Сухое травление InP основе материалов с использованием высокой плотности с индуктивно связанной плазмой (ICP) на Oxford Instruments плазменных технологий

Рассматриваемые вопросы

Фон
Введение
Индуктивно-связанной плазмой (ICP) Инструмент
Материал на основе фосфида индия Офорт
Высокая скорость травления волновода и Зеркало Facet
InP Офорт решетки или мелкой Офорт
InP фотонного кристалла (ФК) Травление
InP Через отверстие Офорт
InP / InGaP / AlInP красный светодиод, а Солнечная Офорт сотовый
InP микролинзы Офорт
Резюме

Фон

Oxford Instruments плазменных технологий предоставляет ряд высокопроизводительных, гибких инструментов для обработки полупроводниковых клиентов, участвующих в исследования и разработки и производства. Мы специализируемся на трех основных направлениях:

• Etch
  • RIE, ДЦП, DRIE, RIE / PE, Ion Beam
• Отложение
  • ПХО, МСП сердечно-сосудистых заболеваний, НаноФаб, ALD, PVD, IBD
• Рост
  • HVPE, НаноФаб

Введение

Сухое травление в настоящее время широко используется в производстве оптико-электронных и электронных устройств с участием III-V материалов, из-за необходимости тщательного контроля критических размеров компонентов. Быстрый травления ставки, повторяемость, однородность, чистой химии, вертикальный профиль, низкая повреждения устройства являются одними из самых привлекательных аспектов процесса травления. Индуктивно связанной плазмой (ICP) травление идеально подходит к этим требованиям, поскольку она обеспечивает высокую плотность ионов, поэтому быстро травления ставки, позволяя при этом отдельный контроль плотности ионов и энергии ионов, что дает низкий потенциал повреждения.

Oxford Instruments плазменных технологий (OIPT) разработала широкий спектр ПМС травления процессов для III-V полупроводников для удовлетворения этих требований.

В этой статье мы сосредоточимся на процесс травления для InP и связанных с ним материалов, обсудить различные химические травления и системные требования для различных приложений и представить обновленную информацию о последних новый процесс разработки результатов.

Индуктивно-связанной плазмой (ICP) Инструмент

Система, используемая для этих процессов является Oxford Instruments плазменных технологий Plasmalab System 100 ПМС гравер (OIPT CS1 аппаратное обеспечение) . Схема травления камеры представлен на рисунке 1 и полной системы показана на рисунке 2.

Рисунок 1. Схема Plasmalab System100 инструмент ICP180

Рисунок 2 Plasmalab System 100 ICP180

RF мощность (13,56) применяется как источник ПМС (до 3000Watts) и подложки электрода (до 600Watts) для создания травления плазмы. Электростатический экран вокруг трубы ПМС используются для обеспечения того, чтобы власть ПМС является чисто индуктивно-связанной (то есть "истинное-ICP '), следовательно, устранение распыления материала трубки и минимизации ненужного ущерба ион высокой энергии к устройствам. Ион энергии на подложке контролируется путем измерения смещения постоянного тока, образующихся на нижний электрод, и управляется основном ВЧ мощности подается на этот электрод.

Вафли загружаются в камеру через loadlock поддерживать хорошую стабильность вакуумной камере и, следовательно, воспроизводимость результатов травления.

Пластин будучи травления, либо механически, либо электростатически, чтобы совпасть с контролируемой температурой нижнего электрода. Гелий давлении на задней пластины для обеспечения хорошей теплопроводности между патроном и пластины. В случае необходимости, более мелкие образцы прилагаются на 4 "пластин кремния носитель с теплопроводные клея.

Plasmalab System100 ПМС имеет контроль температуры подложки с точностью ± 1 ° C в диапазоне температур от - 5 ° C до +400 ° C, с помощью электрических элементов нагревателя и охлаждающей жидкости циркулирует цепи. Это может быть продлен до -150 ° С до +400 ° С с добавлением поставку жидкого азота. Температура основания имеет заметное влияние на результат травления, поскольку он контролирует волатильности травления видов и, следовательно, влияет на химический компонент процесса, что влияет не только скорость травления, избирательности и профиль, но и шероховатость поверхности. Система может работать на диапазоне давлений от 1MT к 100mt позволяющий точную давление технологической камеры контроля.

Материал на основе фосфида индия Офорт

Высокая скорость травления волновода и Зеркало Facet

За высокие скорость травления грань зеркала и волновода, ключевыми требованиями являются быстрое травления ставки на глубину до 10 мкм и 5 мкм, соответственно, управляемые травления глубине, сильно анизотропных профиля, не насечка на похоронен слоев InGaAsP (или аналогичный) и гладкие боковинами и травления поверхности.

