一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用与流程

本发明属于光学陀螺的si基光电子器件制备技术领域，更具体地，涉及一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用。

背景技术：

陀螺仪作为测量载体角加速度和姿态的重要传感器件，是惯性导航系统的重要核心部件，被广泛的应用于航天航海、制导控制、隧道施工和汽车制造等各种领域，其发展对工业领域重大科技计划的研究具有重要意义。

谐振式光学陀螺作为光学陀螺的一个发展方向，其工作原理是通过检测谐振腔中两束反向传输的光波回到出发点时的sagnac效应引起的谐振频差的变化来计算待测物体的角加速度变化，实现角速度传感的检测；由于其具有精度高、体积小且功耗低等显著优势，被广泛研究。其中，si基谐振式光学微腔陀螺以小型化和集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势，其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径d与品质因数q值的乘积。目前，常见的硅基微腔直径为微米级。

传统的楔形谐振腔加工采用mems工艺，流程简单，是制备大尺寸微腔的主要结构；然而，由于受mems加工工艺技术的限制，微腔直径d越大，微腔结构的均匀性和表面粗糙度就越难以保证，微米级的表面粗糙度极大的减小了微腔结构的q值。

鉴于此，有必要研究开发一种能在si基晶圆上实现特定倾角且表面平坦的楔形结构以及获得超高品质因素(q值)的大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法，包括：

依次在si晶元表面构建sio2氧化层和掩膜层；

采用接触式紫外曝光的方式对所述掩膜层进行光刻曝光处理，清除掩膜层中的多余部分；

对所述sio2氧化层进行boe腐蚀，在掩膜层内侧形成sio2楔形腔，随后清除附着在所述sio2楔形腔表面的掩膜层；

采用xef2气体对所述si晶元表面进行刻蚀处理，在所述sio2楔形腔内侧形成si楔形腔。

在上述技术方案中，所述boe腐蚀采用氟化氢缓冲溶液进行湿法腐蚀。

优选地，在上述技术方案中，所述氟化氢缓冲溶液为氢氟酸和氟化铵的混合水溶液。

具体地，在上述技术方案中，氟化氢缓冲溶液中氢氟酸和氟化铵的配比会影响对二氧化硅的腐蚀效果，当氢氟酸的含量过高，腐蚀速度难以控制，过快的腐蚀速度会影响楔形腔的上表面光滑程度，相反，当氢氟酸的含量过低，腐蚀速度过慢。

进一步优选地，在上述技术方案中，所述boe腐蚀的时间为8-10h。

具体地，在本发明的一个优选实施方式中，所述氟化氢缓冲溶液为48-50wt％的氢氟酸水溶液与38-42.5wt％的氟化铵水溶液按体积比为1：4.8-6.5的比例混合而成。

具体地，在本发明的另一个优选实施方式中，所述boe腐蚀的时间为9h。

在上述技术方案中，所述掩膜层为az6130光刻胶。

详细地，az6130光刻胶的粘稠度较大，可旋涂得到较厚的掩膜层，从而控制湿法腐蚀中掩膜层(az6130光刻胶)的脱落速度。

优选地，在上述技术方案中，所述掩膜层的厚度为3.75-4.18μm。

进一步地，在上述技术方案中，所述紫外曝光的时间为9-12s；进一步优选为10s。

具体地，在上述技术方案中，所述sio2氧化层的厚度为5-7.5μm；优选为6μm。

具体地，在上述技术方案中，上述sio2氧化层能有效辅助xef2气体的选择性气相腐蚀微腔下部的作用。xef2具有对si很高的选择比，即在气体氛围内同时存在si与sio2时，xef2气体腐蚀si的量远高于对sio2的腐蚀量，当sio2氧化层过厚时，气相腐蚀出的微腔下部接近圆柱体，q值较低；相反，当sio2氧化层过薄时，则无法起到合理的保护功能，上下部分连接处脆弱易断裂。

