Optimización del grabado ICP con argón de óxidos perovskita para aplicaciones fotónicas avanzadas

Resumen

Analizamos el grabado en seco de óxidos perovskita usando plasmas acoplados inductivamente (ICP) basados en argón para aplicaciones fotónicas. Se han demostrado diversas condiciones de cámara y sus efectos en tasas de grabado basadas en niobato de litio corte Z (LN). Los resultados medidos son predecibles y repetibles y pueden aplicarse a otros óxidos perovskita, como LN corte X y óxido de bario titanio (BTO). La rugosidad superficial es mejor para tanto LN como BTO grabados comparados con sus contrapartes sin depositar, confirmado por microscopía de fuerza atómica (AFM). Ambos métodos de espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se usaron para comparaciones de componentes químicos superficiales, cualitativas y cuantitativas, y no se observaron cambios obvios de estado superficial según resultados medidos. Una guía de onda óptica fabricada con el grabado ICP optimizado basado en argón se midió con pérdida de -3,7 dB/cm cerca de longitud de onda 1550 nm para LN corte Z, validando este método para grabado de óxidos perovskita en aplicaciones fotónicas.

Introducción

La fotónica de silicio ha experimentado gran desarrollo en décadas recientes debido a su bajo costo e integrabilidad a gran escala [1]. Sin embargo, la falta de efecto Pockels restringe algunas aplicaciones debido a su estructura cristalina centrosimétrica [2]. Óxidos perovskita como LiNbO₃ (LN) y BaTiO₃ (BTO) han recibido gran atención para aplicaciones fotónicas debido a sus grandes efectos Pockels [3,4,5,6,7,8,9,10]. Varios dispositivos fotónicos basados en LN y BTO han sido demostrados con rendimiento superior [3,4,5,6,7,8,9,10]. Para tal aplicación, una guía de onda con alto contraste de índice refractivo es el componente básico para confinamiento de luz [11]. Tradicionalmente, guías de onda se han formado en LN mediante difusión iónica [12], lo que permitió solo bajo contraste de índice refractivo y pobre confinamiento óptico resultante. El avance de dispositivos integrados basados en LN depende del grabado en seco directo de películas delgadas de LN [3, 6,7,8,9,10]. Sin embargo, no hay análisis exhaustivo de métodos de grabado en seco de LN reportado hasta ahora. Por otro lado, BTO tiene un coeficiente Pockels aún mayor de 1640 pm/V que LN (~30 pm/V) [2], que puede soportar dispositivos fotónicos mucho mejores. Sin embargo, dispositivos fotónicos basados en BTO grabados directamente no han sido demostrados aún, probablemente debido a que es difícil de grabar. El método más común de crear guías de onda de mayor índice en estos materiales en literatura es primero depositar una capa de material fácil de grabar, luego transferir el patrón a esta capa mediante grabado en seco. El modo óptico resultante solo se solapa parcialmente con la capa BTO inferior sin grabar, degradando su rendimiento; tal método no puede maximizar su efecto Pockels [4, 5]. Aunque el grabado con plasma basado en flúor y cloruro de BTO se ha propuesto para aplicaciones de memoria semiconductor [13,14,15], productos de reacción que pueden redepositarse en superficies y paredes laterales durante el proceso de grabado reducen la idoneidad de tales químicas de grabado para aplicaciones fotónicas.

Por lo tanto, el grabado ICP basado en plasma de argón de óxidos perovskita LN y BTO se analiza exhaustivamente en este manuscrito. Diferentes factores y su efecto en tasas de grabado se comparan para tanto LN como BTO. La rugosidad superficial antes y después del grabado se analiza mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). Métodos de espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se usan para caracterizar cambios de estado químico superficial. Se observa que la superficie es mucho más suave sin residuos de grabado detectados en ambas muestras LN y BTO grabadas. Basado en condiciones de grabado optimizadas, guías de onda ópticas se graban en una muestra LN corte Z, con pérdida medida de -3,7 dB/cm, validando la idoneidad del método ICP basado en argón para grabado general de óxidos perovskita en aplicaciones de dispositivos fotónicos.

