Gravure sèche des matériaux à base d'InP utilisant haute densité à plasma inductif (ICP) par Oxford Instruments technologie Plasma

Thèmes abordés

Contexte
Présentation
Le plasma à couplage inductif (ICP) Outil
InP Matériel basée Gravure
Gravure taux élevé de guide d'ondes et Facet Miroir
Gravure Caillebotis InP ou gravure peu profonde
InP cristal photonique (SSP) Gravure
InP par gravure trou
InP / InGaP / AlInP LED rouge et gravure Solar Cell
Microlentilles InP Gravure
Résumé

Contexte

Oxford Instruments Plasma Technology offre une gamme de haute performance, des outils flexibles pour les clients de traitement de semi-conducteurs impliqués dans la recherche et le développement et la production. Nous nous spécialisons dans trois domaines principaux:

• Etch
  • RIE, ICP, le MEIR, RIE / PE, Ion Beam
• Dépôt
  • PECVD, ICP MCV, Nanofab, ALD, PVD, MII
• Croissance
  • HVPE, Nanofab

Présentation

La gravure sèche est maintenant largement utilisé dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques et électroniques impliquant matériaux III-V, en raison de la nécessité d'un contrôle minutieux des dimensions critiques de composants. Rapide vitesses de gravure, la répétitivité, uniformité, chimies propre, profil vertical, endommager l'appareil faibles sont certains des aspects les plus désirables du processus de gravure. Plasma à couplage inductif (ICP) gravure est idéalement adapté à ces exigences, car il fournit une densité ionique élevée, d'où des vitesses de gravure rapide, tout en permettant la commande séparée de la densité des ions et l'énergie des ions, donnant une capacité de dégâts faibles.

Oxford Instruments technologie des plasmas (OIPT) a développé une large gamme de procédés de gravure pour le PIC semiconducteurs III-V pour satisfaire ces demandes.

Dans cet article, nous allons nous concentrer sur le procédé de gravure des matériaux InP et connexes, de discuter chimies différentes gravure et les exigences du système pour différentes applications et de fournir une mise à jour des derniers résultats nouveau processus de développement.

Le plasma à couplage inductif (ICP) Outil

Le système utilisé pour ces procédés est la technologie Plasma Oxford Instruments Plasmalab Système 100 ICP graveur (OIPT CS1 matériel) . Un schéma de la chambre de gravure est donnée dans la figure 1 et le système complet est montré dans la figure 2.

Figure 1. Schéma de l'outil de Plasmalab System100 ICP180

Figure 2 Plasmalab Système 100 ICP180

Puissance RF (13,56 MHz) est appliqué à la fois la source ICP (jusqu'à 3000Watts) et l'électrode substrat (jusqu'à 600Watts) pour générer la gravure par plasma. Un blindage électrostatique autour du tube ICP est utilisé pour s'assurer que la puissance du PCI est purement à couplage inductif (c.-à 'true-ICP), éliminant ainsi la pulvérisation de matériau du tube et en minimisant les dommages inutiles ions haute énergie aux périphériques. L'énergie des ions sur le substrat est contrôlée par la mesure de la polarisation CC généré sur l'électrode inférieure, et est principalement contrôlé par la puissance RF fourni à cette électrode.

Les plaquettes sont chargés dans la chambre via un loadlock pour maintenir une bonne stabilité de chambre à vide et donc la répétabilité des résultats gravure.

Les plaquettes étant gravée sont mécaniquement ou électrostatiquement serré à l'électrode à température contrôlée inférieure. Pression d'hélium est appliquée à l'arrière de la plaquettes pour assurer une bonne conductance thermique entre le mandrin et la plaquette. Si nécessaire, des échantillons plus petits sont attachés sur les 4 "wafers de support de silicium avec de la colle thermiquement conductrice.

