用于石英晶体的等离子体刻蚀方法与流程

1.本发明涉及石英晶体材料加工技术领域，具体而言，涉及一种用于石英晶体的等离子体刻蚀方法。


背景技术：

2.石英晶体材料，尤其是α石英，因其具有压电效应特性，可制成石英晶体谐振器、石英晶体振荡器、石英晶体滤波器等元器件产品，广泛应用于电子产品中。随着电子产品向高频化方向发展，对高基频晶体片的加工需求越来越迫切。
3.现有的石英晶体材料的加工方法有物理研磨、化学腐蚀等。石英晶体材料的特性是频率与厚度成反比，厚度越薄，频率越高。采用物理研磨工艺加工石英晶体片时，只能对整片石英晶体进行研磨，研磨厚度难于满足实际的加工需求；采用化学腐蚀工艺加工石英晶体片时，如果将晶体片整体减薄，频率只能达到80mhz左右，晶体片厚度为20μm左右，若频率再高，则晶体片的厚度将薄到难以满足机械强度要求；采用涂覆保护掩膜对石英晶体片进行局部化学腐蚀减薄、以求获得局部厚度减薄时，由于晶体片尺寸小，存在工艺难度大、精度难以保证的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种用于石英晶体的等离子体刻蚀方法，不仅能够对石英晶体进行整体或者局部刻蚀，还能够保证刻蚀得到的石英晶体的精度和强度。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种用于石英晶体的等离子体刻蚀方法，所述刻蚀方法在能够激发等离子体的刻蚀机上进行，所述刻蚀机包括刻蚀腔，所述刻蚀方法包括：
6.对衬底和掩蔽块进行选择，并将所述衬底设置于所述刻蚀腔内；
7.将待刻蚀的石英晶体放置于所述衬底上，并根据需要将所述掩蔽块放置于所述石英晶体上；
8.根据所述石英晶体的刻蚀深度需求，在所述刻蚀机上对刻蚀气体的种类、反应气体的体积混合比、刻蚀气体的流速、刻蚀腔的压强以及等离子体的功率进行控制，此后，开启所述刻蚀机以对所述石英晶体进行刻蚀。
9.进一步地，所述衬底和所述掩蔽块均采用蓝宝石制备而成。
10.进一步地，所述刻蚀气体包括氩气、氧气、四氟化碳以及六氟化硫。
11.进一步地，所述四氟化碳与所述氧气的体积混合比为：cf4:o2＝3:1～5:1，所述六氟化硫与所述四氟化碳的体积混合比为sf6:cf4＝1:1～3:1。
12.进一步地，所述四氟化碳的流速为200sccm～300sccm，所述四氟化碳的流速为100sccm～200sccm。
13.进一步地，所述刻蚀腔的压强为50pa～100pa。
14.进一步地，所述等离子体的功率为200w～300w。
15.进一步地，所述刻蚀机为物理轰击和化学刻蚀同时作用的反应离子刻蚀机或者感应耦合等离子体刻蚀机。
16.进一步地，刻蚀完所述石英晶体后还包括：对所述石英晶体进行表面处理。
17.进一步地，对所述石英晶体进行表面处理的步骤包括：
18.利用超声波或酒精去除所述石英晶体的表面多余物；
19.利用轮廓仪或者台阶仪对所述石英晶体的刻蚀形貌进行检测。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明利用刻蚀机的射频电源激发惰性气体获得等离子体，该等离子体中电子运动速度非常高，通入含氟刻蚀气体，高速电子与刻蚀气体撞击，形成氟原子和含氟基团，二者都具有非常高的化学活性，到达石英晶体表面后，与表面原子发生化学反应，从而实现材料的去除。此方法可以得到更高的频率、极低的表面粗糙度值和很高的面形精度的石英晶体。此外，本发明还可对石英晶体进行整体或者局部刻蚀加工，刻蚀后的石英晶体厚度可达到5um或更薄，对应的基频频率达到300mhz以上，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在
±
0.1μm内，加工后的石英晶体强度保持好。
附图说明
22.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1是本发明实施例公开的用于石英晶体的等离子体刻蚀方法。
具体实施方式
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
25.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
26.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
27.实施例一
28.参见图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种用于石英晶体的等离子体刻蚀方法，下称刻蚀方法，该刻蚀方法在刻蚀机上进行，该刻蚀机不仅能激发上述等离子体，还能提供氩气和含氟气体反应环境，该刻蚀机包括刻蚀腔，石英晶体的刻蚀过程在该刻蚀腔内
进行。
29.具体来说，本实施例中的刻蚀方法具有四个步骤，即步骤s1、步骤s2、步骤s3以及步骤s4。以下将对各个步骤进行详细的说明。
30.步骤s1：对衬底和掩蔽块进行选择，并将衬底设置于刻蚀腔内。