Experimento y resultados

Métodos

Un Oxford PlasmaPro 100c Cobra de 13,56 MHz se usa para el experimento de grabado ICP basado en argón, y una estructura esquemática del grabado se muestra en Fig. 1a. El gas de entrada se ioniza bajo campos electromagnéticos variables en tiempo, producidos por una bobina acoplada inductivamente bajo la primera fuente de radiofrecuencia (RF_ICP). Los iones de plasma generados aceleran verticalmente hacia la oblea inferior bajo voltaje de polarización, controlado por la segunda fuente RF (RF_bias) conectada al portamuestras/electrodo. Los productos volátiles de gas de grabado se descargan a través de una ventilación. LN corte Z se usa como ejemplo para demostrar la relación entre diferentes condiciones de proceso y tasa de grabado; la estructura epitaxial de LN se muestra en Fig. 1b. El espesor de la capa superior de niobato de litio y óxido de silicio son 700 nm y 2 µm, respectivamente. Una capa de cromo (Cr) de 50 nm se deposita primero por evaporación de haz de electrones (e-beam) sobre la muestra para facilitar la litografía. Luego, ~1 µm de fotorresistencia ma-N 1400 se recubre por centrifugado en la superficie por fotolitografía usando escritor láser. Tras revelado y posterior grabado húmedo de Cr, la estructura patrón sirve como máscara sombra para grabado en seco. Tras grabado ICP, esta máscara se remueve en N-metil-2-pirrolidona caliente y grabador de Cr. Profundidades de características antes del grabado, tras el grabado y tras remoción de máscara sombra se registran mediante un perfilómetro de superficie en puntos fijos, y las tasas de grabado de fotorresistencia y LN corte Z se calculan en consecuencia.

Análisis de tasas de grabado

Cuatro factores se validan durante el experimento: presión de cámara, flujo de gas, potencia de polarización y potencia ICP. Antes de cada grabado, un tratamiento de plasma de oxígeno puro de 5 min se realiza para limpieza de cámara. Solo gas argón se usa durante el grabado, y la condición base de grabado es: 5 mTorr presión de cámara, 20 sccm flujo de gas, 150 W potencia de polarización y 500 W potencia ICP. Las tasas de grabado medidas de LN corte Z y fotorresistencia con respecto a diferentes condiciones combinadas se muestran en Fig. 2. Se puede observar en Fig. 2a que la tasa de grabado de LN corte Z aumenta cuando se reduce la presión de cámara, y el aumento en la tasa de grabado de LN corte Z es relativamente lineal (la pendiente es ~0,95 nm/min por mTorr disminución de presión) y predecible. Debe notarse que la medición de profundidad de perfil superficial de LN corte Z es más precisa que con la fotorresistencia, porque la superficie de fotorresistencia tras grabado no es tan plana como LN corte Z. Cuando la presión de cámara es menor, el movimiento de colisión aleatorio se reduce y los iones de argón se transportan de manera más ordenada, lo que explica por qué se observan tasas de grabado más altas bajo menor presión de cámara. La tasa de grabado aumenta linealmente para LN corte Z con respecto a condiciones de flujo de gas, como se muestra en Fig. 2b, lo que significa que más plasma de argón se activa cuando el flujo de gas es mayor. La pendiente de la tasa de grabado de LN corte Z es ~0,11 nm/min por unidad sccm aumento de flujo de gas, como se concluye de Fig. 2b. Tanto la tasa de grabado de LN corte Z como de fotorresistencia aumentan cuando aumentan potencia de polarización e ICP, como se ve en Fig. 2c, d. Cuando la potencia ICP es tan baja como 100 W, pocos átomos de argón se ionizan y la tasa de grabado de LN corte Z es bastante pequeña, como se muestra en Fig. 2d. Más átomos de argón se ionizarán cuando aumente la potencia ICP, resultando tasas de grabado más altas. Con aumento de polarización, la velocidad de aceleración iónica también será mayor ya que el campo eléctrico es más fuerte. Tanto aumento en densidad de plasma como aceleración iónica resultarán en tasas de grabado más altas, lo que se encuentra en Fig. 2c, d. Las pendientes son ~0,072 y 0,059 nm/min por vatio de potencias de polarización e ICP, respectivamente. La curva no lineal de tasa de grabado de fotorresistencia con relación a potencia de polarización es probablemente debido a error de medición resultante de una superficie no plana.

