Optimaliseren van argon ICP-etsen van perovskiet-oxiden voor geavanceerde fotonische toepassingen

Samenvatting

We analyseerden het droogetsen van perovskiet-oxiden met argon-gebaseerde geïnduceerde gekoppelde plasma's (ICP) voor fotonische toepassingen. Verschillende kamercondities en hun effecten op etssnelheden zijn gedemonstreerd op basis van Z-gesneden lithium niobaat (LN). De gemeten resultaten zijn voorspelbaar en herhaalbaar en kunnen toegepast worden op andere perovskiet-oxiden, zoals X-gesneden LN en bariumtitaan oxide (BTO). De oppervlakteruwigheid is beter voor zowel geetste LN als BTO vergeleken met hun as-gedeponeerde tegenhangers zoals bevestigd door atoomkrachtmicroscopie (AFM). Zowel de energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) als röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) methoden zijn gebruikt voor oppervlakte chemische component vergelijkingen, kwalitatief en kwantitatief, en geen duidelijke oppervlaktestaatveranderingen worden waargenomen volgens de gemeten resultaten. Een optische golgleider geproduceerd met de geoptimaliseerde argon-gebaseerde ICP-etsing werd gemeten om -3,7 dB/cm verlies te hebben bij 1550 nm golflengte voor Z-gesneden LN, wat deze methode valideert voor perovskiet-oxiden etsen in fotonische toepassingen.

Inleiding

Silicon fotonica heeft in de laatste decennia grote ontwikkeling ervaren vanwege de lage kosten en grote schaal integreerbaarheid. Echter, het gebrek aan een Pockels-effect beperkt een aantal toepassingen vanwege de centrosymmetrische kristalstructuur. Perovskiet-oxiden zoals LiNbO₃ (LN) en BaTiO₃ (BTO) hebben daarom grote aandacht gekregen voor fotonische toepassingen vanwege hun grote Pockels-effecten. Verschillende LN- en BTO-gebaseerde fotonische apparaten zijn gedemonstreerd met superieure prestaties. Voor dergelijke toepassing is een golgleider met een hoge brekingsindexcontrast het basiscomponent voor lichtinsluiting. Traditioneel zijn golgleiders gevormd in LN door ionendiffusie, wat alleen een laag brekingsindexcontrast en slechte resulterende optische insluiting heeft toegestaan. De doorbraak van LN-gebaseerde geïntegreerde apparaten berust op direct droogetsen van LN dunne films. Echter, er is geen uitgebreide analyse van LN droogetsmethoden tot nu toe gerapporteerd. Aan de andere kant heeft BTO een nog hogere Pockels-coëfficiënt van 1640 pm/V dan LN (~30 pm/V), wat veel betere fotonische apparaten kan ondersteunen. Echter, direct geetste BTO-gebaseerde fotonische apparaten zijn nog niet gedemonstreerd, wat waarschijnlijk te wijten is aan de moeilijkheid om te etsen. De meest voorkomende methode om hogere-index golgleiders in deze materialen in de literatuur te creëren, is om eerst een laag van makkelijk te etsen materiaal te depositeren, dan het patroon op deze laag over te dragen door droogetsen. De resulterende optische mode overlapt slechts deels met de lager ongeetste BTO-laag, wat de prestaties degradeert; een dergelijke methode kan het Pockels-effect niet maximaliseren. Hoewel fluor- en chloor-gebaseerde plasma-etsen van BTO voorgesteld is voor halfgeleidergeheugen toepassingen, verminderen reactieproducten die opnieuw gedeponeerd kunnen worden op de oppervlakken en zijwanden tijdens het etsproces de geschiktheid van dergelijke etschemische voor fotonische toepassingen.

