CN116374947B - 一种熔石英悬臂梁-质量块结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子机械系统微加工技术领域，本发明公开一种熔石英悬臂梁‑质量块结构及其加工方法。加工方法包括以下步骤：根据悬臂梁‑质量块结构的图形，采用超快激光切割加工熔石英基片，在熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道；清洗熔石英基片、制备熔石英刻蚀掩膜层；光刻悬臂梁区域露出熔石英刻蚀掩膜层；去除悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片；刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片形成悬臂梁；去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层；使用刻蚀液刻蚀熔石英基片，分离质量块与边框。制得的熔石英悬臂梁‑质量块结构，其悬臂梁薄且侧壁陡直，可满足质量块与边框之间的间隙高深宽的加工需求。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种熔石英悬臂梁-质量块结构及其加工方法。
背景技术
微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）传感器具有体积小、功耗低、易于集成的优点，广泛的应用于工业监测、航空航天和国防武器等领域中。熔融石英（熔石英）是一种绝缘材料，可避免半导体材料的载流子效应，抗辐照能力强，具有高的化学稳定性，并具有优良的温度、机械性能，高的品质因数。利用熔石英制作的传感器具有优异的性能，如石英挠性加速度计是目前小型化的加速度计中测量精度最高的，已经在航空航天和国防武器中服役数十年。将熔石英材料用于微传感器中，发挥石英材料的高稳定性，有利于提高微传感器的性能。但由于熔石英的化学稳定性，导致其很难加工。
目前，熔石英材料的加工还主要采用精密机械制造的方法，精密机械制造的方法加工的熔石英结构体积尺寸较大，很难适用于MEMS微结构的加工，例如：MEMS传感器中的悬臂梁-质量块结构的悬臂梁厚度只有几十微米，精密机械制造的方法无法获得。
目前，可用于熔石英的MEMS加工方法主要有三种：干法刻蚀、湿法刻蚀和超快激光加工。干法刻蚀深宽比高，但效率低，且掩膜困难，适用于较浅结构的加工，很难完成石英悬臂梁-质量块三维结构的加工。湿法刻蚀能够实现光滑薄梁，但侧壁不陡直，且由于熔石英的各向同性刻蚀特性，深宽比不高（＜1:1），质量块跟边框的间距较大，导致整个器件的面积较大。超快激光加工是最近几年发展起来一种新技术，能够实现侧壁陡直的结构，已经在透明介质加工方面得到了广泛应用，但超快激光加工一般用于打孔、划片，很难获得光滑薄梁结构，如悬臂梁-质量块结构中的悬臂梁。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法以及通过该加工方法得到的悬臂梁-质量块结构。
一方面，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，该悬臂梁-质量块结构包括悬臂梁、质量块和边框。该加工方法包括以下步骤：
S01：根据悬臂梁-质量块结构的图形，采用超快激光切割加工熔石英基片，在熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道；
S02：清洗熔石英基片，在熔石英基片正反两面制备熔石英刻蚀掩膜层；
S03：在熔石英刻蚀掩膜层上涂覆光刻胶，光刻所述悬臂梁区域露出熔石英刻蚀掩膜层；
S04：去除悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片；
S05：使用刻蚀液刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片形成悬臂梁；
S06：去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层；
S07：使用刻蚀液刻蚀熔石英基片，使得贯穿的切割通道的宽度变大，分离所述质量块与边框。
优选地，切割通道的宽度小于5μm。
优选地，熔石英刻蚀掩膜层为氮化硅膜、多晶硅、非晶硅、Cr/Au膜或Cr/Au/Cr/Au膜中的任意一种。
优选地，S02步骤中采用体积比为硫酸：双氧水=4:1的混合溶液清洗熔石英基片。
优选地，S04步骤中采用腐蚀溶液去除熔石英刻蚀掩膜层。
