基本信息
- 项目名称：
- 采用光刻技术对铁电薄膜进行图形化的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目首先研究了不同衬底材料上钛酸铅(PT)铁电薄膜的制备技术，然后采用半导体光刻工艺和化学腐蚀的方法对PT薄膜进行了刻蚀，同时采用剥离技术对相应的电极实现了图形化，得到了最佳的光刻和刻蚀工艺参数。
- 详细介绍：
- 红外探测器是红外系统中最关键的元件之一，可分为需致冷的光子探测器和无需致冷的热探测器两大类。光子探测器的响应率高、响应时间短，在军事方面有广泛的应用，但由于具有波长选择性、需要在低温下工作、成本高、功耗大，影响了其应用范围。热探测器虽然响应率和灵敏度不及光子探测器高，但是具有无波长选择性、无需致冷、结构简单、价格低廉等特点，使其具有更加广泛的应用前景。热释电探测器是热探测器的一种，结构主要由辐射调制系统、吸收层结构、热绝缘结构、敏感元和读出电路五个部分组成，其中敏感元是热释电探测器的核心。 本项目首先以乙酸铅、钛酸四丁酯为原料，乙酰丙酮为熬合剂，乙二醇甲醚为溶剂，配置钛酸铅(PbTiO3，PT)溶胶，分别在Pt(111)/Ti/SiO2/Si、LNO/Si(100)以及LNO/Pt/Ti/SiO2/Si三种衬底上制备了PT铁电薄膜。每层膜的预处理均在快速热处理炉中进行，退火在马弗炉中进行。然后通过XRD分析了薄膜的微观结构，发现不同衬底上的薄膜分别为具有不同择优取向的钙钛矿结构，没有其他杂相出现。接下来再采用半导体光刻工艺和化学腐蚀方法法对PT薄膜进行了光刻和刻蚀，总结了涂胶、前烘、曝光、显影、后烘以及去胶等工艺的最佳参数，刻蚀采用湿化学方法，并确定了腐蚀液的最佳配比为BOE:HCl:H2O=1:2:10，其中BOE是由浓度为40%的NH4F和49%的HF按6:1的配比构成。另外采用剥离技术对Pt电极实现了图形化。为热释电薄膜红外探测器的进一步研究打下一定的基础
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：采用半导体光刻工艺，对铁电薄膜材料进行刻蚀，实现所需要的图形化，为后续的非制冷红外热释电探测器的研究奠定一定的基础。 基本思路：首先通过Sol-Gel技术，在Si片上制备出铁电薄膜材料。然后通过半导体的光刻和湿法刻蚀工艺，将铁电薄膜刻蚀成一定的图形，解决目前铁电薄膜材料光刻中存在的一些问题。
科学性、先进性及独特之处
- 铁电薄膜在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景，图形化是其中的关键技术之一。本文首先通过Sol-Gel法在Si片上制备出PbTiO3铁电薄膜，然后采用半导体光刻工艺和化学腐蚀法对PT薄膜进行了刻蚀，腐蚀液的最佳配比为BOE:HCl:H2O=1:2:10，其中BOE是由浓度为40%的NH4F和49%的HF按6:1的配比构成。另外还采用金属电极的剥离技术，结合直流溅射方法，对Pt电极实现了图形化。
应用价值和现实意义
- 红外探测器不论是在军事还是在民用方面都有非常重要的应用。热探测器虽然响应率和灵敏度不及光子探测器高，但是具有无波长选择性、无需致冷、结构简单、价格低廉等特点，使其具有更加广泛的应用前景。热释电探测器是热探测器的一种，其核心部件为敏感元部分。本项目即是针对敏感元的下电极和铁电薄膜的制备及图形化做了一定的基础研究，为热释电薄膜红外探测器的应用研究打下一定的基础。
学术论文摘要
- 红外探测器不论是在军事还是在民用方面都有非常重要的应用。非致冷热释电红外探测器由于具有光谱响应宽、无需致冷等显著优点，近年来成为红外成像领域的研究热点，其结构中最关键的部分是敏感元。本文首先研究了不同衬底材料上钛酸铅(PT)铁电薄膜的制备技术，然后采用半导体光刻工艺和化学腐蚀的方法对PT薄膜进行了刻蚀，同时采用剥离技术对相应的电极实现了图形化。
获奖情况
- 本文已发表在《红外》杂志2009年第2期。
鉴定结果
参考文献
- 1、金浙萍,许晓慧,吴建华等，PZT 铁电薄膜的雾化湿法刻蚀技术研究，微细加工技术，2006，4：25-28。 2、史鹏，姚熹，吴小清等，PZT铁电薄膜刻蚀的研究进展，压电与声光，2003，25（5）：386-389。 3、吴传贵，刘兴钊，张万里等,热释电薄膜在红外探测器中的应用,红外，2004, 3: 7-11。
同类课题研究水平概述
- 铁电薄膜由于具有的一系列优异的性能，使其作为一种功能材料在现代高新技术领域中起着越来越重要的作用。目前已涉及到电子学、光学、信息存储、数据处理、声学、显示、微驱动、微机械等领域，在制备铁电存储器、薄膜型室温红外探测器、薄膜型压电马达、超声探测器、薄膜电容器和集成光波导器件等方面，已成为首选材料之一。 在上述铁电薄膜材料的各种应用中，薄膜的微图形化技术是其中的关键技术之一，常用的方法有干法刻蚀(如反应离子刻蚀、离子束刻蚀和等离子刻蚀等)和湿法化学刻蚀。干法刻蚀PZT 薄膜横向侧蚀极小、图形转化精度高，但对光刻胶掩膜和底电极Pt 的选择性差，刻蚀速率低(10nm/min～32nm/ min),且设备昂贵，刻蚀后易形成污染。湿法刻蚀成本低、刻蚀速率快，但横向侧蚀相对较大，限制了PZT 薄膜在较高精度场合的应用。于是减小横向侧蚀就成为了改进PZT薄膜湿法刻蚀技术的关键。国内外有不少研究者致力于将几种强酸进行复合或改变其浓度以提高PZT 薄膜的湿法刻蚀质量。如Simancha 用HF/HCl/H2O 溶液刻蚀锆钛酸铅镧(PLZT)薄膜,R1A1Miller 在刻蚀液中加入了乙二胺四乙酸三钠( EDTA)作为鳌合剂来刻蚀PZT薄膜,Zheng 等采用V(BHF)∶V(HCl)∶V(NH4Cl)∶V(H2O)=1∶2∶4∶4的刻蚀液来刻蚀PZT 薄膜,并用50%的HNO3 溶液去除残留物。以上研究者所得到的PZT 薄膜最小侧蚀比均约为115∶1 ,由此可以看出,仅改变刻蚀液的浓度及配比对于进一步提高PZT 薄膜微图形的质量已较困难。 本项目首先研究了Si(100)、Pt(111)/Ti/SiO2/Si以及LNO/Si(100)不同衬底材料上PT铁电薄膜的制备技术，然后采用半导体光刻工艺和化学腐蚀法对PT薄膜进行了刻蚀，实现了微图形化。腐蚀液的最佳配比为BOE:HCl:H2O=1:2:10，其中BOE是由浓度为40%的NH4F和49%的HF按6:1的配比构成。另外还采用金属电极的剥离技术，结合直流溅射方法，对Pt电极实现了图形化。
