一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法。石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法包括：基于石英玻璃晶圆加工一种振梁式谐振器；将振梁式谐振器尾翼的一部分固定于基座上；激励振梁式谐振器；利用激光测振仪测量谐振频率，再利用衰减法测量谐振器的Q值。石英玻璃振梁式谐振器由振梁、桥、飞翼、腿、尾翼构成，振梁与桥的中间相连，桥连接两个矩形状的飞翼的上边沿，振梁与飞翼之间由条形状孔隔离，每个飞翼的边沿通过腿与矩形状的尾翼的边沿相连，两个飞翼、两条腿与尾翼围着矩形孔，整个结构的外围构成了一个大矩形。本发明专利技术提出的评估方法与振梁式谐振器用来测量石英玻璃晶圆的能量损耗，具有体积小、测量简单优点。量简单优点。量简单优点。

【技术实现步骤摘要】
一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子机械系统领域，尤其涉及一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]石英玻璃由于其出色的光学性能、化学稳定性、低热导率、高电阻率等优点，在光学、照明、微流控等领域已得到广泛应用。其中，在激光干涉引力波天文台(LIGO)引力波测量装置中，石英玻璃由于极低的能量损耗、优异的光学性能等优点得到了应用。上个世纪末本世纪初，为了挑选满足引力波测量的石英玻璃，雪城大学P.Saulson等人利用光纤或金属丝吊住圆柱体或块状石英玻璃，测量圆柱体或块状石英玻璃的品质因数(Q值)；雪城大学AndriM.Gretarsson和GregoryM.Harry加热拉制石英玻璃成类似光纤的“待测量的光纤+隔离模块+隔离光纤+隔离模块”等特殊结构，测量这种特殊结构石英玻璃的品质因数(Q值)；东京大学K.Numata等人搭建了一种装置，测量圆柱体石英玻璃的品质因数(Q值)。这些测量方法中，待测石英玻璃结构体积大，固定方式要求高，叠加真空系统，整个装置较为复杂且体积庞大。
[0003]近年来，石英玻璃晶圆在半导体、微电子机械系统(MEMS)、光电等领域具有重要的应用前景，尤其是石英玻璃晶圆在MEMS领域开始探索应用场景。石英玻璃晶圆在MEMS三维壳体谐振陀螺、MEMS平面振动陀螺、MEMS振荡器等核心元件为微加工的谐振器方向具有重要的应用前景。评估石英玻璃晶圆的能量损耗可以帮助分析微加工对谐振器带来的影响，有利于改进微加工工艺，对实现高Q值微谐振器具有重要的意义。石英玻璃晶圆在MEMS领域开始得到关注，但目前并没有简单且有效的手段或方法测量石英玻璃晶圆的能量损耗。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法,以解决目前测量石英玻璃晶圆能量损耗存在困难的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法，包括以下步骤：
[0007]基于石英玻璃晶圆，制备一种振梁式谐振器；振梁式谐振器包括振梁、桥、飞翼、腿、尾翼；其中振梁与桥的中间相连，桥连接两个矩形状的飞翼的上边沿，振梁与飞翼之间由条形状孔隔离，每个飞翼的边沿通过腿与矩形状的尾翼的边沿相连，两个飞翼、两条腿与尾翼围着矩形孔，振梁式谐振器的外围构成了一个大矩形；
[0008]将振梁式谐振器的一部分固定于基座上；将固定好的振梁式谐振器放入真空腔中；
[0009]通过静电激励、声激励、光热激励、电磁激励、压电激励、电激励、机械激励方式中的一种激励方式或多种激励方式，激振振梁式谐振器的多种振动模态；
[0010]在真空条件下，通过光学检测、静电检测、压电检测、压阻检测手段中的一种或多种测量振梁式谐振器的谐振频率和振幅；用找到的谐振频率f激励振梁式谐振器，振幅稳定后，撤去激励让振梁式谐振器自由振动，记录振幅衰减到1/e的时间t；计算振梁式谐振器各个振动模态的品质因数Q值：Q＝π
×
f
×
t，采用振动模态中测得的最高Q值对石英玻璃晶圆能量损耗进行评估。
[0011]进一步的，将振梁式谐振器的一部分固定于基座上，固定方式包括焊料固定、胶固定或者直接夹在两块基座中间。
[0012]进一步的，石英玻璃振梁式谐振器由石英玻璃晶圆微加工制备而成，石英玻璃振梁式谐振器的厚度为石英玻璃晶圆的厚度。
[0013]进一步的，石英玻璃振梁式谐振器的侧壁与石英玻璃振梁式谐振器的表面的夹角大于45度。
[0014]本专利技术还公开了第一种石英玻璃振梁式谐振器的制备方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一、在石英玻璃晶圆上加工保护膜；
[0016]步骤二、旋涂光刻胶，光刻、显影，去除暴露的保护膜；
[0017]步骤三、利用氢氟酸腐蚀、干法刻蚀、激光切割、激光诱导腐蚀中的一种或几种方法加工出石英玻璃振梁式谐振器；
[0018]步骤四、去除光刻胶和保护膜，清洗后得到洁净的石英玻璃振梁式谐振器。