Daarom wordt argon-plasma-gebaseerde inductief gekoppelde plasma (ICP) etsen van perovskiet-oxiden LN en BTO in dit manuscript uitgebreid geanalyseerd. Verschillende factoren en hun effect op de etssnelheden worden vergeleken voor zowel LN als BTO. De oppervlakteruwigheid voor en na etsen wordt geanalyseerd door atoomkrachtmicroscopie (AFM). Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) methoden worden gebruikt voor het karakteriseren van oppervlakte chemische toestandsveranderingen. Het wordt waargenomen dat het oppervlak veel gladder is met geen etsresten gedetecteerd in zowel geetste LN als BTO monsters. Gebaseerd geoptimaliseerde etscondities, worden optische golgleiders geetst op een Z-gesneden LN monster, met een gemeten -3,7 dB/cm verlies, wat de argon-gebaseerde ICP-methode valideert in haar geschiktheid voor algemene perovskiet-oxiden etsen in fotonische toepassingen.

Experiment en resultaten

Methoden

Een 13,56 MHz Oxford PlasmaPro 100c Cobra wordt gebruikt voor het argon-gebaseerde ICP-ets experiment, en een schematische structuur van de ets wordt getoond in Fig. 1a. De invoergas wordt geïoniseerd onder tijdsvarierende elektromagnetische velden, geproduceerd door een geïnduceerde gekoppelde spoel onder de eerste radiofrequentiebron (RF_ICP). De gegenereerde plasma-ionen versnellen verticaal naar de bodemwafer onder biasspanning, gecontroleerd door de tweede RF-bron (RF_bias) verbonden met de substrathouder/elektrode. De vluchtige etsgasproducten worden uitgeblazen door een ventilatieopening. Z-gesneden LN wordt gebruikt als voorbeeld voor demonstratie van de relatie tussen verschillende procescondities en etssnelheid; de LN-epitaxiestructuur wordt getoond in Fig. 1b. De dikte van de bovenste lithium niobaat laag en siliciumoxide zijn 700 nm en 2 μm respectievelijk. Een 50 nm chroom (Cr) laag wordt eerst gedeponeerd door elektronenbundel (e-bundel) verdamping op het monster ter vergemakkelijking van lithografie. Vervolgens wordt ongeveer 1 μm ma-N 1400 fotoresist op het oppervlak gespind door fotolithografie met een laserwriter. Na ontwikkeling en daaropvolgende Cr natte ets, dient het gepatroneerde structuur als schaduwmasker voor droogetsen. Na ICP-etsen wordt dit masker gestript in hete N-methyl-2-pyrrolidon en Cr etsmittel. Kenmerkdiepten voor etsen, na etsen en na schaduwmasker verwijdering worden geregistreerd door een oppervlakteprofiler op vaste punten, en de etssnelheden van de fotoresist en Z-gesneden LN worden dienovereenkomstig berekend.

Etssnelheden analyse

Vier factoren worden gevalideerd tijdens het experiment: kamer druk, gasstroomsnelheid, biaskracht en ICP-kracht. Voor elke ets wordt een 5 min zuurstofplasma-behandeling uitgevoerd voor kamer reiniging. Alleen argongas wordt tijdens de ets gebruikt, en de basis etsconditie is: 5 mTorr kamer druk, 20 sccm gasstroom, 150 W biaskracht en 500 W ICP-kracht. De gemeten etssnelheden van Z-gesneden LN en fotoresist met betrekking tot verschillende gecombineerde condities worden getoond in Fig. 2. Het kan waargenomen worden uit Fig. 2a dat de etssnelheid van Z-gesneden LN toeneemt wanneer de kamer druk verminderd wordt, en de toename in de Z-gesneden LN etssnelheid is relatief lineair (de helling is ongeveer 0,95 nm/min per mTorr drukverlaging) en voorspelbaar. Het moet worden opgemerkt dat de oppervlakteprofiel dieptemeting van Z-gesneden LN nauwkeuriger is dan met de fotoresist, omdat het oppervlakte fotoresist na etsen niet zo plat is als de Z-gesneden LN. Wanneer de kamer druk lager is, wordt de willekeurige botsingsbeweging verminderd en de argon-ionen worden meer ordelijk getransporteerd, wat kan verklaren waarom hogere etssnelheden waargenomen worden onder lagere kamer druk. De etssnelheid neemt lineair toe voor Z-gesneden LN met betrekking tot gasstroomcondities, zoals getoond in Fig. 2b, wat betekent dat meer argonplasma geactiveerd wordt wanneer de gasstroom groter is. De helling van de Z-gesneden LN etssnelheid is ongeveer 0,11 nm/min per eenheid sccm gasstroom toename, zoals geconcludeerd uit Fig. 2b. Zowel de etssnelheid van Z-gesneden LN als fotoresist nemen toe wanneer de bias- en ICP-kracht toenemen, zoals te zien is in Fig. 2c, d. Wanneer de ICP-kracht zo laag is als 100 W, worden weinig argonatomen geïoniseerd en is de etssnelheid van Z-gesneden LN vrij klein, zoals getoond in Fig. 2d. Meer argonatomen zullen geïoniseerd worden wanneer de ICP-kracht verhoogd wordt, en dus resulteren in hogere etssnelheden. Met een toename in bias, zal de ionversnellingssnelheid ook groter zijn aangezien het electrisch veld sterker is. Zowel een toename in plasmadichtheid als ionversnelling zullen resulteren in hogere etssnelheden, wat te vinden is in Fig. 2c, d. De hellingen zijn ongeveer 0,072 en 0,059 nm/min per watt van bias- en ICP-krachten respectievelijk. De niet-lineaire kromme van fotoresist etssnelheid met relatie van bias-kracht is waarschijnlijk te wijten aan meetfout voortvloeiend van een oppervlak dat niet plat is.

