Оптимизация аргоновой ICP-травитки перовскитных оксидов для передовых фотонных применений

Аннотация

Проанализирована сухая травка перовскитных оксидов аргоновыми индуктивно связанными плазмами (ICP) для фотонных применений. Продемонстрированы различные камерные условия и их влияние на скорости травки на примере Z-ориентированного ниобата лития (LN). Измеренные результаты предсказуемы и воспроизводимы и применимы к другим перовскитным оксидам, таким как X-ориентированный LN и титанобарат (BTO). Шероховатость поверхности лучше для обеих оттравленных LN и BTO по сравнению с их исходными аналогами, подтвержденная атомно-силовой микроскопией (AFM). Оба метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) использованы для качественного и количественного сравнения поверхностного химического состава, и явных изменений поверхностного состояния не обнаружено по результатам измерений. Оптический волновод, изготовленный оптимизированной аргоновой ICP-травиткой, показал потери −3,7 дБ/см بالقرب 1550 нм длины волны для Z-ориентированного LN, что подтверждает пригодность этого метода для травки перовскитных оксидов в фотонных применениях.

Введение

Кремниевая фотоника пережила огромное развитие в последние десятилетия благодаря низкой стоимости и крупномасштабной интегрируемости [1]. Однако отсутствие эффекта Поккельса ограничивает некоторые применения из-за центросимметричной кристаллической структуры [2]. Перовскитные оксиды, такие как LiNbO₃ (LN) и BaTiO₃ (BTO), поэтому привлекли большое внимание для фотонных применений благодаря их большим эффектам Поккельса [3–10]. Различные LN- и BTO-основанные фотонные устройства демонстрировали превосходную производительность [3–10]. Для таких применений волновод с высоким контрастом показателей преломления является базовым компонентом для света [11]. Традиционно волноводы в LN формировали ионной диффузией [12], что позволяло только низкий контраст показателей преломления и плохой оптический замыкание. Прорыв LN-основанных интегрированных устройств опирается на прямую сухую травку тонких пленок LN [3, 6–10]. Однако до сих пор нет комплексного анализа методов сухой травки LN. С другой стороны, BTO имеет еще более высокий коэффициент Поккельса 1640 пм/В против LN (~30 пм/В) [2], что может поддерживать гораздо лучшие фотонные устройства. Однако напрямую оттравленные BTO-основанные фотонные устройства еще не демонстрировались, вероятно, из-за трудностей травки. Наиболее распространенный метод создания высокоиндексных волноводов в этих материалах в литературе — сначала осаждать слой легко травляемого материала, затем переносить образец на этот слой сухой травкой. Полученный оптический мод лишь частично перекрывается с нижним неоттравленным BTO слоем, снижая производительность; такой метод не может максимизировать эффект Поккельса [4, 5]. Хотя фтор- и хлоридная плазменная травка BTO предлагалась для применений в полупроводниковой памяти [13–15], продукты реакции, которые могут повторно осаждаться на поверхностях и боковых гранях во время травки, снижают пригодность таких химий травки для фотонных применений.

Поэтому в данной рукописи комплексно анализируется аргоновая плазменная ICP-травка перовскитных оксидов LN и BTO. Сравниваются различные факторы и их влияние на скорости травки для LN и BTO. Шероховатость поверхности до и после травки анализируется атомно-силовой микроскопией (AFM). Методы EDS и XPS используются для характеристики изменений поверхностного химического состояния. Наблюдается, что поверхность гораздо гладче без обнаружения остатков травки в обеих оттравленных LN и BTO пробах. На основе оптимизированных условий травки оптические волноводы травлены на Z-ориентированном LN образце, с измеренными потерями −3,7 дБ/см, что подтверждает пригодность аргонового ICP-метода для общей травки перовскитных оксидов в фотонных применениях.

