CN118123253A - 一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片，所述方法包括：提供一晶圆；在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。本发明利用激光微纳加工的方法是无掩膜工艺，工艺流程简单且生产成本低，所述方法制备的音叉晶片尺寸与电极精度高、频率误差小。
Description
技术领域
本发明涉及石英晶体加工技术领域，具体涉及一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片。
背景技术
现有音叉晶片制造采取两种方式，方式一：一种条形晶片采用线切割方式切割成音叉晶片，切割尺寸误差在100～300微米，通过镀银制造音叉谐振晶片，频率误差在2KHz,再通过机械磨削达到频率一致；
方式二：采用石英晶圆光刻技术，曝光显影图形转移湿法刻蚀方式制造音叉晶片和电极，晶片尺寸误差可以达到±3微米，工艺流程多，适合微型音叉谐振器制造。
上述方式一制造精度差，工序多，制造大尺寸石英谐振晶片，需要大量人工；方式二是一种半导体光刻工艺，精度高，适合微型音叉谐振晶片，但设备投入成本高。
发明内容
基于上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片，利用多次激光微纳加工，全程无掩膜工艺、流程简单、成本低，音叉晶片的尺寸与电极精度高、频率误差小。
本发明提供一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，所述方法包括：
提供一晶圆；
在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；
对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；
在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；
利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。
本发明一实施例中，所述一次激光的功率小于所述二次激光的功率，所述二次激光的功率小于所述三次激光的功率。
本发明一实施例中，所述在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案的步骤包括：
所述一次激光刻写所述晶圆形成所述音叉晶片的外形轮廓线，相应在所述晶圆上形成封闭的激光刻写区域；其中，所述激光刻写区域与间隔分布的所述音叉晶片相互嵌合。
本发明一实施例中，所述对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆的步骤包括：
所述晶圆浸入刻蚀液中进行湿法腐蚀，去除位于所述激光刻写区域的晶圆部分，对应形成所述晶圆的镂空图案。
本发明一实施例中，所述一次激光的光斑覆盖范围为0.5-5微米，相邻的所述光斑的孔中心距为1-10微米。
本发明一实施例中，在所述一次激光刻蚀之后与所述湿法腐蚀之前，所述方法还包括：利用氢氟酸溶液修复所述一次激光刻写后所述晶圆的表面。
本发明一实施例中，所述二次激光的激光脉冲宽度为皮秒或飞秒。
本发明一实施例中，所述三次激光的波长选取1064nm、532nm或紫外波段。
本发明一实施例中，所述湿法腐蚀采用酸性溶液、碱性溶液或缓冲氧化物刻蚀液。
本发明还提供一种音叉晶片，利用前述任一实施例的所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法制备而成。
有益效果：
本发明提供了一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片，所述方法包括：提供一晶圆；在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。本发明利用激光微纳加工的方法是无掩膜工艺，工艺流程简单且生产成本低，所述方法制备的音叉晶片尺寸与电极精度高、频率误差小。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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是本发明实施例的激光微纳加工方法流程示意图；
图2是本发明实施例的一次激光刻写与湿法腐蚀流程示意图；
图3是本发明实施例的真空镀膜电极与二次激光刻蚀电极对比图；
图4是本发明实施例的音叉晶片各尺寸示意图；
图5是本发明实施例的传统线切割加工与激光微纳加工尺寸对比图；
图6是本发明实施例的传统线切割加工与激光微纳加工频率分布对比图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
现有技术中，传统的线切割音叉晶片加工方法的主要工艺流程包括：从晶棒原材料加工处理开始，依次进行晶棒定向粘贴、一次切断、二次切断、粗磨、细磨、粘砣、磨砣、线切割切砣、尺寸分类、尺寸修整、粘砣胶溶解、外观挑选、被银装模、真空镀膜电极、外观检查等步骤。由此可知，传统线切割工艺流程复杂，多次切割/研磨修整音叉晶片的尺寸，导致加工精度差、产品良率较低。
本发明提供一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，所述方法包括：
提供一晶圆；
在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；
对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；
