一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法技术

本发明专利技术属于半导体器件加工制造技术领域，公开了一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法，利用原子力显微镜在铌酸锂单晶薄膜上施加电压实现电畴翻转，采用光刻工艺在已经实现电畴翻转的铌酸锂薄膜/硅基键合片表面进行对准标记制备并完成金属电极溅射，使用IBE干法刻蚀和RIE工艺实现铌酸锂和二氧化硅层的图形化，最后采用深硅技术刻蚀剩余硅层并封装，完成器件制备。本发明专利技术采用铁电材料电畴调控和MEMS微纳加工工艺相结合，制备铌酸锂单晶薄膜力电耦合器件，有效解决传统力电耦合器件力电耦合效率低和功能集成化低等问题，制得器件无铅无毒，使用寿命长，可重复使用，具有对环境友好、稳定性高、灵敏度高和宽温区等优点。区等优点。区等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件加工制造
，具体为一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法。

技术介绍

[0002]目前，高性能压电材料主要有PZT压电陶瓷、铌镁酸铅（PMN
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PT）等铅基弛豫铁电单晶等，这些材料都含有重金属铅元素，在诸多场合应用均受到限制。因此，研发性能优异、环境友好的压电材料是压电研究领域的关键科学问题之一。传统压电材料受限于较低的力电耦合效率（压电、介电常数较小）且很难在高频微振动空间测试系统派上用场。并且随着人类对太空领域探索的逐步深入，对航天系统中的电子器件性能的精度要求越来越高。因此，研发环境友好、集成化、功能多样化和力电转化效率高的传感器已经成为各个国家角逐的目标。
[0003]铌酸锂是一种无铅铁电单晶，居里温度高，本身具备力电耦合性能并且其压电常数非常稳定，具有较宽的禁带宽度，其压电系数对温度的依赖性较小，在极端环境，尤其是在低温、辐照等恶劣环境中具有巨大应用潜力。传统力电耦合器件利用掺杂、应变等调控手段实现核心功能层多相共存，在准同型相界（MPB）处由于势垒转换相对容易发生，因此处于准同型相界附近的铁电体通常具有优异的力电耦合性能。
[0004]不同于准同型相界手段调控压电材料力电耦合性能，这里本专利技术申请提出了一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法，基于畴工程实现铌酸锂铁电单晶力电耦合响应提升。通过微纳尺度电畴调控手段实现力电耦合性能的增强，基于纳米探针调控实现铌酸锂单晶薄膜宏观压电响应提升。深入分析畴壁动态与压电应变对应规律，开发纳米畴壁阵列调控压电响应提升方法，设计畴壁增强压电MEMS器件并测试。本专利技术旨在研究铁电单晶薄膜纳米尺度畴壁调控压电响应输出，对突破压电响应提升局限及铁电响应器件研制和应用推广具有重要科学意义和应用价值。

