石英MEMS傳感器敏感芯片濕法刻蝕設備結構

濕法蝕刻一般分為①化學蝕刻液向片晶表面擴散②蝕刻液與片晶材料發(fā)生化學反應③反應后產物從片晶表面擴散至溶液中排出。一般情況下，溶液溫度越高，擴散越快，濃度越高，腐蝕性越強，腐蝕速率也就越大。HF+NH4F+H2O溶液與石英晶體反應生成SiF62-離子，反應過程中產生的氣泡也會吸附在晶體表面，從而形成微孔，阻礙HF溶液的擴散。石英MEMS傳感器敏感芯片濕式蝕刻機結構技術、化學液溫、液流場、化學溶液濃度、氣泡去除等技術是濕式蝕刻機的關鍵制造技術。4.重要的濕法蝕刻設備制造技術，濕法蝕刻設備是一種整體結構技術。其結構主要由清洗槽、防蝕槽、槽體、排氣孔、控制系統(tǒng)、水管系統(tǒng)等組成，主要用于清潔、封閉環(huán)境。因為HF溶液腐蝕性很強，所以設備的安全至關重要。一般情況下，框架采用鋼結構框架封裝，外殼采用耐腐蝕、強度高的PP(聚丙烯)板焊接而成。采用耐HF腐蝕、耐高溫的PVDF材料制造，槽體選材潔凈、耐HF腐蝕，保證長期腐蝕過程槽體不變形。此外，除過載、過溫、排氣風道風壓檢測、管道區(qū)酸液泄漏檢測等常規(guī)安全保護措施外，氫氟酸濃度也比較高，因此在操作區(qū)域和管道區(qū)設置氫氟酸氣體濃度檢測報警裝置，以保證設備和人員的安全。

濕法腐蝕設備的核心結構單元是其整體結構圖蝕刻槽?；瘜W液均勻擴散到晶片表面，是實現(xiàn)腐蝕形貌均勻控制的關鍵。蝕刻槽體的結構原理主要包括槽體、密封槽蓋、旋轉晶片機構、進樣口、排樣口等。槽體內采用四面360°循環(huán)溢流式結構，化學液注入采用底面對稱式腔內均勻的小孔及均勻的孔板，溶液循環(huán)采用風囊泵將溶液脈動降至最低，并與管路注入泵的壓力流量調節(jié)相配合，實現(xiàn)化學液從底面向上均勻流動。在底部和溢流口處采用大直徑排出管，在工藝結束后，DIW(離子水)快速完成化學腐蝕清洗，實現(xiàn)腐蝕清洗一體化結構?；瘜W液濃度是濕法蝕刻槽體濃度控制的重要指標，化學液濃度越高，腐蝕性越強，對側腐蝕的控制越困難。石英石晶體濕浸液的溶液溫度一般為40~90℃，溶液揮發(fā)速度很快，如果不能有效地控制溶液揮發(fā)速度，溶液濃度升高很快，對工藝形象不能有效地控制。高精密度濃度控制器能夠準確地檢測和控制HF離子的濃度，但是復雜且昂貴。槽蓋為拱型結構，采用冷凝密封槽蓋，槽蓋內設有10~15℃的冷卻水，有效地冷凝了腐蝕過程中揮發(fā)出的溶液，通過冷凝蓋人字結構有效地導入工藝槽。槽蓋上選用不銹鋼材料，整體噴氟防腐蝕，氟材料選擇密封圈。

冷凝密封槽蓋與工藝槽的精密液位檢測機構及自動定時定量補水系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝濃度不升高。一般情況下，經過一定比例的溶液(濃度)試驗，腐蝕過程中氟離子減少，濃度降低，腐蝕效率降低，腐蝕時間延長，不可控因素增多。所以，通常采用大容量的腐蝕液，即工藝槽與大容量儲液槽通過循環(huán)泵連接使用，以降低濃度下降速度。液槽輸入式加熱元，在線加熱液槽，配合晶片旋轉機構，使蝕刻槽溶液溫度均勻。4.3晶片旋轉運動控制技術：晶片腐蝕時，產生一定量的SiF4氣體，在溶液中形成SiF4氣體，這種氣體形成微金屬，影響酸液的擴散，通過晶片的提升和旋轉運動，SiF4氣體可被有效地排除。另外，旋轉晶片能使晶片上的每一個點最大限度地出現(xiàn)在槽內各個位置，與溶液溫度、流場、濃度等控制完美結合。所以，采用晶片旋轉+旋轉的方式，晶片旋轉機主要由晶片裝夾和驅動軸組成，典型參數如下：旋轉機構和夾具材料：PVDF材料夾具旋轉方式：旋轉+旋轉(轉速比：1/4)速度：0~10r/r(連續(xù)調整)，調整精度≤1r。

在石英MEMS傳感器敏感芯片結構制造中，使用石英MEMS敏感芯片結構制造的技術載體——7晶片旋轉機構示意圖5結束語，設備整體結構技術、槽體溶液濃度及流場控制、晶片旋轉運動控制等關鍵技術是石英晶體形狀結構蝕刻技術實現(xiàn)的重要保證。利用這一關鍵技術，濕法腐蝕設備的應用已超過20臺，經過近10年的實際運行，證明了該設備生產技術性能穩(wěn)定，安全可靠，技術適用性強，可推廣到MEMS中的單晶硅深槽腐蝕、鋁圖形蝕刻等其他濕法腐蝕技術領域。MEMS制造技術在無錫開設課程，主要內容包括：(1)MEMS制造關鍵設備和材料(2)硅基MEMS制造技術(3)非硅基MEMS制造技術(4)硅基MEMS設備制造技術：熱電堆紅外傳感器(額溫槍/耳溫槍核心設備)(5)非硅基MEMS設備制造技術：微流控制、仿生微納結構、微針、電極和人工視網膜等(6)MEMS制造新技術：納米壓印(7)硅通孔封裝技術(TSV)、玻璃通孔填充技術(TGV)和填充技術。

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