Analyse van het etsen van perovskietoxide met inductief gekoppelde argon-plasma's voor fotonica-toepassingen

Experiment en resultaten

Methoden

Een 13,56 MHz Oxford PlasmaPro 100c Cobra wordt gebruikt voor het op argon gebaseerde ICP-etsexperiment en een schematische structuur van de ets wordt getoond in figuur 1a. Het ingangsgas wordt geïoniseerd onder in de tijd variërende elektromagnetische velden, die worden geproduceerd door een inductief gekoppelde spoel onder de eerste radiofrequentiebron (RF_ICP ). De gegenereerde plasma-ionen versnellen verticaal naar de onderste wafer onder voorspanning, die wordt bestuurd door de tweede RF-bron (RF_bias ) aangesloten op de substraathouder/elektrode. De vluchtige etsgasproducten worden afgevoerd via een ontluchting. Z-cut LN wordt gebruikt als voorbeeld voor demonstratie van de relatie tussen verschillende procesomstandigheden en etssnelheid; de epitaxiale structuur van LN wordt getoond in Fig. 1b. De dikte van de bovenste lithiumniobaatlaag en siliciumoxide zijn respectievelijk 700 nm en 2 µm. Een chroomlaag (Cr) van 50 nm wordt eerst door elektronenstraalverdamping (e-beam) op het monster afgezet om de lithografie te vergemakkelijken. Vervolgens wordt ongeveer 1 µm ma-N 1400 fotoresist door middel van fotolithografie met een laserschrijver op het oppervlak gespincoat. Na ontwikkeling en daaropvolgende Cr nat etsen, dient de patroonstructuur als een schaduwmasker voor droog etsen. Na ICP-etsen wordt dit masker gestript in hete N-methyl-2-pyrrolidon en Cr-etsmiddel. De diepte van de kenmerken vóór het etsen, na het etsen en na het verwijderen van het schaduwmasker wordt geregistreerd via een oppervlakteprofiler op vaste punten, en de etssnelheden van de fotoresist en de Z-cut LN worden dienovereenkomstig berekend.

een Schematische structuur van het ICP-proces. De epitaxiestructuren en SEM-beelden van b Z-cut LN en c BTO gebruikt in het experiment (Pt en Cr worden afgezet als beschermende lagen voor FIB-snijden)

Etch-snelheidsanalyse

Tijdens het experiment worden vier factoren gevalideerd:kamerdruk, gasstroomsnelheid, biasvermogen en ICP-vermogen. Voorafgaand aan elke etsing wordt een 5 minuten durende plasmabehandeling met zuivere zuurstof uitgevoerd om de kamer te reinigen. Tijdens het etsen wordt alleen argongas gebruikt en de basisetsconditie is:5 mTorr kamerdruk, 20 sccm gasstroom, 150 W biasvermogen en 500 W ICP-vermogen. De gemeten etssnelheden van Z-cut LN en fotoresist met betrekking tot verschillende gecombineerde omstandigheden worden getoond in Fig. 2. Uit Fig. 2a kan worden afgeleid dat de etssnelheid van Z-cut LN toeneemt wanneer de kamerdruk wordt verlaagd, en de toename van de Z-cut LN-etssnelheid is relatief lineair (de helling is ongeveer 0,95 nm/min per mTorr-drukafname) en voorspelbaar. Opgemerkt moet worden dat de meting van de oppervlakteprofieldiepte van Z-cut LN nauwkeuriger is dan met de fotoresist, omdat de oppervlaktefotoresist na het etsen niet zo vlak is als de Z-cut LN. Wanneer de kamerdruk lager is, wordt de willekeurige botsingsbeweging verminderd en worden de argonionen ordelijker getransporteerd, wat kan verklaren waarom hogere etssnelheden worden waargenomen bij lagere kamerdruk. De etssnelheid neemt lineair toe voor Z-cut LN met betrekking tot gasstroomomstandigheden, zoals weergegeven in figuur 2b, wat betekent dat meer argonplasma wordt geactiveerd wanneer de gasstroom groter is. De helling van de Z-cut LN-etssnelheid is ongeveer 0,11 nm/min per eenheid sccm gasstroomtoename, zoals kan worden geconcludeerd uit figuur 2b. Zowel de etssnelheid van Z-cut LN als fotoresist nemen toe wanneer de bias en het ICP-vermogen toenemen, zoals te zien is in Fig. 2c, d. Wanneer het ICP-vermogen zo laag is als 100 W, worden weinig argonatomen geïoniseerd en is de etssnelheid van Z-cut LN vrij klein, zoals weergegeven in figuur 2d. Er zullen meer argonatomen worden geïoniseerd wanneer het ICP-vermogen wordt verhoogd, en dus een hogere etssnelheid. Met een toename van de bias zal de ionenversnellingssnelheid ook groter zijn naarmate het elektrische veld sterker is. Zowel een toename in plasmadichtheid als ionenversnelling zal resulteren in hogere etssnelheden, die te vinden zijn in Fig. 2c, d. De hellingen zijn respectievelijk ongeveer 0,072 en 0,059 nm/min per watt bias en ICP-vermogens. De niet-lineaire curve van de etssnelheid van fotoresist in relatie tot het biasvermogen is waarschijnlijk te wijten aan de meetfout die het gevolg is van een oppervlak dat niet vlak is.

