포토닉스 애플리케이션을 위한 아르곤 유도 결합 플라즈마를 사용한 페로브스카이트 산화물 에칭 분석

실험 및 결과

방법

13.56MHz Oxford PlasmaPro 100c Cobra는 아르곤 기반 ICP 식각 실험에 사용되었으며 식각의 개략적인 구조는 그림 1a와 같다. 입력 가스는 첫 번째 무선 주파수 소스(RF_ICP ). 생성된 플라즈마 이온은 두 번째 RF 소스(RF_bias)에 의해 제어되는 바이어스 전압 하에서 하단 웨이퍼를 향해 수직으로 가속됩니다. ) 기판 홀더/전극에 연결됩니다. 휘발성 에칭 가스 제품은 벤트를 통해 배출됩니다. Z-cut LN은 다양한 공정 조건과 에칭 속도 간의 관계를 입증하기 위한 예로 사용됩니다. LN 에피택시 구조는 그림 1b에 나와 있습니다. 상단 리튬 니오베이트 층과 실리콘 산화물의 두께는 각각 700nm와 2μm입니다. 50nm 크롬(Cr) 층이 전자빔(e-빔) 증발에 의해 먼저 샘플에 증착되어 리소그래피를 용이하게 합니다. 그런 다음 레이저 라이터를 사용하여 포토리소그래피로 표면에 약 1μm의 ma-N 1400 포토레지스트를 스핀 코팅합니다. 현상 및 후속 Cr 습식 에칭 후, 패턴화된 구조는 건식 에칭을 위한 섀도우 마스크 역할을 합니다. ICP 에칭 후 이 마스크는 뜨거운 N-메틸-2-피롤리돈과 Cr 에칭액으로 벗겨집니다. 에칭 전, 에칭 후, 섀도우 마스크 제거 후의 피처 깊이가 표면 프로파일러를 통해 고정된 지점에서 기록되고 이에 따라 포토레지스트 및 Z-컷 LN의 에칭 속도가 계산됩니다.

아 ICP 프로세스의 도식적 구조. b의 에피택시 구조 및 SEM 이미지 Z-컷 LN 및 c 실험에 사용된 BTO(FIB 절단을 위한 보호층으로 Pt와 Cr이 증착됨)

에칭 비율 분석

실험 중에 챔버 압력, 가스 유량, 바이어스 전력 및 ICP 전력의 네 가지 요소가 검증되었습니다. 각 에칭 전에 챔버 세척을 위해 5분의 순수 산소 플라즈마 처리가 수행됩니다. 에칭 중에는 아르곤 가스만 사용되며 기본 에칭 조건은 5mTorr 챔버 압력, 20sccm 가스 흐름, 150W 바이어스 전력 및 500W ICP 전력입니다. Z-cut LN과 포토레지스트의 측정된 식각율은 서로 다른 결합 조건에 대해 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a에서 챔버 압력이 감소하면 Z-cut LN의 식각률이 증가하고 Z-컷 LN 에칭 속도의 증가는 비교적 선형이며(기울기는 mTorr 압력 감소당 약 0.95nm/min임) 예측 가능합니다. 에칭 후 표면 포토레지스트가 Z-컷 LN만큼 평평하지 않기 때문에 Z-컷 LN의 표면 프로파일 깊이 측정은 포토레지스트보다 더 정확합니다. 챔버 압력이 더 낮을 때 무작위 충돌 운동이 감소하고 아르곤 이온이 더 질서 있게 수송되는데, 이는 더 낮은 챔버 압력에서 더 높은 에칭율이 관찰되는 이유를 설명할 수 있습니다. 에칭 속도는 그림 2b와 같이 가스 흐름 조건과 관련하여 Z-컷 LN에 대해 선형으로 증가합니다. 이는 가스 흐름이 더 클 때 더 많은 아르곤 플라즈마가 활성화됨을 의미합니다. Z-컷 LN 에칭 속도의 기울기는 그림 2b에서 결론지을 수 있는 것처럼 단위 sccm 가스 흐름 증가당 약 0.11nm/min입니다. 그림 2c, d에서 볼 수 있는 것처럼 바이어스와 ICP 전력이 증가하면 Z-컷 LN과 포토레지스트의 식각 속도가 모두 증가합니다. ICP 전력이 100W만큼 낮으면 그림 2d와 같이 아르곤 원자가 거의 이온화되지 않고 Z-cut LN의 에칭 속도가 매우 작습니다. ICP 전력이 증가하면 더 많은 아르곤 원자가 이온화되고 따라서 더 높은 에칭 속도가 발생합니다. 바이어스가 증가하면 전기장이 강할수록 이온 가속 속도도 빨라집니다. 플라즈마 밀도의 증가와 이온 가속은 모두 그림 2c, d에서 볼 수 있는 더 높은 에칭 속도를 초래합니다. 기울기는 바이어스 및 ICP 전력의 와트당 약 0.072 및 0.059nm/min입니다. 바이어스 전력과의 관계에 따른 포토레지스트 식각률의 비선형 곡선은 아마도 평평하지 않은 표면으로 인한 측정 오류 때문일 것입니다.

