吳玉航,楊忠華,孟雪飛,宋澤乾,劉 文,羅文博2,,張萬里2,

(1.重慶郵電大學 光電工程學院,重慶 400065;2.電子科技大學 重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術研究院,重慶 401332;3.電子科技大學 電子科學與工程學院,四川 成都 611731)

0 引言

絕緣體上鈮酸鋰薄膜(LNOI)具有優(yōu)異的電光、聲光[1]和非線性光學特性[2],可用于制造集成光學器件,如電光調(diào)制器、開關矩陣及光譜分析儀[3-4]。LNOI脊形光波導是制造集成光學器件最基本的單元,脊形微結構參數(shù)的控制等對波導和器件性能有重要的影響[5]。

為了制備出優(yōu)良的脊形微結構,需要對LNOI薄膜進行刻蝕,目前最普遍的方法是濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕的基礎是HF和硝酸的混合物[6],但由于刻蝕速率低、刻蝕的各向異性差和刻蝕過程的自動化程度低,很難在鈮酸鋰形成深垂直結構[7]。如谷珍杰等[8]利用濕法刻蝕工藝實現(xiàn)了刻蝕速率3 nm/min,并制備出刻蝕傾角65°的脊型結構。傳統(tǒng)的干法刻蝕方法(如等離子刻蝕及濺射刻蝕等)刻蝕速度慢[9],刻蝕周期長[10],刻蝕表面粗糙[11]。如Park W J等[12]利用等離子體干法刻蝕技術制備出表面粗糙度(RMS)20.56 nm、刻蝕傾角67°的脊形結構。電感耦合等離子體(ICP)刻蝕是利用氣體輝光放電產(chǎn)生的高密度等離子體轟擊材料表面的刻蝕技術。與傳統(tǒng)反應離子刻蝕(RIE)技術相比,ICP系統(tǒng)有2個射頻單元,可獨立控制等離子體密度和離子能量,實現(xiàn)高刻蝕速率和高各向異性。如Osipov A A等[13]利用ICP-RIE技術制備出刻蝕速率80 nm/min、刻蝕傾角70°的脊形結構。因此,通過研究ICP刻蝕工藝可獲得在高刻蝕速率條件下的大角度、低粗糙度的脊形結構。

本文研究了利用ICP刻蝕LNOI形成脊形微結構的工藝,分析了不同條件下的刻蝕工藝與脊形微觀結構參數(shù)的關系,制定了基于電感耦合等離子體刻蝕方法的LNOI優(yōu)化工藝參數(shù),為制作低損耗波導和集成光學器件提供了有力支撐。

1 實驗

本文采用X切鈮酸鋰(LN)(500 nm)/SiO2(2 000 nm)/ Si(0.2 mm)的LNOI進行工藝研究。如圖1所示,采用標準工藝清洗LNOI后,在薄膜表面旋涂光刻膠,通過曝光顯影形成脊形結構圖形。通過磁控濺射在LN表面沉積80 nm厚的金屬Cr膜,再經(jīng)剝離工藝(lift-off)去除多余的光刻膠并進行Cr掩模圖形化,最后將準備好的LN薄膜放入摻有SF6與Ar混合氣體體積比為1∶1的刻蝕機進行刻蝕。

圖1 脊形微結構刻蝕工藝流程

本文采用牛津儀器刻蝕機(ICP,PlasmaPro-100)對LNOI薄膜進行刻蝕。ICP刻蝕實驗參數(shù)如表1所示。選擇ICP功率1 000 W,RIE功率100 W、150 W、200 W,壓強0.798 Pa以及氣體總流量10 cm3/min、15 cm3/min、20 cm3/min、25 cm3/min、30 cm3/min、35 cm3/min、40 cm3/min、50 cm3/min、60 cm3/min、70 cm3/min、80 cm3/min、90 cm3/min進行刻蝕工藝的研究。

表1 ICP刻蝕實驗參數(shù)

刻蝕后,通過掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7500F) 觀測ICP刻蝕后單晶鈮酸鋰薄膜的截面,采用原子力顯微鏡(AFM,Park Systems-XE7) 測量刻蝕后脊形結構的表面形貌。研究了ICP不同條件對刻蝕速率、表面粗糙度(RMS)和刻蝕傾角的影響,以便獲得更好的深度和光滑的刻蝕結構。

2 實驗結果與討論

2.1 壓強對刻蝕速率的影響

本文首先研究了腔室中不同壓強對LNOI刻蝕速率的影響。圖2為其他參數(shù)相同條件下,分別在0.798 Pa、1.502 9 Pa壓強下刻蝕5 min的深度分析結果。