Etssnelheden van Z-cut LN en fotoresist onder verschillende a druk, b gasstroom, c vooringenomenheid en d ICP-vermogen

In figuur 2a wordt de etssnelheid van 21,87 nm/min verkregen onder de omstandigheden van 5 mTorr kamerdruk, 20 sccm gasstroom, 150 W biasvermogen en 500 W ICP-vermogen. De etssnelheid van ongeveer 37 nm/min wordt gemeten bij een kamerdruk van 10 mTorr, een gasstroom van 30 sccm, een biasvermogen van 300 W en een ICP-vermogen van 700 W, wat zeer consistent is met de berekende resultaten (40,4 nm/s) op basis van gemeten gegevens getoond in Fig. 2. Daarom kan worden geconcludeerd dat de etssnelheid van Z-cut LN regelmatig en voorspelbaar is.

Op basis van dezelfde basisvoorwaarden (5 mTorr kamerdruk, 20 sccm gasstroom, 150 W biasvermogen en 500 W ICP-vermogen), wordt een soortgelijk etsexperiment met X-cut LN en BTO uitgevoerd om het effect van de kamerdruk te onderzoeken (als een voorbeeld van verschillende omstandigheden), en de gemeten gegevens worden getoond in Fig. 3. De X-cut LN die hier wordt gebruikt, is een bulkkristal, terwijl de BTO een epitaxiale laag is die is gegroeid op een dysprosium scandate (DSO) substraat met behulp van gepulseerde laserdepositie (PLD), met structuur getoond in Fig. 1c. Wanneer de kamerdruk wordt verlaagd, nemen zowel de etssnelheid van BTO als X-cut LN toe, wat goed overeenkomt met de Z-cut LN-resultaten. De iets andere waargenomen helling kan worden toegeschreven aan de kleine verschillen in kristalkwaliteit. Er kan dus worden geconcludeerd dat de etsparameters in figuur 2 ook in grote lijnen geschikt zijn voor perovskietoxide type X-cut LN en BTO.

Vergelijkingsresultaat van etssnelheden met betrekking tot kamerdruk voor BTO, Z-cut en X-cut LN's

Oppervlaktemorfologieanalyse

Om mogelijke veranderingen in de oppervlaktemorfologie veroorzaakt door etsen te evalueren, wordt hier AFM gebruikt met het scangebied ingesteld op \(1\times 1 {\mathrm{\mu m}}^{2}\). AFM-afbeeldingen van zoals gedeponeerd en na-etsen voor Z-cut LN, X-cut LN en BTO worden getoond in Fig. 4. Uit Fig. 4a, b blijkt dat de geëtste Z-cut LN bijna één bestelling heeft lagere oppervlakte-root-mean-square (RMS) ruwheid vergeleken met het als-afgezette monster. Voor X-cut LN en BTO is hetzelfde gladdere oppervlak na het etsen te vinden in Fig. 4c-f. De iets grotere RMS-ruwheid voor als gedeponeerde BTO is te wijten aan de oorspronkelijke groeikwaliteit, aangezien het LN-monster een commercieel product is en de BTO-film in ons laboratorium wordt gekweekt op een substraat (DSO) dat zelf mogelijk geen minimale oppervlakteruwheid heeft. De lagere RMS-ruwheid van het geëtste monster kan worden toegeschreven aan de fysieke etseigenschap van op argon plasma gebaseerde ICP, waardoor het etsproces een beetje lijkt op slijpen/polijsten.

