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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)2021年第40卷第4期
DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)04-0154-03
激光刻蚀在覆盖Cu-Ni 的PVDF 薄膜图案化中的应用
朱晓航-王任鑫白建新-张鹏飞|
(1•中北大学动态测试技术省部共建国家重点实验室培育基地，山西太原030051；
2•声纳技术重点实验室，浙江杭州310000)
摘要：为了对表面镀有纳米级别金属层的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜上进行金属图案化处理，利用光 刻技术，分别通过湿法腐蚀和干法刻蚀两种途径。实施了不同配方的湿法腐蚀、离子束刻蚀(IBE)、激光 刻蚀对表层覆盖Ni-Cu 的PVDF 薄膜进行尝试。结果发现：激光刻蚀可以得到宽度为100 pm，厚度为
450 run，长度为600 p.m 的曲梁电极图案。
关键词：聚偏氟乙烯；电极；激光刻蚀；压电薄膜；金属图案化
咖哩中图分类号：TH 706； TP212
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2021)04-0154-03
Application of lar etching in patterning process of
PVDF thin film covered with Cu-Ni *
*收稿日期：2020-01-06
*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51875535)；国家重点研发计划资助项目(2019YFC0119800)；国防科技重点实验室基金资助项目
(6142109 K F201804)
ZHU Xiaohang 1, WANG Renxin 1,2, BAI Jianxin 1、ZHANG Pengfei 1
(1・ Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education ,
North University of China , Taiyuan 030051, China ；
2. Sonar Technology Key Laboratory ,Hangzhou 310000,China)
Abstract : For metal pattern processing on thin film on the surface coated with poly vinylidene fluoride ( PVDF)
piezoelectric , using lithography technology , respectively by two ways of wet etching and dry etching. Different formulations of wet etching , ion beam etching ( IBE ) , lar etching on surface of Ni-Cu PVDF thin film are
implemented. It is found that lar etching can obtain width of 100 fxm, thickness of 450 nm, length of 600 (im
curved beam electrode pattern ・
白鹿原书评Keywords : polyvinylidenefluoride (PVDF) ； electrode ； lar etching ； piezoelectric thin film ； metal patterning
0引言
聚偏氟乙烯(poly vinylidene fluoride , PVDF ) 111 具有非
常强的压电效应，因而引起了广泛的关注，并因其良好的性
能成为触觉图像的热门候选者。这种材料柔韧、坚韧、重量 轻，并可制成各种厚度的板材(厚度可达6m)o 它还可以 用于大面积覆盖，价格低廉，在相同的输入压力⑵下，还可
以产生比压电陶瓷高10 ~25倍的电压。
Huang Y 等人通过干法腐蚀和湿法刻蚀的方式实现了 只在PVDF 材料上的图案微结构加工;Qin D,Xia Y N 等人
通过软光刻⑶的方式实现了 PVDF 薄膜的微结构加工；
Fadzallah I A 通过O?离子刻蚀⑷的方案实现了 PVDF 薄膜
的微结构加工，但都没有提及在PVDF 薄膜上进行电极图
案化处理的方法；何存富等人通过光刻技术探索了 PVDF
压电薄膜电极制作的应用⑸，为后续的探索提供了支持, 但其中的手工涂胶操作会使得光刻胶的分布不均匀，影响
后续的显影和腐蚀结果，为实验带来不确定性，且湿法腐蚀
的MEMS 加工方式由于其加工的精度上限等问题。现今,
干法刻蚀无疑成为MEMS 加工方式的主流。
1电极制备原理
当激光束聚焦于几十个微米(jxm)的目标物上时，光 电或者光热作用引发一系列的化学键断裂，发生的时间顺
序随着材料的不同而不同。吸收性能较小的材料需要更多
锦州笔架山的辐射照射吋间，在这段时间内材料吸收了所传导的热能。
材料受压、融化、材料重新固化或者表面材料蒸发⑹，或者
在碳化之前燃烧，对于吸收性能较好的材料，材料的蒸发或 者粒子的烧蚀会在很短的时间内发生。在
极端的情况下，
第4期朱晓航，等：激光刻蚀在覆盖Cu-Ni的PVDF薄膜图案化中的应用155
