CN101274742B - 一种抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，尤指一种对MEMS体硅腐蚀设备——恒温腐蚀设备和恒温加超声腐蚀设备的缺陷加以改进的体硅腐蚀配套设备。本发明中，被固定的腐蚀槽的底部设有与具有开关的导流管的一端连通的开口，导流管的另一端连接到腐蚀液容器，且放置硅片的石英架固定在腐蚀槽的靠近敞口的位置；所述腐蚀槽的内部空间呈几何对称，且腐蚀槽的竖直对称轴通过所述腐蚀槽底部开口的中心；所述石英架上在放置有硅片时，硅片的中心对称轴与所述腐蚀槽的竖直对称轴重合。本发明还可以在所述腐蚀槽中在硅片两侧对称地设置有加热器。由此，在硅片两侧可以形成对称的水流流速场和压力场，并可以避免对硅片的不必要的热冲击。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，尤其涉及一种对微机电系统(MEMS)体硅腐蚀设备——恒温腐蚀设备和恒温加超声腐蚀设备的缺陷加以改进的体硅腐蚀配套设备。
背景技术
在MEMS制造技术中，体硅加工技术是一个重要组成部分，能制造悬空的梁或膜。用来腐蚀体硅的恒温腐蚀设备或恒温加超声腐蚀设备只能满足均匀、速率可调地腐蚀体硅，但是整个体硅腐蚀过程中，会在体硅腐蚀到邻近另外一层膜(即悬空膜)的界面时，由于热冲击或超声振动造成膜的破裂。即使在最后腐蚀阶段膜没有破，在人工取片的过程中，也会由于手的抖动或倾斜带来的水流冲击造成膜的破裂。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抗水流冲击的腐蚀配套设备，以解决热冲击、超声振动或水流冲击造成悬空膜破裂的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，包括腐蚀槽、支撑装置、导流管、腐蚀液容器和用于放置硅片的石英架，所述支撑装置用于竖直固定所述腐蚀槽，且所述腐蚀槽槽口向上；所述导流管具有开关，一端与设置在腐蚀槽底部的开口连通，另一端连接到所述腐蚀液容器；所述石英架设置于腐蚀槽的内部空间；
所述腐蚀槽的内部空间在竖直方向上呈几何对称，且腐蚀槽内部空间的竖直对称轴通过所述底部开口的中心；
所述石英架上在放置有硅片时，硅片在竖直方向上的中心对称轴与所述腐蚀槽内部空间的竖直对称轴重合。
优选地，所述腐蚀槽为一底部收紧的敞口圆柱玻璃瓶，或为一底部收紧的敞口圆柱塑料瓶。
优选地，所述支撑装置包括主竖直支架、横支架、底盘和固定件，所述主竖直支架竖直地固定到底盘上，所述横支架一端与主竖直支架连接，另一端通过固定件与腐蚀槽连接。
优选地，所述腐蚀槽中在硅片两侧进一步对称地设置有加热器。
进一步优选地，所述加热器为加热丝。
再优选地，所述加热丝的功率小于或等于100W，或加热温度小于或等于85℃。
优选地，所述腐蚀槽尺寸为φ180mm×300mm，底部中心开口的直径为φ20mm；所述导流管的规格为20滴腐蚀液，对应容积为1±0.1ml；所述导流管与腐蚀槽底部中心开口连通的一端的内径尺寸为φ5mm，与腐蚀液容器连接的一端的内径尺寸为φ2mm。
优选地，述石英架至少具有放置2英寸、3英寸、4英寸和5英寸硅片的四种规格。
优选地，所述石英架固定地设置于腐蚀槽中靠近敞口的位置。
优选地，所述石英架采用挂钩进行固定。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，在硅片两侧可以形成对称的水流流速场和压力场，从而剩余的一层薄薄的体硅和待悬空的膜受力均匀，基本不受水流冲击的影响。
2、利用本发明，在不采用加热器时，可以从根本上避免对硅片不对称热冲击；在采用加热器时，由于加热器对称地分布于硅片的两侧，且采用小功率加热丝进行加热，因此也可以有效地避免对硅片不对称热冲击。
3、本发明提供的设备成本低廉，生产效率高，工艺稳定，可以获得完整的MEMS镂空结构，适合用于大规模生产，具有良好的实用价值。
4、在本发明提供的设备中，腐蚀槽(包括放硅片的石英架和腐蚀液导流管)结构呈圆柱状中心对称；腐蚀槽支架固定，便于装卸。
5、利用本发明，硅片双面外的水流流速场和压力场的对称性可以由大型软件Gambit和Fluent得到仿真验证。