In Fig. 2a wordt de 21,87 nm/min etssnelheid verkregen onder de condities van 5 mTorr kamer druk, 20 sccm gasstroom, 150 W biaskracht en 500 W ICP-kracht. Ongeveer 37 nm/min etssnelheid wordt gemeten met condities van 10 mTorr kamer druk, 30 sccm gasstroom, 300 W biaskracht en 700 W ICP-kracht, wat hoogst consistent is met de berekende resultaten (40,4 nm/s) gebaseerd op gemeten data getoond in Fig. 2. Daarom kan geconcludeerd worden dat de etssnelheid van Z-gesneden LN regelmatig en voorspelbaar is.

Gebaseerd op dezelfde basisccondities (5 mTorr kamer druk, 20 sccm gasstroom, 150 W biaskracht en 500 W ICP-kracht), wordt een vergelijkbaar etsexperiment met X-gesneden LN en BTO uitgevoerd om het effect van de kamer druk (als voorbeeld van verschillende condities) te onderzoeken, en de gemeten data wordt getoond in Fig. 3. De X-gesneden LN die hier gebruikt wordt is een bulkkristal, terwijl de BTO een epitaxiale laag is gegroeid op een dysprosiumscandaat (DSO) substraat met gepulste laserdepositie (PLD), met structuur getoond in Fig. 1c. Wanneer de kamer druk verminderd wordt, nemen zowel de etssnelheid van BTO als X-gesneden LN toe, wat goed overeenkomt met de Z-gesneden LN resultaten. De iets andere waargenomen helling kan toegeschreven worden aan de kleine verschillen in kristalkwaliteit. Het kan dus geconcludeerd worden dat de etsparameters in Fig. 2 ook breed toepasbaar zijn voor perovskiet-oxidetype X-gesneden LN en BTO.

Oppervlaktemorfologie analyse

Om eventuele oppervlaktemorfologieveranderingen veroorzaakt door etsen te evalueren, wordt AFM hier gebruikt met het scangebied ingesteld op \(1\times 1 {\mathrm{\mu m}}^{2}\). AFM-afbeeldingen van as-gedeponeerd en na-etsen voor Z-gesneden LN, X-gesneden LN en BTO worden getoond in Fig. 4. Het kan gevonden worden uit Fig. 4a, b dat de geetste Z-gesneden LN bijna een orde lagere oppervlakte root-mean-square (RMS) ruwheid heeft vergeleken met het as-gedeponeerde monster. Voor X-gesneden LN en BTO, kan dezelfde gladere oppervlakte na etsen gevonden worden uit Fig. 4c–f. De iets grotere RMS-ruwheid voor as-gedeponeerde BTO is te wijten aan de oorspronkelijke groeikwaliteit, aangezien het LN-monster een commercieel product is en de BTO-film in ons laboratorium op een substraat (DSO) is gegroeid wat zelf geen geminimaliseerde oppervlakteruwheid kan hebben. De lagere RMS-ruwheid van het geetste monster kan toegeschreven worden aan de fysieke etseigenschap van argonplasma-gebaseerde ICP, wat het etsproces een beetje maakt als slijpen/polijsten.