En Fig. 2a, la tasa de grabado 21,87 nm/min se obtiene bajo condiciones de 5 mTorr presión de cámara, 20 sccm flujo de gas, 150 W potencia de polarización y 500 W potencia ICP. ~37 nm/min tasa de grabado se mide con condiciones de 10 mTorr presión de cámara, 30 sccm flujo de gas, 300 W potencia de polarización y 700 W potencia ICP, lo cual es altamente consistente con resultados calculados (40,4 nm/s) basados en datos medidos mostrados en Fig. 2. Por lo tanto, se puede concluir que la tasa de grabado de LN corte Z es regular y predecible.

Basado en las mismas condiciones base (5 mTorr presión de cámara, 20 sccm flujo de gas, 150 W potencia de polarización y 500 W potencia ICP), un experimento de grabado similar involucrando LN corte X y BTO se realiza para examinar el efecto de la presión de cámara (como ejemplo de diferentes condiciones), y los datos medidos se muestran en Fig. 3. El LN corte X usado aquí es un cristal en masa, mientras que BTO es una capa epitaxial crecida en sustrato de escandato de disprosio (DSO) usando deposición láser pulsada (PLD), con estructura mostrada en Fig. 1c. Cuando la presión de cámara se reduce, tanto la tasa de grabado de BTO como LN corte X aumentan, lo que concuerda bien con resultados de LN corte Z. La pendiente ligeramente diferente observada puede atribuirse a pequeñas diferencias en calidad cristalina. Por lo tanto, se puede concluir que los parámetros de grabado en Fig. 2 son también ampliamente adecuados para óxidos perovskita tipo LN corte X y BTO.

Análisis de morfología superficial

Para evaluar posibles cambios de morfología superficial causados por grabado, se usa AFM aquí con área de escaneo 1×1 μm². Imágenes AFM de sin depositar y tras grabado para LN corte Z, LN corte X y BTO se muestran en Fig. 4. Se puede encontrar en Fig. 4a, b que LN corte Z grabado tiene rugosidad cuadrática media (RMS) casi un orden menor comparado con muestra sin depositar. Para LN corte X y BTO, misma superficie más suave tras grabado se encuentra en Fig. 4c–f. La RMS ligeramente mayor para BTO sin depositar se debe a calidad de crecimiento original, ya que la muestra LN es producto comercial y la película BTO se crece en nuestro laboratorio sobre sustrato (DSO) que puede no tener rugosidad superficial minimizada. La menor rugosidad RMS de muestra grabada puede atribuirse a propiedad de grabado físico de ICP basado en plasma de argón, que hace el proceso de grabado un poco como pulido/rectificado.

Análisis de estado superficial

Análisis EDS se realiza para muestras sin depositar y grabadas de LN corte Z, LN corte X y BTO, para analizar cualitativamente posibles cambios de componentes superficiales, y los resultados medidos se muestran en Fig. 5. Durante la medición, Litio (Li), Niobio (Nb), Oxígeno (O), Carbono (C), Argón (Ar) y Cromo (Cr) se registran para LN corte Z y X, como se muestra en Fig. 5a–d, mientras para muestra BTO, Bario (Ba), Titanio (Ti), O, C, Ar y Cr se analizan, como se muestra en Fig. 5e, f. Comparado con muestras sin depositar, no se observa diferencia significativa en constituyentes elementales en Fig. 5. No hay argón residual dentro del área grabada en ninguna de las muestras grabadas, lo que muestra que ICP basado en plasma de argón es puramente un proceso físico sin cambios químicos secundarios inesperados, y no se producen reactivos de grabado.

Para analizarurther cambios de composición química superficial, se realizó análisis XPS. Las mediciones se llevaron a cabo en sistema Thermo Fisher Scientific Theta Probe equipado con fuente de rayos X Al Kα monocromática, microenfocada (1486,6 eV) y espectros XPS se registraron a ángulo de detección (q) de 50, respecto a la superficie de muestra. La presión base de cámara de análisis es 5×10⁻¹⁰ mbar. La Figura 6 muestra espectros de barrido XPS de LN corte Z, LN corte X y BTO muestras rango 0 a 1000 eV energía de enlace (BE). Hay Li 1s, Nb 3p_1/2, Nb 3p_3/2, Nb 3d_5/2, Nb 4p_3/2, O 1s, y C 1s para tanto LN corte Z como X, como se muestra en Fig. 6a, b. En Fig. 6c, hay Ba 4d, Ba 4p_3/2, C 1s, Ti 2p, O 1s, Ba 3d_5/2 y Ba 3d_3/2 para BTO. Los espectros XPS reportados aquí se referencian al BE de componente pico C–C/C-H de espectros C 1s a 285,0 eV [13, 16]. Se puede observar en Fig. 6 que no hay gran diferencia en espectros de barrido para muestras sin depositar y grabadas. Algunos picos pequeños tras grabado son causados por contaminación menor durante procesamiento y almacenamiento de muestra.