다른 a에서 Z-컷 LN 및 포토레지스트의 에칭 속도 압력, b 가스 흐름, c 바이어스 전력 및 d ICP 전원

그림 2a에서 21.87nm/min 에칭 속도는 5mTorr 챔버 압력, 20sccm 가스 흐름, 150W 바이어스 전력 및 500W ICP 전력 조건에서 얻어집니다. 약 37nm/min의 에칭 속도는 10mTorr 챔버 압력, 30sccm 가스 흐름, 300W 바이어스 전력 및 700W ICP 전력 조건에서 측정되었으며, 이는 측정 데이터를 기반으로 계산된 결과(40.4nm/s)와 매우 일치합니다. 따라서, Z-cut LN의 에칭율은 규칙적이고 예측 가능하다고 결론지을 수 있다.

동일한 기본 조건(5mTorr 챔버 압력, 20sccm 가스 흐름, 150W 바이어스 전력 및 500W ICP 전력)을 기반으로 X-cut LN 및 BTO를 포함하는 유사한 에칭 실험을 수행하여 챔버 압력의 영향을 조사합니다. (여러 조건의 예), 측정 데이터는 그림 3에 나와 있습니다. 여기에 사용된 X-컷 LN은 벌크 결정인 반면 BTO는 펄스를 사용하여 디스프로슘 스캔데이트(DSO) 기판에서 성장한 에피택셜 층입니다. 그림 1c와 같은 구조의 레이저 증착(PLD). 챔버 압력이 감소하면 BTO 및 X-컷 LN의 에칭 속도가 모두 증가하여 Z-컷 LN 결과와 잘 일치합니다. 약간 다른 관찰된 기울기는 결정 품질의 작은 차이에 기인할 수 있습니다. 따라서 그림 2의 에칭 매개변수는 페로브스카이트 산화물 유형 X-컷 LN 및 BTO에도 광범위하게 적합하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

BTO, Z-cut 및 X-cut LN에 대한 챔버 압력에 대한 에칭 속도 비교 결과

표면 형태 분석

에칭으로 인한 잠재적인 표면 형태 변화를 평가하기 위해 여기에서 스캔 영역을 \(1\times 1 {\mathrm{\mu m}}^{2}\)로 설정한 AFM이 사용됩니다. Z-cut LN, X-cut LN 및 BTO에 대한 증착 후 및 에칭 후의 AFM 사진이 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4a, b에서 에칭된 Z-cut LN이 거의 1차수를 갖는다는 것을 알 수 있습니다. 증착된 샘플과 비교하여 더 낮은 표면 RMS(제곱 평균 제곱근) 거칠기. X-컷 LN 및 BTO의 경우 에칭 후 동일한 매끄러운 표면을 그림 4c-f에서 찾을 수 있습니다. 증착된 상태의 BTO에 대한 약간 더 큰 RMS 거칠기는 원래 성장 품질 때문입니다. LN 샘플은 상용 제품이고 BTO 필름은 자체적으로 표면 거칠기가 최소화되지 않을 수 있는 기판(DSO)에서 당사 실험실에서 성장하기 때문입니다. 에칭된 샘플의 낮은 RMS 거칠기는 아르곤 플라즈마 기반 ICP의 물리적 에칭 특성에 기인할 수 있으며, 이는 에칭 프로세스를 약간 연마/연마와 유사하게 만듭니다.