Oppervlaktestaat analyse

EDS-analyse wordt uitgevoerd voor de as-gedeponeerde en geetste Z-gesneden LN, X-gesneden LN en BTO monsters, om kwalitatief eventuele oppervlaktecomponentveranderingen te analyseren, en de gemeten resultaten worden getoond in Fig. 5. Tijdens de meting worden Lithium (Li), Niobaat (Nb), Zuurstof (O), Koolstof (C), Argon (Ar) en Chroom (Cr) geregistreerd voor Z-gesneden en X-gesneden LN, zoals getoond in Fig. 5a–d, terwijl voor BTO monster, Barium (Ba), Titanium (Ti), O, C, Ar en Cr geanalyseerd worden, zoals getoond in Fig. 5e, f. Vergeleken met de as-gedeponeerde monsters, wordt geen significant verschil in elementaire samenstelling waargenomen uit Fig. 5. Er is geen restargon binnen het geetste gebied in enige van de geetste monsters, wat aantoont dat argonplasma-gebaseerde ICP puur een fysiek proces is dat geen onverwachte secundaire chemische veranderingen veroorzaakt, en geen etsreactanten geproduceerd worden.

Om verdere analyse van eventuele oppervlakte chemische samenstelling veranderingen te maken, werd XPS-analyse uitgevoerd. Metingen werden uitgevoerd in een Thermo Fisher Scientific Theta Probe systeem uitgerust met een monochromatische, micro-gefocuste Al K α (1486,6 eV) röntgenbron en XPS-spectra werden geregistreerd bij een detectiehoek (q) van 50, ten opzichte van het monsteroppervlak. De basisdruk van analysekamer is \(5\times {10}^{-10}\) mbar. Figuur 6 toont de XPS-overzichtspectra van Z-gesneden LN, X-gesneden LN en BTO monsters variërend van 0 tot 1000 eV bindingsenergie (BE). Er zijn Li 1s, Nb 3p_1/2, Nb 3p_3/2, Nb 3d_5/2, Nb 4p_3/2, O 1s en C 1s voor zowel Z-gesneden LN als X-gesneden LN, zoals getoond in Fig. 6a, b. In Fig. 6c zijn er Ba 4d, Ba 4p_3/2, C 1s, Ti 2p, O 1s, Ba 3d_5/2 en Ba 3d_3/2 voor BTO. De XPS-spectra gerapporteerd hier worden gerefereerd aan de BE van C–C/C-H component piek van C 1s spectra bij 285,0 eV. Het kan waargenomen worden uit Fig. 6 dat er geen groot verschil is in de overzichtspectra voor as-gedeponeerde en geetste monsters. Een paar kleine pieken na etsen worden veroorzaakt door de geringe verontreiniging tijdens monsterverwerking en opslag.

Om de chemische toestand van elk element in detail te identificeren, werden de hoge-resolutiespectra van alle elementen aanwezig op het oppervlak verkregen en gefit na Shirley-type secundaire elektronen achtergrondaftrekking. De fitresultaten worden getoond in Fig. 7. Figuur 7a tot d zijn Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s en Ar voor Z-gesneden LN. Er zijn duidelijke veranderingen voor de piek van Li 1s, zoals getoond in Fig. 7a. Vergeleken met het as-gedeponeerde monster, verschuiven de pieken van Nb 3d_5/2 en O 1s respectievelijk met 0,1 en 0,2 eV naar hogere BE's in het geetste geval, zoals getoond in Fig. 7b, c. Dergelijke kleine veranderingen zijn dicht bij de meetfout en geven aan dat er geen duidelijke chemische toestandsverandering is voor Nb en O. Het wordt opgemerkt dat er twee componentpiekken zijn voor fitting van O 1s spectrum, en de hoofdpiek rond 530,2 eV komt van Nb–O bindingen. De andere sub-piek rond 532,5 eV kan toegeschreven worden aan verontreiniging, aangezien het verwijderd wordt door de fysieke stoot in de vacuümkamer en dus resulteert in zwakkere signaalsterkte. Geen duidelijke argonpiek wordt waargenomen in zowel de as-gedeponeerde als geetste monsters, wat valideert dat de argon-gebaseerde ICP-etsing resulteerde in geen rest van etsen.

