Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов ат- среза

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления тонких кристаллических элементов (КЭ) высокочастотных пьезоэлектрических приборов, например, кварцевых резонаторов и монолитных фильтров. Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности и выхода годных кварцевых кристаллических элементов с высоким качеством поверхности. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кварцевых кристаллических элементов АТ-среза, включающем механическую обработку заготовок из кварца и их химико-динамическое травление в кислотном растворе с поверхностно-активными добавками диметилформамида или бутанола, проводимое при 348-373 K в два этапа. На первом этапе химико-динамическое травление осуществляют в кислотном растворе с добавкой бутанола и получают заготовку с шероховатостью поверхности, равной или большей 0,04 мкм. На втором этапе химико-динамическое травление осуществляют с добавкой диметилформамида и получают шероховатость поверхности КЭ не более 0,02 мкм. При этом величину шероховатости в обоих вариантах измеряют по "штрихам" травления вдоль линии, составляющей угол 30^o относительно кристаллографической оси X в кварце. Динамическое сопротивление резонаторов, изготовленных с применением заявленного способа, меньше в среднем на 30%, чем для прототипа. Кроме того, выход годных резонаторов с добротностью 15·10³ и выше, полученных новым способом, достигает 75%, по сравнению с 60%, указанными в прототипе. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления тонких кристаллических элементов (КЭ) высокочастотных пьезоэлектрических приборов, например, кварцевых резонаторов и монолитных фильтров.

В известном способе [1] реализуется многоэтапная обработка поверхности кварца. Способ включает шлифовку, ультразвуковую и химическую очистку, отжиг КЭ и последующее двухэтапное травление в бифториде аммония. На первом этапе травлением при температуре 348 - 358 К снимается слой, толщина которого равна 3-м высотам микронеровностей. На втором этапе при температуре 293 - 303 К стравливается слой в две микронеровности. Способ улучшает качество поверхности кварца после шлифовки. Основной недостаток способа - все еще большая шероховатость поверхности, не менее 0,05 мкм.

Для изготовления КЭ высокочастотных резонаторов AT- и SC-средов, кроме того, используют двухэтапное химическое травление в щелочной среде [2]. Способ, как правило, включает оптическую полировку кварцевой пластины, нагрев ее в вакууме до температуры не менее 373 К и химическое травление в водном растворе NaOH при 398 - 468 К. На первом этапе осуществляют травление профиля на глубину ≈ 30 мкм, т.е. получают КЭ в форме обратной мезаструктуры. На втором этапе травлением по всей поверхности проводят повышение и установку нужной (заданной) частоты. Скорость духстороннего травления кварца AT-среза этим способом не превышает 0,4 мкм/мин, а шероховатость поверхности равна 0,045 мкм.

Высокая температура, при которой производится изготовление КЭ, необходимость жесткого контроля концентрации раствора для обеспечения стабильной скорости травления существенно усложняет технологический процесс. Необходимость использования коррозийностойких материалов значительно удорожают устройства для травления. Кроме того, шероховатость поверхности КЭ, при использовании этого метода, также нельзя считать удовлетворительной.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления кварцевых КЭ двухэтапным химическим травлением, предложенным в работе [3]. Способ включает механическую обработку кварцевых пластин и их химико-динамическое травление в кислотном растворе с поверхностно-активными добавками, проводимое в два этапа при 348 - 373 К. На первом этапе в качестве добавки используют диметилформамид и получают шероховатость не более 0,05 мкм. На втором этапе добавкой служит бутанол, а травление ведут до получения шероховатости на поверхности пластины не более 0,03 мкм. Способ обеспечивает высокие скорости травления при хорошем качестве поверхности, например, 0,4 - 0,9 мкм/мин для кварца AT-среза. Основной недостаток способа - использование на втором этапе раствора плавиковой кислоты с бутанолом. Такой раствор при травлении проявляет анизотропные свойства по кристаллографическим плоскостям и ограничивает как глубину травления кварца на втором этапе, так и качество обрабатываемой поверхности КЭ.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности и выхода годных кварцевых кристаллических элементов с высоким качеством поверхности. Производительность повышается как за счет уменьшения времени изготовления КЭ на этапах химического травления, так и вследствие обеспечения нового более высокого качества рабочих поверхностей. Основной технический результат - увеличение выхода годных кварцевых резонаторов с высокой добротностью. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кварцевых кристаллических элементов AT-среза, включающем механическую обработку заготовок из кварца и их химико-динамическое травление в кислотном растворе с поверхностно-активными добавками диметилформамида или бутанола, проводимое при 348 - 373 К в два этапа, на первом этапе химико-динамическое травление осуществляют в кислотном растворе с добавкой бутанола и получают заготовку с шероховатостью поверхности, равной или большей 0,04 мкм. При этом величину шероховатости измеряют по "штрихам" травления вдоль линии, составляющей угол 30^o относительно кристаллографической оси X в кварце. На втором этапе химико-динамическое травление осуществляют с добавкой диметилформамида и получают шероховатость поверхности КЭ не более 0,02 мкм, измеренную как на первом этапе.

