石英玻璃热化学后处理后表面粗糙度改善的研究

引言

石英是振动陀螺仪的理想材料。我们研究了热处理和化学后处理对熔融石英表面质量改善的影响。我们的研究包括高频蚀刻、氢氧化钾蚀刻、RCA-1表面处理的影响，这些在熔融石英玻璃陀螺仪的制造中很常见，以及热回流、BOE和10:1高频/盐酸蚀刻，表明一些处理改善了表面质量，而另一些则恶化了表面质量。微结构表面粗糙度的改善与熔融石英玻璃谐振器品质因数的改善直接相关。

实验

我们初步测试了热处理和化学后处理对空白熔融石英晶片的影响。然后，在弯曲的三维熔融石英结构上测试了热回流的影响，以表明从空白样品得到的结论适用于弯曲表面。最后，对不同表面质量的熔融石英玻璃谐振器进行了表征。测量并比较质量因子，以证明表面粗糙度和质量因子之间的直接相关性。

空白熔融石英样品的扫描面积为10μm × 10μm，所有样品在三个不同的点进行测量。每次扫描前，通过标准溶剂清洗来清洗样品。原子力显微镜在紧密接触模式下运行，使用10纳米半径的探针头。对于三维玻璃壳谐振器，样品被切成更小的块，以确保除了被测点之外，样品的其他部分不会与原子力显微镜针尖接触。

酒杯谐振器的质量因子通过扫频测量。谐振器由附着在谐振器杆上的压电堆压电驱动。振动幅度由激光多普勒测振仪测量。在所有测试之前，所有谐振器都经过标准溶剂清洗和RCA-1清洗。这些装置在压力为20μTorr的真空室中运行，因此完全消除了粘性阻尼。

结果和讨论

化学后处理：

熔融石英晶片在被制造成酒杯谐振器之前要经历许多化学过程。所有这些加工步骤都对样品的表面质量有影响。典型的工艺包括48%氟化氢蚀刻、45%氢氧化钾硬掩模去除和RCA-1清洗。一些工艺还包括10:1氢氟酸/盐酸蚀刻和BOE。研究了所有这些处理对熔融石英表面质量的影响。每种处理都在玻璃酒杯谐振器制造过程中的典型持续时间内应用于样品。结果总结在表一中。

表一 处理对表面粗糙度的影响

表一显示，氢氧化钾蚀刻和BOE都使熔融石英的表面恶化，高频蚀刻产生的表面粗糙度低于10:1的高频/盐酸溶液，而RCA-1表面处理通过将平均表面粗糙度从6.3纳米s a降低到4.7纳米Sa来改善熔融石英样品的表面。为了揭示RCA-1溶液的活性成分并了解其作用机理，将三个具有相同表面质量的熔融石英样品放入RCA-1溶液中(27% NH4OH的体积比为1∶1∶5，30% H2O2和去离子水)、H2O2溶液(0:1:6)和NH4OH溶液(1:0:6)。对于所有三个样品，反应温度控制在80℃，反应时间为20分钟。结果如表二所示。

表二 rca-1及其成分的影响

结果表明，RCA-1对熔融石英样品表面质量的影响主要是由于NH4OH的作用，平均表面粗糙度从6.3纳米Sa降低到5.8纳米Sa。单独使用H2O2并不能改善表面质量，但可以增强NH4OH的平滑效果。随着NH4OH/H2O2比例的增加和NH4OH浓度的增加，二氧化硅的刻蚀速率增加。这一结果表明，如果对某些蚀刻剂采用较高的蚀刻速率，样品的表面粗糙度可能会变得更差。

热后处理：

熔融石英是一种无定形材料，没有精确定义的熔化温度。随着温度的升高，材料变软，粘度降低。如果处理温度足够高，熔融石英的表面张力可以克服粘度，从而使表面积最小化，就像在液体中一样。利用回流现象，可以改善表面粗糙度。一方面，回流温度必须足够高，这样表面张力才能克服粘度，使表面光滑。另一方面，温度不能太高，这样样品就不会因为重力而变形，失去轴对称性。

我们研究了表面粗糙度随时间的变化。将1300℃的热回流施加在具有相同表面粗糙度的空白熔融石英样品上不同的持续时间。结果如图1所示，表面粗糙度通常随着处理时间的增加而降低，并且仅在30分钟后适度改善。平均表面粗糙度在前五分钟内没有显著变化，但是随着实验时间的延长而大大降低。为了理解前五分钟的过程，对功率谱密度进行了分析。表面的功率谱密度与表面高度函数的二维傅里叶变换有关，它比平均表面粗糙度包含更多的信息。

图1 回流1min、2min、5min后原始表面的功率谱密度

应用于三维结构的热回流：

为了表明在三维酒杯结构上可以观察到相同的效果，在热回流前后测量了表面。来自同一批次的两个玻璃吹制样品分别在1300℃回流1小时前后进行测试。结果如图1所示，平均表面粗糙度从1.9纳米减小到0.19纳米。在三维结构中观察到相同的平滑效果，这意味着上述所有结论都适用于曲面。此外，表面高度分布更低且更集中，表明热回流后的表面质量更好。

表面粗糙度和质量因子：

本文测试了三个熔融石英玻璃谐振器。首先，对谐振器进行了表征，并测量了质量因子。然后，对谐振器进行10分钟的氢氧化钾蚀刻以粗糙化表面，并再次测量质量因子。然后，谐振器在1300℃下热回流1小时以改善表面粗糙度，并且第三次测量质量因子。结果如表三所示。可以得出谐振器的品质因数和表面粗糙度之间的直接关系。与氢氧化钾蚀刻相关的质量因子平均减少17，000，而由热回流引起的质量因子增加约6000。这表明由氢氧化钾蚀刻引起的大部分粗糙化效应可以通过热回流来补偿。所有其他损失机制保持不变，从而得出结论，质量因数的变化是由表面损失引起的。

表三 处理后的质量因素

总结

我们研究了化学和热后处理对熔融石英样品表面质量的影响。在1300℃下热回流1小时显示出最佳结果，将平均表面粗糙度从24.5纳米减小到1.9纳米。RCA-1表面处理提高了表面质量，但不显著。

在器件的更好的表面质量和更高的品质因数之间建立了直接的关联，表明热回流和RCA-1表面处理可以提高熔融石英器件的品质因数。