Trockenätzen von InP Based Materials mit hoher Dichte mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) von Oxford Instruments Plasmatechnik

Behandelte Themen

Hintergrund
Einführung
Die induktiv gekoppeltem Plasma (ICP)-Tool
InP basierende Material Etching
High Rate Ätzen von Waveguide und Spiegelfacette
InP Grating Ätzen oder Shallow Etching
InP Photonic Crystal (PHC) Radierung
InP Via Hole Etching
InP / InGaP / AlInP Red LED und Solarzellenätzen
InP Mikrolinsen Etching
Zusammenfassung

Hintergrund

Oxford Instruments Plasmatechnik bietet eine Reihe von High Performance, flexible Werkzeuge zur Halbleiterfertigung Kunden in Forschung und Entwicklung und Produktion. Wir spezialisieren uns auf drei Hauptbereiche:

• Ätzen
  • RIE, ICP, DRIE, RIE / PE, Ion Beam
• Ablagerung
  • PECVD, ICP-CVD-, Nanofab, ALD, PVD, IBD
• Wachstum
  • HVPE, Nanofab

Einführung

Trockenätzen ist nun weit verbreitet in der Herstellung von optoelektronischen und elektronischen Geräten mit III-V-Materialien, durch die Notwendigkeit einer sorgfältigen Kontrolle der kritischen Dimensionen der eingesetzten Komponenten. Schnelle Ätzraten, Reproduzierbarkeit, Homogenität, saubere Chemie, Höhenprofil, sind gering Gerät beschädigen einige der begehrtesten Aspekte der Ätzprozess. Mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) Ätzen eignet sich ideal für diese Anforderungen geeignet, da es eine hohe Ionendichte bietet, daher schnell Ätzraten, während gleichzeitig separate Steuerung der Ionendichte und Ionenenergie, was eine niedrige Schaden-Fähigkeit.

Oxford Instruments Plasmatechnik (OIPT) hat eine breite Palette von ICP Ätzprozessen für III-V-Halbleitern auf diese Anforderungen entwickelt.

In diesem Artikel werden wir uns auf Ätzverfahren für InP und verwandten Materialien konzentrieren, über verschiedene Ätz-Chemie-und Systemanforderungen für unterschiedliche Anwendungen und ein Update der neuesten neues Verfahren entwickelt Ergebnisse.

Die induktiv gekoppeltem Plasma (ICP)-Tool

Das System für diese Prozesse verwendet wird der Oxford Instruments Plasmatechnik Plasmalab System 100 ICP Radierer (OIPT CS1-Hardware) . Eine schematische Darstellung der Ätzkammer ist in Abbildung 1 dargestellt und das gesamte System ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Plasmalab System100 ICP180 Werkzeug

Abbildung 2 Plasmalab System 100 ICP180

HF-Leistung (13,56 MHz) ist sowohl mit dem ICP-Quelle (bis 3000Watts) und Substrat-Elektrode (bis zu 600Watts), um die etch Plasma zu erzeugen angewendet. Eine elektrostatische Abschirmung um die ICP Rohr wird verwendet, um sicherzustellen, dass die ICP-Leistung rein induktiv gekoppelt ist (dh "true-ICP"), also die Beseitigung Sputtern von Rohrmaterial und Minimierung unnötiger energiereichen Ionen Schäden an Geräten. Ion Energie auf das Substrat wird durch die Messung der DC-Bias auf die untere Elektrode erzeugten überwacht und wird hauptsächlich durch die HF-Leistung geliefert, diese Elektrode gesteuert.

Die Wafer werden in die Kammer über eine Schleuse, um eine gute Stabilität der Kammer Vakuum und damit Wiederholbarkeit der Ätzergebnisse halten geladen.

Die Wafer geätzt sind entweder mechanisch oder elektrostatisch eingespannt, um die Temperatur-gesteuerte unteren Elektrode. Helium Druck auf der Rückseite des Wafers eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem Futter und der Wafer liefern angewendet. Soweit erforderlich, kleinere Proben werden auf 4 "Silicon Wafer Carrier mit einem thermisch leitenden Klebstoff befestigt.