技术实现思路

[0005]本申请目的是提供一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法，可以解决传统铅基力电耦合器件功能集成、环境污染及恶劣环境应用难题。
[0006]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法，包括如下步骤：步骤一、选择基材，该基材从下至上依次为硅基底、二氧化硅层、金属下电极层、铌酸锂单晶薄膜层；使用原子力显微镜对铌酸锂单晶薄膜进行极化，实现电畴的翻转，所用探针为导电镀层探针SCM
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PIT
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75或CDT
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NCHR，在选定区域进行电畴翻转，针尖极化扫描速度为0.5Hz~2Hz，针尖加载极化电压为
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85V~85V之间；步骤二、制备光刻所需对准标记：
在铌酸锂单晶薄膜层表面制备金属对准标记，通过光刻胶AZ5214或者AZ4620对薄膜表面进行定位图形化，结合紫外光刻曝光显影方法实现对准标记的制备；步骤三、采用磁控溅射方法，在铌酸锂单晶薄膜层表面制备金属上电极；步骤四、采用IBE干法刻蚀，去除多余的铌酸锂单晶薄膜层；步骤五、采用RIE干法刻蚀，实现二氧化硅层的图形化；步骤六：采用深硅刻蚀方法，正面刻蚀制备悬臂梁以及质量块；步骤七：采用深硅刻蚀方法，背面刻蚀硅基底释放悬臂梁和质量块并完成器件的封装。
[0007]进一步优选的，步骤一中，在选定的5μm~120μm区域内进行回字形或条形电畴翻转。
[0008]进一步优选的，步骤二中，光刻胶旋涂转速为3000r/min，光刻胶厚度为2.4μm~7μm；曝光剂量120~550mJ/cm2，曝光时间15s~30s，显影时间20s~50s。
[0009]进一步优选的，步骤三中，所述金属上电极为Cr/Au薄膜或者Ti/Au薄膜，具体为：先溅射5nm~20nm的金属粘附层Cr或Ti，再溅射100nm~200nm的金属层Au；金属上电极厚度为110nm左右。
[0010]进一步优选的，步骤四中，刻蚀气体为Ar气，保留电畴翻转核心区域。IBE刻蚀材料为金属Au，金属Au刻蚀速度为100nm/min。刻蚀所使用的掩膜层为光刻胶，光刻胶的厚度为2~7μm。
[0011]进一步优选的，步骤五中，RIE干法刻蚀材料为二氧化硅，刻蚀速度为20nm/min。
[0012]进一步优选的，悬臂梁和质量块制备采用的是正面深硅刻蚀，刻蚀速度为1.8~2μm/loop；悬臂梁和质量块的释放采用背面深硅刻蚀，刻蚀速度为1.8~2μm/loop。
[0013]本专利技术所述的铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法，利用光刻工艺在已经实现电畴翻转的铌酸锂薄膜/硅基键合片表面进行对准标记制备并完成金属电极的溅射，使用IBE干法刻蚀和RIE干法刻蚀工艺实现铌酸锂和二氧化硅层的图形化，最后采用深硅技术刻蚀剩余硅层，实现悬臂梁和质量块的释放并封装，完成器件制备。
[0014]本专利技术设计合理，采用纳米尺度电畴调控和MEMS微纳加工工艺相结合的技术，基于铌酸锂薄膜设计并实现悬臂梁力电耦合敏感结构及器件制备，有效解决了传统铅基力电耦合器件环境污染及集成难题，此外力电耦合效率也有所提升，制得器件不惧各类恶劣环境（粒子辐照、宽温区），测量精度高，使用寿命长，可以反复测量，具有稳定性高、灵敏度高和集成度高等优点，具有很好的实际应用价值。
附图说明
[0015]图1表示本申请制备方法流程图。
[0016]图2表示本申请实施例中铌酸锂单晶薄膜电畴翻转示意图。
[0017]图3表示本申请实施例中回字形电畴幅值图。
[0018]图4表示本申请实施例中光刻胶沉积和电极图形化示意图。
[0019]图5表示本申请实施例中MEMS振动传感器工艺流程示意图。
[0020]图6表示本申请实施例中四悬臂梁结构硅基铌酸锂单晶薄膜的畴壁增强压电响应器件及敏感区域电畴图案。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细说明。
[0022]本申请实施例所述的铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件的制备方法，利用原子力显微镜（AFM）在铌酸锂单晶薄膜上施加电压实现电畴翻转，采用光刻工艺在已经实现电畴翻转的铌酸锂薄膜/硅基键合片表面进行对准标记制备并完成金属电极的溅射，使用IBE干法刻蚀和RIE干法刻蚀工艺实现铌酸锂和二氧化硅层的图形化，最后采用深硅技术刻蚀剩余硅层并封装，完成器件制备。
[0023]本申请实施例面向空间探测和环境友好型测试系统针对高精度、强稳定性传感测试应用需求，探索同时兼容铌酸锂力电耦合稳定性与MEMS纳米加工的可行性，即利用铌酸锂材料高居里温度以及压电特性制备铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合器件。本申请中制备力电耦合器件采取铌酸锂单晶薄膜，铌酸锂作为一种人工合成高质量单晶，具有极低的声损耗、光波导、光折射率、热释电、光存储和压电等优良的光学和电学性能，受到越来越多的关注，不仅具有极高的居里温度（1210℃），较宽的禁带宽度（3.72eV），具有较好的本征抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、选择基材，该基材从下至上依次为硅基底、二氧化硅层、金属下电极层、铌酸锂单晶薄膜层；使用原子力显微镜对铌酸锂单晶薄膜进行极化，实现电畴的翻转，所用探针为导电镀层探针SCM
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PIT
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75或CDT
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NCHR，在选定区域进行电畴翻转，针尖极化扫描速度为0.5Hz~2Hz，针尖加载极化电压为
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85V~85V之间；步骤二、制备光刻所需对准标记：在铌酸锂单晶薄膜层表面制备金属对准标记，通过光刻胶AZ5214或者AZ4620对薄膜表面进行定位图形化，结合紫外光刻曝光显影方法实现对准标记的制备；步骤三、采用磁控溅射方法，在铌酸锂单晶薄膜层表面制备金属上电极；步骤四、采用IBE干法刻蚀，去除多余的铌酸锂单晶薄膜层；步骤五、采用RIE干法刻蚀，实现二氧化硅层的图形化；步骤六：采用深硅刻蚀，正面刻蚀制备悬臂梁以及质量块；步骤七：采用深硅刻蚀，背面刻蚀硅基底释放悬臂梁和质量块并完成器件的封装。2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法，其特征在于：步骤一中，在选定的5μm~120μm区域内进行回字形或条形电畴翻转。3.根据权利要求1所述的一种铌酸锂单晶薄膜畴壁增强力电耦合响应器件制备方法，其特征在于：步骤二中，光刻胶旋涂转速为3000r/min，光刻胶厚度为2.4μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔骁骏，耿文平，丑修建，陆昊，牛丽雅，毕开西，何剑，穆继亮，侯晓娟，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：