优选地，刻蚀液为HF溶液或氟化氢铵溶液。
特别地，步骤S07中，刻蚀液采用浓度为49%的HF溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀熔石英基片15~25分钟。
另一方面，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构，采用前述第一方面的加工方法制成。
特别地，边框与质量块之间的间隙的深宽比大于20:1。
特别地，质量块与边框的厚度相等。
本发明的特点及优点包括：
采用本发明的悬臂梁-质量块结构的加工方法，能够使单个悬臂梁-质量块结构的面积做小，可节省石英基片的用料，节约成本。
采用本发明的加工方法制成的悬臂梁-质量块结构，不仅质量块与边框的侧壁陡直，悬臂梁薄且侧壁陡直，而且质量块与边框之间的间隙的深宽比可根据加工需求随意调整，间隙的深宽比可做到大于20:1，可满足质量块与边框之间的间隙高深宽的加工需求。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为悬臂梁-质量块结构的结构示意图；
图2为图1中A-A方向剖视示意图；
图3A~图3G为本发明的加工流程示意图；
图3H是图3A的俯视示意图。
附图标记说明：
20-悬臂梁-质量块结构，21-边框，22-空腔，23-质量块，24-悬臂梁，30-熔石英基片，31-切割通道，32-内侧区域，33-外侧区域，40-熔石英刻蚀掩膜层，50-光刻胶。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
参见图1和图2，MEMS传感器中的悬臂梁-质量块结构20包括边框21、悬臂梁24和质量块23，悬臂梁24的一端与边框21连接，另一端与质量块23连接；质量块23与边框21之间通过空腔22分离。其中，边框21和质量块23的形状可以为任意形状，根据加工需求而定。例如，边框21的形状为矩形，质量块23的形状为矩形、椭圆形、扇形或圆形等。悬臂梁24的厚度通常只有几十微米，其厚度远小于质量块23和边框21的厚度。悬臂梁24可被构造悬臂直梁、折叠梁、螺旋梁等，形式不限。在数量上，可以设置单个或多个悬臂梁24用于支撑质量块23。参见图1、图2，本发明以悬臂梁24具体为单悬臂直梁为例进行说明。
本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其为融合超快激光加工和湿法刻蚀的复合加工方法。先采用超快激光加工熔石英基片，在熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道；再在熔石英基片上的正反两面制备熔石英刻蚀掩膜层；然后光刻悬臂梁区域、湿法刻蚀悬臂梁区域以得到光滑薄梁；最后分离质量块与边框。
熔石英基片30的厚度为400~1000um，尺寸可以为2.5寸、8寸、12寸或其它尺寸。下面以采用厚度为400um的熔石英基片30为例进行具体描述。具体地，参考图3A~图3H，本发明提供的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法包括以下步骤：
S01：参考图3A和图3H，根据悬臂梁-质量块结构图形，采用超快激光加工熔石英基片30，在熔石英基片30上形成上下贯穿的切割通道31；其中，上下贯穿是指自熔石英基片30的上表面贯穿至熔石英基片30的下表面；切割通道31的形状根据加工需求而定，最终用于分离质量块与边框，将质量块释放成可动结构，使得质量块在加速度作用下可相对边框移动。在图3A和图3H所示的实施例中，切割通道31为闭合的环形通道，切割通道31将熔石英基片30分成内侧区域32和外侧区域33，其中，内侧区域32为待去除区域（待去除块），外侧区域33为保留区域，外侧区域33包括悬臂梁-质量块结构的边框21、悬臂梁24和质量块23。在另一些实施例中，切割通道31也可以非闭合的环形通道，例如，切割通道31仅包绕质量块23和悬臂梁24，切割通道31未限定待去除区域（待去除块）。在一些实施例中，采用超快激光切割厚度为400μm的熔石英基片30，切割后形成上下贯穿的切割通道31，切割缝隙较小（狭缝），切割通道31的宽度尺寸小于5μm。采用超快激光切割熔石英基片30，其切割效率高，且形成的切割通道31的宽度窄且切割面陡直。采用超快激光切割熔石英基片30形成上下贯穿的切割通道31后，切割通道31两侧的熔石英基片未完全分离，即内侧区域32与外侧区域33未完全分离。
