據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(duì)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(dòng)的石英晶體MEMS諧振器的方法。這種制造方法不會(huì)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(jì)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(dòng)的諧振MEMS器件的制造。

石英晶體是一種特殊的材料，其獨(dú)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(shí)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(dú)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(dòng)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(dòng)硅器件所需要的那樣作為單獨(dú)的實(shí)體。這一優(yōu)點(diǎn)可以減少高端傳感器中與對(duì)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(shí)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(jì)和陀螺儀等高端慣性傳感器、壓力傳感器、電場(chǎng)和磁場(chǎng)探測(cè)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(gè)石英取向，而對(duì)其他平面的影響最小。然而，由于石英晶體的三角對(duì)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(duì)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(jí)制造具有相對(duì)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(duì)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(gè)步驟：首先，通過聚焦的飛秒激光束照射一串脈沖對(duì)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(shí)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(dòng)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(bào)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(dòng)的電極。這種制造方法不會(huì)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(shí)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(jì)靈活性。研究人員使用相對(duì)溫和的濕法蝕刻條件制造了幾種壓電致動(dòng)的梁型諧振器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

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(dòng)的基于石英晶體的MEMS諧振器的方法。研究人員證實(shí)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(píng)估了該方法的可行性機(jī)制。在343 nm波長(zhǎng)的超短脈沖下（數(shù)百飛秒的數(shù)量級(jí)），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(jì)算下與模擬結(jié)果非常匹配的高實(shí)驗(yàn)諧振。目前存在的諧振加速度計(jì)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)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(xiàng)研究中，研究人員制造并測(cè)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(shì)，可以實(shí)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