31.石英晶体的化学成分为sio2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英(a-石英)，是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。石英晶体硬度为莫氏硬度7，硬度大，且性脆、易破碎，是典型的硬脆材料。考虑到石英晶体的理化特性，排出金属、硅片、陶瓷等材料，选用蓝宝石作为承载石英晶体的衬底和掩蔽块，也即是说，本实施例中的衬底和掩蔽块均采用蓝宝石制备而成。
32.步骤s2：将待刻蚀的石英晶体放置于衬底上，并根据需要将掩蔽块放置于石英晶体上。
33.在该步骤中，可以通过机械手等工具将待刻蚀的石英晶体放置于衬底上。然后，可以根据需要进行掩蔽块的放置，具体而言，如果是对石英晶体进行全面刻蚀，则不用放置掩蔽块；如果是对石英晶体进行局部刻蚀，则利用机械手将掩蔽块遮盖住石英晶体上不需要刻蚀的部位。
34.步骤s3：根据所述石英晶体的刻蚀深度需求，在刻蚀机上对刻蚀气体的种类、反应气体的体积混合比、刻蚀气体的流速、刻蚀腔的压强以及等离子体的功率进行控制，并开启刻蚀机以对石英晶体进行刻蚀。
35.在本实施例中，将刻蚀机设置为物理轰击和化学刻蚀同时作用的反应离子刻蚀机或者感应耦合等离子体刻蚀机。物理轰击对化学反应具有明显的辅助作用，可以起到打断化学键、引起晶格损伤、增加附着性、加速反应物的脱附、促进晶片表面的化学反应，以及去除晶片表面非挥发性残留物等作用。化学刻蚀过程包括：刻蚀气体通过辉光放电，产生活性游离基、亚稳态粒子等；活性粒子与晶片表面相互作用。刻蚀分为三个阶段：刻蚀物质的吸附；挥发性产物的形成；产物的脱附。反应离子刻蚀机多使用单一射频源。感应耦合等离子体刻蚀机使用两个独立的射频源，可实现高速率和低损伤刻蚀，工作气压低，利于控制刻蚀形貌。
36.进一步地，本实施例中的刻蚀机上设置有控制软件/硬件，实际刻蚀时，可以根据石英晶体的刻蚀深度需求，通过控制软件/硬件能够对反应气体体积混合比、刻蚀气体流速、刻蚀腔压强、等离子体功率等参数进行调节和设置，进而可以对石英晶体的刻蚀形貌进行控制。
37.可以理解的是，本实施例中所述的刻蚀气体的种类是指加工石英晶体的整个过程中所用到的气体，而不局限于刻蚀石英晶体时所用的气体。反应气体是指刻蚀气体中会发生化学反应的气体，刻蚀气体的流速是指具体刻蚀石英晶体的气体的流速。
38.具体地，本实施例中的所述的刻蚀气体包括氩气ar、氧气o2、四氟化碳cf4以及六氟化硫sf6。在这些气体中，会发生化学反应的气体为氧气o2、四氟化碳cf4以及六氟化硫sf6，其中，四氟化碳cf4与氧气o2的体积混合比为：cf4:o2＝3:1～5:1，六氟化硫sf6与四氟化碳cf4的体积混合比为sf6:cf4＝1:1～3:1。四氟化碳cf4的流速为200sccm
39.～300sccm，四氟化碳的流速为100sccm～200sccm。
40.进一步地，刻蚀腔压强影响等离子体的能量、活性、离子撞击晶片的方向等。压强
较低时，等离子体的流向是直线，运动的能量较高，刻蚀的各向异性较好，但是刻蚀自由基的含量较低，所以刻蚀的速率较低。随着压强的增大，自由基的含量增大，刻蚀速率增大。当压强增大到一定时，刻蚀速率反而下降，这是因为压强增大，等离子体的平均自由程减小，碰撞概率增大，因碰撞而损耗的能量增多。同时，较大压强使得刻蚀生成的气体的挥发性变差，也制约刻蚀速率。为此，本实施例中将刻蚀腔的压强为50pa～100pa，在该压强值下，刻蚀机能够刻蚀出精度比较高的石英晶体。
41.进一步地，等离子刻蚀中，上射频源的主要作用是产生等离子体，它主要决定了腔室中等离子体密度的大小，下射频源的主要作用是在被刻蚀晶片上产生射频偏压，从而控制轰击离子的能量大小。刻蚀是等离子体撞击样片原子的过程，一个撞击离子打掉一个原子，需要1kev的能量，此时刻蚀速率达到最大，当离子能量增加，刻蚀速率反而下降，所以下射频功率不能太大。上射频功率也不能太大，因为在高功率密度下，反应离子的高浓度将不利于刻蚀形貌的控制。因此要根据刻蚀材料和刻蚀精度的要求，需要选择合适的射频功率。本实施例中将等离子体的功率设置为200w～300w。
42.步骤s4：对石英晶体进行表面处理。
43.在该步骤，首先利用超声波或酒精去除石英晶体的表面多余物，然后再利用轮廓仪或者台阶仪对石英晶体的刻蚀形貌进行检测，如此，可以剔除加工不合格的石英晶体，能够提高使用该石英晶体制备而成的谐振器等的良品率。
44.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：该加工方法利用射频电源激发惰性气体获得等离子体，等离子体中电子运动速度非常高，通入含氟刻蚀气体，高速电子与刻蚀气体撞击，形成氟原子和含氟基团，二者都具有非常高的化学活性，到达石英晶体表面后，与表面原子发生化学反应，生成气态的sif4，从而实现材料的去除。此方法可以得到更高的频率、极低的表面粗糙度值和很高的面形精度。本发明可对石英晶体进行整体或者局部刻蚀加工，刻蚀后的石英晶体厚度可达到5um或更薄，对应的基频频率达到300mhz以上，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在
±
0.1μm内；加工后的石英晶体强度保持好。
45.此外，需要说明的是，本技术中使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。