CN102110771A

CN102110771A - 一种三维石英敏感结构金属化加工方法

Info

Publication number: CN102110771A
Application number: CN2010105394092A
Authority: CN
Inventors: 盛洁; 杨军; 唐琼; 刘大俊; 廖兴才; 刘迎春; 姜福灏; 李佳; 朱建伟; 车一卓; 杨轶博
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: CN102110771B

Abstract

本发明属于加工方法，具体涉及一种三维石英敏感结构金属化加工方法。一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：加工表面电极；步骤2：加工侧面电极和不等高结构的表面电极。本发明的显著效果是：(1)实现了表面电极、侧面电极和不等高结构表面电极三种组合电极的加工；(2)表面电极尺寸精度高，可以控制在±1μm以内，同时与其它工艺兼容性好且易于加工；(3)可应用于石英微器件的批量生产中；(4)本可在同一侧面加工不同极性的侧面电极。

Description

一种三维石英敏感结构金属化加工方法

技术领域

本发明属于加工方法，具体涉及一种三维石英敏感结构金属化加工方法。

背景技术

石英晶体是一种重要的压电材料，已经广泛地用于通讯、惯性导航、自动控制、电子手表等各个领域。压电石英器件的基本工作原理是基于石英晶体的压电效应，因此需要对石英敏感结构各个表面进行金属化以施加或获取不同极性的电信号。在石英微惯性器件中，敏感结构通常具有三维结构，且需要在三维结构各个面沉积金属薄膜形成电极(通常是由铬(Cr)的基础电极层加上金(Au)的上部电极层构成的薄膜)。

下面，具体说明三维石英敏感结构的金属化图形的结构特征。

图1表示的是典型的三维石英敏感结构1，该三维结构主要由两梁结构11、12，支撑结构13及不等高结构14构成，其中两条梁结构和支撑结构的厚度d1在150μm～450μm之间，而不等高结构的厚度d2在60μm～150μm之间。并且在三维结构上覆盖有第一激励电极1a及第二激励电极1b。在图1中，给激励电极1a、1b覆盖的部分附上了斜线。

第一激励电极1a由梁表面电极11a、12a和侧面电极15a构成，并且它们通过支撑结构表面电极13a相连接；同样，第二激励电极1b，由梁表面电极11b、12b和侧面电极15b构成，并且它们通过不等高结构表面电极14b相连接。

上述结构中，三维敏感结构的金属化图形有以下几点要求：

1、梁结构的表面电极11a、11b、12a、12b和13a尺寸精度要求高，要求加工误差控制在±1μm以内；

2、梁结构12的侧面电极15a和15b属于不同的激励电极，宽度要求在60μm～200μm之间，且两者之间相互不能短路，两者的间隙宽度需控制在10μm～30μm之间，因此侧面电极15a和15b宽度s1和s2的尺寸精度要求较高，要求加工误差控制在±10μm以内。

3、第二激励电极1b是通过不等高结构表面电极14b将两梁表面电极11b、12b连接的，所以要求不等高结构表面电极14b和梁表面电极11b、12b具有良好的欧姆接触。

传统的金属化工艺通常采用光刻加腐蚀方法或掩膜蒸镀方法。

日本专利CN200480000829.6中阐述，先加工出三维敏感结构，然后通过真空蒸镀法将整个结构的工艺面全部镀上金属薄膜，再通过光刻的方式定义需要的金属化图形，最后进行金属腐蚀，得到希望的电极形状。

中国专利CN200810143292.9中阐述，先加工石英敏感结构，然后通过在敏感结构各表面通过掩膜蒸镀方式(即先加工遮挡板，将遮挡板按所需要的图形位置定位，再由入射方向性好的物理沉积方式镀制薄膜)制备电极图形。

上述两种方案可以加工出表面电极，但是要加工高精度表面电极存在以下不足：(1)上述日本专利中提及的光刻加腐蚀方法，由于需要在已加工完成的三维结构上匀胶，工艺复杂且很难保证光刻胶厚度均匀性，这样会严重影响光刻精度，进而影响表面电极尺寸精度；(2)上述中国专利中提及的掩膜蒸镀方法，由于遮挡板的加工精度不高同时镀制的表面电极边缘存在阴影，会影响表面电极尺寸精度；(3)上述两种方案加工的侧面电极为单一极性且分布在对应的整个侧面表面，不适用于本发明中要求具有不同极性并且尺寸精度要求高的侧面电极加工。

