CN103938155A - 一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法 - Google Patents

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许丹
于士辉
董和磊
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Abstract

本发明公开了一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，以图形化的光刻胶作为牺牲层，采用在有机溶剂中超声剥离的方法使铁电薄膜钛酸锶钡图形化。在清洗基片及光刻显影后，将基片放入磁控溅射仪真空室中，使用射频磁控溅射的方法进行铁电薄膜钛酸锶钡的沉积，再于有机溶剂中对基片进行剥离，于750℃退火，制得图形化的铁电薄膜钛酸锶钡。本发明所得图形精度高，调谐元器件具有良好的调谐性能和介电性能；方法简单、介电性能优良，具有良好的应用前景。

Description

一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法
技术领域
本发明属于电子信息材料与元器件领域，特别涉及一种用于调谐元器件的铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法。
背景技术
随着现代信息产业的高速发展，电子功能器件和微波系统的开发与应用日益向尺寸小型化、功能模块化、微电子电路集成化以及低成本廉价化的方向发展。这些要求给目前的电路设计和材料带来了巨大的挑战。
铁电薄膜材料在微波可调元器件上有着广泛的应用，如相控阵天线上的移相器、谐振器等。过去20多年，人们对以钛酸锶钡为代表的铁电薄膜材料进行了广泛深入的研究，利用其高调谐性能制成的介质变容管器件调谐速度快，功率承载能力强，器件体积小，可有效地与微波共面波导电路集成，减小电路体积。尽管铁电薄膜研究较为成熟，但是在器件的加工过程中发现，这类薄膜材料在图形化工艺中仍存在着待完善的问题。
介质薄膜传统的图形化方法以刻蚀为主，包括干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀的设备昂贵且工艺复杂，操作繁琐，湿法刻蚀工艺简单，操作简便，但刻蚀速率对影响因素特别敏感，刻蚀时间不易控制，刻蚀图形精度差。
因此，开发一种新的铁电薄膜图形化方法已成为当前铁电薄膜材料与器件领域的迫切需求。
发明内容
本发明的目的，在于克服现有技术的图形化工艺中的缺点和不足，提供一种以图形化的光刻胶作为牺牲层，采用在有机溶剂中超声剥离使铁电薄膜钛酸锶钡图形化的新方法。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，以图形化的光刻胶作为牺牲层，采用在有机溶剂中超声剥离的方法使铁电薄膜钛酸锶钡图形化；具体步骤如下：
（1）清洗基片及光刻显影
(a)将基片放入有机溶剂中超声清洗10-20分钟，用去离子水冲洗后在氮气流中干燥；
(b)将光刻胶旋涂在基片上，厚度1um-4um，烘干后使用光刻掩膜版做曝光处理；
(c)使用显影液将图形显影出来，获得图形化的光刻胶；
(d)显影完成后，使用台阶仪测试曝光部分基片的平整度，以保证显影完全；
（2）将步骤（1）光刻显影后的基片放入磁控溅射仪真空室中，在相应的射频靶上装置铁电材料钛酸锶钡靶材，使用射频磁控溅射的方法溅射铁电薄膜；
（3）当磁控溅射仪真空室的真空度<6×10-6Torr时，开启射频源，通入工作气体，使用射频磁控溅射的方法进行铁电薄膜钛酸锶钡的沉积；
（4）步骤（3）结束后，取出基片，在有机溶剂中对基片进行剥离，制得图形化的铁电薄膜钛酸锶钡；
（5）将步骤（4）制得的图形化的铁电薄膜钛酸锶钡在空气气氛退火炉中退火，退火温度为750℃，退火时间为15分钟；
（6）采用台阶仪对制品的薄膜厚度，以及表面的不均匀度和线粗糙度进行测试。
所述步骤（1）(a)的基片为普通玻璃基片、Si基片或者Al2O3基片。
所述步骤（1）(a)的有机溶剂为丙酮或者酒精。
所述步骤（2）的溅射用介质靶材采用传统固相反应法合成，其相对密度大于95%。
所述步骤（3）的工作气体为氩气与氧气，通气量为85sccm和15sccm。
本发明公开的铁电薄膜钛酸锶钡图形化的方法，所得图形精度高，厚度为100nm-200nm，且在高温退火后，调谐元器件具有良好的调谐性能和介电性能。本发明提供的介质膜图形化方法，流程简单、介电性能优良，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面通过具体实例方式对本发明进一步描述，本发明所用的有机溶剂为丙酮或者酒精，所用的靶材原料钛酸锶钡，均为市售的分析纯原料。
溅射用介质靶材采用传统固相反应法合成，其相对密度大于95%。
实施例1
（1）清洗基片及光刻显影
(a)将Si基片放入有机溶剂中超声清洗，清洗时间为10分钟，用去离子水冲洗后在氮气流中干燥；
(b)将光刻胶旋涂在基片上，使用光刻掩膜版做曝光处理；
(c)使用显影液将电极图形显影出来；
(d)显影完成后，使用台阶仪测试曝光部分基片的平整度，以保证显影完全；
（2）将显影后的基片放入磁控溅射仪的真空室中，在相应的射频靶上装置铁电材料靶材；
（3）当磁控溅射的本底真空度<6.0×10-6Torr，开启射频电源，进行铁电薄膜的溅射沉积，具体溅射参数如下：射频功率为150W，氩气与氧气的通气量为85sccm和15sccm，溅射时间为1小时，溅射气压为10mTorr。
（4）步骤（3）停止后，取出基片，在有机溶剂中对基片进行剥离，剥离后制得图形化的铁电薄膜钛酸锶钡；
（5）将步骤（4）制得的图形化的铁电薄膜钛酸锶钡在气氛退火炉中退火，退火温度为750℃，退火时间为10分钟。
（6）采用台阶仪对制品的薄膜厚度，以及表面的不均匀度和粗糙度进行测试。
本发明实施例2～5的制备方法与实施例1相同，实施例1、2为正方形图形，实例3、4为圆形图形，实例5、6为“U”型图形。对于复杂图形的图形化，剥离法的图形精度要明显高于湿法刻蚀方法。
本发明实施例2～5的制备方法与实施例1相同，区别在于，实施例1、实施例2为正方形图形，实施例3、实施例4为圆形图形，实施例5、实施例6为“U”型图形。对于复杂图形的图形化，剥离法的图形精度要明显高于湿法刻蚀的方法。本发明的不均匀度与线粗糙度与湿法刻蚀的对比情况详见表1和表2.。
表1.
№ 剥离法 湿法刻蚀
实施例1 4.53% 7.67%
实施例2 3.96% 6.98%
实施例3 4.03% 7.58%
实施例4 3.55% 7.03%
实施例5 5.01% 8.83%
实施例6 4.39% 8.21%
注：不均匀度=(dmax-dmin)/(dmax+dmin);dmax为薄膜厚度的最大值，dmin为厚度的最小值。
表2.
实施例1、3、5的薄膜厚度均为100nm，实施例2、4、6的薄膜厚度均为200nm，完全符合质量要求。
另外，使用剥离法获得的钛酸锶钡铁电薄膜，其介电性能好于相同条件下采用湿法刻蚀获得的钛酸锶钡薄膜，例如实施例1，薄膜厚度为100nm，形状为正方形的铁电薄膜，采用剥离法，其介电常数为205，介电损耗为0.018，调谐率为55%；采用湿法刻蚀方法，其介电常数为197，介电损耗0.029，调谐率53%。
本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims (5)

