CN111751574A - 一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法 - Google Patents

一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，包括：S1、晶圆基材清洗，S2、晶圆正面金属层沉积，S3、晶圆背面金属层沉积，S4、匀胶、曝光，S5、显影，S6、金属层腐蚀，S7、基材腐蚀，S8、老化，S9、存储。温度传感器直接设置在摆片上，石英的摆片能够同时感受到加速度和温度信号，并且两个信号是实时同步的。控制单元以从摆片上采集到的温度信号作为依据，对加速度计进行温度补偿，从而消除当环境温度突变时造成的温度补偿滞后的问题，提高加速度计测量的精度本发明采用上述温度加速度复合型石英摆片的制备方法，能够解决现有的温度传感器采集到的温度滞后造成补偿滞后的问题。

Description

一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法
技术领域
本发明属于石英摆片制备方法技术领域，尤其涉及一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法。
背景技术
石英挠性加速度计是一种力平衡式加速度计，它具有较高的测量精度、稳定性和重复性。可以用于振动测量，如桥梁、大型构件、大型旋转机械、精密机械、电梯、船舶、飞机、堤坝、建筑等方面的振动测量，也可以用于惯性导航、地震测量及钻井倾斜测量等。
影响石英挠性加速度计精度的各因素中，温度对加速度计的输出有着较大的影响，加速度计的标度因数的温度系数受温度影响尤为显著。现阶段解决该问题的有两个途径：通过给加速度计安装恒温装置消除温差影响，但是该方法成本较高，且增大了加速度计的体积，适用性不广；另一种办法是通过软件对加速度计进行实时温度补偿，该方法成本低，不会增大加速度计体积，具有较广的适用性，是目前加速度计主流的温度补偿方式。
采用软件石英挠性加速度计进行补偿，需要在电路上设置一温度传感器，通过温度传感器实时采集石英挠性加速度计的温度。但是实际上加速度计在不同温度下输出不同，主要是因为石英摆片本身的物理性能及其周围的磁场在不同温度下会产生变化。石英摆片是加速度计的核心部分，是直接感受加速的部件。当环境温度突然变化时候，电路板上温度传感器采集到的温度会滞后于石英摆片的温度，从而造成补偿的滞后现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法，解决现有的温度传感器采集到的温度滞后造成补偿滞后的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，包括以下步骤：
S1、晶圆基材的清洗，选用浓度为96％的浓硫酸和30％的双氧水混合溶液在100℃温度下对晶圆进行清洗，清洗时间为10min，然后用去离子水清洗干净，并用氮气吹干；
S2、晶圆正面金属层沉积，将清洗干净的晶圆正面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空，冲入氩气，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层；
S3、晶圆背面金属层沉积，将清洗干净的晶圆背面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空，冲入氩气，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层；
S4、匀胶、曝光，将晶圆进行预加热，预加热完成后使用BP212正性光刻胶对晶圆正面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理；然后对晶圆背面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理；
S5、显影，使用5wt‰的氢氧化钾水溶液对晶圆进行显影处理，将掩膜版上的图形转移到晶圆上，显影时间为30-60s；
S6、金属层腐蚀，使用碘、碘化钾、水的混合溶液对金层进行腐蚀，腐蚀时间为2-3min；使用40wt％的硝酸溶液对镍层进行腐蚀，腐蚀时间为3-4min；然后使用10wt％的的硝酸铈铵腐蚀液对铬层进行腐蚀，腐蚀时间为1-2min；
S7、基材腐蚀，使用浓度为40％的氢氟酸和40％氟化铵按1:1的比例进行混合形成腐蚀液，在70℃的温度下对晶圆进行腐蚀，得到摆片；
S8、老化，将制备完成的摆片置于真空老化炉中进行老化处理，真空度≤2×10- 3Pa，温度300℃，时间3h；