进一步地，在上述技术方案中，所述大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法还包括，

在构建所述掩膜层前，将表面设有sio2氧化层的si晶元置于六甲基二硅中进行蒸涂处理。

详细地，通过对氧化硅片进行粘附剂六甲基二硅hmds(hexamet-hyldisilane)蒸涂，可增强掩膜层与sio2氧化层之间的附着力。

详细地，在本发明的一个具体实施方式中，所述大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法，具体包括以下步骤：

s1、彻底清洗si晶元并置于瓷舟中，放入到初始温度为400-800℃的立式单腔体垂直炉中，在通入氩气或氮气的条件下升高立式单腔体垂直炉的温度，当炉温达到800-1100℃时，通入氧气或氧气-氢气混合气，控制氧化时间，在si晶元表面构建厚度为5.7-6.2μm的sio2氧化层，随后再次彻底清洗后在100-130℃下烘烤45-80min，并置于六甲基二硅中进行蒸涂处理；

s2、选取az6130光刻胶为掩膜层，在转数为2750-2900rpm的条件下，在所述sio2氧化层表面旋涂形成厚度为3.8-4.1μm的掩膜层；

s3、选取接触式紫外曝光的方式，采用ma6型号光刻机对az6130光刻胶掩膜层紫外曝光9-10s，并在由甲基氢氧化铵和去离子水以体积比为1：3.5-5的比例混合制得的显影液中显影30-35s，显影完成后在140-160℃下烘干9-12min；

s4、将49wt％的氢氟酸水溶液与40wt％的氟化铵水溶液按体积比为1：6的比例混合制得氟化氢缓冲溶液，随后将完成步骤s3的si晶元的图形区整体浸没在氟化氢缓冲溶液中boe腐蚀9h，在掩膜层内侧形成sio2楔形腔，随后清除附着在所述sio2楔形腔表面的掩膜层，并在980-1050℃下退火24h；

s5、采用莎姆克台式xef2刻蚀系统对完成步骤s4的si晶元进行刻蚀，si晶元与xef2反应生成sif4，从而在所述sio2楔形腔内侧形成si楔形腔。

本发明另一方面还提供了上述制备方法制备得到的大尺寸光学陀螺楔形腔。

本发明再一方面还提供了上述制备方法或上述制备方法制备得到的大尺寸光学陀螺楔形腔在制备光学陀螺中的应用。

本发明在si晶元表面形成sio2氧化层以及掩膜层，通过hf缓冲液(boe)对sio2腐蚀，改变涂覆hmds粘接剂的计量参数控制光刻胶成膜参数，从而控制在腐蚀液中脱落时间；最外层接近光刻胶涂覆区域侧面的腐蚀速率最快，随着层在侧向和纵向腐蚀的同时，腐蚀液通过光刻胶涂覆层和sio2中间空隙进入，由于改变了hmds粘接剂的计量，光刻胶较为容易的按照由外至内的顺序逐渐脱落，因此，最外层纵向腐蚀时间最长，中心区则较短，由此形成了楔形结构；通过腐蚀时间的控制去除侧壁多余凸角，使侧壁光滑；调节温度控制反应速率，实现需要的楔形结构后从腐蚀液中取出；随后进行热退火，除去湿法腐蚀工艺步骤中残留水分；在对si衬底进行腐蚀时采用对si和sio2具有高选择性的xef2气体作为反应气对si衬底进行干法刻蚀，xef2对于si和sio2的选择比大于1：100。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明解决了si基材料中难以加工成型大尺寸的楔形腔的问题，可在si基晶圆上实现特定倾角且表面平坦的楔形结构并获得超高品质因素(q值)的光学谐振，具有工艺简单、表面平整度高和易于实现等优点，将对今后谐振式光学陀螺以及其他精密角速度测量的器件的发展提供巨大的助力。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法的流程示意图；

图中：

1-si晶元，2-sio2氧化层，3-az6130光刻胶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。