Сущность изобретения требует дополнительного пояснения. Во-первых, это касается использования заявляемого способа для обработки поверхностей кварца AT-среза с углом ≈ 35^o. Известно, что кварц AT-среза наиболее распространен в пьезотехнике. Кроме того, поверхности AT-среза травятся с высокой скоростью и хорошо полируются в растворах бифторида аммония, плавиковой кислоты или в щелочной среде NaOH. Указанные травители на определенной глубине образуют на поверхности кварца устойчивую ячеистую структуру. Ячейки или фигуры травления возникают в результате анизотропного растворения материала в травящих растворах. Поверхностный микрорельеф связан с фигурами травления и, в основном, определяет величину шероховатости поверхности.

Во-вторых, особое значение имеет избирательное растравливание поверхности кварца AT-среза в растворе плавиковой кислоты с добавкой бутанола. При разработке технологии химического травления кварца AT-среза [4] установлена экстремальная зависимость шероховатости от глубины. Первоначально до глубины травления 10 мкм шероховатость определяется классическими фигурами травления, а на глубине травления 7,5 мкм отчетливо видны новые фигуры - "штрихи" травления. Штрихи травления ориентированы под углом 60^o к направлению оси X, на глубине 15 мкм имеют форму протяженных оврагов и дают основной вклад в шероховатость поверхности. В [4] зафиксирована структура "штрихов" травления и показаны фотографии объемной топологии поверхности кварца AT-среза, снятые на электронном микроскопе. По существу в признаке изобретения на первом этапе травления устанавливается глубина травления, близкая величине 12 мкм, на которой значение шероховатости поверхности равно или больше 0,04 мкм по "штрихам".

В-третьих, поскольку положительный эффект связан с качеством химического полирования кварца, необходимо измерять максимальные значения шероховатости, которые, очевидно, имеют место вдоль линии, перпендикулярной "штрихам" травления. Следовательно линия измерений составляет угол 90^o к направлению "штрихов" травления, что тождественно углу в 30^o к направлению кристаллографической оси X в кварце.

На фиг. 1 изображены графики изменения шероховатостей (R_a) пластин кварца AT-среза в зависимости от глубины стравленного слоя; на фиг. 2 изображена зависимость шероховатости поверхности от времени травления на втором этапе; на фиг. 3 показана схема для выбора направления при измерении шероховатости.

Последовательность операций при изготовлении КЭ по предлагаемому способу следующая.

На подготовительном этапе механическая шлифовка КЭ завершается на корунде М5. Затем КЭ подвергаются тщательной очистке, включающей химическую обработку, ультразвуковую мойку и вакуумный отжиг. Если КЭ на конечном этапе требуется придать форму обратных мезаструктур, то дополнительно на их периферии наносится защитное покрытие любым известным способом.

