耐高温硬脆性材料的加工方法及设备与流程

本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种耐高温硬脆性材料的加工方法及设备。

背景技术：

航天飞行器运行过程中往往伴随着高温、高旋等恶劣环境，尤其是高超音速飞行器表面、航空发动机以及燃气轮机等关键部位，局部温度甚至超过800℃，因此，恶劣环境下温度、压力以及振动等参数的原位实时获取，对于航天飞行器的材料选型、结构设计以及防护措施等具有重要意义。与有线有源器件相比，基于耐高温材料的无线无源传感器件在高温、高旋以及振动等恶劣环境下各参数测试具有显著优势，尤其是基于声表面波(saw)原理的无线无源传感器件在测量距离、q值、体积和抗干扰等方面具有优越的性能。但是现有的多数声表面波器件采用的压电基底往往在高温环境下会发生解理、变性、性能下降等问题，从而影响器件的正常运行。

硅酸镓镧(la3ga5sio14，简称lgs)晶体等硬脆性压电材料具有优异的耐高温性能，即使在1400℃也不会发生相变，是制造声表面波器件的理想材料，利用硅酸镓镧晶体如何加工成声表面波器件需要的特定结构成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供的耐高温硬脆性材料的加工方法及设备，用以实现对硅酸镓镧晶体等耐高温硬脆性材料的加工制造。

本发明提供一种耐高温硬脆性材料的加工方法，包括：

步骤10、将光刻胶涂敷于清洗过的耐高温硬脆性材料晶片表面，并放置掩膜版进行光刻显影；

步骤20、对光刻显影后的晶片进行刻蚀，形成制备预定结构的凹槽；

步骤30、对刻蚀的晶片与另一晶片进行热压键合使被键合的两晶片接触面形成永久键合面，对应的凹槽处形成预定结构。

本发明还提供一种耐高温硬脆性材料的加工设备，包括：

光刻装置，将光刻胶涂敷于清洗过的耐高温硬脆性材料晶片表面，并放置掩膜版进行光刻显影；

刻蚀装置，对光刻显影后的晶片进行刻蚀，形成制备预定结构的凹槽；以及

键合装置，对刻蚀的晶片与另一晶片进行热压键合使被键合的两晶片接触面形成永久键合面，对应的凹槽处形成预定结构。

本发明通过光刻、刻蚀工艺形成制备预定结构的凹槽，通过控制相应工艺的加工精度，可以使凹槽的加工精度能够得到有效保障，而且降低了硬脆性材料加工过程中的失效率；两晶片通过热压直接键合方式，使两晶片界面处的原子能形成稳定的键连接，从而使两晶片由于键合强度而形成一体，不仅实现了硬脆性材料预定结构的制备，而且使得含有这种预定结构的器件在高温恶劣环境下能够长时间保持检测性能稳定，从而延长器件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种耐高温硬脆性材料的加工方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种耐高温硬脆性材料的加工方法的流程图；

图3为本发明实施例中lgs湿法腐蚀形成凹槽的工艺流程示意图；

图4为lgs等离子体刻蚀形成凹槽的工艺流程示意图；

图5为本发明实施例三提供的一种耐高温硬脆性材料的加工设备结构示意图；

图6为本发明实施例四提供的一种耐高温硬脆性材料的加工设备结构示意图；

图7为图6中样品固定装置的结构示意图；

图8为本发明实施例制备的密封空腔应用于声表面波器件的示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1为本发明实施例一提供的一种耐高温硬脆性材料的加工方法的流程图，如图1所示，本实施例的方法，包括：

步骤10、将光刻胶涂敷于清洗过的耐高温硬脆性材料晶片表面，并放置掩膜版进行光刻显影。

硅酸镓镧晶体等硬脆性压电材料具有在高温条件下也不易相变的耐高温性能，是制造声表面波器件的理想材料，利用硅酸镓镧晶体制造声表面波器件检测压力参数一般需要一个密封空腔，通过感知腔体受力形变对声表面波的传播速度发生变化，可以实现对压力参数的准确感知。