S02：参考图3B，清洗熔石英基片30后，在熔石英基片30正反两面制备熔石英刻蚀掩膜层40；熔石英刻蚀掩膜层40起隔离保护作用，覆盖有熔石英刻蚀掩膜层40的熔石英可避免被刻蚀液腐蚀。其中，熔石英刻蚀掩膜层40的厚度为0.2~1μm，优选0.5μm。熔石英刻蚀掩膜层40可以为氮化硅膜、多晶硅、非晶硅、Cr/Au膜或Cr/Au/Cr/Au膜中的任意一种。例如，采用硫酸：双氧水体积比为4:1的混合溶液清洗熔石英基片后，在熔石英基片正反两面依次镀铬(Cr)、金(Au)膜，制备Cr/Au膜。
S03：参考图3C，采用双面光刻的方法，先在熔石英刻蚀掩膜层40上涂覆光刻胶50，再光刻悬臂梁区域以露出悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层40，形成符合加工需求的光刻图形（例如形成待加工的悬臂梁）。其中，光刻胶50的厚度为3~10μm，优选7μm。例如：在Cr/Au膜上涂覆7μm的光刻胶后，再曝光、显影，用紫外光使光刻胶的一部分酰亚胺化形成符合加工需求的光刻图形。
S04：参考图3D，利用光刻胶为保护层，去除悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层暴露出悬臂梁区域的熔石英基片，形成刻蚀图形区域（暴露出的熔石英图形区域）。具体地，采用可腐蚀S02步骤中的熔石英刻蚀掩膜层40的腐蚀溶液去除熔石英刻蚀掩膜层40，例如：当S02步骤中的熔石英刻蚀掩膜层40为Cr/Au膜时，采用金、铬腐蚀溶液依次腐蚀Au膜、Cr膜，去除光刻后露出的Cr/Au膜。
S05：参考图3E，使用刻蚀液刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片（暴露出的熔石英图形区域）形成符合加工需求的悬臂梁24。刻蚀液可以采用HF溶液、氟化氢铵溶液或含HF的腐蚀液体。例如：采用浓度为49%HF溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀暴露出的熔石英基片5小时，将悬臂梁区域的熔石英基片的厚度从400μm减薄至50μm。
S06：参考图3F，去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片。具体地，先去除熔石英基片上的光刻胶，再采用金、铬腐蚀溶液依次腐蚀Au膜、Cr膜，将整个熔石英基片全部暴露出来。
S07：参考图3G，使用刻蚀液刻蚀熔石英基片30，增加切割通道31的宽度，使得切割通道31内侧区域32的熔石英基片与切割通道31外侧区域33的熔石英基片完全分离，待去除区域从熔石英基片30上脱落，实现质量块23与边框21分离，最终形成悬臂梁-质量块结构。刻蚀液可以采用HF溶液、氟化氢铵溶液或含HF的腐蚀液体。例如：采用浓度为49%HF溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀熔石英基片15~25分钟，切割通道31内侧区域32的熔石英基片与切割通道31外侧区域33的熔石英基片已完全分离，则可将质量块23与边框21分离。
通过上述方法加工400μm的熔石英基片，获得的熔石英悬臂梁-质量块结构，其质量块23与边框21之间的间隙的深宽比为20:1~25:1。
本发明的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，先采用超快激光切割加工熔石英基片30形成上下贯穿的切割通道31，再采用刻蚀液刻蚀熔石英基片30。在湿法刻蚀过程中，先制备熔石英刻蚀掩膜层40保护切割通道31；然后，采用刻蚀液刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片形成薄而光滑的悬臂梁24；最后，在全部去除熔石英刻蚀掩膜层40后，再次采用刻蚀液刻蚀熔石英基片，将切割通道31变宽，从而将质量块23与边框21分离，形成符合加工需求的熔石英悬臂梁-质量块结构。
