（精密仪器及机械专业论文）MEMS中PZT铁电薄膜的湿法刻蚀技术研究.pdf

中国科学技术人学硕十毕业论文 摘要 p z t 铁电薄膜在微电予和微电予机械系统( m e m s j 技术领域有着重要的 和潜在的应用。在加工基于p z t 薄膜的各种m e m s 器件过程中，p z t 薄膜的微 图形化技术是不可或缺的一环，p z t 薄膜的图形转化精度和图形质量直接影响到 器件的成败和器件的性能。 目前已有的p z t 铁电薄膜的微图形化方法分为干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻 蚀包括反应离子刻蚀( p i e ) 、高浓度等离子刻蚀( j 【r e c r 、i c p 等) 和离子束刻 蚀( i b e ) 等。干法刻蚀p z t 薄膜具有图形转化精度高和极好的各向异性等特点， 但所需的设备昂贵，刻蚀速率低，选择性差，容易造成刻蚀残曰、表面损伤等问 题。而湿法刻蚀方法具有成本低、刻蚀速率快、选择性好的优点，始终是薄膜材 料图形化的重要方法。与微电子相比，m e m s 的特征尺寸相对较大，一般从几微米 到数百微米，此时湿法刻蚀不失为一种经济和实用的p z t 薄膜图形转化方法。湿 法刻蚀p z 3 薄膜技术尚存在侧蚀严重、刻蚀残留物和图形转化精度低等问题。如 何解决这些问题，扩大湿法刻蚀方法的应用场合，是微系统中p z t 薄膜温法刻蚀 技术研究的重点。 本论文从理论分析出发，系统地阐述了p z t 铁电薄膜湿法刻蚀的机理、研 究进展，以及目前仍存在的问题。在此基础之上，提出了一种新的p z t 薄膜湿法 刻蚀的方法：采用b h f ：h c i ：n h 4 c i ：h 2 0 = 1 ：2 ：4 ：4 作为刻蚀液；刻蚀之后用 h n 0 3 ：h 2 0 = 2 ：l 溶液处理刻蚀反应的残留物：最后经过去离子水清洗，得到十净 无残留的p z t 图形。 该方法成功地将用溶胶一凝胶法制备的1 微米厚的p z t 薄膜微图形化，得 到令人满意的刻蚀效柒：p z t 图形侧蚀小( 1 5 ：1 ) ，表面无残留物，侧面倾角接近 垂直，边缘直线性较好，刻蚀速率快( o 0 1 6 1 t m s e c ) ，且对光刻胶和p t 底电极有 很好的选择性。刻蚀后p z t 薄膜的电学性能测试表明，该方法不会对薄膜电学 性能造成明显影响。 中国科学技术人学硕十毕业论文 a b s t r a c t p z tt h i nf i l m sh a v e m a n yi m p o r t a n t o r p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i n m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) f i e l d s ，d u r i n gt h ef a b r i c a t i o no ft h em e m s d e v i c e sb a s e do np z tt h i nf i l m s ，t h em i c r op a t t e r n i n go f p z tt h i nf i l m si san e c e s s a r y a n di m p o r t a n tp r o c e s s t h ep r o p e r t i e so ft h em e m sd e v i c e sd e p e n dd i r e c t l yo nt h e p r e c i s i o na n dq u a l i t yo fp z tp a t t e r n t h ep a t t e r n i n gt e c h n i q u eo fp z tt h i nf i l m sc o n t a i n sd r y e t c h r i n gp r o c e s sa n d w e tc h e m i c a l e t c h i n gp r o c e s s v a r i o u sd r y e t c h i n gp r o c e s s e s ，i n c l u d i n gr e a c t i v ei o n e t c h i n g ( r i e ) ，h i g hd e n s i t yp l a s m ae t c h i n g ( s u c ha se c ra n di c p ) a n di o nb e a m e t c h i n g ( i b e ) ，h a v eb e e nr e p o r t e dt od e f i n ep a t t e r n so np z tf e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l s d r y e t c h i n gp r o c e s s e sp r o v i d eah i g hd e g r e eo fa n i s o t r o p ya n dh i g hp r e c i s i o no f t r a n