因此，本发明加工中要求侧面电极的难点有：(1)高精度遮挡板的加工。传统的遮挡板采用机械加工的方法加工，尺寸精度低且容易变形；(2)遮挡板与基片之间的对准精度要求高。目前，遮挡板与基片的对准主要采用人工对准，对准精度差、遮挡板与基片的间隙不能控制；(3)高精度基片固定工装的加工。采用一般的固定工装，工装的角度误差较大；(4)镀膜工艺参数的优化。蒸发源的直径太大容易导致侧面电极边缘出现阴影部分，这样不同极性的侧面电极之间容易短路。

上述两种方案可以加工不等高结构表面电极，但是加工本发明中要求不等高结构表面电极存在以下不足：(1)上述日本专利中提及的光刻加腐蚀方法，在不等高结构边缘附近(不等高结构与梁表面形成的边界附近)，有时会由于光刻胶的台阶覆盖性不好，金属薄膜会直接暴露在金属腐蚀液中，进而被腐蚀，因此不等高表面电极与梁表面电极易断路；(2)上述中国专利中提出采用掩膜蒸镀方法，由于采用传统机械加工方法加工的遮挡板太厚，这样在蒸镀过程中容易造成不等高表面电极之间容易断路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术缺陷，提供一种加工工艺简单，加工精度高的三维石英敏感结构金属化加工方法。

本发明是这样实现的：一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：加工表面电极；

步骤2：加工侧面电极和不等高结构的表面电极。

如上所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其中，所述的步骤1包括下述步骤：首先在石英晶片上下表面采用热蒸发或磁控镀膜方式依次镀上铬(Cr)/金(Au)/铬(Cr)/金(Au)薄膜，所述的镀膜按照常规方法进行，其中Cr膜厚度为20nm～60nm；Au膜厚度为100nm～300nm，然后在形成三维敏感结构之前，通过光刻定义电极结构图形，再利用石英腐蚀工艺形成三维敏感结构，最后通过Au腐蚀、Cr腐蚀形成表面电极结构。

如上所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其中，所述Cr膜厚度的优选值为20nm；Au膜厚度的优选值为200nm。

如上所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其中，步骤2采用掩膜蒸镀法来加工具有不同极性的侧面电极。

如上所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其中，所述的步骤2采用下述步骤进行：

(1)采用微电铸方法加工高精度遮挡板；

(2)将已加工出三维敏感结构的石英晶片和遮挡板，采用真空吸附在光刻机对准夹具上，并采用光刻工艺中的对准技术进行对准并固定；

(3)采用专用的加工工装固定石英晶片和遮挡板；

(4)在镀膜过程中调整电子束的x、y方向幅度来控制蒸发源的直径在4mm～6mm。

如上所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其中，在步骤2的步骤(1)中采用在高精度遮挡板四周增加加强筋结构的方式来增加高精度遮挡板的机械强度，加强筋结构的厚度为100μm～300μm；在图形区采用薄层结构，薄层结构的厚度为30μm～50μm。

一种基片固定工装，包括下基板，还包括在下基板的一端铰接的上基板，上基板和下基板的自由端通过弧形连接件连接，其中连接件与下基板固定连接，连接件的上半段开有弧形凹槽，在弧形凹槽上还设有刻度值，该刻度值用于表示上基板与下基板之间的角度，在上基板的侧壁上与该弧形凹槽对应的位置设有螺钉，当上基板以铰接位置为轴进行旋转的时候，上基板的旋转范围通过螺钉受到弧形凹槽的限制。

本发明的显著效果是：(1)本发明通过不同的金属化工艺在三维敏感结构的加工过程中实现了表面电极、侧面电极和不等高结构表面电极三种组合电极的加工；

(2)本发明采用先镀制金属薄膜，再通过湿法腐蚀的方式加工表面电极结构。这样加工的表面电极尺寸精度高，可以控制在±1μm以内，同时与其它工艺兼容性好且易于加工；

(3)本发明采用掩模蒸镀方式来加工侧面电极，同时通过微电铸方式加工高精度遮挡板、并利用在光刻对准的方式将基片与遮挡板进行高精度对准可将侧面电极的尺寸精度控制在±10μm以内，这种方法可应用于石英微器件的批量生产中；

