CN117645270A - 一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器及制备方法。该基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，该振动传感器包括硅基片，所述硅基片的上下表面均设置是有二氧化硅层，其中一组二氧化硅层的表面设置有金属层，所述金属层依次为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层，所述金属层与铌酸锂基片键合连接形成硅基铌酸锂键合片，所述铌酸锂基片的表面还设置有金属Cr层与金属Au层；该基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器及制备方法，在悬臂梁的基础上设计制造宽边辅助梁结构，通过改变悬臂梁设计结构增加约束与牵引，提高传感器的输出性能和灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件加工技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器及制备方法。
背景技术
目前的振动传感器结构单一，为了提高传感器的输出性能和灵敏度，本申请特此提出一种基于振动微球的加速度传感器来检测振动情况。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器及制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明第一方面提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，该振动传感器包括硅基片，所述硅基片的上下表面均设置是有二氧化硅层，其中一组二氧化硅层的表面设置有金属层，所述金属层依次为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层，所述金属层与铌酸锂基片键合连接形成硅基铌酸锂键合片，所述铌酸锂基片的表面还设置有金属Cr层与金属Au层。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
作为本发明的进一步优化方案，所述硅基铌酸锂键合片经MEMS工艺形成边框、中心质量环及四条单悬臂梁及辅助梁，每条单悬臂梁包括垂直布置的横梁和纵梁，即单悬臂梁具有两个连接端，其中短单悬臂梁的一个连接端与辅助梁连接、另一个连接端与中心质量环连接，其中长单悬臂梁的一个连接端与边框连接、另一个连接端与中心质量环连接。四条单悬臂梁则两两对称布置于中心质量环两侧；所述横梁和纵梁上均布置有电极。
本发明第二方面提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，该方法制备上述振动传感器，该制备方法包括以下步骤，
步骤S1，获得硅基片，于预设大小的硅基片的表面生长二氧化硅层，获得硅片硬腌膜层；
步骤S2，于二氧化硅层的表面设置金属层一，基于金属层二与铌酸锂基片低温键合，获得硅基铌酸锂键合片；
步骤S3，于硅基铌酸锂键合片的表面设置金属层二，基于金属层二获得光刻对准标记以及上表面电极；
步骤S4，刻蚀铌酸锂以及底电极层；
步骤S5，刻蚀正面梁的氧化硅层及硅基底层；
步骤S6，背面刻蚀空腔释放器件。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S1中，所述硅基片的两面均生长有二氧化硅层；且采用PECVD法于硅基片的表面生长二氧化硅层。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S2中，所述金属层一设置于其中一组二氧化硅层的表面，所述金属层一为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层构成；在步骤S3中，所述金属层二为金属Cr层与金属Au层；所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S4中，于键合片正面匀涂光刻胶，于100℃热板前烘设定时间后进行光刻工艺，曝光剂量为200mJ/cm2；随后使用HDMS显影液进行显影，其中显影时间为1min20s；
基于氧等离子体去除浮胶后于120℃的热板上坚膜设定时间，采用IBE离子束刻蚀刻蚀LiNbO3薄膜，刻蚀设定时间后，获得覆盖键合片正面的彩色光环，即LiNbO3薄膜与底电极刻蚀完成。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S4中，刻蚀气体为Ar，气体通量设置为5。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S5中，采用RIE刻蚀二氧化硅薄膜层，将刻蚀完成后的键合片使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，于键合片正面喷涂AZ4620光刻胶，喷涂圈数为2圈，胶厚为5μm，随后于100℃的热板上前烘设定时间，进行光刻工艺，其中，曝光剂量为400mJ/cm2，曝光之后采用AZ400K显影液进行显影，显影时间为1min10s；