附图说明
图1为本发明提供的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
下面首先介绍本发明的实现原理。
本发明提供的抗水流冲击的腐蚀配套设备基于力学平衡原理，在硅片腐蚀到只剩薄薄一层，接近待镂空膜时，即将体硅腐蚀到邻近另外一层膜(即悬空膜)的界面(该界面距离悬空膜约50至80μm)时的硅片取出，放入到抗水流冲击的腐蚀配套设备腐蚀槽内部空间的正几何中心处(如果需要，还可对腐蚀液加热)，此时硅片在竖直方向上的中心对称轴与腐蚀槽的竖直对称轴重合，然后将腐蚀槽下方的导流管开启。
根据对称原理，硅片两侧表面外的水流流速场和压力场对称，从而剩余的一层薄薄的体硅和待悬空的膜受力均匀，基本不受水流冲击的影响。硅片一边进行腐蚀，腐蚀液一边从底部导流出来，直到腐蚀液导流完成、体硅腐蚀完毕，最后硅片保持完好无损地裸露在腐蚀槽里。
国内外的恒温腐蚀设备和恒温加超声腐蚀设备，虽然在硅片腐蚀最终阶段，可以通过降温、降低或停止超声来减小水流冲击，但是这并不易于控制。尤其在人工提取硅片石英架或直接用镊子取片的过程中，由于手的抖动或倾斜带来的水流冲击造成膜的破裂基本是不可避免的。
本发明提供的抗水流冲击的腐蚀配套设备基于上述原理研制，但与恒温腐蚀设备和恒温加超声腐蚀设备相比，本篇的抗水流冲击的腐蚀配套设备是在其基础上的一个必要补充。下面结合图1说明本发明提供的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备的结构。
如图1所示，本发明提供的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备包括腐蚀槽1、支撑装置、导流管2、腐蚀液容器3和用于放置硅片的石英架4。所述支撑装置用于竖直固定所述腐蚀槽1；所述导流管2具有开关11，一端与设置在腐蚀槽底部中心的开口9连通，另一端连接到所述腐蚀液容器3；所述石英架4设置于腐蚀槽的内部空间；腐蚀槽1的内部空间呈几何对称，且腐蚀槽的竖直对称轴通过所述腐蚀槽底部开口9的中心；石英架4上在放置有硅片时，硅片在竖直方向上的中心对称轴与所述腐蚀槽1的竖直对称轴重合。
所述支撑装置包括主竖直支架5、横支架6、底盘7和固定件8，主竖直支架5竖直地固定到底盘7上，所述横支架6一端与主竖直支架5连接，另一端通过固定件8与腐蚀槽1连接，并将腐蚀槽1竖直固定成开口向上。这里的固定件8可以是钢圈、卡扣连接件以及其它可以固定腐蚀槽1的连接件。
其中，底盘7约为0.25平方米，主竖直支架5高约0.6m，横支架6长约0.4m。腐蚀槽1为底部渐缩(当然也可以不必设置成底部渐缩)的敞口圆柱玻璃瓶(或塑料瓶)，尺寸约为φ180mm×300mm。这里，腐蚀槽1一般为圆柱形，它的内部空间的横截面是圆形。腐蚀槽1当然也可以是矩形体、椭圆体等，它的内部空间的横截面当然也可以是几何对称的形状，例如矩形、椭圆形等。整个设备(放有腐蚀液和硅片)的重心基本在底盘7的几何中心。
腐蚀槽1在底部具有开口9，开口9处的内径尺寸约为φ20mm。导流管2的上端通过套在开口9处的橡胶盖10与开口9连通，下端连接到腐蚀液容器3。这里，腐蚀液容器3可以是适当的烧杯等适于容纳腐蚀液的容器。导流管2长度为1.5至2m，并由两段内径大小不同的导管组成，上段内径尺寸约为φ5mm，下段内径尺寸约为φ2mm，以便更大限度地减小倒流速度。导流管2的规格为20滴腐蚀液对应容积1±0.1ml。导流管2具有开关11。
石英架4平稳地固定设置于腐蚀槽中轴靠近敞口的位置，固定方式由挂钩固定，且石英架要放置平稳，不能倾斜。
需要注意的是，腐蚀槽1的内部空间呈几何对称，且腐蚀槽1的竖直对称轴通过所述腐蚀槽底部开口9的中心，并且所述石英架4上在放置有硅片时，硅片的中心对称轴与所述腐蚀槽1的竖直对称轴重合。
放硅片的石英架4可以有放置2英寸、3英寸、4英寸、5英寸四种规格，以便腐蚀2英寸、3英寸、4英寸、5英寸的硅片。当然，石英架4的规格可以根据实际需要变化。
另外，为了避免不必要的热冲击，在腐蚀槽1中在硅片两侧可以进一步对称地设置有加热器。这里，加热器可以是小功率加热丝(电源没有示出)。所述加热丝的功率小于或等于100W或者加热温度小于或等于85℃。
