一种熔石英悬臂梁-质量块结构及其加工方法与流程

本发明涉及微电子机械系统微加工，特别涉及一种熔石英悬臂梁-质量块结构及其加工方法。

背景技术：

1、微电子机械系统（micro-electromechanical systems，mems）传感器具有体积小、功耗低、易于集成的优点，广泛的应用于工业监测、航空航天和国防武器等领域中。熔融石英（熔石英）是一种绝缘材料，可避免半导体材料的载流子效应，抗辐照能力强，具有高的化学稳定性，并具有优良的温度、机械性能，高的品质因数。利用熔石英制作的传感器具有优异的性能，如石英挠性加速度计是目前小型化的加速度计中测量精度最高的，已经在航空航天和国防武器中服役数十年。将熔石英材料用于微传感器中，发挥石英材料的高稳定性，有利于提高微传感器的性能。但由于熔石英的化学稳定性，导致其很难加工。

2、目前，熔石英材料的加工还主要采用精密机械制造的方法，精密机械制造的方法加工的熔石英结构体积尺寸较大，很难适用于mems微结构的加工，例如：mems传感器中的悬臂梁-质量块结构的悬臂梁厚度只有几十微米，精密机械制造的方法无法获得。

3、目前，可用于熔石英的mems加工方法主要有三种：干法刻蚀、湿法刻蚀和超快激光加工。干法刻蚀深宽比高，但效率低，且掩膜困难，适用于较浅结构的加工，很难完成石英悬臂梁-质量块三维结构的加工。湿法刻蚀能够实现光滑薄梁，但侧壁不陡直，且由于熔石英的各向同性刻蚀特性，深宽比不高（＜1:1），质量块跟边框的间距较大，导致整个器件的面积较大。超快激光加工是最近几年发展起来一种新技术，能够实现侧壁陡直的结构，已经在透明介质加工方面得到了广泛应用，但超快激光加工一般用于打孔、划片，很难获得光滑薄梁结构，如悬臂梁-质量块结构中的悬臂梁。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法以及通过该加工方法得到的悬臂梁-质量块结构。

2、一方面，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，该悬臂梁-质量块结构包括悬臂梁、质量块和边框。该加工方法包括以下步骤：

3、s01：根据悬臂梁-质量块结构的图形，采用超快激光切割加工熔石英基片，在熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道；

4、s02：清洗熔石英基片，在熔石英基片正反两面制备熔石英刻蚀掩膜层；

5、s03：在熔石英刻蚀掩膜层上涂覆光刻胶，光刻所述悬臂梁区域露出熔石英刻蚀掩膜层；

6、s04：去除悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片；

7、s05：使用刻蚀液刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片形成悬臂梁；

8、s06：去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层；

9、s07：使用刻蚀液刻蚀熔石英基片，使得贯穿的切割通道的宽度变大，分离所述质量块与边框。

10、优选地，切割通道的宽度小于5μm。

11、优选地，熔石英刻蚀掩膜层为氮化硅膜、多晶硅、非晶硅、cr/au膜或cr/au/cr/au膜中的任意一种。

12、优选地，s02步骤中采用体积比为硫酸：双氧水=4:1的混合溶液清洗熔石英基片。

13、优选地，s04步骤中采用腐蚀溶液去除熔石英刻蚀掩膜层。

14、优选地，刻蚀液为hf溶液或氟化氢铵溶液。

15、特别地，步骤s07中，刻蚀液采用浓度为49%的hf溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀熔石英基片15~25分钟。

16、另一方面，本发明提供一种熔石英悬臂梁-质量块结构，采用前述第一方面的加工方法制成。

17、特别地，边框与质量块之间的间隙的深宽比大于20:1。

18、特别地，质量块与边框的厚度相等。

19、本发明的特点及优点包括：

20、采用本发明的悬臂梁-质量块结构的加工方法，能够使单个悬臂梁-质量块结构的面积做小，可节省石英基片的用料，节约成本。

21、采用本发明的加工方法制成的悬臂梁-质量块结构，不仅质量块与边框的侧壁陡直，悬臂梁薄且侧壁陡直，而且质量块与边框之间的间隙的深宽比可根据加工需求随意调整，间隙的深宽比可做到大于20:1，可满足质量块与边框之间的间隙高深宽的加工需求。

技术特征：

1.一种熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，所述悬臂梁-质量块结构包括悬臂梁、质量块和边框，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，所述切割通道的宽度小于5μm。

3.根据权利要求1或2所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，所述熔石英刻蚀掩膜层为氮化硅膜、多晶硅、非晶硅、cr/au膜或cr/au/cr/au膜中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，s02步骤中采用体积比为硫酸：双氧水=4:1的混合溶液清洗熔石英基片。

5.根据权利要求4所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，s04步骤中采用腐蚀溶液去除所述熔石英刻蚀掩膜层。

6.根据权利要求5所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，所述刻蚀液为hf溶液或氟化氢铵溶液。

7.根据权利要求6所述的熔石英悬臂梁-质量块结构的加工方法，其特征在于，步骤s07中，所述刻蚀液采用浓度为49%的hf溶液，在刻蚀温度为22℃的条件下，刻蚀熔石英基片15~25分钟。

8.一种熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，采用权利要求1~7中任一项所述的加工方法制成。

9.根据权利要求8所述的熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，所述边框与所述质量块之间的间隙的深宽比大于20:1。

10.根据权利要求9所述的熔石英悬臂梁-质量块结构，其特征在于，所述质量块与所述边框的厚度相等。

技术总结本发明涉及微电子机械系统微加工技术领域，本发明公开一种熔石英悬臂梁‑质量块结构及其加工方法。加工方法包括以下步骤：根据悬臂梁‑质量块结构的图形，采用超快激光切割加工熔石英基片，在熔石英基片上形成上下贯穿的切割通道；清洗熔石英基片、制备熔石英刻蚀掩膜层；光刻悬臂梁区域露出熔石英刻蚀掩膜层；去除悬臂梁区域的熔石英刻蚀掩膜层露出熔石英基片；刻蚀悬臂梁区域的熔石英基片形成悬臂梁；去除熔石英基片上剩余的光刻胶及熔石英刻蚀掩膜层；使用刻蚀液刻蚀熔石英基片，分离质量块与边框。制得的熔石英悬臂梁‑质量块结构，其悬臂梁薄且侧壁陡直，可满足质量块与边框之间的间隙高深宽的加工需求。技术研发人员：张照云,沈朝阳,王颉,熊壮,赵宝林,刘振华,王旭光,屈明山,郭建宏,魏云川受保护的技术使用者：中国工程物理研究院电子工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/13