为了在耐高温压电材料上制备出需要的空腔，本发明实施例首先采用半导体器件加工工艺制备出形成空腔的凹槽，该加工工艺包括光刻、刻蚀等工艺步骤，与半导体器件制备类似；然后再对已刻蚀形成凹槽的两个晶片进行热压键合形成密封空腔，或者将已刻蚀形成凹槽的一个晶片与另一个未刻蚀的表面平整的晶片进行热压键合形成密封空腔。本步骤中，通过光刻技术将待刻蚀形成凹槽的图案临时转移到晶片上，光刻具体操作与半导体器件制作中的工艺类似，包括对晶片的清洗、涂胶、曝光、显影等。

首先利用丙酮对硅酸镓镧晶片进行清洗，异丙醇以及h2o2与h2so4混合溶液，清除硅酸镓镧表面的残留的有机物。清洗之后，将su-8光刻胶旋涂于硅酸镓镧晶片表面，其中，光刻胶的厚度为200μm,防止酸性分子透过光刻胶所导致的粘接问题。

晶片清洗后表面具有亲水性，光刻胶多为疏水性，为了解决光刻胶与硅酸镓镧边缘粘附性差的问题，在硅酸镓镧晶片表面沉积hdms(六甲基二硅胺)层，增强光刻胶粘附性。即在涂敷光刻胶之前，还包括增粘处理步骤，即晶片表面涂敷增粘剂，hmds的化学结构使其既易与晶片表面粘合，也易于光刻胶粘合，因此增强了光刻胶与晶片的粘附性。

本发明实施例中光刻、腐蚀等工艺是为了加工密封空腔，光刻胶采用负胶也能满足加工精度要求，而且负胶粘附能力前、耐腐蚀，因此本发明实施例中光刻胶采用负胶，如su-8光刻胶，su-8在近紫外光范围内光吸收率低，使得其在整个光刻胶厚度上都有较好的曝光均匀性。掩膜版的图案与形成的空腔形状一致，涂敷完光刻胶后，将掩膜版与涂覆完光刻胶的硅酸镓镧基片平行放置，然后进行紫外线曝光，显影，则在掩膜版对应空腔处的光刻胶被溶解去除，最后用去离子水对晶片进行清洗。

涂敷光刻胶的方法可以是蒸汽涂布法，也可以是旋转涂布法，本发明实施例优先旋转涂布法，通过控制旋转速度可以控制光刻胶的厚度。增粘剂的涂敷同样可以采用蒸涂法或者旋涂法。

步骤20、对光刻显影后的晶片进行刻蚀，形成制备预定结构的凹槽；

上述步骤10中光刻后的晶片在掩模版处的光刻胶被溶解，晶片基材直接裸露，在本步骤中通过刻蚀在此处形成凹槽，具体应用中，刻蚀工艺可以采用湿法腐蚀或者干法刻蚀。

湿法腐蚀：配制盐酸与磷酸的混合溶液(hcl:h3po4＝1：1)并加热至80℃，涂有光刻胶的lgs晶片被腐蚀，这种酸的混合物使lgs表面光滑同时具有较快的腐蚀速率同时保持lgs晶片表面平整度，其中反应槽内的温度对于腐蚀速率具有重要影响。控制反应槽内的温度可以控制腐蚀速率，待硅酸镓镧被刻蚀一段时间后，满足符合深度的凹槽后，用去离子水进行清洗，然后将su-8光刻胶剥离，利用显微镜观测腐蚀效果，以得到所需lgs空腔的凹槽。

图3为本发明实施例中lgs湿法腐蚀形成凹槽的工艺流程示意图，如图3所示，先对lgs晶片进行清洗形成洁净的lgs晶片，接着在晶片一面进行匀胶，即涂敷su-8光刻胶，之后放置掩膜板于匀胶面的待刻蚀处，照射紫外光、显影溶解掩膜板处的光刻胶，接着在晶片的另一面进行匀胶，之后用hcl/h3po4溶液对晶片进行腐蚀，在没有光刻胶覆盖的晶片处腐蚀出凹槽，最后去除晶片表面的光刻胶，获得表面形成有凹槽的lgs晶片。

