CN109580986A

CN109580986A - 一种单晶硅摆片的制作方法

Info

Publication number: CN109580986A
Application number: CN201811407172.5A
Authority: CN
Inventors: 赵坤帅; 余才佳; 雷宏杰; 李鹏飞
Original assignee: Xian Flight Automatic Control Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Flight Automatic Control Research Institute of AVIC
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-04-05

Abstract

本发明属于加速度计工艺技术领域，为一种单晶硅摆片的制作方法，包含以下步骤：本发明将单晶硅片(1)氧化形成氧化层(2)，双面刻蚀出挠性梁窗口(3)，再将其双面沉积氮化硅(4)，释放单面挠性梁窗口(5)，进行湿法刻蚀，形成挠性梁厚度结构(6)，之后在未湿法刻蚀面光刻制作摆片结构图形(8)，进行干法刻蚀，形成摆片外形结构(9)与挠性梁结构(6)。采用干湿法组合工艺制作单晶硅摆片，结合了湿法刻蚀工艺纵向刻蚀精度高和干法刻蚀高深宽比的优势工艺特点，适宜制作小结构、复杂结构、异性结构，此外，本发明工艺简单，可批量生产制作，具有较强的工艺一致性。

Description

一种单晶硅摆片的制作方法

技术领域

本发明属于加速度计工艺技术领域，涉及一种单晶硅摆片的制作方法。

背景技术

摆式加速度计是惯性导航、惯性制导、飞行自动控制系统中普遍装配使用的惯性传感器件，在航天、航空等技术领域得到了广泛应用。摆式加速度计组成主要是由加速度敏感器件(表头)、伺服处理电路、输出电路等部分，其中，表头部分主要包含：摆片、力矩器轭铁、力矩器线圈、磁钢等部件。摆式加速度计其工作原理是加速度计受到外部加速度后，敏感加速度的质量块由于挠性梁的刚度小而产生惯性力偏移，产生电容变化或光感变化，传感器感应后输出电流反馈给力矩器，最终使质量摆工作在平衡位置，达到了闭环系统的力平衡，而输入给力矩器的反馈电流的大小正比于输入惯性加速度的值，从而实现了加速度的度量。

目前摆式加速度计中摆片主要为石英摆和硅摆，单晶硅材料由于其具有良好的机械性能和半导体特性，在加速度计应用中具有一定的优势，硅摆片加工一般采用硅片各向异性湿法刻蚀加工工艺，单晶硅湿法刻蚀工艺由于单晶硅的晶向分布加工具有一定的约束，尤其对于小结构、异型结构无法加工成型，而单晶硅干法刻蚀工艺具有较高的刻蚀深宽比，又不受晶向分布限制，适宜加工微小异性结构，但是其刻蚀面粗糙度大，纵向刻蚀均匀性差，在单独应用中也具有一定限制。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种单晶硅摆片的制作方法，本方法利用干湿法工艺的优势组合，工艺简单、加工精度高，适宜复杂异型结构摆片加工制作。

本发明的上述目的是利用以下的技术方案实现的：

本发明将单晶硅片氧化，双面刻蚀出挠性梁窗口，再将其双面沉积氮化硅，释放单面挠性梁窗口，利用氢氧化钾溶液进行湿法刻蚀，形成挠性梁厚度结构，之后在未湿法刻蚀面光刻制作摆片结构图形，进行干法刻蚀，形成摆片外形结构与挠性梁结构。

具体地，本发明提供一种单晶硅摆片的制作方法，所述方法包含以下步骤：

采用氧化工艺，将单晶硅片氧化，双面刻蚀出挠性梁窗口；

采用沉积工艺，在上述硅片双面沉积氮化硅，单面释放挠性梁窗口；

采用湿法刻蚀工艺，将上述硅片刻蚀出挠性梁结构；

在上述硅片未湿法刻蚀面光刻制作摆片结构图形；

采用干法刻蚀工艺，将上述硅片进行干法刻蚀，形成摆片外形结构与挠性梁结构。

进一步的，所述硅片为4寸双抛P型硅片，厚度300～500μm，电阻率为0.01～0.5Ω·cm，用以保证满足摆片的机械特性设计需求。

进一步的，所述氧化工艺采用干湿氧工艺，氧化层厚度0.5～2μm，满足绝缘需求。

进一步的，所述刻蚀出挠性梁窗口采用正性光刻胶掩蔽层，光刻工艺实现图形化，采用40％(质量)氢氟酸、40％(质量)氟化铵、水体积比为1：3：15的混合溶液(BOE溶液)，刻蚀氧化层，形成挠性梁窗口。

