一种高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面的制备系统及其工艺方法与流程

技术领域：

本发明属于微机电系统加工工艺领域，具体涉及一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的制备系统和工艺方法

背景技术：：

高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面在微半球谐振子，微半球陀螺，微半球沟道，微半球透镜等微机电系统设计中，是一种极为基础和重要的结构。以微型半球谐振器和微半球陀螺为例，半球曲面的高深宽，意味着更高的有效质量和角增益因子；半球曲面的高对称性，意味着更低的频率裂解和高灵敏度；半球曲面的高光滑度，意味着更高品质因子和零偏稳定性。

制备高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面通常通过硅的各向同性腐蚀完成，硅的各向同性腐蚀方法主要有hna湿法腐蚀，xef2干法腐蚀和sf6等离子刻蚀。xef2干法腐蚀的问题是腐蚀速度较慢(约为hna腐蚀速度的1/10)，同时腐蚀后表面不够均匀。sf6等离子刻蚀的主要问题是加工设备较为昂贵，工艺参数的摸索周期较长。因此这一发明中主要采用了hna湿法腐蚀的方法，以获取高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面。hna湿法腐蚀过程中，腐蚀结果主要受到腐蚀溶液配比、反应温度和反应搅拌的影响。腐蚀溶液配比直接决定反应的对称性和反应后表面的粗糙程度，反应温度的控制有助于提高反应速率，缩短工艺周期；反应的搅拌有利于均匀化反应过程中的生成物，让半球曲面得到更好的对称性。

本发明的意义在于，设计了一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的制备系统和工艺方法，可以得到各向同性深度可达400μm以上，腐蚀结果的二维圆周不对称度控制在0.5％以内，在腐蚀之后硅表面的粗糙度小于10nm的硅微半球曲面，并且加工周期可以控制在2小时以内。对比之前所述的加工方法，本发明具有设备简单、加工成本低，周期短，良率高等优点。

技术实现要素：：

本发明的目的在于提供一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的制备系统和工艺方法，其具有系统设备便宜易于组装，工艺方法简洁，成熟，加工周期短，良品率高等优点。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的制备系统，由表及里，从下至上，包括：恒温水浴箱，腐蚀皿，腐蚀盖板，夹具，直流电机。

其中，所述的恒温水浴箱由长方体型水槽，加热温控系统组成；所述腐蚀皿为圆柱体型，其上边沿有伸出的卡边，其中将放置用于各向同性腐蚀的腐蚀液；所述腐蚀盖板由圆形盖子和四个卡槽组成，圆形盖子上有一同轴小圆形通孔，圆形盖子的直径与腐蚀皿直径相等，卡槽的长度与腐蚀皿的卡边的长度相等；所述夹具由一个圆柱体型支撑轴与四个“j”型夹爪组成，圆柱形支撑柱顶端开有同轴圆柱形槽，同轴圆柱形槽的目的是为了和直流电机的电机轴相连，支撑柱底端与四个“j”型夹爪相固定，四个“j”型夹爪可以固定一个四英寸硅片。所述直流电机下端伸入所述腐蚀皿盖板的圆形盖子上的小型通孔中，直流电机的轴与所述夹具的圆柱体型支撑轴的顶端同轴圆柱形槽相连并同轴固定，可带动夹具做同轴旋转。

所述恒温水浴箱的典型容积大小为，450mm×450mm×220mm(长×宽×高)，典型功率为60w～150w，温控精度为0.1度。

所述腐蚀皿的典型容积大小为，π×150mm^2×180mm(半径平方×高)，伸出的卡边为20mm，壁厚的典型厚度为5mm。

所述腐蚀皿盖板的圆形盖子的典型半径为170mm，卡槽的典型长度为10mm，典型宽度为30mm，典型厚度为5mm。所述圆形盖子的上的小同轴圆形通孔的半径典型值为6mm。

所述夹具的圆柱体型支撑轴的典型长度为30mm，典型半径为4mm，支撑住顶端开有圆柱体的槽的典型长度为10mm，半径为2mm。所述“j”型爪的长边的典型值为80mm，短边的典型值为10mm，长边与短边的夹角的典型值为45度。

所述直流电机的额定电压的典型值为12v，速率可调的典型范围为5～60rpm，扭矩的典型值为5～30kg·cm。所述直流电机伸出的轴长为15mm，半径为2mm。

所述腐蚀皿，腐蚀盖板，夹具的制造材料为特氟龙或聚丙烯。

一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的加工工艺，包括以下步骤：

1)制备掩膜和光刻腐蚀开口

取4英寸低阻硅片，清洗，热氧化二氧化硅应力缓冲层，再低压化学气相沉积氮化硅做为腐蚀掩膜。涂胶，光刻，反应离子刻蚀，各向同性腐蚀前的开口。

2)配置制备系统

所述水浴槽内加入去离子水，控温至30.0摄氏度。按照3∶7∶1的体积比配置hna溶液，其中hf浓度为49％，hno3浓度为70％，ch3cooh浓度为99.8％，每份的体积为45ml，将混合溶液倒入腐蚀皿中，放置20分钟以上，确保混合溶液温度为30.0摄氏度。