需要说明的是，除了本实施例仅示出了一个腐蚀槽的情形，本发明也可以同时使用多个腐蚀槽以便进行批量生产，这相应地会增加与腐蚀槽配套的装置。
在本发明提供的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备中，放入腐蚀槽的硅片两侧的水流流速场和压力场的对称性由大型软件Gambit和Fluent得到仿真验证。软件Gambit用来创建模型和网格，软件Fluent对其模拟仿真。
本发明的特点是结合常用的恒温腐蚀设备或恒温加超声腐蚀设备，在硅片腐蚀到只剩薄薄一层，接近待镂空膜时，将其取出放入该设备中。根据腐蚀槽(包括放硅片的石英架和腐蚀液导流管)结构呈圆柱状中心对称性，基于力学平衡原理和软件的验证，薄硅层和待镂空膜在垂直面上的受力基本为零，在腐蚀液导流完成、体硅腐蚀完毕时，最后硅片保持完好无损地裸露在腐蚀槽里。
该设备成本低廉，生产效率高，工艺稳定，可以获得完整的MEMS镂空结构，适合用于大规模生产，具有一定的实用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但是应当理解的是，所述具体实施例仅是说明性的，并不用于限制本发明，且凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，包括腐蚀槽、支撑装置、导流管、腐蚀液容器和用于放置硅片的石英架，所述支撑装置用于竖直固定所述腐蚀槽，且所述腐蚀槽槽口向上；所述导流管具有开关，一端与设置在腐蚀槽底部的开口连通，另一端连接到所述腐蚀液容器；所述石英架设置于腐蚀槽的内部空间，其特征在于：
所述腐蚀槽的内部空间在竖直方向上呈几何对称，且腐蚀槽内部空间的竖直对称轴通过所述底部开口的中心；
所述石英架上在放置有硅片时，硅片在竖直方向上的中心对称轴与所述腐蚀槽内部空间的竖直对称轴重合。
2.根据权利要求1所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述腐蚀槽为一底部收紧的敞口圆柱玻璃瓶，或为一底部收紧的敞口圆柱塑料瓶。
3.根据权利要求1所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述支撑装置包括主竖直支架、横支架、底盘和固定件，所述主竖直支架竖直地固定到底盘上，所述横支架一端与主竖直支架连接，另一端通过固定件与腐蚀槽连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述腐蚀槽中在硅片两侧进一步对称地设置有加热器。
5.根据权利要求4所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述加热器为加热丝。
6.根据权利要求5所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述加热丝的功率小于或等于100W，或加热温度小于或等于85℃。
7.根据权利要求1所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：
所述腐蚀槽尺寸为φ180mm×300mm，底部中心开口的直径为φ20mm；
所述导流管容积为1±0.1ml，能容纳20滴腐蚀液；
所述导流管与腐蚀槽底部中心开口连通的一端的内径尺寸为φ5mm，与腐蚀液容器连接的一端的内径尺寸为φ2mm。
8.根据权利要求1所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述石英架分别具有放置2英寸、3英寸、4英寸和5英寸硅片的四种规格。
9.根据权利要求1所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述石英架固定地设置于腐蚀槽中靠近开口的位置。
10.根据权利要求9所述的抗水流冲击的体硅腐蚀配套设备，其特征在于：所述石英架采用挂钩进行固定。
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