De 3D-weergave van oppervlaktemorfologieën van Z-cut LN, X-cut LN en BTO gemeten door AFM. een Zoals gedeponeerd en b geëtste Z-cut LN. c Zoals gedeponeerd en d geëtste X-cut LN. e Zoals gedeponeerd en f geëtste BTO

Surface state analysis

EDS-analyse wordt uitgevoerd voor de gedeponeerde en geëtste Z-cut LN-, X-cut LN- en BTO-monsters, om mogelijke veranderingen in oppervlaktecomponenten kwalitatief te analyseren, en de meetresultaten worden getoond in Fig. 5. Tijdens de meting, Lithium (Li), Niobaat (Nb), Zuurstof (O), Koolstof (C), Argon (Ar) en Chroom (Cr) worden geregistreerd voor Z-cut en X-cut LN, zoals getoond in Fig. 5a-d, terwijl voor BTO-monster worden Barium (Ba), Titanium (Ti), O, C, Ar en Cr geanalyseerd, zoals weergegeven in Fig. 5e, f. Vergeleken met de monsters zoals ze zijn afgezet, wordt er geen significant verschil in elementaire bestanddelen waargenomen uit figuur 5. Er is geen resterend argon in het geëtste gebied in een van de geëtste monsters, wat aantoont dat ICP op basis van argonplasma puur een fysiek proces is waardoor er geen onverwachte secundaire chemische veranderingen optreden en er worden geen etsreactanten geproduceerd.

De gemeten EDS-resultaten. een Zoals gedeponeerd en b geëtste Z-cut LN-monsters; c als aanbetaling en d geëtste X-cut LN-monsters; e als aanbetaling en f geëtste BTO-voorbeelden

Om eventuele veranderingen in de chemische samenstelling van het oppervlak verder te analyseren, werd XPS-analyse uitgevoerd. Metingen werden uitgevoerd in een Thermo Fisher Scientific Theta Probe-systeem uitgerust met een monochromatische, microgerichte Al K \(\alpha\) (1486,6 eV) röntgenbron en XPS-spectra werden opgenomen bij een detectiehoek (q) van 50 , met betrekking tot het monsteroppervlak. De basisdruk van de analysekamer is \(5\times {10}^{-10}\) mbar. Afbeelding 6 toont de XPS-enquêtespectra van Z-cut LN-, X-cut LN- en BTO-monsters die variëren van 0 tot 1000 eV bindingsenergie (BE). Er zijn Li 1 s, Nb 3p_1/2 , Nb 3p_3/2 , Nb 3d_5/2 , Nb 4p_3/2 , O 1 s en C 1 s voor zowel Z-cut LN als X-cut LN, zoals weergegeven in Fig. 6a, b. In Fig. 6c zijn er Ba 4d, Ba 4p_3/2 , C 1 s, Ti 2p, O 1 s, Ba 3d_5/2 en Ba 3d_3/2 voor BTO. De XPS-spectra die hier worden gerapporteerd, hebben betrekking op de BE van de C-C/C-H-componentpiek van de Cl-spectra bij 285,0 eV [13, 16]. Uit figuur 6 kan worden afgeleid dat er geen groot verschil is in de onderzoeksspectra voor as-deposited en geëtste monsters. Enkele kleine pieken na het etsen worden veroorzaakt door de kleine vervuiling tijdens de verwerking en opslag van het monster.

XPS-enquêtespectra van a Z-snede LN, b X-cut LN en c BTO voor en na het etsen. Onderste (rode) en bovenste (zwarte) lijnen vertegenwoordigen de als gedeponeerde en geëtste monsters

