駱 偉，郝文昌，郭偉龍，趙廣宏，尹玉剛

高溫聲表面波器件Pt電極的制備研究*

駱 偉，郝文昌，郭偉龍，趙廣宏，尹玉剛

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

針對高溫聲表面波（SAW）器件中的Pt電極制備需求，采用電感耦合等離子體干法刻蝕工藝實現Pt電極的干法刻蝕。通過采用純Ar氣源，研究不同ICP功率/RF功率下Pt電極的刻蝕，采用優(yōu)化的刻蝕參數實現SAW中Pt叉指電極的制備。針對Pt濺射刻蝕中出現的再沉積問題，分析沉積物對電極制備的影響，通過后處理實現沉積物的去除，實現高溫SAW器件的制備。

聲表面波；叉指換能器；Pt刻蝕；電感耦合等離子體

引 言

聲表面波SAW（Surface Acoustic Wave）傳感器是一種借助于無線讀取系統(tǒng)和SAW芯片研制的無源傳感器。這種傳感器具有其獨特的優(yōu)越性，即傳感器無需電池供電即可實現物理信號和電學信號的轉換，解決了有源傳感器的電源環(huán)境適應性及維護問題；另外由于傳感信號的無線傳輸，不存在走線、線路干擾及熱防護問題，可以應用于劇毒危險、旋轉等惡劣環(huán)境，因此，對其在航空航天、高溫作業(yè)等苛刻環(huán)境下的應用研究具有重要的意義[1-4]。

SAW傳感器的核心敏感元件由壓電襯底和表面的金屬換能器構成。在高溫環(huán)境下，傳感器的性能一般會發(fā)生衰減，壓電襯底材料的選擇和換能器材料的選擇對于傳感器的性能非常關鍵。金屬鉑（Pt）作為一種重要的耐高溫金屬材料，因其具有低電阻率且能在高溫氧環(huán)境中保持高穩(wěn)定性，而被廣泛應用于半導體存儲器電極和高溫MEMS器件的制備中[5-10]，特別適用于耐高溫聲表面波器件電極的制作。

采用Pt作為電極材料的一個難題在于如何對其進行圖形化以實現叉指換能器的精確制備，尤其是對于高諧振頻率下的換能器結構線條，其線條尺寸需保持在1μm左右甚至更小，而傳統(tǒng)的剝離技術想要達到要求已非常困難。其次，Pt作為一種惰性金屬材料，難以與化學物質發(fā)生反應，目前已知可用于腐蝕Pt的化學成分僅有王水，且只能用于對尺寸相對較大的結構進行腐蝕[11]。

干法刻蝕技術作為一種精細微加工技術，已經被廣泛應用于Pt材料的微小電極加工中，可加工線條的尺寸可以達到500nm甚至100nm以下[6,8,9]。由于Pt在室溫下不與任何刻蝕氣體產生揮發(fā)性的產物，因此主要通過偏置下離子的物理濺射來實現刻蝕，從而不可避免地出現濺射沉積問題，即在圖形的表面和側壁形成“柵欄（fence）”狀的殘留物沉積，從而影響圖形的精度，且該殘留物難以去除，阻礙刻蝕的進行，影響器件性能[12-14]。

本文針對高溫SAW器件中的Pt電極制備需求，借助電感耦合等離子體ICP（Inductively Coupled Plasma）刻蝕設備，進行1.5μm寬度Pt線條的高密度Ar等離子體干法刻蝕研究。針對Pt濺射刻蝕中出現的側壁沉積問題，研究沉積物對刻蝕表面和形貌的影響，并結合后處理實現沉積物的有效去除，實現高溫SAW器件的有效制備。

1 Pt干法刻蝕

本文采用硅酸鎵鑭LGS（Langasite）作為聲表面波器件敏感芯片基底材料，該材料已經在SAW器件中得到了成功應用[1,15]。通過磁控濺射鍍膜技術依次在拋光的晶圓表面沉積10nm厚度的Ti和80nm厚度的Pt，其中Ti作為Pt沉積粘附層。本文中采用光刻膠作為Pt刻蝕掩膜，通過分布投影式光刻實現1.5μm尺寸線條的圖形化，光刻膠的厚度約8000?，光刻后的圖形線條陡直均勻，間隙清晰潔凈，如圖1所示。