AFM으로 측정한 Z-cut LN, X-cut LN 및 BTO의 표면 형태에 대한 3D 보기. 아 예치 및 b 에칭된 Z-컷 LN. ㄷ 예치 및 d 에칭된 X-컷 LN. 이 예치금 및 f 에칭된 BTO

표면 상태 분석

EDS 분석은 증착 및 식각된 Z-cut LN, X-cut LN 및 BTO 샘플에 대해 수행되어 가능한 표면 성분 변화를 정성적으로 분석하고 측정 결과는 그림 5에 나와 있습니다. 측정 중 리튬 (Li), Niobate(Nb), 산소(O), 탄소(C), 아르곤(Ar) 및 크롬(Cr)은 그림 5a-d에 표시된 것처럼 Z-컷 및 X-컷 LN에 대해 기록됩니다. BTO 샘플의 경우 그림 5e, f와 같이 Barium(Ba), Titanium(Ti), O, C, Ar 및 Cr이 분석됩니다. 증착된 샘플과 비교하여 원소 성분의 큰 차이는 그림 5에서 관찰되지 않습니다. 에칭된 샘플의 에칭된 영역 내에 잔류 아르곤이 없습니다. 이는 아르곤 플라즈마 기반 ICP가 순수한 물리적 프로세스임을 보여줍니다. 예상치 못한 2차 화학적 변화를 일으키지 않으며 에칭 반응물이 생성되지 않습니다.

측정된 EDS 결과입니다. 아 예치금 및 b 에칭된 Z-컷 LN 샘플; ㄷ 보증금으로 d 에칭된 X-컷 LN 샘플; 이 보증금으로 f 에칭된 BTO 샘플

표면 화학 조성 변화에 대한 추가 분석을 위해 XPS 분석을 수행했습니다. 측정은 단색의 미세 초점 Al K \(\alpha\) (1486.6 eV) X선 소스가 장착된 Thermo Fisher Scientific Theta Probe 시스템에서 수행되었으며 XPS 스펙트럼은 50°의 검출각(q)에서 기록되었습니다. , 샘플 표면에 대해. 분석 챔버의 기본 압력은 \(5\times {10}^{-10}\) mbar입니다. 그림 6은 0~1000eV 결합 에너지(BE) 범위의 Z-컷 LN, X-컷 LN 및 BTO 샘플의 XPS 조사 스펙트럼을 보여줍니다. Li 1 s, Nb 3p_1/2가 있습니다. , Nb 3p_3/2 , Nb 3d_5/2 , Nb 4p_3/2 그림 6a, b와 같이 Z-컷 LN 및 X-컷 LN 모두에 대해 , O 1 s 및 C 1 s. 그림 6c에는 Ba 4d, Ba 4p_3/2가 있습니다. , C 1 s, Ti 2p, O 1 s, Ba 3d_5/2 및 Ba 3d_3/2 BTO를 위해. 여기에 보고된 XPS 스펙트럼은 285.0eV에서 C 1 s 스펙트럼의 C–C/C-H 성분 피크의 BE를 참조합니다[13, 16]. Fig. 6에서 증착된 시료와 식각된 시료의 조사 스펙트럼에 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 에칭 후 일부 작은 피크는 샘플 처리 및 보관 중 사소한 오염으로 인해 발생합니다.

a의 XPS 조사 스펙트럼 Z-컷 LN, b X-컷 LN 및 c 에칭 전후의 BTO. 하단(빨간색) 및 상단(검정색) 선은 증착 및 에칭된 샘플을 나타냅니다.