发生了爆炸性的相位改变和形成了冲击波。激光刻蚀薄膜就是悬着一个激光波长，在这个波长上使被刻蚀的薄膜材料有最大的吸收率，而薄膜衬底有较大的透过率和反射率。在薄膜厚度一定的下情况下，激光器的工作功率于蚀刻速度是刻蚀薄膜过程中的关键的控制参数。
图1激光微加工技术制备PVDF薄膜的金属电极图案
2制备方法
2.1湿法腐蚀
购置的PVDF薄膜的电极层先通过湿法腐蚀的方式对上层镰(Ni)金属进行图案化处理，然后用Ni金属作为掩模版去腐蚀下层的铜(Cu)。根据这个思路，查阅文献选择了H2SO4(96%)：H2O2(30%)的配方〔7"]，腐蚀Ni的速度为65xO.1nm/s，腐蚀Cu的速度为15xO.1nm/s o将已经显影的PVDF薄膜置入配好的溶液内，光刻胶和铜镰层均在20s内均被溶液腐蚀，最终得到了透明的PVDF薄膜，金属层以及光刻胶完全消失。实验失败的原因可能是配置的溶液具有强氧化性，所以光刻胶被强氧化剂侵蚀，无法达到保护光刻胶下图案的作用，同时微结构的尺寸为jxm级别，这也使得湿法腐蚀的各向同性带来的
影响更为严重。之后经过实验验证确实没有溶液配方在常温或者水浴加热的条件下选择性的腐蚀Cu和Ni⑼,Cu-Ni的选择性刻蚀需要引入电化学腐蚀的方式，这无疑将抵消湿法腐蚀成本低廉的优势，而选择不具备选择性的溶液配方，同时腐蚀Ni/Cu两种金属，在Cu-Ni金属层很薄的情况下，难以控制腐蚀的进程，会为之后的加工引入电极厚度不均匀，不一致等问题。
2.2离子束刻蚀
对薄膜进行离子束刻蚀(ion beam etching,IBE)通过把Ar气充入离子源放电室并使其电力形成等电子体，然后用栅极将离子呈束状引岀并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面撞击固体表面原子，使材料发生溅射，达到刻蚀目的，属于物理过程。常用于较难刻蚀的物质及金属。
将已经结束显影步骤的PVDF薄膜用耐高温胶带固定在4寸的晶圆上，放入离子刻蚀机内，仅5s，通过观察窗口即发现材料发生大范围卷曲，挣脱胶带，拿岀后材料已经损毁，质脆，无法继续使用，这可能是由于能量冲击产生的材料原子溅射，携带高温溅射到了PVDF材质的衬底上，而PVDF材料的熔点在166-170r之间问，导致来了衬底结构状态的变化，产生了不可逆的形变。无法继续进行之后的操作,IBE的工作室内的工作温度并不是很高，且很多IBE设备带有冷却装置，然而金属离子在小范围内的溅射携带的高温不会明显的被冷却设备的效果抵消，而金属层到PVDF层的距离在纳米(nm)级别，这也说明IBE设备无法实现该类工艺操作，且会损毁工艺材料。
2.3激光刻蚀
首先在4寸片上进行匀胶操作，匀胶机匀胶后的4寸晶圆片的胶面上带有粘性，此时将28pn厚度的上下带有电极的PVDF薄膜立即贴敷在胶面上，利用光刻胶胶面平整且带有粘性的特点可以将PVDF较为平整的贴敷在胶面上，这个过程需要在超净间内完成，以避免灰尘等对PVDF 薄膜的的平整度造成不利影响。之后将晶圆放置在120七的热烘机上加热30s，实现一个坚膜的效果，增强胶面对PVDF薄膜的约束性。
采用15W皮秒紫外激光刻蚀机，功率参数频率为1kHz，功率100%，速度3m/s，扫描次数为8次，得到的样品如图2所示。
图2显微镜下的图片
3制备结果与方法比较分析
湿法腐蚀的流程繁琐且容易对人体造成伤害。针对多层金属层叠选择性腐蚀需要特殊的方法,Cu-Ni组合层的选择性腐蚀需要电化学腐蚀的方法，这很大程度上进一步增加了实验的复杂程度，同时在成本控制上不利于量产加工。就目前在微结构的加工方案选择上，湿法腐蚀逐渐被干法刻蚀取代，也是由于这种方法加工的图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。湿法刻蚀即把要被刻蚀的目标材
料浸泡在腐蚀液中的方法，是20世纪60年代低成本集成电路制造的关键技术。然而，它特有的各向同性刻蚀的性质，严重阻碍了其在高密度IC制造的应用。具有各向异性的干法刻蚀，成为能够满足器件尺寸持续缩小的不可替代的制造技术[⑴。
白羊座上升星座IBE刻蚀能够对硅基上金属层进行很好加工，同时刻蚀均匀度小于5 %，可以同时对多片晶圆进行刻蚀，刻蚀速率可以达到35~37nm/min，但产生的金属离子溅射会对不耐高温的PVDF衬底造成不可逆的形变损害，破坏整个薄膜的平整度，无法给图案化金属层提供稳定的PVDF底层结构,IBE机有自己的冷却装置，但在短距离产生的金属离子溅射携带的能量，依然无法被冷却装置纠正或抵消，因此存在局限性。
激光刻蚀不同于IBE
刻蚀原理，它使得于激光接触的
156传感器与微系统第40卷
电极层瞬间蒸发，不同于IBE刻蚀产生的无规则的金属离子溅射，同时激光的能量脉冲可以在一定范围内实现精密的调控，且激光加工中可以间歇式加工来避免对材料造成损坏，也激光刻蚀对加工材料的安全性极高，这也正是现在的近视手术已经将激光切割运用在了临床上的原因。
利用激光刻蚀在28Rm厚的覆盖有铜镰金属层的PVDF压电薄膜制备了具有S形和宽度100jim的梁上电极，作为一种人工耳蜗的声换能器敏感单元已经应用于该类电极形状的制作。
4结论
利用激光刻蚀工艺结合光刻中的匀胶工艺在28jim厚的带有金属层的PVDF压电薄膜上制备了宽度100pm、高度450nm、长度600jim的S型曲面电极。通过实践获得了制备工艺参数，为覆盖有金属的PVDF等不耐高温的薄膜材料的图案化微加工引入了新的方式。
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作者简介：
吴晟(I960-)，男，教授，研究领域为计算机软件，算法研究,E-mail：(,
闫娇娇(1994-)，女，硕士研究生，研究方向为信息物理融合系统。
张晶(1974—)，男，博士，教授，研究领域为信息物理融合系统等。
