免费刻蚀机台论文研究

从化学刻蚀和反应离子刻蚀技术的讨论可知，化学刻蚀的腐蚀速率快，各向异性好且成本低，反应离子刻蚀的腐蚀速度较慢，成本较高。我们要加工的振子厚度为几百微米，且要求腐蚀速度的各向异性大，因此，利用化学刻蚀技术来加工振子。包括：基片加工、沉积保护膜、光刻、化学各向异性刻蚀等工序。每一步都很重要，如果基片表面缺陷多，表面有划痕，腐蚀后这些划痕会加宽加深，影响振子的表面平整度。如果基片清洗不干净，基片表面的尘埃会减小石英与保护膜之间的附着力。保护膜附着力不好，会导致刻蚀振子的失败。但是，所有工序中最关键的还是化学各向异性刻蚀工艺。 腐蚀速度取决于腐蚀液的组成及温度，温度越高，腐蚀速度越快。我们以HF、NH4F、 NH4HF、KF为腐蚀液的主要组分，对各种不同组分及不同浓度的腐蚀液在不同温度下进行了大量试验。实验中遇到的主要问题是腐蚀后石英音叉振子的±X的侧壁形状不一致，如图2所示，由于X侧壁只有一个方向很陡，而另外一方有凸出边缘，造成后道工序无法完成。分析了SiO2在HF中的

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各向同性与各向异性刻蚀技术原理及其应用 传统的惯性传感器由于其体积大、成本高，制约了它在很多方面的应用。利用微机械加工方法制作微机械振动陀螺，能实现批量生产，使产品的成本低、体积小、重复性及一致性好。这些特点使微机械振动陀螺具有鲜明的军民两用性，从而引起了国内外学者的广泛关注。从八十年代中期以来，美、英、日、德等工业发达国家投入了大量的人力与财力来开展微机械振动惯性器件的研究。 由于半导体集成电路制作中大多采用硅基片，人们对硅的认识越来越深，国内外许多文献报道的微机械惯性传感器都是做在硅片上的，但是，微机械加工材料并不仅限于硅材料，其他许多材料也适合制作特殊的微型器件，压电石英晶体也是常用的一种。 从单晶结构和高弹性模量的角度来说，石英晶体和硅材料都是微机械惯性传感器理想的振子材料。它们具有不同的晶体对称性，石英属于三角晶系，硅属于立方晶系，硅具有更高的对称性。因此，它们的一些物理特性完全不同。石英是绝缘体，而硅是半导体，用石英做成的器件不存在导电体间的电流泄露。石英是第一种得到广泛应用的压电晶体，很适合制做谐振器的微结构。而硅不是压电体，利用它做谐振器件需要更复杂的技术。我们选用石英晶体材料，利用微加工工艺研制出了微机械振动陀螺样机，以下主要介绍我们所采用的结构、原理及试验结果。