Die Plasmalab System100 ICP hat die Kontrolle über Substrattemperatur auf Genauigkeit von ± 1 ° C über einen Temperaturbereich von - 5 ° C bis +400 ° C, durch den Einsatz von elektrischen Heizelementen und ein Kühlmittel zirkuliert Schaltung. Dies kann bis -150 erweitert werden ° C bis +400 ° C mit der Zugabe einer Lieferung von flüssigem Stickstoff. Untergrundtemperatur hat einen deutlichen Einfluss auf die etch Ergebnis, wie es die Volatilität des etch Arten kontrolliert und damit Einfluss auf die chemische Komponente des Prozesses, die nicht nur Ätzrate, der Selektivität und Profil, sondern auch Oberflächenrauhigkeit. Das System kann über einen Druckbereich von 1mT zu 100mt ermöglicht eine genaue Kontrolle Prozesskammer betrieben werden.

InP basierende Material Etching

High Rate Ätzen von Waveguide und Spiegelfacette

Für die hohe Rate Ätzen von Spiegelfacette und Wellenleiter sind die wichtigsten Anforderungen schnell Ätzraten bis in Tiefen von bis zu 10 um und 5 um jeweils steuerbare Ätztiefe, stark anisotrope Profil, kein Ausklinken bei vergrabenen Schichten aus InGaAsP (oder ähnlich), und glatt Seitenwände und geätzte Oberfläche.

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ Chemie ist die beliebteste Verfahren für diese Art von Anwendung. Wenn die Temperatur des Wafers erlaubt ist, zu erhöhen in der Nähe von 200 ° C wird die Ätzrate der häufig verwendeten CH ₄ / H ₂ Prozess erhöht, jedoch wird profile Kontrolle schwierig wegen der erhöhten unterboten. Die Zugabe von Cl ₂ zu dieser Mischung kann stark anisotrope Ätzung Profile, aufgrund der geringen Volatilität der InCl _x. Dies erlaubt daher ein genaues Profil Kontrolle durch Anpassung der CH ₄ / Cl _{2-Verhältnis.} Etch von> 1.5μm/min und Selektivitäten von> 15:1 bis SiO ₂ oder SiN _x-Masken erreicht werden kann. Abbildung 3 zeigt eine 10 um tief Spiegelfacette geätzt mit dieser Chemie.

Tabelle 1. CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ Prozess-Performance Zusammenfassung

Abbildung 3. InP basierende Material geätzt mit CH ₄ / H ₂ / Cl _2-Verfahren. Etch von> 1.5μm/min und Selektivität von> 15: erreicht.

Diese Chemie hat den Vorteil, dass es eine breite Palette von Materialien ätzt, dh solche, die In, P, Ga, As, Al, Sb etc, mit geringer Selektivität (~ 0.5-1:1) untereinander, haben somit geätzt Profile keine Ausklinken an Grenzflächen zwischen Materialien. Es produziert auch weniger Polymer Verunreinigung als die CH ₄ / H ₂ Chemie aufgrund der geringeren CH _4-Gehalt von diesem Prozess und viel schneller Ätzrate. Es ist keine zusätzliche Wafer Heizung erforderlich, da die InP Waferbackend allein durch die hohe Dichte Plasma selbst erhitzt wird. Mit genaue Kontrolle der Plasma-Parameter ist die Wiederholbarkeit des Prozesses besser als ± 3% und kein Wafer Spannen ist nicht erforderlich.

Diese Technik ermöglicht die Stapelverarbeitung für hohen Durchsatz Produktion Anwendungen, zB 4x2 "-Wafer pro Lauf geladen, da die Wafer können einfach auf einer Trägerplatte Ruhe und müssen nicht einzeln geklemmt werden und Helium gekühlt. Eine weitere Variante dieses Verfahrens ist die CH ₄ / Ar / Cl ₂ Chemie, die hat auch gezeigt, dass hervorragende Ergebnisse etch mit dieser Ätzkammer produzieren.

Doch oft die Anforderungen der Produktion zu diktieren, dass die Kammer bleiben müssen so sauber wie möglich, idealerweise ohne Polymer Abscheidung, selbst auf Kosten des Etch-Anisotropie und Seitenwand Glätte, wenn nötig. Dies erfordert, dass der Prozess nicht enthalten CH _4. Ein gemeinsamer Ansatz ist es, eine Cl ₂ basiert Ätzchemie mit einem beheizten Elektrode (≥ 150 ° C, um wirksam zu entfernen InClx etch Produkt aus der Wafer-Oberfläche) zu verwenden.

