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主要作者与机构
本研究由Zhifang Luo、Shuai Shao和Tao Wu等人共同完成，分别来自上海科技大学信息科学与技术学院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所以及中国科学院大学。研究发表于2021年2月27日的《Microelectronic Engineering》期刊，卷号为242-243，文章编号为111530。

学术背景
本研究属于微电子工程领域，特别是微/纳米加工技术中的薄膜刻蚀研究。随着电子设备对低成本、高性能、小型化和可持续性的需求增加，微机电系统（MEMS）换能器成为下一代技术的重要候选者。其中，基于压电材料的MEMS谐振器因其高品质因数和优异的机电耦合性能，在射频（RF）系统中具有广阔的应用前景。氮化铝（AlN）和掺钪氮化铝（AlScN）薄膜因其优异的压电性能和与CMOS工艺的兼容性，成为研究热点。然而，如何优化AlN和AlScN薄膜的感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，以实现高性能的轮廓模式谐振器（CMR），仍然是一个具有挑战性的问题。本研究的目的是通过优化ICP刻蚀参数，获得高刻蚀速率、高选择性和近乎垂直的侧壁轮廓，并验证其在AlN CMR器件中的应用。

研究流程
研究分为以下几个步骤：
1. 样品制备：在硅片上沉积1微米的（0002）极性AlN薄膜和0.5微米的（0002）极性Al0.94Sc0.06N薄膜。AlN薄膜通过反应磁控溅射沉积，AlScN薄膜通过Evatec CLN200共溅射系统沉积。
2. 薄膜表征：使用X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体取向，扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）测量薄膜的表面形貌和粗糙度。
3. ICP刻蚀实验：使用Sentech SI-500 ICP刻蚀机对AlN和AlScN薄膜进行刻蚀。通过优化ICP功率、RF功率、Cl2、BCl3和N2的流量等参数，研究其对刻蚀速率、选择性和侧壁轮廓的影响。
4. 刻蚀模型建立：基于Cl2/BCl3/N2混合气体的ICP刻蚀过程，提出五步刻蚀模型，解释刻蚀机制。
5. 器件制备与表征：使用优化后的刻蚀工艺制备AlN轮廓模式谐振器（CMR），并通过Keysight® N5234B网络分析仪进行表征。

主要结果
1. AlN刻蚀优化：在ICP功率为550 W、RF功率为80 W、Cl2/BCl3/N2流量分别为36/6/5 sccm的条件下，AlN薄膜的刻蚀速率达到230 nm/min，侧壁轮廓接近84°，相对于S1818光刻胶的选择性为0.77:1。
2. Ni掩模刻蚀：使用Ni薄膜作为刻蚀掩模时，侧壁轮廓接近80°，选择性超过30:1，表明Ni掩模在器件制造中具有良好的兼容性。
3. AlScN刻蚀优化：通过优化RF功率，Al0.94Sc0.06N薄膜的侧壁轮廓达到77°。
4. CMR器件性能：制备的AlN CMR器件在400 MHz频率下工作，品质因数超过1600，验证了优化刻蚀工艺的有效性。

结论
本研究通过系统优化ICP刻蚀参数，成功实现了AlN和AlScN薄膜的高性能刻蚀，获得了高刻蚀速率、高选择性和近乎垂直的侧壁轮廓。研究提出的五步刻蚀模型为理解AlN和AlScN薄膜的ICP刻蚀机制提供了理论依据。优化后的刻蚀工艺在AlN轮廓模式谐振器的制备中表现出优异的性能，为射频MEMS器件的开发提供了重要的技术支持。

研究亮点
1. 刻蚀工艺优化：通过多参数优化，实现了AlN和AlScN薄膜的高性能刻蚀，为MEMS器件的制造提供了可靠的技术方案。
2. 刻蚀模型创新：提出了基于Cl2/BCl3/N2混合气体的五步刻蚀模型，深入揭示了AlN和AlScN薄膜的刻蚀机制。
3. 器件性能验证：制备的AlN CMR器件在400 MHz频率下表现出高品质因数，验证了优化刻蚀工艺的实际应用价值。

其他有价值的内容
本研究还探讨了不同刻蚀参数（如ICP功率、RF功率、气体流量和压力）对刻蚀速率、选择性和侧壁轮廓的影响，为后续研究提供了重要的参考数据。此外，研究中使用的高精度表征技术（如SEM、AFM和XRD）为薄膜质量的评估提供了可靠的方法。