飞秒激光辅助制造石英晶体MEMS谐振器

据麦姆斯咨询报道，近日，由以色列巴伊兰大学（Bar Ilan University）、特拉维夫大学（Tel-Aviv University）等机构组成的研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Femtosecond laser-assisted fabrication of piezoelectrically actuated crystalline quartz-based MEMS resonators”的论文，提出了一种利用飞秒激光诱导化学蚀刻（FLICE）制造压电致动的石英晶体MEMS谐振器的方法。这种制造方法不会改变石英的晶体结构或压电特性，不涉及任何光刻，并且具有高度的几何设计灵活性。所提出的FLICE工艺特别适用于高端传感应用的功能性、压电致动的谐振MEMS器件的制造。

石英晶体是一种特殊的材料，其独特的能力使其能够在较宽的温度范围内保持稳定的材料特性。谐振石英器件实现了高机械品质因数（Q），并提供了每摄氏度约0.6 ppm的频率-温度稳定性。尽管最近在改善硅（Si）谐振器的频率-温度稳定性方面取得了重大进展，但由于其独特的压电特性，石英仍然是一种非常受欢迎且有吸引力的材料。

这一特性可将致动电极和传感电极两者集成在同一谐振元件内，而不是像静电致动硅器件所需要的那样作为单独的实体。这一优点可以减少高端传感器中与对准相关的误差。这些特性有利于利用石英作为衬底来制造不同类型的中、微尺度（MEMS）器件，例如用于定时应用和频率控制的音叉谐振器，以及作为质量、气体和湿度传感器等。石英在谐振加速度计和陀螺仪等高端惯性传感器、压力传感器、电场和磁场探测器以及超精密化学天平（石英晶体微天平）中也是不可或缺的。

在所有这些器件中，其性能品质是通过分析在外部刺激应力下的结构本征频率的变化来衡量的。与较大尺寸的器件（如用于微尺度质量传感的石英钟或石英微天平）兼容的制造技术，是以传统的加工方法为基础的，并且已经很成熟。然而，这些技术不能直接用于微尺度器件的制造。因此，人们迫切需要开发新的、更合适的方法。

目前用于制造石英MEMS器件的方法主要包括：湿法各向同性/各向异性蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE）、激光烧蚀微加工、飞秒（fs）激光诱导化学蚀刻（FLICE）。

湿法蚀刻是制造石英结构的一种有效工艺，尤其适用于厚度跨越数十或数百微米的样品的双面蚀刻。石英湿法蚀刻通常在饱和二氟化铵（NH4HF2）或BOE（缓冲氧化物蚀刻剂）中进行，后者是NH4F:HF的混合物，温度为80 °C或更高。蚀刻剂侵蚀 平面以及其它几个石英取向，而对其他平面的影响最小。然而，由于石英晶体的三角对称性，蚀刻的强各向异性不可避免地导致结构具有复杂的非对称几何形状和倾斜的非正交面，这使得难以生成所需的形状。 

DRIE是一种很有前景且经过深入研究的技术，它可在晶圆级制造具有相对光滑垂直侧壁的微尺度结构。一些制造设备可提供DRIE石英蚀刻服务。然而，通过该工艺制造的结构的总深度和纵横比是有限的，其速度相对较慢，并且不太适合制造厚度在几十微米或数百微米范围内的器件。此外，与常见的MEMS工艺类似，石英DRIE需要光刻和掩模，这使得它不太适合原型开发。

FLICE是一种新兴的透明固体材料微加工方法。用于制备三维（3D）结构的FLICE方法包括两个步骤：首先，通过聚焦的飞秒激光束照射一串脉冲对透明材料进行光改性处理；然后，将被辐照的材料在蚀刻溶液中浸泡指定的时间。利用FLICE方法，人们已经在二氧化硅、蓝宝石和硼硅酸盐玻璃上制造了3D微通道。此外，激光诱导化学蚀刻已被应用于石英晶体表面结构或石英内微通道制造。然而，该方法尚未用于石英“通切”或致动功能器件的制造。此外，由于激光与物质相互作用产生的非晶态区域，所报道的激光辅助蚀刻技术并不能使石英保持其优异的压电特性。

图1 研究提出的用于100 μm石英晶圆衬底的FLICE工艺流程

本文介绍了一种用于MEMS领域的石英谐振器精密制造的新技术。这种方法基于石英的激光诱导化学蚀刻。主要的工艺步骤包括飞秒紫外（UV）激光处理Cr-Au涂层的Z切割α石英晶圆，然后进行湿法蚀刻。激光图案化的Cr-Au涂层被用作蚀刻掩模，并且被用于形成压电致动的电极。这种制造方法不会改变石英的晶体结构或压电特性。通过优化工艺参数和控制激光与物质相互作用的时间行为，可以防止激光微加工石英中常见的缺陷的形成。该工艺不涉及任何光刻，并且具有高度的几何设计灵活性。研究人员使用相对温和的湿法蚀刻条件制造了几种压电致动的梁型谐振器，并通过实验验证了它们的功能。该器件与现有技术的区别在于降低了所制造的石英结构的表面粗糙度，改善了其壁面轮廓。所提出的FLICE工艺特别适用于高端传感应用的功能性、压电致动的谐振MEMS器件的制造。

图2 利用FLICE工艺制造的石英MEMS谐振器

图3 利用FLICE工艺从100 μm厚晶圆中制造的石英微梁的SEM图像

图4 制造的石英MEMS谐振器的性能测试实验

综上所述，本文展示了一种利用飞秒激光诱导化学蚀刻制造压电致动的基于石英晶体的MEMS谐振器的方法。研究人员证实了提出的方法在功能性MEMS器件原型开发中的可行性和完整性。通过分析激光与物质相互作用产生的晶体结构变化，研究人员评估了该方法的可行性机制。在343 nm波长的超短脉冲下（数百飞秒的数量级），结构的品质保持其原始的单晶取向，导致在理想计算下与模拟结果非常匹配的高实验谐振。目前存在的谐振加速度计、磁场和电场传感器、压力传感器等众多类型的传感器都可以基于双端音叉（DETF）或石英音叉（QTF）。因此，在这项研究中，研究人员制造并测试了由这些配置中的几种组成的器件，并指出本文提出的方法可用于所有上述器件的制造。

上述用于制造基于石英晶体的MEMS器件的方法的组合取得了一定突破，为将单晶石英应用于MEMS组件中奠定了基础。与其他常见的MEMS材料相比，石英具有极大的优势，可以实现具有更高稳定性、更高精度和更高灵敏度的功能组件。将MEMS器件与高质量加工和嵌入式电子电路完全集成的能力使石英成为未来MEMS发展中越来越有前景的材料。

审核编辑：刘清