Figuren 7e–h tonen Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s en Ar voor X-gesneden LN. De conclusie is vergelijkbaar als in Z-gesneden LN. Alle pieken van Li 1s, Nb 3d_5/2 en O 1s verschuiven 0,2 eV naar hogere BE's voor de geetste monsters vergeleken met as-gedeponeerde. Voor Ar 2p spectrum, is er één kleine piek in het geetste monster rond 239,0 eV, wat toegeschreven kan worden aan het restargon. Hoewel Ar niet chemisch reageert met het geetste materiaal, zal de hoge energie ion geïmplanteerd worden in het geetste oppervlak tijdens het etsproces. En zo'n implantatie wordt verwacht zwak in ons experiment te zijn aangezien het signaal zo klein is, en het zal geen significante invloed hebben op fotonische apparaatprestaties.

Figuur 7i–l tonen Ba 3d, Ti 2p, O 1s en Ar 2p spectra verkregen voor BTO. In Fig. 7i kan Ba 3d_5/2 van het as-gedeponeerde monster (onderste rode lijn) gefit worden tot twee pieken bij BE's van 778,7 en 780,0 eV met verhouding 47%: 53%. Na etsen is Ba 3d_5/2 gefit tot twee pieken bij BE's van 778,8 en 780,1 eV met verhouding 80%: 20%. Geen BE-verschuiving werd waargenomen na overweging van experimentfout (±0,2 eV). Echter, het oppervlakteoxide werd verwijderd door etsproces van piekverhoudingsverandering. Voor Ti 2p, de BE's van Ti 2p_3/2 voor en na etsproces zijn 458,1 en 458,2 eV respectievelijk, wat ook binnen experimentfout is. Voor O 1s spectra, voor etsen kan het gefit worden met twee pieken met BE's van 529,4 en 531,4 eV, toegewezen aan BTO en oppervlakteverontreiniging, met verhouding 45%: 55%. Na etsen zijn de BE's van pieken 529,6 en 531,5 eV met verhouding 60%:40%, wat toont dat de oppervlakteverontreiniging verwijderd werd. Geen duidelijke XPS-piek van Ar wordt waargenomen na etsen in BTO, wat goed overeenkomt met de Z-gesneden en X-gesneden LN gevallen.

