CN1185870A - 为光刻产生的石英晶体坯片单一分割的刻蚀法 - Google Patents

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Abstract

一种用于单一分割的刻蚀(200)光刻产生的石英晶体坯片的方法。第一步,在石英片的二侧涂覆金属以及随后在二侧涂覆光致抗蚀剂(202)。第二步,对光致抗蚀剂图形化和显影并刻蚀金属层以界定带有窄石英沟道(暴露于待要单一分割的坯片与石英母片204之间)的一个石英坯片的周边。第三步,沿着平行的原子平面被择优刻蚀的石英沟道局部进入片子以便在石英片与待要单一分割的坯片之间提供一个机械上弱的结合,与此同时围绕石英坯片剩余处的周边被刻蚀完全穿通石英母片(206)。第四步,光致抗蚀剂层被从石英片(208)剥离。最后,石英坯片严格沿石英沟道的底部被解理并从片子(210)单一分割成晶体坯片。

Description

为光刻产生的石英晶体 坯片单一分割的刻蚀法
本发明一般涉及压电器件，尤其涉及对光刻产生的石英晶体坯片进行单一分割的刻蚀方法。
压电元件包括由各种压电材料制成的各种类型和形状的器件。典型的压电元件由大致为矩形或圆形的石英板组成。这些压电元件通常用于诸如计算机、蜂窝电话、寻呼机、收音机以及无线数据器件等电子器件中的频率控制。当消费者不断要求压缩这些装置的大小和价格时，对压电器件小型化、低成本和自动化安装的要求也日益增加。
对于自动安装设备通常要求在其上的每个压电元件具有一致的大小和形状。此安装设备可包括一个带有视象***(vision system)的自动操纵机械(robotic machine)，一个夹入(pick-and-place)***之类。当待要被安装的器件缩小时，自动化***要求与被安装的元件有更紧密的配合以减少破裂、错位和挤塞。
图1示出单一分割前现有技术光刻产生的压电元件10。借助于穿通母片12刻蚀图形来界定这些元件10，但依靠一个或多个相对薄的桥体16仍使各元件10连接于片12。这些桥16被设计成使其保持为母片12的完整厚度，是因为需要各元件10留于其位置上以便整体对片子12进行进一步处理。采用桥16可避免处置如图2所示的单个元件带来的问题。
熟知的对压电片12的光刻加工包括如图4所示对压电片12分别涂覆金属24和光致抗蚀剂26。随后显影光致抗蚀剂26，刻蚀金属24并刻蚀穿通压电片12以界定各个元件10。其余的加工包括光致抗蚀剂的剥离，片子清洗以及元件10的测试程序，该程序当所有的元件10处于在母片12上的已知位置时很容易完成的。然而，对片12整个加工完成后最终需要从母片12进行元件10的单一分割以便将元件10安装于各个封装件中。为有助于单一分割，在利用刻蚀穿通围绕元件10的周边的遗留边界22以界定元件10的同时在靠近分割边缘14处，穿通母片12刻蚀出一个相对大的脱离区20(图1)。该刻蚀过程依靠一个或多个使其保持为母片12的完整厚度的桥16使各元件10连接于母片12。采用靠近元件10的分割边缘14的脱离区20使单一分割的断裂应力集中于桥16或其附近。
图2示出一个现有工艺单一分割后的压电元件10。借助于在分割边缘14附近断裂桥16使元件10从其母片12单一分割可引起不可预料的损伤。经常会发生元件10本身而不是桥16的破碎。此类断裂破坏了元件10的可用性，增加了碎片，降低了成品率并增加了成本。甚至需要桥16破碎时，压电元件10的分割边缘14上经常要留下尖刺18故而桥16没有完整的断裂。这些在分割边缘14上的尖刺18经常是那样的明显而不可能在边缘14安装元件。因此，需要观察压电元件边缘的质量以便在它的最好边缘安装元件，经常是其相对的边缘28。此类观察对自动化是一种妨碍。
