一种压电石英结构的微加工工艺方法及应用与流程

本发明属于微机械电子(mems)微加工领域，具体涉及一种压电石英结构的微加工工艺方法及应用。

背景技术：

得益于其优异的压电特性和机械特性，石英晶体被广泛应用于微型高精度谐振加速度计、陀螺和谐振器中，在武器装备、航空航天、潜艇等惯性导航与姿态测量领域取得了广泛的应用。目前最常用的石英加工方法是氟基溶液的湿法腐蚀，由于石英晶向复杂，氟基溶液湿法腐蚀属于各向异性加工，各晶面的腐蚀速度不同，加工精度低，难以实现石英微小尺寸、复杂结构的高精度加工，而且存在侧壁晶棱、底面凸岛等缺陷，严重影响石英器件的精度和可靠性。

作为湿法腐蚀工艺的有效补充，反应离子刻蚀(rie)或感应耦合等离子体刻蚀(icp)等干法刻蚀工艺被广泛应用于mems微加工领域，尤其是在硅的微加工中起到了重要的作用，具有各向异性刻蚀(与晶向无关)、侧壁陡直、粗糙度好等优点，可用于mems器件中复杂可动结构的高精度微加工。目前，亦有将rie或icp干法刻蚀工艺应用于压电石英晶体的微加工，以期望替代单晶石英的氟基溶液湿法腐蚀工艺。但是，由于石英的硬度非常高，干法刻蚀工艺可以达到的石英刻蚀深度特征尺寸在1-20微米之间。此加工能力尚无法应用于整体式石英传感器和谐振器的加工中，因为典型的石英片厚度最小在100微米左右，石英的干法刻蚀能力无法加工出石英器件需要的可动结构。比如，厚度100微米的石英片，如果要加工出传感器需要的可动结构，要求刻蚀深度最小为50微米，才能通过正反两面同时刻蚀的方法将石英片贯穿，实现可动结构的微加工。因此，目前的rie或icp干法刻蚀工艺尚无法应用于压电石英mems传感器微小尺寸复杂结构的高质量加工。

由此可以看出，石英的微加工工艺是制约微型高精度石英器件进一步发展的主要因素之一。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压电石英结构的微加工工艺方法及应用，能够获得微小尺寸复杂石英结构的高精度微加工，主要应用于石英加速度传感器、石英陀螺、石英谐振器等领域的石英加工。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种压电石英结构的微加工工艺方法，包括如下步骤：

步骤1，制备加工用的基片，基片包括压电石英层、释放层和硅基底，压电石英层和硅基底通过释放层粘结固定在一起；

步骤2，减薄和抛光基片的压电石英层至预设厚度，形成减薄后压电石英层；

步骤3，根据拟加工的器件结构，采用石英干法刻蚀工艺在减薄后压电石英层上加工释放槽，加工的深度与减薄后压电石英层的厚度一致；

步骤4，将释放剂注入释放槽，释放剂与释放层接触并将释放层腐蚀掉，完成所需要可动结构的加工。

优选的，步骤1中，释放层由粘接剂制成。

进一步的，粘接剂为环氧树脂胶、有机硅胶粘剂或紫外光固化胶。

进一步的，粘接剂为紫外光固化胶，释放剂为丙酮。

优选的，步骤2中，减薄后压电石英层的厚度为5微米至50微米。

优选的，步骤3中，石英干法刻蚀工艺采用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。

优选的，步骤3中，还包括在：采用石英干法刻蚀工艺在减薄后压电石英层上加工辅助工艺孔，辅助工艺孔加工在拟加工的几何重心距离外轮廓的最小距离大于两倍释放层厚度的结构上；步骤4中，还包括：将释放剂注入辅助工艺孔。

优选的，辅助工艺孔的数量为若干个。

优选的，硅基底的厚度为100-500微米。

所述的压电石英结构的微加工工艺方法的应用，在石英加速度计、石英陀螺、石英谐振器的微加工中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明以“硅基-释放层-石英”的三明治式qos(quartzonsilicon)基片为基础进行加工，硅基底为后续步骤的减薄抛光和释放工艺提供支撑，采用硅基底支撑，通过减薄和抛光工艺降低压电石英层厚度，减薄的压电石英层可以通过石英干法刻蚀工艺刻穿，从而可以成功将石英干法刻蚀用于石英器件的加工。中间层为释放层，不仅起到固定压电石英层和硅基底的作用，还可以用作牺牲层，与释放剂产生化学反应并被消除，释放对应位置的压电石英层，形成压电石英可动结构。释放剂仅与释放层产生化学反应并去掉释放层，与压电石英层和硅基底均不产生任何反应。本发明提出的微加工方法使得石英器件的一体式干法刻蚀加工成为可能，不需要装配等方法就可以实现微小尺寸石英复杂结构的一体式加工。对目前高精度石英传感器、陀螺和谐振器等的微加工具有重要的意义。本发明提出的工艺方法可以实现高精度mems石英传感器、陀螺或谐振器等器件的一体式干法刻蚀加工，具有工艺简单、干法刻蚀加工石英、尺寸精度高等优点。

