薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)ICP刻蝕工藝研究

楊千澤 張鴻舉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所 重慶市 400060）

鈮酸鋰具有優(yōu)良的電光系數(shù)、寬波長(zhǎng)透明范圍、高本征帶寬，在集成光學(xué)及非線性光學(xué)器件領(lǐng)域具有特別重要且廣泛的應(yīng)用。鈮酸鋰可用于制作多種集成光學(xué)器件，例如電光調(diào)制器，光開關(guān)，光放大器，集成激光增益/轉(zhuǎn)換組件等。傳統(tǒng)鈮酸鋰光波導(dǎo)通過(guò)鈦擴(kuò)散及退火質(zhì)子交換技術(shù)制備，具有損耗低、性能穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其具有的一些弱點(diǎn)，比如光模場(chǎng)面積較大、電光重疊系數(shù)較小，不滿足光電子芯片小型化、集成化發(fā)展需求。近年新發(fā)展的LNOI材料厚度僅有幾百納米，折射率差大，可使光模場(chǎng)面積小于1平方微米，彎曲半徑小于10微米，提升了電光調(diào)制效率，為傳統(tǒng)LN芯片的小型集成化及性能提升開辟了嶄新的技術(shù)途徑，是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

LNOI光波導(dǎo)是構(gòu)建LNOI集成器件及光路的基本單元。LNOI材料的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，襯底為Si，中間為SiO，頂層為薄膜LN材料。而基本的LNOI光波導(dǎo)為脊型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，上包層為空氣，下包層為SiO，芯層與包層折射率差大，對(duì)光場(chǎng)限制作用強(qiáng)。

圖1：LNOI材料

圖2：LNOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

制備脊型光波導(dǎo)，需要對(duì)LNOI進(jìn)行刻蝕加工，最常用的有濕法腐蝕及干法刻蝕。濕法腐蝕采用HF和HNO的混合溶液，腐蝕速率低，且屬于各向同性腐蝕，不適宜刻蝕亞微米的波導(dǎo)圖形。干法刻蝕相比濕法刻蝕具有高度可控以及高度各項(xiàng)異性的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在LNOI微加工中。目前，LNOI干法刻蝕方法主要有激光微加工，聚焦離子束（FIB）銑刻，磁中性環(huán)路（NLD）等離子體刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕（RIE），感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕技術(shù)等。ICP由于其較其他方法具有控制精度高，大面積刻蝕均勻性好，刻蝕速率快，各向異性好、刻蝕損傷小，波導(dǎo)側(cè)壁垂直度高等優(yōu)點(diǎn)，在LNOI波導(dǎo)制備中獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。

本文對(duì)ICP刻蝕LNOI所用的掩膜及氣體，氣體總流量、ICP/RIE功率、反應(yīng)室壓力等參數(shù)對(duì)刻蝕速率、刻蝕面粗糙度、脊波導(dǎo)側(cè)壁角度的影響進(jìn)行了研究，綜合考慮確定工藝參數(shù)，制作出LNOI脊型光波導(dǎo)。

1 LNOI脊波導(dǎo)制備流程

LNOI脊波導(dǎo)的制作過(guò)程如圖3所示，采用的是X切LNOI基片，LN薄膜厚度600nm。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝后，涂覆負(fù)性光刻膠，采用電子束光刻系統(tǒng)光刻出直波導(dǎo)圖形，蒸發(fā)金屬薄膜，去膠剝離后，采用ICP設(shè)備刻蝕基片，最后濕法腐蝕掉剩余金屬掩膜。

圖3：LNOI脊波導(dǎo)的制作過(guò)程

2 LNOI脊波導(dǎo)刻蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刻蝕掩膜選擇

LN是一種很難刻蝕的材料，ICP制備LNOI精細(xì)圖形時(shí)，首先涉及掩膜的問(wèn)題，早期使用光刻膠、鋁、鎳等作為掩膜，但這些材料的選擇比均較低。金屬鉻的莫氏硬度高達(dá)9，僅次于鉆石，是硬度最高的金屬材料，即使等離子體轟擊能量高，也能顯示出很高的耐刻蝕性。此外，與其他金屬相比，鉻做掩膜的波導(dǎo)表面更好，而且其可用腐蝕液輕松移除。因此，選擇鉻作為刻蝕掩膜。

2.2 刻蝕氣體選擇

LN晶體堅(jiān)硬難刻蝕，通常僅能采用含氟氣體進(jìn)行刻蝕，這是由于含氟刻蝕氣體等離子化后，其中氟自由基可與LN中的Nb及Li元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分別產(chǎn)生NbF和LiF。其中NbFX的熔點(diǎn)較低，易揮發(fā)，而LiF的熔點(diǎn)較高，相對(duì)不容易揮發(fā)，較容易重淀積?；瘜W(xué)反應(yīng)氣體如CHF，CF，CF和SF等氟基氣體可用于刻蝕LNOI。采用CF氣體刻蝕LNOI，發(fā)現(xiàn)具有黃褐色的沉淀物生成，清洗后刻蝕表面異常粗糙，這是由于含碳?xì)庠丛诳涛g過(guò)程中容易產(chǎn)生難揮發(fā)碳基聚合物。SF電離分解的F自由基較多，反應(yīng)速率較快，且工藝過(guò)程沒(méi)有碳基聚合物生成，制程較為潔凈，因此選用SF作為氟自由基產(chǎn)生氣體。