Le Plasmalab System100 ICP a le contrôle de la température de substrat à la précision de ± 1 ° C sur une plage de température de - 5 ° C à +400 ° C, grâce à l'utilisation d'éléments de chauffage électrique et un circuit de liquide de refroidissement circule. Ceci peut être étendu à -150 ° C à +400 ° C avec l'ajout d'un apport d'azote liquide. La température du substrat a un effet marqué sur le résultat de gravure, car il contrôle la volatilité des espèces de gravure et les influences d'où le composant chimique du processus, affectant non seulement le taux de gravure, de sélectivité et de profil, mais aussi la rugosité de surface. Le système peut être exploité sur une plage de pression de 1mT à 100mt de pression permettant un contrôle précis chambre de traitement.

InP Matériel basée Gravure

Gravure taux élevé de guide d'ondes et Facet Miroir

Pour la gravure taux élevé de facettes miroir et guide d'ondes, les principales exigences sont rapides des vitesses de gravure à des profondeurs allant jusqu'à 10 microns et 5 um, respectivement, contrôlable profondeur de gravure, le profil très anisotrope, sans entaillage au niveau des couches enterrées de InGaAsP (ou similaire), et en douceur parois latérales et surface gravée.

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ chimie est le processus le plus populaire pour ce type d'application. Si la température de la plaquette est autorisé à augmenter à près de 200 ° C, puis la vitesse de gravure de l'couramment utilisés CH ₄ / H augmente processus _2, toutefois, le contrôle de profil devient difficile en raison de l'augmentation sous-cotation. L'addition de Cl ₂ à ce mélange permet très anisotrope profils de gravure, en raison de la faible volatilité de _x Incl. Cela permet donc de contrôler profil précis grâce à un ajustement de CH ₄ / Cl ₂ rapport. Taux d'Etch> 1.5μm/min et sélectivités de> 15:1 à SiO ₂ ou SiN _x masques peuvent être atteints. La figure 3 montre une facette miroir 10 microns de profondeur gravé en utilisant cette chimie.

Tableau 1. CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ résumé la performance des processus

Figure 3. Matériau à base d'InP gravé en utilisant CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ processus. Taux d'Etch 1.5μm/min> et la sélectivité de> 15: sont atteints.

Cette chimie a l'avantage qu'il mordance un large éventail de matériaux, c'est à dire ceux contenant In, P, Ga, As, Al, Sb, etc, avec une sélectivité faible (~ 0.5-1:1) entre autre, des profils par conséquent n'ont pas gravé entaillage au niveau des interfaces entre les matériaux. Elle produit également moins de contamination polymère que le CH ₄ / H ₂ de chimie en raison de la baisse du taux de CH ₄ contenu de ce processus et beaucoup plus rapide etch. Il n'ya pas de chauffage plaquette supplémentaire nécessaire, comme la plaquette InP est chauffée uniquement par le plasma de haute densité lui-même. Avec un contrôle précis des paramètres du plasma, la répétabilité processus est supérieure à ± 3%, et aucune plaquette de serrage est nécessaire.

Cette technique permet le traitement par lots pour les applications à haute production de débit, par exemple 4x2 "wafer chargées par cycle, puisque les plaquettes peuvent tout simplement se reposer sur une plaque de support et n'ont pas besoin d'être individuellement serré et l'hélium refroidi. Une autre variante de ce procédé est le CH ₄ / Ar / Cl ₂ chimie qui a également été montré pour produire d'excellents résultats en utilisant cette chambre etch etch.

Cependant, souvent les exigences de la production imposent que la chambre doit rester aussi propre que possible, idéalement sans dépôt de polymère, même au détriment de l'anisotropie de gravure et finesse flanc, si nécessaire. Cela exige que le processus ne contient pas de CH _4. Une approche commune est d'utiliser un Cl ₂ chimie à base etch avec une électrode chauffée (≥ 150 ° C afin d'éliminer efficacement le produit InClx etch de la surface du wafer).

