첨단 포토닉스 응용을 위한 페로브스카이트 산화물의 아르곤 ICP 식각 최적화

요약

아르곤 기반 유도 결합 플라즈마(ICP)를 이용한 페로브스카이트 산화물 건식 식각을 포토닉스 응용 위해 분석하였다. 다양한 챔버 조건과 식각률 영향 Z-컷 리튬 니오베이트(LN) 기반으로 입증. 측정 결과 예측 가능하고 반복 가능하며 X-컷 LN, 바륨 티타늄 산화물(BTO) 등 다른 페로브스카이트 산화물에도 적용 가능. 원자력 현미경(AFM) 확인 결과 식각된 LN과 BTO 표면 거칠기 미식각 대비 향상. 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)과 X선 광전자 분광법(XPS) 모두 표면 화학 성분 비교, 정성적/정량적 분석에 사용, 측정 결과에 따라 명백한 표면 상태 변화 관찰되지 않음. 최적화된 아르곤 기반 ICP 식각으로 제작된 광 도파로 Z-컷 LN에서 1550 nm 근방 파장 -3.7 dB/cm 손실 측정, 이 방법이 포토닉스 응용 페로브스카이트 산화물 식각에 적합함 검증.

서론

실리콘 포토닉스는 저비용, 대규모 집적성으로 최근 수십 년 큰 발전[1]. 그러나 중심대칭 결정 구조로 포켈스 효과 없어 일부 응용 제한[2]. LiNbO₃(LN), BaTiO₃(BTO) 등 페로브스카이트 산화물 큰 포켈스 효과로 포토닉스 응용 큰 관심[3,4,5,6,7,8,9,10]. 다양한 LN, BTO 기반 포토닉 소자 우수 성능 입증[3,4,5,6,7,8,9,10]. 이런 응용 위해 높은 굴절률 대비 도파로 빛 가둠 기본 구성요소[11]. 전통적으로 LN 도파로 이온 확산[12]으로 형성되어 낮은 굴절률 대비, 열악한 광 가둠만 가능. LN 기반 집적 소자 돌파구는 LN 박막 직접 건식 식각에 의존[3, 6,7,8,9,10]. 그러나 지금까지 LN 건식 식각 방법 포괄적 분석 보고 없음. 한편 BTO는 LN(~30 pm/V)보다 더 높은 포켈스 계수 1640 pm/V[2] 가져 훨씬 더 나은 포토닉 소자 지원 가능. 그러나 직접 식각 BTO 기반 포토닉 소자 아직 입증 안됨, 식각 어려움 때문일 수 있음. 문헌에서 이 소재들 고굴절률 도파로 생성 가장 일반적인 방법은 쉽게 식각되는 소재 층 먼저 증착, 건식 식각으로 패턴 이 층 전사. 결과 광 모드만 식각 안된 하부 BTO 층과 부분 중첩, 성능 저하; 이런 방법 포켈스 효과 최대화 못함[4, 5]. 불소, 염화물 기반 플라즈마 식각 BTO 반도체 메모리 응용 제안되었으나[13,14,15], 식각 공정 중 반응 생성물 표면과 측벽 재증착으로 포토닉스 응용 적합성 감소.

따라서 아르곤 플라즈마 기반 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각 페로브스카이트 산화물 LN, BTO 본 원고에서 포괄적 분석. 다양한 요인들과 식각률 영향 LN, BTO 둘 다 비교. 식각 전후 표면 거칠기 원자 힘 현미경(AFM) 분석. 에너지 분산형 X선 분광법(EDS), X선 광전자 분광법(XPS) 표면 화학 상태 변화 특성화 사용. 식각된 LN, BTO 시료 모두 식각 잔류물 검출 안되며 표면 훨씬 매끄러움 관찰. 최적화 식각 조건 기반 Z-컷 LN 시료 광 도파로 식각, -3.7 dB/cm 손실 측정, 아르곤 기반 ICP 방법 일반 페로브스카이트 산화물 식각 포토닉스 응용 적합성 검증.