图3示出现有技术用于刻蚀压电元件10的脱离区20的剖面图。刻蚀穿通脱离区20和边界22的宽度是如此之大使之基本上在现有技术中不去考虑压电材料的各向异性刻蚀以及顶部和底部光刻图形的对准。现有技术假定所有从片子12的顶部和底部二面被刻蚀的区域总会相交(用标号20表示)而刻蚀穿通片子12。
对光刻产生的坯片单一分割的另外考虑是压电元件环境的异常敏感。任何与压电元件表面接触的颗粒都能改变其频率。通常，一个元件在严格控制的条件下被气密封装。然而这些封装工序不寻访在单一分割过程中可能发生的颗粒沾污。以前，对于光刻产生的元件的单一分割可引起桥(图1中示为16)的不可预料的破裂。这些桥会破裂成大小各异的碎片。最小的碎屑由于其内聚力而附着于压电元件的表面。在一个元件表面上微观颗粒物质的存在引起在不同输入功率水平下元件频率响应的改变。这种现象是本技术中熟知的“激励电平依赖”或“起动电阻”。
最常用的消除此微观颗粒的方法是在工序中加入各种清洗步骤。现有技术清洗可包括机械擦光，湿法处理，超声清洗，等离子清洗之类。除非这些清洗工序受到很好的控制和监测，清洗溶液很可能会带来引入较原来存在的更多沾污的问题。本发明利用在潜在问题发生前尽可能减少颗粒物质的产生来解决此问题。另外，可避免额外的清洗工序，因而使成本降低。
一个石英坯片成本的主要部分在于加工过程，成品率和劳工。要尽可能减小由于成品率损失产生的废料成本。成品率损失来自坯片的破裂和沾污。减少观察步骤和操作者介入能节约资金并减少误差的可能性。如果一种固有的具有重复性的清洁方法用于均匀石英坯片的单一分割，则可获得自动化能力，成品率，成本以及质量的改进。
需要有一种用于石英坯片单一分割的改进的方法，它是：(i)低成本；(ii)改进成品率；(iii)使损伤压电元件的潜在危险减至最小；(iv)减少由于压电元件的无益破裂引起的对压电元件的颗粒沾污；(v)减少加工；以及(vi)产生基本一致的坯片尺寸，它有助于简化安装并减少观察的需要。
图1示出现有技术光刻产生的石英片在单一分割前的透视图。
图2示出单一分割后现有技术石英坯片的透视图。
图3示出表示石英坯片与母片间刻蚀穿通区的现有技术石英片沿图1中3-3线的剖面图。
图4示出按照本发明分别涂覆了金属和光致抗蚀剂的石英片的剖面图。
图5示出按照本发明从预定图形清除了光致抗蚀剂和金属的石英片的割面图。
图6示出按照本发明带有对准于石英的晶向刻蚀出的沟道的石英片的剖面图。
图7示出按照本发明光刻产生的石英片在单一分割前具有放大了的刻蚀沟道细节的剖面图。
图8示出按照本发明对光刻产生的石英晶体坯片进行单一分割的方法的方框图。
本发明提供了一种对光刻产生的石英晶体坯片及类似的压电元件进行单一分割的刻蚀方法。
如图4所示，所提供的石英片102的二面具有一个金属108，继而覆盖一个光致抗蚀剂层110。金属层108可包括不同数量或结构的导电材料、金属或合金的不同数量的层。通常采用金、银、铜或铝作为金属层108，因为这些材料较之大部分其它材料有增强的电导率。在石英片102二面的金属层108最好由第一层铬和第二层金组成。然而，应该认识到所用导电层的总量、类型和数目可以改变。在此例中，铬提供了对石英片102的良好粘附的优点，而金具有良好导电及抗浸蚀的优点。石英刻蚀剂最好基本上对金属层108不发生作用，因为光致抗蚀剂110不能完全阻挡石英刻蚀剂。金属层108可用本技术中熟知的各种常规方法(但不限于此)淀积在片子102上，这些方法包括蒸发淀积、溅射淀积、化学汽相淀积、电子束淀积以及离子淀积。最好采用电子束蒸发淀积设备淀积金属层108，例如采用来自CHA工厂(Menlo park,CA)的蒸发器。
