引言

鈮酸鋰是一種廣泛應用于光學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(MEMS)應用，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。已經公布了硅和石英對晶體取向的完全蝕刻率依賴性的數據，這允許模擬這些晶體的蝕刻。鍺的類似數據也已發表。利用蝕刻模擬器，設計具有復雜結構的器件是可能的。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。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系。發現最大蝕刻速率在-Z面上，并且蝕刻顯示出關于Z軸的三重對稱性。

實驗

用于蝕刻和測量LiNbO3球的過程與開發的過程相似。它們的過程和用于LiNbO3的過程之間的區別在于，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，以最小化由濺射導致的球體中的溫度梯度。由于內部應力，球體中的溫度梯度可能會導致球體斷裂。

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。當球體和蝕刻劑達到實驗規定的溫度時，將球體放入蝕刻劑中。

結果和討論

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，圓的半徑對應于圖2中的φ。2(b)，以及平面內的角度圓圈代表圖2中的角度θ。從蝕刻圖中可以看出，蝕刻呈現出關于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蝕刻球的數據被分成三個對稱區域。這些區域被平均成一個對稱區域，然后復制回其他區域以形成完整的數據范圍。這有助于減少數據中的噪聲量，并消除定向平面所在的空白區域。接下來，將平均數據旋轉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軸的蝕刻速率數據并繪制。在圖1中，“Y”和“Z”指旋轉的晶軸，X、Y和Z指未旋轉的晶軸。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據。

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

將蝕刻的形狀與預測的形狀進行比較，模型預測的蝕刻形狀與蝕刻晶片的輪廓非常一致。這表明蝕刻速率數據可以用于更先進的建模程序。晶面角度的測量值與使用預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現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來解釋。

總結

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據。繪制蝕刻速率，給出整個球體的蝕刻速率。這些數據被用來預測蝕刻晶片的形狀。預測的形狀與蝕刻晶片的形狀一致。

審核編輯：符乾江