실험 및 결과

방법

13.56 MHz Oxford PlasmaPro 100c Cobra 아르곤 기반 ICP 식각 실험 사용, 식각 개략 구조 그림 1a. 입력 기체 시변 전자기장 하 이온화, 제1 고주파 소스(RF_ICP) 하 유도 결합 코일 생성. 생성 플라즈마 이온 바이어스 전압 하 수직 하부 웨이퍼 가속, 제2 RF 소스(RF_bias) 기판 홀더/전극 연결 제어. 휘발성 식각 기체 생성물 벤트 통해 배출. Z-컷 LN 다양한 공정 조건과 식각률 관계 입증 예로 사용, LN 에피택시 구조 그림 1b. 상부 리튬 니오베이트 층, 실리콘 산화물 두께 각각 700 nm, 2 µm. 50 nm 크롬(Cr) 층 전자빔(e-beam) 증착으로 시료 상부 증착해 리소그래피 용이화. 약 1 µm ma-N 1400 포토레지스트 레이저 라이터 사용 포토리소그래피로 표면 스핀 코팅. 현상 후 후속 Cr 습식 식각, 패턴 구조 건식 식각 섀도 마스크 역할. ICP 식각 후 이 마스크 뜨거운 N-메틸-2-피롤리돈과 Cr 식각제로 박리. 식각 전, 식각 후, 섀도 마스크 제거 후 특징 깊이 고정 지점서 표면 프로파일러 기록, 포토레지스트와 Z-컷 LN 식각률 그에 따라 계산.

a ICP 공정 개략 구조. 에피택시 구조와 SEM 이미지 b Z-컷 LN, c BTO (Pt, Cr FIB 절단용 보호층으로 증착)

식각률 분석

실험 중 네 요소 검증: 챔버 압력, 기체 유량, 바이어스 파워, ICP 파워. 각 식각 전 5분 순수 산소 플라즈마 처리로 챔버 세정. 식각 중 아르곤 기체만 사용, 기본 식각 조건: 5 mTorr 챔버 압력, 20 sccm 기체 유량, 150 W 바이어스 파워, 500 W ICP 파워. 다양한 결합 조건에 따른 Z-컷 LN, 포토레지스트 측정 식각률 그림 2. 그림 2a에서 챔버 압력 감소 시 Z-컷 LN 식각률 증가, 증가가 상대적 선형(기울기 ~0.95 nm/분 per mTorr 압력 감소) 예측 가능. Z-컷 LN 표면 프로파일 깊이 측정이 포토레지스트보다 정확한데 식각 후 표면 포토레지스트 Z-컷 LN만큼 평탄하지 않기 때문. 챔버 압력 낮을 때 무작위 충돌 운동 감소, 아르곤 이온 더 질서있게 수송되어 더 높은 식각률 관찰 설명 가능. 기체 유량 조건에 대해서도 Z-컷 LN 식각률 선형 증가(그림 2b), 기체 유량 클수록 더 많은 아르곤 플라즈마 활성화 의미. 그림 2b로부터 Z-컷 LN 식각률 기울기 ~0.11 nm/분 per 단위 sccm 기체 유량 증가 결론. 바이어스, ICP 파워 증가 시 Z-컷 LN, 포토레지스트 식각률 모두 증가(그림 2c, d). ICP 파워 100 W 낮을 때 적은 아르곤 원자 이온화, Z-컷 LN 식각률 꽤 작음(그림 2d). ICP 파워 증가 시 더 많은 아르곤 원자 이온화, 더 높은 식각률 결과. 바이어스 증가 시 전기장 강해져 이온 가속 속도도 커짐. 플라즈마 밀도 증가와 이온 가속 모두 더 높은 식각률 결과, 그림 2c, d 확인. 기울기 각각 바이어스, ICP 파워 와트당 ~0.072, 0.059 nm/분. 바이어스 파워 관련 포토레지스트 식각률 비선형 곡선은 평탄하지 않은 표면 측정 오차 때문일 수 있음.

다른 a 압력, b 기체 유량, c 바이어스 파워, d ICP 파워 하 Z-컷 LN, 포토레지스트 식각률

그림 2a에서 5 mTorr 챔버 압력, 20 sccm 기체 유량, 150 W 바이어스 파워, 500 W ICP 파워 조건 21.87 nm/분 식각률 얻음. 10 mTorr 챔버 압력, 30 sccm 기체 유량, 300 W 바이어스 파워, 700 W ICP 파워 조건 약 37 nm/분 측정, 그림 2 측정 데이터 기반 계산 결과(40.4 nm/s)와 고도로 일치. 따라서 Z-컷 LN 식각률 규칙적 예측 가능 결론.