當(dāng)用SF刻蝕LNOI時(shí)，刻蝕后LN表面有灰黑色物質(zhì)。六氟化硫刻蝕，硫元素不會(huì)參與生成難揮發(fā)聚合物，為了確定物質(zhì)成分，采用X射線衍射儀（XRD）對(duì)樣品表面進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明灰黑色物質(zhì)為氧化鈮NbO，而非難揮發(fā)的LiF?；瘜W(xué)反應(yīng)優(yōu)先生成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的生成物，離子化合物的能量取決于離子鍵鍵能，鍵能越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。Li的原子半徑小于Nb,Li離子和F離子電負(fù)性差值比Nb離子和F離子的電負(fù)性差值大，離子鍵鍵能更大，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此當(dāng)氟離子與LN進(jìn)行化學(xué)刻蝕時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成LiF，當(dāng)反應(yīng)生成物較少，反應(yīng)室壓力小真空度高的情況下，刻蝕生成物L(fēng)iF完全能夠被真空系統(tǒng)抽走，而Nb原子與O原子在刻蝕層內(nèi)部重整生成NbO。NbO對(duì)刻蝕質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，除了本身灰黑色不透光外，電光性能等完全異于LN，因此必須想辦法消除。

為了消除NbO，可采取的辦法是添加附加氣體，分析有作用的是Ar氣。Ar是惰性氣體，等離子體化后對(duì)LN進(jìn)行物理輔助刻蝕，Ar離子不僅能直接刻蝕LN，而且能物理轟擊去除SF化學(xué)刻蝕的各種生成物L(fēng)iF，NbO等，提高刻蝕速率，改善刻蝕表面粗糙度。但我們現(xiàn)有的設(shè)備不具備同時(shí)提供SF及Ar的條件，因此又對(duì)可選擇的其他附加氣體，包括O及H進(jìn)行了嘗試，O無(wú)效果，原因很明顯，氧離子肯定無(wú)法分解本身即為氧化物的NbO。而采用SF/H刻蝕，當(dāng)隨著H流量的逐漸加大，LN表面顏色從灰黑色逐漸變淡直至透明，H對(duì)NbO具有明顯的去除作用。這是因?yàn)镠等離子化后H離子與F離子結(jié)合生成HF，而NbO易于與HF反應(yīng)生成NbF與HO，都易于揮發(fā)被抽走。因此LNOI的刻蝕氣體采用SF/H混合氣體。

2.3 SF6/H2混合氣體流量比確定

當(dāng)ICP功率為1500W，RIE功率為150W，反應(yīng)室氣體壓力為6mTorr，SF流量為7.5sccm，刻蝕時(shí)間為5min，而H流量從0逐步增大到3sccm。隨著H流量的增大，芯片表面顏色逐漸變淡，當(dāng)H流量為1.5sccm，芯片表面已完全透明。采用原子力顯微鏡測(cè)試刻蝕表面粗糙度，隨著H流量的增大，粗糙度變好，如圖4所示，H流量為1.5sccm時(shí)，粗糙度RMS值大小為1.90nm，流量繼續(xù)增大，粗糙度變化很小。因此SF與H的流量比值確定為5:1。

圖4：H2與SF6流量比對(duì)粗糙度的影響

2.4 氣體總流量、ICP功率、RIE功率、反應(yīng)室壓力對(duì)刻蝕速率、粗糙度、側(cè)壁角度的影響

刻蝕速率、粗糙度、側(cè)壁角度的影響因素有氣體總流量、ICP功率、RIE功率、反應(yīng)室壓力等工藝參數(shù)，分別進(jìn)行了研究。

圖5顯示了氣體總流量對(duì)刻蝕速率的影響，SF與H的比列固定在5:1,ICP功率、RIE功率、反應(yīng)室壓力參數(shù)固定為1500W、150W、6mTorr。能夠看出，氣體總流量對(duì)刻蝕速率有很大的影響。總體上，刻蝕速率隨氣體總流量增大而增大，這是由于隨著氣體流量變大，為了維持反應(yīng)室壓力不變，真空泵抽速加快，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)基片表面的等離子體數(shù)量增加。

圖5：氣體總流量對(duì)刻蝕速率的影響

氣體流量也對(duì)刻蝕的各向異性，以及粗糙度有顯著影響，隨著氣體流量的增大，側(cè)壁角度變差，粗糙度變差。這是由于，隨著流量加大，刻蝕速率變快，難揮發(fā)性LiF產(chǎn)物增多，無(wú)法完全被真空系統(tǒng)抽走，重淀積在脊波導(dǎo)側(cè)壁及芯片表面，阻止刻蝕的進(jìn)行，導(dǎo)致側(cè)壁角度及表面粗糙度變差。

