CN112748648A - 一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法，对准标记为配套使用的一套二维图形，包括内部对准标记和外部对准标记，内部对准标记与石英微机械三维结构通过一次光刻转移到石英晶片上同时进行湿法腐蚀，对准时通过移动晶片实现第二次套准掩膜版上外部对准标记与石英晶片内部对准标记的中心对准。所述对准标记的特征在于：对准标记图形的边对应特定的晶面布局，所选
Figure DDA0002852773580000011
六个晶面在湿法腐蚀过程中腐蚀速率相同，因此可以达到腐蚀后对准标记形状不变的加工效果，尺寸设计可根据实际腐蚀速率和镜头视野范围调整。

Description

一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法，提供了一种湿法腐蚀后不发生形变、避免对准失效的对准标记设计方法和对准方法，尤其适用于石英微机械三维结构长时间湿法腐蚀后的对准操作。
背景技术
石英单晶具有优良的温度特性、化学稳定性、机械弹性和高品质因数，在MEMS领域的各种行业有广泛的应用。石英单晶的刻蚀工艺中，化学湿法腐蚀具有批量制造、成本低的特点，是目前应用最广泛的石英刻蚀工艺。同时石英单晶Z向湿法腐蚀速率较高，石英微机械三维结构加工一般采用Z切石英单晶。石英晶体具有复杂的晶向，侧壁腐蚀形貌随着晶向、方向角、腐蚀时间等发生变化，不易加工出理想陡直的矩形截面，双向腐蚀时会在侧面形成晶棱。为加工出较为陡直的腐蚀侧壁，可以适当延长腐蚀时间，进行腐蚀侧壁形貌的修直，但这种加工方式会导致部分对准标记形状严重破坏，失去对准效力。
MEMS石英微机械三维结构的加工工艺中，加工精度一般都是微米量级，套刻对准是保障加工精度的关键环节。以光刻技术中的应用为例，光刻技术是微机械加工中的关键工艺，通过曝光的方式将掩膜上的图形转移到涂覆有光刻胶的晶片上，然后通过显影、刻蚀等工艺实现图形转移。相较于精度较高的IC工艺，MEMS石英微机械三维结构的加工工艺中，光刻设备的自动化程度较低，需要通过操作人员手动进行对准，光刻对准精度可控性差，若再引入对准标记形变的误差，光刻工艺的精度将难以保障。此外还有其他需要对准的工艺步骤，精确可靠的套刻对准可以有效保障工艺的精度和可控性，因此，有必要对对准标记的图形进行研究设计，达到稳定的保型效果和对准精度，来提高MEMS石英微机械三维结构的加工精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：解决石英湿法腐蚀后对准标记发生形变失去对准效力，提高石英微机械三维结构加工精度和工艺可控性，提出一种用于MEMS石英微机械三维结构湿法腐蚀后对准的对准标记设计和对准方法。
本发明解决技术的方案是：
一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法，该方法的步骤包括：
根据石英晶面方向，设计两块掩膜版，其中第一次光刻掩膜版上设计结构版图和内部对准标记结构；第二次套准掩膜版上设计电极版图以及外部对准标记结构；所述外部对准标记结构位置处于内部对准标记结构外围区域，所述内部对准标记结构为
Figure BDA0002852773560000021
六个晶面中任意晶面组合形成的封闭图形；
利用第一次光刻掩膜版进行一次光刻，将结构版图和内部对准标记结构转移到涂覆光刻胶的石英晶片表面，并进行显影；
对显影后的石英晶片进行化学腐蚀，腐蚀石英微机械结构和内部对准标记结构；
移动化学腐蚀后带有石英微机械结构的石英晶片，将第二次套准掩膜版上的外部对准标记结构与石英晶片上的内部对准标记结构进行对准，进行二次光刻或者金属蒸镀、溅射工艺，将第二次套准掩膜版上的电极结构版图转移到已经腐蚀出石英微机械结构的晶片表面，获得带表面电极的石英微机械三维结构。
