石英玻璃熱化學(xué)后處理后表面粗糙度改善的研究

引言

石英是振動(dòng)陀螺儀的理想材料。我們研究了熱處理和化學(xué)后處理對(duì)熔融石英表面質(zhì)量改善的影響。我們的研究包括高頻蝕刻、氫氧化鉀蝕刻、RCA-1表面處理的影響，這些在熔融石英玻璃陀螺儀的制造中很常見，以及熱回流、BOE和10:1高頻/鹽酸蝕刻，表明一些處理改善了表面質(zhì)量，而另一些則惡化了表面質(zhì)量。微結(jié)構(gòu)表面粗糙度的改善與熔融石英玻璃諧振器品質(zhì)因數(shù)的改善直接相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)

我們初步測(cè)試了熱處理和化學(xué)后處理對(duì)空白熔融石英晶片的影響。然后，在彎曲的三維熔融石英結(jié)構(gòu)上測(cè)試了熱回流的影響，以表明從空白樣品得到的結(jié)論適用于彎曲表面。最后，對(duì)不同表面質(zhì)量的熔融石英玻璃諧振器進(jìn)行了表征。測(cè)量并比較質(zhì)量因子，以證明表面粗糙度和質(zhì)量因子之間的直接相關(guān)性。

空白熔融石英樣品的掃描面積為10μm × 10μm，所有樣品在三個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。每次掃描前，通過標(biāo)準(zhǔn)溶劑清洗來清洗樣品。原子力顯微鏡在緊密接觸模式下運(yùn)行，使用10納米半徑的探針頭。對(duì)于三維玻璃殼諧振器，樣品被切成更小的塊，以確保除了被測(cè)點(diǎn)之外，樣品的其他部分不會(huì)與原子力顯微鏡針尖接觸。

酒杯諧振器的質(zhì)量因子通過掃頻測(cè)量。諧振器由附著在諧振器桿上的壓電堆壓電驅(qū)動(dòng)。振動(dòng)幅度由激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量。在所有測(cè)試之前，所有諧振器都經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)溶劑清洗和RCA-1清洗。這些裝置在壓力為20μTorr的真空室中運(yùn)行，因此完全消除了粘性阻尼。

結(jié)果和討論

化學(xué)后處理：

熔融石英晶片在被制造成酒杯諧振器之前要經(jīng)歷許多化學(xué)過程。所有這些加工步驟都對(duì)樣品的表面質(zhì)量有影響。典型的工藝包括48%氟化氫蝕刻、45%氫氧化鉀硬掩模去除和RCA-1清洗。一些工藝還包括10:1氫氟酸/鹽酸蝕刻和BOE。研究了所有這些處理對(duì)熔融石英表面質(zhì)量的影響。每種處理都在玻璃酒杯諧振器制造過程中的典型持續(xù)時(shí)間內(nèi)應(yīng)用于樣品。結(jié)果總結(jié)在表一中。

表一 處理對(duì)表面粗糙度的影響

表一顯示，氫氧化鉀蝕刻和BOE都使熔融石英的表面惡化，高頻蝕刻產(chǎn)生的表面粗糙度低于10:1的高頻/鹽酸溶液，而RCA-1表面處理通過將平均表面粗糙度從6.3納米s a降低到4.7納米Sa來改善熔融石英樣品的表面。為了揭示RCA-1溶液的活性成分并了解其作用機(jī)理，將三個(gè)具有相同表面質(zhì)量的熔融石英樣品放入RCA-1溶液中(27% NH4OH的體積比為1∶1∶5，30% H2O2和去離子水)、H2O2溶液(0:1:6)和NH4OH溶液(1:0:6)。對(duì)于所有三個(gè)樣品，反應(yīng)溫度控制在80℃，反應(yīng)時(shí)間為20分鐘。結(jié)果如表二所示。

?