s f e r r i n gp a t t e r n h o w e v e r ，t h el o we t c h i n gr a t e ，p o o rs e l e c t i v i t y ，e x p e n s i v e e q u i p m e n t ，s u r f a c ed a m a g e ，a n dr e s i d u ec o n t a m i n a t i o nm a k et h e mn o tv e r ys u i t a b l e t oe t c hp z tf i l m sf o rm e m sa p p l i c a t i o n w e te t c h i n gi sa l w a y sa ni m p o r t a n t m e t h o dt op a t t e r nf i l mm a t e r i a ld u et o i t st f i g he t c h i n gr a t e ，l o wc o s ta n dh i g h s e l e c t i v i t y c o m p a r e dw i t hm i c r o - e l e c t r o n i c s ，t h ef e a t u r es i z eo fm e m sd e v i c e si s l a r g e r , f r o mt e n st o s e v e r a lh u n d r e d so fm i c r o n s ，t h e r e f o r e ，w e te t c h i n gi sa n e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o df o rp a t t e r n i n go fp z tt h i nf i l m s t h em a i n p r o b l e m so fp z tw e te t c h i n ga r eh e a v yu n d e r c u t t i n g ，e t c h i n gr e s i d u e sa n dl o w p r e c i s i o no ft r a n s f e r r i n gp a t t e r n s o ，s o l u t i o no ft h e s ep r o b l e m sa n de n l a r g i n g a p p l i c a t i o na r e aa r et h ek e yp o i n t sf o rr e s e a r c h e r sw h os t u d yo nw e t - e t c h i n g t e c h n i q u eo fp z t t h i nf i l m s t h i st h e s i s a n a l y z e st h em e c h a n i s mo fw e te t c h i n go fp z tt h i nf i l m s ，t h e a d v a n c e so fp z tt h i nf i l m si ne t c h i n gt e c h n i q u ea n dt h er e m a i n i n gq u e s t i o n s a f t e r t h a t ，an o v e lw e t - e t c h i n gp r o c e s si sp r o p o s e df o rp z tt h i n f i l mp a t t e r n i n gu s i n g 1 b h f ：2 h c i ：4 n h 4 c i ：4 h 2 0s o l u t i o na st h ee t c h a n t t h e nh n 0 3 ：h 2 0 = 2 ：1s o l u t i o nw a s a p p l i e dt od e a lw i t he t c h i n gr e s i d u e s a tl a s t ，r e s i d u e sw e r ec o m p l e t e l yr e m o v e di n d e i o n i z e dw a t e ra n dc l e a np z t p a t t e r nw a so b t a i n e d 巾围科学技术人学硕十毕、i k 论文 ip m t h i c kp z tt h i nf i l m sw e r es u c c e s s f u l l yp a t t e r n e db yt h i sm e t h o da n d s a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d ：l o wu n d e r c u t t i n g ( 1 5 ：1 ) ，n or e s i d u e s ，h i g hs l o p e a n g l eo fp a t t e r ne d g e ，g o