S9、存储，将老化完成后的摆片存放与干燥柜或氮气柜中备用。
优选的，所述步骤S1中，浓硫酸和双氧水的体积比为3:1。
优选的，所述步骤S2和S3中，抽真空至1×10-3Pa以下，调节氩气流量使离子束镀膜机中真空度维持在1-5Pa之间，铬层的厚度为10nm，镍层的厚度为200-250nm，金层的厚度为200nm。
优选的，所述步骤S4中，晶圆的预加热温度为90℃，加热时间为5min。
优选的，所述步骤S6中，碘：碘化钾：水＝10g：5g：100ml。
优选的，所述步骤S7中，包括以下步骤：
S71、外框、摆舌的制备，对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀，腐蚀穿整个晶圆，得到外框和摆舌，形成摆片的外形轮廓；
S72、定位凸台的制备，在经过步骤S71处理后的外框上对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀得到定位凸台，定位凸台的高度为10-20μm；
S73、挠性梁的制备，在经过步骤S71处理后的摆舌与外框之间对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀得到挠性梁，挠性梁的厚度为20-40μm；
S74、金电极制备，在经过步骤S71或S73处理后外框、挠性梁和摆舌上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对金电极的轮廓进行步骤S6处理，制备出金电极；
S75、温度传感器的制备，对经过步骤S71、S72或S73处理后的外框、摆舌、定位凸台或挠性梁上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对温度传感器的电极片轮廓进行步骤S6处理，得到金的电极片；对温度传感器的镍电阻进行步骤S6的金层腐蚀，并对镍电阻的轮廓进行步骤S6腐蚀得到镍电阻。
优选的，所述温度传感器位于外框、摆舌、挠性梁或定位凸台上，温度传感器包括呈蛇形分布的镍电阻，镍电阻的两端分布有金的电极片。
优选的，所述镍电阻的宽度为80μm，电极片为200μm×200μm的正方形。
本发明所述的一种温度加速度复合型石英摆片的制备方法的优点和积极效果是：
1、温度传感器位于外框、摆舌、挠性梁或定位凸台上，将温度传感器直接设置在摆片上，石英的摆片能够同时感受到加速度和温度信号，并且两个信号是实时同步的。控制单元以从摆片上采集到的温度信号作为依据，对加速度计进行温度补偿，从而消除当环境温度突变时造成的温度补偿滞后的问题，提高加速度计测量的精度。
2、在晶圆的表面上沉积铬层、镍层和金层，然后再通过匀胶、曝光、显影、金属层腐蚀、晶圆腐蚀的方式制备外框、摆舌、定位凸台和挠性梁，铬层、镍层和金层具有掩膜的作用，提高了加工的精度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法实施例的摆片结构示意图；
图2为本发明一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法实施例的温度传感器结构示意图。
附图标记
1、外框；2、摆舌；3、挠性梁；4、金电极；5、定位凸台；6、温度传感器；7、镍电阻；8、电极片。
具体实施方式
实施例
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法实施例的摆片结构示意图，图2为本发明一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法实施例的温度传感器结构示意图。如图所示，摆片包括外框1和摆舌2，摆舌2与外框1之间通过2个挠性梁3连接，挠性梁3位于摆舌2的一端。外框1、挠性梁3和摆舌2上设置有金电极4。外框1上设置有3个对摆舌2具有限位作用的定位凸台5，定位凸台5对摆舌2的运动具有限位的作用，避免发生摆舌2因移动位移较大导致断裂的问题。温度传感器6位于外框1、摆舌2、挠性梁3或定位凸台5上，将温度传感器6直接设置在摆片上，石英的摆片能够同时感受到加速度和温度信号，并且两个信号是实时同步的。控制单元以从摆片上采集到的温度信号作为依据，对加速度计进行温度补偿，从而消除当环境温度突变时造成的温度补偿滞后的问题，提高加速度计测量的精度。
温度传感器6为薄膜热敏电阻，薄膜热敏电阻的电阻条材料可以选用铂、银或镍等。其中镍薄膜热敏电阻制备工艺简单、灵敏度高、工作温度范围较宽，并且成本低，因此选用镍材料作为电阻条。温度传感器6包括呈蛇形分布的镍电阻7，镍电阻7的两端分布有金的电极片8。镍电阻7的宽度为80μm，电极片8为200μm×200μm的正方形。
上述温度加速器复合型石英摆片的制备方法，包括以下步骤：