동일 기본 조건(5 mTorr 챔버 압력, 20 sccm 기체 유량, 150 W 바이어스 파워, 500 W ICP 파워) 기반 X-컷 LN, BTO 유사 식각 실험 수행 챔버 압력 효과 예로 조사, 측정 데이터 그림 3. 여기 사용 X-컷 LN 벌크 결정, BTO 펄스 레이저 증착(PLD)으로 디스프로슘 스칸데이트(DSO) 기판上 성장 에피택시 층, 구조 그림 1c. 챔버 압력 감소 시 BTO, X-컷 LN 식각률 모두 증가, Z-컷 LN 결과와 잘 일치. 약간 다른 관찰 기울기 결정 품질 작은 차이 귀속. 따라서 그림 2 식각 매개변수 X-컷 LN, BTO 타입 페로브스카이트 산화물에도 광범위하게 적합 결론.

BTO, Z-컷, X-컷 LN 챔버 압력 관련 식각률 비교 결과

표면 형태 분석

식각 유발 잠재적 표면 형태 변화 평가 위해 AFM 사용, 스캔 영역 \(1\times 1 {\mathrm{\mu m}}^{2}\) 설정. Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 미증착, 식각 후 AFM 사진 그림 4. 그림 4a, b에서 식각된 Z-컷 LN 미증착 시료 대비 거의 1차원 낮은 표면 근방제곱평균(RMS) 거칠기 확인. X-컷 LN, BTO도 그림 4c-f 식각 후 더 매끄러운 표면 확인. 미증착 BTO 약간 더 큰 RMS 거칠기 원성장 품질 때문, LN 시료 상용 제품이나 BTO 박막 우리 실험실 기판(DSO)上 성장, DSO 자체 최소 표면 거칠기 아닐 수 있음. 식각 시료 더 낮은 RMS 거칠기 아르곤 플라즈마 기반 ICP 물리적 식각 특성 때문, 식각 공정 연마/폴리싱 비슷하게 만듦.

AFM 측정 Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 표면 형태 3D 뷰. a 미증착, b 식각 Z-컷 LN. c 미증착, d 식각 X-컷 LN. e 미증착, f 식각 BTO

표면 상태 분석

미증착, 식각 Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 시료 EDS 분석 수행 가능 표면 성분 변화 정성 분석, 측정 결과 그림 5. 측정 중 리튬(Li), 니오베이트(Nb), 산소(O), 탄소(C), 아르곤(Ar), 크롬(Cr) Z-컷, X-컷 LN 기록(그림 5a-d), BTO 시료 바륨(Ba), 티타늄(Ti), O, C, Ar, Cr 분석(그림 5e, f). 미증착 시료 대비 그림 5에서 원소 구성 유의미 차이 관찰 안됨. 식각 영역 내 잔류 아르곤 어느 식각 시료도 없어 아르곤 플라즈마 기반 ICP 순수 물리적 공정으로 예기치 않은 2차 화학 변화 없고 식각 반응물 생성 안됨 나타냄.

측정 EDS 결과. a 미증착, b 식각 Z-컷 LN 시료; c 미증착, d 식각 X-컷 LN 시료; e 미증착, f 식각 BTO 시료

표면 화학 조성 변화 추가 분석 위해 XPS 분석 수행. Thermo Fisher Scientific Theta Probe 시스템, 단색 마이크로포커스 Al K α (1486.6 eV) X선원 장착, 시료 표면 기준 검출 각도(q) 50에서 XPS 스펙트럼 기록. 분석 챔버 기본 압력 \(5\times {10}^{-10}\) mbar. 그림 6 Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 시료 0-1000 eV 결합 에너지(BE) 범위 XPS 서베이 스펙트럼. Z-컷, X-컷 LN Li 1s, Nb 3p_1/2, Nb 3p_3/2, Nb 3d_5/2, Nb 4p_3/2, O 1s, C 1s(그림 6a, b). 그림 6c BTO Ba 4d, Ba 4p_3/2, C 1s, Ti 2p, O 1s, Ba 3d_5/2, Ba 3d_3/2. 여기 보고 XPS 스펙트럼 C 1s 스펙트럼 C-C/C-H 성분 피크 BE 285.0 eV 참조[13, 16]. 그림 6에서 미증착, 식각 시료 서베이 스펙트럼 큰 차이 없음. 식각 후 작은 피크들 시료 처리, 보관 중 미세 오염 때문.

