CN115404552B - 一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法 - Google Patents

一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微细加工技术领域,尤其涉及一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法。具体的,在刻蚀过程中,保持h/hA趋近于1,并在0.05~0.1Pa的压力下进行刻蚀;其中,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值。上述干法刻蚀方法能够克服Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料干法刻蚀产物饱和蒸气压低、难以挥发的问题,实现了高深宽的Ⅲ‑Ⅴ族半导体有源光子晶体刻蚀效果,同时兼顾实现了圆孔及狭缝等不同结构垂直侧壁刻蚀技术。此外,所述干法刻蚀方法刻蚀表面粗糙度低,刻蚀小孔/槽均匀。

Description

一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子 晶体结构制备方法
技术领域
本发明涉及微细加工技术领域,尤其涉及一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法。
背景技术
基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的电注入有源结构在垂直于量子阱平面的纵向折射率差很弱,使得纵向光场扩散超过1
Figure 59460DEST_PATH_IMAGE002
。为使二维光子晶有源结构与光场匹配,并使光场避开高损的金属电极区,这就需要至少1
Figure 404991DEST_PATH_IMAGE002
以上的刻蚀深度。现阶段,由于传统的湿法加工工艺难于实现刻蚀过程的精确控制,且受材料各晶面固有刻蚀速度不同的制约,无法实现小尺寸图形的制备。因此,目前半导体材料的光子晶体刻蚀基本采用感应耦合等离子(Inductively Coupled Plasma,ICP)干法刻蚀技术。
然而,ICP干法刻蚀方法涉及复杂的物理、化学反应,且刻蚀过程中众多因素与环节均会影响刻蚀效果在具体实施时存在诸多难点。首先,光子晶体的孔径只有200nm左右,纵向刻蚀深度需要超过1
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,反应物难以从又深又小的刻蚀孔中挥发出来,这就使得具有高深宽比的深刻蚀技术是有源光子晶体结构制备的关键工艺难点;其次,ICP干法刻蚀过程涉及的多个工艺参数本身就存在一定相关性,同时,与最终刻蚀的深宽比以及垂直度之间也存在综合、复杂的关系;最后,由于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料干法刻蚀的产物具有气化温度高而饱和蒸气压低的特点,反应物不易从表面脱离,并且会进一步形成微掩膜效应,致使刻蚀表面粗糙,光子晶体小孔刻不深等问题。
同时,对于不同材料和结构,涉及到的工艺参数的优化方向和难度也不尽相同。
例如,对于InP刻蚀,反应物InCl3的饱和蒸气压低、难以挥发是影响侧壁钝化动态平衡的关键。作为一般的脊波导结构,裸露的刻蚀面有利于InCl3的挥发,比较容易实现高深宽比和垂直侧壁刻蚀(见图1)。而对于由周期排列小孔构成的光子晶体结构,情况则大不相同。
以1.55
Figure 650289DEST_PATH_IMAGE004
通信波段的III-V族有源光子晶体为例,其典型结构参数为晶格周期400nm、空气孔半径100nm、孔深要求达到1
Figure 573115DEST_PATH_IMAGE004
以上。这种结构的刻蚀,反应物难以从又深又小的刻蚀孔中挥发出来,深度越大的地方反应物沉积越多,侧蚀速度越慢,小孔呈现倒梯形而使得纵向刻蚀停止,无法达到需要的深度。因此,大深宽比(Aspect Ratio)的刻蚀工艺是制备有源光子晶体结构的关键工艺难点,也是ICP干法刻蚀技术中最具有挑战性的研究课题。
同时,在形成足够深度的光子晶体小孔时,较难保证侧壁的垂直度。目前,仅少数研究组可以刻蚀深宽比大于10的Ⅲ-Ⅴ族光子晶体波导,而更高的深宽比兼备垂直侧壁的刻蚀效果是制备有源光子晶体结构的关键工艺难点,也是感应耦合等离子干法刻蚀技术中具有挑战性的研究课题,国际上鲜有人完成。
发明内容
本发明提供一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法,用以解决现有技术中刻蚀效果差的缺陷,实现大深宽比兼顾垂直侧壁的光子晶体刻蚀效果。