干法刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀技术(icp)，利用去离子水、酒精和丙酮对硅酸镓镧基底进行清洗，去除基片表面的灰尘、油污和有机物，使用化学气相沉积在硅酸镓镧表面生长一层二氧化硅(sio2)作为硬掩膜材料，将带有掩膜的lgs晶片置于等离子刻蚀区，反应腔体内气体中的离子，在反应腔体的偏压作用下，对被刻蚀的晶片表面进行轰击，形成损伤层，从而加速了等离子中自由活性基团在其表面反应，离子轰击体现干法刻蚀的异向性，而由于侧壁的沉积，则很好的抑制了自由活性基团的反应。由于干法刻蚀的物理反应与化学反应相结合的方式，在异向性和等向性的相互作用下，可以精确的控制图形的尺寸和形状，因此刻蚀出来的凹槽精度更高。图4为lgs等离子体刻蚀形成凹槽的工艺流程示意图，如图4所示，由于可以精确控制图形的尺寸和形状，因此采用等离子体刻蚀可以一次成形多个，最后切片分割制备器件。

本发明实施例中的预定结构，可以为制备声表面波器件中用于测定压力参数的密封空腔，也可以为其他特定用途的单一凹槽结构、多凹槽结构或者梁结构。

步骤30、对刻蚀的晶片与另一晶片进行热压键合使被键合的两晶片接触面形成永久键合面，对应的凹槽处形成预定结构。

本步骤中键合的两晶片可以为刻蚀后的晶片与另一未刻蚀的晶片对齐后键合，也可以为两个均经过刻蚀的晶片对齐后进行键合。

若要使凹槽形成空腔等预定结构，且在高温工作环境下仍旧能够稳固连接，则须使两晶片界面处的原子能形成稳定的键连接，从而使两晶片由于键合强度而形成一体，因此，还需要将两晶片对合后施加一定的机械压力和加热处理。本发明实施例中采用两晶片基材直接键合方式，即将刻蚀后形成的凹槽进行对齐，使两晶片的表面直接接触，进行加压加温处理，使晶片界面处发生物理化学反应形成键连接，从而达到两晶片永久键合，最终形成需要的预定结构。相比其他形成空腔等预定结构的方法，如高温胶粘接的方法，本发明直接键合的方法形成的预定结构不仅强度高，而且在高温环境下也依然保持一体结构，从而性能保持稳定，因此更适用于高温恶劣环境下的压电器件应用。

本发明实施例通过光刻、刻蚀工艺形成制备预定结构的凹槽，通过控制相应工艺的加工精度，可以使凹槽的加工精度能够得到有效保障，而且降低了硬脆性材料加工过程中的失效率；两晶片通过热压直接键合方式，使两晶片界面处的原子能形成稳定的键连接，从而使两晶片由于键合强度而形成一体，不仅实现了硬脆性材料的预定结构的制备，而且使得含有这种预定结构的器件在高温恶劣环境下能够长时间保持检测性能稳定，从而延长器件的使用寿命。

在上述实施例中，为使键合达到原子级相互移位渗透，相互键合的晶片表面应保持平整光滑以及清洁，可以采用合适的抛光工艺及清洗工艺来对晶片进行表面处理。

图2为本发明实施例二提供的一种耐高温硬脆性材料的加工方法的流程图，如图2所示，本实施例的方法，在上述图1所示的实施例一的基础上，在晶片键合步骤之前，还进一步包括：

步骤21、对晶片表面进行抛光及亲水性处理。

利用刻蚀好的lgs腔体进行键合实现带有密封空腔的lgs三维结构，在进行键合之前，首先对预键合的lgs基片进行表面抛光工艺以降低基片表面粗糙度，然后进行亲水性的表面处理，其中表面亲水性处理包括湿法清洗和等离子体处理。具体应用中，首先依次用丙酮、酒精、食人鱼溶液(spm)、标准清洗1号液(sc1)、稀释后的氢氟酸溶液和去离子水对lgs基片进行湿法清洗，sc1清洗液是氨水、双氧水以及水的混合物，其通过氧化和电性排斥可以去除晶片上的微粒杂质以及聚合物。

晶片清洗之后，再利用氧等离子体对lgs基片进行表面激活，等离子体表面处理同时可以达到消除晶圆表面的污染以及进一步降低表面粗糙度的效果。用氧等离子表面处理的等离子体中的活性氧与材料表面的有机物进行氧化反应，氧等离子体与材料表面有机污物作用，把有机污物分解为二氧化碳等，可以改善键合界面，有利于提高键合强度。

