CN101805130A - 石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法 - Google Patents

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张巧云
林日乐
翁邦英
周倩
谢佳维
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Abstract

本发明涉及一种石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法，它是将光刻后的石英晶体放入腐蚀液中，在60℃-95℃温度条件下对石英晶体进行化学刻蚀，刻蚀时间为10-20小时；腐蚀液由水、氢氟酸和氟化铵混合而成，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.1-1.5∶0.05-0.5。本发明能加工出侧壁陡直、表面光滑、尺寸精度满足要求、小岛少的敏感芯片，本方法的改进使敏感芯片的质量和成品率得到很大的提高。

Description

石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法
技术领域
本发明涉及石英微机械陀螺仪的核心部件一敏感器件，具体指敏感器件中敏感芯片的各向异性化学刻蚀加工方法。
背景技术
石英微机械陀螺仪是振动惯性技术与MEMS加工技术相结合的产物，是利用石英晶体的压电特性和精密的微机械加工技术研制而成的新型微型惯性器件，具有体积小、重量轻、功耗低、抗冲击能力强、可靠性高、响应快、寿命长等特点，容易实现大批量生产，从而可以大幅度降低成本和体积，使其能应用在稳定、制导及控制等军用***，也能在汽车电子、仪器设备及其他工业市场广泛应用。
敏感器件是石英微机械陀螺仪的关键部件，敏感器件包括敏感芯片、基座、管帽和引脚，其中敏感芯片的加工最为关键，可以采用电火花加工、超声加工、MEMS加工等方法。电火花加工、超声加工方法会产生较大的应力，影响产品性能，而且敏感芯片的体积很小，结构复杂，前两种加工方法无法满足要求。只能采用MEMS方法进行加工，MEMS方法步骤多，加工出的敏感芯片尺寸精度和表面质量受到多种因素的影响，其中刻蚀工艺是最关键的。
石英晶体的刻蚀工艺有干法刻蚀和湿法刻蚀两种。
干法刻蚀是利用等离子刻蚀技术对石英晶体进行刻蚀，该工艺加工所得到的外形不受基片的晶向控制，等离子体不会给微结构带来大的应力，但设备比较复杂且有很多参数必须控制。典型参数是气体的性质和流量、基片的性质和面积、电极结构、激励的电磁参数和真空室的外形等，不同组合会产生不同的刻蚀过程。但利用等离子刻蚀工艺来各向异性刻蚀几百微米的石英晶体凹槽难以实现，而且干法刻蚀工艺所用设备昂贵、加工成本高、工艺参数难以控制、加工深度有限、不适合于批量生产。对于石英微机械陀螺仪敏感芯片的加工，该方法不适用。
湿法刻蚀是利用腐蚀液对石英晶体进行刻蚀，属于化学刻蚀，即利用化学腐蚀液对石英晶体进行各向异性刻蚀，腐蚀液把它所接触到的晶体通过化学反应逐步浸蚀溶掉。该工艺可以加工出深槽结构，工艺成本低、适合大批量生产，因此石英微机械陀螺仪敏感芯片的加工多采用湿法刻蚀。石英微机械陀螺仪敏感芯片是以特定切向的石英晶片作为基体材料，通过光刻技术形成掩模，再进行化学刻蚀，从而得到石英基体上的微细图形或结构(如图1所示)。
化学刻蚀是制作敏感芯片音叉结构的关键工艺，该工艺直接影响敏感芯片深槽结构的加工形状、尺寸精度和表面质量。但腐蚀液配方及腐蚀温度需要通过理论分析及大量试验才能确定，否则无法加工出满足要求的敏感芯片。敏感芯片除了要求尺寸精度满足要求外，还要求侧壁陡直、表面光滑，但现有的化学刻蚀工艺还难以达到。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法，本方法能加工出侧壁陡直、表面光滑、尺寸精度满足要求的敏感芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法，它是将光刻后的石英晶体放入腐蚀液中，在60℃-95℃温度条件下对石英晶体进行化学刻蚀，刻蚀时间为10-20小时；腐蚀液由水、氢氟酸和氟化铵混合而成，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.1-1.5∶0.05-0.5。