각 원소의 화학적 상태를 더 자세히 식별하기 위해 표면에 나타난 모든 원소의 고해상도 스펙트럼을 획득하고 Shirley-형 2차 전자 배경 빼기 후에 피팅했습니다[13]. 피팅 결과는 그림 7에 나와 있습니다. 그림 7a ~ d는 Li 1 s, Nb 3d_5/2입니다. , Z-컷 LN의 경우 O 1 s 및 Ar. 그림 7a와 같이 Li 1 s의 피크에는 뚜렷한 변화가 없습니다. 증착된 샘플과 비교하여 Nb 3d_5/2의 피크 및 O 1 s는 그림 7b, c에 표시된 것처럼 에칭된 케이스에서 더 높은 BE를 향해 각각 0.1 및 0.2 eV씩 변경됩니다. 이러한 작은 변화는 측정 오차에 가깝고 Nb 및 O에 대한 명백한 화학적 상태 변화가 없음을 나타냅니다. O 1 스펙트럼을 맞추기 위한 두 가지 구성 요소 피크가 있으며 530.2eV 주변의 주요 피크는 Nb에서 나온 것입니다. -O 채권. 532.5eV 주변의 다른 하위 피크는 오염으로 인한 것일 수 있습니다. 진공 챔버의 물리적 범프에 의해 제거되어 신호 강도가 약해지기 때문입니다[13]. 증착된 샘플과 에칭된 샘플 모두에서 명백한 아르곤 피크가 관찰되지 않았으며, 이는 아르곤 기반 ICP 에칭이 에칭 잔류물을 초래하지 않았음을 입증합니다.

증착 및 에칭된 Z-컷 LN, X-컷 LN 및 BTO 샘플에 대한 고해상도 스펙트럼. 아 d까지 Z-컷 LN에 대한 Li, Nb, O, Ar을 나타냅니다. 이 –h X-컷 LN에 대한 Li, Nb, O, Ar을 나타냅니다. 나 l에게 BTO의 Ba, Ti, O, Ar을 나타냅니다. 하단(빨간색) 및 상단(검정색) 선은 모든 단일 사진에서 증착 및 에칭된 결과를 나타냅니다.

그림 7e–h는 Li 1 s, Nb 3d_5/2를 보여줍니다. , X-cut LN의 경우 O 1 s 및 Ar. 결론은 Z-cut LN과 유사합니다. Li 1 s의 모든 피크, Nb 3d_5/2 그리고 O 1 s는 증착된 샘플과 비교하여 에칭된 샘플에 대해 더 높은 BE 쪽으로 0.2 eV를 이동합니다. Ar 2p 스펙트럼의 경우 에칭된 샘플에 약 239.0eV의 작은 피크가 하나 있는데, 이는 잔류 아르곤에 기인할 수 있습니다. Ar은 식각된 물질과 화학적으로 반응하지 않지만 식각 과정에서 고에너지 이온이 식각된 표면에 주입됩니다. 그리고 이러한 주입은 신호가 매우 작기 때문에 우리 실험에서 약할 것으로 예상되며 광자 장치 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것입니다.

그림 7i–l은 BTO에 대해 얻은 Ba 3d, Ti 2p, O 1 s 및 Ar 2p 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 7i에서 Ba 3d_5/2 증착된 상태의 샘플(하단 빨간색 선)은 778.7 및 780.0eV의 BE에서 2개의 피크에 47%:53% 비율로 맞출 수 있습니다. 에칭 후 Ba 3d_5/2 778.8 및 780.1eV의 BE에서 2개의 피크에 80%:20% 비율로 맞춰집니다. 실험 오차(± 0.2 eV)를 고려한 후 BE 이동이 관찰되지 않았습니다. 그러나 피크비 변화에 따른 에칭 공정으로 인해 표면 산화물이 제거되었다. Ti 2p의 경우 Ti 2p_3/2의 BE 에칭 공정 전후는 각각 458.1 및 458.2 eV이며, 이는 역시 실험 오차 범위 내에 있습니다. O 1 s 스펙트럼의 경우 에칭 전에 BTO 및 표면 오염에 할당된 529.4 및 531.4 eV의 BE가 있는 두 개의 피크를 45%:55% 비율로 사용하여 맞출 수 있습니다. 에칭 후 피크의 BE는 60%:40%의 비율로 529.6 및 531.5 eV이며, 이는 표면 오염이 제거되었음을 보여줍니다. Z-컷 및 X-컷 LN 경우와 잘 일치하는 BTO에서 에칭 후 Ar에서 명백한 XPS 피크가 관찰되지 않습니다.