(4)本发明通过调整基片在金属镀膜系统的放置位置及角度，可在同一侧面加工不同极性的侧面电极，以满足高性能微器件的设计要求；

(5)本发明采用微电铸方式加工的厚度为30μm～50μm的遮挡板来加工不等高结构电极，具有良好的欧姆接触，接触电阻小于5Ω。

附图说明

图1是三维石英敏感结构金属化图形示意图；

图2～图10是三维石英敏感结构表面电极的加工流程截面图；

图11是采用掩膜蒸镀方式加工侧面电极示意图；

图12是采用掩膜蒸镀方式加工不等高结构表面电极示意图；

图13是采用微电铸方式加工的遮挡板示意图；

图14～图15是遮挡板与基片进行对准的流程图；

图16是基片固定工装示意图；

图17是金属薄膜镀制的示意图。

图中：1.三维敏感结构、1a.第一激励电极、1b.第二激励电极、2.Cr薄膜、3.Au薄膜、4.光刻胶、5.遮挡板、6.蒸发源、10.石英晶片、11、12.两梁结构、11a、11b、12a、12b.表面电极、13.支撑结构、13a.支撑结构表面电极、14.不等高结构、14b.不等高结构表面电极、15a、15b.侧面电极、20.上夹具、21.下夹具、40.高精度遮挡板、41.加强筋结构、42.薄层结构、50.基片固定工装、51.螺钉52.上基板、53.下基板、54.连接件。

具体实施方式

一种三维石英敏感结构金属化加工方法，包括下述步骤：

步骤1：加工表面电极

本发明采取同时加工电极结构与三维敏感结构的方法来加工尺寸精度高的表面电极。

首先在石英晶片上下表面采用热蒸发或磁控镀膜方式依次镀上铬(Cr)/金(Au)/铬(Cr)/金(Au)薄膜。镀的铬金用于腐蚀工艺的掩膜，而镀铬是因为直接在石英表面电镀金效果不好，而增加铬层再电镀金效果就会好很多，金(Au)薄膜与石英的附着力不好，需要在两者之间加一层过渡层铬(Cr)。所述的镀膜按照常规方法进行，其中Cr膜厚度为20nm～60nm，优选20nm；Au膜厚度为100nm～300nm，优选200nm。然后在形成三维敏感结构之前，通过光刻定义电极结构图形，再利用石英腐蚀工艺形成三维敏感结构，最后通过Au腐蚀、Cr腐蚀形成表面电极结构。所述的电极结构图形是预先设计好的需要在石英表面形成的图形，本发明的目的就是将预先设计好的图形在石英表面制作出来。所述的光刻工艺是本领域的通用方法。所述的Au腐蚀和Cr腐蚀都是本领域通用的工艺步骤。

本步骤的具体加工过程如下：

图2表示整个工艺流程从石英晶片10开始。

图3表示通过磁控溅射或热蒸发镀膜的方式在石英晶片10的上下表面依次镀制Cr/Au/Cr/Au薄膜，其中Cr膜厚度为20nm～60nm，优选20nm；Au膜厚度为100nm～300nm，优选200nm，薄膜厚度根据所需要的导电率及抗腐蚀性要求确定。

图4表示通过光刻将一种结构图形转移至光刻胶4上，并使用Au腐蚀液(饱和KI溶液或者王水溶液)来腐蚀无光刻胶覆盖的Au薄膜，再使用Cr腐蚀液(KMnO₄和NaOH混合溶液或者硝酸铈铵((NH₄)₂Ce(NO₃)₆)溶液)来腐蚀无Au膜覆盖的Cr薄膜。

图5表示先去除图4所示步骤中的光刻胶4，再通过涂胶、光刻将不等高结构图形14转移至光刻胶4上，与图4所示步骤一样，再使用Au腐蚀液和Cr腐蚀液分别腐蚀无掩膜覆盖的Au膜和Cr膜。

图6表示先去除图5所示步骤中的光刻胶4，再通过涂胶、光刻，在光刻胶上形成表面电极11a、11b、12a和12b图形(见图10)。

图7表示使用湿法腐蚀的方式进行石英腐蚀，形成石英敏感结构。常用的石英腐蚀液有三种：氟化氢氨(NH₄HF)溶液、氢氟酸(HF)溶液及氢氟酸(HF)与氟化氨(NH₄F)混合溶液。

