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石英MEMS传感器敏感芯片湿法刻蚀设备结构

时间:2021-06-05 点击次数:

湿法蚀刻一般分为①化学蚀刻液向片晶表面扩散②蚀刻液与片晶材料发生化学反应③反应后产物从片晶表面扩散至溶液中排出。一般情况下,溶液温度越高,扩散越快,浓度越高,腐蚀性越强,腐蚀速率也就越大。HF+NH4F+H2O溶液与石英晶体反应生成SiF62-离子,反应过程中产生的气泡也会吸附在晶体表面,从而形成微孔,阻碍HF溶液的扩散。石英MEMS传感器敏感芯片湿式蚀刻机结构技术、化学液温、液流场、化学溶液浓度、气泡去除等技术是湿式蚀刻机的关键制造技术。4.重要的湿法蚀刻设备制造技术,湿法蚀刻设备是一种整体结构技术。其结构主要由清洗槽、防蚀槽、槽体、排气孔、控制系统、水管系统等组成,主要用于清洁、封闭环境。因为HF溶液腐蚀性很强,所以设备的安全至关重要。一般情况下,框架采用钢结构框架封装,外壳采用耐腐蚀、强度高的PP(聚丙烯)板焊接而成。采用耐HF腐蚀、耐高温的PVDF材料制造,槽体选材洁净、耐HF腐蚀,保证长期腐蚀过程槽体不变形。此外,除过载、过温、排气风道风压检测、管道区酸液泄漏检测等常规安全保护措施外,氢氟酸浓度也比较高,因此在操作区域和管道区设置氢氟酸气体浓度检测报警装置,以保证设备和人员的安全。


石英MEMS传感器敏感芯片湿法刻蚀设备结构(图1)


湿法腐蚀设备的核心结构单元是其整体结构图蚀刻槽。化学液均匀扩散到晶片表面,是实现腐蚀形貌均匀控制的关键。蚀刻槽体的结构原理主要包括槽体、密封槽盖、旋转晶片机构、进样口、排样口等。槽体内采用四面360°循环溢流式结构,化学液注入采用底面对称式腔内均匀的小孔及均匀的孔板,溶液循环采用风囊泵将溶液脉动降至最低,并与管路注入泵的压力流量调节相配合,实现化学液从底面向上均匀流动。在底部和溢流口处采用大直径排出管,在工艺结束后,DIW(离子水)快速完成化学腐蚀清洗,实现腐蚀清洗一体化结构。化学液浓度是湿法蚀刻槽体浓度控制的重要指标,化学液浓度越高,腐蚀性越强,对侧腐蚀的控制越困难。石英石晶体湿浸液的溶液温度一般为40~90℃,溶液挥发速度很快,如果不能有效地控制溶液挥发速度,溶液浓度升高很快,对工艺形象不能有效地控制。高精密度浓度控制器能够准确地检测和控制HF离子的浓度,但是复杂且昂贵。槽盖为拱型结构,采用冷凝密封槽盖,槽盖内设有10~15℃的冷却水,有效地冷凝了腐蚀过程中挥发出的溶液,通过冷凝盖人字结构有效地导入工艺槽。槽盖上选用不锈钢材料,整体喷氟防腐蚀,氟材料选择密封圈。

冷凝密封槽盖与工艺槽的精密液位检测机构及自动定时定量补水系统,实现工艺浓度不升高。一般情况下,经过一定比例的溶液(浓度)试验,腐蚀过程中氟离子减少,浓度降低,腐蚀效率降低,腐蚀时间延长,不可控因素增多。所以,通常采用大容量的腐蚀液,即工艺槽与大容量储液槽通过循环泵连接使用,以降低浓度下降速度。液槽输入式加热元,在线加热液槽,配合晶片旋转机构,使蚀刻槽溶液温度均匀。4.3晶片旋转运动控制技术:晶片腐蚀时,产生一定量的SiF4气体,在溶液中形成SiF4气体,这种气体形成微金属,影响酸液的扩散,通过晶片的提升和旋转运动,SiF4气体可被有效地排除。另外,旋转晶片能使晶片上的每一个点最大限度地出现在槽内各个位置,与溶液温度、流场、浓度等控制完美结合。所以,采用晶片旋转+旋转的方式,晶片旋转机主要由晶片装夹和驱动轴组成,典型参数如下:旋转机构和夹具材料:PVDF材料夹具旋转方式:旋转+旋转(转速比:1/4)速度:0~10r/r(连续调整),调整精度≤1r。

在石英MEMS传感器敏感芯片结构制造中,使用石英MEMS敏感芯片结构制造的技术载体——7晶片旋转机构示意图5结束语,设备整体结构技术、槽体溶液浓度及流场控制、晶片旋转运动控制等关键技术是石英晶体形状结构蚀刻技术实现的重要保证。利用这一关键技术,湿法腐蚀设备的应用已超过20台,经过近10年的实际运行,证明了该设备生产技术性能稳定,安全可靠,技术适用性强,可推广到MEMS中的单晶硅深槽腐蚀、铝图形蚀刻等其他湿法腐蚀技术领域。MEMS制造技术在无锡开设课程,主要内容包括:(1)MEMS制造关键设备和材料(2)硅基MEMS制造技术(3)非硅基MEMS制造技术(4)硅基MEMS设备制造技术:热电堆红外传感器(额温枪/耳温枪核心设备)(5)非硅基MEMS设备制造技术:微流控制、仿生微纳结构、微针、电极和人工视网膜等(6)MEMS制造新技术:纳米压印(7)硅通孔封装技术(TSV)、玻璃通孔填充技术(TGV)和填充技术。

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