在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；
利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。
具体地，如图1所示的音叉晶片的制备工艺流程图，首先提供一尺寸合适的晶圆，将所述晶圆放置于激光加工设备工位，利用一次激光在晶圆的表面刻写出间隔分布的音叉晶片的图案，所述音叉晶片呈矩阵式分布，相邻音叉晶片的间隔距离根据需求可适应性调整。晶圆的表面激光刻写可以是单面刻写，也可以是在晶圆的相对正反双面进行刻写，这样有利于后续的湿法腐蚀的效率。对刻写完成后的晶圆，将其放入刻蚀液进行湿法腐蚀处理，去除掉不需要的晶圆部分而形成镂空图案，此时所述晶圆呈现出间隔分布的音叉晶片的外轮廓形貌。所述音叉晶片包括振动部、基部结构。紧接着，在所述晶圆的表面上镀覆金属层，再将所述晶圆放置于激光加工设备工位，利用二次激光在晶圆的表面刻蚀所述音叉晶片的电极图案，例如音叉晶片振动部上的激励电极、基部上的连接电极等其他电极走线。最后，利用三次激光切割所述晶圆，从所述晶圆中分离得到多个独立的音叉晶片，用于后道加工。
相较于现有技术，本发明提供的利用激光的音叉晶片微纳加工方法，从晶圆到音叉晶片产品的全工艺流程中，无需使用掩膜工艺，节省了掩模版的使用成本，简化了工艺流程；同时保证了音叉晶片的尺寸精度高和频率误差小等优点。
本发明一实施例中，所述一次激光的功率小于所述二次激光的功率，所述二次激光的功率小于所述三次激光的功率。
具体地，在激光微纳加工方法中，本发明利用了多次激光加工技术，以完全取代现有技术中的线切割技术、光刻工艺、及掩膜工艺，多次激光分布在加工方法的前后段，相互配合、关联使用。通过设置一次激光、二次激光和三次激光的功率有所不同，以满足不同工艺段的加工要求。一次激光用于晶圆的激光刻写，通过激光诱导改变晶圆材料的特性，形成图案化标记。二次激光用于镀膜后的晶圆的电极刻蚀，通过激光烧蚀晶圆表面的金属层，形成音叉晶片所设计的电极图案。三次激光用于电极图案化后的晶圆的切割，通过激光切割音叉晶片与晶圆其他部分的连接部，分离得到所述音叉晶片。由此可知，一次激光的功率小于二次激光的功率，二次激光的功率小于三次激光的功率。上述多次激光加工可以使用同台激光加工设备或多台激光加工设备，以实现不同激光功率的输出需求。
本发明一实施例中，所述一次激光的光斑覆盖范围为0.5-5微米，相邻的所述光斑的孔中心距为1-10微米。所述二次激光的激光脉冲宽度为皮秒或飞秒；所述三次激光的波长选取1064nm、532nm或紫外波段。
具体地，如图2所示，所述一次激光刻写的刻痕线条，所述刻痕线条是由多个激光的光斑拼接而成，一次激光的光斑形状可以是圆形、类圆形或多边形，光斑的覆盖范围选取0.5-5微米，相邻的所述光斑的孔中心距离为1-10微米，上述参数可以根据音叉晶片的尺寸加工精度而适应性调整。一次激光、二次激光和/或三次激光的激光脉冲宽度使用10-12秒或者10-15秒，激光的波长选取1064nm、532nm或紫外波段。激光的加工时间短、精度高，同时激光的输出功率稳定可靠，有利于音叉晶片的尺寸与频率的一致性。
如图3所示，左图是经过真空镀覆工艺制备的音叉晶片电极图案，右图是本发明的利用二次激光刻蚀的音叉晶片电极图案。首先，在真空镀膜工艺中，利用掩模遮挡制备对应的电极图案，但是会因为掩膜精度问题和音叉晶片与掩膜贴敷定位误差问题，从而导致在音叉晶片表面的电极镀膜扩散，形成的电极尺寸不规则和散差(测量样本的离散程度)大等不良现象。相较之下，本发明利用二次激光刻蚀所述晶圆上的金属层，消除电极图案之外的多余金属镀膜；经过二次激光刻蚀的音叉晶片电极图案的外轮廓、尺寸更加规则，同时无需使用掩膜工艺，工艺流程上更加简单、高效，并且需要设备投入少，效率高，良率高等优势。
本发明一实施例中，所述在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案的步骤包括：
所述一次激光刻写所述晶圆形成所述音叉晶片的外形轮廓线，相应在所述晶圆上形成封闭的激光刻写区域；其中，所述激光刻写区域与间隔分布的所述音叉晶片相互嵌合。
如图2所示，所述一次激光刻写所述晶圆形成所述音叉晶片的外形轮廓线，从图中可以看出，具有阵列排布的多个音叉晶片重复图案。具体地，任意一排的第一音叉晶片的外侧刻写纵向刻痕，一排的最后一音叉晶片的外侧刻写纵向刻痕，这一排音叉晶片的上端刻写横向刻痕，两侧的纵向刻痕与上端的横向刻痕连接，与依次重复刻写相同的音叉晶片的外轮廓最后形成封闭的激光刻写区域，即所述激光刻写区域与间隔分布的所述音叉晶片相互嵌合。
其中，所述纵向与所述音叉晶片的长端方向一致，所述横向与所述音叉晶片的短端方向一致。所述纵向刻痕的长度大于单个音叉晶片的总长，所述横向刻痕的长度大于这一排所述音叉晶片总宽之和，所述纵向刻痕和所述横向刻痕与音叉晶片的相隔距离适应性设置。
接着，所述对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆的步骤包括：
所述晶圆浸入刻蚀液中进行湿法腐蚀，去除位于所述激光刻写区域的晶圆部分，对应形成所述晶圆的镂空图案。通过一种或多种溶液从晶圆中去除或溶解刻痕处的材料；所述湿法腐蚀采用酸性溶液、碱性溶液或缓冲氧化物刻蚀液(BOE溶液)。利用一次激光诱导刻写改性晶圆材料，再使用湿法刻蚀液去除或释放激光刻写区域的晶圆材料，能够精确制备所需的音叉晶片整体结构，省去了多道光刻/掩膜工艺的复杂流程，快速高效实现音叉晶片图案化成型。
表一激光微纳加工与线切割加工对比
