引言

鈮酸鋰是一種廣泛應(yīng)用于光學(xué)和聲表面波器件的鐵電材料。鈮酸鋰通常不用于微機電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用，部分原因是鈮酸鋰的體微加工不如與其他材料的加工那樣好理解。已經(jīng)公布了硅和石英對晶體取向的完全蝕刻率依賴性的數(shù)據(jù)，這允許模擬這些晶體的蝕刻。鍺的類似數(shù)據(jù)也已發(fā)表。利用蝕刻模擬器，設(shè)計具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件是可能的。我們做了鈮酸鋰腐蝕速率隨晶體取向變化的實驗。蝕刻表征是制造新傳感器、致動器或其他新器件所需的基本技術(shù)。在這項研究中，在氫氟酸和氫氟酸與硝酸的溶液中蝕刻30毫米的鈮酸鋰球體，以確定蝕刻速率對晶體取向的依賴關(guān)系。發(fā)現(xiàn)最大蝕刻速率在-Z面上，并且蝕刻顯示出關(guān)于Z軸的三重對稱性。

實驗

用于蝕刻和測量LiNbO3球的過程與開發(fā)的過程相似。它們的過程和用于LiNbO3的過程之間的區(qū)別在于，一個掩模沒有濺射在方向平面上，并且使用了一個更完整的球體。對于用Si進行的實驗，由于蝕刻對稱，只使用硅半球。LiNbO3與Si沒有相似的蝕刻對稱性，因此使用一個從0?到150?的可測量區(qū)域的球體來獲得晶體更完整的蝕刻輪廓如圖1(a，b)。此外，沒有使用濺射掩模，以最小化由濺射導(dǎo)致的球體中的溫度梯度。由于內(nèi)部應(yīng)力，球體中的溫度梯度可能會導(dǎo)致球體斷裂。

圖1 定向蝕刻速率依賴性實驗的過程

實驗過程如圖1所示。為了在蝕刻過程中保護取向平坦，使用了黑蠟和支撐晶片。當(dāng)蝕刻溶液是氫氟酸和硝酸時，硅背襯晶片被鈮酸鋰背襯晶片代替如圖1(c)。否則，硅會發(fā)生自催化蝕刻。晶片支撐著蝕刻劑中的球體，并有助于保持黑蠟的完整性。蝕刻裝置使用熱水浴加熱干燥燒杯中的蝕刻劑和球體。當(dāng)球體和蝕刻劑達到實驗規(guī)定的溫度時，將球體放入蝕刻劑中。

結(jié)果和討論

圖2(a)顯示了蝕刻球體的示例，蝕刻速率分布示于圖中。條件1和4分別為條件3和4。角度θ和φ的定義如圖所示。在圖2(b)中，3和4所示，圓的半徑對應(yīng)于圖2中的φ。2(b)，以及平面內(nèi)的角度圓圈代表圖2中的角度θ。從蝕刻圖中可以看出，蝕刻呈現(xiàn)出關(guān)于Z軸的三重對稱性。

圖2 蝕刻球體和角度定義

最大蝕刻速率在Z面，在兩個蝕刻輪廓之間需要注意的另一個細節(jié)是，HF蝕刻球體的蝕刻速率比HF:HNO3蝕刻球體的蝕刻速率更均勻。

蝕刻模擬：

HF蝕刻球的數(shù)據(jù)被分成三個對稱區(qū)域。這些區(qū)域被平均成一個對稱區(qū)域，然后復(fù)制回其他區(qū)域以形成完整的數(shù)據(jù)范圍。這有助于減少數(shù)據(jù)中的噪聲量，并消除定向平面所在的空白區(qū)域。接下來，將平均數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到使用晶體切割所需的正確方向。然后從球體中選擇垂直于X、Y或Y軸的蝕刻速率數(shù)據(jù)并繪制。在圖1中，“Y”和“Z”指旋轉(zhuǎn)的晶軸，X、Y和Z指未旋轉(zhuǎn)的晶軸。在圖3(d)中，只給出了一個沿Y軸的圖，因為鈮酸鋰的大多數(shù)晶體切割都偏離了Y軸。在圖中，以128♀Y切割晶片的晶軸為例。通過旋轉(zhuǎn)晶軸可以獲得其他晶體切割的蝕刻速率。5(a)到5(c)為每個晶體切割選擇一組單獨的數(shù)據(jù)。

圖3 圖為不同的晶體切割。所有的圖表都顯示了μm/h中的蝕刻率

將蝕刻的形狀與預(yù)測的形狀進行比較，模型預(yù)測的蝕刻形狀與蝕刻晶片的輪廓非常一致。這表明蝕刻速率數(shù)據(jù)可以用于更先進的建模程序。晶面角度的測量值與使用預(yù)測值之間的差異源于晶軸對準的誤差和蝕刻樣品角度測量的誤差。晶軸對準中的誤差可以通過改善蝕刻球體的中心發(fā)現(xiàn)以及更好的對準標記來解決。誤差小于4.3 ♀,可以通過前面討論的失調(diào)來解釋。

總結(jié)

我們對鈮酸鋰的刻蝕特性進行了初步研究。通過用氫氟酸和氫氟酸與硝酸的混合物蝕刻直徑為30毫米的鈮酸鋰球體來收集數(shù)據(jù)。繪制蝕刻速率，給出整個球體的蝕刻速率。這些數(shù)據(jù)被用來預(yù)測蝕刻晶片的形狀。預(yù)測的形狀與蝕刻晶片的形狀一致。

審核編輯：符乾江