Tørr Etsing av INP baserte materialer med høy tetthet Inductively Koblet Plasma (ICP) ved Oxford Instruments Plasma Technology

Emner som dekkes

Bakgrunn
Innledning
Den Inductively Koblet Plasma (ICP) Tool
INP basert Material Etsing
Høy sats Etsing av bølgeleder og Mirror Fasett
INP Grating Etsing eller Shallow Etsing
INP fotoniske krystaller (PHC) Etsing
INP Via Hole Etsing
INP / InGaP / AlInP rød LED og Solar Cell Etsing
INP mikroobjektiv Etsing
Oppsummering

Bakgrunn

Oxford Instruments Plasma Technology tilbyr en rekke av høy ytelse, fleksible verktøy til halvledere prosessering kunder er involvert i forskning og utvikling og produksjon. Vi er spesialister på tre hovedområder:

• Etch
  • RIE, ICP, Drie, RIE / PE, Ion Beam
• Nedfall
  • PECVD, ICP CVD, Nanofab, ALD, PVD, IBD
• Vekst
  • HVPE, Nanofab

Innledning

Tørr etsning er nå mye brukt i fabrikasjon av optoelektroniske og elektroniske enheter som involverer III-V materialer, på grunn av behovet for nøye kontroll av de kritiske dimensjonene av komponenter. Rask etch priser, repeterbarhet, ensartethet, ren kjemi, vertikal profil, lav enhet skade er noen av de mest attraktive sidene ved etsning prosessen. Induktivt koblet plasma (ICP) etsning er ideelt egnet til disse kravene, siden det gir en høy ion tetthet, derfor rask etch priser, samtidig som separate kontroll av ion tetthet og ion energi, noe som gir en lav skade evne.

Oxford Instruments Plasma Technology (OIPT) har utviklet et bredt spekter av ICP etch prosesser for III-V halvledere til å møte disse kravene.

I denne artikkelen vil vi fokusere på etsing prosess for INP og relatert materiale, diskutere ulike etsing kjemi og systemkrav for ulike bruksområder og gi en oppdatering av de nyeste nye prosessen utvikle resultater.

Den Inductively Koblet Plasma (ICP) Tool

Systemet som brukes for disse prosessene er Oxford Instruments Plasma Technology Plasmalab System 100 ICP etcher (OIPT CS1 hardware) . En skjematisk av etch kammeret er gitt i figur 1 og hele systemet er vist i figur 2.

Figur 1. Skjematisk av Plasmalab System100 ICP180 verktøy

Figur 2 Plasmalab System 100 ICP180

RF power (13.56MHz) brukes både til ICP kilden (opptil 3000Watts) og underlaget elektroden (opp til 600Watts) for å generere etch plasma. En elektrostatisk skjold rundt ICP rør brukes for å sikre at ICP strømmen er rent induktivt koplet (dvs. 'true-ICP'), dermed eliminerer sputtering av rør materiale og minimere unødvendig highenergy ion skade enheter. Ion energi på underlaget overvåkes ved måling av DC bias generert på nedre elektroden, og styres i hovedsak av RF strømtilførselen til denne elektroden.

Wafers lastes inn i kammeret via en loadlock å opprettholde god stabilitet i kammer vakuum og dermed repeterbarhet for etsning resultater.

Den wafers blir etset er enten mekanisk eller elektrostatisk festet til temperaturkontrollerte lavere elektroden. Helium trykket er brukt til baksiden av wafere å gi god termisk ledningsevne mellom chucken og wafer. Der det er nødvendig, mindre prøvene er festet på 4 "Silicon carrier wafere med termisk ledende lim.

Den Plasmalab System100 ICP har kontroll over underlagets temperatur til nøyaktighet på ± 1 ° C over et temperaturområde - 5 ° C til +400 ° C, ved bruk av elektriske varmeelementer og kjølevæske sirkulerer krets. Dette kan utvides til -150 ° C til +400 ° C med tillegg av en tilførsel av flytende nitrogen. Overflatetemperaturen har en markant effekt på etch resultat, fordi det styrer volatiliteten i etch arter og dermed påvirker den kjemiske delen av prosessen, påvirker ikke bare etch rate, selektivitet og profil, men også overflateruhet. Systemet kan betjenes over et trykkområde fra 1mT til 100mT gir nøyaktig kontroll prosessen kammer trykk.

INP basert Material Etsing

Høy sats Etsing av bølgeleder og Mirror Fasett

For den høye frekvensen radering av speil fasett og waveguide, de viktigste kravene er raske etch priser til dybder på opp til 10μm og 5μm henholdsvis kontrollerbare etch dybde, svært anisotrope profil, ingen innskjæring ved begravd lag med InGaAsP (eller lignende), og glatt sidevegger og etset overflate.