以下实施例，仅用于说明本发明的内容，但不用来限制本发明的范围。

若未特别指明，本发明实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都应属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

s1、彻底清洗si晶元并置于瓷舟中，放入到初始温度为600℃的立式单腔体垂直炉中，在通入氩气的条件下升高立式单腔体垂直炉的温度，当炉温达到1000℃时，通入氧气并控制氧化时间，在si晶元1的表面构建厚度为6μm的sio2氧化层2，随后再次彻底清洗后在120℃下烘烤60min，并置于六甲基二硅中进行蒸涂处理，以增强sio2氧化层2对后续的掩膜层3的附着力；

s2、选取az6130光刻胶为掩膜层3，在转数为2800rpm的条件下，在所述sio2氧化层表面旋涂形成厚度为4μm的掩膜层；

s3、选取接触式紫外曝光的方式，采用ma6型号光刻机对az6130光刻胶掩膜层紫外曝光10s，并在由甲基氢氧化铵和去离子水以体积比为1：4的比例混合制得的显影液中显影30s，显影完成后在150℃下烘干10min；

s4、将49wt％的氢氟酸水溶液与40wt％的氟化铵水溶液按体积比为1：6的比例混合制得氟化氢缓冲溶液，随后将完成步骤s3的si晶元的图形区整体浸没在氟化氢缓冲溶液中boe腐蚀9h，在掩膜层内侧形成sio2楔形腔，随后清除附着在所述sio2楔形腔表面的掩膜层，并在1000℃下退火24h；

s5、采用莎姆克台式xef2刻蚀系统对完成步骤s4的si晶元进行刻蚀，si晶元与xef2反应生成sif4，从而在所述sio2楔形腔内侧形成si楔形腔。

实施例2

本发明实施例提供了一种大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法，与实施例1类似，具体包括以下步骤：

s1、彻底清洗si晶元并置于瓷舟中，放入到初始温度为600℃的立式单腔体垂直炉中，在通入氩气的条件下升高立式单腔体垂直炉的温度，当炉温达到1000℃时，通入氧气并控制氧化时间，在si晶元1的表面构建厚度为6μm的sio2氧化层2，随后再次彻底清洗后在120℃下烘烤60min，并置于六甲基二硅中进行蒸涂处理，以增强sio2氧化层2对后续的掩膜层3的附着力；

s2、选取az6130光刻胶为掩膜层3，在转数为2900rpm的条件下，在所述sio2氧化层表面旋涂形成厚度为3.8μm的掩膜层；

s3、选取接触式紫外曝光的方式，采用ma6型号光刻机对az6130光刻胶掩膜层紫外曝光10s，并在由甲基氢氧化铵和去离子水以体积比为1：4的比例混合制得的显影液中显影30s，显影完成后在150℃下烘干10min；

s4、将48.5wt％的氢氟酸水溶液与42wt％的氟化铵水溶液按体积比为1：5.5的比例混合制得氟化氢缓冲溶液，随后将完成步骤s3的si晶元的图形区整体浸没在氟化氢缓冲溶液中boe腐蚀9h，在掩膜层内侧形成sio2楔形腔，随后清除附着在所述sio2楔形腔表面的掩膜层，并在1000℃下退火24h；

s5、采用莎姆克台式xef2刻蚀系统对完成步骤s4的si晶元进行刻蚀，si晶元与xef2反应生成sif4，从而在所述sio2楔形腔内侧形成si楔形腔。

分别采用扫描电镜和矢量网络分析仪测试实施例1-2所制得的楔形腔的腔壁表面粗糙度和其q值，结果如下表1所示。

表1楔形腔的腔壁表面粗糙度和q值检测结果

从上表1的结果可以看出，采用本发明实施例的方法制备得到的大尺寸光学陀螺楔形腔的腔壁表面粗糙度和q值明显优于现有技术中采用mems工艺制备得到的大尺寸光学陀螺楔形腔的腔壁表面粗糙度和q值；本发明实施例所提供的方法彻底解决了si基材料中难以加工成型大尺寸的楔形腔的问题，可在si基晶圆上实现特定倾角且表面平坦的楔形结构并获得超高品质因素的光学谐振，具有工艺简单、表面平整度高和易于实现等优点，在谐振式光学陀螺和其他精密角速度测量的器件制备中应用前景广阔。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。