CN111943131B - 一体化石英振梁侧面电极的加工方法 - Google Patents

一体化石英振梁侧面电极的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一体化石英振梁侧面电极的加工方法，对石英振梁敏感结构利用喷胶和侧面光刻的方法实现了高精度不同极性侧面电极的加工，并保证了侧面电极的尺寸精度，电极与音叉三维石英结构表面的相对位置误差可控制在±1μm之内，在同一侧面上可形成不同极性的电极且加工误差控制在±2μm以内。

Description

一体化石英振梁侧面电极的加工方法
技术领域
本发属于石英敏感结构加工技术领域，具体涉及一种一体化石英振梁侧面电极加工的方法。
背景技术
石英振梁加速度计是一种采用石英晶体制作的微机械传感器件，其敏感结构即为石英振梁。石英振梁加速度计具有结构简单、成本低、重量小、功耗低、精度高等优点，自问世以来一直是世界各国关注的重点，在测绘、军工、航空航天、勘探等领域有着广泛的应用前景。
石英振梁是石英振梁加速度计的敏感元件，基本工作原理是基于石英晶体的压电效应，在驱动力的作用下，振梁叉指沿驱动轴方向产生频率稳定和幅值恒定的持续振动，存在一个加速度输入时，根据哥氏力原理，此时在叉指上会产生一个大小与输入角速率成正比、方向与驱动轴和输入轴两两正交且符合右手定则的哥氏力，哥氏力耦合到另一叉指产生位移，通过压电效应产生出电荷信号，经外电路检测并放大后用驱动信号解调，即可得到输入的加速度信号。石英振梁侧面电极是驱动整个器件工作的重要组成部分，加工精度越高，检测能力越强。
石英振梁的典型特征尺寸为：三维石英结构的整体厚度为80～450μm、振梁叉指11及振梁叉指12的宽度为50～300μm，电极21b距振梁叉指11边缘最小为10μm，振梁叉指左上侧面电极22b与振梁叉指右上侧面电极21a的间距在20～80μm之间，如图1～3所示。
石英振梁侧面电极通常采用基于微电子工艺的清洗、镀膜、光刻、等基本微细加工方法加工。在常规的石英振梁中，通常采用金属掩膜或多层掩膜、光刻、化学腐蚀方法加工出三维石英结构后，再采用遮挡镀膜或镀膜后光刻的方法加工电极图形，这种加工方法很难实现高精度的侧面电极加工。例如在国防科学技术大学申请的专利“基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法”(中国专利，专利号CN101363731A)中，采用了金属掩膜、化学腐蚀方法加工出石英结构后，再通过掩模蒸镀方式制备侧面电极。
相对于常规的表面电极加工，高精度三维复杂侧面电极图形加工存在的难点如下：
根据电极在石英振梁三维石英结构中的相对位置，电极可分为表面电极、侧面电极及电极引线，位于振梁叉指11的上下表面的电极属于表面电极，位于叉指侧壁表面的电极属于侧面电极，其余部分属于电极引线。高精度三维复杂电极图形加工的难点具体体现为：振梁叉指侧面需同时加工上下左右均存在断开的相邻电极，例如，振梁叉指左上侧面电极22b与振梁叉指右上侧面电极21a之间的间距控制在20～80μm之间，右下侧面电极22a与振梁叉指左上侧面电极22b之间的间距控制在5-20μm之间。为满足要求，侧面电极的加工误差需控制在±2μm以内。
在上述中国专利CN101363731A中，通过掩模蒸镀方式制备电极掩模与音叉结构的机械对准固定误差很难控制在±5μm之内，同时，由于电极掩模和音叉结构存在的间隙导致的弥散会进一步恶化尺寸精度。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种微机械石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，能实现高精度三维石英结构侧面电极加工。
为解决上述技术问题，本发明采取技术方案是：
一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，将石英晶片进行化学腐蚀加工抛光，使石英晶片厚度误差范围在±0.5μm之间；
步骤2，在进行化学腐蚀后的石英晶片的正反面依次镀铬(Cr)、金(Au)膜，形成Cr/Au掩膜；
步骤3，采用光刻的方法形成音叉整体结构的光刻胶掩膜图形，并进行Cr/Au腐蚀，将图形转移至Cr/Au膜上；