表二 rca-1及其成分的影響

結(jié)果表明，RCA-1對(duì)熔融石英樣品表面質(zhì)量的影響主要是由于NH4OH的作用，平均表面粗糙度從6.3納米Sa降低到5.8納米Sa。單獨(dú)使用H2O2并不能改善表面質(zhì)量，但可以增強(qiáng)NH4OH的平滑效果。隨著NH4OH/H2O2比例的增加和NH4OH濃度的增加，二氧化硅的刻蝕速率增加。這一結(jié)果表明，如果對(duì)某些蝕刻劑采用較高的蝕刻速率，樣品的表面粗糙度可能會(huì)變得更差。

熱后處理：

熔融石英是一種無定形材料，沒有精確定義的熔化溫度。隨著溫度的升高，材料變軟，粘度降低。如果處理溫度足夠高，熔融石英的表面張力可以克服粘度，從而使表面積最小化，就像在液體中一樣。利用回流現(xiàn)象，可以改善表面粗糙度。一方面，回流溫度必須足夠高，這樣表面張力才能克服粘度，使表面光滑。另一方面，溫度不能太高，這樣樣品就不會(huì)因?yàn)橹亓Χ冃?，失去軸對(duì)稱性。

我們研究了表面粗糙度隨時(shí)間的變化。將1300℃的熱回流施加在具有相同表面粗糙度的空白熔融石英樣品上不同的持續(xù)時(shí)間。結(jié)果如圖1所示，表面粗糙度通常隨著處理時(shí)間的增加而降低，并且僅在30分鐘后適度改善。平均表面粗糙度在前五分鐘內(nèi)沒有顯著變化，但是隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長而大大降低。為了理解前五分鐘的過程，對(duì)功率譜密度進(jìn)行了分析。表面的功率譜密度與表面高度函數(shù)的二維傅里葉變換有關(guān)，它比平均表面粗糙度包含更多的信息。

?
?

圖1 回流1min、2min、5min后原始表面的功率譜密度

應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)的熱回流：

為了表明在三維酒杯結(jié)構(gòu)上可以觀察到相同的效果，在熱回流前后測(cè)量了表面。來自同一批次的兩個(gè)玻璃吹制樣品分別在1300℃回流1小時(shí)前后進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖1所示，平均表面粗糙度從1.9納米減小到0.19納米。在三維結(jié)構(gòu)中觀察到相同的平滑效果，這意味著上述所有結(jié)論都適用于曲面。此外，表面高度分布更低且更集中，表明熱回流后的表面質(zhì)量更好。

表面粗糙度和質(zhì)量因子：

本文測(cè)試了三個(gè)熔融石英玻璃諧振器。首先，對(duì)諧振器進(jìn)行了表征，并測(cè)量了質(zhì)量因子。然后，對(duì)諧振器進(jìn)行10分鐘的氫氧化鉀蝕刻以粗糙化表面，并再次測(cè)量質(zhì)量因子。然后，諧振器在1300℃下熱回流1小時(shí)以改善表面粗糙度，并且第三次測(cè)量質(zhì)量因子。結(jié)果如表三所示。可以得出諧振器的品質(zhì)因數(shù)和表面粗糙度之間的直接關(guān)系。與氫氧化鉀蝕刻相關(guān)的質(zhì)量因子平均減少17，000，而由熱回流引起的質(zhì)量因子增加約6000。這表明由氫氧化鉀蝕刻引起的大部分粗糙化效應(yīng)可以通過熱回流來補(bǔ)償。所有其他損失機(jī)制保持不變，從而得出結(jié)論，質(zhì)量因數(shù)的變化是由表面損失引起的。

表三 處理后的質(zhì)量因素

總結(jié)

我們研究了化學(xué)和熱后處理對(duì)熔融石英樣品表面質(zhì)量的影響。在1300℃下熱回流1小時(shí)顯示出最佳結(jié)果，將平均表面粗糙度從24.5納米減小到1.9納米。RCA-1表面處理提高了表面質(zhì)量，但不顯著。

在器件的更好的表面質(zhì)量和更高的品質(zhì)因數(shù)之間建立了直接的關(guān)聯(lián)，表明熱回流和RCA-1表面處理可以提高熔融石英器件的品質(zhì)因數(shù)。
?

　　審核編輯：ymf