離子注入剝離鈮酸鋰單晶薄膜的Ar+刻蝕研究

方遠蘋，羅文博，郝 昕，白曉園，曾慧中，帥 垚，張萬里

(1.電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室, 四川 成都 610054;2.成都優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大，透明范圍寬，機電耦合系數高等優勢，已廣泛應用于光調制，光放大等光學器件[1]和體聲波濾波器等聲學器件[2]。近年來，LNO材料的形態逐漸從塊材向薄膜形態轉變，以適應器件集成化、微型化發展。研究人員采用脈沖激光沉積[3]、化學氣相沉積[4]等技術進行了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]等問題導致上述方法制備的薄膜材料及器件出現嚴重的性能退化。與上述方法相比，離子注入剝離技術可制備不同取向的LNO單晶薄膜[5]。但高能離子注入會在其射程末端與晶格原子通過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部形成高斯分布[6]。上述原因導致采用離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器件或聲學濾波器的損耗[7]。因此，需要對離子注入剝離的單晶LNO薄膜的表面損傷層進行處理，以提高器件性能。目前可通過退火、刻蝕等多種方法恢復或去除表面損傷層。Youquan Yan等[8]研究了退火對鉭酸鋰薄膜晶體質量的影響，結果表明,退火后單晶薄膜單晶質量明顯改善，但仍與單晶材料有較大差異。Deng Jun等[9]采用ICP-RIE對單晶LNO進行刻蝕時發現，刻蝕過程會產生NbFx的副產物，最主要是NbF5，而連續刻蝕使基板溫度升高，刻蝕速率加快，刻蝕過程不可控，因此難以實現厚度的精準調控。此外,ICP-RIE刻蝕速率雖快，但引入的粗糙度也較大[10]。針對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損傷閾值及粗糙度，但未通過對更多刻蝕深度的研究以獲取最佳的刻蝕參數及離子束刻蝕去除損傷的機理。

本文系統研究了Ar+刻蝕工藝與刻蝕速率、表面粗糙度的關系，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。在預估表面損傷層的厚度范圍后，測試了刻蝕中LNO單晶薄膜單晶質量及去除損傷層前后壓電性能的變化。

1 實驗

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

圖1 Ar+刻蝕LNO單晶薄膜過程

Ar+刻蝕實驗設計具體如表1、2所示。通過改變離子源束流電壓、加速電壓等刻蝕參數，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 加速電壓和時間的實驗參數

表2 束流電壓和時間的實驗參數

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進行去除損傷層的研究。采用SEM測試了Ar+刻蝕后LNO單晶薄膜的厚度，采用X線衍射(XRD)分析了Ar+刻蝕表面損傷層過程中LNO單晶薄膜單晶質量的變化。最后采用壓電力顯微鏡(PFM)對Ar+刻蝕去除損傷層前后的LNO單晶薄膜的壓電響應進行測試。

2 實驗結果與討論

2.1 LNO晶圓中注入離子濃度與損傷分布仿真

采用SRIM軟件對高能He離子注入LNO單晶的過程進行仿真分析，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在1 μm左右，而損傷強度分布最高點在0.9 μm左右，又根據SEM測試原始薄膜厚為888.8 nm。這說明損傷層分布的最高強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+刻蝕工藝參數研究

首先研究了加速電壓和刻蝕時間對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；而隨刻蝕時間增加，平均刻蝕速率先快后慢，這是因為原始LNO單晶薄膜表面缺陷結構不穩定，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，在開始的一段時間內，表面粗糙度隨加速電壓增大而減小，隨著刻蝕時間增大，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，轟擊強度越大，粗糙度隨刻蝕時間變化越大，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、時間的關系

本文進一步研究了加速電壓保持80 V時，束流電壓和刻蝕時間對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間先快后慢的變化也是由表面損傷層結構引起。由圖3(d)可知，在開始刻蝕的一段時間內，表面粗糙度隨束流電壓增大而減小。隨著刻蝕時間增大，束流電壓為500 V時，表面粗糙度在20 min時減小到最小值后增大，而束流電壓300 V 、400 V時表面粗糙度隨刻蝕時間降低。

根據表面粗糙度對器件性能的影響，通過Ar+刻蝕實驗所確定Ar+刻蝕去除損傷層的刻蝕參數為加速電壓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+刻蝕技術對薄膜結構與性能的影響

為研究Ar+刻蝕去除損傷層的過程中LNO薄膜單晶質量的變化，采用SEM測試了薄膜厚度，如圖4所示。采用XRD測試了相應薄膜厚度(t)下的搖擺曲線，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，搖擺曲線的半高寬隨厚度減小而降低，其中薄膜厚685 nm時搖擺曲線半高寬值最小，與單晶塊材接近；而半高寬越小代表晶體質量越好，這說明Ar+刻蝕可明顯改善薄膜的單晶質量，修復程度比退火更好。由圖5 (b)可知，厚743.2 nm的薄膜搖擺曲線的半高寬下降最快，對應的刻蝕厚度為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的薄膜單晶質量接近完美。

圖4 刻蝕不同時間薄膜的SEM圖

圖5 XRD測試相應薄膜厚度下的搖擺曲線

采用PFM對Ar+刻蝕前后的LNO單晶薄膜壓電性能進行了測試研究，如圖6所示。對比圖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均勻。對比圖6(c)、(d)可看出，去除損傷層前后薄膜的振動幅度與電壓的變化關系。由圖6(c)可知，原始薄膜的電壓相應經高斯擬合為雙峰分布，2個中心點分別為0.15 V、0.24 V，電壓范圍寬，振動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幅度分布更趨于單峰高斯分布，且振動幅度均勻分布在電壓為0.17 V為中心的位置。此外，兩者在最大振動幅度大致相同時，去除損傷層的薄膜所需電壓更小，其整體壓電響應更好。原因是原始薄膜表面缺陷的不均勻性，不僅會影響電壓響應分布的均勻性，更影響壓電響應強度。

圖6 Ar+刻蝕前后的LNO單晶薄膜壓電性能

3 結束語

本文基于Ar+刻蝕參數研究，通過對不同厚度下單晶質量的表征，精準去除了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軟件仿真預估范圍接近。去除損傷層后的薄膜搖擺曲線半高寬與單晶塊材接近，且其壓電響應比原始LNO單晶薄膜更一致，這為其在高性能射頻、光波導器件的應用奠定了基礎。