步骤4，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成石英振梁敏感结构，去除石英晶片表面所有金属膜；
步骤5，对已经镂空的石英晶片所有表面镀制铬(Cr)、金(Au)膜；
步骤6，采用喷胶的方式，在已有石英结构的石英晶片所有表面的铬(Cr)、金(Au)膜上涂均匀的光刻胶；
步骤7，对石英结构上下表面的CrAu膜进行光刻曝光，暂不显影；
步骤8，将光刻机中垂直入射的紫外光线偏转8°，使用角度补偿后的光刻板为掩膜，对石英结构侧面光刻胶进行选择性曝光；
步骤9，对两次曝光后的石英晶片进行显影，形成极性不同的光刻胶电极图案，利用光刻胶为掩膜对所有表面的Cr/Au膜进行腐蚀加工，获得石英振梁的Cr/Au表面电极和侧面电极。
进一步地，所述步骤1选用稀释的氢氟酸腐蚀液作为化学腐蚀剂，通过调整腐蚀液的浓度，溶液温度，使其腐蚀速率在0.1微米每分钟左右。
进一步地，对化学腐蚀加工抛光后的石英晶片进行标准清洗，具体方法为：采用体积比4:1的浓硫酸和双氧水配置的清洗液加热煮沸10分钟，再用丙酮、酒精依次超声清洗10分钟，然后用去离子水依次超声清洗10分钟、兆声清洗10分钟。
进一步地，所述步骤4采用Cr/Au作掩膜，在体积比HF：NH4F＝2:3的石英腐蚀液中，其中，氢氟酸溶液的浓度为40％，氟化铵溶液浓度为50％，腐蚀温度为80℃，获得振梁结构。
进一步地，所述步骤5采用磁控溅射无方向性镀膜方式。
进一步地，所述步骤6中，石英晶片表面上涂光刻胶时采用喷胶方式，光刻胶的厚度至少为6μm。
与现有技术对比，本发明具有以下突出优点和效果：
本发明利用喷胶和侧面光刻的方法实现了高精度不同极性侧面电极的加工，并保证了侧面电极的尺寸精度，和现有遮挡镀膜的加工方式相比，工艺流程明显简化，成本降低，加工精度也大幅提高，电极与音叉三维石英结构表面的相对位置误差可控制在±1μm之内，在同一侧面上可形成不同极性的电极且加工误差控制在±2μm以内。
附图说明
图1为石英振梁示意图；
图2为石英振梁叉指结构上布置电极的三维结构示意图；
图3为石英振梁叉指结构的截面示意图；
图4为本发明实施例中的在石英晶片表面形成Cr/Au膜层示意图；
图5为本发明实施例中的在石英晶片正反Cr/Au膜的表面涂上光刻胶示意图；
图6为本发明实施例中的对石英晶片进行化学腐蚀形成振梁结构示意图；
图7为本发明实施例中的对加工后的石英结构所有表面依次镀Cr/Au膜后的示意图；
图8为本发明实施例中的对图7所示石英晶片所有Cr/Au膜表面喷涂光刻胶后的示意图；
图9为本发明实施例中的对喷胶后的石英基片进行标准光刻工艺后的示意图；
图10为本发明实施例中的对石英结构侧面光刻示意图；
图11为本发明实施例获得石英振梁的Cr/Au表面电极和侧面电极示意图。
图中：1.石英晶片；11,12.振梁叉指；2.Cr/Au膜；21a,21b,22a,22b.Cr/Au电极；3.光刻胶膜
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步描述。
一体化石英振梁侧面电极的加工方法，具体包括如下步骤：
第一步，将图4所示的石英晶片1进行化学腐蚀加工抛光，使石英晶片1厚度误差范围在±0.5微米之间。选用稀释的氢氟酸腐蚀液作为化学腐蚀剂，通过调整腐蚀液的浓度，溶液温度，使其腐蚀速率在0.1微米每分钟左右，以提高腐蚀平整度。将初始厚度为242微米的石英晶片放入氢氟酸腐蚀液，腐蚀10分钟，使石英晶片厚度达到240微米。加工完成后对石英晶片进行标准清洗过程，如采用浓硫酸和双氧水(体积比4:1)配置的清洗液加热煮沸10分钟，再用丙酮、酒精依次超声清洗10分钟，然后用去离子水依次超声清洗10分钟、兆声清洗10分钟。
第二步，在石英结构表面依次镀铬(Cr)、金(Au)膜，形成Cr/Au膜层2(如图4所示)，Cr膜厚为50纳米，Au膜厚为200纳米。
第三步，采用光刻的方法，利用光刻胶为保护层形成振梁结构的Cr/Au膜层图形。如图5所示，采用双面光刻的方法，首先在石英晶片1正反Cr/Au膜的表面涂上一层均匀的光刻胶3，然后曝光、显影依次腐蚀Au、Cr获得振梁结构Cr/Au膜图形。
