用Cl₂/H₂/Ar气体刻蚀铌酸锂

张明 2026-06-02

用Cl₂/H₂/Ar气体刻蚀铌酸锂

用Cl₂/H₂/Ar气体刻蚀铌酸锂

铌酸锂（LiNbO₃）因其在表面声波器件中的应用而闻名，但由于其化学惰性和蚀刻精度有限，难以实现高质量的微纳米制造。

当使用ICP设备刻蚀铌酸锂（LiNbO₃）时，了解刻蚀反应过程可以更好地调试出刻蚀参数，以便实现高性能LiNbO₃微声学器件方面的实际有效性。

通过ICP刻蚀系统用Cl₂/H₂/Ar气体刻蚀铌酸锂（LiNbO₃）为例，气相颗粒对固体材料的刻蚀可以分为以下五个步骤来描述。

步骤1：非解离吸附

H₂(gas)+LiNbO₃→H₂(ads)+LiNbO₃

Cl₂(gas)+LiNbO₃→Cl₂(ads)+LiNbO₃

在步骤1中，气相中的H₂/Cl₂在被刻蚀的LiNbO₃表面上以非解离方式吸附，由分子间范德华力控制，该前体状态为随后的解离吸附和化学反应奠定了基础。

步骤2：解离吸附

H₂(gas)+LiNbO₃→2H(ads)+LiNbO₃

H₂(gas)+LiNbO₃→2Cl(ads)+LiNbO₃

在步骤2中，在等离子体条件下，高能电子激发H₂(吸附)和Cl₂ (吸附)并使其解离为H(吸附)和Cl(吸附)，随后吸附到LiNbO₃表面。

步骤3.：生成产物分子

12Cl(ads) +2LiNbO₃ →

2LiCl(ads) +2NbCl₅(ads) +3O₂(ads)

2H(ads)+O→H₂O(ads)

在步骤3中，Cl(吸附)作为主要刻蚀剂，与被刻蚀的LiNbO₃表面反应。由于氯的强氧化性，Li优先与Cl(吸附)反应生成氯化锂(LiCl)，而Nb与Cl(吸附)反应生成五氯化铌(NbCl₅)。同时，氧原子被解离的氢原子(H(吸附))还原，形成水(H₂O)。

步骤4：产品分子的解吸

LiCL(ads) → LiCl(gas)

H₂O(ads) →H₂O(gas)

O₂(ads) →O₂(gas)

在步骤4中，由于NbCl₅的熔点为205℃，在腔室温度低于205℃条件下它仍然是非挥发性副产物，需要通过Ar离子轰击去除。在等离子体刻蚀环境中，LiCl的熔点相对较低，易于去除，不会在侧壁上堆积，从而改善了刻蚀形貌。

步骤5：去除残留物

Ar →Ar⁺+e⁻

Ar⁺+NbCl₅(ads) →NbCl₅(gas)

在步骤5中，Ar离子轰击（物理刻蚀）去除表面残留物，例如未反应的NbCl₅。此外，Ar离子轰击增加了表面能，促进了反应物的解离和反应产物的解吸。

通过分析气相颗粒对LiNbO₃材料的刻蚀过程，结合ICP系统的射频功率、腔室压力和混合气体流量，形成LiNbO₃薄膜的刻蚀配方：ICP功率600 W、射频偏压功率120 W、腔体压力10 mTorr，以及Cl₂/H₂/Ar气体流量比为10/20/50 sccm，以实现最佳刻蚀剖面和性能。

主要参考文章：

1. Characteristic of LiNbO3 thin film ICP etching for micro/nano fabrication To cite this article: Yantao Huang et al 2026 J. Micromech. Microeng.

2. Advanced Etching Techniques of LiNbO3 Nanodevices BowenShen ,DiHu,CuihuaDai,XiaoyangYu,Xiaojun Tan, Jie Sun, Jun Jiang * and Anquan Jiang *

内容来源：半导体刻蚀工艺详解

责任编辑：展源

审　　核：何发