После механической обработки и очистки кристаллические элементы подвергаются химическому травлению при 348 - 373 К в два этапа. На первом этапе КЭ стравливаются на глубину, равную или больше 12 мкм в растворе плавиковой кислоты с добавкой бутанола. При этом достигается шероховатость поверхности КЭ, равная или больше 0,04 мкм, которая измеряется по "штрихам" травления вдоль линии, составляющей угол 30^o относительно кристаллографической оси X. Далее производится окончательное, полирующее травление в растворе на основе плавиковой кислоты, диметилформамида и изоамилового спирта до шероховатости не более 0,02 мкм при заданном значении толщины КЭ.

На основании экспериментов показана возможность осуществления изобретения.

Опыты проводились с использованием пластин AT кварца, диаметром 5 - 7 мм и начальной толщиной 100 мкм. Травление осуществлялось при температуре растворов 353±0,5 К со скоростью двухстороннего снятия, близкой 0,4 мкм/мин. Пластинам задавалось реверсивное круговое движение с амплитудой 270^o и возвратно-поступательное движение с частотой 24 качания в 1 мин.

Установлена причина экстремального изменения шероховатости поверхности кварца AT-среза при глубоком химическом травлении в растворе HF с бутанолом. Воздействием указанного раствора избирательно сглаживается микрорельеф поверхности, связанный с фигурами травления. Этот процесс иллюстрируется кривой 1, показанной на фиг. 1 и имеет характер монотонного полирования до значений R_a, сравнимых по качеству с оптической полировкой (< 0,01 мкм).

Одновременно идет процесс растравливания кристаллических микрограней, ориентированных под углом 60^o к оси X, и образование поверхностного рельефа, названного в [4] "штрихами" травления. Кривая 2 на фиг. 1 изображает зависимость R_a этого рельефа от глубины травления. Точка экстремума M, пересечения кривых 1 и 2, соответствует минимальной шероховатости, которую можно получить химическим полированием AT кварца в растворе HF с бутанолом.

Далее установлено, что раствор HF с добавками диметилформамида и изоамилового спирта на втором этапе травления практически не влияет на рельеф по фигурам травления, но хорошо заполировывает "штрихи" травления. Графики 3 на фиг. 1 показывают изменение R_a с глубиной травления на втором этапе. Видно, что суммарная величина R_a, полученная заявляемым способом, например, в точках M₁ и M₂, существенно меньше, чем в способе-прототипе [3], который иллюстрирует график 4 на фиг. 1. При указанных условиях получен график изменения R_a от времени травления на втором этапе, фиг. 2. Он позволяет выбирать технологические режимы травления на заключительном этапе изготовления КЭ. Например, для химического полирования поверхности от R_a = 0,04 мкм до уровня R_a = 0,02 мкм требуется 35 мин. А на глубине травления 45 - 50 мкм предложенный способ обеспечивает химическую полировку с шероховатостью 0,008 мкм.

Величина и граничные значения R_a устанавливаются измерениями на интерферометре, например, типа МИИ-4 или на профиллографе (ГОСТ 2789-73). На фиг. 3 показана схема выбора направления измерений на круглой пластине в поле зрения прибора. Отсчет ведется от оси X, показанной векторными отрезками +X и -X. Преимущественное направление "штрихов" травления показано линией - "штрихи" травления. Направление измерений обозначено векторными отрезками - "линия измерений". Здесь следует отметить, что шероховатость поверхности, связанную с фигурами травления, как правило, измеряют по линии, совпадающей с проекцией кристаллографической оси Z (+Z',-Z') на поверхность пластины кварца.

Выбор граничных значений. Из графика 4 на фиг. 1 видно, что по технологии, описанной в способе-прототипе [3], можно получить мкм на кварце AT-среза. Также величина получена в результате подробного исследования химической полировки кварцевых срезов, близких к AT, в растворах с бифторидом аммония [5]. Поэтому в предлагаемом способе шероховатость ограничена величиной R_a≅0,02 мкм.