优选的，所述的外部对准标记结构形状与内部对准标记结构形状相同。
优选的，将内部对准标记结构按照多封闭图形组合的方式进行分组，所述外部对准标记结构形状与组合后的封闭图形外形相同。
优选的，所述的对准即当外部对准标记结构与内部对准标记结构的中心重合，表明晶片上石英微机械结构和第二次套准掩膜版上电极版图水平、垂直位置实现对准。
优选的，所述的内部对准标记结构为第一次光刻掩膜版上金属层构成的镂空或实心图案。
二次光刻、或者金属蒸镀、溅射工艺中，外部对准标记结构为第二次套准掩膜版上金属层构成的镂空图案。
优选的，第一次光刻掩膜版上的结构版图为石英微机械结构图，第二次套准掩膜版上的电极版图为图案化电极结构。
优选的，对准标记结构为任意多个腐蚀速率相同的晶面组成的封闭图形或封闭图形的组合。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明所述的对准标记结构简单、操作方便，在长时间的湿法腐蚀后仍具有良好的保型效果，能够有效提升石英微机械三维结构对准精度。
本发明的对准标记为配套使用的对准标记，在石英湿法腐蚀工艺后对准标记图形边的晶向不变，具有良好的保型效果。
本发明的对准标记结构可用于单、双面光刻的套刻加工，还可以用于遮蔽掩膜的对准。
本发明的对准标记可以提高加工工艺的精度，并进一步提高工艺链的可控性。
附图说明
图1为第一种对准标记结构的实施例示意图；
图2为第一种对准标记结构的内部对准标记示意图；
图3为第一种对准标记结构的外部对准标记示意图；
图4为第二种对准标记结构的实施例示意图；
图5为第二种对准标记结构的内部对准标记示意图；
图6为第二种对准标记结构的外部对准标记示意图；
图7为第三种两类(31和32)相同效力对准标记结构的实施例示意图；
图8为第三种两类(31-1和32-1)相同效力对准标记结构的内部对准标记示意图；
图9为第三种两类(31-2和32-2)相同效力对准标记结构的外部对准标记示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法，提供了一种湿法腐蚀后不发生形变、避免对准失效的对准标记设计方法和对准方法。所述对准标记为配套使用的一套二维图形，包括内部对准标记结构和外部对准标记结构，外部对准标记结构位置处于内部对准标记外围区域。具体为根据石英晶面方向，设计两块掩膜版，其中一次光刻掩膜版上设计结构版图和内部对准标记结构；第二次套准掩膜版上设计电极版图以及外部对准标记结构；内部对准标记结构和外部对准标记结构的边由特定晶面确定。内、外部对准标记以
Figure BDA0002852773560000041
Figure BDA0002852773560000042
晶面为基准，构建出形状不受湿法腐蚀影响的图形，即由上述六个晶面中任意晶面组合形成的封闭图形。所选
Figure BDA0002852773560000043
六个晶面在湿法腐蚀过程中腐蚀速率相同，因此可以达到腐蚀后对准标记形状不变的加工效果，尺寸设计可根据实际腐蚀速率和镜头视野范围调整。
内部对准标记结构和石英微机械结构版图通过一次光刻转移到石英晶片上，然后在化学腐蚀工艺环节同时进行湿法腐蚀，形成三维立体结构。二次对准时，通过移动晶片实现晶片上腐蚀出的内部对准标记和第二次套准掩膜版上镂空外部对准标记的中心重合对准，代表石英微机械三维结构和第二次套准掩膜版上的图案化电极结构在水平和垂直位置实现对准。
其应用包括如下步骤：
光刻步骤：在镀有Cr/Au膜的石英晶片上涂覆光刻胶；对涂胶后的石英晶片实现曝光，将一次光刻掩膜版上的结构版图和内部对准标记结构转移到已经涂覆光刻胶的晶片表面；对曝光后的石英晶片进行显影步骤。