Genaue Wafer Temperaturregelung ist für diesen Prozess zu empfehlen. Wenn die Probe zu heiß wird die InCl _x 'verdampft' von der Oberfläche einfach und damit produziert unterboten. Auf der anderen Seite, bei einer zu niedrigen Temperatur InClx ist nichtflüchtigen was zu langsamen Ätzraten, geringe Selektivität und Oberflächenrauhigkeit. Oft N ₂ wird hinzugefügt, um die physische Komponente der Ätzung zu erhöhen und die Oberfläche zu passivieren und senkt damit die Rauheit und die Verbesserung Profil kontrollieren. Ätzraten von> 1 pm / min und Selektivität zu SiO ₂ von> 10:1 erreicht wurden mit diesem Verfahren. Abbildung 4 zeigt ein typisches 5 um tief etch führen. Dies ist ein H ⁺ frei Prozess, der weniger Schäden an Gerät geben, da H ⁺ bildet häufig eine Passivierungsschicht auf die geätzte Oberfläche dieses Geräts beeinträchtigen können.

Abbildung 4. Cl ₂ / N ₂ geätzt Wellenleiter

Die CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ und Cl ₂ / N ₂ aufgeführten Verfahren können auch eingesetzt werden, um Geräte Tafelberge zu schaffen, mit entweder vertikal oder schräg Profile von entsprechend anzupassen Prozessparameter erreicht werden.

Eine alternative Technik, die Verarbeitung ermöglicht bei niedrigen Temperaturen von ca. 100-150 ° C ist die Verwendung von HBr Chemie, da die etch Produkt InBrx flüchtig wird bei einer niedrigeren Temperatur als InClx. Abbildung 5 zeigt eine typische 5 um tief etch Ergebnis bei einer Ätzrate von 0.8μm/min und einer Selektivität von> 10:1 bis SiO _2. Auch hier ist eine gute Temperaturregelung empfohlen, da die Empfindlichkeit des etch Ergebnisse Wafertemperatur.

Abbildung 5. HBr Wellenleiter etch

Die HBr Verfahren kann auch etch InP mit Fotolack (PR) als Maske wie in Abbildung 6 gezeigt, da bedarf es tieferer Temperatur zu Cl ₂ Chemie zu vergleichen. Typischerweise eine Ätzrate von> 1μm/min und einer Selektivität von 14:1 erreicht. Dieser Prozess benötigt harten Backen von Photolackmaske vor dem Ätzen, um Fotolack Brennen zu reduzieren. Die Vorteile dieses Verfahrens sind mögliche Abschaffung der Verwendung von harten Masken und reduzieren Komplexität der Prozesse und Kosten.

Abbildung 6. InP ätzt mit Photoresists als Maske

A Cl ₂ / H _2-Prozess wurde vor kurzem entwickelt. In diesem Prozess wird die untere Elektrode bei Raumtemperatur eingestellt. Der Wafer wird auf einem Träger-Wafer ohne zusätzliche thermische Kontakt gebracht. Kein Wafer Spannen ist nicht erforderlich. Deshalb ist es ein einfacher Prozess. Der Etch-Mechanismus ist ähnlich dem CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ Prozess - der Wafer durch das Plasma selbst erwärmt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Abwesenheit von CH _4, daher kein Polymer Hinterlegung in der Kammer. Es ist eine saubere und umweltfreundliche Verfahren. In diesem Prozess wird das Gas-Verhältnis von Cl ₂ / H ₂ sehr wichtig. Hohe Gas-Verhältnis führt zu einer hohen Ätzrate sondern gibt auch einen Unterätzung Profil. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse der Cl ₂ / H ₂ etch in ICP-Modus. Die Ätzrate ist mit Selektivität für Nitridmaske von> 10:1 850nm/min.

Abbildung 7. InP / InGaAs Probe geätzt mit Cl ₂ / H _2-Verfahren bei Raumtemperatur.

InP Grating Ätzen oder Shallow Etching

Obwohl InP Ätzprozess durch schnellere, sauberere Ätzchemien in ICP-Modus für die meisten Anwendungen ausgetauscht werden können, jedoch ist die CH4/H2 Prozess immer noch weit verbreitet für InP DFB (distributed feedback-Laser) Gitter Ätzen, aufgrund der Anforderungen der flachen verwendet , genau kontrolliert Ätztiefe (typisch <200 nm). Auch die häufige Verwendung von Photolackmasken, widersteht oft heikle e-beam, zum Reiben Definition erfordert Raumtemperatur Ätzen. In einem ICP-Tool diesen Prozess typischerweise ohne ICP-Leistung durchgeführt, dh nur die untere Elektrode Macht angewendet, so dass eine langsame "RIE-Modus" der Radierung. Abbildung 8 zeigt das Ergebnis einer RIE-Modus Gitter etch in einem ICP-Tool zu einer Tiefe von 100nm bei einer Ätzrate von 20nm/min.