Précis de contrôle de température plaquette est recommandé pour ce processus. Si l'échantillon devient trop chaud l'InCl _x 's'évapore' de la surface et donc facilement produit une sous-cotation. D'autre part, à trop basse température est non volatile InClx résultant de ralentir les vitesses de gravure, une faible sélectivité et la rugosité de surface. Souvent N ₂ est ajouté pour augmenter la composante physique de la gravure et de passiver la surface, réduisant ainsi la rugosité de surface et améliorer le contrôle du profil. Vitesses de gravure de> 1 um / min et la sélectivité de SiO ₂ de> 10:1 ont été obtenus en utilisant ce procédé. La figure 4 montre un typique 5 um résultat gravure profonde. C'est un processus H ⁺ libre qui peut donner moins de dommages à l'appareil, puisque H ⁺ souvent des formes d'une couche de passivation à la surface gravée qui peuvent affecter la performance du dispositif.

Figure 4. Cl ₂ / N ₂ guide gravé

Le CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ et Cl ₂ / N ₂ procédés énumérés ci-dessus peut également être utilisé pour créer des mesas appareil, soit avec des profils verticaux ou inclinés convenablement réalisé par régler les paramètres de processus.

Une technique alternative qui permet le traitement à des températures inférieures de ~ 100-150 ° C implique l'utilisation de la chimie HBr, puisque le produit de la gravure InBrx devient volatil à une température inférieure à InClx. La figure 5 montre un typique 5 um résultat profond etch à une vitesse de gravure de 0.8μm/min et une sélectivité de> 10:1 à SiO _2. Encore une fois, le contrôle de la bonne température est recommandée en raison de la sensibilité des résultats à la température etch plaquette.

Figure 5. HBr guide etch

Le processus de HBr peut également InP etch avec photosensible (PR) comme un masque comme le montre la figure 6, car il nécessite une température plus basse comparer au Cl ₂ chimie. Typiquement une vitesse de gravure de> 1μm/min et une sélectivité de 14:1 sont atteints. Ce processus de cuisson nécessaire dur de masque de résine photosensible avant gravure afin de réduire la combustion résine photosensible. Avantages de ce processus comprennent l'élimination potentielle de l'utilisation de masques durs et de réduire considérablement la complexité des processus et des coûts.

Figure 6. Gravures InP utilisant les résines photosensibles comme un masque

Un Cl ₂ / H ₂ processus a été élaboré récemment. Dans ce processus, l'électrode inférieure est fixée à la température ambiante. La plaquette est placée sur le dessus d'une plaquette de support sans contact thermique supplémentaire. Aucune plaquette de serrage est nécessaire. Par conséquent, il est un processus simple. Le mécanisme de gravure est similaire à la CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ processus - la plaquette est chauffée par le plasma lui-même. L'avantage de ce procédé est l'absence de CH _4, donc pas de dépôt de polymères dans la chambre. C'est un procédé propre et aussi respectueux de l'environnement. Dans ce processus, le ratio de gaz de Cl ₂ / H ₂ est très important. Ratio gaz à haute vitesse de gravure conduit à élevé, mais donne également un profil de gravure dépouille. La figure 7 montre les résultats de Cl ₂ / H ₂ etch en mode PCI. La vitesse de gravure est 850nm/min avec une sélectivité au masque de nitrure de> 10h01.

Figure 7. InP / InGaAs échantillon attaqué à l'aide Cl ₂ / H ₂ processus à température ambiante.

Gravure Caillebotis InP ou gravure peu profonde

Bien procédé de gravure d'InP peut être remplacé par rapide, plus propre chimies de gravure dans le mode PCI pour la majorité des applications, cependant, le processus CH4/H2 est encore largement utilisé pour InP DFB (distribué lasers rétroaction) gravure grille, en raison des exigences de faible profondeur , contrôlée avec précision la profondeur etch (typiquement <200nm). Aussi l'utilisation fréquente de masques résine, souvent délicat à faisceau électronique résiste, pour la définition des grilles nécessite la gravure température ambiante. Dans un outil ICP ce processus est généralement effectuée sans pouvoir le PIC, à savoir la puissance d'électrode ne baisse est appliquée, permettant une lente «RIE mode 'de la gravure. La figure 8 montre le résultat d'un réseau en mode RIE etch dans un outil de PCI à une profondeur de 100 nm à une vitesse de gravure de 20nm/min.