o de d g el i n e a r i t y , h i g he t c h i n gr a t e ( o 0 16i _ t m s ) a n dg o o d s e l e c t i v i t yo v e rt h ep h o t o r e s i s ta n dp tb o t t o me l e c t r o d e t h em e a s u r e m e n to f t h e e l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fp a t t e r n e dp z tt h i nf i l m ss h o w e dt h a tt h i sw e t - e t c h i n gp r o c e s s h a d l o wi m p a c to nt h e i re l e c t r o n i cp r o p e r t i e s 6 r p 国科学技术人学硕十毕业论文 第一章绪论 1 1m e m s 的发展及应用 微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米纳 米结构和系统为目的的微米纳米技术在此背景下应运而生。微电子机械系统 ( m e m s ) 是指采用微机械加工技术可以批量制作的，集微型传感器、微型机构、 微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信等于一体的微型器件或微型系 统。主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，图1 1 给出了典 封圣悴甲哗 执n 墼 誓罐 懦 感测量l 与其他微系统的通讯接口( 光、电、磁) i控制量 图1 1m e m s 系统与外部世界相互作用的示意图 型的m e m s 系统与外部世界相互作用的示意图。作为输入信号的自然界中的各种信 息首先通过传感器转换成电信号，信号处理后再通过微执行器对外部世界发生作 用。传感器是把能量从一种形式转换成另一种形式，从而将现实世界的信号转换 为系统可以处理的信号；执行器根据信号处理电路发出的指令完成所需要的操 作；信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微机电 系统的研究得到了迅猛发展。2 0 世纪9 0 年代，由于通信的宽带化、网络化的急切 需求，人类基因研究的迅速发展，汽车业的巨大需求和军事装备需求的强大压力 等市场牵弓j ，导致投资增加、技术趋向成熟，使m e m s 产品商品化的速度加快。 近几年，m e m s 的研究方向从单元器件发展到了微型系统，微型系统就是把微驱 巾国科学技术人学倾十毕业沦文 动器、微执行器及传感器等都集中在极小的几何空问内，川现代技术把各种功能 单元在微观世界统一起来。微型系统是一个综合系统，它包含多学科交义、多利 加工技术的应用以及新原理和新结构的探索等。m e m s 技术的发展显示出巨大的 生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和叫靠性水平提高到新的高 度。 m e m s 发展前景广阔，可应用于机械的高级维护系统、微型工厂、人体管 腔诊断和检查系统等需要微型、微细机械的场合。利用m e m s 技术可制成突破 通信瓶颈的全光交换机、准确检测病变的基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量 仅有几十克的微小卫星等。在过去十多年中，m e m s 技术已经应用于安全气囊传 感器( d h 速度计) 、压力传感器、显示器、自适应光器件、数字微镜器件、扫描 仪、血压测量传感器、图象传感器、硬盘驱动器中的加速度传感器、蜂窝电话中 应用的微继电器、电视中应用的微型透镜、喷墨打印头以及数掘存储器等。在通 信方面，光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展，无线通信则要 求增强功能( 如联网等) 和减小功耗。m e m s 技术在这些方面有很大的优势。在 生物医学方面，一些公司和大学正在研究将光、机、电、液、生化等部件集成在 一起，构成一个微型：出片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简堆、 廉价、准确和快捷的检测手段。在军事工业方面，已经有一些圈家的一些机构 和公司正在从事有害化学战剂微型报警传感器、微型敌我识别装置、灵巧蒙皮、 分布式战场微型传感器网络等研究。 1 2 作为m e m s 材料的p z t 铁电薄膜 1 。2 。1p z t 薄膜及其性能描述 锆钛酸铅( p z t ) 是a b 0 3 型复合钙钛矿结构的压电、铁电材料。其的化学 式可表示成p b ( z r 。t i l 。) 0 3 ，简写成p z t 。a b 0 3 型钙钛矿结构可用简立方晶格来 表示( 图1 2 ) 。对于p z t 材料，p b ”占据a 位晶胞顶角，z r 4 + a u t i 4 + 占据b 位体i i , 位 置，面心被0 2 一占据。