Эксперимент и результаты

Методы

Для аргонового ICP-травильного эксперимента используется Oxford PlasmaPro 100c Cobra 13,56 МГц, схематическая структура травки показана на рис. 1а. Входной газ ионизируется под воздействием временно-вариабельных электромагнитных полей, создаваемых индуктивно связанной катушкой под первым радиочастотным источником (RF_ICP). Сгенерированные плазменные ионы ускоряются вертикально к нижней подложке под смещением напряжения, контролируемым вторым RF источником (RF_bias), подключенным к держателю подложки/электроду. Летучие продукты травки удаляются через вентиляцию. Z-ориентированный LN используется как пример для демонстрации связи между разными процессами условий и скоростью травки; эпитаксиальная структура LN показана на рис. 1б. Толщина верхнего слоя ниобата лития и оксида кремния составляют 700 нм и 2 мкм соответственно. Слой хрома (Cr) толщиной 50 нм сначала осаждается электронно-лучевым (e-beam) испарением на образец для облегчения литографии. Затем около 1 мкм фоторезиста ma-N 1400 наносится центрифугированием на поверхность фотолитографией с лазерным писателем. После проявки и последующей мокрой травки Cr, структурированная структура служит теневой маской для сухой травки. После ICP-травки эта маска снимается в горячем N-метил-2-пирролидоне и травленнем Cr. Глубины признаков до травки, после травки и после снятия теневой маски записываются профилометром поверхности в фиксированных точках, и скорости травки фоторезиста и Z-ориентированного LN рассчитываются соответственно.

Анализ скоростей травки

В эксперименте валидируются четыре фактора: давление в камере, расход газа, смещенная мощность и ICP мощность. Перед каждой травкой выполняется 5-минутная чистоокисидная плазменная обработка для очистки камеры. Во время травки используется только аргон, базовые условия: 5 мТорр давление камеры, 20 ссм расход газа, 150 Вт смещенная мощность и 500 Вт ICP мощность. Измеренные скорости травки Z-ориентированного LN и фоторезиста при разных комбинированных условиях показаны на рис. 2. Из рис. 2а видно, что скорость травки Z-ориентированного LN увеличивается при снижении давления камеры, и увеличение скорости травки Z-ориентированного LN относительно линейно (наклон ~0,95 нм/мин на мТорр снижения давления) и предсказуемо. Следует отметить, что измерение глубины профиля поверхности Z-ориентированного LN более точно, чем фоторезиста, потому что поверхность фоторезиста после травки не так плоска, как Z-ориентированный LN. При более низком давлении случайное столкновидное движение уменьшается, и аргоновые ионы транспортируются более упорядоченно, что объясняет более высокие скорости травки при более низком давлении. Скорость травки линейно растет для Z-ориентированного LN при изменении расхода газа, как показано на рис. 2б, что означает, что больше аргоновой плазмы активируется при большем расходе газа. Наклон скорости травки Z-ориентированного LN составляет ~0,11 нм/мин на единицу ссм увеличения расхода газа, как следует из рис. 2б. И скорость травки Z-ориентированного LN, и фоторезиста увеличиваются при увеличении смещенной и ICP мощности, как видно на рис. 2в, г. Когда ICP мощность всего 100 Вт, мало аргоновых атомов ионизируется, и скорость травки Z-ориентированного LN довольно мала, как на рис. 2г. Больше аргоновых атомов ионизируется при увеличении ICP мощности, что дает более высокие скорости травки. При увеличении смещения скорость ускорения ионов также больше, так как электрическое поле сильнее. И увеличение плазменной плотности, и ускорение ионов дают более высокие скорости травки, что видно на рис. 2в, г. Наклоны составляют ~0,072 и 0,059 нм/мин на Ватт смещенной и ICP мощностей соответственно. Нелинейная кривая скорости травки фоторезиста по отношению к смещенной мощности, вероятно, обусловлена ошибкой измерения из-за неравной поверхности.

На рис. 2а скорость травки 21,87 нм/мин получена при условиях 5 мТорр давления камеры, 20 ссм расхода газа, 150 Вт смещенной мощности и 500 Вт ICP мощности. Примерно 37 нм/мин скорость травки измерена при условиях 10 мТорр давления камеры, 30 ссм расхода газа, 300 Вт смещенной мощности и 700 Вт ICP мощности, что высоко согласуется с расчетными результатами (40,4 нм/с) на основе измеренных данных на рис. 2. Следовательно, можно заключить, что скорость травки Z-ориентированного LN регулярна и предсказуема.

