轴对称3D曲面壳体谐振器具有自身对称性好、耐冲击能力强、可靠性高的特点, 是应用最为广泛的谐振器之一, 但因制备工艺涉及薄壳结构的曲面成形过程, 属于MEMS 3D工艺, 很难进行批量化制备。基于硅各向同性湿法技术对多晶硅3D曲面壳体谐振器的批量化制备工艺进行了实验研究。设计了脱模法制备多晶硅3D曲面壳体结构的工艺流程, 实验优选体积比为15∶10∶75的醋酸、氢氟酸、硝酸的混合液各向同性腐蚀制备硅半球腔模具, 利用自制的水浴设备和水平度可调夹具, 对刻蚀液温度和扩散速度进行了有效控制, 减弱了反应放热和硅基片放置不水平对硅半球腔圆度与粗糙度的影响。制备了直径为0.8~1.3 mm的多晶硅3D曲面壳体结构, 测试对称性最好优于0.4%, 多晶硅3D曲面壳体结构的表面粗糙度优于1 nm。在0.2 Pa的压强下, 激光多普勒测试得到曲面壳体谐振器的谐振频率为28 kHz, Q值为14 365, 调节驱动电压和偏置电压可实现谐振器四波腹谐振模态的模式匹配, 基频差趋于零。

由于球面电极是曲面结构, 电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致, 在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象, 故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应, 采用刻蚀窗口宽度由60 μm渐变至10 μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度, 在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3 μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构, 并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150 μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整, 使其基本相等, 通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极, 其最大半径可达500 μm。