本发明通过对腐蚀液配方、刻蚀温度和时间的改进，能加工出侧壁陡直、表面光滑、尺寸精度满足要求、小岛少的敏感芯片，本方法的改进使敏感芯片的质量和成品率得到很大的提高。
附图说明
图1-石英晶片典型化学刻蚀过程图；
图2-敏感芯片侧面图；
图3-敏感芯片表面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
由于石英晶体的化学性质稳定，仅溶于含有F-的溶液中，因此本发明采用一定配比的氢氟酸(HF)+氟化铵(NH4F)水溶液，在一定温度条件下对石英晶体进行各向异性化学刻蚀。化学刻蚀速率取决于腐蚀液体的组成及温度。腐蚀液的组分不同，刻蚀的速率会发生变化，随着氢氟酸的浓度增加刻蚀速率呈上升趋势；温度对刻蚀速率的影响也很大，随着温度的升高刻蚀速率增大。因此，化学刻蚀工艺中要精确控制腐蚀液浓度、刻蚀的温度和时间。
具体操作为：将光刻后的石英晶体放入腐蚀液中，在60℃-95℃温度条件下对石英晶体进行化学刻蚀，刻蚀时间为10-20小时。腐蚀液由水、氢氟酸和氟化铵混合而成，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.1-1.5∶0.05-0.5。
进一步的优选参数为：刻蚀温度为70℃-85℃，刻蚀时间为15-18小时，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.3-1.0∶0.06-0.2。
石英晶体在HF与NH4F组成的腐蚀液中发生化学反应的方程为：
SiO2+4HF+2NH4F＝(NH4)2SiF6+H2O                (1)
反应的主要过程：
SiO2+HF2 -+H+→SiF6 2-+2H2O                     (2)
NH4 ++SiF6 2-→(NH4)2SiF6                       (3)
SiO2反应后生成易溶于水的络合物(NH4)2SiF6。
采用氢氟酸(HF)+氟化铵(NH4F)溶液对石英晶体进行化学刻蚀，石英晶体刻蚀后侧面都有不同程度的棱角，这是由于石英晶体各晶面腐蚀速率不同(各向异性)所致。对于几百微米厚的石英晶体，为缩短腐蚀的时间，可以采用高温腐蚀液，以提高刻蚀速率；但速度太快了，腐蚀的敏感芯片侧面棱角尖锐。采用优化后的参数对石英晶体进行化学刻蚀，既可以提高刻蚀速率又能减小侧面棱角，提高了侧面的陡直程度。而发明能进行深槽刻蚀，加工出侧壁陡直(侧面结构如图2)、表面光滑平整的敏感芯片。
本发明通过对腐蚀液配方、刻蚀温度和时间的改进，从而加工出表面光洁、小岛少的敏感芯片(如图3所示)，该工艺方法的改进使敏感芯片的质量和成品率得到很大的提高。
通过对化学刻蚀工艺进行深入研究，确定了理想的腐蚀液配方、适合的腐蚀温度以及整套工艺条件，研制出侧壁陡直、表面光滑、尺寸精度满足要求的敏感芯片，典型结果如表1。
表1化学刻蚀典型结果
Figure GSA00000045173400041

Claims (2)

1.石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法，其特征在于：将光刻后的石英晶体放入腐蚀液中，在60℃-95℃温度条件下对石英晶体进行化学刻蚀，刻蚀时间为10-20小时；腐蚀液由水、氢氟酸和氟化铵混合而成，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.1-1.5∶0.05-0.5。
2.根据权利要求1所述的石英微机械陀螺仪敏感芯片化学刻蚀加工方法，其特征在于：所述刻蚀温度为70℃-85℃，刻蚀时间为15-18小时，水、氢氟酸和氟化铵的质量比为1∶0.3-1.0∶0.06-0.2。
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