光致抗蚀剂层110可以是负或正曝光类型。对于本发明，大多数类型的光致抗蚀剂可以获得同样好的工作效果。这是因为所用线宽约≥0.5密耳，与细线条应用相比大得多故而更容易工作。光致抗蚀剂可用例如由Solitec(Santa Clara，CA)制造的常规商用光刻胶旋转装置来旋涂。
在一个最佳实施例中，金属和光致抗蚀剂层108，110提供于石英片102的二面。作为变通，光致抗蚀剂层110也可只提供于石英片102的一面。在此情况下，只在石英片102的涂覆光致抗蚀剂层110的一面图形化。在用光致抗蚀剂110涂覆片子102以后，光致抗蚀剂层110在一个对流型空气排气炉(例如由Watertown，WI的Blue-M Electric制造)中进行固化。
参照图5，示出光致抗蚀剂和金属层108，110的被选部分已被图形化、显影和刻蚀以后的石英片102。首先用紫外光对光致抗蚀剂以预定图形112进行曝光。利用光掩模借助于紫外曝光***将预定图形界定在片子102上。在一个最佳实施例中，采用混合技术集团公司80系列掩模对准器(由San Jose，CA的HTG公司制造)将预定图形112界定于石英片102的一面或二面。然而，可以利用其它各种掩模对准器***，因为在此实例中对线宽容限并不苛求。
经曝光后，在光刻胶显影浴中对光致抗蚀剂层110进行显影并在去离子水浴中漂洗。然后在金属刻蚀浴中刻蚀掉金属层108，接着在去离子水浴中漂洗。此工序使石英片102的一部分表面显露。在一个最佳实施例中，各显影、漂洗以及金属刻蚀浴由Hollister，CA的Semifab公司制造。然而在此例中可以采用其它的设备。实际上有很多合适的光刻工艺设备可用于本发明。
然后将石英片102转移到一个石英刻蚀剂浴中刻蚀石英片12的显露部分(如图6所示)。刻蚀石英后，片子102在去离子水中漂洗。然后在剥离浴中剥离片子102的光致抗蚀剂层，再在去离子水浴中漂洗。在一个最佳实施例中，各个石英刻蚀、漂洗和剥离浴由Hollister，CA的Semifab公司制造。也可以采用其它合适的光刻工艺设备。
在一个简单的手工单一分割夹具(在图7的插页中标以130)中，石英坯片100从石英片102被解理。夹具130在各石英坯片100的靠近断裂边缘106处夹住片子，而在各石英坯片100的靠近自由边缘104处人工施加一个弯曲力134，使之在石英沟道114中形成裂口132而单一分割坯片100。夹板130的精细结构对于本发明不是关键的。但重要的是施加弯曲力134时要防止抓伤坯片100的表面。弯曲力134最好直接加于石英坯片100的自由边缘104或其附近。在一个最佳实施例中，此操作是自动进行的。
参照图4和图8，本发明的标以202的首要步骤是提供一个带有金属和光致抗蚀剂层108，110的石英片102。在一个最佳实施例中，在石英片102上蒸发厚度至少10埃的铬，继而蒸发厚度至少200埃的金。金属层108的准确厚度对于本发明并不是关键的。但铬层至少要厚得足以防止随后淀积金层时渗透穿越铬层，而金层至少要厚得足以导电并且对于石英刻蚀剂不形成多孔结构。要求金属层108对于石英刻蚀剂不形成多孔结构是因为光致抗蚀剂层110也许不足以阻止石英刻蚀剂对石英片102不要刻蚀的区域的渗透。在一个最佳实施例中，淀积约500埃的铬以后再淀积约4000埃的金。
可按制造者的推荐旋涂光致抗蚀剂层110。在一个最佳实施例中，采用Shipley MicropositTM S1400-31光致抗蚀剂(购自Newton，MA的Shipley)作为光致抗蚀剂层110。随后，在90℃温度下于对流型空气排气炉(例如由Watertown，WI的Blue-M Electric制造)中烘焙片子102的每一面约15分钟。也可使用其它类似的光致抗蚀剂并得到满意的结果。最好在片子102的二面提供光致抗蚀剂层110。也可以只在片子102的一面提供光致抗蚀剂层110。