化学腐蚀步骤：采用光刻胶作为掩膜，腐蚀Cr/Au膜；以Cr/Au膜作为掩膜进行石英微机械三维结构和内部对准标记图案的湿法腐蚀。
二次对准步骤：通过移动晶片，实现内外对准标记的对准，进行二次光刻或金属溅射、蒸镀等工艺，将二次套准的版图转移到已经腐蚀出石英微机械三维结构的晶片表面。
实施例1
实施例1中以湿法腐蚀后光刻步骤的套刻对准为例，但此方法也适用于金属蒸镀、溅射等工艺进行图案化电极制备的操作。实施例以第一种六条边分别对应六个相同腐蚀速率晶面的对准标记图案作为实例，其他对准标记实施例，是在这六个晶面基础上的组合变形，设计思路相同，可根据实际适用尺寸和条件进行选择设计。
采用对准标记实施例如图1所示，进行石英微机械三维结构湿法腐蚀后光刻步骤的套刻对准：
一次光刻：第一步，开启匀胶机，利用旋涂方式在镀有Cr/Au膜的石英晶片上涂覆光刻胶，将涂好一面光刻胶的石英晶片进行前烘。第二步，晶片翻面，对未涂胶面重复第一步。第三步，对涂胶后的石英晶片实现双面曝光，将一次光刻掩膜版上的结构版图和内部对准标记结构(图2所示)转移到已经涂覆光刻胶的石英晶片表面，曝光时间取决于光刻胶所需的曝光能量。第四步，对曝光后的石英晶片进行显影。
化学腐蚀步骤：第一步，采用光刻胶作为掩膜，利用硝酸：盐酸＝1:3的比例配制王水，稀释比例为0.5～0.8，腐蚀Au膜。第二步，按照硝酸铈铵：去离子水＝0.04～0.07的质量比配制溶液腐蚀Cr膜。第三步，配制氟化铵：氢氟酸：去离子水的配比的溶液，以Cr/Au膜作为掩膜进行石英微机械三维结构和内部对准标记结构的湿法腐蚀。第四步，将石英晶片放入去膜剂中，去除表面光刻胶。
二次对准步骤：第一步，将光刻胶喷涂到石英晶片表面，将涂好一面光刻胶的石英晶片进行前烘。第二步，晶片翻面，对未涂胶面重复第一步。第三步，开启光刻机，放好第二次光刻掩膜版、石英晶片，通过移动晶片，将石英晶片上图2所示的内部对准标记11和第二次光刻掩膜版上如图3所示的外部对准标记12中心重合完成套刻对准，具体对准实例如图1所示，并对喷胶后的石英晶片进行二次曝光，将二次光刻的图案化电极版图转移到已经腐蚀出石英微机械三维结构的石英晶片表面。第四步，对曝光后的石英晶片进行显影。第五步，重复化学腐蚀步骤第一步内容，在石英微机械三维结构表面形成图案化电极结构。第六步，将石英晶片放入去膜剂中，去除表面光刻胶。最后，获得带表面电极的石英微机械三维结构，并实现对微机械三维结构和表面电极之间相对位置的可靠精度控制。
实施例2
当采用金属溅射、蒸镀作为第二次图案化电极的制备工艺时，根据掩膜版的加工工艺限制，考虑加工精度和观察对准标记尺寸的视野，采用多封闭图形结合的方式设计内部对准标记和外部对准标记，例如图5中内部对准标记结构为两个顶点相反的三角形结构21/22，对应的第二次套准掩膜版上外部对准标记为如图6所示的镂空菱形23，对准时如图4所示。
对准步骤：
一次光刻：如实施例1，一次光刻步骤；
化学腐蚀步骤：如实施例1化学腐蚀步骤；
二次对准步骤：第一步，通过移动石英晶片实现带石英微机械三维结构晶片上内部对准标记图5中21/22和第二次套准掩膜版上外部对准标记图6中23的对准，实际对准如图4所示。第二步，开启溅射、蒸镀仪器，实现第二次套准掩膜版上电极版图到石英晶片的转移，由于初始的对准，制备出的金属电极和石英微机械三维结构具备对准效果。
实施例3
根据腐蚀时间不同，可以
Figure BDA0002852773560000071
Figure BDA0002852773560000072
六个晶面为基准，自由组合优化设计具有最佳保型效果的对准标记结构。如当腐蚀时间较短时采用正三角形作为对准标记结构具有更佳的保型效果，实施例如图7-31、7-32所示，这两种方向相反的三角形结构理论上具有相同的保型效果，可根据实际应用条件选择。
采用对准标记实施例如图7所示，进行石英微机械三维结构湿法腐蚀后光刻步骤的套刻对准：