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ химии является самым популярным процесс для такого рода приложений. Если температура пластины позволили увеличить почти до 200 ° С, то скорость травления из наиболее часто используемых CH ₄ / H ₂ увеличивается процесс, однако, профильные управления становится трудно из-за увеличения подрезания. Добавление Cl ₂ к этой смеси позволяет сильно анизотропного травления профилей, из-за низкой волатильности InCl _х. Таким образом, это позволяет точно управлять профилем путем корректировки CH ₄ / Cl ₂ отношение. Etch темпами> 1.5μm/min и селективности> 15:1 до SiO ₂ или SiN _х маски могут быть достигнуты. На рисунке 3 показана 10 мкм глубокий аспект зеркало травления с помощью этой химии.

Таблица 1. CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ процесса Отчет о производительности

Рисунок 3. Материал на основе фосфида индия травления использованием CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ процесса. Etch темпами> 1.5μm/min и селективность> 15: будут достигнуты.

Это химия имеет то преимущество, что он гравирует широкий спектр материалов, то есть те, которые содержат В, Р, Ga, As, Al, Sb и т.д., с низкой селективностью (~ 0.5-1:1) между собой, а значит травления профили не имеют насечка на границах между материалами. Она также производит меньше загрязнения, чем полимер CH ₄ / H ₂ химии из-за меньшей CH ₄ содержание этого процесса, и гораздо быстрее скорости травления. Существует никакого дополнительного нагрева пластины требуется, так как основаны InP пластины нагревается исключительно высокой плотности плазмы себя. С точный контроль параметров плазмы, процессов повторяемости лучше, чем ± 3%, а не пластины зажима не требуется.

Эта методика дает возможность пакетной обработки для высокой производительности производства применений, например, 4x2 "пластины загружаются в перспективе, поскольку пластины можно просто отдохнуть на несущую пластину и не должны быть зажаты в отдельности и гелий охлаждается. Другой вариант этого процесса является CH ₄ / Ar / Cl ₂ химия, которая также было показано, для получения превосходных результатов с помощью травления травления этой камере.

Однако, часто требует производства диктуют, что камеры должны оставаться как можно более чистым, в идеале, без осаждения полимера, даже за счет анизотропии травления и боковины гладкость, если необходимо. Это требует, чтобы процесс не содержат CH _4. Общий подход состоит в использовании Cl _{2 на основе} травления химии с подогревом электродов (≥ 150 ° С для того, чтобы эффективно удалить InClx травления продукт от поверхности пластины).

Точный контроль температуры пластины, рекомендуется для этого процесса. Если образец становится слишком жарко "испаряется" InCl _х от поверхности легко и, следовательно, производит подрезания. С другой стороны, при слишком низкой температуре InClx является энергонезависимой в результате медленного травления ставок, низкая селективность и шероховатости поверхности. Часто N ₂ добавляется к увеличению физического компонента травления и пассивации поверхности, следовательно, снижения шероховатости и улучшения контроля профиля. Etch темпами> 1 мкм / мин и селективность к SiO _2> 10:1 были достигнуты с помощью этого процесса. Рисунок 4 показывает типичный 5 мкм глубокие травления результат. Это Н ⁺ свободный процесс, который может дать меньший вред устройству, так как Н ⁺ часто образует слой пассивации на травление поверхности, которые могут повлиять на производительность устройства.

Рисунок 4. Cl ₂ / N ₂ травления волновода

CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ и Cl ₂ / N ₂ процессов, перечисленных выше, могут также быть использованы для создания устройств столовых гор, ни с вертикальной или наклонной профилей достигнуто соответствующей настройки параметров процесса.

Альтернативная техника, которая позволяет обрабатывать при более низкой температуре ~ 100-150 ° С связано с использованием химии HBr, так как травления продукт InBrx становится летучих при низкой температуре, чем InClx. На рисунке 5 представлена ​​типичная 5 мкм глубокого травления в результате травления скорость 0.8μm/min и селективность> 10:1 до SiO _2. Опять же, хороший контроль температуры рекомендуется из-за чувствительности травления результаты пластины температуры.