进一步的，所述沉积工艺采用低压化学气相沉积法，沉积氮化硅厚度50～200nm，满足湿法刻蚀单晶硅掩蔽层需求。

进一步的，刻蚀所述单面释放挠性梁窗口时采用正性光刻胶掩膜作为掩蔽层，光刻工艺实现图形化，采用反应离子刻蚀(RI E)，刻蚀氮化硅。

进一步的，所述湿法刻蚀工艺，采用质量分数30％-40％氢氧化钾溶液，75-85℃，各项异性湿法刻蚀，挠性梁厚度7～15μm。

进一步的，所述光刻制作摆片结构图形采用正性光刻胶，胶厚大于10μm，满足干法刻蚀单晶硅掩蔽层需求。

进一步的，所述干法刻蚀工艺，采用深反应离子刻蚀(DRI E)，刻蚀摆片结构。

本发明的方法采用干湿法组合工艺制作单晶硅摆片，结合了湿法刻蚀工艺纵向刻蚀精度高和干法刻蚀高深宽比的优势工艺特点，适宜制作小结构、复杂结构、异性结构，此外，本发明的方法工艺简单，可批量生产制作，具有较强的工艺一致性。

附图说明

图1为本发明的摆片制作方法的工序示意图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明的方法进行进一步详细说明。

图1为本发明的摆片制作方法的工序示意图。如图所示，本发明的摆片制作方法包括：

第一步：制作双面挠性梁窗口3

选用4寸P型双抛硅片1，厚度300～500μm，电阻率为0.01～0.5Ω·cm，参见图1(a)，采用干湿氧工艺氧化0.5～2μm二氧化硅膜层2。

选用AZ6130光刻胶，双面2000转/分钟进行涂胶，前烘80℃，时间5分钟，双面曝光：光强7～12mW/cm²，曝光时间16sec，使用AZ300MI F显影剂显影60秒，120℃后烘。

采用40％(质量)氢氟酸、40％(质量)氟化铵、水体积比为1：3：15的混合溶液(BOE溶液)，室温条件下刻蚀氧化层，刻蚀时间3～12分钟，形成挠性梁窗口3，参见图1(b)。

第二步：制作单面挠性梁窗口5

在完成上述处理后的硅片上，采用低压化学气相沉积法沉积50～200nm氮化硅4。

选用AZ6130光刻胶，单面2000转/分钟进行涂胶，前烘80℃，时间5分钟，双面曝光：光强7～12mW/cm²，曝光时间16sec，使用AZ300MI F显影剂显影60秒，120℃后烘。

采用反应离子刻蚀机刻蚀，刻蚀工艺采用流量为50sccm的CHF3，工艺压力50mtorr，射频功率200W，刻蚀至露出单晶硅，形成单面挠性梁窗口5，参见图1(c)。

第三步：刻蚀挠性梁6

应用质量百分比为40％的氢氧化钾溶液在80℃下刻蚀，刻蚀硅片至挠性梁厚度7～15μm，满足加速度计灵敏度设计要求，参见图1(d)。

第四步：制作摆片结构图形8

选用AZ4620光刻胶7，未湿法刻蚀面2000转/分钟进行涂胶，前烘80℃，时间5分钟，背对准曝光：光强7～12mW/cm²，曝光时间40sec，使用AZ400K显影剂显影600秒，完成光刻，参见图1(e)。

本实施例中选用AZ4620型正性光刻胶，但不仅限于此，可采用其他正性光刻胶、负性光刻胶、二氧化硅或金属掩蔽层，只要能够实现阻蚀效果即可。

第五步：制作摆片外形结构9与挠性梁6

使用深反应离子刻蚀机进行干法刻蚀，刻蚀工艺参数见表1，完全刻穿硅层，形成摆片外形结构9与挠性梁6，参见图1(f)。

本实施例中选用表1中所示的工艺参数，但工艺参数不仅限于此，可根据具体设备型号进行调整，这在本领域技术人员的能力范围内。

注：表中的>>表示“渐变到”，例如，就下电极功率(单位：W)来说，100>>120表示下电极功率从100W渐变到120W。

Claims

1.一种单晶硅摆片的制作方法，包含以下步骤：

将单晶硅片(1)氧化，形成氧化层(2)，然后双面刻蚀出挠性梁窗口(3)；

在所述硅片双面沉积氮化硅(4)，释放单面挠性梁窗口(5)；

采用湿法刻蚀，将所述硅片刻蚀出挠性梁结构(6)；

在所述硅片未湿法刻蚀面光刻制作摆片结构图形(8)；

采用干法刻蚀，刻蚀所述硅片，形成摆片外形结构(9)与挠性梁结构(6)。

2.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述硅片为4寸双抛P型硅片，厚度300～500μm，电阻率为0.01～0.5Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述氧化采用干湿氧工艺，氧化层厚度0.5～2μm。

4.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述刻蚀出挠性梁窗口采用正性光刻胶掩膜作为掩蔽层，刻蚀液采用BOE溶液。

5.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述沉积氮化硅采用低压化学气相沉积法，氮化硅厚度50～200nm。

6.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述释放单面挠性梁窗口时采用正性光刻胶掩膜作为掩蔽层，刻蚀氮化硅采用反应离子刻蚀。

7.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述刻蚀出挠性梁结构采用质量百分比30％-40％的氢氧化钾溶液，温度75-85℃，挠性梁厚度为7～15μm。

8.根据权利要求1所述的单晶硅摆片制作方法，其中所述干法刻蚀采用的是深反应离子刻蚀。