Figure 8. CH ₄ / H ₂ caillebotis etch

CH ₄ / H ₂ processus RIE mode est un populaire pour InP superficielle etch (profondeur gravée moins de 1000nm). Comme il est un processus température ambiante, résine photosensible peut être utilisé comme masque. Toutefois, le CH ₄ / H ₂ forme une grande quantité de polymère dans la chambre et aussi de dépôt à la surface supérieure et les flancs gravés. Souvent, une courte étape ₂ O propre est ajoutée dans le processus suivant la gravure afin d'éliminer le polymère résiduel. La figure 9 montre le résultat d'un mode de InP RIE profonde de gravure pour une profondeur de moins than1000nm à une vitesse de gravure de 20 ~ 40nm/min.

Figure 9 InP superficielle etch utilisant CH4/H2 processus, (a) Le processus seule étape montrant quelques dépôts de polymère sur la surface gravée dessus et les flancs. (B) processus en deux étapes, pas plus polymère résiduel sur la surface gravée.

CH ₄ / H ₂ chimie est aussi couramment utilisé pour InGaAs / InAlAs gravure sélective en raison des exigences de la profondeur de gravure peu profonde, et la sélectivité entre InGaAs et InAIAs.

CH ₄ / H ₂ / Cl _2, Cl ₂ / N _2, et HBr dans les processus en mode ICP peut aussi être utilisé pour la gravure profonde. Si l'échantillon est pré-chauffé au-dessus de 150 degrés par l'électrode inférieure, il a été prouvé qu'il est possible de réduire la vitesse de gravure du 1μm/min> pour 0.2μm/min4 en choisissant faible puissance ICP. Un profil typique gravée est montré dans la figure 10.

Figure 10. Contrôlables vitesse de gravure pour la gravure profonde

InP cristal photonique (SSP) Gravure

Gravure d'InP structure cristalline guide photonique est très difficile, car elle nécessite aspect ratio élevé avec des tailles de fonction sous un demi-micron. La structure la plus populaire est le type deux trous de dimension avec la taille du trou inférieur 500nm.

Tous les processus d'InP gravé signe ci-dessus peut être employée pour graver des SSP. P Strasser à partir ZTH Zurich a développé un procédé de gravure en utilisant ICP180 . La conclusion de ses travaux est que Cl ₂ / N ₂ / Ar est le meilleur chimies pour etch SSP. Ce polymère est un processus libre, et fournit également un pied carré, comme indiqué dans la figure 11. La température de plaquette est fixée au-dessus de 200 °, Cl ₂ est un gaz de gravure, Ar est utilisé comme gaz de dilution et de N ₂ donne une passivation au flanc. Un ratio d'aspect de> 15h01 a été réalisé. La figure 10 montre une profondeur gravée des taux de 2.9μm et gravure de 1.75μm/min atteint pour la taille de 190nm diamètre du trou, ce qui donne aspect ratio ~ 16h01. Les pièces petit échantillon doivent être collés sur la plaque de support et de refroidissement backside hélium est nécessaire.