经过上述的表面处理后，就可以对两片lgs基片直接热压键合。具体应用中，该热压键合包括：

步骤31、将表面已进行抛光及亲水性处理的两片晶片的凹槽对齐，或者将已进行抛光及亲水性处理的表面刻蚀有凹槽的晶片与表面未刻蚀凹槽的晶片对齐，使抛光面直接进行预键合，作为样品；

步骤32、将样品固定在模具中，并进行加压加温处理，使两晶片的键合面实现永久键合。

经过抛光及清洗后的晶片，本发明实施例中依然采用两晶片基材直接键合方式，即将表面预处理过的待密封形成空腔的凹槽进行对齐，或者将已进行抛光及亲水性处理的表面具有凹槽的一个晶片与表面不具有凹槽的另一个晶片对齐，使抛光面直接接触，安装在模具中施加一定的压力进行预键合，预键合形成的样品再经过高温处理，使晶片界面处发生物理化学反应形成键连接，实现两晶片永久键合，在上述加温过程中继续加压最终形成需要的密封空腔等结构。

上述用于固定样品的模具包括石墨制成的上下夹具和固定夹具的套筒，该模具可用于在室温下对两晶片进行预键合加压形成预键合样品，接着将样品连同模具一起放入烧结炉中在垂直方向上下表面进行加压，整体进行加温，实现样品的永久键合，从而得到密封的lgs空腔。石墨模具具有良好的物理化学性能，而且易于加工，在高温下强度依然能够保障，不变形，本发明实施例通过采用石墨制成的夹具和套筒模具，使得晶片在加压加温过程中器件精度能够得到保证。在高温环境下，两个键合面的原子(si、la、ga、o)打破了晶格的束缚而发生换位和移动，发生了原子扩散，产生了新的极键将两个表面的元素连接起来，形成密封空腔等预定结构。

本发明实施例在上述实施例一的基础上，进一步通过对键合操作前的晶片表面进行抛光和亲水性处理，使得形成的密封空腔等预定结构的晶片键合面的键合强度进一步得到加强；通过采用模具进行固定加热加压，使得晶片键合过程中形状保持稳定，从而有利于提升加工精度。

图5为本发明实施例三提供的一种耐高温硬脆性材料的加工设备结构示意图，如图5所示，本发明实施例的设备包括：光刻装置100、刻蚀装置200和键合装置300，其中，光刻装置100，用于将光刻胶涂敷于清洗过的耐高温硬脆性材料晶片表面，并放置掩膜版进行光刻显影。实际应用中，光刻装置100可以包括涂胶设备、光刻机、曝光系统等。刻蚀装置200，用于对光刻显影后的晶片进行刻蚀，形成制备预定结构的凹槽，实际应用中，刻蚀装置200可以湿法腐蚀相应的装置，也可以是干法刻蚀相应的刻蚀系统。

上述的光刻装置100与刻蚀装置200可以为现有技术中半导体器件制备中的相应工艺设备，本发明实施例不再详细说明。键合装置300，用于对刻蚀的晶片与另一晶片进行热压键合使被键合的两晶片接触面形成永久键合面，对应的凹槽处形成预定结构。本发明实施例中的键合装置300在将两晶片键合在一起时，不仅要对晶片施加一定的压力，还需要施加一定的高温，以使其适当的温度和压力下接触界面间进行原子互相渗透形成极键从而实现永久键合,键合界面具有良好的气密性和长期的稳定性。实际应用中，键合装置300可以包括用于加热加压的容器，如热压炉，加热加压的控制系统、气体控制系统及相应的由控制系统控制并执行相应操作的执行机构等，其中气体控制系统用于控制键合过程中所通入的气体，如氮气等。实际应用中也可以在真空环境下进行热压键合。