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ kjemi er den mest populære prosessen for denne typen program. Dersom temperaturen på wafer er tillatt å øke til nær 200 ° C da etch rate av brukte CH ₄ / H ₂ prosessen øker, men blir profilen kontroll vanskelig på grunn av økt undercutting. Tilsetting av Cl ₂ til denne blandingen gjør at svært anisotrope etch profiler, på grunn av den lave volatiliteten i Inkl. _x. Dette gjør derfor nøyaktig profil kontroll gjennom tilpasning av CH ₄ / Cl ₂ ratio. Etch priser på> 1.5μm/min og selectivities av> 15:01 til SiO ₂ eller SiN _x masker kan oppnås. Figur 3 viser en 10μm dyp speil fasett etset ved hjelp av denne kjemien.

Tabell 1. CH ₄ / H ₂ / Cl _2-prosessen ytelse oppsummering

Figur 3. INP basert materiale etset bruker CH ₄ / H ₂ / Cl _2-prosessen. Etch priser på> 1.5μm/min og selektivitet på> 15: er oppnådd.

Denne kjemi har den fordelen at det etches et bredt spekter av materialer, dvs. de som inneholder In, P, Ga, As, Al, Sb etc, med lav selektivitet (~ 0.5-1:1) mellom hverandre, derfor etset profiler har ingen innskjæring grenseflater mellom materialer. Den produserer også mindre polymer forurensning enn CH ₄ / H ₂ kjemi på grunn av lavere CH ₄ innholdet i denne prosessen, og mye raskere etch rate. Det er ingen ekstra wafer oppvarming nødvendig, som INP basert wafer varmes opp utelukkende av den høye tettheten plasma selv. Med nøyaktig kontroll av plasma parametrene, er prosessen repeterbarhet bedre enn ± 3%, og ingen wafer fastspenning er nødvendig.

Denne teknikken gjør at batch prosessering for høy gjennomstrømning produksjon programmer, f.eks 4x2 "wafer lastet per løp, siden wafere kan bare hvile på en transportør plate og trenger ikke å være individuelt klemmes og helium avkjølt. En annen variant av denne prosessen er CH ₄ / Ar / Cl ₂ kjemi som også har vist seg å gi gode etch resultater ved hjelp av denne etch kammer.

Men ofte krav til produksjonen tilsier at kammeret må bli så rene som mulig, helst uten polymer deponering, selv på bekostning av etse anisotropi og sidevegger glatthet om nødvendig. Dette krever at prosessen ikke inneholder CH _4. En vanlig metode er å bruke en Cl ₂ basert etch kjemi med et oppvarmet elektrode (≥ 150 ° C for å effektivt fjerne InClx etch produktet fra wafer overflaten).

Nøyaktig wafer temperaturkontroll er anbefalt for denne prosessen. Dersom prøven blir for varmt Inkl. _x "fordamper" fra overflaten lett og dermed produserer undercutting. På den annen side, ved for lav temperatur InClx er flyktig som resulterer i langsom etch priser, lav selektivitet og overflateruhet. Ofte N ₂ er lagt for å øke den fysiske komponenten av etsing og til passivate overflaten, dermed reduserer overflateruhet og forbedre profilen kontroll. Etch priser på> 1 mikrometer / min og selektivitet til SiO ₂ av> 10:01 har blitt oppnådd ved hjelp av denne prosessen. Figur 4 viser en typisk 5μm dyp etch resultat. Dette er et H ⁺ gratis prosess som kan gi mindre skade på enheten, siden H ⁺ ofte danner en passivisering lag på etset overflaten som kan påvirke enhetens ytelse.

Figur 4. Cl ₂ / N ₂ etset waveguide

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ og Cl ₂ / N ₂ prosessene nevnt ovenfor kan også brukes til å skape enhet mesas, med enten vertikal eller skrå profiler oppnås ved passende justere prosess parametere.

En alternativ teknikk som muliggjør behandling ved lavere temperaturer på ~ 100-150 ° C innebærer bruk av HBr kjemi, siden etch produkt av InBrx blir flyktig ved lavere temperatur enn InClx. Figur 5 viser en typisk 5μm dyp etch resultat ved en etch rate på 0.8μm/min og en selektivitet på> 10:01 til SiO _2. Igjen er god temperaturkontroll anbefalt på grunn av sensitiviteten av etch resultater til wafer temperatur.

