CN108645397B - 一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，包括如下步骤：刻蚀碳化硅晶圆，制作与盘式谐振子微结构相对应的刻蚀槽；对刻蚀完成的碳化硅晶圆和石英玻璃进行键合；以高于石英玻璃软化点的温度对晶圆键合结构进行加热，直至石英玻璃均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽内，停止加热；对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆进行减薄抛光，去除刻蚀槽以外石英玻璃；采用干法刻蚀工艺去除碳化硅，完成石英盘式谐振子结构释放。本发明解决了石英盘式微结构制造工艺难度大的问题，实现了石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的高精度批量制造。

Description

一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法
技术领域
本发明涉及一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，属于MEMS固体振动陀螺制造技术领域。
背景技术
盘式谐振微机械陀螺是基于科里奥利效应的一种角速率传感器，其盘式谐振子被驱动后在一定的驱动模态下工作，当外界有角运动输入时，产生的科里奥利力将能量耦合到谐振子模态中，从而出现幅值与角速度输入成正比的响应振动模式，通过电极检测该振动幅值的变化，经解调计算后可得到真实的角运动量。
谐振子的性能是影响盘式谐振微机械陀螺性能的首要因素。谐振子的性能主要通过品质因子、谐振频率、角度增益、机械灵敏度等主要参数表征。而这些参数主要取决于谐振子的材料属性、结构尺寸、以及约束形式等。通常，基于成熟的硅微加工技术，盘式谐振微机械陀螺谐振子一般采用单晶硅材料。但是由于单晶硅材料存在各向异性，会对谐振子的性能产生不利影响。单从材料属性方面考虑，石英玻璃是一种制作盘式谐振微机械陀螺谐振子的理想材料，但是相对于硅微结构加工，石英盘式微结构的制造工艺难度要大得多。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，解决了石英盘式微结构制造工艺难度大的问题，实现了石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的高精度批量制造。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，包括如下步骤：
(1)刻蚀碳化硅晶圆，制作与盘式谐振子微结构相对应的刻蚀槽；
(2)将石英玻璃与刻蚀完成的碳化硅晶圆进行键合，形成晶圆键合结构；
(3)对晶圆键合结构进行加热，直至石英玻璃均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽内，停止加热；
(4)对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆进行减薄抛光，去除刻蚀槽以外石英玻璃；
(5)去除碳化硅，完成石英盘式谐振子结构释放。
所述步骤(1)中刻蚀碳化硅晶圆，采用干法刻蚀工艺刻蚀碳化硅晶圆制作刻蚀槽。
所述刻蚀槽的深度对应谐振子微结构的设计厚度。
碳化硅晶圆和石英玻璃在真空状态通过低温键合工艺进行键合。
所述步骤(3)对晶圆键合结构进行加热以高于石英玻璃软化点的温度进行。
所述温度采用1800℃。
所述步骤(5)去除碳化硅采用干法刻蚀工艺，具体为：将完成减薄抛光的晶圆从正面粘贴石英玻璃片进行保护，采用干法刻蚀工艺从背面去除碳化硅。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明借助碳化硅材料作为模具，提出了一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的高精度批量制造方法，对设备和操作不存在苛刻要求。
(2)本发明采用干法刻蚀工艺刻蚀碳化硅晶圆制作刻蚀槽，保证了高的加工精度。
(3)本发明选用的碳化硅材料的熔点高于石英玻璃熔融的工艺温度，不会对石英玻璃均匀灌入碳化硅晶圆产生不利影响。
(4)本发明方法实现简单，能够降低能耗、节约时间，利于技术人员进行改进提高。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为本发明的晶圆结构图
图3为本发明的石英盘式谐振子结构图
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1～3所示，本发明提出的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，包括如下步骤：
第一步：刻蚀碳化硅晶圆1，制作与盘式谐振子微结构相对应的刻蚀槽2；
第二步：对刻蚀完成的碳化硅晶圆和石英晶圆(石英玻璃)3进行键合，形成晶圆键合结构；