3)各向同性腐蚀得到所需球面

将1)中的硅片用去离子水漂洗，氮气枪吹干后，固定在所示夹具上。将夹有硅片的夹具放入腐蚀皿中的溶液中，合上腐蚀皿盖板，启动直流电机，控制电机转速为20rpm。各向同性腐蚀的平均速度约为4μm/min，根据所需深度进行对应时间的腐蚀。

附图说明

图1高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统斜二测视图

图2高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统

图3高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统的电机和夹具

图4高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统的腐蚀皿盖板

图5高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统的腐蚀皿

图6高深宽高对称性高表面光滑度硅微半球曲面制备系统的恒温水浴箱

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1～2所示，一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的制备系统，包括；恒温水浴箱16，腐蚀皿15，腐蚀盖板12，夹具13，直流电机11。

如图1～6所示，所述的恒温水浴箱16由长方体型水槽61，加热温控系统62组成；所述腐蚀皿15为圆柱体型，其上边沿有伸出的卡边52，皿51中将放置用于各向同性腐蚀的腐蚀液；所述腐蚀盖板12由圆形盖子41和四个卡槽42组成，圆形盖子上有一同轴小圆形通孔43，圆形盖子41的直径与腐蚀皿的卡边52直径相等，卡槽的长度42与腐蚀皿的卡边52的伸出长度相等；所述夹具13由一个圆柱体型支撑轴34与四个“j”型夹爪35组成，圆柱形支撑柱顶端开有同轴圆柱形槽33，同轴圆柱形槽的目的是为了和直流电机31的电机轴32相连，支撑柱34底端与四个“j”型夹爪35相固定，四个“j”型夹爪35可以固定一个四英寸硅片14。所述直流电机11下端伸入所述腐蚀皿盖板的圆形盖子上的小型通孔43中，直流电机的轴32与所述夹具的圆柱体型支撑轴34的顶端同轴圆柱形槽33相连并同轴固定，可带动夹具13做同轴旋转。

如图3所示，所述夹具的圆柱体型支撑轴34的典型长度为30mm，典型半径为4mm，支撑住顶端开有圆柱体的槽33的典型长度为10mm，半径为2mm。所述“j”型爪35的长边36的典型值为80mm，短边37的典型值为10mm，长边与短边的夹角的典型值为45度。

如图3所示，所述直流电机31的额定电压的典型值为12v，速率可调的典型范围为5～60rpm，扭矩的典型值为5～30kg·cm。所述直流电机伸出的轴32长为15mm，半径为2mm。

如图4所示，所述腐蚀皿盖板的圆形盖子41的典型半径为170mm，卡槽42的典型长度为10mm，典型宽度为30mm，典型厚度为5mm。所述圆形盖子的上的小同轴圆形通孔43的半径典型值为6mm。

如图5所示，所述腐蚀皿51的典型容积大小为，π×150mm^2×180mm(半径平方×高)，伸出的卡边52为20mm，壁厚的典型厚度为5mm。

如图6所示，所述恒温水浴箱的典型容积大小为，450mm×450mm×220mm(长×宽×高)，典型功率为60w～150w，温控精度为0.1度。

所述腐蚀皿15，腐蚀盖板12，夹具13的制造材料为特氟龙或聚丙烯。

一种高深宽高对称性高表面光滑度的硅微半球曲面的加工工艺，包括以下步骤：

1)制备掩膜和光刻腐蚀开口

取四英寸低阻硅片，去离子水清洗，表面热氧化生长二氧化硅，用作应力缓冲层。lpcvd低压化学气相沉积氮化硅做为各向同性腐蚀的掩膜。涂胶，光刻，rie反应离子刻蚀，为之后各向同性腐蚀进行前开口工作。

2)配置制备系统

在所述水浴槽内加入去离子水，上电，并控温至30.0摄氏度。以3∶7∶1的体积比配置hna溶液，其中hf浓度为49％，hno3浓度为70％，ch3cooh浓度为99.8％，每份的体积为45ml，将混合溶液倒入腐蚀皿中，放置20分钟以上，确保混合溶液温度为30.0摄氏度。

3)各向同性腐蚀得到所需球面

将1)中的硅片用去离子水轻漂，氮气枪吹干后，固定在所示夹具上。将夹有硅片的夹具放入装有腐蚀液的腐蚀皿中，合上腐蚀皿盖板，启动直流电机，控制电机转速为20rpm。已知此条件下，各向同性腐蚀的平均速度约为4μm/min，根据所需深度进行对应时间的腐蚀。