第四步，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成振梁结构。图6所示，采用Cr/Au作掩膜，在体积比HF：NH4F＝2:3的石英腐蚀液中，其中，氢氟酸溶液的浓度为40％，氟化铵溶液浓度为50％，腐蚀温度为80℃的条件下，腐蚀13小时，获得振梁结构。然后采用湿法腐蚀的方式去除石英结构表面所有Cr/Au膜。
第五步，对加工后的石英晶片再次进行标准清洗过程，如采用浓硫酸和双氧水(体积比4:1)配置的清洗液加热煮沸10分钟，再用丙酮、酒精依次超声清洗10分钟，然后用去离子水依次超声清洗10分钟、兆声清洗10分钟。然后采用磁控溅射等方式再次在石英结构所有表面依次镀Cr/Au膜，形成Cr/Au膜层2，Cr膜厚为50纳米，Au膜厚为200纳米，如图7所示。
第六步，采用喷胶的方式，在已有石英结构的石英晶片所有Cr/Au膜表面上喷涂均匀的光刻胶，光刻胶可采用AZ1500系列，用稀释剂稀释10倍，喷胶厚度为6um，如图8所示。
第七步，对喷胶后的石英基片进行标准光刻工艺，但暂时不要进行显影；曝光计量为400焦耳，如图9所示。
第八步，将光刻机中垂直入射的紫外光线偏转8°，使用角度补偿后的光刻板为掩膜，对石英结构侧面光刻胶进行选择性曝光，如图10所示。
第九步，对两次曝光后的石英晶片进行同时显影，形成极性不同的光刻胶电极图案，利用光刻胶为掩膜对所有表面的Cr/Au膜进行腐蚀加工，获得石英振梁的Cr/Au表面电极和侧面电极，如图11所示。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将石英晶片进行化学腐蚀加工抛光，使石英晶片厚度误差范围在±0.5μm之间；
步骤2，在进行化学腐蚀后的石英晶片的正反面依次镀铬Cr、金Au膜，形成Cr/Au掩膜；
步骤3，采用光刻的方法形成音叉整体结构的光刻胶掩膜图形，并进行Cr/Au腐蚀，将图形转移至Cr/Au膜上；
步骤4，对经过上述步骤处理的石英晶片进行化学腐蚀，形成石英振梁敏感结构，去除石英晶片表面所有金属膜；
步骤5，对已经镂空的石英晶片所有表面镀制铬Cr、金Au膜；
步骤6，采用喷胶的方式，在已有石英结构的石英晶片所有表面的铬Cr、金Au膜上涂均匀的光刻胶；
步骤7，对石英结构上下表面的CrAu膜进行光刻曝光，暂不显影；
步骤8，将光刻机中垂直入射的紫外光线偏转8°，使用角度补偿后的光刻板为掩膜，对石英结构侧面光刻胶进行选择性曝光；
步骤9，对两次曝光后的石英晶片进行显影，形成极性不同的光刻胶电极图案，利用光刻胶为掩膜对所有表面的Cr/Au膜进行腐蚀加工，获得石英振梁的Cr/Au表面电极和侧面电极。
2.如权利要求1所述的一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，所述步骤1选用稀释的氢氟酸腐蚀液作为化学腐蚀剂，通过调整腐蚀液的浓度，溶液温度，使其腐蚀速率在0.1微米每分钟。
3.如权利要求1所述的一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，对化学腐蚀加工抛光后的石英晶片进行标准清洗，具体方法为：采用体积比4:1的浓硫酸和双氧水配置的清洗液加热煮沸10分钟，再用丙酮、酒精依次超声清洗10分钟，然后用去离子水依次超声清洗10分钟、兆声清洗10分钟。
4.如权利要求1所述的一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，所述步骤4采用Cr/Au作掩膜，在体积比HF：NH4F＝2:3的石英腐蚀液中，其中，氢氟酸溶液的浓度为40％，氟化铵溶液浓度为50％，腐蚀温度为80℃，获得振梁结构。
5.如权利要求1所述的一种一体化石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，所述步骤5采用磁控溅射无方向性镀膜方式。
6.如权利要求1所述的一种石英振梁敏感结构侧面电极的加工方法，其特征在于，所述步骤6中，石英晶片表面上涂光刻胶时采用喷胶方式，光刻胶的厚度至少为6μm。
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