MEMS中PZT铁电薄膜的湿法刻蚀技术研究

摘要

PZT铁电薄膜在微电子和微电子机械系统(MEMS)技术领域有着重要的和潜在的应用.在加工基于PZT薄膜的各种MEMS器件过程中,PZT薄膜的微图形化技术是不可或缺的一环,PZT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PZT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(RIE)、高浓度等离子刻蚀(如ECR、ICP等)和离子束刻蚀(IBE)等.干法刻蚀PZT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,容易造成刻蚀残留、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,MEMS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PZT薄膜图形转化方法.湿法刻蚀PZT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PZT薄膜湿法刻蚀技术研究的重点.该论文从理论分析出发,系统地阐述了PZT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PZT薄膜湿法刻蚀的方法:采用BHF:HCl:NH<,4>Cl:H<,2>O=1:2:4:4作为刻蚀液;刻蚀之后用HNO<,3>:H<,2>O=2:1溶液处理刻蚀反应的残留物;最后经过去离子水清沈,得到干净无残留的PZT图形.该方法成功地将用溶胶-凝胶法制备的1微米厚的PZT薄膜微图形化,得到令人满意的刻蚀效果:PZT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(0.016μm/sec),且对光刻胶和Pt底电极有很好的选择性.刻蚀后PZT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.

目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 MEMS的发展及应用

1.2作为MEMS材料的PZT铁电薄膜

1.2.1 PZT薄膜及其性能描述

1.2.2 PZT薄膜在MEMS中的应用

1.3 PZT薄膜的微图形化技术

1.3.1干法刻蚀及其存在的问题

1.3.2湿法刻蚀

1.3.3 PZT薄膜图形化技术现状

1.4本论文的设计和内容

参考文献：

第二章PZT薄膜湿法刻蚀的理论基础

2.1 PZT材料的湿法刻蚀机理

2.1.1湿法刻蚀原理

2.1.2 PZT薄膜的刻蚀过程

2.2表征PZT薄膜刻蚀效果的几个参数

2.2.1刻蚀速率

2.2.2刻蚀选择性

2.2.3侧蚀比

2.2.4刻蚀均匀性

2.2.5表面清洗和刻蚀残留物

2.3小结

参考文献

第三章实验方法与实验手段

3.1 PZT薄膜图形化的工艺流程

3.1.1 PZT薄膜的制备

3.1.2光刻胶掩膜图形的制作

3.1.3 PZT薄膜的湿法刻蚀工艺

3.2刻蚀残留物的处理和图形质量的检测

3.3刻蚀前后PZT薄膜电学性能的检测

3.4小结

参考文献

第四章实验结果与讨论

4.1刻蚀液成分选择

4.2初步结果

4.3残留物的去除

4.4刻蚀液的优化

4.5刻蚀液各成分浓度对刻蚀效果的影响

4.5.1 HCl浓度对刻蚀效果的影响

4.5.2 NH4Cl浓度对刻蚀效果的影响

4.6 PZT图形的微观形貌

4.7小结

参考文献

第五章PZT铁电薄膜的电学性能测试

5.1概述

5.2测试原理与方法

5.3实验

5.4结果与讨论

5.4.1介电性质的测量

5.4.2铁电性质的测量

5.5小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

攻读硕士学位期间发表的有关论文和专利

致谢