Abbildung 8. CH ₄ / H ₂ Gitter etch

CH ₄ / H _2-Prozess in RIE-Modus ist ein beliebtes für flache InP etch (Ätztiefe weniger als 1000nm). Da es sich um eine Raumtemperatur Prozess ist, kann Fotolack als Maske verwendet werden. Jedoch bildet CH ₄ / H ₂ eine große Menge an Polymer in der Kammer und auch Einzahlung bei geätzt Oberseite und Seitenwand. Oft wird ein kurzer O ₂ clean Schritt ist in den Prozess nach dem Ätzen, um das restliche Polymer zu entfernen hinzugefügt. Abbildung 9 zeigt das Ergebnis einer RIE-Modus flachen InP etch bis zu einer Tiefe von weniger than1000nm bei einer Ätzrate von 20 ~ 40nm/min.

Abbildung 9 flachen InP etch mit CH4/H2 Prozess, (a) einstufigen Verfahren zeigt einige Polymer-Einlage auf die geätzte Oberfläche und Seitenwand. (B) zwei Schritten, nicht mehr Polymer Rest auf geätzte Oberfläche.

CH ₄ / H ₂ Chemie wird auch allgemein für die InGaAs / InAlAs selektives Ätzen aufgrund der Anforderungen des seichten Ätztiefe und Selektivität zwischen InGaAs und InAlAs verwendet.

CH ₄ / H ₂ / Cl _2, Cl ₂ / N ₂ und HBr in ICP-Modus Prozesse können auch für flache etch verwendet werden. Ist die Probe vorgewärmt auf über 150 Grad von der unteren Elektrode, hat es sich gezeigt, dass es möglich sein, die Ätzrate von> 1μm/min zu 0.2μm/min4 reduzieren, indem niedrigen ICP Macht. Ein typisches geätzt Profil ist in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10. Steuerbare Ätzrate für flache Ätzen

InP Photonic Crystal (PHC) Radierung

Ätzen von InP photonischen Kristall Wellenleiter-Struktur ist sehr anspruchsvoll, da es hohe Streckung mit Strukturgrößen unter einem halben Mikrometer erfordert. Die beliebtesten Struktur besteht aus zwei Dimensionen Loch-Typ mit Loch Größe von weniger als 500nm.

Alle InP geätzte Prozess winkte oben kann etch PhC eingesetzt werden. P Strasser aus ZTH Zürich entwickelt einen Ätzprozess mit ICP180 . Die Schlussfolgerung aus seiner Arbeit besteht darin, dass Cl ₂ / N ₂ / Ar die beste Chemie für PhC Etch ist. Dies ist ein Polymer freien Prozess und bietet auch einen Quadratmeter, wie in Abbildung 11 dargestellt. Die Wafer-Temperatur bei über 200 ° eingestellt ist, Cl ₂ a etch Gas ist, wird Ar als verdünnte Gas und N ₂ gibt Passivierung an der Seitenwand. Ein Seitenverhältnis von> 15:1 erreicht. Abbildung 10 zeigt eine geätzte Tiefe von 2.9μm und Ätzrate von 1.75μm/min für 190nm Loch mit einem Durchmesser Größe erreicht, gibt das Seitenverhältnis ~ 16:1. Der kleine Probestücke müssen auf die Trägerplatte und Rückseite Helium gekühlt werden muss geklebt werden.

Abbildung 11. PhC geätzt in InP. Die Löcher haben einen Durchmesser von 180nm und geätzten Tiefe 2.9μm. (Mit freundlicher Genehmigung von P Strasser, etc. Communication Photonics Group der ETH Zürich)

InP Via Hole Etching

Die Anforderungen an InP via Loch Ätzen sind etwas anders, dh schnellstmögliche Ätzraten bis in Tiefen von bis zu 150 um, fast vertikal oder leicht geneigt Ätzprofil widerstehen maskiert (im Idealfall), flachen glattem Boden, aber keine Sorge Seitenwand Glätte. Diese Anforderungen können durch die Verwendung einer HBr / BCl ₃ basierend Ätzprozess bei mittleren bis hohen Temperaturen (120-180 ° C) erfüllt werden. Die Photolackmaske müssen gründlich auf eine hohe Temperatur (> 150 ° C), um sicherzustellen, dass es dem Ätzprozess überlebt ohne Vernetzung. Hardbaked werden Abbildung 12 zeigt eine 100 um tief über Loch geätzt mit dieser Technik. Etch betrug> 2.75μm/min und Selektivität> 15:1 Fotolack.