参照图5和图8，下一个加工步骤204是从石英片102的部分区域清除预定图形112。通过玻璃掩模对石英片102进行紫外曝光，光密度约为每平方厘米25毫瓦，曝光时间约6秒。在一个最佳实施例中，对于一个厚度128约为3.9密耳的石英片，由预定图形112界定的沟道114的宽度约为0.5密耳。然后将石英片102放于Shipley MieropositTM351显影器(购自Newton，MA的Shiley)的25℃的显影浴中约1.5分钟，随后用去离子水漂洗至少约30秒。按照金属层108的厚度，将石英片放于Techni-stripTM AU(***型，购自Newark，NJ的LawrencePackaging Supply)的25℃的金刻蚀剂浴中约1-5分钟。采用最佳的4000埃厚的金层需要约4分钟的金刻蚀时间。在此加工步骤后用去离子水漂洗至少30秒。然后将石英片放于诸如TFD型的商用铬刻蚀剂(约25℃)中约2分钟，随后用去离子水漂洗至少30秒。
参照图6和图8，下一个加工步骤206是刻蚀石英片102。根据石英片的起始厚度128，将石英片102放入约80℃的约60％氢氟酸和约40％氟化铵的过饱和溶液中约45分钟。用其它的商用石英刻蚀剂将得到同样好的结果。石英刻蚀剂择优地基本上沿石英片102的原子平面122刻蚀。刻蚀时原子平面最终界定沟道114的刻蚀壁124。由于受到狭窄沟道114的限制而引起在沟道114中局部缺乏活性的石英刻蚀剂。这种活性石英刻蚀剂的缺乏使窄的沟道116的底部较围绕留下的石英坯片100的较宽的周边118刻蚀得更慢。最好当石英刻蚀完成后，沟道116的底部渗透至石英片厚度128的25％，而围绕石英坯片100的周边118完全刻蚀穿透片子102。
在一个最佳实施例中，最初使石英的Z轴方向136基本上垂直于沟道114。由于原子平面122的特殊排列，这种特定的对准为与沟道114晌刻蚀壁124不相交提供了保证。更确切地说，不相交的部分刻蚀的沟道114在石英坯片100的断裂边缘106附近提供了至少一部分石英片102的机械强度减弱，当弯曲力134加于石英坯片100时可获得完整的单一分割。
不相交沟道114的优点在于允许更深的刻蚀而不使石英片102的机械强度减弱到和共线刻蚀沟道114对片子102的机械强度减弱同样大。不相交沟道114还需要少许窄沟道114与较宽的界定石英坯片剩余部分的周边118之间的刻蚀速率盖别。这样容许利用较其它情况所需的更宽的沟道114。此外，较深的刻蚀容许为了较完整的裂口132而建立的一个基本上均匀的石英沟道底部116。然而，应该认识到本发明可用于刻蚀相交的共线刻蚀沟道114，但共线刻蚀沟道114在建立基本上均匀的沟道底部116以前可能减弱石英片102的强度。
刻蚀石英后，如图8中方框208所示，下一个加工步骤是从石英片102剥离光致抗蚀剂层110的剥离步骤208。在一个实施例中，光致抗蚀剂可在一个Shipley MicropositTM142A清除剂(购自Newton，MA的Shipley)中在约70℃经约15分钟被剥离。然而，丙酮、酒精或其它合适的商用剥离剂可同样使用。
参照图7和图8，最终的重要加工步骤是借助于用夹板130夹住各个石英坯片100的断裂边缘106附近片子102并且对石英坯片100施加弯曲力134而从石英片102解理各个石英坯片100(210)。弯曲力134引起一个集中于沟道底部116的张应力。此应力使裂口132基本上沿石英片102的原子平面122延伸，因而从片子102单一分割坯片100。弯曲力134以这样的方式施加，即要基本上避免擦伤坯片100的表面。弯曲力134最好加于石英坯片100的自由边缘104。