由于t i 4 + , n z r 4 + 离子半径相近，电价相等，p b t i 0 3 $ ! l p b z r 0 3 均为简单钙钛矿型结构，所以能形成无限固溶体p z t 。图1 - 3 是p b t i 0 3 一p b z r 0 3 二元系相图【2 。由图可见，随着x 的不同，p b ( z r 。t i h ) 0 3 的居晕温度t c 也不同。 中国科学技术人学硕十毕业论文 图1 2a b 0 3 型钙钛矿结构的结构基元 在t c 以上，对所有的x 值，p z t 均为顺电立方样i ( p c ) ，不烈铁r 乜性。当冷却至居 单温度时发生相变：x 较小时转变为铁电四方相( f ，) ；x 较大时转变为铁电三方 g 巴， 2 已 是 点 拳 图1 3p b t i 0 3 一p b z m 3 二元系相图 场 盹碧 自， 子系属 子 金 原 价 价 二 五 或 或价子价 一 原四 氧b o 中国科学技术人学硕十毕! 世论文 相( f r ) 。此时由于晶胞内正负电荷中心不再重合，三方相和四方相皆具有自发 极化性质，为铁电相。三方铁电相又分为高温稳定相f r ( h ) 和低温稳定相f r ( l ) ， 两者的区别在于前者是简单菱面体品胞，后者是复合菱面体晶胞。在x = 0 5 3 处 附近存在一条f r 和f ，r 的界限，称为准同型相界。研究表明，准同型相界实际上有 一定的宽度，在此区域内，四方铁电相和三方铁电相共存。在准同型相界区，材 料的结构属于四方一三方两相过渡区，结构比较松弛。两相具有相近的自由能， 而且自由能差对于温度的变化不敏感。在准同型相界附近的p z t 材料具有优良的 压电性能。 在过去的几十年中，人们对p z t 薄膜材料的制备和属性展开了广泛的研究。 它的高机电耦合系数和高压电常数就引起人们广泛的兴趣，压电系数d 3 3 可达 1 9 0 2 2 0 p c n ，l t z n o 和a 1 n 高一个数量级。另外，在传感应用时具有高灵敏度和 低电噪声的特点和在驱动应用时具有很高的响应速度和较火的输出应力，从而在 m e m s 中处于重要地位，受到大家的普遍关注。 1 2 2p z t 薄膜在m e m s 中的应用 p z t 材料，具有良好的介电、压电、铁电、热释电、电光等性能，可用于 制作非挥发性铁电存储器、压电驱动器、红外探测器、电光设备等，在电子材料 学中具有重要的地位。 p z t 薄膜在m e m s 中也有着广泛的应用。与其他m e m s 材料相比，p z t 薄膜具有功能效应多，功耗小，噪音小，使用温度范围宽，易集成等特点，被称 为未来m e m s 应用的旨选材料p l 。近年来，随着m e m s 技术的发展，p z t 薄膜 已在m e m s 中得到了广泛的应用。现有的压电m e m s 器件有：雎力传感器、悬 臂梁驱动器、原予力显微镜探针、超声微马达和微泵等。图1 4 是p z t 薄膜在超 声波马达中应用的例子【4 1 。 中国科学技术火学硕十毕业论文 图1 4 超声波传感器中p z t 薄膜的层状结构 另外，利用p z t 铁电薄膜的良好热释电效应，还制造出气体传感器、火焰 探测器和复杂的热成像阵列等阢在热成像阵列应用中，p z t 薄膜的热释电性能 使得并行结构阵列容易制造，并有可能集成输出电子装置，降低了热成像系统的 成本。图1 5 是一个基于p z t 薄膜热释电性能的红外成像阵列的典型例子【6 】，最上 层f l j ! j ：# b 线l 吸收层吸收热信号，然后通过p z t f l j 自发极化转化为l u 信号。 图1 5 基于p z t 薄膜的红外成像阵列 基于p z t 薄膜，k u n z 等人还成功地制作出三维的硅加速度计，与其它加 速度计相比较，灵敏度更高和尺寸更小7 1 。p z t 薄膜还用于制作高密度信息存 储中的自传感和自驱动微悬臂梁阵列，每个微悬臂梁的纵向传感灵敏度可以高 达0 1 n m l 8 j a 这些成果都展示了p z t 薄膜在m e m s 器件应用方面的良好前景。 中国科学技术人! 学硕一k 毕业论文 1 3p z t 薄膜的微图形化技术 p z t 铁电薄膜在微电子和微电子机械系统技术领域有着重要的和潜在的应 用。在加工基于p z t 薄膜的各种器件过程中p z t 薄膜的微图形化技术是不可或 缺的一环，p z t 薄膜的图形转化精度和图形质量直接影, i ；j - n 器件的成败和器件的 性能。因此，p z t 薄膜的图形化工艺的研究随着人们对p z t 薄膜的重视逐渐展开。 与典型的半导体微图形化方法类似，p z t 铁电薄膜的微图形化方法也分为干 法刻蚀和湿法化学刻蚀。干法刻蚀包括反应离子刻蚀( r i e ) 、等离子刻蚀和离 子束刻蚀( i b e ) 等，其中等离子刻蚀的等离子体源又分为电子回旋共振( e c r ) 、 感应耦合等离子体( i c p ) 和螺旋波等离子体( h w p ) 等各种源。考虑到某些铁 电薄膜制备技术的特点，一些科学工作者还发展了几种与铁电薄膜的制备技术相 结合的微图形化方法【3 】。 1 3 1 干法刻蚀及其存在的问题 离子束刻蚀是一种利用a r 等惰性气体的纯物理轰击产生刻蚀效果的方法。 