之后基于氧等离子体去除浮胶后于120℃的热板上坚膜设定时间，之后采用深硅刻蚀工艺，刻蚀键合片正面的硅，其中刻蚀厚度为70μm，完成正面梁的刻蚀工艺。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤S6中，键合片背面喷涂AZ4620光刻胶，其中喷胶圈数为12圈，胶厚为30μm，之后进行热板前烘、光刻、显影、去胶机去胶、后烘坚膜完成工艺制备；其中光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，使用AZ400K显影液进行显影，前烘为100℃热板上前烘5min，后烘坚膜为120℃的热板上烘干1h，用氧等离子体去胶，将键合片正面与一片表面干净的硅片通过泵油键合，随后对键合片背面进行硅背深硅刻蚀，刻蚀厚度为430μm；随后对器件进行酸碱洗后，用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声5min，至此完成器件的制备。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的新型设计结构，在悬臂梁的基础上设计制造宽边辅助梁结构，通过改变悬臂梁设计结构增加约束与牵引，提高传感器的输出性能和灵敏度。
附图说明
图1表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器制备方法流程图。
图2表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的结构分层示意图。
图3表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的结构示意图。
图4表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器在不同轴向激励条件下的位移变化曲线。
图5表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器X轴向横向误差分析曲线。
图6表示本申请中基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器Y轴向横向误差分析曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
参考图2与图3所示结构，一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，该振动传感器包括硅基片，所述硅基片的上下表面均设置是有二氧化硅层，其中一组二氧化硅层的表面设置有金属层，所述金属层依次为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层，所述金属层与铌酸锂基片键合连接，所述铌酸锂基片的表面还设置有金属Cr层与金属Au层。
所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
所述硅基铌酸锂键合片经MEMS工艺形成边框、中心质量环及四条单悬臂梁及辅助梁，每条单悬臂梁包括垂直布置的横梁和纵梁，即单悬臂梁具有两个连接端，其中短单悬臂梁的一个连接端与辅助梁连接、另一个连接端与中心质量环连接，其中长单悬臂梁的一个连接端与边框连接、另一个连接端与中心质量环连接。四条单悬臂梁则两两对称布置于中心质量环两侧；所述横梁和纵梁上均布置有电极。
参考图1所示结构，一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，该方法制备上述振动传感器，该制备方法包括以下步骤，
步骤S1，获得硅基片，于预设大小的硅基片的表面生长二氧化硅层，获得硅片硬腌膜层；
步骤S2，于二氧化硅层的表面设置金属层一，基于金属层二与铌酸锂基片低温键合，获得硅基铌酸锂键合片；
步骤S3，于硅基铌酸锂键合片的表面设置金属层二，基于金属层二获得光刻对准标记以及上表面电极；
步骤S4，刻蚀铌酸锂以及底电极层；
步骤S5，刻蚀正面梁的氧化硅层及硅基底层；
步骤S6，背面刻蚀空腔释放器件。
综合参考图4至图6所示结构，在步骤S1中，所述硅基片的两面均生长有二氧化硅层；且采用PECVD法于硅基片的表面生长二氧化硅层。
在步骤S2中，所述金属层一设置于其中一组二氧化硅层的表面，所述金属层一为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层构成；在步骤S3中，所述金属层二为金属Cr层与金属Au层；所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