图8表示使用图4所示步骤中的Au腐蚀液和Cr腐蚀液来分别去除无掩膜覆盖的Au膜和Cr膜。

图9表示使用图7所示步骤提到的石英腐蚀液进行石英腐蚀，形成三维敏感结构1，包括两梁结构11、12，不等高结构14和支撑结构13(本图中未显示)。但本步骤中的石英腐蚀需要将腐蚀深度精确控制在一定范围内。

图10表示先去除图9步骤中的光刻胶，再使用Au腐蚀液和Cr腐蚀液来分别去除Au膜和Cr膜，形成两梁结构表面电极结构11a、11b、12a和12b。

步骤2：加工侧面电极和不等高电极

本发明采用掩膜蒸镀法来加工具有不同极性的侧面电极并保证所要求的高尺寸精度。

图11示出了加工侧面电极15b的示意图。由于在热蒸发镀膜过程中，蒸发源6不是理想的点源，而是一个面源，这样会造成加工的侧面电极15b的边缘会形成阴影，其中阴影部分宽度为s2。侧面电极宽度s1＝b*tan(θ₂)-h-g；侧面电极阴影部分宽度s2＝b*tan(θ₁)-b*tan(θ₂)。其中b为遮挡板5图形宽度；g为遮挡板5厚度；h为遮挡板5与三维敏感结构1的间隙；θ₁、θ₂为镀料的入射角度。

为了将侧面电极宽度s1精度控制在±10μm以内，要求遮挡图形宽度b精度控制在±2μm以内，遮挡板5厚度g精度控制在±2μm以内，遮挡板5与三维敏感结构1的间隙h精度控制在±5μm以内，镀料的入射角度θ₂精度控制在±0.5°以内。

为了将侧面电极边缘阴影部分宽度s2控制在3μm以内，要求蒸发源6直径a控制在4mm～6mm，镀料的入射角度θ₁、θ₂选择在40°～50°。

为了达到上述技术要求，本发明采取以下解决措施来加工高精度侧面电极：

(1)采用微电铸方法加工高精度遮挡板40(此处的高精度遮挡板40就是前面叙述中的遮挡板5)，尺寸精度可达±2μm，为了防止其变形，在非图形区通过采用加强筋结构41的方式来增加高精度遮挡板40的机械强度，加强筋结构41的厚度为100μm～300μm；在图形区采用薄层结构42，薄层结构42的厚度为30μm～50μm；微电铸方法可以加工厚度为几十个μm的遮挡板，加工精度高。本步骤是本领域技术人员利用现有技术可以实现的。

(2)将已加工出三维敏感结构的石英晶片10和遮挡板5，采用真空吸附在光刻机对准夹具上，并采用光刻工艺中的对准技术进行对准并固定，对准精度可达到±2μm，对准间隙的精度可控制在±5μm。真空吸附可以保证遮挡板5不变形。真空吸附是本领域技术人员利用现有技术可以实现的。

(3)采用加工角度误差可以控制在±0.5°以内的基片固定工装50(该工装是将步骤(2)中固定好的石英晶片10与遮挡板5固定连接形成)，将工装放置在镀膜系统中相应的位置并进行固定，调节工装的角度，然后将工装的角度锁定，使得镀料的入射角度达到设计值；本步骤使用的工装为本申请专门涉计的，具体内容见后。

(4)在镀膜过程中调整电子束的x、y方向幅度来控制蒸发源的直径在4mm～6mm。调整x、y方向幅度是本领域技术人员可以实现的。上述方案中，可通过调整基片与遮挡板在固定工装中的放置方向，镀制不同极性的侧面电极。

如图16所示，基片固定工装50包括下基板53，在下基板53的一端铰接上基板52，上基板52可以以铰接位置为轴旋转。上基板52和下基板53的自由端通过弧形连接件54连接，其中连接件54与下基板53固定连接，连接件54的上半段开有弧形凹槽，在弧形凹槽上还设有刻度值，该刻度值用于表示上基板52与下基板53之间的角度。在上基板52的侧壁上与该弧形凹槽对应的位置设有螺钉51。当上基板52以铰接位置为轴进行旋转的时候，上基板52的旋转范围通过螺钉51受到弧形凹槽的限制。在上基板52背向下基板53的一面固定连接石英晶片10，在石英晶片10的上面固定连接遮挡板5。