1.一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，以图形化的光刻胶作为牺牲层，采用在有机溶剂中超声剥离的方法使铁电薄膜钛酸锶钡图形化；具体步骤如下：
（1）清洗基片及光刻显影
(a)将基片放入有机溶剂中超声清洗10-20分钟，用去离子水冲洗后在氮气流中干燥；
(b)将光刻胶旋涂在基片上，厚度1um-4um，烘干后使用光刻掩膜版做曝光处理；
(c)使用显影液将图形显影出来，获得图形化的光刻胶；
(d)显影完成后，使用台阶仪测试曝光部分基片的平整度，以保证显影完全；
（2）将步骤（1）光刻显影后的基片放入磁控溅射仪真空室中，在相应的射频靶上装置铁电材料钛酸锶钡靶材，使用射频磁控溅射的方法溅射铁电薄膜；
（3）当磁控溅射仪真空室的真空度<6×10-6Torr时，开启射频源，通入工作气体，使用射频磁控溅射的方法进行铁电薄膜钛酸锶钡的沉积；
（4）步骤（3）结束后，取出基片，在有机溶剂中对基片进行剥离，制得图形化的铁电薄膜钛酸锶钡；
（5）将步骤（4）制得的图形化的铁电薄膜钛酸锶钡在空气气氛退火炉中退火，退火温度为750℃，退火时间为15分钟；
（6）采用台阶仪对制品的薄膜厚度，以及表面的不均匀度和线粗糙度进行测试。
2.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，其特征在于，所述步骤（1）(a)的基片为普通玻璃基片、Si基片或者Al2O3基片。
3.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，其特征在于，所述步骤（1）(a)的有机溶剂为丙酮或者酒精。
4.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，其特征在于，所述步骤（2）的溅射用介质靶材采用传统固相反应法合成，其相对密度大于95%。
5.根据权利要求1所述的一种铁电薄膜钛酸锶钡的图形化方法，其特征在于，所述步骤（3）的工作气体为氩气与氧气，通气量为85sccm和15sccm。
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