Abbildung 12. HBr / BCl ₂ Verfahren für InP Via Loch etch

InP / InGaP / AlInP Red LED und Solarzellenätzen

InP / InGaP / AlInP basierendes Material-Kombinationen sind weit verbreitet zur Herstellung von roten LEDs oder Solarzelle eingesetzt. Voraussetzungen für die beiden roten LED und Solarzellen-Produkte sind hohe Erträge und niedrige Kosten. Daher ist ein Batch-Prozess ist wichtig, auch Fotolack für vereinfachte Verfahren und kostengünstige Wahl.

BCl3/Cl2/Ar/CH4 verwendet wird. Der optimierte Prozess wird ausgespannt. Tabelle liegt bei 20 gehalten ~ 30degree, geben eine Ätzrate von 450nm/min mit Selektivität für Maske von 3:1 und geätzt Profil Fotolack wie in Abbildung 13 dargestellt.

Abbildung 13. InP basierten Solarzelle geätzt mit BCl ₃ / Cl ₂ / Ar / CH _4, wurde Photoresist als Ätzmaske verwendet

InP Mikrolinsen Etching

Mikrolinsen, die gemeinhin für fortgeschrittene Photonik-Anwendungen verwendet werden, sind in Fotolack mit einer der beiden Techniken gebildet. Die einfachste Technik beinhaltet die Bildung hocken Zylinder widerstehen mit konventionellen Lithographie. Das Substrat wird dann über dem Glas-Reflow-Temperatur der Fotolack (dh 130-150 ° C) erwärmt, so dass sie Reflow.

Dadurch wird eine Kugeloberfläche mit dem Radius, der aus dem Volumen der zu widerstehen und die Kontaktfläche mit dem Substrat berechnet werden kann. Das Objektiv Profil wird dann in das Trägermaterial durch ICP Trockenätzen übertragen, oft mit 1:1-Selektivität.

Abbildung 14 zeigt eine REM-Aufnahme eines Mikrolinsen in InP zu einer Tiefe von 20 um geätzt. Dies wurde durch widerstehen Reflow mit ICP Radierung kombiniert geschaffen. In diesem Fall ist es möglich, die Selektivität zwischen den InP und der Fotolack entweder anpassen, indem Sie die Gasmischung für den Prozess oder durch Einstellen der ICP-Leistung und / oder DC-Bias zwischen dem Plasma und dem Substrat verwendet. Die Erhöhung der Selektivität (so der Fotolack ätzt langsamer) erhöht sich die Krümmung der fertigen Linse. Da das Gasgemisch für diesen Prozess verwendet wird, beinhaltet Chlor ist die Wahrscheinlichkeit, dass Post-etch "Blasen" bilden, auf der geätzten Oberfläche, wenn der Wafer aus dem Werkzeug entnommen wird, durch die hydrophile Natur des Chlors. OIPT hat eine eigene Technik entwickelt, die vermeidet diesen Effekt und sorgt für eine glatte Oberfläche geätzt.

Abbildung 14. Microlens geätzt in InP (eine kleine Menge von Fotolack wird sichtbar auf der linken REM-Aufnahme, Hervorhebung der etch-Verfahren).

Zusammenfassung

InP basierende Material Ätzen ist eine wichtige Technologie für die Herstellung von optoelektronischen und elektronischen Geräten.

Oxford Instruments Plasmatechnik ist System100 ICP Radierer (OIPT CS1 Hardware ) bietet eine große Bandbreite an III-V-Material Ätzlösungen. Hohe vertikale (oder kontrolliert Steigung) geätzt Profil, glatte Seitenwand, mit guter Selektivität zu Oxid, Nitrid-oder PR-Maske und steuerbarer Ätzrate erreicht werden kann.

Quelle: Oxford Instruments Plasmatechnik .

Für weitere Informationen über diese Quelle besuchen Sie bitte die Oxford Instruments Plasmatechnik .