离子束刻蚀对材料无选择性，在固定离子束入射角的情况下，刻蚀速率主要与被 刻蚀材料有关，并随离子束的能量和束流密度的增加而增加，离子束的能量和束 流密度分别可调，所以工艺参数可控性好，容易得到较好的工艺均匀性和重复性。 由于离子束刻蚀是各向异性腐蚀，所以图形转移精度高，细线条的线宽损失小。 离子束刻蚀只用氩气，对环境污染小，运转成本低，尤其适用于采用化学方法难 以刻蚀的材料的刻蚀及精密的超薄膜刻蚀，且能用于刻蚀已知的任何材料，因此， 也被用于p z t 铁电薄膜的图形化【9 】。但离子束刻蚀存在选择性差、离子轰击导致 衬底温度过高、对基片轰击损伤大和刻蚀速率慢等缺点。山于i b e 对材料的选 择性差，因此用i b e 刻蚀p z t 薄膜时，p z t 薄膜厚度的不均匀将反应在底电极 ( 一般是p t ) 的过刻蚀上，甚至破坏底电极层的图形。光刻胶是常用的离子束 刻蚀掩膜材料，但是它在受到离子束轰击时会发热收缩，温度过高时还导致光刻 胶炭化而难以去除。另外，离子束刻蚀的再淀积效应，也限制了该技术的应用场 合。 反应离子刻蚀( r i e ) 是一种将图形能非常准确地转移到衬底上去的有效方 2 中国科学技术大学硕士毕业论文 法，这种方法在半导体工艺中得到广泛应用。由于采用分子气体放电代替惰性气 体，因而在等离子体中含有各种形式的活性基，能获得良好的各向异性刻蚀且选 择性好，另外，在刻蚀过程中，由于物理溅射和化学反应兼而有之，因而可以灵活 地选取工艺参数，以获得最佳刻蚀效果。已有不少文献报导了采用r i e 刻蚀p z t 、 p l z t 等铁电薄膜的方法。p o o r 等人使用c f 4 + h c i h e 为气体刻蚀p z t 薄膜，实验 显示室温时刻蚀并不发生，为获得适当的刻蚀速率，选择衬底温度为3 0 0 。c 【l 唧。但 刻蚀时衬底温度较高，会对光刻胶掩膜造成不良影响。g l a b b e e k 等人以c f 以钳为 气体刻蚀p z t 薄膜，虽然不用对衬底加热就能获得一定的刻蚀效果，但这时必 须考虑到事实上刻蚀时离子轰击薄膜表面已引起衬底温度上升。r i e 法刻蚀p z t 铁电薄膜具有分辨率高，均匀性好以及极好的各向异性等特点。但仍存在一些问 题有待于解决，如过高的衬底温度引起光刻胶掩膜的变质，p z t 各组元刻蚀速率 的不均匀，离子轰击引起的样品表面损伤，刻蚀后薄膜性能有所损伤等。p a n t ”】 等人发现刻蚀后薄膜的电滞回线和疲劳特性都存在小的漂移，刻蚀后p r 减小，e c 增加。另外，对于m e m s 器件中为了提高p z t 薄膜的驱动能力，人们希望p z t 薄 膜的厚度尽量大些。对于这些厚膜，r i e 刻蚀速率低和p z t 各组元刻蚀不均匀的缺 点更加突出，限制了瞰e 在p z t 薄膜图形化方面的应用【1 3 】。 电子回旋共振( e c r ) 等离子体刻蚀是增强型的反应离子刻蚀。e c r 离子源 是把微波与磁场联系在一起，微波与磁场f 日j 的相互作用引起电子回旋共振，大大 提高了等离子的产生率。在离子壳层中离子被壳层电场加速并同片子发生碰撞， 从而发生刻蚀反应【1 ”。电感藕合等离子刻蚀( i c p ) 是刻蚀气体通过电感耦合的方 式辉光放电，产生活性游离基、亚稳态粒予、原子等粒子，刻蚀是由这些活性粒 子与基片固体表面发生化学反应和离子对基片表面的物理轰击共同完成的【”j 。 虽然，使用e c r 和i c p 等高密度等离子体源，可以提高p z t 薄膜的刻蚀速率。例 如，c h a r l e t 等人通过优化e c r 等离子刻蚀的工艺条件，在衬底温度为1 0 0 。c 时可 获得6 0 n m m i n 的刻蚀速率【1 6 。但由于离子轰击导致原子错位而引起的物理损伤 和反应化学残留都会对器件的电学性能产生很大的影响，损伤程度主要随材料暴 露在等离子体下的时间的增加和轰击离子的能量升高而加剧。反应生成的表面残 留物和轰击离子引起的化学残留物污染会导致反应产物渗入样品表面，以及增加 样品表面的粗糙度。 中国科学技术人学硕十毕业论文 1 3 2 湿法刻蚀 湿法刻蚀是一种成本低选、择性好、刻蚀速率相对较快的图形化方法。在 微系统中对图形转化精度不高的场合，湿法刻蚀广泛应用于各种材料的刻蚀。 对于多组元的p z t 铁电薄膜的湿法刻蚀，由于化学计量比很难维持、刻蚀速 率不易控制和易产生横向侧蚀等原因【”】，难以用于对精度要求高的微电子领域。 但在m e m s 领域，大多数m e m s 器件的横向尺寸在1 0 岬1 0 r a m 之间，因此，湿法刻 蚀仍是一种经济和有效的工艺，可以被用来制作p z t 薄膜的微i 虱形。湿法刻蚀方法 速率快、选择性好的优点使得其在刻蚀p z t 膜较厚的图形化方面有着独特的优 势，是p z t 厚膜图形化工艺的首选方法1 ”j 。 p z t 薄膜的湿法刻蚀，是钙钛矿结构的锆钛酸铅与某种刻蚀液发生化学反 应，生成的产物溶解在刻蚀液中过程。目前，人们已经试验过h c l ，h f ，h 3 p 0 4 ， h n 0 3 ，它们都对p z t 薄膜有一定的刻蚀作用：但h 3 p 0 4 年n h n 0 3 的刻蚀速率太低； h c i 与h f 虽然能产生明显的刻蚀效果，但都存在刻蚀不均匀的问题( 出于p z t 薄膜 的多组元刻蚀速率本身的差异所致) ，而且h f 亥i 蚀后样品表面有白色残留，均无 法得到令人满意的刻蚀效果。 