采用超快激光切割熔石英基片形成的切割通道为间隙很小的狭缝，且侧壁陡直。在刻蚀液的腐蚀作用下，切割通道可在较短时间内扩宽至使位于切割通道两侧的熔石英基片分离。另外，在步骤S05中，虽然，湿法刻蚀形成悬臂梁24所需的时间很长，但由于在刻蚀悬臂梁24的过程中，切割通道31被熔石英刻蚀掩膜层40保护起来避免被刻蚀液刻蚀。因此，在湿法刻蚀形成悬臂梁24的过程中，质量块23、边框21的侧壁不会被刻蚀液刻蚀。采用前述加工方法加工形成的熔石英悬臂梁-质量块结构，由于湿法刻蚀分离质量块23与边框21所需的时间很短，在保证悬臂梁薄且侧壁陡峭的基础上，还能大幅减小边框21与质量块23之间的间距，可满足质量块23与边框21之间小间隙的加工需求，例如，质量块23与边框21之间的间隙的深宽比可做到大于20:1，例如，22:1，24:1等。因此，采用本发明的悬臂梁-质量块结构的加工方法，能够使单个悬臂梁-质量块结构的面积做小，同时，还可节省石英基片的用料，节约成本。另外，质量块23与边框21之间的间隙的深宽比的最小值可以根据加工需求，自由选择。可通过增加步骤S07的刻蚀时间，减小间隙的深宽比，步骤S07的刻蚀时间越长，间隙的深宽比越小；步骤S01中，当切割通道为闭合的环形通道时，还可通过调整待去除块的宽度尺寸，来调节质量块23与边框21之间的间隙的深宽比值，待去除块的宽度尺寸越大，间隙的深宽比越小。
本发明还提供一种基于上述的的加工方法制造的悬臂梁-质量块结构，包括边框21、悬臂梁24和质量块23，悬臂梁24的一端与边框21连接，另一端与质量块23连接；质量块23与边框21之间通过空腔22分离。其中，质量块23与边框21的厚度相等，悬臂梁24薄而光滑；并且，质量块23与边框21的侧壁陡直，质量块23与边框21之间的间隙（空腔22）宽度小，质量块23与边框21之间的间隙深宽比高，可根据不同的加工需求，获得深宽比在1:1~25:1范围内的任意间隙的悬臂梁-质量块结构。
以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。
Claims (9)
1.一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，所述悬臂梁-质量块结构包括悬臂梁、质量块和边框，其特征在于，包括以下步骤：
S01：根据悬臂梁-质量块结构的图形，采用超快激光切割加工熔石英基片，在所述熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道，所述切割通道为环形通道，所述切割通道的宽度小于5μm；
S02：清洗所述熔石英基片，在熔石英基片正反两面制备熔石英刻蚀掩膜层；
S03：在所述熔石英刻蚀掩膜层上涂覆光刻胶，光刻所述悬臂梁区域露出熔石英刻蚀掩膜层；
S04：去除所述悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片；
S05：使用刻蚀液刻蚀所述悬臂梁区域的熔石英基片形成悬臂梁；
S06：去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层；
S07：使用刻蚀液刻蚀熔石英基片，使得所述贯穿的切割通道的宽度变大，分离所述质量块与所述边框。
2.根据权利要求1所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，所述熔石英刻蚀掩膜层为氮化硅膜、多晶硅、非晶硅、Cr/Au膜或Cr/Au/Cr/Au膜中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，S02步骤中采用体积比为硫酸：双氧水=4:1的混合溶液清洗熔石英基片。
4.根据权利要求3所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，S04步骤中采用腐蚀溶液去除所述熔石英刻蚀掩膜层。
5.根据权利要求4所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，所述刻蚀液为HF溶液或氟化氢铵溶液。
6.根据权利要求5所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，步骤S07中，所述刻蚀液采用浓度为49%的HF溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀熔石英基片15~25分钟。
7.一种熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，采用权利要求1~6中任一项所述的加工方法制成。
8.根据权利要求7所述的熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，所述边框与所述质量块之间的间隙的深宽比大于20:1。
9.根据权利要求8所述的熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，所述质量块与所述边框的厚度相等。
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