本步骤的具体实施步骤如下：

图11示出了遮挡板5示意图。采用微电铸的方式加工出高精度遮挡板40，材料为镍(Ni)、铜(Cu)、金(Au)或银(Ag)等金属。其中关键图形区42的厚度最好为30μm～50μm，同时为了防止金属遮挡板的变形，在非图形区43采用“加强筋”结构，厚度达到200μm～300μm。

图14～图15示出了基片与遮挡板高精度对准并固定的示意图。

图14表示首先将遮挡板5通过真空吸附在光刻机上的对准上夹具20中，然后在将石英基片10的边缘涂上少量光刻胶4，再通过真空吸附固定在下夹具21中，最后利用光刻中的对准技术将遮挡板5与石英基片10进行对准。所述的上夹具20和下夹具21都是本领域通用的加工装置。

图15表示遮挡板5与石英基片10对准后，控制光刻机抬高下夹具21，使遮挡板5与基片10之间进行粘合，并对遮挡板5与基片10之间的间隙进行精确控制。所述的光刻机是本领域的通用装置。

采用真空吸附固定遮挡板与基片，并通过光刻方式进行对准，这种方法对准精度高，遮挡板与基片之间的间隙小且容易控制。

图16表示通过胶带或光刻胶将对准后的基片10与遮挡5固定在基片固定工装50上。基片固定工装50包括上基板52、下基板53及连接件54构成，其中上基板52与下基板53之间的角度可通过调整上基板52在连接件54中不同位置进行控制，最后用螺钉51将上基板52与连接件54进行固定。在连接件54上加注刻度线，保证精度。

图17表示将基片固定工装50固定在镀膜系统中的特定位置，并镀制金属薄膜。在镀膜过程中调整束斑面积，使蒸发源6的直径控制在4mm～6mm之间。镀制结束后，基片的不等高结构表面和x负方向侧面已镀制部分电极，然后将石英基片10和遮挡板5一起从固定工装50中卸下，旋转180°，并固定到工装50上，再镀制金属薄膜，这样便可以完成基片的不等高结构表面电极和侧面电极的加工。

Claims

1.一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：加工表面电极；

步骤2：加工侧面电极和不等高结构的表面电极。

2.如权利要求1所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于：所述的步骤1包括下述步骤：首先在石英晶片上下表面采用热蒸发或磁控镀膜方式依次镀上铬(Cr)/金(Au)/铬(Cr)/金(Au)薄膜，所述的镀膜按照常规方法进行，其中Cr膜厚度为20nm～60nm；Au膜厚度为100nm～300nm，然后在形成三维敏感结构之前，通过光刻定义电极结构图形，再利用石英腐蚀工艺形成三维敏感结构，最后通过Au腐蚀、Cr腐蚀形成表面电极结构。

3.如权利要求2所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于：所述Cr膜厚度的优选值为20nm；Au膜厚度的优选值为200nm。

4.如权利要求3所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于：步骤2采用掩膜蒸镀法来加工具有不同极性的侧面电极。

5.如权利要求4所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于：所述的步骤2采用下述步骤进行：

(1)采用微电铸方法加工高精度遮挡板(40)；

(2)将已加工出三维敏感结构的石英晶片(10)和遮挡板(5)，采用真空吸附在光刻机对准夹具上，并采用光刻工艺中的对准技术进行对准并固定；

(3)采用专用的加工工装固定石英晶片(10)和遮挡板(5)；

6.如权利要求5所述的一种三维石英敏感结构金属化加工方法，其特征在于：在步骤2的步骤(1)中采用在高精度遮挡板(40)四周增加加强筋结构(41)的方式来增加高精度遮挡板(40)的机械强度，加强筋结构(41)的厚度为100μm～300μm；在图形区采用薄层结构(42)，薄层结构(42)的厚度为30μm～50μm。

7.一种基片固定工装，包括下基板(53)，其特征在于：还包括在下基板(53)的一端铰接的上基板(52)，上基板(52)和下基板(53)的自由端通过弧形连接件(54)连接，其中连接件(54)与下基板(53)固定连接，连接件(54)的上半段开有弧形凹槽，在弧形凹槽上还设有刻度值，该刻度值用于表示上基板(52)与下基板(53)之间的角度，在上基板(52)的侧壁上与该弧形凹槽对应的位置设有螺钉(51)，当上基板(52)以铰接位置为轴进行旋转的时候，上基板(52)的旋转范围通过螺钉(51)受到弧形凹槽的限制。