Figur 5. HBr waveguide etch

Den HBr prosessen kan også etse INP med fotoresist (PR) som en maske som vist i Figur 6 ettersom det krever lavere temperatur sammenligne med Cl ₂ kjemi. Vanligvis en etch rate på> 1μm/min og en selektivitet på 14:01 er oppnådd. Denne prosessen krever hardt baking av fotoresist maske før etsing for å redusere fotoresist brenning. Fordelene med denne prosessen inkluderer potensialet eliminering av bruken av harde masker og redusere prosess kompleksitet og kostnader.

Figur 6. INP etches bruke photoresists som en maske

En Cl ₂ / H _2-prosessen har blitt utviklet i det siste. I denne prosessen er den nedre elektroden satt ved romtemperatur. Den wafer er plassert på toppen av en transportør wafer uten ekstra termisk kontakt. Ingen wafer klemming er nødvendig. Derfor er det en enkel prosess. Den etch mekanismen er lik CH ₄ / H ₂ / Cl _2-prosessen - wafer er varmet opp av plasma selv. Fordelen med denne prosessen er fraværet av CH _4, derfor ingen polymer deponering i kammeret. Det er en ren og miljøvennlig prosess. I denne prosessen blir gassen forholdet Cl ₂ / H ₂ svært viktig. Høy gass ratio fører til høy etch rate men gir også et hakk etsning profil. Figur 7 viser resultatene av Cl ₂ / H ₂ etch i ICP-modus. Den etch satsen er 850nm/min med selektivitet til nitride maske av> 10:1.

Figur 7. INP / InGaAs sample etset bruker Cl ₂ / H _2-prosessen ved romtemperatur.

INP Grating Etsing eller Shallow Etsing

Selv INP etsing prosessen kan bli erstattet av raskere, renere etch kjemi i ICP-modus for de fleste applikasjoner, er imidlertid CH4/H2 prosessen fortsatt mye brukt for INP DFB (distribuerte tilbakemeldinger lasere) grating etsing, på grunn av kravene til grunne , nøyaktig kontrollert etch dybde (typisk <200 nm). Også hyppig bruk av fotoresist masker, motstår ofte delikat e-bjelke, for rist definisjon krever romtemperatur etsing. I en ICP verktøy denne prosessen er vanligvis utføres uten ICP makt, dvs. bare lavere elektrode makt brukes, slik at en langsom 'RIE mode "av etsing. Figur 8 viser resultatet av en RIE modus rist etch i en ICP verktøy til en dybde på 100nm ved en etch rate på 20nm/min.

Figur 8. CH ₄ / H ₂ rist etch

CH ₄ / H _2-prosessen i RIE modus er en populær for grunt INP etch (etset dybde mindre enn 1000nm). Siden det er en romtemperatur prosess, kan fotoresist brukes som maske. Men former CH ₄ / H ₂ en stor mengde polymer i kammeret, og også innskudd på etset overflaten og sidevegg. Ofte kort O ₂ rene trinnet er lagt inn i prosessen etter etsing for å fjerne rester av polymer. Figur 9 viser resultatet av en RIE modus grunt INP etch til en dybde på mindre than1000nm på et etch rate på 20 ~ 40nm/min.

Figur 9 grunne INP etch bruker CH4/H2 prosess, (a) ett trinns prosess viser noen polymer depositum på etset overflaten og sidevegg. (B) To trinns prosess, ikke mer polymer residual på etset overflaten.

CH ₄ / H ₂ kjemi er også ofte brukt for InGaAs / InAlAs selektiv etsing på grunn av kravene til grunne etch dybde, og selektivitet mellom InGaAs og InAlAs.

CH ₄ / H ₂ / Cl _{2, 2} Cl / N _2, og HBr i ICP-modus prosesser kan også brukes til grunne etch. Hvis prøven er forvarmet til over 150 grader ved den nedre elektroden, har det vist seg å være mulig å redusere etch sats fra> 1μm/min til 0.2μm/min4 ved å velge lav ICP makt. En typisk etset profil er vist i Figur 10.

Figur 10. Kontrollerbare etch rate for grunt etsing

INP fotoniske krystaller (PHC) Etsing

Radering av INP fotoniske krystaller waveguide struktur er svært utfordrende, siden det krever høyt sideforhold med funksjonen størrelser under en halv micron. Den mest populære strukturen er to dimensjon hull type med hull størrelse mindre enn 500nm.