На основе тех же базовых условий (5 мТорр давление камеры, 20 ссм расход газа, 150 Вт смещенная мощность, 500 Вт ICP мощность) проводится аналогичный травки эксперимент с X-ориентированным LN и BTO для изучения влияния давления камеры (как примера разных условий), измеренные данные показаны на рис. 3. X-ориентированный LN здесь — объемный кристалл, тогда как BTO — эпитаксиальный слой, выросший на субстрате диспрозий скандата (DSO) методом пульсированного лазерного осаждения (PLD), структура показана на рис. 1в. При снижении давления камеры скорости травки BTO и X-ориентированного LN увеличиваются, что хорошо согласуется с результатами Z-ориентированного LN. Небольшие различия в наклонах могут быть приписаны небольшим различиям в кристаллическом качестве. Можно заключить, что параметры травки на рис. 2 также широко подходят для перовскитных оксидов типа X-ориентированный LN и BTO.

Анализ поверхностной морфологии

Для оценки потенциальных изменений поверхностной морфологии, вызванных травкой, используется AFM с площадью сканирования \(1\times 1 \mu m^2\). AFM изображения исходных и после травки для Z-ориентированного LN, X-ориентированного LN и BTO показаны на рис. 4. Из рис. 4а, б видно, что оттравленный Z-ориентированный LN имеет почти на порядок более низкую среднеквадратичную (RMS) шероховатость поверхности по сравнению с исходным образцом. Для X-ориентированного LN и BTO та же более гладкая поверхность после травки находится на рис. 4в–г. Несколько большая RMS шероховатость исходного BTO обусловлена исходным качеством роста, так как LN образец — коммерческий продукт, а BTO пленка выросана в нашей лаборатории на субстрате (DSO), который сам по себе может не иметь минимизированной шероховатости. Более низкая RMS шероховатость оттравленного образца может быть attribuирована физическому свойству травки аргоновой плазменной ICP, что делает процесс травки немного похожим на шлифовку/полировку.

Анализ поверхностного состояния

EDS анализ проведен для исходных и оттравленных Z-ориентированного LN, X-ориентированного LN и BTO проб для качественного анализа возможных изменений поверхностного состава, измеренные результаты показаны на рис. 5. Во время измерения Литий (Li), Ниобий (Nb), Кислород (O), Углерод (C), Аргон (Ar) и Хром (Cr) регистрируются для Z- и X-ориентированного LN, как показано на рис. 5а–д, в то время как для BTO пробы анализируются Барий (Ba), Титан (Ti), O, C, Ar и Cr, как на рис. 5е, ж. По сравнению с исходными пробы, никакой значительной разницы в элементном составе не наблюдается на рис. 5. Остаточного аргона в оттравленной зоне нет ни в одной из оттравленных проб, что показывает, что аргоновая плазменная ICP — чисто физический процесс, не вызывающий неожиданных вторичных химических изменений, и продукты реакции травки не образуются.

Для дальнейшего анализа любых изменений поверхностного химического состава проводился XPS анализ. Измерения выполнялись в системе Thermo Fisher Scientific Theta Probe с монохроматическим, микрофокусным Al Kα (1486,6 эВ) рентгеновским источником, XPS спектры записывались при угле обнаружения (q) 50° относительно поверхности образца. Базовое давление аналитической камеры \(5\times 10^{-10}\) мбар. На рис. 6 показаны обзорные XPS спектры Z-ориентированного LN, X-ориентированного LN и BTO проб в диапазоне 0–1000 эВ связывающей энергии (BE). Для Z- и X-ориентированного LN есть Li 1s, Nb 3p_1/2, Nb 3p_3/2, Nb 3d_5/2, Nb 4p_3/2, O 1s и C 1s, как на рис. 6а, б. На рис. 6в есть Ba 4d, Ba 4p_3/2, C 1s, Ti 2p, O 1s, Ba 3d_5/2 и Ba 3d_3/2 для BTO. XPS спектры здесь отсчитываются от BE компонента C–C/C-H пика C 1s спектров в 285,0 эВ [13, 16]. Из рис. 6 видно, что нет большой разницы в обзорных спектрах для исходных и оттравленных проб. Некоторые маленькие пики после травки вызваны незначительным загрязнением при обработке и хранении проб.