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各向同性与各向异性刻蚀技术原理及其应用 传统的惯性传感器由于其体积大、成本高，制约了它在很多方面的应用。利用微机械加工方法制作微机械振动陀螺，能实现批量生产，使产品的成本低、体积小、重复性及一致性好。这些特点使微机械振动陀螺具有鲜明的军民两用性，从而引起了国内外学者的广泛关注。从八十年代中期以来，美、英、日、德等工业发达国家投入了大量的人力与财力来开展微机械振动惯性器件的研究。由于半导体集成电路制作中大多采用硅基片，人们对硅的认识越来越深，国内外许多文献报道的微机械惯性传感器都是做在硅片上的，但是，微机械加工材料并不仅限于硅材料，其他许多材料也适合制作特殊的微型器件，压电石英晶体也是常用的一种。从单晶结构和高弹性模量的角度来说，石英晶体和硅材料都是微机械惯性传感器理想的振子材料。它们具有不同的晶体对称性，石英属于三角晶系，硅属于立方晶系，硅具有更高的对称性。因此，它们的一些物理特性完全不同。石英是绝缘体，而硅是半导体，用石英做成的器件不存在导电体间的电流泄露。石英是第一种得到广泛应用的压电晶体，很适合制做谐振器的微结构。而硅不是压电体，利用它做谐振器件需要更复杂的技术。我们选用石英晶体材料，利用微加工工艺研制出了微机械振动陀螺样机，以下主要介绍我们所采用的结构、原理及试验结果。二、基本结构及工作原理石英微机械振动陀螺的基本结构如图1所示。 利用闭环恒增益振荡电路激励驱动音叉，使其在10kHz附近谐振，当音叉沿输入轴以角速度W旋转时，由于音叉以一定速度左右摆动而产生哥氏转矩，该转矩使读出音叉沿垂直于驱动音叉振动平面的方向前后振动，（驱动音叉和读出音叉的振动方向见图1），由于压电效应，会在读出音叉上产生电荷，检测出读出音叉上产生的电荷大小即可测得输入角速度。三、各向异性刻蚀原理 石英晶体的各向异性刻蚀有干法（反应离子刻蚀）和湿法（化学刻蚀方法）两种。1．反应离子刻蚀技术等离子体刻蚀技术利用等离子体取代化学腐蚀液，该工艺用作微机械加工所得到的外形不受基片的晶向控制，等离子体不会给微结构带来大的应力，但设备比较复杂且很多参数必须控制。典型参数是气体的性质和流量，基片的性质和面积，电极结构，激励的电磁参数和真空室的外形等，不同组合会产生不同的腐蚀过程。具有高速、各向异性和选择性的理想的等离子微机械加工工艺还有待开发。然而，借助已经进行的研究可以预测这种工艺在近几年内会成为现实。从微机械加工的观点来看，腐蚀深度只有几十微米是太有限了，要利用反应离子刻蚀工艺来各向异性刻蚀几百微米的凹槽还需要作进一步的研究。2． 化学刻蚀技术 石英晶体的刻蚀速度依赖于被腐蚀面的晶向，对这种各向异性刻蚀的原理目前还不是很明确。被腐蚀晶面的原子密度似乎是决定因素，腐蚀速度最慢的对应的是最密的面。石英晶体具有一个非常有用的特征，就是对于所有平行于Z轴的面，其腐蚀速率实际上为零。利用该特性可以在Z切基片上形成不同形状的垂直于Z轴的陡壁。石英在HF与NH4F缓冲液中腐蚀的方程为：SiO2+4HF→SiF4+2H2OSiF4 在一般条件下是气体，在有HF的溶液中来不及挥发便与HF生成络合物：SiF4+2HF→H2SiF6SiF4+2NH4F→(NH4)2SiF6 腐蚀速率取决于腐蚀液的组成及温度，腐蚀表面的性质依赖于腐蚀液中的正离子及温度。带H+的腐蚀液有台阶但无坑点，带NH4+的腐蚀液有台阶和坑点（25°C时比55°C时的坑点少），带K+的腐蚀液无台阶且在25°C时无坑点。最终石英片的厚度根据腐蚀时间来确定，这就要求精确监控腐蚀液温度，温度变化1°C，腐蚀速率会产生 /min的变化。四、石英微机械惯性传感器的关键加工技术 从化学刻蚀和反应离子刻蚀技术的讨论可知，化学刻蚀的腐蚀速率快，各向异性好且成本低，反应离子刻蚀的腐蚀速度较慢，成本较高。我们要加工的振子厚度为几百微米，且要求腐蚀速度的各向异性大，因此，利用化学刻蚀技术来加工振子。包括：基片加工、沉积保护膜、光刻、化学各向异性刻蚀等工序。每一步都很重要，如果基片表面缺陷多，表面有划痕，腐蚀后这些划痕会加宽加深，影响振子的表面平整度。如果基片清洗不干净，基片表面的尘埃会减小石英与保护膜之间的附着力。保护膜附着力不好，会导致刻蚀振子的失败。但是，所有工序中最关键的还是化学各向异性刻蚀工艺。腐蚀速度取决于腐蚀液的组成及温度，温度越高，腐蚀速度越快。我们以HF、NH4F、 NH4HF、KF为腐蚀液的主要组分，对各种不同组分及不同浓度的腐蚀液在不同温度下进行了大量试验。实验中遇到的主要问题是腐蚀后石英音叉振子的±X的侧壁形状不一致，如图2所示，由于X侧壁只有一个方向很陡，而另外一方有凸出边缘，造成后道工序无法完成。分析了SiO2在HF中的腐蚀机理的前提下对不同浓度及不同温度的多种腐蚀液进行多种组合试验，最终得到了比较合理的腐蚀液组分及工作温度条件。工艺条件改善后加工出的腐蚀图形如图3所示。 五、试验结果我们利用化学刻蚀法各向异性刻蚀方法来加工石英音叉振子，目前已研制出石英微机械陀螺样机。微机械陀螺样机的零位稳定性为°/s，目前为国内领先水平。 图4-5分别为石英微机械振动陀螺在空气中测试的驱动和读出面的阻抗-相位特性曲线。石英微机械振动陀螺在空气中测试的驱动和读出面的频率分别为和 ~，驱动面和读出面的Q值为2000~5000。 六．结论利用化学各向异性刻蚀已经研制出微机械陀螺样机，简要说明了石英微机械振动陀螺的加工和试验结果。下一步的工作将集中进行高精度微机械振动陀螺的研究以及微机械振动陀螺的工程化研究。随着MEMS技术的发展，我们可以肯定地说：在不久的将来，国产石英微机械振动陀螺将完全能满足军民两用的需求。