使沟道116的底部沿原子平面122断裂(132)的优点是尽量减少了石英片102的破裂，这就尽量减少了在石英坯片100表面上的颗粒沾污。而且，这样的断裂132提供了完整的以及有效和实用地单一分割的石英坯片100，使坯片100具备与自由边缘104同样好安装的平滑的断裂边缘106。因为在单一分割过程中只有少量石英坯片100破裂，只需少许观察和质量控制处理，故石英坯片100的完整的单一分割有助于增加成品率从而使成本降低。石英坯片100的断裂边缘106的均匀尺度使安装容易地允许采用自动化而没有因坯片100的不规则而引起的位置安放问题。
虽然已经示出和描述了本发明的各种实施例，应该了解，对于本技术领域的熟练人员可以作出各种修改和替代，或者上述实施例的重新安排和组合而不超越本发明新的精神和范围。

Claims (10)

1.一种为单一分割而刻蚀光刻产生的石英晶体坯片的方法，它包括：
提供分别涂覆至少一个金属层和一个光致抗蚀剂层的石英片；
从光致抗蚀剂和金属层清除预定图形以暴露带有一个底部并连接于界定石英坯片的剩余石英周边的一个石英沟道；
基本上沿着平行的石英原子平面刻蚀沟道的底部，从而使沟道底部不刻蚀穿通石英片；
从金属层剥离遗留的光致抗蚀剂层；以及
基本上沿沟道底部和基本上与石英晶体原子平面对准进行解理，从石英片单一分割石英坯片。
2.权利要求1的方法，其中刻蚀步骤包括：
将沟道底部暴露于刻蚀剂中一段足够长的时间以便至少部分地减弱接近沟道处的石英片的机械强度，但刻蚀时间要足够短以便不刻蚀穿通石英片；以及
将界定石英坯片的周边暴露于刻蚀剂中一段足够长的时间以便刻蚀穿通石英片。
3.权利要求1的方法，其中解理步骤包括借助于对沟道内部施加一个张应力而从石英片单一分割石英坯片，由此尽量减少石英的碎裂。
4.权利要求1的方法，其中在石英片的二面提供清除和刻蚀步骤使其包括大体上相对的二个沟道。
5.权利要求4的方法，其中在刻蚀步骤以前清除步骤包括提供一个带有二个基本对准的面对的沟道的预定图形。
6.权利要求1的方法，其中解理步骤包括牢固夹住石英片并对石英坯片施加一个弯曲力使沟道底部基本沿一个原子平面切向断裂而从石英片单一分割石英坯片。
7.一种为单一分割而刻蚀光刻产生的石英晶体坯片的方法，它包括：
提供在其二面分别涂覆一个金属层和一个光致抗蚀剂层的石英片；
在石英片的二面从光致抗蚀剂和金属层清除预定图形以暴露二个面对的各带有一个底部并与界定一个石英坯片的剩余石英周边相连接的石英沟道；
刻蚀界定石英坯片的周边并沿严格平行的石英原子平面刻蚀二个沟道的底部，由此形成沟道的刻蚀壁且由严格平行的原子平面界定，沟道的底部不刻蚀穿通石英片；
从金属层剥离光致抗蚀剂；以及
基本上沿一个沟道的底部并基本上对准于一个石英晶体原子平面进行解理以从石英片单一分割石英坯片，由此可尽量减少石英的碎裂。
8.权利要求7的方法，其中刻蚀步骤包括：
将沟道底部暴露于刻蚀剂中一段足够长的时间以便至少部分地减弱接近沟道处的石英片的机械强度，但刻蚀时间要足够短以便不刻蚀穿通石英片；以及
暴露石英片面对二面上的周边并界定石英坯片足够长的时间以便刻蚀穿通石英片。
9.权利要求7的方法，其中在刻蚀步骤以前清除步骤包括严格对准在石英片的相对二侧带有二个沟道的预定图形，并且二个沟道不共享一个相交的原子平面。
10.权利要求7的方法，其中在石英片相对二侧的预定图形的选择是用于界定至少一个沟道，其宽度明显窄于界定石英坯片的周边的宽度，由此由于在窄沟道中活性刻蚀剂耗尽速率的增加，使窄沟道底部的刻蚀慢于界定石英坯片的宽的周边的刻蚀。
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