Рисунок 5. HBr волновода травления

Процесс HBr может также травления InP с фоторезиста (PR), как маску, как показано на рисунке 6, так как он требует более низкой температуре по сравнению с Cl ₂ химии. Обычно скорость травления в> 1μm/min и селективность 14:01 будут достигнуты. Этот процесс необходимо жестко выпечки фоторезиста маску перед травлением в целях снижения фоторезиста горения. Преимущества этого процесса являются потенциальными прекращения использования твердых маски и значительно снизить сложность и стоимость процесса.

Рисунок 6. InP гравирует использованием фоторезистов в качестве маски

Cl ₂ / H ₂ процесса были разработаны недавно. В этом процессе, нижний электрод устанавливается при комнатной температуре. Пластину помещается в верхней части носителя пластин без дополнительной тепловой контакт. Нет пластины зажима не требуется. Поэтому простой процесс. Травления механизм похож на CH ₄ / H ₂ / Cl ₂ процесса - пластины нагревается самой плазме. Преимущество этого процесса является отсутствие CH _4, поэтому никаких полимера сдаче в камере. Это чистый, а также для окружающей среды процесс. В этом процессе газ отношением Cl ₂ / H ₂ является очень важным. Высокий коэффициент газа приводит к высокой скорости травления, но и дает подорвать профиля травления. На рисунке 7 показаны результаты Cl ₂ / H ₂ травления в режиме ПМС. Скорость травления является 850nm/min с селективностью к нитрида маска> 10:1.

Рисунок 7. InP / InGaAs образец травления использованием Cl ₂ / H ₂ процесса при комнатной температуре.

InP Офорт решетки или мелкой Офорт

Хотя InP процесс травления можно заменить быстрее, чище травления химии в ПМС режим для большинства приложений, однако, процесс CH4/H2-прежнему широко используется для InP DFB (РОС-лазеры) решетки травления, в связи с требованиями мелкой , точно контролируемого травления глубине (обычно <200 нм). Кроме того, частое использование маски фоторезиста, часто тонкие электронным пучком сопротивляется, за решеткой определение требует травления комнатной температуре. В инструмент ПМС этот процесс обычно выполняется без питания ПМС, то есть только нижний электрод подается питание, что позволяет медленным "RIE режиме 'травления. Рисунок 8 показывает результат решетки RIE режим травления в инструмент ПМС на глубину до 100 нм на скорости травления от 20nm/min.

Рисунок 8. CH ₄ / H ₂ решетки травления

CH ₄ / H ₂ процесса в RIE режим популярным для мелких InP травления (травление глубине менее 1000 нм). Так как процесс комнатной температуре, фоторезиста могут быть использованы в качестве маски. Тем не менее, CH ₄ / H ₂ образует большое количество полимера в камере, а также депозит в травлению верхней поверхности и боковины. Часто короткая O ₂ чистых шаг добавляется в процесс после травления, чтобы удалить остаточную полимера. На рисунке 9 показан результат режиме RIE мелкой InP травления на глубину менее than1000nm на скорости травления от 20 ~ 40nm/min.

Рисунок 9 мелкой InP травления использованием CH4/H2 процесс, (а) один шаг процесса показаны некоторые депозит полимера на протравленных верхней поверхности и боковины. (Б) два этапа, не более полимера остаточной на травление поверхности.

CH ₄ / H ₂ химии также широко используется для InGaAs / InAlAs селективного травления в связи с требованиями мелкой травления глубину и селективность между InGaAs и InAlAs.

CH ₄ / H ₂ / Cl _2, Cl ₂ / N ₂ и HBr в процессах ПМС режим может быть также использован для мелких травления. Если образец предварительно нагревается выше 150 градусов по нижним электродом, было показано, что можно уменьшить скорость травления от 1μm/min> для 0.2μm/min4, выбирая низкое энергопотребление ПМС. Типичный профиль травления показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Управляемая скорость травления для мелких травления

InP фотонного кристалла (ФК) Травление

Травление InP фотонные структуры волновода кристалла очень сложно, так как требует большого удлинения с функцией размеров меньше половины микрона. Самые популярные структура двухмерного отверстие типа с отверстием размером менее 500 нм.

Весь процесс травления InP указал выше, могут быть использованы для травления ФП. P Штрассер из ZTH Цюрихе разработали процесс травления использованием ICP180 . Вывод из его работы является то, что Cl ₂ / N ₂ / Ar является лучшим химии для ФК травления. Это полимер свободный процесс, а также обеспечивает квадратный метр, как показано на рисунке 11. Пластины температуры установлен на уровне выше 200 °, Cl _2, травления газом, Ar используется в качестве разреженного газа и N ₂ дает пассивации на боковине. Соотношение сторон> 15:01 была достигнута. На рисунке 10 показано травления глубину 2.9μm и травления скорость 1.75μm/min достигается при 190 нм размер диаметра отверстия, что дает соотношение сторон ~ 16:01. Маленькие кусочки образца должны быть приклеены к пластине перевозчика и задней Гелий охлаждения не требуется.