[0019]进一步的，步骤一中的保护膜若是用来在氢氟酸腐蚀中保护石英玻璃则是多晶硅、无定形硅、Cr/Au、Cr/Au/Cr/Au、多晶硅/Cr/Au、无定形硅/SiC中的一种材料构成的抗氢氟酸腐蚀薄膜；所述步骤一中的保护膜若是用来在干法刻蚀中保护石英玻璃则是Cr/Au/Ni多层薄膜材料；所述步骤一中的保护膜若是用来在激光切割中保护石英玻璃则是光刻胶、多晶硅、Cr单层薄膜中的一种材料。
[0020]本专利技术还公开了第二张石英玻璃振梁式谐振器的制备方法，包括以下步骤：直接利用激光切割加工出石英玻璃振梁式谐振器，然后将石英玻璃振梁式谐振器放入缓冲氧化物蚀刻液中去除激光切割带来的损伤层。
[0021]进一步的，激光是飞秒激光或皮秒激光。
[0022]本专利技术还公开了第三种石英玻璃振梁式谐振器的制备方法，包括以下步骤：石英玻璃振梁式谐振器由激光诱导腐蚀制备，具体包括：利用激光照射石英玻璃晶圆特定区域，使之发生性质变化，将石英玻璃晶圆放入氢氟酸溶液或氢氧化钾溶液中，腐蚀去除照射变性区域，得到石英玻璃振梁式谐振器。
[0023]本专利技术的一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法与测量结构及其制备方法，具有以下优点：
[0024]1、本专利技术可采用非接触式的激光多普勒测振原理对石英玻璃振梁式谐振器进行测量，使激光穿过真空腔上的玻璃观察窗垂直照射在石英玻璃振梁式谐振器的表面，有利于保证反射信号；同时无需对谐振器的表面进行金属化处理，不会降低谐振器的Q值。此外，非接触式测量不会影响谐振器的振动。基于激光多普勒测振原理，采用衰减法对谐振器的Q值进行测量，测量精度高，尤其对于高Q值测试，测量的准确性和可靠性高。
[0025]2、本专利技术采用的石英玻璃振梁式谐振器的高Q值模态为振梁一阶模态(如图3(a)所示)及振梁高阶模态。如图3(b)所示，振梁一阶模态下，应变能集中在振梁与桥的连接处，
能量泄露至衬底处需经过飞翼、腿和尾翼。腿细小狭长，隔绝了大部分能量，抑制了锚区损耗的影响，有利于实现高Q值，因此固定方式简单。这种优势简化了搭建方式，降低了测量要求。
[0026]3、本专利技术采用的石英玻璃振梁式谐振器结构简单，尺寸小，占用体积小，因此包含真空系统的测量装置体积小。本专利技术采用的石英玻璃振梁式谐振器由于体积小，重量轻，固定方式要求不高，因此可以采用压电陶瓷片进行激励，无需对谐振器进行金属化实现导电，不会引入额外的能量损耗。采用压电激励方法简单，测量易于搭建，且占用体积小。
[0027]4、本专利技术所提出了石英玻璃振梁式谐振器的制备方法，方法适用于晶圆级的MEMS加工工艺，同样也适用于激光切割这种可以单个加工工艺，方法简单，加工步骤少。制备方法中仅需进行溅射或电子束蒸发等常规MEMS微加工工艺进行一层或多层保护材料的制备，对于激光切割甚至可以不需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：基于石英玻璃晶圆，制备一种振梁式谐振器(70)；振梁式谐振器(70)包括振梁(72)、桥(74)、飞翼(76)、腿(78)、尾翼(80)；其中振梁(72)与桥(74)的中间相连，桥(74)连接两个矩形状的飞翼(76)的上边沿，振梁(72)与飞翼(76)之间由条形状孔(75)隔离，每个飞翼(76)的边沿通过腿(78)与矩形状的尾翼(80)的边沿相连，两个飞翼(76)、两条腿(78)与尾翼(80)围着矩形孔(77)，振梁式谐振器(70)的外围构成了一个矩形；将振梁式谐振器(70)的一部分固定于基座(90)上；将固定好的振梁式谐振器(70)放入真空腔(60)中；通过静电激励、声激励、光热激励、电磁激励、压电激励、电激励、机械激励方式中的一种激励方式或多种激励方式，激振振梁式谐振器(70)的多种振动模态；在真空条件下，通过光学检测、静电检测、压电检测、压阻检测手段中的一种或多种测量振梁式谐振器(70)的谐振频率和振幅；用找到的谐振频率f激励振梁式谐振器(70)，振幅稳定后，撤去激励让振梁式谐振器(70)自由振动，记录振幅衰减到1/e的时间t；计算振梁式谐振器(70)各个振动模态的品质因数Q值：Q＝π
×
f
×
t，采用振动模态中测得的最高Q值对石英玻璃晶圆能量损耗进行评估。2.根据权利要求1所述的石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法，其特征在于，将振梁式谐振器(70)的一部分固定于基座上，固定方式包括焊料固定、胶固定或者直接夹在两块基座中间。3.根据权利要求1所述的石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法，其特征在于，石英玻璃振梁式谐振器(70)由石英玻璃晶圆微加工制备而成，石英玻璃振梁式谐振器(70)的厚度为石英玻璃晶圆的厚度。4.根据权利要求1所述的石英玻璃晶圆能量损耗的评估方法，其特征在于，石英玻...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚金堂，罗斌，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：