當(dāng)RIE功率為150W，SF流量為7.5sccm，H流量為1.5sccm，反應(yīng)室壓力為6mTorr，ICP功率從1000W增大到2000W?？涛g速率隨著ICP的功率增大而增大，如圖6所示。增大ICP功率，反應(yīng)室內(nèi)等離子體密度增加，隨著氣體分子被電離占比提高，電離難度逐漸變大，等離子密度增加變緩且趨于飽和。在流量較小的情況下，ICP功率大于1000W后，大部分已被電離，所以刻蝕速率變化量較小。

圖6：ICP功率對(duì)刻蝕速率的影響

ICP功率對(duì)側(cè)壁角度及粗糙度的影響與氣體流量對(duì)它們的影響具有相似的規(guī)律與原理，但在氣體流量較小，ICP功率超過(guò)1000W的情況下，由于電離程度接近飽和，影響不明顯。

當(dāng)ICP功率為1500W，SF流量為7.5sccm，H流量為1.5sccm，反應(yīng)室壓力為6mTorr，RIE功率從50W增大到150W。隨著RIE功率增加，刻蝕速率變快，如圖7所示。RIE功率變大，直接導(dǎo)致直流偏置電壓變大，等離子速度、能量變大，等離子體轟擊作用以及對(duì)LN晶體的斷鍵能力增強(qiáng)，刻蝕速率變快。

圖7：RIE功率對(duì)刻蝕速率的影響

RIE功率小時(shí)，等離子轟擊能量小，鈮酸鋰難刻蝕，刻蝕均勻性差，導(dǎo)致粗糙度差。RIE功率同樣影響刻蝕的各向異性。隨著RIE功率增大，側(cè)壁角度變大。

當(dāng)ICP功率為1500W，RIE功率為150W，SF流量為7.5sccm，H流量為1.5sccm，腔體壓力從6mTorr增大到15mTorr，刻蝕速率隨壓力增大而減小，如圖8所示。在壓力小時(shí)，等離子體的自由程大，相互之間碰撞概率小，能量損失小，方向性強(qiáng)，刻蝕反應(yīng)強(qiáng)，同時(shí)當(dāng)壓力小時(shí)，反應(yīng)腔排氣速度快，有利于反應(yīng)產(chǎn)物被迅速抽走。當(dāng)壓力變大時(shí)，等離子體之間自由程變短，碰撞概率變大，能量損失變大，方向一致性變差，導(dǎo)致刻蝕速率變小。

圖8：反應(yīng)室壓力對(duì)刻蝕速率的影響

反應(yīng)室壓力增大，粗糙度及側(cè)壁角度均變差，這是由于隨著反應(yīng)室壓力變大，真空度變差，反應(yīng)室排氣速度變慢，刻蝕生成物L(fēng)iF無(wú)法完全被真空系統(tǒng)抽走，重淀積現(xiàn)象加劇，造成粗糙度及側(cè)壁角度變差。

2.5 LNOI的優(yōu)化刻蝕工藝

綜合考慮氣體總流量、ICP/RIE功率、反應(yīng)室壓力對(duì)刻蝕速率、表面粗糙度、側(cè)壁角度的影響，選擇較小的氣體流量，較大的ICP/RIE功率，較小的反應(yīng)室壓力組合，氣體總流量為9sccm，ICP功率為1500W，RIE功率為150W，反應(yīng)室壓力為6mTorr，刻蝕時(shí)間為10.5min，刻蝕速率為33.2nm/min，粗糙度RMS值為1.90nm，刻的LNOI脊型波導(dǎo)深度為349nm，側(cè)壁角度為75°。脊波導(dǎo)掃描電子顯微鏡圖片如圖9所示。

圖9：LNOI脊波導(dǎo)掃描電子顯微鏡圖片

3 結(jié)論

本文先對(duì)ICP刻蝕LNOI所用掩膜及刻蝕氣體進(jìn)行了研究，選用莫氏硬度高達(dá)9的鉻金屬作為掩膜。用XRD測(cè)試了SF刻蝕后芯片表面灰黑色物質(zhì)為NbO，采用流量比為5:1的混合氣體SF/H刻蝕能夠解決此問(wèn)題。然后研究了氣體總流量、ICP/RIE功率、反應(yīng)室壓力對(duì)刻蝕速率、表面粗糙度、側(cè)壁角度的影響。小的氣體總流量，大的RIE功率有助于改善粗糙度及側(cè)壁角度，小的反應(yīng)室壓力有助于反應(yīng)產(chǎn)物的快速及時(shí)抽走，得到優(yōu)化的刻蝕參數(shù)：ICP功率為1500W，RIE功率為150W，SF/H氣體流量比為5:1，氣體總流量為9sccm，反應(yīng)室壓力為6mToor。刻蝕速率為33.2nm/min，刻蝕表面粗糙度RMS值為1.90nm，刻的LNOI脊型波導(dǎo)深度為349nm，側(cè)壁角度為75°?；诒狙芯?，ICP刻蝕工藝在LNOI集成光學(xué)芯片制作中具有廣泛的應(yīng)用前景。