Для детальной идентификации химического состояния каждого элемента приобретали и подгоняли высокоразрешающие спектры всех элементов на поверхности после вычитания фонового электронного фона типа Ширли [13]. Результаты подгонки показаны на рис. 7. Рисунок 7а–д — Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s и Ar для Z-ориентированного LN. Для пика Li 1s никаких очевидных изменений нет, как на рис. 7а. По сравнению с исходным образцом, пики Nb 3d_5/2 и O 1s смещаются соответственно на 0,1 и 0,2 эВ в сторону более высоких BE в оттравленном случае, как на рис. 7б, в. Такие малые изменения близки к погрешности измерения и указывают на отсутствие очевидных изменений химического состояния Nb и O. Замечено, что для подгонки O 1s спектра есть два компонентных пика, и основной пик около 530,2 эВ от Nb–O связей. Другой суб-пик около 532,5 эВ можно attribuировать загрязнению, так как он удаляется физическим ударом в вакуумной камере и дает более слабый сигнал [13]. Никакого явного аргонового пика не наблюдается ни в исходных, ни в оттравленных пробах, что подтверждает, что аргоновая ICP-травка не дает остатков травки.

Рисунки 7е–h показывают Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s и Ar для X-ориентированного LN. Вывод аналогичен Z-ориентированному LN. Все пики Li 1s, Nb 3d_5/2 и O 1s смещаются на 0,2 эВ к более высоким BE для оттравленных проб по сравнению с исходными. Для Ar 2p спектра есть один маленький пик в оттравленном образце около 239,0 эВ, который можно attribuировать остаточному аргону. Хотя Ar не будет химически реагировать с оттравляемым материалом, высокоэнергетические ионы будут имплантироваться в оттравленную поверхность во время травки. Такая имплантация ожидается слабой в нашем эксперименте, так как сигнал очень мал, и не вызовет значительного влияния на производительность фотонных устройств.

Рисунок 7i–l показывает Ba 3d, Ti 2p, O 1s и Ar 2p спектры для BTO. На рис. 7i Ba 3d_5/2 исходного образца (нижняя красная линия) можно подогнать двумя пиками при BE 778,7 и 780,0 эВ с соотношением 47%:53%. После травки Ba 3d_5/2 подгоняется двумя пиками при BE 778,8 и 780,1 эВ с соотношением 80%:20%. Сдвига BE не наблюдалось с учетом экспериментальной ошибки (±0,2 эВ). Однако поверхностный оксид был удален травочным процессом из-за изменения соотношения пиков. Для Ti 2p, BE Ti 2p_3/2 до и после травки составляют 458,1 и 458,2 эВ соответственно, что также в пределах экспериментальной ошибки. Для O 1s спектров, до травки можно подогнать двумя пиками с BE 529,4 и 531,4 эВ, приписываемыми BTO и поверхностному загрязнению, с соотношением 45%:55%. После травки BE пиков 529,6 и 531,5 эВ с соотношением 60%:40%, что показывает удаление поверхностного загрязнения. Никакого явного XPS пика от Ar после травки в BTO не наблюдается, что хорошо согласуется с случаями Z- и X-ориентированного LN.