进一步的，由于质量块等尺寸较大的结构，释放剂可能会无法进入内部，因此在质量块等尺寸较大的结构上设计辅助工艺孔，以保证成功释放较大尺寸的结构。

本发明可应用于各种石英微加工工艺领域，包括石英加速度计、石英陀螺、石英谐振器等的微加工。解决微小尺寸复杂压电石英结构的高精度微加工问题。

附图说明

图1为“硅基-释放层-石英”基片结构示意图，(a)为基片的压电石英层、释放层和硅基底示意图；(b)为基片整体示意图。

图2为本发明采用基片加工压电石英可动结构的流程示意图，(a)原始qos基片；(b)减薄和抛光压电石英层形成减薄后压电石英层；(c)干法刻蚀减薄后压电石英层；(d)腐蚀去掉释放层释放可动压电石英层结构。

图3为实施例1所述“石英悬臂梁-质量块结构”的示意图。

其中，压电石英层1，释放层2，硅基底3，基片4，减薄后压电石英层5，释放槽6，辅助工艺孔7，可动空间8，悬臂梁9，质量块10。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1，一种“硅基-释放层-石英”的三明治式qos(quartzonsilicon)结构组成了加工用的基片4，其具体组成为：硅基底3位于基片4的最底层，用于强度支撑，硅基底3的厚度为100-500微米；顶层为压电石英层1，为器件层；中间层为释放层2，由粘接剂组成，包括环氧树脂胶、有机硅胶粘剂等各种用于粘结固定作用的材料。

所述的压电石英层1和底层硅基底3通过中间释放层2粘结剂固定在一起。

所述的中间释放层2不仅起到粘结固定硅基底3与压电石英层1的作用，还起到牺牲层作用，用于释放压电石英层1形成可动结构。

参照图2，采用基片4加工mems传感器或其它可动结构的流程为：

首先，减薄和抛光基片4的压电石英层1至预设厚度，形成减薄后压电石英层5，其中减薄后压电石英层5的厚度由石英干法刻蚀工艺能力和器件设计尺寸等两个指标决定，典型厚度尺寸为5微米至50微米；

然后，根据拟加工的器件结构，设计释放槽6和辅助工艺孔7的结构与尺寸，并采用石英干法刻蚀工艺(rie或icp)加工释放槽6和辅助工艺孔7，加工的深度与减薄后压电石英层5的厚度一致；一般在拟加工的结构满足几何重心距离外轮廓的最小距离大于两倍释放层2厚度时，才在该结构上加工辅助工艺孔7。

最后，采用释放剂，通过释放槽6和辅助工艺孔7进入牺牲层2，释放剂与释放层2产生化学反应，将释放槽6和辅助工艺孔7对应位置及其周围的释放层2腐蚀掉，形成可动空间8，完成所需要可动结构的加工。

实施例1

以干法刻蚀30微米厚压电石英悬臂梁-质量块为实例，阐述本发明中用于石英材料mems微加工的硅-释放层-石英qos工艺方法。采用的原材料为：100微米厚压电石英片1，500微米厚硅基底3，紫外光固化胶制备的释放层2。

其实施流程：

参照图3和图2，图3所示的压电石英结构由可动悬臂梁9和质量块10组成，其加工工艺流程可以根据图2进行描述如下：

(1)将100微米厚的压电石英层1和500微米厚的硅基底3采用紫外光固化胶(释放层2)固定在一起，形成图2(a)中的“硅基-释放层-石英”三明治式qos的基片4。

(2)将基片4的100微米厚压电石英层1减薄和抛光至30微米，形成图2(b)中的减薄厚压电石英层5。

(3)根据悬臂梁9和质量块10的尺寸与位置，设计释放槽6的结构与尺寸。此外，由于质量块尺寸比较大，腐蚀液会无法进入内部，因此在质量块10上设计辅助工艺孔7。采用石英干法刻蚀工艺将释放槽6和辅助工艺孔7刻蚀30微米深，将减薄后压电石英层5刻穿，暴露出释放层2。

(4)将基片4放入释放层2的释放剂中，在本实例中释放层2为紫外光固化胶，因此可以用丙酮做释放剂。释放剂通过释放槽6和辅助工艺孔7进入释放层2，将释放层2腐蚀掉来释放对应位置的压电石英层5，形成悬臂梁9和质量块10。