식각 전후 a Z-컷 LN, b X-컷 LN, c BTO XPS 서베이 스펙트럼. 아래(빨강), 위(검정) 선 각각 미증착, 식각 시료

표면 각 원소 화학 상태 상세 식별 위해 고해상도 스펙트럼 모두 획득, Shirley형 2차 전자 배경 감산[13] 후 피팅. 피팅 결과 그림 7. 그림 7a-d Z-컷 LN Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s, Ar. Li 1s 피크 명백 변화 없음(그림 7a). 미증착 대비 Nb 3d_5/2, O 1s 피크 각각 0.1, 0.2 eV 높은 BE 방향 이동(그림 7b, c). 이런 작은 변화 측정 오차 근접, Nb, O 명백 화학 상태 변화 없음 나타냄. O 1s 스펙트럼 피팅 두 성분 피크 존재, 주피크 530.2 eV 근방 Nb-O 결합 기원. 다른 부피크 532.5 eV 근방 오염 귀속, 진공 챔버 물리적 범프로 제거되어 신호 약해짐[13]. 미증착, 식각 시료 모두 명백 아르곤 피크 관찰 안됨, 아르곤 기반 ICP 식각 식각 잔류물 없음 검증.

미증착, 식각 Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 시료 고해상도 스펙트럼. a~d Z-컷 LN Li, Nb, O, Ar. e~h X-컷 LN Li, Nb, O, Ar. i~l BTO Ba, Ti, O, Ar. 각 그림 아래(빨강), 위(검정) 선 각각 미증착, 식각 결과

그림 7e-h X-컷 LN Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s, Ar. 결론 Z-컷 LN 유사. Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s 모든 피크 식각 시료 미증착 대비 0.2 eV 높은 BE 방향 이동. Ar 2p 스펙트럼 식각 시료 239.0 eV 근방 작은 피크 하나, 잔류 아르곤 귀속 가능. Ar 식각 소재와 화학 반응 안하나 고에너지 이온 식각 공정 중 식각 표면 이식될 수 있음. 이런 이식 실험서 약할 것으로 예상 신호 작음, 포토닉 소자 성능 유의미 영향 안줄 것.

그림 7i-l BTO 획득 Ba 3d, Ti 2p, O 1s, Ar 2p 스펙트럼. 그림 7i 미증착 시료(아래 빨강 선) Ba 3d_5/2 BE 778.7, 780.0 eV 두 피크 피팅, 비율 47%:53%. 식각 후 Ba 3d_5/2 BE 778.8, 780.1 eV 두 피크 피팅, 비율 80%:20%. 실험 오차(±0.2 eV) 고려 후 BE 이동 관찰 안됨. 그러나 식각 공정 표면 산화물 피크 비율 변화로 제거됨. Ti 2p 식각 전후 Ti 2p_3/2 BE 각각 458.1, 458.2 eV, 실험 오차 내. O 1s 스펙트럼 식각 전 529.4, 531.4 eV BE 두 피크 피팅, BTO, 표면 오염 할당, 비율 45%:55%. 식각 후 피크 BE 529.6, 531.5 eV 비율 60%:40% 표면 오염 제거 나타냄. 식각 후 BTO 명백 XPS Ar 피크 관찰 안됨, Z-컷, X-컷 LN 케이스와 잘 일치.