Figure 11. PhC gravé dans InP. Les trous ont un diamètre de 180 nm de profondeur et gravé est 2.9μm. (Avec l'aimable autorisation de P Strasser, etc communication photonique Groupe ETH Zurich)

InP par gravure trou

Les exigences pour InP par gravure trous sont un peu différents, c'est à dire le plus rapide possible des vitesses de gravure à des profondeurs allant jusqu'à 150μm, près profil de gravure verticale ou légèrement inclinée, de résister masqués (idéalement), plat de base lisse, mais aucune préoccupation au sujet finesse flanc. Ces exigences peuvent être satisfaites par l'utilisation d'une HBr / BCl ₃ procédé de gravure basé à modérée à haute température (120-180 ° C). Le masque de résine photosensible doit être soigneusement hardbaked à une température élevée (> 150 ° C) afin de s'assurer qu'elle survit au processus de gravure sans réticulation. La figure 12 montre une profonde 100 microns par trou gravé en utilisant cette technique. Vitesse de gravure a été 2.75μm/min> et la sélectivité de résine photosensible> 15h01.

Figure 12. HBr / BCl ₂ processus pour InP Via trous etch

InP / InGaP / AlInP LED rouge et gravure Solar Cell

InP / InGaP / AlInP combinaisons de matériaux sont largement utilisés pour la fabrication de LED rouges ou de cellule solaire. Exigences pour les deux LED rouge et des produits de cellules solaires sont des rendements élevés et à faible coût. Par conséquent, un traitement par lots est essentielle, aussi résine photosensible est choisi pour procédure simplifiée et à faible coût.

BCl3/Cl2/Ar/CH4 est utilisé. Le processus optimisé est desserrée. Tableau de température est maintenue à 20 ~ 30degree, donner une vitesse de gravure de 450nm/min avec une sélectivité au masque de résine photosensible profil de 03h01 et gravé comme le montre la figure 13.

Figure 13. InP à base de cellules solaires gravés à l'aide BCl ₃ / Cl ₂ / Ar / CH _4, photoresist a été utilisé comme un masque de gravure

Microlentilles InP Gravure

Microlentilles qui sont couramment utilisés pour les applications avancées photoniques sont formées en utilisant photorésine une des deux techniques. La technique la plus simple consiste à former des cylindres squat de résister à l'aide de la lithographie conventionnelle. Le substrat est ensuite chauffé au-dessus de la température de refusion de verre de la résine photosensible (c. 130-150 ° C), lui permettant de refusion.

Cela va créer une surface sphérique, avec un rayon qui peut être calculée à partir du volume de résister et de la zone de contact avec le substrat. Le profil de lentille est alors transférée dans le substrat par ICP gravure sèche, souvent avec 1h01 de sélectivité.

La figure 14 montre une image MEB d'une microlentille gravés dans InP à une profondeur de 20μm. Cette résistance a été créé par refusion combinée avec la gravure ICP. Dans ce cas, il est possible d'ajuster la sélectivité entre l'INP et la résine soit en changeant le mélange de gaz utilisé pour le processus ou en ajustant la puissance du PCI et / ou de polarisation DC entre le plasma et le substrat. L'augmentation de la sélectivité (pour la résine photosensible gravures plus lentement) augmentera la courbure de la lentille finie. Comme le mélange de gaz utilisé pour ce processus comprend le chlore, il ya la probabilité de l'après-etch "bulles" se formant sur ​​la surface gravée lorsque la plaquette est retirée de l'outil, en raison de la nature hydrophile du chlore. OIPT a développé une technique exclusive qui évite cet effet et donne une surface lisse gravé.

Figure 14. Microlentilles gravés dans InP (une petite quantité de résine photosensible est visible sur l'image de gauche SEM, soulignant la procédure Etch).

Résumé

Gravure matériau à base d'InP est une technologie essentielle pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques et électroniques.

Oxford Instruments Plasma Technology System100 ICP graveur (OIPT CS1 matérielle ) fournit de larges gammes de matériaux III-V solutions de gravure matériel. Très verticale (ou pente contrôlée) le profil gravé, lisse flanc, avec une bonne sélectivité à l'oxyde, nitrure ou un masque PR, et contrôlable vitesse de gravure peut être réalisée.

Source: Oxford Instruments technologie des plasmas .

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