上述樣片通過劃切分裂成多個樣片，分組驗證不同ICP功率/RF（Radio Frequency）功率參數下，Pt電極刻蝕情況，刻蝕過程中氣體流量、壓力、襯底溫度等參數保持不變，功率參數如表1所示。

表1 Pt電極干法刻蝕功率參數

依照表1工藝參數完成Pt樣品的刻蝕。對比該5組功率參數發(fā)現，刻蝕時間隨著偏置功率（RF Power）的降低而明顯增加，且不受源功率（ICP Power）的影響。這是因為Pt刻蝕是由Ar離子的物理濺射決定，而Ar離子轟擊能量主要由偏置功率決定。為了減少刻蝕時間，避免長時間的再沉積作用，本文選擇ICP功率和RF功率分別為400W和80W。

圖2分別為刻蝕樣品的明場BF（Bright Feild）和微分干涉DIC（Differential Interface Contrast）顯微照片。BF模式（圖2左）下，Pt電極線條（亮）及刻蝕間隙（暗）均勻分布。由DIC顯微照片（圖2右）可以看出，刻蝕間隙（亮）透亮清晰，Ti/Pt金屬層刻蝕完全，但Pt電極線條（暗）明顯變寬，說明刻蝕后線條精度降低，線條邊緣存在附著。

圖2 Pt電極（含Ti粘附層）刻蝕后形貌：（左）明場顯微照片；（右）微分干涉顯微照片

如前文所述，在以光刻膠為掩膜進行Pt的濺射刻蝕時，在圖形上會產生殘留物附著。在本試驗以Ar為刻蝕氣體的純物理濺射刻蝕中，該附著物主要來源于濺射的光刻膠及Pt，如圖3所示。

圖3 Pt樣品濺射刻蝕過程中的膜層示意圖

圖4 去膠后的刻蝕表面膜層

圖5 氧等離子體表面處理后的刻蝕表面

圖6 邊緣沉積處理后的潔凈Pt電極

對刻蝕后的樣品進行丙酮濕法去膠，發(fā)現圖形表面出現不均勻的膜層附著，如圖4所示，說明在刻蝕過程中，圖形表面也可能存在濺射物的沉積。

2 刻蝕沉積物去除

對比上述功率參數刻蝕結果發(fā)現，所有樣品均出現不同程度的膜層沉積現象，分布在圖形表面和線條邊緣，且無法在后續(xù)的濕法去膠過程中去除。對刻蝕完成后的樣品進行SAW諧振信號測試，發(fā)現均無有效輸出。說明該沉積物不僅使Pt電極尺寸發(fā)生改變，而且影響器件電學信號的正常輸出。因此，需要針對此沉積物進行控制處理。

沉積物的去除難度與其組成及附著方式有關。為了消除該刻蝕過程中的膜層沉積現象，研究者采用物理和化學的方法對該沉積物進行去除處理[16]，通過水浴超聲、熱退火、超聲酸洗等手段對沉積物附著邊界進行脫附、酸溶解處理，可有效減少沉積物，但是該方法適用性有限，僅針對能產生化學反應的刻蝕產物（可溶于酸）有效，且去除能力有限。對于本文中的Pt和光刻膠的濺射混合物，僅能通過物理作用進行沉積物的脫附去除。

考慮到沉積物中含有光刻膠成分，本文首先采用氧等離子體對刻蝕表面進行處理，發(fā)現刻蝕后的表面薄層附著消除，說明其主要成分為光刻膠，而線條邊緣仍存在均勻分布的沉積現象，需要進一步處理，如圖5所示。

