[發明專利]一種力學傳感器用鈮酸鋰單晶薄膜圖形化刻蝕方法

在審

• 申請號: 202010962862.8
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112125276A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 丑修建;畢開西;薛剛;耿文平;張樂;楊翔宇
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B7/02;H01L41/332
• 代理公司: 上海百一領御專利代理事務所(普通合伙) 31243
• 代理人: 楊孟娟

本申請公開了一種力學傳感器用鈮酸鋰單晶薄膜圖形化刻蝕方法，包括：制作鈮酸鋰薄膜；清洗上述鈮酸鋰薄膜；在上述鈮酸鋰薄膜表面涂覆光刻膠或濺射金屬薄膜，使用紫外光刻技術得到刻蝕用掩膜層；使用丙酮浸泡鈮酸鋰薄膜，剝離薄膜表面光刻膠；使用離子束刻蝕機對鈮酸鋰薄膜刻蝕；將刻蝕后薄膜進行標準清洗清除表面光刻膠殘留獲得鈮酸鋰薄膜圖形化結構。本申請實現了離子束刻蝕的方法完成了鈮酸鋰單晶圖形化刻蝕，獲得了低粗糙度、高深寬比、高可靠性的鈮酸鋰圖形化結構，通過不同的工藝流程優化，實現了鈮酸鋰的高質量長時間連續刻蝕，進而極大地提高了樣品的成品率，為力學傳感器的后繼工藝提供了理論技術支持。

技術領域

本申請屬于材料結構工藝制備領域，特別涉及一種力學傳感器用鈮酸鋰單晶薄膜圖形化刻蝕方法，可應用于MEMS微傳感器、微執行器的制造等。

背景技術

隨著現代電子通信技術的高速發展，MEMS傳感器擁有了越來越廣泛的應用市場，同時，MEMS傳感器正在朝著小型化、高度集成化、高可靠性、低延遲和低功耗的方向發展。傳統的硅基MEMS器件受生產工藝、發熱、量子隧穿效應等因素的影響，集成度、反應速度等性能難以進一步提高。鈮酸鋰(Lithium Niobate,LN)晶體居里溫度高，壓電效應的溫度系數小，機電耦合系數高，介電損耗低，晶體物化性能穩定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質量晶體，是一種優良的鐵電單晶材料。與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應用于移動通信、衛星通信、數字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙測等民用領域以及電子對抗、引信、制導等軍事領域。

鈮酸鋰晶體的結構可以理解為一系列氧八面體以共三角氧平面的形式堆垛，公共面與氧八面體的三重對稱軸垂直，然后不同的堆垛再以八面體共棱的形式連接。順電相鈮酸鋰晶體中的鈮離子處于氧八面體中心，然后連接兩個中間無鈮離子氧八面體，這兩個氧八面體的公共三角氧平面中間是鋰離子。在居里溫度以下晶體處于鐵電相時，鋰離子沿著三重對稱軸方向發生位移，偏移到氧八面體內部靠近公共氧平面的位置，從而形成沿著三重對稱軸方向的自發極化，這樣鈮酸鋰晶體的堆垛結構，也可以看做氧八面體共面連接，然后沿+c方向以“…-Li-Nb-□-Li-Nb-□-…”的順序填充陽離子，其中“□”表示空位。由于鈮酸鋰的特殊晶格結構，導致鈮酸鋰成為了一種相對難以刻蝕的晶體，對比傳統硅的濕法刻蝕工藝，鈮酸鋰濕法刻蝕工藝具有刻蝕速率低，各向異性差，鉆蝕嚴重等問題，而傳統的鈮酸鋰刻蝕方法電感耦合等離子體反應離子刻蝕(Inductively Coupled Plasmas-ReactiveIon Etching，ICP-RIE)在刻蝕的過程中氟基刻蝕氣體會與鈮酸鋰反應生成氟化鋰，而氟化鋰的熔點高達848℃，所以氟化鋰會沉積在鈮酸鋰表面，阻止鈮酸鋰的進一步刻蝕，降低了鈮酸鋰的刻蝕效率，難以實現鈮酸鋰的長時間連續刻蝕；同時，由于鈮酸鋰表面氟化鋰的沉積，會導致鈮酸鋰刻蝕面起伏嚴重，影響鈮酸鋰的平整度與側壁陡直度。使用Ar+的離子束刻蝕(Ion Beam Etching，IBE)是一種物理刻蝕方法，使用離子束刻蝕可以解決刻蝕過程中反應產物沉積的問題，從而實現鈮酸鋰的長時間刻蝕，獲得側壁陡直、刻蝕面低粗糙度的鈮酸鋰表面圖形結構。

發明內容

針對上述現有技術的缺點或不足，本申請要解決的技術問題是提供一種力學傳感器用鈮酸鋰單晶薄膜圖形化刻蝕方法，可以克服電感耦合等離子體反應離子刻蝕中遇到的氟基刻蝕氣體與鈮酸鋰反應生成的氟化鋰沉積導致的刻蝕速率慢，無法連續刻蝕，表面粗糙度高等問題，制造出高深寬比，高成品率，低粗糙度的鈮酸鋰表面圖形結構。

為解決上述技術問題，本申請通過以下技術方案來實現：

本申請提出了一種力學傳感器用鈮酸鋰單晶薄膜圖形化刻蝕方法，所述刻蝕方法包括：

制作鈮酸鋰薄膜；

清洗上述鈮酸鋰薄膜；

在上述鈮酸鋰薄膜表面涂覆光刻膠或濺射金屬薄膜，使用紫外光刻技術得到刻蝕用掩膜層；