一次光刻：如实施例1，一次光刻步骤；
化学腐蚀步骤：如实施例1化学腐蚀步骤；
二次对准步骤：第一步，将光刻胶喷涂到石英晶片表面，将涂好一面光刻胶的石英晶片进行前烘。第二步，晶片翻面，对未涂胶面重复第一步。第三步，开启光刻机，放好第二次光刻掩膜版、石英晶片，通过移动晶片，将石英晶片上图8所示的内部对准标记31-1或32-1和第二次光刻掩膜版上如图9所示的外部对准标记31-2或32-2中心重合完成套刻对准，具体对准实例如图7-31或7-32所示，并对喷胶后的石英晶片进行二次曝光，将二次光刻的图案化电极版图转移到已经腐蚀出石英微机械三维结构的石英晶片表面。第四步，对曝光后的石英晶片进行显影。第五步，重复化学腐蚀步骤第一步内容，在石英微机械三维结构表面形成图案化电极结构。第六步，将石英晶片放入去膜剂中，去除表面光刻胶。最后，获得带表面电极的石英微机械三维结构，并实现对微机械三维结构和表面电极之间相对位置的可靠精度控制。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (7)

1.一种用于提升石英微机械三维结构对准精度的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
根据石英晶面方向，设计两块掩膜版，其中第一次光刻掩膜版上设计结构版图和内部对准标记结构；第二次套准掩膜版上设计电极版图以及外部对准标记结构；所述外部对准标记结构位置处于内部对准标记结构外围区域，所述内部对准标记结构为
Figure FDA0002852773550000011
六个晶面中任意晶面组合形成的封闭图形；
利用第一次光刻掩膜版进行一次光刻，将结构版图和内部对准标记结构转移到涂覆光刻胶的石英晶片表面，并进行显影；
对显影后的石英晶片进行化学腐蚀，腐蚀石英微机械结构和内部对准标记结构；
移动化学腐蚀后带有石英微机械结构的石英晶片，将第二次套准掩膜版上的外部对准标记结构与石英晶片上的内部对准标记结构进行对准，进行二次光刻或者金属蒸镀、溅射工艺，将第二次套准掩膜版上的电极结构版图转移到已经腐蚀出石英微机械结构的晶片表面，获得带表面电极的石英微机械三维结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的外部对准标记结构形状与内部对准标记结构形状相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将内部对准标记结构按照多封闭图形组合的方式进行分组，所述外部对准标记结构形状与组合后的封闭图形外形相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的对准即当外部对准标记结构与内部对准标记结构的中心重合，表明晶片上石英微机械结构和第二次套准掩膜版上电极版图水平、垂直位置实现对准。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的内部对准标记结构为第一次光刻掩膜版上金属层构成的镂空或实心图案。
二次光刻、或者金属蒸镀、溅射工艺中，外部对准标记结构为第二次套准掩膜版上金属层构成的镂空图案。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一次光刻掩膜版上的结构版图为石英微机械结构图，第二次套准掩膜版上的电极版图为图案化电极结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对准标记结构为任意多个腐蚀速率相同的晶面组成的封闭图形或封闭图形的组合。
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