離子注入剝離鈮酸鋰單晶薄膜的Ar+刻蝕研究

方遠(yuǎn)蘋(píng)，羅文博，郝 昕，白曉園，曾慧中，帥 垚，張萬(wàn)里

(1.電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610054;2.成都優(yōu)蕊光電科技有限公司，四川 成都 611731)

0 引言

鈮酸鋰(LNO)單晶材料具有電光系數(shù)大，透明范圍寬，機(jī)電耦合系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于光調(diào)制，光放大等光學(xué)器件[1]和體聲波濾波器等聲學(xué)器件[2]。近年來(lái)，LNO材料的形態(tài)逐漸從塊材向薄膜形態(tài)轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)器件集成化、微型化發(fā)展。研究人員采用脈沖激光沉積[3]、化學(xué)氣相沉積[4]等技術(shù)進(jìn)行了LNO薄膜的制備研究,獲得了LNO多晶薄膜或外延薄膜，但多相共存、微觀缺陷及成分偏移[3-4]等問(wèn)題導(dǎo)致上述方法制備的薄膜材料及器件出現(xiàn)嚴(yán)重的性能退化。與上述方法相比，離子注入剝離技術(shù)可制備不同取向的LNO單晶薄膜[5]。但高能離子注入會(huì)在其射程末端與晶格原子通過(guò)散射的能量交換造成晶格損傷，且注入的He+最終停留在單晶材料內(nèi)部形成高斯分布[6]。上述原因?qū)е虏捎秒x子注入剝離制備的單晶薄膜表面存在較粗糙的表面損傷層，而晶格損傷和粗糙表面將增大光學(xué)器件或聲學(xué)濾波器的損耗[7]。因此，需要對(duì)離子注入剝離的單晶LNO薄膜的表面損傷層進(jìn)行處理，以提高器件性能。目前可通過(guò)退火、刻蝕等多種方法恢復(fù)或去除表面損傷層。Youquan Yan等[8]研究了退火對(duì)鉭酸鋰薄膜晶體質(zhì)量的影響，結(jié)果表明,退火后單晶薄膜單晶質(zhì)量明顯改善，但仍與單晶材料有較大差異。Deng Jun等[9]采用ICP-RIE對(duì)單晶LNO進(jìn)行刻蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)，刻蝕過(guò)程會(huì)產(chǎn)生NbFx的副產(chǎn)物，最主要是NbF5，而連續(xù)刻蝕使基板溫度升高，刻蝕速率加快，刻蝕過(guò)程不可控，因此難以實(shí)現(xiàn)厚度的精準(zhǔn)調(diào)控。此外,ICP-RIE刻蝕速率雖快，但引入的粗糙度也較大[10]。針對(duì)Ar離子刻蝕去除損傷層的研究，Guo K等[11]僅研究了Ar離子束刻蝕可降低基底和涂層的激光誘導(dǎo)損傷閾值及粗糙度，但未通過(guò)對(duì)更多刻蝕深度的研究以獲取最佳的刻蝕參數(shù)及離子束刻蝕去除損傷的機(jī)理。

本文系統(tǒng)研究了Ar+刻蝕工藝與刻蝕速率、表面粗糙度的關(guān)系，確立了Ar+刻蝕去除LNO表面損傷層及表面平坦化的最佳刻蝕參數(shù)。在預(yù)估表面損傷層的厚度范圍后，測(cè)試了刻蝕中LNO單晶薄膜單晶質(zhì)量及去除損傷層前后壓電性能的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

本文通過(guò)He離子注入和BCB膠鍵合法制備了LNO單晶薄膜[12]，其中，He離子注入過(guò)程中的注入劑量為1×1016ions/cm2，注入能量為285 keV。在此基礎(chǔ)上，采用Kaufman離子源(KDC40)進(jìn)行LNO單晶薄膜的刻蝕參數(shù)研究，然后通過(guò)Ar+刻蝕去除LNO單晶薄膜的表面損傷層，最后經(jīng)磁控濺射沉積了約220 nm的Ti/Pt上電極用于壓電性能測(cè)試，具體過(guò)程如圖1示。