Alle INP etset prosessen tegn ovenfor kan være ansatt for å etse PHC. P Strasser fra ZTH Zürich utviklet en etsning prosessen ved hjelp ICP180 . Konklusjonen fra arbeidet hans er at Cl ₂ / N ₂ / Ar er den beste kjemi for PHC etch. Dette er en polymer prosess, og gir også en firkantet fot som vist i Figur 11. Den wafer temperaturen er satt til over 200 °, er Cl ₂ a etch gass, Ar brukes som en fortynnet gass og N ₂ gir passivering på sideveggen. Et aspekt ratio på> 15:01 var oppnådd. Figur 10 viser en gravert dybde på 2.9μm og etch rate av 1.75μm/min oppnådd for 190nm diameter hull størrelse, noe som gir sideforhold ~ 16:01. Den lite utvalg stykker må være limt på transportøren plate og backside Helium kjøling er nødvendig.

Figur 11.. PHC etset i INP. Hullene har en diameter på 180nm og etset dybde er 2.9μm. (Med tillatelse fra P Strasser, etc. Communication Photonics Gruppe ETH Zurich)

INP Via Hole Etsing

Kravene til INP via hull etsning er noe annerledes, dvs. raskest mulig etch priser til dybder på opptil 150μm, nær vertikal eller litt skrå etch profil, motstå maskert (helst), flat glatt base, men ingen bekymring sidevegg glatthet. Disse kravene kan oppfylles gjennom bruk av en HBr / BCL ₃ basert etch prosess ved moderate til høye temperaturer (120-180 ° C). Den fotoresist Masken må være grundig hardbaked til høy temperatur (> 150 ° C) for å sikre at den overlever etch prosessen uten reticulation. Figur 12 viser en 100μm dypt via hull etset ved hjelp av denne teknikken. Etch Renten ble> 2.75μm/min og selektivitet til fotoresist> 15:01.

Figur 12. HBr / BCL _to prosess for INP Via hull etch

INP / InGaP / AlInP rød LED og Solar Cell Etsing

INP / InGaP / AlInP basert materialkombinasjoner er mye brukt for å lage røde LED-eller Solcelle-tallet. Krav til både rød LED og solcelle produktene er høy avkastning og lave kostnader. Derfor en batch prosess er viktig, også fotoresist er valgt for forenklet prosess og lave kostnader.

BCl3/Cl2/Ar/CH4 brukes. Den optimaliserte prosessen er unclamped. Tabell temperaturen holdes på 20 ~ 30degree, gi en etch rate på 450nm/min med selektivitet til fotoresist maske på 3:1 og etset profil som vist i Figur 13.

Figur 13. INP basert Solcelle etset bruke BCL ₃ / Cl ₂ / Ar / CH _4, ble fotoresist brukt som etch maske

INP mikroobjektiv Etsing

Mikrolinser som er ofte brukt for avansert fotoniske anvendelser er dannet i fotoresist hjelp av en av to teknikkene. Den enkleste teknikken innebærer forming knebøy sylindere av motstå å bruke konvensjonelle litografi. Underlaget er da varmes opp over glasset reflow temperaturen i fotoresist (dvs. 130-150 ° C), slik at det skal flyte.

Dette vil opprette en sfærisk overflate, med radius som kan beregnes ut fra volumet av motstå og området kontakt med underlaget. Objektivet profilen er så overført til underlaget materialet ved ICP tørr etsing, ofte med 1:1 selektivitet.

Figur 14 viser et SEM bilde av en mikroobjektiv etset inn i INP til en dybde på 20μm. Dette ble laget av motstå reflow kombinert med ICP etsing. I dette tilfellet er det mulig å justere selektivitet mellom INP og fotoresist enten ved å endre gassblandingen som brukes for prosessen eller ved å justere ICP kraft og / eller DC bias mellom plasma og underlaget. Øke selektiviteten (slik at fotoresist etches saktere) vil øke krumningen av det ferdige objektivet. Som den gassblandingen som brukes til denne prosessen inkluderer klor det er sannsynligheten for post-etch 'bobler' danner på etset overflaten når wafer er fjernet fra verktøyet, på grunn av den hydrofile natur klor. OIPT har utviklet en proprietær teknikk som unngår denne effekten og gir en jevn etset overflate.

Figur 14. Mikroobjektiv etset inn INP (en liten mengde fotoresist er synlig på venstre SEM bildet, fremhever etch prosedyre).

Oppsummering

INP basert materiale etsning er en viktig teknologi for fabrikasjon av optoelektroniske og elektroniske enheter.

Oxford Instruments Plasma Technology System100 ICP etcher (OIPT CS1 hardware ) gir et bredt sortiment av III-V material etsing løsninger. Meget vertikale (eller kontrollert stigningstallet) etset profil, glatt sideveggen, med god selektivitet til oksid, nitride eller PR maske, og kontrollerbar etch hastigheten kan oppnås.

Kilde: Oxford Instruments Plasma Technology .

For mer informasjon om denne kilden kan du besøke Oxford Instruments Plasma Technology .