광학 성능 특성화 및 토의

최적화된 아르곤 기반 ICP 방법 기반 Z-컷 LN 도파로 예시 응용 구현. 도파로 부분 식각, 700 nm 총 두께 중 420 nm 식각 깊이, 폭 4 µm 리소그래피 용이 설계. 도파로 기하 치수 3D 유한차분 시간영역(FDTD)법[17] 투과 손실, 공정 기술 고려 후 결정. 상부 LN 층, 기판 2 µm 실리콘 산화물로 격리 고굴절률 차이(LN, SiO₂ 굴절률 각각 2.3, 1.44) 광 가둠 형성, 에피택시 그림 1b 참조. 결합 손실 공제(컷백법) 후 1550 nm 설계 파장 근방 횡자기(TM) 편광 입력광 -3.7 dB/cm 전파 손실 측정(그림 8a). 인셋 빛 도파로 내 잘 가둠 보임. 도파로 손실 특성화 다른 방법들 존재: 슬라이딩 프리즘, 파브리-페로 공명, 산란광 법[18]. 여기 컷백법 사용. 그림 8b 식각된 도파로 주사전자현미경(SEM) 이미지. 명확한 측벽 고성능 식각 결과 검증. 측벽 각도 약 50도, 포커스 이온 빔(FIB) 그림 8c 표시. 측정된 손실 TM 편광(필드 Z-컷 방향 포켈스 효과 최대화 정렬) 합리적; 횡전기(TE) 편광 X-컷 리튬 니오베이트 일반 손실값보다 큼[3, 6] 측벽 거칠기 이방성 때문. 이런 손실 더 얇은 상부 LN 두께[19], 더 최적화 구조[3, 6, 20]로 개선 가능. 측정된 도파로 후공정이나 추가 클래딩 없음 주목. 열산화 실리콘 도파로[20, 21], 가스 클러스터 이온 빔 평탄화[22] 등 공정 최적화로 손실 감소 가능. BTO 경우 DSO 기판, 상부 BTO 층 간 감소된 굴절률 대비(BTO, DSO 굴절률 프리즘 결합법 결정 각각 2.38, 2.13) 식각 더 깊어도 열악한 광 가둠 결과, 손실 LN과 직접 비교 불가.

a 식각 Z-컷 LN 도파로 측정 손실. (삽입 그림 측정 중 벤드 도파로 내 빛 투과 보여줌.) b 식각 도파로 SEM 사진. c 도파로 단면 FIB 사진

포토닉스 응용 페로브스카이트 산화물 전형적 이온 확산법[12] 대비 본 원고 입증 아르곤 기반 ICP 콤팩트 고성능 집적 소자 구현 가능. 이 방법 식각 반응 생성물 없어 페로브스카이트 산화물 결정 광학 성능 전혀 영향 안줌. 따라서 불소, 염화물 기반 ICP 식각[13,14,15] 대비 우월할 것, 타 응용 예: 전계 효과 트랜지스터 입증. ICP 장비 산업계 널리 사용, 제안 공정 각 단계 작은 오차 범위 내 제어 시 수율 높을 것.

결론

결론적으로 페로브스카이트 산화물 아르곤 기반 ICP 식각 본 원고 상세 입증. 식각률과 챔버 압력, 기체 유량, 바이어스, ICP 파워 관계 Z-컷 LN, X-컷 LN, BTO 분석. 측정 결과 규칙적 예측 가능, 모든 페로브스카이트 기반 산화물 식각 벤치마킹, 특히 포토닉스 응용 유용. AFM 측정 결과 아르곤 기반 ICP 식각 후 표면 거칠기 식각 전보다 향상. EDS, XPS 결과 이런 식각법 순수 물리적 공정, 식각 표면 식각 잔류물 없음. 식각 후 합리적 작은 피크 이동 관찰되나 실험 중 포토닉 소자 성능 유의미 저하 없음. 1550 nm 근방 Z-컷 LN 도파로 -3.7 dB/cm TM 손실 측정도 아르곤 기반 ICP 페로브스카이트 산화물 식각 포토닉 소자 제작 적합성 검증.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.

약어

ICP:

유도 결합 플라즈마 (Inductively coupled plasmas)

LN:

리튬 니오베이트 (Lithium niobate)

BTO:

바륨 티타늄 산화물 (Barium titanium oxide)

AFM:

원자 힘 현미경 (Atomic force microscopy)

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

XPS:

X선 광전자 분광법 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy)

Cr:

크롬 (Chrome)

e-beam:

전자빔 (Electron beam)

DSO:

디스프로슘 스칸데이트 (Dysprosium scandate)

PLD:

펄스 레이저 증착 (Pulsed laser deposition)

RMS:

근방제곱평균 (Root-mean-square)

BE:

결합 에너지 (Binding energy)

Pt:

백금 (Platinum)

Li:

리튬 (Lithium)

Nb:

니오베이트 (Niobate)

O:

산소 (Oxygen)

C:

탄소 (Carbon)

Ar:

아르곤 (Argon)

Ba:

바륨 (Barium)

Ti:

티타늄 (Titanium)

SEM:

주사전자현미경 (Scanning electron microscopy)

FIB:

포커스 이온 빔 (Focus ion beam)

TM:

횡자기 (Transverse magnetic)

TE:

횡전기 (Transverse electric)