Om de chemische toestand van elk element in detail verder te identificeren, werden de spectra met hoge resolutie van alle op het oppervlak gepresenteerde elementen verkregen en gepast na secundaire elektronenachtergrondaftrekking van het Shirley-type [13]. De aanpasresultaten worden weergegeven in Afb. 7. Afbeelding 7a tot en met d zijn Li 1s, Nb 3d_5/2 , O 1 s en Ar voor Z-cut LN. Er zijn geen duidelijke veranderingen voor de piek van Li 1 s, zoals weergegeven in figuur 7a. Vergeleken met het als gedeponeerde monster, zijn de pieken van Nb 3d_5/2 en O 1 s veranderen respectievelijk met 0,1 en 0,2 eV naar hogere BE's in het geëtste geval, zoals weergegeven in Fig. 7b, c. Dergelijke kleine veranderingen liggen dicht bij de meetfout en geven aan dat er geen duidelijke verandering in de chemische toestand is voor Nb en O. Opgemerkt wordt dat er twee componentpieken zijn voor het aanpassen van het O 1 s-spectrum, en de hoofdpiek rond 530,2 eV is van Nb -O obligaties. De andere subpiek rond 532,5 eV kan worden toegeschreven aan vervuiling, omdat deze wordt verwijderd door de fysieke hobbel in de vacuümkamer en dus een zwakkere signaalsterkte tot gevolg heeft [13]. Er wordt geen duidelijke argonpiek waargenomen in zowel de als gedeponeerde als de geëtste monsters, wat bevestigt dat het op argon gebaseerde ICP-etsen resulteerde in geen residu van het etsen.

Spectra met hoge resolutie voor gedeponeerde en geëtste Z-cut LN-, X-cut LN- en BTO-monsters. een naar d vertegenwoordigen de Li, Nb, O, Ar voor Z-cut LN. e –u vertegenwoordigen de Li, Nb, O, Ar voor X-cut LN. ik naar ik vertegenwoordigen de Ba, Ti, O, Ar voor BTO. Onderste (rode) en bovenste (zwarte) lijnen vertegenwoordigen de als gedeponeerde en geëtste resultaten in elke afzonderlijke foto

Figuren 7e–h tonen Li 1 s, Nb 3d_5/2 , O 1 s en Ar voor X-cut LN. De conclusie is vergelijkbaar met die in Z-cut LN. Alle pieken van Li 1 s, Nb 3d_5/2 en O 1 s verschuiven 0,2 eV naar hogere BE's voor de geëtste monsters in vergelijking met als gedeponeerde monsters. Voor het Ar 2p-spectrum is er één kleine piek in het geëtste monster rond 239,0 eV, wat kan worden toegeschreven aan het resterende argon. Hoewel Ar niet chemisch reageert met het geëtste materiaal, zal het ion met hoge energie tijdens het etsproces in het geëtste oppervlak worden geïmplanteerd. En zo'n implantatie zal naar verwachting zwak zijn in ons experiment, omdat het signaal zo klein is, en het zal geen significant effect hebben op de prestaties van fotonica-apparaten.

Figuur 7i–l tonen Ba 3d-, Ti 2p-, O 1s- en Ar 2p-spectra verkregen voor BTO. In Afb. 7i, Ba 3d_5/2 van het als afgezette monster (rode onderste lijn) kan worden aangepast aan twee pieken bij BE's van 778,7 en 780,0 eV met een verhouding van 47%:53%. Na het etsen, Ba 3d_5/2 is gemonteerd op twee pieken bij BE's van 778,8 en 780,1 eV met een verhouding van 80%:20%. Er werd geen BE-verschuiving waargenomen na overweging van de experimentfout (±  0,2 eV). Het oppervlakte-oxide werd echter verwijderd als gevolg van het etsproces door de verandering van de piekverhouding. Voor Ti 2p, de BE's van Ti 2p_3/2 voor en na het etsproces zijn respectievelijk 458,1 en 458,2 eV, wat ook binnen de experimentele fout valt. Voor O 1 s-spectra kan het vóór het etsen worden aangebracht met behulp van twee pieken met BE's van 529,4 en 531,4 eV, toegewezen aan BTO en oppervlakteverontreiniging, met een verhouding van 45%:55%. Na het etsen zijn de BE's van pieken 529,6 en 531,5 eV met een verhouding van 60%:40%, wat aantoont dat de oppervlakteverontreiniging is verwijderd. Er wordt geen duidelijke XPS-piek van Ar waargenomen na etsen in BTO, wat goed overeenkomt met de Z-cut en X-cut LN-gevallen.