圖1 Ar+刻蝕LNO單晶薄膜過(guò)程

Ar+刻蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體如表1、2所示。通過(guò)改變離子源束流電壓、加速電壓等刻蝕參數(shù)，采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7500F)、原子力顯微鏡(AFM，SPI-3800N)研究薄膜單晶LNO刻蝕速率、表面形貌的變化。

表1 加速電壓和時(shí)間的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 束流電壓和時(shí)間的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

最后選擇束流電壓400 V和加速電壓80 V，分別刻蝕10 min、15 min和20 min進(jìn)行去除損傷層的研究。采用SEM測(cè)試了Ar+刻蝕后LNO單晶薄膜的厚度，采用X線(xiàn)衍射(XRD)分析了Ar+刻蝕表面損傷層過(guò)程中LNO單晶薄膜單晶質(zhì)量的變化。最后采用壓電力顯微鏡(PFM)對(duì)Ar+刻蝕去除損傷層前后的LNO單晶薄膜的壓電響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 LNO晶圓中注入離子濃度與損傷分布仿真

采用SRIM軟件對(duì)高能He離子注入LNO單晶的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，所得He離子注入的濃度分布和損傷分布如圖2所示。由圖可知，離子濃度分布的最高點(diǎn)在1 μm左右，而損傷強(qiáng)度分布最高點(diǎn)在0.9 μm左右，又根據(jù)SEM測(cè)試原始薄膜厚為888.8 nm。這說(shuō)明損傷層分布的最高強(qiáng)度位置決定了薄膜厚度，而損傷層分布的半高寬范圍決定了表面損傷層的厚度范圍[13]，因此，SRIM軟件預(yù)估的表面損傷層在130 nm左右。

圖2 損傷層及離子濃度分布

2.2 LNO薄膜的Ar+刻蝕工藝參數(shù)研究

首先研究了加速電壓和刻蝕時(shí)間對(duì)LNO單晶薄膜的刻蝕速率及表面粗糙度的影響，如圖3 (a)、(b)所示。由圖3(a)可知，束流電壓保持500 V不變，平均刻蝕速率隨加速電壓增大而增大，原因是加速電壓控制能量，能量越大，刻蝕越快；而隨刻蝕時(shí)間增加，平均刻蝕速率先快后慢，這是因?yàn)樵糒NO單晶薄膜表面缺陷結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易受高能粒子轟擊，去除損傷層后的薄膜更致密，刻蝕速率減慢。由圖3(b)可知，在開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，表面粗糙度隨加速電壓增大而減小，隨著刻蝕時(shí)間增大，加速電壓100 V和80 V的表面粗糙度先減小后增大，而加速電壓60 V的表面粗糙度一直減小。其中加速電壓100 V的表面粗糙度變化最大，甚至從最小的粗糙度增到最大，是由于能量越大，轟擊強(qiáng)度越大，粗糙度隨刻蝕時(shí)間變化越大，因此，為避免刻蝕引入較大的粗糙度，選擇加速電壓為80 V。

圖3 平均刻蝕速率、表面粗糙度與電壓、時(shí)間的關(guān)系

本文進(jìn)一步研究了加速電壓保持80 V時(shí)，束流電壓和刻蝕時(shí)間對(duì)LNO單晶薄膜的刻蝕速率及表面粗糙度的影響，如圖3 (c)、(d)所示。由圖3(c)可知，加速電壓保持80 V不變，平均刻蝕速率隨束流電壓增大而增大，原因是束流電壓控制Ar+劑量，劑量越大刻蝕越快；而平均刻蝕速率隨時(shí)間先快后慢的變化也是由表面損傷層結(jié)構(gòu)引起。由圖3(d)可知，在開(kāi)始刻蝕的一段時(shí)間內(nèi)，表面粗糙度隨束流電壓增大而減小。隨著刻蝕時(shí)間增大，束流電壓為500 V時(shí)，表面粗糙度在20 min時(shí)減小到最小值后增大，而束流電壓300 V 、400 V時(shí)表面粗糙度隨刻蝕時(shí)間降低。