键合装置300的控制软件基于反馈控制原理。在键合容器腔内，根据理想气体状态方程，腔内压力、温度满足以下关系：

ρg为腔内所通入的气体密度，p为气体压力，r为标准气体常数，t为腔内气体温度，mg为所通入的气体的摩尔质量。

在升温、加压过程中，腔内气体压力、温度处于动态平衡中。根据上述关系，对各参数进行实时监测并通过软件实时控制以确保温度、压力可以稳定维持在预设定范围内来满足实际需求。两晶片通过热压直接永久键合在一起，需要施加稳定的压力，具体应用中，可以通过液压装置进行压力施加，液压装置在线监测和控制较易实现，如通过可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller,简称plc)进行控制，不仅控制精度高，而且抗干扰能力强，所以，能够保证硬脆性材料的键合过程中压力的稳定性，从而能够有效降低耐高温硬脆性材料的加工失效率。

本发明实施例中的设备应用上述实施例一对应的工艺方法实现对耐高温硬脆性材料的密封空腔等预定结构进行加工，其达到的技术效果类似，不再赘述。

图6为本发明实施例四提供的一种耐高温硬脆性材料的加工设备结构示意图，如图6所示，本发明实施例的设备在上述实施例三的基础上，进一步包括：表面处理装置201，对晶片表面进行抛光及亲水性处理；样品固定装置202，将表面已进行抛光及亲水性处理的两片晶片的凹槽对齐，或者将已进行抛光及亲水性处理的表面刻蚀有凹槽的晶片与表面未刻蚀凹槽的晶片对齐，使抛光面直接进行预键合，作为样品固定在模具中以进行加压加温处理；以及增粘处理装置500，在清洗过的耐高温硬脆性材料晶片表面上涂敷增粘剂。上述进一步包括的表面处理装置201、样品固定装置202以及增粘处理装置500可以既单独应用于本发明实施例，也可以同时应用于本发明实施例，具体应用中可以根据需要加工的器件精度及要求选择使用，本发明实施例对此不做限定。

图7为图6中样品固定装置的结构示意图，如图7所示，预键合样品301由两片经过刻蚀形成凹槽的晶片抛光清洗后对齐初步压紧形成，为使预键合后的晶片界面间形成永久键合，还需要将样品301放置于热压炉中进行加温加压处理，所以，为使键合过程中lgs晶片稳固贴合，本发明实施例采用样品固定装置对样品301进行夹持固定，该装置包括上下夹具303和套筒304，二者均有石墨制备，上下夹具303从上下两方向将凹槽相对的两晶片进行夹持施加压力形成空腔302，为防止加压过程中上下夹具倾斜受力不稳而导致器件制备失效，本发明实施例中将样品及上下夹具置于套筒304中进行稳固，初步施压进行预键合，在后续的热压炉中进行加温加压处理时，将样品连同上下夹具及套筒一起放置与热压炉中。

具体应用中，对键合的两晶片施加压力是通过对上下夹具施加压力实现的，对夹具上施加压力可以通过液压装置进行，液压装置通过便于工程控制的plc实现，plc控制中包含pid控制、前馈补偿控制和比值控制等运算，可以根据控制需求进行选择，其可以在线控制液压油的速度、压力等，实现对夹具上压力的实时稳定控制，保证施加压力的稳定，从而有利于对硬脆性材料的热压键合。

在实际应用中，当采用一片刻蚀有凹槽的晶片与另一片没有刻蚀凹槽表面平整的晶片直接进行键合，可以降低两晶片的对齐难度。

本发明实施例还提供一种声表面波器件，由压电材料制备，该器件包括：至少一个利用上述任一实施例的方法或者利用上述任一实施例的设备制备的形成于耐高温硬脆性材料上的密封空腔。

图8为本发明实施例制备的密封空腔应用于声表面波器件的示意图，该声表面波器件中，空腔12为采用本发明实施例的工艺或设备制备而成，空腔12部分的上边和下边的压电晶体基片1厚度较小，当压电晶体基片1承受压力时，空腔12部分的压电晶体基片1会产生形变，从而使得经过这部分压电晶体基片1的声表面波的传播速度发生变化。通过在空腔12对应的第一表面s1上形成第二谐振器3，可以实现对压力参数的准确感知。

上述的压电晶体基片1采用耐高温材料制成，使得该声表面波器件能适用于航空发动机燃烧室这样的高温环境中，本领域技术人员所知的材料有硅酸镓镧晶体等硬脆性材料。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。