人们发现，将几种强酸进行复合可以提高p z t 薄膜的湿法刻蚀质量。s m a n c h a 就选用b h f h c i h 2 0 溶液刻蚀( p a ，l a ) ( z r ，t 0 0 3 薄膜( 锆钛酸镧铅，简 称p l z t ) ”】，但由于刻蚀液中h f 的浓度较高，容易破坏光刻胶与p l z t 之间的 粘结，导致较严重的侧蚀，图形转化精度不高，并发现有富铅膜残留。l p w a n g 等人【l9 】则用两种刻蚀液分步对p z t 进行刻蚀：先用b h f 刻掉大部分的p z t 薄 膜，接着用4 5 。c 的2 h c i ：h 2 0 溶液除掉剩余的残留物，并指出残留物主要由金 属氟化物p b o 8 5 1 5 r 3 和p 6 5 j 曩4 组成，得到p z t 图形的侧蚀比为2 ：l 。 但作者没有解释刻蚀机理，包括薄膜的刻蚀过程和残留物的形成、去除过程，残 留物的成分也没有相同的报导。刘秦等人采用b h f h n 0 3 溶液刻蚀p z t 薄膜【2 0 1 ， 但用h n 0 3 刻蚀p z t 中的p b 组元比用h c i 快，刻蚀过程在数秒内就结束，刻蚀 过程难以控制，且容易破坏图形的边缘并增大侧蚀比。r a m i l l e r 2 l 】采用的p z t 薄膜湿法刻蚀液包含盐酸、硝酸、醋酸和氢氟酸等多种成分，可以比较有效地避 免残留物的出现】，但得到的p z t 薄膜图形侧蚀，i k 重，图形边缘质量有待于改 中国科学技术大学硕七毕业论文 善另外在刻蚀液中同时引入h c l 和h n 0 3 ，会降低刻蚀液对底电极p t 的选择 性。 这些工作都对p z t 的湿法刻蚀技术进行一定的探索并获得了一些成果，实 现了p z t 薄膜的图形化，但都不够深入，无法兼顾侧蚀、刻蚀速率、图形边缘 质量和表面残留等几个方面，使其应用范围受到限制。残留物的形成机理和去 除方法还有待于进一步的研究。 1 3 3p z t 薄膜图形化技术现状 干法刻蚀p z t 薄膜具有图形转化精度高和极好的各向异性等特点，适用于 薄膜厚度在数百纳米以下、对薄膜图形转化精度高的场合。但由于p z t 薄膜是多 组元的化合物，各组元之间的刻蚀速率存在差异，用r i g 、e c r 、i c p 等方法刻蚀 p z t 时需要用到多种气体，使得刻蚀工艺复杂，刻蚀速率低、而且容易造成各组 元刻蚀不均匀、刻蚀残留、样品表面损伤等问题。深入研究r i e 刻蚀p z t 薄膜的 机理、优化刻蚀条件将是它的研究重点。对光刻胶掩膜和底电极材料的选择性差 也是干法刻蚀的缺点，如当选用光刻胶作为掩模时，有时会出现由于掩模层变薄、 反应变质，而在刻蚀完成后用有机溶剂和热处理都无法去除。此外，当p z t 薄膜 应用于m e m s 时，为了提高p z t 薄膜的驱动力和增加薄膜的变形量，人们需要越 来越厚的p z t 薄膜，如5 p m - 1 0 p m 厚，对于这种厚膜，干法刻蚀难以满足要求。 虽然湿法刻蚀的图形转换精度较差，难以实用于对精度要求高的微电子领 域。但与微电子相比，m e m s 的特征尺j j 叶日对较大，一般从几微米到数百微米， 此时湿法刻蚀不失为一种经济和实用的p z t 薄膜图形转化方法。湿法腐蚀刻蚀 p z t 薄膜的主要难点是侧蚀严重、刻蚀残留物和图形转化精度差。如何解决这些 问题，扩大湿法刻蚀方法的应用场合，是p z t 薄膜湿法刻蚀工艺在微系统领域 中得到应用的研究重点。 也有人结合湿法和干法来刻蚀p z t 薄膜( 2 2 】，来发挥各自的优点，但结果还不 够理想。新近发展起来的结合铁电薄膜s o l g e l $ 1 j 备技术特点的几种微图形化方 法【1 7 】，由于减少了工艺步骤，且不影响铁电薄膜的特性，分辨率较高，很有发展潜 力，值得进一步探索。 中国科学披术火学硕士毕业论文 1 4 本论文的设计和内容 微图形化技术是p z t 薄膜在m e m s 中应用的关键技术之一。由于p z t 成 分的特殊性和m e m s 中人们对p z t 薄膜厚度的要求，增加了干法刻蚀p z t 薄 膜的难度，目前仍有刻蚀速率低、选择性差、均匀性差等主要关键问题没有解决， 难以满足m e m s 中p z t 薄膜微图形化的要求。湿法刻蚀是一种经济而使用的 p z t 薄膜微图形化技术，但也存在侧蚀严重、刻蚀残留物和图形转化精度差等 问题，限制了其在m e m s 中的应用。本论文的主要工作足分析这些问题，并提出 一、 相应的解决方法，在这基础之上，提出了一种新的p z t 薄膜湿法刻蚀方法，取得 了良好的结果。对后续的章节安排如下： 第二章叙述了湿法刻蚀方法的原理，讨论了p z t 薄膜湿法刻蚀技术的机理 和p z t 刻蚀过程中的刻蚀速率、刻蚀侧蚀比、刻蚀残留物等几个关键问题。 第三章介绍了p z t 薄膜湿法刻蚀力法的工艺流程，包括薄膜制备、光刻、 湿法刻蚀，并介绍了去除贱留物的实验方法、p z t 图形的观测手段和薄膜电学 性能的检测方法。 第四章叙述了实验结果，并分析和讨沧了，详细讨论了温法刻蚀过程和刻 蚀机理。 第五章叙述了p z t 薄膜铁电、介电性质的测试原理和方法，并比较了湿法 刻蚀前后p z t 薄膜的电学性能。 