Анализ графиков 1 - 3 на фиг. 1 показывает, что значение R_a = 0,02 мкм можно получить на втором этапе травления, если травление осуществлять от значений R_a = 0,04 мкм или больше, полученных на первом этапе. При этом R_a измеряют по "штрихам" травления. Так выбраны граничные значения R_a после первого этапа травления, R_a≥0,04 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает лучшее качество полировки поверхности AT кварца: шероховатость на глубине травления 24 мкм меньше в 1,3 раза (фиг. 1), а на глубине 40 мкм - в 2 раза. Кроме того, качество поверхности с R_a = 0,02 мкм достигается на глубине ≈ 45 мкм в способе- прототипе, а в предлагаемом способе - на глубине 24 мкм. Видно, что производительность изготовления КЭ с высоким качеством увеличивается при этом в 1,8 раза.

Заявленное техническое решение реализовано при изготовлении резонаторов на частоты 100, 200 и 400 МГц. Использовались круглые пластины кварца диаметром 5 мм и толщиной 60 мкм после механической шлифовки на корунде M5. КЭ изготавливались в виде обратной мезаструктуры с диаметром мембраны 3 и 2 мм.

Круглые пласты кварца после шлифовки подвергают химической очистке (промывке) и на них наносят магнетронным способом с двух сторон маски из иттрия в виде ободков. Не защищенные масками области в центре пластин снова подвергают химической очистке и на первом этапе помещают в травильный раствор плавиковой кислоты с бутанолом, а на втором этапе - в раствор на основе плавиковой кислоты, диметилформамида и изоамилового спирта. Травление на этапах проводили при температуре 353 + 0,5 К в режиме реверсивного кругового движения на угол 270^oC и возвратно-поступательного движения пластин в вертикальной плоскости с частотой 24 качания в 1 мин.

Монтаж пьезоэлементом в держатель производился с помощью электропроводящего клея марки ЭЧЭ-С. Готовые резонаторы выполнялись в стеклянном вакуумированном корпусе или в герметичном корпусе "ММ".

Параметры резонаторов на основе КЭ, выполненных заявленным и известным способами, показаны в таблице.

Выход годных резонаторов с добротностью 15·10³ и выше, полученных новым способом, достигает 75%, по сравнению с 60%, указанными в прототипе.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 587601, кл. H 03 H 3/02, 05.01.78, Бюл. N 1.

2. Камбон О. и др. Высокочастотные кварцевые резонаторы, изготовленные методом химического травления. 8 th European Frequency and Time Forum, vol. 1, Mach 9 - 11, 1994, Munich, p. 263 - 271.

3. Патент РФ N 1739826, кл. H 03 H 3/02, 25.03.92.

4. Исследование возможности создания технологических процессов изготовления устройств функциональной пьезоэлектроники для селектирующей и опорной техники АПОИ V поколения с элементами автоматизации. Закл. отчет по НИР, гос. рег. N У60543, 1991, с. 28 - 47.

5. Влияние ориентации кристалла на текстуру поверхности химически травленных кварцевых пластин для срезов, близких к AT. Proc. of the 39^th Annual Frequency Simposium, 1985, 29 - 31 May, Philadelphia, p. 282 - 291.

Формула изобретения

Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов АТ-среза, включающий механическую обработку заготовки из кварца, ее очистку и химико-динамическое полирующее травление в кислотном растворе с поверхностно активными добавками, проводимое при температуре 348 - 373 К в два этапа, а в качестве добавок к раствору используют диметилформамид, изоамиловый спирт и бутанол, отличающийся тем, что на первом этапе химико-динамическое травление осуществляют в растворе с добавкой бутанола до получения шероховатости 4 х 10^-8м или более, а на втором этапе травление осуществляют с добавкой диметилформамида и изоамилового спирта до получения шероховатости поверхности кристаллических элементов не более 2 х 10^-8м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4