如表一所示，比较了本发明提供的激光微纳加工方法与传统线切割加工方法，不同的加工方法所制备的音叉晶片的尺寸结构在加工精度上有所差异。在此，选取了音叉晶片产品的多个尺寸参数值进行横向比较，尺寸参数包括厚度T、臂宽W2、臂宽W1、总宽W、尺深I、总长L等，上述尺寸参数的具体位置标记如图4所示。音叉晶片产品的厚度T的标准范围在0.330-0.340mm之间，本发明提供的激光微纳加工方法所制备的音叉晶片产品，其厚度T的最大值为0.334mm，最小值为0.331mm，极差值(最大值与最小值的差值)为0.003mm。然而，传统的线切割加工方法所制备的音叉晶片产品，其厚度T的最大值为0.339mm，最小值为0.330mm，极差值为0.009mm。
其余尺寸参数的比较结果如表1所示，在此不再依次举例说明。从实际加工的产品尺寸的极差值对此可知，本发明提供的激光微纳加工方法所制备的音叉晶片产品的尺寸偏差范围更小，产品之间的差异性更低，一致性与稳定性更好。
如图6所示，比较了本发明提供的激光微纳加工方法与传统线切割加工方法，不同的加工方法批量制备的音叉晶片产品的频率分布有所不同。各选取100只音叉晶片产品测量频点值，从图中数据可以看出，经过激光微纳加工制备的音叉晶片的频率分布集中在同一集合内，然而经过传统线切割加工制备的音叉晶片的频率分布较分散且频率误差大，导致后期需要对音叉晶片进行频率调整以满足产品频率范围标准要求。
本发明一实施例中，在所述一次激光刻蚀之后与所述湿法腐蚀之前，所述方法还包括：利用氢氟酸溶液修复所述一次激光刻写后所述晶圆的表面。在激光微纳加工之后和湿法蚀刻之前进行氢氟酸减薄处理,以去除来自一次激光刻写晶圆所用材料的缺陷。
本发明还提供一种音叉晶片，利用前述任一实施例的所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法制备而成。具体地，所述音叉晶片(音叉晶振)是指石英晶片外型类似音叉的晶振，所述音叉晶片在共振时能够产生电流脉冲，因此可以广泛应用于各种需要精确计时的设备中，如钟表、手机、平板电脑、微型计算机、计算器等。
同时，所述音叉晶片还可以作为频率控制的元件，用于稳定设备的运行频率。所述音叉晶片也被用于家电自动控制和工业自动控制等领域。在工业控制应用中，所述音叉晶片可以提供稳定的频率和时间基准，帮助设备实现精确的控制和调度。
综上所述，本发明实施例提供的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法、音叉晶片，所述方法包括：提供一晶圆；在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。本发明利用激光微纳加工的方法是无掩膜工艺，工艺流程简单且生产成本低，所述方法制备的音叉晶片尺寸与电极精度高、频率误差小。
需要说明的是，虽然本发明以具体实施例揭露如上，但上述实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定发范围为准。
Claims (10)
1.一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一晶圆；
在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案；
对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆；
在所述晶圆的表面上镀覆金属层，利用二次激光刻蚀所述金属层以形成所述音叉晶片的电极图案；
利用三次激光切割所述晶圆，分离后得到所述音叉晶片。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述一次激光的功率小于所述二次激光的功率，所述二次激光的功率小于所述三次激光的功率。
3.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述在所述晶圆上利用一次激光刻写形成间隔分布的所述音叉晶片的图案的步骤包括：
所述一次激光刻写所述晶圆形成所述音叉晶片的外形轮廓线，相应在所述晶圆上形成封闭的激光刻写区域；其中，所述激光刻写区域与间隔分布的所述音叉晶片相互嵌合。
4.根据权利要求3所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述对所述晶圆进行湿法腐蚀，以形成具有镂空图案的所述晶圆的步骤包括：
所述晶圆浸入刻蚀液中进行湿法腐蚀，去除位于所述激光刻写区域的晶圆部分，对应形成所述晶圆的镂空图案。
5.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述一次激光的光斑覆盖范围为0.5-5微米，相邻的所述光斑的孔中心距为1-10微米。
6.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，在所述一次激光刻蚀之后与所述湿法腐蚀之前，所述方法还包括：利用氢氟酸溶液修复所述一次激光刻写后所述晶圆的表面。
7.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述二次激光的激光脉冲宽度为皮秒或飞秒。
8.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述三次激光的波长选取1064nm、532nm或紫外波段。
9.根据权利要求1所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用酸性溶液、碱性溶液或缓冲氧化物刻蚀液。
10.一种音叉晶片，其特征在于，利用所述权利要求1-9所述的一种利用激光的音叉晶片微纳加工方法制备而成。
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