参考文献： 1 郝一龙，张澧县，李婷等硅基m e m s 技术，税嵇绉威2 0 0 1 ，2 3 ( 4 ) ：5 2 3 5 2 6 2 刘梅冬，许毓春压电铁电材料与器材，华中理工大学出版社，武汉，1 9 9 0 3 d l p o l l aa n dl f f r a n c i s f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m si nm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，m r sb u l l ，1 9 9 6 ，2 1 ，5 9 - 6 5 4 c h u n g c h e n gc h a n g ，j u n g h u aw a n g ，m u d e rj e n ge ta 1 t h ef a b r i c a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o no fp z tt h i n f i l m a c o u s t i cd e v i c e sf o ra p p l i c a t i o ni n u n d e r w a t e rr o b o t i c s y s t e m s ，p r o c ，n a t l & jc o u n cr o c ( a ) ，2 0 0 0 ， 2 4 ( 4 ) ：2 8 7 2 9 2 t 1 1 固剃学技术人学硕十毕业论文 5 bw i l l i n g ，mk o h l i ，pm u r a l t ，e ta 1 g a ss p e c t r o m e t r yb a s c do np y r o e l e c t r i ct h i n f i l ma r r a y si n t e g r a t e do ns i l i c o n j s e n s ，a c t u a t ，1 9 9 8 ，6 6a ：1 0 9 - 1 1 3 6 p a u lm u r a l t m i c r o m a c h i n e di n f r a r e dd e t e c t o r sb a s e do np y r o e l e c t r i ct h i nf i l m s ， r e p p r o g j p 伽6 4 ( 2 0 0 1 ) ：1 3 3 9 1 3 8 8 7 k u n zk o r b i n i a n ，e n o k s s o np e t e ra n ds t e m m eg 6 r a n h i g h l ys e n s i t i v et r i a x i a l s i l i c o na c c e l e r o m e t e rw i t hi n t e g r a t e dp z tt h i nf i h nd e t e c t o r s s e n s a c t u a t 2 0 0 1 ，9 2a ：1 5 6 一1 6 0 8 t i t o h ，c l e e ，j c h ua n dt s u g a i n d e p e n d e n tp a r a _ k k e ls c a n n i n gf o r c e m i c r o s c o p yu s i n gp b ( z r , t i ) 0 3m i c r o c a n t i l e v e ra r r a y p r o c i e e et h el o t ha n n i n t w o r k s h o po nm e m s 9 7 ( i e e e ，n e wj e r s e y ) ，1 9 9 7 ：7 8 8 3 9 r z e t o ，b r o d ，m d u b e ye ta 1 h i g h r e s o l u t i o nd r ye t c hp a t t e r n i n go fp z tf o r p i e z o e l e c t r i cm e m sd e v i c e s ，m a t e r i a l sr e s e a r c hs o c i e t ys y m pp r o c 19 9 9 ，5 4 6 ： 1 5 9 - 1 6 2 1 0 p o o rmr f l e d d e r m a n ncb m e a s u r e m e n to fe t c hr a t eo fl e a d - l a n t t l a l b u l l l - z i r c o n i u m - t i t a n a t e t h i nf i l m ，j a p p l p 砂5 ，1 9 9 t ，7 0 ( 6 ) ：3 3 8 5 - 3 3 8 7 1 1 v a ng l a b b e a kjj ，s p i e r i n g sg acm ，u l e n a e r smje ，e ta 1 r e a c t i v ei o n e t c h i n go fp t p b z r x t i l x 0 3 p ti n