Kenmerken en discussie van optische prestaties

Op basis van de geoptimaliseerde op argon gebaseerde ICP-methode worden Z-cut LN-golfgeleiders gerealiseerd als voorbeeldtoepassing. De golfgeleider is gedeeltelijk geëtst met een etsdiepte van 420 nm van een totale dikte van 700 nm, en de breedte is ontworpen op 4 µm voor eenvoudige lithografie. De geometrische afmetingen van de golfgeleider worden bepaald op basis van de 3D eindige-verschiltijddomein (FDTD)-methode [17], rekening houdend met zowel het transmissieverlies als de procestechnologie. De bovenste LN-laag en het substraat zijn geïsoleerd door 2 µm siliciumoxide om een ​​hoog brekingsindexverschil te vormen (de brekingsindices van LN en SiO₂ zijn respectievelijk 2.3 en 1.44) voor optische opsluiting, zoals de epitaxie getoond in Fig. 1b. Ongeveer -3,7 dB/cm voortplantingsverlies wordt gemeten met aftrek van koppelingsverlies (bezuinigingsmethode) nabij de ontwerpgolflengte van 1550 nm voor transversaal magnetisch (TM) gepolariseerd ingangslicht, zoals weergegeven in figuur 8a. De inzet toont licht dat goed in de golfgeleider is opgesloten. Het is vermeldenswaard dat er andere methoden zijn om het golfgeleiderverlies te karakteriseren, zoals glijdende prisma's, Fabry-Perot-resonanties en verstrooide lichtmethoden [18]. Hier wordt de bezuinigingsmethode gebruikt. Afbeelding 8b toont een scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-afbeelding van de geëtste golfgeleider. Duidelijke zijwanden valideren het hoogwaardige etsresultaat. De hoek van de zijwand is ongeveer 50 graden, zoals de focus-ionenbundel (FIB) afbeelding getoond in Fig. 8c. Het gemeten verlies is redelijk voor TM-polarisatie (waar het veld correct is uitgelijnd voor het maximaliseren van het Pockels-effect voor de Z-cut-oriëntatie); en groter dan typische verlieswaarden voor transversaal elektrisch (TE) gepolariseerd licht in X-cut lithiumniobaat [3, 6] vanwege de gebruikelijke anisotropie in zijwandruwheid. Een dergelijk verlies kan worden verbeterd door een dunnere top LN-dikte [19] en een meer geoptimaliseerde structuur [3, 6, 20] te gebruiken. Het is vermeldenswaard dat er geen nabewerking of toegevoegde bekleding van de gemeten golfgeleider is. Het verlies kan dus worden verminderd door een dergelijke verwerking te optimaliseren, zoals het geval is bij toevoeging van thermische oxidatie in siliciumgolfgeleiders [20, 21], of bij gebruik van gascluster-ionenbundelafvlakking [22]. In het BTO-geval zou een verminderd indexcontrast tussen het DSO-substraat en de bovenste BTO-laag (de brekingsindex van BTO en DSO zijn respectievelijk 2,38 en 2,13, zoals bepaald door de prismakoppelingsmethode) resulteren in een slechtere lichtopsluiting, hoewel de ets is dieper; het verlies is niet direct te vergelijken met dat in LN.

een Gemeten verlies van de geëtste Z-cut LN golfgeleider. (De ingevoegde afbeelding toont het licht dat tijdens de meting in de gebogen golfgeleider wordt doorgelaten.) b SEM-afbeelding van de geëtste golfgeleider. c FIB-foto van de dwarsdoorsnede van de golfgeleider

Vergeleken met de typische ionendiffusiemethode [12] voor perovskietoxiden in fotonica-toepassingen, kan de op argon gebaseerde ICP die in dit manuscript wordt gedemonstreerd, compacte en krachtige geïntegreerde apparaten realiseren. Omdat er bij deze methode geen etsreactieproducten zijn, wordt de optische prestatie van het perovskietoxidekristal helemaal niet beïnvloed. Daarom is het waarschijnlijk superieur in vergelijking met op fluor of chloride gebaseerde ICP-etsen [13,14,15], die zijn aangetoond voor andere soorten toepassingen, zoals veldeffecttransistoren. ICP-machines worden veel gebruikt in de industrie, dus het rendement van de voorgestelde methode zal hoog zijn als elke processtap binnen een kleine foutenmarge wordt gecontroleerd.