具体的，对硅基片进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min，之后采用PECVD法在硅片上生长一层2um的二氧化硅；
带有氧化层的硅片与铌酸锂晶片先在150℃水浴加热的条件下酸洗15min，再在60℃水浴加热的条件下用双氧水和氨水进行碱洗15min，之后进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min。
清洗干净后，在硅基片无氧化硅的一面用PECVD法生长一层二氧化硅层，之后采用磁控溅射工艺沉积Cr(20nm)层和Au(200nm)层以及Cr(20nm)层。
随后将铌酸锂基片与硅基片带有金属层的一面在80℃低温下用1000N键合压力进行键合。随后将键合片带有氧化硅的一面旋涂光刻胶，其中使用的胶是光刻胶RDP-2100P，设置匀胶机转速为3000r/min。再通过粘片机、抛光机、减薄机控制铌酸锂层厚度。
对制备好的键合片进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5min。在键合片的铌酸锂一面采用磁控溅射工艺沉积金属Cr(20nm)层和Au(200nm)层。
将AZ6130光刻胶采用滴管滴到溅射好金属一面的键合片上再配合使用匀胶机并控制匀胶机转速为3000r/min和匀胶时间30s来完成匀胶。之后将匀胶后的键合片放置在100℃的热板上前烘1min。随后ECG610光刻机配合含对准标记及金属电极的掩膜版对键合片的匀胶表面进行光刻。其中光刻机设置的曝光剂量应为200mJ/cm2。曝光之后的键合片在AZ400K显影液与水配比为1:4的溶液中显影25s后迅速放到只含有水的容器中摇晃并用去离子水冲洗键合片表面，随后用氮气吹干表面。
通过显微镜观察显影效果，效果较好则放入去胶机中用氧等离子体去胶3min，其中去胶机的功率设置为300w。效果不好则需要用丙酮、乙醇、去离子水、分别超声5min后吹干表面并重新进行匀胶、光刻、显影工艺。去胶机去胶之后的键合片放到150℃的热板上后烘15min。
随后采用IBE离子束刻蚀进行制备对准标记和金属电极，其中刻蚀气体为Ar离子，气体通量设置为5，刻蚀时间为8min。刻蚀完成后用丙酮、乙醇、去离子水超声5min去除表面的光刻胶。
在步骤S4中，在键合片正面匀涂RDP-2100P光刻胶，匀胶机转速设置为2000r/min，在100℃热板前烘3min。使用EVG610光刻机进行光刻工艺，曝光剂量为200mJ/cm2。随后使用HDMS显影液(显影液与水配比为1:8)进行显影，其中显影时间为1min20s；
随后用氧等离子体去除浮胶。设置打胶机的功率为300W，时间为2min。之后在120℃的热板上坚膜15min。
采用IBE离子束刻蚀刻蚀LiNbO3薄膜，刻蚀约4h40min后键合片正面出现覆盖整片的彩色光环，即LiNbO3薄膜与底电极刻蚀完成。为了避免刻蚀气体温度太高以及气体冲入速率过快而导致光刻胶焦糊，设置使用的刻蚀气体为Ar，气体通量设置为5。
在步骤S5中，采用RIE刻蚀二氧化硅薄膜层，当键合片上彩色光环消失时代表氧化硅层刻蚀完毕。
将刻蚀完成后的键合片使用丙酮、乙醇、去离子水进行超声5min清洗。
使用喷胶机在键合片正面喷涂AZ4620光刻胶，喷涂圈数为2圈，胶厚为5μm左右，随后在100℃的热板上前烘2min30s。进行光刻工艺，其中曝光剂量为400mJ/cm2，曝光之后采用AZ400K显影液(显影液与水配比为1:3)进行显影，显影时间为1min10s。显影后通过显微镜观察显影效果。之后使用300W的去胶机去胶2min，其中去胶机使用氧等离子体。随后在120℃的热板上坚膜15min。
随后用氧等离子体去除浮胶。设置打胶机的功率为300W，时间为2min。之后在120℃的热板上坚膜15min。之后采用深硅刻蚀工艺，刻蚀键合片正面的硅，其中刻蚀厚度为70μm，进而完成正面梁的刻蚀工艺；
在步骤S6中，键合片背面喷涂AZ4620光刻胶，其中喷胶圈数为16圈，胶厚为60μm左右，之后进行100℃热板前烘5min。随后进行光刻工艺，其中光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，使用AZ400K显影液(显影液与水配比为1:2)进行显影，待显影完全后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干表面。用氧等离子体去胶，设置打胶机的功率为300W，时间为2min。之后在120℃的热板上烘干1h完成后烘。
