據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由以色列巴伊蘭大學(xué)（Bar Ilan University）、特拉維夫大學(xué)（Tel-Aviv University）等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Femtosecond laser-assisted fabrication of piezoelectrically actuated crystalline quartz-based MEMS resonators”的論文，提出了一種利用飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻（FLICE）制造壓電致動的石英晶體MEMS諧振器的方法。這種制造方法不會改變石英的晶體結(jié)構(gòu)或壓電特性，不涉及任何光刻，并且具有高度的幾何設(shè)計靈活性。所提出的FLICE工藝特別適用于高端傳感應(yīng)用的功能性、壓電致動的諧振MEMS器件的制造。

石英晶體是一種特殊的材料，其獨特的能力使其能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的材料特性。諧振石英器件實現(xiàn)了高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Q），并提供了每攝氏度約0.6 ppm的頻率-溫度穩(wěn)定性。盡管最近在改善硅（Si）諧振器的頻率-溫度穩(wěn)定性方面取得了重大進(jìn)展，但由于其獨特的壓電特性，石英仍然是一種非常受歡迎且有吸引力的材料。

這一特性可將致動電極和傳感電極兩者集成在同一諧振元件內(nèi)，而不是像靜電致動硅器件所需要的那樣作為單獨的實體。這一優(yōu)點可以減少高端傳感器中與對準(zhǔn)相關(guān)的誤差。這些特性有利于利用石英作為襯底來制造不同類型的中、微尺度（MEMS）器件，例如用于定時應(yīng)用和頻率控制的音叉諧振器，以及作為質(zhì)量、氣體和濕度傳感器等。石英在諧振加速度計和陀螺儀等高端慣性傳感器、壓力傳感器、電場和磁場探測器以及超精密化學(xué)天平（石英晶體微天平）中也是不可或缺的。

在所有這些器件中，其性能品質(zhì)是通過分析在外部刺激應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)本征頻率的變化來衡量的。與較大尺寸的器件（如用于微尺度質(zhì)量傳感的石英鐘或石英微天平）兼容的制造技術(shù)，是以傳統(tǒng)的加工方法為基礎(chǔ)的，并且已經(jīng)很成熟。然而，這些技術(shù)不能直接用于微尺度器件的制造。因此，人們迫切需要開發(fā)新的、更合適的方法。

目前用于制造石英MEMS器件的方法主要包括：濕法各向同性/各向異性蝕刻、深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）、激光燒蝕微加工、飛秒（fs）激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻（FLICE）。

濕法蝕刻是制造石英結(jié)構(gòu)的一種有效工藝，尤其適用于厚度跨越數(shù)十或數(shù)百微米的樣品的雙面蝕刻。石英濕法蝕刻通常在飽和二氟化銨（NH4HF2）或BOE（緩沖氧化物蝕刻劑）中進(jìn)行，后者是NH4F:HF的混合物，溫度為80?°C或更高。蝕刻劑侵蝕 平面以及其它幾個石英取向，而對其他平面的影響最小。然而，由于石英晶體的三角對稱性，蝕刻的強(qiáng)各向異性不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的非對稱幾何形狀和傾斜的非正交面，這使得難以生成所需的形狀。

DRIE是一種很有前景且經(jīng)過深入研究的技術(shù)，它可在晶圓級制造具有相對光滑垂直側(cè)壁的微尺度結(jié)構(gòu)。一些制造設(shè)備可提供DRIE石英蝕刻服務(wù)。然而，通過該工藝制造的結(jié)構(gòu)的總深度和縱橫比是有限的，其速度相對較慢，并且不太適合制造厚度在幾十微米或數(shù)百微米范圍內(nèi)的器件。此外，與常見的MEMS工藝類似，石英DRIE需要光刻和掩模，這使得它不太適合原型開發(fā)。

FLICE是一種新興的透明固體材料微加工方法。用于制備三維（3D）結(jié)構(gòu)的FLICE方法包括兩個步驟：首先，通過聚焦的飛秒激光束照射一串脈沖對透明材料進(jìn)行光改性處理；然后，將被輻照的材料在蝕刻溶液中浸泡指定的時間。利用FLICE方法，人們已經(jīng)在二氧化硅、藍(lán)寶石和硼硅酸鹽玻璃上制造了3D微通道。此外，激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻已被應(yīng)用于石英晶體表面結(jié)構(gòu)或石英內(nèi)微通道制造。然而，該方法尚未用于石英“通切”或致動功能器件的制造。此外，由于激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的非晶態(tài)區(qū)域，所報道的激光輔助蝕刻技術(shù)并不能使石英保持其優(yōu)異的壓電特性。

圖1 研究提出的用于100 μm石英晶圓襯底的FLICE工藝流程

本文介紹了一種用于MEMS領(lǐng)域的石英諧振器精密制造的新技術(shù)。這種方法基于石英的激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻。主要的工藝步驟包括飛秒紫外（UV）激光處理Cr-Au涂層的Z切割α石英晶圓，然后進(jìn)行濕法蝕刻。激光圖案化的Cr-Au涂層被用作蝕刻掩模，并且被用于形成壓電致動的電極。這種制造方法不會改變石英的晶體結(jié)構(gòu)或壓電特性。通過優(yōu)化工藝參數(shù)和控制激光與物質(zhì)相互作用的時間行為，可以防止激光微加工石英中常見的缺陷的形成。該工藝不涉及任何光刻，并且具有高度的幾何設(shè)計靈活性。研究人員使用相對溫和的濕法蝕刻條件制造了幾種壓電致動的梁型諧振器，并通過實驗驗證了它們的功能。該器件與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于降低了所制造的石英結(jié)構(gòu)的表面粗糙度，改善了其壁面輪廓。所提出的FLICE工藝特別適用于高端傳感應(yīng)用的功能性、壓電致動的諧振MEMS器件的制造。

圖2 利用FLICE工藝制造的石英MEMS諧振器

圖3 利用FLICE工藝從100 μm厚晶圓中制造的石英微梁的SEM圖像

圖4 制造的石英MEMS諧振器的性能測試實驗

綜上所述，本文展示了一種利用飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻制造壓電致動的基于石英晶體的MEMS諧振器的方法。研究人員證實了提出的方法在功能性MEMS器件原型開發(fā)中的可行性和完整性。通過分析激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)變化，研究人員評估了該方法的可行性機(jī)制。在343 nm波長的超短脈沖下（數(shù)百飛秒的數(shù)量級），結(jié)構(gòu)的品質(zhì)保持其原始的單晶取向，導(dǎo)致在理想計算下與模擬結(jié)果非常匹配的高實驗諧振。目前存在的諧振加速度計、磁場和電場傳感器、壓力傳感器等眾多類型的傳感器都可以基于雙端音叉（DETF）或石英音叉（QTF）。因此，在這項研究中，研究人員制造并測試了由這些配置中的幾種組成的器件，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體的MEMS器件的方法的組合取得了一定突破，為將單晶石英應(yīng)用于MEMS組件中奠定了基礎(chǔ)。與其他常見的MEMS材料相比，石英具有極大的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)具有更高穩(wěn)定性、更高精度和更高靈敏度的功能組件。將MEMS器件與高質(zhì)量加工和嵌入式電子電路完全集成的能力使石英成為未來MEMS發(fā)展中越來越有前景的材料。

審核編輯：劉清