Para identificarurther estado químico de cada elemento en detalle, se adquirieron y ajustaron espectros de alta resolución de todos los elementos presentes en superficie tras sustracción de fondo de electrones secundarios tipo Shirley [13]. Los resultados de ajuste se muestran en Fig. 7. Figura 7a a d son Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s y Ar para LN corte Z. No hay cambios obvios para pico de Li 1s, como se muestra en Fig. 7a. Comparado con muestra sin depositar, los picos de Nb 3d_5/2 y O 1s cambian, respectivamente, 0,1 y 0,2 eV hacia BEs más altos en caso grabado, como se muestra en Fig. 7b, c. Tales pequeños cambios están cerca del error de medición e indican que no hay cambio obvio de estado químico para Nb y O. Se nota que hay dos picos componentes para ajuste de espectro O 1s, y el pico principal ~530,2 eV es de enlaces Nb–O. El otro sub-pico ~532,5 eV puede atribuirse a contaminación, ya que es removido por el golpe físico en cámara de vacío y resulta señal más débil [13]. No se observa pico obvio de argón en ambas muestras sin depositar y grabadas, validando que grabado ICP basado en argón resultó en sin residuo de grabado.

Figuras 7e–h muestran Li 1s, Nb 3d_5/2, O 1s y Ar para LN corte X. La conclusión es similar a LN corte Z. Todos los picos de Li 1s, Nb 3d_5/2 y O 1s se desplazan 0,2 eV hacia BEs más altos para muestras grabadas comparadas con sin depositar. Para espectro Ar 2p, hay un pequeño pico en muestra grabada ~239,0 eV, que puede atribuirse a argón residual. Aunque Ar no reaccionará químicamente con material grabado, el ion de alta energía será implantado en superficie grabada durante proceso de grabado. Y tal implantación se espera sea débil en nuestro experimento ya que la señal es tan pequeña, y no causará efecto significativo en rendimiento de dispositivo fotónico.

Figura 7i–l muestran espectros Ba 3d, Ti 2p, O 1s y Ar 2p obtenidos para BTO. En Fig. 7i, Ba 3d_5/2 de muestra sin depositar (línea roja inferior) puede ajustarse a dos picos en BEs 778,7 y 780,0 eV con ratio 47%:53%. Tras grabado, Ba 3d_5/2 se ajusta a dos picos en BEs 778,8 y 780,1 eV con ratio 80%:20%. No se observó desplazamiento BE tras consideración de error experimental (±0,2 eV). Sin embargo, el óxido superficial fue removido debido a proceso de grabado por cambio de ratio de picos. Para Ti 2p, los BEs de Ti 2p_3/2 antes y después de proceso de grabado son 458,1 y 458,2 eV, respectivamente, también dentro de error experimental. Para espectros O 1s, antes de grabado se puede ajustar usando dos picos con BEs 529,4 y 531,4 eV, asignados a BTO y contaminación superficial, con ratio 45%:55%. Tras grabado los BEs de picos son 529,6 y 531,5 eV con ratio 60%:40%, lo que muestra que la contaminación superficial fue removida. No se observa pico XPS obvio de Ar tras grabado en BTO, lo que concuerda bien con casos LN corte Z y X.