광학 성능 특성화 및 토론

최적화된 아르곤 기반 ICP 방법을 기반으로 Z-컷 LN 도파관이 예제 응용 프로그램으로 구현됩니다. 도파관은 전체 두께 700nm 중 420nm의 식각 깊이로 부분 식각되었으며, 리소그래피가 용이하도록 너비가 4µm로 설계되었습니다. 도파관의 기하학적 치수는 전송 손실과 공정 기술을 모두 고려한 후 3D FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법[17]을 기반으로 결정됩니다. 상단 LN 레이어와 기판은 2µm 실리콘 산화물로 분리되어 높은 굴절률 차이(LN 및 SiO₂의 굴절률)를 형성합니다. 그림 1b에 표시된 에피택시와 같이 광 가둠용으로 각각 2.3 및 1.44)입니다. 약 -3.7dB/cm의 전파 손실은 그림 8a와 같이 횡자기(TM) 편광 입력광의 설계 파장 1550nm 부근에서 결합 손실(컷백 방법)을 뺀 값으로 측정됩니다. 삽입된 그림은 도파관 내부에 잘 갇힌 빛을 보여줍니다. 슬라이딩 프리즘, Fabry-Perot 공명 및 산란광 방법과 같은 도파관 손실을 특성화하는 다른 방법이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다[18]. 여기서 컷백 방법이 사용됩니다. 그림 8b는 에칭된 도파관의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다. 투명한 측벽은 고성능 에칭 결과를 검증합니다. 측벽 각도는 그림 8c에 표시된 FIB(초점 이온 빔) 사진과 같이 약 50도입니다. 측정된 손실은 TM 편광(Z-컷 방향에 대한 Pockels 효과를 최대화하기 위해 필드가 올바르게 정렬된 경우)에 대해 합리적입니다. 측벽 거칠기의 일반적인 이방성으로 인해 X-컷 리튬 니오베이트[3, 6]에서 횡방향 전기(TE) 편광에 대한 일반적인 손실 값보다 큽니다. 이러한 손실은 더 얇은 상부 LN 두께[19]와 보다 최적화된 구조[3, 6, 20]를 사용하여 개선할 수 있습니다. 측정된 도파관의 사후 처리 또는 추가된 클래딩이 없다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 따라서 실리콘 도파관[20, 21]에 열 산화를 추가하거나 가스 클러스터 이온 빔 평활화[22]를 사용하는 경우와 같이 이러한 처리를 최적화하여 손실을 줄일 수 있습니다. BTO의 경우 DSO 기판과 상부 BTO 층 사이의 감소된 굴절률 대비(프리즘 커플링 방법에 의해 결정된 BTO 및 DSO의 굴절률은 각각 2.38 및 2.13임)는 에칭에도 불구하고 더 나쁜 광 제한을 초래할 것입니다. 더 깊다; 손실은 LN의 손실과 직접 비교할 수 없습니다.

아 에칭된 Z-컷 LN 도파관의 측정된 손실. (삽입된 사진은 측정 시 굴곡 도파관 내부에서 투과되는 빛을 보여줍니다.) b 에칭된 도파관의 SEM 사진. ㄷ 도파관 단면의 FIB 사진

포토닉스 응용 분야에서 페로브스카이트 산화물에 대한 일반적인 이온 확산 방법[12]과 비교하여 이 원고에서 시연된 아르곤 기반 ICP는 소형 및 고성능 통합 장치를 실현할 수 있습니다. 이 방법은 식각 반응 생성물이 없기 때문에 페로브스카이트 산화물 결정의 광학 성능에 전혀 영향을 미치지 않습니다. 따라서 전계 효과 트랜지스터와 같은 다른 종류의 응용 분야에서 입증된 불소 또는 염화물 기반 ICP 에칭[13,14,15]에 비해 우수할 수 있습니다. ICP 기계는 산업계에서 널리 사용되기 때문에 모든 공정 단계가 작은 오차 범위 내에서 제어된다면 제안된 방법의 수율이 높을 것입니다.