S1、晶圆基材的清洗，选用浓度为96％的浓硫酸和30％的双氧水混合溶液在100℃温度下对晶圆进行清洗，清洗时间为10min，然后用去离子水清洗干净，并用氮气吹干。浓硫酸和双氧水的体积比为3:1。
S2、晶圆正面金属层沉积，将清洗干净的晶圆正面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空至1×10-3Pa以下，冲入氩气，调节氩气流量使离子束镀膜机中真空度维持在1-5Pa之间，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层。铬层、镍层和金层可以采用物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方式形成。铬层、镍层和金层对晶圆的腐蚀具有掩膜的作用，能够提高摆片的加工精度。铬层位于镍层与晶圆之间，提高镍层与晶圆之间的结合强度。铬层的厚度为10nm，镍层的厚度为200-250nm，金层的厚度为200nm。
S3、晶圆背面金属层沉积，将清洗干净的晶圆背面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空，冲入氩气，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层。
S4、匀胶、曝光，将晶圆进行预加热，预加热完成后使用BP212正性光刻胶对晶圆正面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理。晶圆的预加热温度为90℃，加热时间为5min。将掩膜版上的图形曝光到光刻胶层上。
对晶圆背面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理。晶圆背面的匀胶和曝光方法与正面相同。
S5、显影，使用5wt‰的氢氧化钾水溶液对晶圆进行显影处理，将掩膜版上的图形转移到晶圆上，显影时间为30-60s。采用氢氧化钾水溶液对光刻胶层进行腐蚀，在金属层上得到掩膜上的图形。
S6、金属层腐蚀，使用碘、碘化钾、水的混合溶液对金层进行腐蚀，碘：碘化钾：水＝10g：5g：100ml，腐蚀时间为2-3min；腐蚀掉显影后的图形的金层。使用40wt％的硝酸溶液对镍层进行腐蚀，腐蚀时间为3-4min。使用10wt％的的硝酸铈铵腐蚀液对铬层进行腐蚀，腐蚀时间为1-2min，腐蚀掉显影后的图形的铬层。
S7、基材腐蚀，使用浓度为40％的氢氟酸和40％氟化铵按1:1的比例进行混合形成腐蚀液，在70℃的温度下对晶圆进行腐蚀，得到摆片。该过程的腐蚀是对石英晶圆基材进行腐蚀贯穿或腐蚀减薄，得到所需的摆片的形状和各部件。
该腐蚀过程包括以下步骤：
S71、外框1、摆舌2的制备，采用步骤S4-S7的方法制备外框1和摆舌2，得到摆片的外形轮廓。经过匀胶、曝光、显影、金属层腐蚀、基材腐蚀等步骤在晶圆上腐蚀出摆片，并在摆片上腐蚀出贯穿摆片的C型槽，形成摆片的外框1和摆舌2，摆舌2的顶部中间腐蚀穿摆片，为制备挠性梁3准备。
S72、定位凸台5的制备，在经过步骤S71处理后得到的外框1上采用步骤S4-S7的方法制备定位凸台5，定位凸台5的高度为10-20μm。经过匀胶、曝光、显影、金属层腐蚀、基材腐蚀等步骤在外框1上制备三个定位凸台5，采用40％的氢氟酸和40％氟化铵混合腐蚀液对外框1进行减薄，得到定位凸台5。
S73、挠性梁3的制备，对经过步骤S72处理后得到的外框1与摆舌2之间采用步骤S4-S7的方法制备挠性梁3，挠性梁3的厚度为20-40μm。
S74、金电极4制备，在经过步骤S71或S73处理后得到的外框1、挠性梁3和摆舌2上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对金电极4的轮廓进行S6处理，制备出特定规格的金电极4。
S75、温度传感器6的制备，对经过步骤S71、S72或S73处理后得到的外框1、摆舌2、定位凸台5或挠性梁3上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对温度传感器6的电极片8轮廓进行步骤S6处理，得到特定规格的金的电极片8。对温度传感器6的镍电阻7进行步骤S6的金层腐蚀，并对腐蚀掉金层的镍电阻7的轮廓进行步骤S6腐蚀得到镍电阻7。完成温度传感器6的制备。
S8、老化，将制备完成的摆片置于真空老化炉中进行老化处理，真空度≤2×10- 3Pa，温度300℃，时间3h。
S9、存储，将老化完成后的摆片存放与干燥柜或氮气柜中备用。