Optische prestatiekarakterisatie en discussie

Gebaseerd op de geoptimaliseerde argon-gebaseerde ICP-methode, worden Z-gesneden LN golgleiders gerealiseerd als voorbeeldtoepassing. De golgleider is deels geetst met een etsdiepte van 420 nm uit 700 nm totale dikte, en de breedte is ontworpen op 4 μm voor gemakkelijke lithografie. De geometrische afmetingen van de golgleider zijn bepaald op basis van de 3D finite difference time domain (FDTD) methode na overweging van zowel de transmissieverlies als proces technologie. De bovenste LN-laag en substraat worden 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 insluiting, zoals de epitaxie getoond in Fig. 1b. Ongeveer -3,7 dB/cm voortplantingsverlies wordt gemeten met aftrek van koppelingsverlies (afsnijmethode) bij de ontwerpgolflengte van 1550 nm voor transversaal magnetische (TM) gepolariseerde invoerlicht, zoals getoond in Fig. 8a. De inset toont licht goed ingesloten binnen de golgleider. Het is de moeite waard op te merken dat er andere methoden zijn om de golgleiderverlies te karakteriseren, zoals glijprisma, Fabry–Perot resonanties en verstrooiingslicht methoden. De afsnijmethode wordt hier gebruikt. Figuur 8b toont een scannende elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding van de geetste golgleider. Duidelijke zijwanden valideren het hoge-prestatie etsresultaat. De zijwandhoek 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 uitgelijnd is voor het maximaliseren van het Pockels-effect voor de Z-gesneden oriëntatie); en groter dan typische verlieswaarden voor transversaal elektrische (TE) gepolariseerd licht in X-gesneden lithium niobaat vanwege de gebruikelijke anisotropie in zijwandruwheid. Zo'n verlies kan verbeterd worden door dunner bovenste LN-dikte te gebruiken en een meer geoptimaliseerde structuur. Het is de moeite waard op te merken dat er geen na-verwerking of toegevoegde cladding is van de gemeten golgleider. Het verlies kan dus verminderd worden door dergelijke verwerking te optimaliseren, zoals het geval is met toevoeging van thermische oxidatie in silicium golgleiders, of met gebruik van gascluster ionenbundel gladstrijken. In het BTO geval zou 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 prisma koppelingsmethode) resulteren in slechtere lichtinsluiting zelfs als de ets dieper is; het verlies kan niet direct vergeleken worden met dat in LN.

Vergeleken met de typische ionendiffusiemethode voor perovskiet-oxiden in fotonische toepassingen, kan de argon-gebaseerde ICP gedemonstreerd in dit manuscript compacte en hoog-presterende geïntegreerde apparaten realiseren. Aangezien er geen etsreactieproducten zijn in deze methode, wordt de optische prestatie van het perovskiet-oxide kristal niet beïnvloed. Daarom is het waarschijnlijk superieur vergeleken met fluor- of chloor-gebaseerde ICP-etsing, die gedemonstreerd zijn voor andere soorten toepassingen, zoals veld-effect transistors. ICP-machines worden wijd gebruikt in de industrie, dus de opbrengst van de voorgestelde methode zal hoog zijn als elke processtap gecontroleerd wordt binnen een kleine foutmarge.

Conclusies

Concluderend, argon-gebaseerde ICP-etsen voor perovskiet-oxiden wordt in detail gedemonstreerd in dit manuscript. De etssnelheden en hun relaties tot kamer druk, gasstroom, bias- en ICP-kracht worden geanalyseerd in Z-gesneden LN, X-gesneden LN en BTO. De gemeten resultaten zijn regelmatig en voorspelbaar, wat nuttig zal zijn voor benchmarking van alle perovskiet-gebaseerde oxide etsen, met name voor fotonische toepassingen. De gemeten AFM-resultaten tonen aan dat de oppervlakteruwigheid beter is na argon-gebaseerde ICP-etsen dan voor. Zowel EDS- als XPS-resultaten tonen aan dat zo'n etsmethode een puur fysiek proces is en geen etsresten worden gevonden op het geetste oppervlak. Enkele redelijke kleine piekverschuivingen na etsen worden waargenomen, maar geen significante prestatiedegradatie van de fotonische apparaten wordt verkregen tijdens het experiment. Een gemeten -3,7 dB/cm TM-verlies bij 1550 nm voor een Z-gesneden LN golgleider valideert ook de geschiktheid van argon-gebaseerde ICP voor perovskiet-oxiden etsen in fotonische apparaatfabrikage.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.

Afkortingen

ICP:

Geïnduceerde gekoppelde plasma's

LN:

Lithium niobaat

BTO:

Bariumtitaan oxide

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

EDS:

Energie-dispersieve röntgenspectroscopie

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

Cr:

Chroom

e-bundel:

Elektronenbundel

DSO:

Dysprosiumscandaat

PLD:

Gepulste laserdepositie

RMS:

Root-mean-square

BE:

Bindingsenergie

Pt:

Platina

Li:

Lithium

Nb:

Niobaat

O:

Zuurstof

C:

Koolstof

Ar:

Argon

Ba:

Barium

Ti:

Titanium

SEM:

Scannende elektronenmicroscopie

FIB:

Focus ionenbundel

TM:

Transversaal magnetisch

TE:

Transversaal elektrisch