濕法腐蝕后，運用LSCM對{111} 腐蝕斜面進行表征的結果。

圖8 純KOH溶液腐蝕后表面形態

圖9 磁力攪拌腐蝕后表面形態

圖10 超聲腐蝕后表面形態

表2為在3種不同工藝下腐蝕，{111}腐蝕表面的粗糙度Rq值。實驗結果說明：采用超聲腐蝕的方法，能夠顯著改善腐蝕的表面質量。上述3種不同實驗的腐蝕速度大致相等，約為75.5～76 μm/h。

表2 腐蝕表面粗糙度

3.3 磁力攪拌和超聲對{111}腐蝕表面粗糙度的改善

應用KOH腐蝕硅的化學反應機理如式(1)所示。各向異性腐蝕過程中產生的氫氣是造成腐蝕表面粗糙的主要原因。如圖11所示，氫氣氣泡附著在硅表面，形成了“假的”掩模層，阻礙了腐蝕溶劑和硅原子的反應，不僅會使腐蝕速率明顯降低，同時會使腐蝕表面形成橘皮狀，造成腐蝕表面粗糙度的增加。

Si+2KOH+H2O→K2SiO3+2H2↑.

(1)

圖11 氫氣形成“假的”掩膜層

如圖8所示，(100)硅片經純KOH溶液腐蝕后，{111}斜面有明顯的橘皮現象。如圖9所示，與純粹的KOH溶液腐蝕相比，攪拌腐蝕可以改善腐蝕表面質量，這主要是基于磁粒攪拌帶動腐蝕液流動，以達到對流的作用，促使氫氣氣泡脫離腐蝕表面，但此方法無法達到均勻流動和快速擴散的現象，因此,改善腐蝕表面質量的作用有限。

如圖10所示，超聲能夠顯著提升{111}腐蝕表面質量，這主要是基于超聲空化的作用。空化是指在液體中由于超聲波的物理作用，某些地方形成局部的暫時的負壓區，從而引起液體或液固界面的斷裂，形成微小的空泡或氣泡。當聲壓達到一定時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓力，破壞氫氣氣泡黏附在硅片表面上而使它們分散于腐蝕溶液中[8]。超聲空化在固體和液體表面上所產生的高速微射流能夠快速去除氫氣氣泡，對氫氣氣泡起到機械剝離作用，同時超聲空化還能增加腐蝕溶液機械攪拌的效能，強化腐蝕溶液的腐蝕功能，提升促使腐蝕溶液與硅原子的化學反應效率。所以,采用超聲腐蝕能夠明顯改善{111}斜面的表面腐蝕質量。超聲腐蝕的工藝參數為：腐蝕溫度80 ℃，KOH腐蝕溶液質量分數為30 %，超聲頻率為59 kHz ，腐蝕功率為160 W。

4 基于超聲各向異性腐蝕的凸角補償

4.1 凸角掩模補償圖案的選擇

以正方形或長方形方塊設計的掩模板圖形來制作微空腔，如圖1所示都存在著凸角，在各向異性腐蝕過程中不可避免會存在凸角因為腐蝕而導致削角現象，如圖12所示。通過LSCM表征，其主要的削角斜面與底面{100}的夾角為46.3°，即為{311} 面，其與{100} 面交線方向為〈310〉方向，如圖13所示。

圖12 腐蝕過程中的凸角削角

圖13 削角斜面的表面形態

為了獲得規整的微空腔體，必須進行凸角補償，主要是依據削角斜面的晶面方向制定掩膜補償圖案。研究中采用的補償圖案是條形掩模補償，如圖14所示。

圖14 條形掩模補償

根據經驗公式[9～11]，條形的長度L取決于腐蝕深度H，即為

L≈2.7H.

(2)

條形的寬度為

B=0.2L.

(3)

制作微空腔所需的硅片厚度為900 μm，由于是采用雙面腐蝕，故腐蝕深度H為450 μm，根據式(2)和式(3)，條形的長度L和寬度B分別為1 215，243 μm。

4.2 微空腔的制備

采用超聲濕法腐蝕制備微空腔，其工藝參數為：腐蝕溫度80 ℃，KOH腐蝕溶液質量分數為30 %，超聲頻率為59 kHz，腐蝕功率為160 W。針對凸角，采用條形掩模補償法，條形的長度分別為1 150,1 200,1 250 μm，對應寬度為230,240,250 μm。圖15所示為用于制作微空腔所需的掩模版。

圖16顯示微空腔的腐蝕過程，采用條形長度為1 200 μm的補償圖案最佳。驗證了經驗式(2)和式(3)所計算的條形尺寸。經過6 h腐蝕后，形成微空腔。圖17是采用上述工藝，所獲得的側壁光滑、形制規整的微空腔。

圖15 用于制作微空腔所需的掩模版

圖16 濕法腐蝕制備微空腔

圖17 微空腔

5 結 論

1)在硅各向異性腐蝕中引入超聲技術，基于超聲空化原理，對黏附在硅片腐蝕表面上氫氣氣泡起到有效的機械剝離作用，從而明顯改善{111} 斜面的腐蝕質量；

2)利用LSCM對所腐蝕的{111} 斜面進行表征，實現了對腐蝕斜面的定性和定量分析，彌補了AFM，SEM等形貌設備在斜面表征功能上所存在著的局限性；

3)采用條形掩模補償法有效避免了凸角腐蝕過程中所產生的削角現象，經過實驗認證，選用條形長度為1 200 μm，寬度為240 μm 的補償圖案最佳；

4)實驗結果表明：采用上述工藝和表征手段，能夠獲得側壁光滑、形制規整的微空腔，用于芯片級銣原子鐘的濾光泡與吸收泡。

參考文獻:

[1] Shikida M,Sato K,Tokoro K,et al.Differences in anisotropic etching properties of KOH and TMAH solutions[J].Sensors and Actuators A:Physical,2000,80(2):179-188.

[2] Chii R Y,Po Y C,Yuang C C,et al.Effects of mechanical agitation and surfactant additive on silicon anisotropic etching in alkaline KOH solution[J].Sensors and Actuators A,2005,119:263-270.

[3] 曾毅波,王凌云,孫道恒,等.超聲技術在硅濕法腐蝕中的應用[J].光學精密工程,2009,17(1):166-171.

[4] 王伯雄,陳非凡,董 瑛.微納米測量技術[M].北京:清華大學出版,2003:118-120.

[5] Knappe S,Liew L,Schwindt P.A microfabricated atomic clock[J].Appl Phys Lett,2004,85:1460-1462.

[6] 郭 航，王盛貴.用于微小型化銣原子鐘的MEMS Rb—85濾光泡的研究[J].傳感技術學報，2009,22(5):659-663.

[7] 曾毅波,蔣書森,黃彩虹,等.激光共焦掃描顯微鏡在微機電系統中的應用[J].光學精密工程,2008,16(7):1241-1246.

[8] 王愛玲,祝錫晶,吳秀玲.功率超聲振動[M].北京:國防工業出版社,2007.

[9] Wu X P,Ko W H.Compensating corner undercutting in anisotro-pic etching of(100)silicon[J].Sensors and Actuators,1989,18(2):207-215.

[10] Scheibe C,Obermeier E.Compensating corner undercutting in an-isotropic etching of(100)silicon for chip separation[J].J Micromech Microeng,1995(5):109-111.

[11] Puers B,Sansen W.Compensation structures for convex corner micromachining in silicon[J].Sensors and Actuators A:Physical,1990,23(1-3):1036-1041.