因此，本发明采用上述温度加速度复合型石英摆片的制备方法，能够解决现有的温度传感器采集到的温度滞后造成补偿滞后的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、晶圆基材的清洗，选用浓度为96％的浓硫酸和30％的双氧水混合溶液在100℃温度下对晶圆进行清洗，清洗时间为10min，然后用去离子水清洗干净，并用氮气吹干；
S2、晶圆正面金属层沉积，将清洗干净的晶圆正面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空，冲入氩气，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层；
S3、晶圆背面金属层沉积，将清洗干净的晶圆背面朝上，放入离子束镀膜机中，抽真空，冲入氩气，首先在晶圆上沉积金属铬层，然后再沉积一层镍层，最后沉积金层；
S4、匀胶、曝光，将晶圆进行预加热，预加热完成后使用BP212正性光刻胶对晶圆正面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理；然后对晶圆背面进行匀胶处理，胶层厚度为1.5-3μm，匀胶后对其进行曝光处理；
S5、显影，使用5wt‰的氢氧化钾水溶液对晶圆进行显影处理，将掩膜版上的图形转移到晶圆上，显影时间为30-60s；
S6、金属层腐蚀，使用碘、碘化钾、水的混合溶液对金层进行腐蚀，腐蚀时间为2-3min；使用40wt％的硝酸溶液对镍层进行腐蚀，腐蚀时间为3-4min；然后使用10wt％的的硝酸铈铵腐蚀液对铬层进行腐蚀，腐蚀时间为1-2min；
S7、基材腐蚀，使用浓度为40％的氢氟酸和40％氟化铵按1:1的比例进行混合形成腐蚀液，在70℃的温度下对晶圆进行腐蚀，得到摆片；
S8、老化，将制备完成的摆片置于真空老化炉中进行老化处理，真空度≤2×10-3Pa，温度300℃，时间3h；
S9、存储，将老化完成后的摆片存放与干燥柜或氮气柜中备用。
2.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，浓硫酸和双氧水的体积比为3:1。
3.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2和S3中，抽真空至1×10-3Pa以下，调节氩气流量使离子束镀膜机中真空度维持在1-5Pa之间，铬层的厚度为10nm，镍层的厚度为200-250nm，金层的厚度为200nm。
4.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，晶圆的预加热温度为90℃，加热时间为5min。
5.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，碘：碘化钾：水＝10g：5g：100ml。
6.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中，包括以下步骤：
S71、外框、摆舌的制备，对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀，腐蚀穿整个晶圆，得到外框和摆舌，形成摆片的外形轮廓；
S72、定位凸台的制备，在经过步骤S71处理后的外框上对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀得到定位凸台，定位凸台的高度为10-20μm；
S73、挠性梁的制备，在经过步骤S71处理后的摆舌与外框之间对经过步骤S4-S6处理后的晶圆进行基材腐蚀得到挠性梁，挠性梁的厚度为20-40μm；
S74、金电极制备，在经过步骤S71或S73处理后外框、挠性梁和摆舌上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对金电极的轮廓进行步骤S6处理，制备出金电极；
S75、温度传感器的制备，对经过步骤S71、S72或S73处理后的外框、摆舌、定位凸台或挠性梁上对摆片进行步骤S4-S5处理，并对温度传感器的电极片轮廓进行步骤S6处理，得到金的电极片；对温度传感器的镍电阻进行步骤S6的金层腐蚀，并对镍电阻的轮廓进行步骤S6腐蚀得到镍电阻。
7.根据权利要求1所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述温度传感器位于外框、摆舌、挠性梁或定位凸台上，温度传感器包括呈蛇形分布的镍电阻，镍电阻的两端分布有金的电极片。
8.根据权利要求7所述的一种温度加速器复合型石英摆片的制备方法，其特征在于：所述镍电阻的宽度为80μm，电极片为200μm×200μm的正方形。
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