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)。
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
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。
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。
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
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。
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
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。