t e g r a t e df e r r o e l e c t r i cc a p a c i t o r s ，f e r r o e l e c t r i c 豫i nf i l m s ，1 9 9 3 ，3 ：1 2 7 - 1 3 2 1 2 w p a n ，s b d e s u ，y o oi nk ，e ta 1 r e a c t i v ei o ne t c h i n go fp b z r l x t i x 0 3m a d r u 0 2f i l m sb ye n v i r o n m e m t a l l ys a f eg a s e s ，j m a t e r r e s ，1 9 9 4 ，9 ( 1 ) ：2 9 7 6 2 9 8 0 1 3 l p w a n g m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m sr m e m s ) s e n s o r sb a s e do nl e a d z i r c o n a t et i t a n a t e ( p z t ) f i l m s ，t h e s i sf o rd o c t o r o fp h i l o s o p h y ，t h e p e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y ，2 0 0 1 1 4 s y o k o y a m a ，y i t o ，k i s h i h e r a ，k h a m a d a , s o h n i s h i ，j k u d o ，a n dk s a k i t y a m a h i g h t e m p e r a t t u ee t c h i n go fp z t p t t i ns t r u c t u r eb yh i g h d e n s i t y e c rp l a s m a ，j a p a n e s ej o u r n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，19 9 5 ，3 4 ：7 6 7 7 7 0 15 c j k i m ，j k l e e ，c w c h u n g ，a n di c h u n g e t c h i n ge f f e c t st op z t c a p a c i t o r sw i t hr u 0 2 p te l e c t r o d eb yu s i n gi n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ， i n t e g r a t e d f e r r o e l e c t r i c s p r o c e e d i n g s o f t e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 6 ( 1 4 ) ：1 4 9 一】5 7 1 7 中国科学技术人学预 j 毕业论文 16 b c h a r l e t k e d a v i e s d r ye t c h i n go fp z ff i l m si na ne c rp l a s m a ， f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m s ，19 9 3 ，3 ：3 6 3 3 6 8 1 7 包定华，张良莹，姚熹铁电薄膜的微图形化研究，硅酸盐通报，l 9 9 8 ， ( 3 ) ：5 9 6 3 1 8 s m a n c h a c h e m i c a le t c h i n go ft h i n f i l mp l z t f e r r o e l e c t r i c s 1 9 9 2 ，1 3 5 ： 1 3 1 一1 3 7 19 l p w a n g ，r w o l f , q z h o u e ta 1 w e t e t c hp a t t e m i n go fl e a dz i r c o n a t e t i t a n a t e ( p z t ) t h i c kf i l m s f o rm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ts y s t e m s ( m e m s ) a p p l i c a t i o n s m a t e r i a l sr e s e a r c hs o c i e t yp r o c e e d i n g s ， 2 0 0 1 ，v 0 1 6 5 7 ， e e 5 3 9 1 e e 5 3 9 6 2 0 刘秦，p z t 薄膜微图形的制作精度的研究，压砬与觥，1 9 9 8 ，v 0 1 2 0 n o 6 ，4 1 1 - 4 1 3 2 1 r a m i l l e r , j j b e r n s t e i n an o v e lw e te t c h