[發明專利]一種快速確定石英任意切向濕法刻蝕結構形貌的方法

有效

• 申請號: 201711116397.0
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107915202B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 幸研;張晉;張云澤;張輝
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;G06F30/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種快速確定石英任意切向晶面濕法刻蝕結構形貌的方法，步驟包括：以0001晶向作為北極點的石英半球進行濕法刻蝕并獲得石英半球速率，利用對稱性獲得全球速率矩陣；為了確定石英給定晶向上的某一角度的掩膜的刻蝕結構面，需根據此晶向相對于0001的空間角度對全球速率矩陣進行旋轉變換以及插值；從速率矩陣中找出對應掩膜橫截面角度的某個環的速率，根據此晶向與0001晶向的位置關系選取180°或者270°范圍內速率并進行二階差分；做出二階差分后的正向極大值以及北極點位置的速度矢量圖以及各個矢量平行于掩膜邊界的垂面，這些垂面所圍成的輪廓即是石英在此刻蝕環境下刻蝕結構。

技術領域

本發明是一種確定石英不同切向晶面的濕法刻蝕結構的技術，屬于MEMS微機電系統制造技術領域。

背景技術

石英晶體由于優良的壓電性，良好的力學性能以及高頻諧振等特性，因此石英逐漸成為MEMS技術中一種常用的基礎材料。用石英作為元件的襯底材料不會發生漏電的現象。利用石英的壓電特性可以制作出一些特殊的傳感器。

濕法刻蝕是形成微結構的一種高效方法。相比較于硅，石英大部分晶面的刻蝕速度慢，不同晶面形成的刻蝕結構面不同，并且除了Z-cut晶面外，其他切向晶面在掩膜作用下濕法刻蝕中出現的結構面沒有對稱性，如AT-cut、BT-cut、ST-cut等等，這些晶面在刻蝕過程中結構面難以預測。由于石英各向異性不明顯，目前濕法刻蝕的實驗主要集中于石英Z-cut晶面。現有的石英濕法刻蝕仿真方法主要有Wulff-Jaccodine(W-J)方法，元胞自動機方法以及蒙特卡羅法。W-J方法主要是幾何方法，通過將掩膜圖形切面方向上180°范圍內所有位置的速率矢量圖的垂線畫出，這些垂線構成的最小包絡線即為石英刻蝕結構面。元胞自動機法是基于分子層級的方法，需要獲得半球的所有速率。蒙特卡羅法主要基于分子特性以及統計學方法。

W-J方法需要大量的速率信息，并且對于模擬出的結構面需要進行二次確認其位置信息。元胞自動機法對于復雜的結構的細節模擬的不夠好，精度不高。蒙特卡羅法需要大量的建模工作。

發明內容

技術問題：針對上述技術方法在石英晶體濕法刻蝕中作用能力的局限，本發明提供了一種快速確定石英任意切向晶面濕法刻蝕結構形貌的方法，通過幾個關鍵位置的速率信息就可以計算出石英刻蝕后的結構面。相比較于W-J方法，本發明運算量小，計算出的特征面更清晰，尤其適用于石英晶面在掩膜作用下濕法刻蝕生成不具有對稱性的結構面的計算。

技術方案：為了解決上述技術問題，本發明采用的一種快速確定石英任意切向晶面濕法刻蝕結構形貌的方法如下：

1).以石英0001晶向作為石英半球的北極點，2-1-10晶向作為石英半球赤道上的x軸，在所需的刻蝕環境中對石英半球進行刻蝕，刻蝕后每隔2°獲取石英半球速率并將其存放在一個二維矩陣中；利用0001晶向的三對稱性，可獲得三組半球速率矩陣，對此三組速率矩陣進行滑動平均處理，設置滑動濾波窗口為5-8；利用2-1-10的旋轉對稱性，通過半球速率獲得全球速率矩陣；

2).對于石英特定切向晶面在掩膜作用下濕法刻蝕中出現的結構面的確定，首先按照此切向相對于0001晶向的空間夾角對全球速率矩陣進行旋轉變換，并對變換后的速率矩陣進行插值，獲得基于此切向作為北極點的新的全球速率矩陣；其次按照掩膜橫截面相對于晶面參考面的夾角，在新的全球速率矩陣中取出相同位置的一組經線速率；由于石英大部分晶面刻蝕速率慢，除了0001晶面只需要選取經線速率中北極點左右各90°范圍內速率，其余晶面需要選取270°范圍的速率，如若北極點相對于0001晶向左偏，則需選取北極點左側90°范圍內數據，右側180°范圍內數據；反之，則需選取北極點右側90°范圍內數據，左側180°范圍內數據；對選出的速率進行二階差分并舍去二階差分后的負向極大值，保留正向極大值，繪制北極點和正向極大值位置的速率矢量圖以及各個矢量對應的平行于掩膜邊界的垂面，這些垂面所圍成的輪廓即是石英微結構的刻蝕形貌。