Характеристика оптической производительности и обсуждение

На основе оптимизированного аргонового ICP-метода реализованы Z-ориентированные LN волноводы как пример применения. Волновод частично оттравлен с глубиной травки 420 нм из 700 нм общей толщины, а его ширина спроектирована 4 мкм для легкой литографии. Геометрические размеры волновода определены методом 3D конечных разностей во временной области (FDTD) [17] с учетом как потерь передачи, так и процессной технологии. Верхний LN слой и субстрат изолированы 2 мкм кремниевым оксидом для формирования высокого контраста показателей преломления (показатели преломления LN и SiO₂ соответственно 2,3 и 1,44) для оптического замыкания, как эпитаксия на рис. 1б. Измерены потери распространения ~−3,7 дБ/см с вычетом потерь связи (метод среза) близко к расчетной длине волны 1550 нм для трансверсально-магнитной (TM) поляризованной входной света, как на рис. 8а. Вставка показывает свет, хорошо замыкаемый внутри волновода. Стоит отметить, что есть другие методы характеристики потерь волновода, такие как скользящая призма, резонансы Фабри-Перо и методы рассеянного света [18]. Здесь используется метод среза. На рис. 8б показано SEM изображение оттравленного волновода. Четкие боковые грани подтверждают высокопроизводительный результат травки. Угол боковой грани ~50 градусов, как показывает FIB изображение на рис. 8в. Измеренные потери разумны для TM поляризации (где поле правильно ориентировано для максимизации эффекта Поккельса для Z-ориентации); и больше типичных значений потерь для трансверсально-электрической (TE) поляризованного света в X-ориентированном ниобата лития [3, 6] из-за обычной анизотропии шероховатости боковых граней. Такие потери могут быть улучшены использованием более тонкого верхнего LN слоя [19] и более оптимизированной структуры [3, 6, 20]. Стоит отметить, что нет пост-процесса или добавленного обложения измеренного волновода. Потери таким образом могут быть снижены оптимизацией такой обработки, как в случае с добавлением термического окисления в кремниевых волноводах [20, 21], или с использованием сглаживания газокластерным ионным пучком [22]. В случае BTO сниженный индексный контраст между DSO субстратом и верхним BTO слоем (показатели преломления BTO и DSO соответственно 2,38 и 2,13, определенные призматическим методом связывания) приведет к более плохому световому замыканию даже при более глубокой травке; потери нельзя напрямую сравнить с LN.

По сравнению с типичным методом ионной диффузии [12] для перовскитных оксидов в фотонных применениях, аргоновый ICP, продемонстрированный в этой рукописи, может реализовать компактные и высокопроизводительные интегрированные устройства. Поскольку в этом методе нет продуктов реакции травки, оптическая производительность перовскитного оксидного кристалла не влияется вовсе. Поэтому он, вероятно, превосходит фтор- или хлоридную ICP-травку [13–15], продемонстрированную для других видов применений, таких как полевые транзисторы. ICP установки широко используются в промышленности, поэтому выход предложенного метода будет высоким, если каждый процессный шаг контролируется в небольшом поле погрешности.

Заключение

Подводя итог: аргоновая ICP-травка для перовскитных оксидов подробно продемонстрирована в данной рукописи. Скорости травки и их связи с давлением камеры, расходом газа, смещенной и ICP мощностью проанализированы для Z-ориентированного LN, X-ориентированного LN и BTO. Измеренные результаты регулярны и предсказуемы, что будет полезно для бенчмаркинга всей травки перовскитных оксидов, особенно для фотонных применений. AFM результаты показывают, что шероховатость поверхности лучше после аргоновой ICP-травки, чем до. И EDS, и XPS результаты показывают, что такой метод травки — чисто физический процесс, и остатков травки на оттравленной поверхности не найдено. Некоторые разумные малые сдвиги пиков после травки наблюдаются, но никакого значительного снижения производительности фотонных устройств не получено в эксперименте. Измеренные −3,7 дБ/см TM потери близко к 1550 нм для Z-ориентированного LN волновода также подтверждают пригодность аргонового ICP для травки перовскитных оксидов в изготовлении фотонных устройств.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

ICP:

Индуктивно связанные плазмы

LN:

Ниобат лития

BTO:

Титанобарат

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Cr:

Хром

e-beam:

Электронный луч

DSO:

Диспрозий скандат

PLD:

Пульсированное лазерное осаждение

RMS:

Среднеквадратичное

BE:

Связывающая энергия

Pt:

Платина

Li:

Литий

Nb:

Ниобий

O:

Кислород

C:

Углерод

Ar:

Аргон

Ba:

Барий

Ti:

Титан

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

FIB:

Фокусный ионный луч

TM:

Трансверсально-магнитная

TE:

Трансверсально-электрическая