将键合片正面与一片表面干净的硅片通过泵油键合，随后对键合片背面进行硅背深硅刻蚀，刻蚀厚度为430μm；随后对器件进行酸碱洗后，用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声5min，至此完成器件的制备。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，其特征在于，该振动传感器包括硅基片，所述硅基片的上下表面均设置是有二氧化硅层，其中一组二氧化硅层的表面设置有金属层，所述金属层依次为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层，所述金属层与铌酸锂基片键合连接形成硅基铌酸锂键合片，所述铌酸锂基片的表面还设置有金属Cr层与金属Au层。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，其特征在于：所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器，其特征在于：所述硅基铌酸锂键合片经MEMS工艺形成边框、中心质量环及四条单悬臂梁及辅助梁，每条单悬臂梁包括垂直布置的横梁和纵梁，即单悬臂梁具有两个连接端，其中短单悬臂梁的一个连接端与辅助梁连接、另一个连接端与中心质量环连接，其中长单悬臂梁的一个连接端与边框连接、另一个连接端与中心质量环连接。四条单悬臂梁则两两对称布置于中心质量环两侧；所述横梁和纵梁上均布置有电极。
4.一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，该方法制备上述权利要求1-3任一所述的振动传感器，其特征在于，该制备方法包括以下步骤，
步骤S1，获得硅基片，于预设大小的硅基片的表面生长二氧化硅层，获得硅片硬腌膜层；
步骤S2，于二氧化硅层的表面设置金属层一，基于金属层二与铌酸锂基片低温键合，获得硅基铌酸锂键合片；
步骤S3，于硅基铌酸锂键合片的表面设置金属层二，基于金属层二获得光刻对准标记以及上表面电极；
步骤S4，刻蚀铌酸锂以及底电极层；
步骤S5，刻蚀正面梁的氧化硅层及硅基底层；
步骤S6，背面刻蚀空腔释放器件。
5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述硅基片的两面均生长有二氧化硅层；且采用PECVD法于硅基片的表面生长二氧化硅层。
6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述金属层一设置于其中一组二氧化硅层的表面，所述金属层一为金属Cr层、金属Au层与金属Cr层构成；在步骤S3中，所述金属层二为金属Cr层与金属Au层；所述金属Cr层的厚度为20nm，所述金属Au层的厚度为200nm。
7.根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，于键合片正面匀涂光刻胶，于100℃热板前烘设定时间后进行光刻工艺，曝光剂量为200mJ/cm2；随后使用HDMS显影液进行显影，其中显影时间为1min20s；
基于氧等离子体去除浮胶后于120℃的热板上坚膜设定时间，采用IBE离子束刻蚀刻蚀LiNbO3薄膜，刻蚀设定时间后，获得覆盖键合片正面的彩色光环，即LiNbO3薄膜与底电极刻蚀完成。
8.根据权利要求7所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，刻蚀气体为Ar，气体通量设置为5。
9.根据权利要求8所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，采用RIE刻蚀二氧化硅薄膜层，将刻蚀完成后的键合片使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，于键合片正面喷涂AZ4620光刻胶，喷涂圈数为2圈，胶厚为5μm，随后于100℃的热板上前烘设定时间，进行光刻工艺，其中，曝光剂量为400mJ/cm2，曝光之后采用AZ400K显影液进行显影，显影时间为1min10s；
之后基于氧等离子体去除浮胶后于120℃的热板上坚膜设定时间，之后采用深硅刻蚀工艺，刻蚀键合片正面的硅，其中刻蚀厚度为70μm，完成正面梁的刻蚀工艺。
10.根据权利要求9所述的一种基于铌酸锂单晶薄膜的振动传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S6中，键合片背面喷涂AZ4620光刻胶，其中喷胶圈数为12圈，胶厚为30μm，之后进行热板前烘、光刻、显影、去胶机去胶、后烘坚膜完成工艺制备；其中光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，使用AZ400K显影液进行显影，前烘为100℃热板上前烘5min，后烘坚膜为120℃的热板上烘干1h，用氧等离子体去胶，将键合片正面与一片表面干净的硅片通过泵油键合，随后对键合片背面进行硅背深硅刻蚀，刻蚀厚度为430μm；随后对器件进行酸碱洗后，用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声5min，至此完成器件的制备。
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