試驗表明，常規(guī)的物理超聲、濕法、氧等離子體方法均無法使邊緣的沉積物脫離附著。為了去除邊緣沉積物，需要破壞其與圖形邊緣的結合力。本文借鑒半導體工藝中的CMP后清洗工藝方法[17]，采用特殊的清洗毛刷對刻蝕表面進行刷洗處理。通過毛刷和去離子水對電極表面進行物理洗擦，使側壁附著的沉積物脫離附著邊界，呈碎屑片狀剝離散落于溶液中，伴隨著清洗過程中的液體沖刷作用離開圖形表面，獲得潔凈的Pt叉指結構，如圖6所示。

對比沉積物去除前后（圖5和圖6）的結果可以發(fā)現，沉積物去除后的圖形線條明顯變寬，說明由于側壁濺射沉積，導致線條展寬，線條精度下降。為了驗證該方法的有效性，對刻蝕并去除沉積物后的Pt樣品再次進行SAW諧振信號測試，實現了有效的S11信號輸出,如圖7所示。

利用該方法進行SAW高溫溫度傳感器的制備，并進行溫度性能測試，測試結果如圖8所示，傳感器在室溫至850℃溫度區(qū)間內均能夠實現諧振信號輸出，可應用于高溫環(huán)境監(jiān)測，說明該電極制備方法可以有效地用于高溫聲表面波器件制備。后續(xù)將針對刻蝕沉積物引起的線條誤差影響進行分析和補償，實現Pt線條的精確制備和器件性能的優(yōu)化。

圖7 Pt刻蝕樣品S11信號輸出

圖8 高溫SAW器件溫度-頻率性能測試

3 結束語

Pt作為制備高溫聲表面波器件的關鍵材料，對研究SAW器件在航空航天等高溫惡劣環(huán)境下的應用研究有重要的意義。本文采用Ar等離子體對Pt電極進行干法刻蝕，并對刻蝕產生的濺射沉積進行了分析處理，獲得了潔凈的Pt刻蝕表面，在此基礎上實現了高溫SAW器件的制備。

試驗表明，在Pt刻蝕過程中，結構的表面和邊緣均會出現沉積物，該沉積物使線條的加工精度降低，并且影響器件的電學性能。對于附著于樣品表面的膜層，可以通過氧離子體去除，而結構邊緣的沉積物則需要借助刷洗等物理方法使其脫附。然而，對于Pt膜層較厚的情況，刻蝕沉積物的厚度通常會隨著刻蝕過程的延長而增加，從而使沉積物的去除更加困難，需要通過適當添加輔助刻蝕機制、工藝參數控制等手段來減少沉積物的產生。

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Study on platinum etching in SAW devices for high temperature application

LUO Wei, HAO Wenchang, GUO Weilong, ZHAO Guanghong, YIN Yugang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Dry etching of platinum electrodes is carried out by inductively coupled plasma (ICP) methods as required in Surface Acoustic Wave (SAW) devices for high temperature applications. Only with argon gas, platinum etching characteristics with different ICP power/RF power are investigated, the platinum electrodes in SAW devices are obtained by optimized etching conditions. Moreover, redeposition and its influences on the electrodes fabrication are revealed, which results from sputtering effect in platinum etching, and post processing is employed to remove it in the final fabrication of SAW devices.

Surface Acoustic Wave; Interdigital transducer; Platinum etching; Inductively coupled plasma

TN305.92

A

CN11-1780(2020)02-0032-04

國家自然科學基金（U1837210）

2020-03-25

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

駱 偉 1986年生，博士，工程師，主要研究方向為RF MEMS器件及高溫MEMS傳感器等。

郝文昌 1989年生，博士，工程師，主要研究方向為聲表面波質量傳感器、溫度傳感器及壓力傳感器等。

郭偉龍 1988年生，碩士，工程師，主要研究方向為MEMS高精度硅諧振壓力傳感器等。

趙廣宏 1984年生，博士，高級工程師，主要研究方向為MEMS與傳感器技術。

尹玉剛 1982年生，碩士，研究員，主要研究方向為超高溫MEMS壓力傳感器技術。