Caracterización de rendimiento óptico y discusión

Basado en el método ICP optimizado basado en argón, guías de onda LN corte Z se realizan como aplicación de ejemplo. La guía de onda se graba parcialmente con profundidad de grabado 420 nm de 700 nm espesor total, y su ancho está diseñado a 4 µm para fácil litografía. Las dimensiones geométricas de la guía de onda se determinan basadas en método de diferencias finitas en dominio temporal 3D (FDTD) [17] considerando tanto pérdida de transmisión como tecnología de proceso. La capa superior LN y sustrato se aíslan por 2 µm óxido de silicio para formar alta diferencia de índice refractivo (índices refractivos de LN y SiO₂ son 2,3 y 1,44, respectivamente) para confinamiento óptico, como la epitaxia mostrada en Fig. 1b. Pérdida de propagación ~ -3,7 dB/cm se mide con deducción de pérdida de acoplamiento (método cutback) cerca de longitud de onda diseño 1550 nm para luz de entrada polarizada magnética transversal (TM), como se muestra en Fig. 8a. El inserto muestra luz confinada bien dentro de la guía de onda. Vale notar que hay otros métodos para caracterizar pérdida de guía de onda, como prisma deslizante, resonancias Fabry-Perot y métodos de luz dispersada [18]. El método cutback se usa aquí. Figura 8b muestra imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de guía de onda grabada. Paredes laterales claras validan resultado de grabado de alto rendimiento. El ángulo de pared lateral es ~50 grados, como imagen de haz de iones enfocado (FIB) mostrada en Fig. 8c. La pérdida medida es razonable para polarización TM (donde el campo está correctamente alineado para maximizar efecto Pockels para orientación corte Z); y mayor que valores típicos de pérdida para luz polarizada eléctrica transversal (TE) en niobato de litio corte X [3, 6] debido a la anisotropía usual en rugosidad de paredes laterales. Tal pérdida puede mejorarse usando espesor LN superior más delgado [19] y estructura más optimizada [3, 6, 20]. Vale notar que no hay post-proceso o recubrimiento añadido de la guía de onda medida. La pérdida puede reducirse optimizando tal procesamiento, como en caso de adición de oxidación térmica en guías de onda de silicio [20, 21], o con uso de haz de iones de cluster gas para suavizado [22]. En caso BTO, contraste de índice reducido entre sustrato DSO y capa superior BTO (índice refractivo de BTO y DSO son 2,38 y 2,13, determinados por método de acoplamiento prisma) resultaría en peor confinamiento de luz aunque el grabado sea más profundo; la pérdida no puede compararse directamente con la de LN.

Comparado con el método típico de difusión iónica [12] para óxidos perovskita en aplicaciones fotónicas, el ICP basado en argón demostrado en este manuscrito puede realizar dispositivos integrados compactos y de alto rendimiento. Como no hay productos de reacción de grabado en este método, el rendimiento óptico del cristal de óxido perovskita no se ve afectado en absoluto. Por lo tanto, es probable que sea superior comparado con grabado ICP basado en flúor o cloruro [13,14,15], que se han demostrado para otros tipos de aplicaciones, como transistores de efecto de campo. Máquinas ICP se usan ampliamente en industria, así que el rendimiento del método propuesto será alto si cada paso de proceso se controla dentro de un pequeño margen de error.

Conclusiones

En conclusión, el grabado ICP basado en argón para óxidos perovskita se demuestra en detalle en este manuscrito. Las tasas de grabado y sus relaciones con presión de cámara, flujo de gas, polarización y potencia ICP se analizan en LN corte Z, LN corte X y BTO. Los resultados medidos son regulares y predecibles, lo que será útil para referencia de todo grabado de óxidos basados en perovskita, especialmente para aplicaciones fotónicas. Los resultados AFM medidos muestran que la rugosidad superficial es mejor tras grabado ICP basado en argón que antes. Ambos resultados EDS y XPS muestran que tal método de grabado es un proceso puramente físico y no se encuentra residuo de grabado en superficie grabada. Se observan algunos desplazamientos de picos pequeños razonables tras grabado, pero no se obtiene degradación significativa de rendimiento de dispositivos fotónicos durante el experimento. Una pérdida medida de -3,7 dB/cm TM cerca de 1550 nm para una guía de onda LN corte Z también valida la idoneidad del ICP basado en argón para grabado de óxidos perovskita en fabricación de dispositivos fotónicos.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

ICP:

Plasmas acoplados inductivamente

LN:

Niobato de litio

BTO:

Óxido de bario titanio

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

EDS:

Espectroscopía de rayos X dispersiva en energía

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

Cr:

Cromo

e-beam:

Haz de electrones

DSO:

Escandato de disprosio

PLD:

Deposición láser pulsada

RMS:

Raíz cuadrada media

BE:

Energía de enlace

Pt:

Platino

Li:

Litio

Nb:

Niobio

O:

Oxígeno

C:

Carbono

Ar:

Argón

Ba:

Bario

Ti:

Titanio

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

FIB:

Haz de iones enfocado

TM:

Magnético transversal

TE:

Eléctrico transversal