第三步：以高于石英玻璃软化点的温度对晶圆键合结构进行加热，直至石英玻璃均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽2内，停止加热；
第四步：对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆4进行减薄抛光，去除刻蚀槽以外石英玻璃；
第五步：采用干法刻蚀工艺去除碳化硅，完成石英盘式谐振子结构5释放，具体为：将完成减薄抛光的晶圆从正面粘贴石英玻璃片进行保护，采用干法刻蚀工艺从背面去除碳化硅，完成石英盘式谐振子结构释放。
优选的，第一步中，采用干法刻蚀工艺刻蚀碳化硅晶圆制作刻蚀槽。
优选的，第一步中，碳化硅晶圆刻蚀槽的深度对应谐振子微结构的设计厚度。
优选的，第二步中，利用阳极键合机的预对准工装将碳化硅晶圆和石英玻璃组装在一起，在真空状态通过低温键合工艺进行键合，形成碳化硅晶圆刻蚀槽的密封。
将晶圆键合结构加热至1800℃，石英玻璃熔融后均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽内，停止加热。
对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆进行减薄抛光处理，去除刻蚀槽以外的石英玻璃。
下面给出一个实施例：
首先在厚度为150μm的4英寸碳化硅晶圆1表面采用化学气相沉积工艺生长1.5μm厚的SiO2，然后利用光刻工艺对SiO2图形化作为刻蚀碳化硅的掩膜。
采用干法刻蚀工艺刻蚀碳化硅晶圆，刻蚀深度为100μm，制作刻蚀槽2。刻蚀槽为同心圆环结构，圆环之间的由宽度为30μm的连接槽连通。
刻蚀完成后采用HF去除晶圆表面的SiO2，并进行晶圆清洗烘干。
利用阳极键合机的预对准工装将碳化硅晶圆和石英玻璃组装在一起，在真空状态进行低温键合，形成碳化硅和石英玻璃的键合晶圆片。
将晶圆键合结构加热至1800℃，石英玻璃熔融后均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽内，在1800℃保持10分钟后停止加热，降至室温。
对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆4表面进行减薄抛光处理，去除刻蚀槽以外的石英玻璃。
将完成减薄抛光的晶圆从正面粘贴石英玻璃片进行保护，采用干法刻蚀工艺从背面去除碳化硅，完成石英盘式谐振子结构释放。
利用本实施例所述方法，借助干法刻蚀工艺制作的碳化硅模具，在解决了石英盘式微结构直接制造工艺难度大的问题的同时，保证了高的加工精度，可以实现石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的高精度批量制造，并且对设备和操作不存在苛刻要求。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)刻蚀碳化硅晶圆，制作与盘式谐振子微结构相对应的刻蚀槽；
(2)将石英玻璃与刻蚀完成的碳化硅晶圆进行键合，形成晶圆键合结构；
(3)对晶圆键合结构进行加热，直至石英玻璃均匀灌入碳化硅晶圆的刻蚀槽内，停止加热；
(4)对灌入石英玻璃的碳化硅晶圆进行减薄抛光，去除刻蚀槽以外石英玻璃；
(5)去除碳化硅晶圆，完成石英盘式谐振子结构释放。
2.根据权利要求1所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中刻蚀碳化硅晶圆，采用干法刻蚀工艺刻蚀碳化硅晶圆制作刻蚀槽。
3.根据权利要求1所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：所述刻蚀槽的深度对应谐振子微结构的设计厚度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：刻蚀槽为同心圆环结构，圆环之间通过连接槽连通。
5.根据权利要求4所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：刻蚀槽深度为100μm，连接槽宽度为30μm，深度为100μm。
6.根据权利要求1所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：碳化硅晶圆和石英玻璃在真空状态通过低温键合工艺进行键合。
7.根据权利要求1所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)对晶圆键合结构进行加热以高于石英玻璃软化点的温度进行。
8.根据权利要求7所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：所述温度采用1800℃。
9.根据权利要求1所述的一种石英盘式谐振微机械陀螺谐振子的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)去除碳化硅晶圆采用干法刻蚀工艺，具体为：将完成减薄抛光的碳化硅晶圆从正面粘贴石英玻璃片进行保护，采用干法刻蚀工艺从背面去除碳化硅晶圆。
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