圖2 不同壓強對脊形微結構的影響

由2圖可看出,當壓強為1.502 9 Pa,刻蝕深度僅為43 nm,刻蝕速率為8.6 nm/min;而壓強為0.798 Pa時,刻蝕深度為138 nm,刻蝕速率為27.6 nm/min。在刻蝕過程中,反應室中的壓力對基板表面的離子轟擊強度[4]影響顯著。若腔室壓強過高,將影響SF6和Ar的擴散能力,離子濃度減小,導致離子自由程和能量減少,阻礙刻蝕的進行,致使刻蝕速率減小。在低壓條件下,離子自由程增加,物理反應增強,此時腔室內(nèi)排氣速度快,有利于在刻蝕過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)離開鈮酸鋰表面,刻蝕速率更快。

2.2 氣體總流量對刻蝕的影響

實驗中,SF6與Ar的氣體體積比固定為1∶1。圖3(a)為不同氣體總流量對刻蝕速率的影響規(guī)律。由圖可知,氣體總流量的增加可提高刻蝕速率,其原因是放電的氟自由基量增加及產(chǎn)生的含氧性揮發(fā)性化合物增多。

圖3 不同氣體總流量對脊形微結構的影響

圖3(b)為不同氣體總流量對刻蝕傾角的影響。由圖可看出,隨著氣體總流量的增加,刻蝕傾角會逐漸減小,其原因是隨著流量增加,刻蝕過程中非揮發(fā)性抑制劑LiF產(chǎn)物增多,附著在脊形結構側壁,阻礙了側壁的進一步刻蝕,隨著刻蝕時間的延長,該現(xiàn)象越明顯。

為了進一步檢驗脊形結構微觀參數(shù)與氣體總流量的關系,采用原子力顯微鏡對刻蝕后的LNOI脊形結構表面進行粗糙度(RMS)分析。如圖3(c)～(f)所示。由圖可知,氣體總流量增大可降低刻蝕后器件的表面粗糙度(RMS)。其原因是隨著氣體總流量增大,LN表面的原子和分子被偏置功率加速的離子濺射而脫離樣品表面,使表面的LiF化合物被徹底去除。

2.3 RIE功率對刻蝕的影響

圖4(a)為RIE功率對LNOI刻蝕速率的影響。由圖可看出,RIE功率增加可提高刻蝕速率,其原因是更高的RIE功率將導致更高的電流偏壓和更高的離子能量,能對鈮酸鋰刻蝕面產(chǎn)生更強的離子轟擊和更有效的鍵斷,從而提高了刻蝕速率。

增加RIE功率也會影響刻蝕的各向異性。圖4(b)為RIE功率對刻蝕傾角的影響規(guī)律。由圖可看出,RIE功率增加可增大刻蝕傾角,在RIE為250 W時刻蝕傾角可達89°。

對比圖4(c)～(f)可看出,RIE功率對表面粗糙度(RMS)的影響規(guī)律。圖中數(shù)據(jù)表明RIE功率增大會使粗糙度(RMS)變差。其原因是RIE功率越高,電離產(chǎn)生的強離子轟擊的抑制劑和刻蝕殘留物越多,導致表面更粗糙。

2.4 LNOI的優(yōu)化工藝

本文通過對RIE功率、氣體總流量及壓強等刻蝕參數(shù)來探究工藝參數(shù)對LNOI刻蝕的影響規(guī)律。綜合考慮后選擇腔室壓強為0.798 Pa,ICP功率為1 000 W,RIE功率為150 W,SF6流量為20 cm3/min,Ar流量20 cm3/min,刻蝕10 min。如圖5所示,在相對較高的氣體流量和優(yōu)化的蝕刻條件下得到了刻蝕速率為24.9 nm/min,刻蝕傾角為76°,表面粗糙度為0.716 nm,刻蝕深度為249 nm的脊形結構。圖5(b)為刻蝕后樣品的截面形貌。

圖5 LNOI脊形微結構圖像

3 結束語

本文研究了SF6和Ar電感耦合等離子體刻蝕脊形微結構的制備工藝,通過對LNOI脊形結構的微觀參數(shù)表征,獲得了刻蝕傾角為76°,表面粗糙度(RMS) 為0.416 nm,刻蝕深度為249 nm的脊形微結構。結果表明,在ICP刻蝕LNOI脊形結構中,物理反應起主要作用,而化學反應只是輔助作用。在選擇刻蝕參數(shù)時,選擇較低的壓強可增加腔室內(nèi)排氣速度,以此來提高刻蝕速率。同時,適當增加RIE功率會帶來更高的電流偏壓和更高的離子能量,可增大側壁的陡直度。另外,選擇合適的刻蝕氣體類型和輔助氣體,能有效去除沉積物,提高鈮酸鋰表面的光滑度。本文研究結果對LNOI集成光學器件結構的制備提供了一定的參考及借鑒意義。