Рисунок 11. ФП запечатлелись в InP. Отверстия имеют диаметр 180 нм и глубиной травления 2.9μm. (С любезного разрешения P Штрассер и т.д. Связь Photonics Группа ETH Zurich)

InP Через отверстие Офорт

Требования к InP через отверстие травления несколько отличаются, то есть быстрый возможный травления ставки на глубину до 150 мкм, почти вертикальные или слегка наклонной травления профиль, сопротивляться масках (в идеале), плоский гладкий базу, но не озабоченность гладкость боковины. Эти требования могут быть удовлетворены за счет использования HBr / BCL _{3 на основе} процесса травления при умеренной до высокой температуры (120-180 ° С). Фоторезиста маска должна быть тщательно hardbaked до высокой температуры (> 150 ° C), чтобы убедиться, что он переживает процесс травления без сетчатого рисунка. На рисунке 12 показано 100 мкм глубокие через отверстие травления с помощью этой техники. Etch ставка> 2.75μm/min и селективность к фоторезиста> 15:1.

Рисунок 12. HBr / BCL ₂ Процесс InP Через отверстие травления

InP / InGaP / AlInP красный светодиод, а Солнечная Офорт сотовый

InP / InGaP / AlInP основан комбинации материалов широко используются для производства красного светодиода или солнечной ячейки. Требования для красного светодиода и солнечных батарей ячейки высокой урожайностью и низкой стоимостью. Поэтому серийное производство имеет важное значение, также фоторезиста выбрана для упрощения процесса и низкая стоимость.

BCl3/Cl2/Ar/CH4 используется. Оптимизированный процесс unclamped. Таблица температура держится на уровне 20 ~ 30degree, дайте скорости травления от 450nm/min с селективностью к фоторезиста маска 3:1 и травления профиля, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. InP основан Фотоэлемент травления использованием BCl ₃ / Cl ₂ / Ar / CH _4, Фоторезист был использован в качестве маски травления

InP микролинзы Офорт

Микролинз, которые обычно используются для продвинутых приложений фотонных образуются в фоторезиста с помощью одного из двух методов. Простейший метод предполагает формирование приземистые цилиндры сопротивляться с использованием обычных литографии. Подложка затем нагревается выше температуры стеклования оплавления из фоторезиста (например, 130-150 ° С), что позволяет ему оплавления.

Это создаст сферической поверхности с радиусом, который может быть рассчитан по объему сопротивляться и площадь контакта с подложкой. Объектив профиля переносят в подложку материала ПМС сухого травления, часто с 1:01 селективности.

На рисунке 14 показано изображение СЭМ микролинзы запечатлелись в InP на глубину до 20 мкм. Это была создана сопротивляться оплавления в сочетании с травлением ПМС. В этом случае можно регулировать селективность между InP и фоторезиста, либо за счет изменения газовой смеси, используемые для процесса или регулировкой ПМС питания и / или смещения постоянного тока между плазмой и подложкой. Увеличение селективности (так фоторезиста гравирует медленнее) увеличит кривизну готовой линзы. Как газовой смеси, используемые для этого процесса включает в себя хлора есть вероятность после травления 'пузыри' на формирование травление поверхности, когда вафля снимается с инструментом, из-за гидрофильности хлора. OIPT разработала собственный метод, который позволяет избежать этого эффекта и обеспечивает плавное травление поверхности.

Рисунок 14. Микролинз запечатлелись в InP (небольшое количество фоторезиста видна на левом изображении СЭМ, подчеркивая травления процедуры).

Резюме

InP основан травления материала является одним из важнейших технологий для изготовления оптико-электронных и электронных устройств.

Oxford Instruments плазменных технологий в System100 ПМС гравер (OIPT CS1 аппаратные ) предоставляет широкие диапазоны III-V решений материал травления. Высокая вертикальная (или под контролем наклона) травления профиль, гладкие боковины, с хорошей селективностью к оксида, нитрида или PR-маску, и управляемой скорости травления могут быть достигнуты.

Источник: Oxford Instruments плазменных технологий .

Для получения дополнительной информации на этот источник пожалуйста, посетите Oxford Instruments плазменных технологий .