根據(jù)表面粗糙度對(duì)器件性能的影響，通過(guò)Ar+刻蝕實(shí)驗(yàn)所確定Ar+刻蝕去除損傷層的刻蝕參數(shù)為加速電壓80 V，束流電壓400 V，這使表面粗糙度從10.54 nm降至4.50 nm，而選擇合適刻蝕參數(shù)的ICP-RIE刻蝕LNO的表面粗糙度僅低于40 nm[10]。

2.3 Ar+刻蝕技術(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響

為研究Ar+刻蝕去除損傷層的過(guò)程中LNO薄膜單晶質(zhì)量的變化，采用SEM測(cè)試了薄膜厚度，如圖4所示。采用XRD測(cè)試了相應(yīng)薄膜厚度(t)下的搖擺曲線(xiàn)，如圖5所示。由圖4可知，刻蝕10 min、15 min及20 min的薄膜厚度分別為801.4 nm、743.2 nm、685 nm。由圖5 (a)可知，搖擺曲線(xiàn)的半高寬隨厚度減小而降低，其中薄膜厚685 nm時(shí)搖擺曲線(xiàn)半高寬值最小，與單晶塊材接近；而半高寬越小代表晶體質(zhì)量越好，這說(shuō)明Ar+刻蝕可明顯改善薄膜的單晶質(zhì)量，修復(fù)程度比退火更好。由圖5 (b)可知，厚743.2 nm的薄膜搖擺曲線(xiàn)的半高寬下降最快，對(duì)應(yīng)的刻蝕厚度為145.6 nm，與SRIM仿真的損傷層厚度位置接近。這說(shuō)明厚743.2 nm的薄膜表面損傷層幾乎完全去除，而厚685 nm的薄膜單晶質(zhì)量接近完美。

圖4 刻蝕不同時(shí)間薄膜的SEM圖

圖5 XRD測(cè)試相應(yīng)薄膜厚度下的搖擺曲線(xiàn)

采用PFM對(duì)Ar+刻蝕前后的LNO單晶薄膜壓電性能進(jìn)行了測(cè)試研究，如圖6所示。對(duì)比圖6(a)、(b)可看出，原始薄膜振幅圖的缺陷更多，而去除損傷層后薄膜相對(duì)均勻。對(duì)比圖6(c)、(d)可看出，去除損傷層前后薄膜的振動(dòng)幅度與電壓的變化關(guān)系。由圖6(c)可知，原始薄膜的電壓相應(yīng)經(jīng)高斯擬合為雙峰分布，2個(gè)中心點(diǎn)分別為0.15 V、0.24 V，電壓范圍寬，振動(dòng)幅度高度分布不集中。由圖6(d)可看出，去除損傷層的薄膜的振動(dòng)幅度分布更趨于單峰高斯分布，且振動(dòng)幅度均勻分布在電壓為0.17 V為中心的位置。此外，兩者在最大振動(dòng)幅度大致相同時(shí)，去除損傷層的薄膜所需電壓更小，其整體壓電響應(yīng)更好。原因是原始薄膜表面缺陷的不均勻性，不僅會(huì)影響電壓響應(yīng)分布的均勻性，更影響壓電響應(yīng)強(qiáng)度。

圖6 Ar+刻蝕前后的LNO單晶薄膜壓電性能

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Ar+刻蝕參數(shù)研究，通過(guò)對(duì)不同厚度下單晶質(zhì)量的表征，精準(zhǔn)去除了LNO單晶薄膜表面厚約145.6 nm的損傷層，且表面粗糙度最小，而其確定的損傷層厚度范圍與SRIM軟件仿真預(yù)估范圍接近。去除損傷層后的薄膜搖擺曲線(xiàn)半高寬與單晶塊材接近，且其壓電響應(yīng)比原始LNO單晶薄膜更一致，這為其在高性能射頻、光波導(dǎo)器件的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。