本发明提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,在刻蚀过程中,保持h/hA趋近于1;并在0.05~0.1Pa的压力下进行刻蚀;
其中,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值。
传统的侧壁钝化技术是利用干法刻蚀过程中自身产生的反应物沉积在刻蚀侧壁上来阻止化学横向侧蚀,但较难保证侧壁不同深度的横向侧蚀速度一致,反应生成物沉积在侧壁上不同的沉积和析出速度会形成不同小孔形状(见图2中的图a与图b)。
而本发明通过大量尝试后发现,通过控制h/hA趋近于1实现接近垂直的刻蚀侧壁形貌的效果较好(见图2中的图c)。其中,在干法刻蚀的过程中,刻蚀侧壁的垂直度主要受干法刻蚀过程中化学反应气体的等离子体纵向物理轰击和化学横向侧蚀的影响。反应生成物的析出和其在侧壁的沉积决定了横向侧蚀的速度,加快反应生成物的析出会促进横向侧蚀,而反应生成物沉积在侧壁上产生的保护作用是阻止横向侧蚀的因素。
同时,本发明发现,控制反应腔气压在上述限定范围内,能够有效避免Ⅲ-Ⅴ族半导体材料干法刻蚀产物因饱和蒸气压低、难以挥发导致的刻蚀深度较浅等问题,进而能够提高刻蚀深宽比。
作为优选,在刻蚀过程中,先在第一反应腔气压0.5~2Pa以及第一偏置功率0~100W下进行预起辉;而后在第二反应腔气压0.05~0.1Pa以及第二偏置功率100~500W下进行刻蚀。
本发明发现,当限定反应腔气压与偏置功率在上述范围内时,不仅能够有效改善低压下产生稳定的等离子体放电难度大的问题,同时还能阻止预起辉对电子束胶造成破坏,有利于超低气压下实现高深宽比的刻蚀。
为了尽可能使h和hA保持一致,以获得垂直侧壁兼顾高深宽比的光子晶体刻蚀效果,本领域人员对关键参数条件进行了进一步探究与优化,得到如下技术方案。
作为优选,在刻蚀过程中,控制所述第二偏置功率和等离子功率的比值为0.1~10;更优选地为0.3~3。
作为优选,所述等离子功率为200~400W。
作为优选,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4,所述Cl2和所述SiCl4的流量比为0.2~5。
作为优选,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4,所述Cl2的流量为0.1~5sccm,更优先地为0.3~3sccm。
作为优选,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4,所述SiCl4的流量为1~5sccm。
作为优选,所述刻蚀的温度为150~300℃;更优选地为200~250℃。
作为本发明的一个优选方案,所述Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法包括:
(1)先在第一反应腔气压0.5~2Pa以及第一偏置功率0~100W下进行预起辉;
(2)而后在第二反应腔气压0.05~0.1Pa以及第二偏置功率100~500W下进行刻蚀;控制所述第二偏置功率和等离子功率的比值为0.3~3;所述刻蚀的温度为200~250℃;反应气体为Cl2和SiCl4,所述Cl2和所述SiCl4的流量比为0.2~5;
在刻蚀过程中,保持h/hA趋近于1,并在0.05~0.1Pa的压力下进行刻蚀;
其中,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值。
本发明还提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构,其由上述干法刻蚀方法制得。
在具体实施中,本领域技术人员能够根据需要,将所述Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构进一步制备为Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体波导或微腔。
基于上述技术方案,本发明的有益效果在于:
本发明提供的一种极低气压反应腔下的侧壁钝化侧蚀动态平衡深刻蚀光子晶体结构制备方法,通过调控刻蚀反应腔气压以及反应物析出和沉积的速度,克服了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料干法刻蚀产物饱和蒸气压低、难以挥发的问题,实现了高深宽的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体刻蚀效果,同时兼顾实现了圆孔及狭缝等不同结构垂直侧壁刻蚀技术。此外,刻蚀表面粗糙度低,刻蚀小孔/槽均匀。
附图说明
图1是背景技术中所述的InP材料的脊波导结构;
图2是干法刻蚀过程中反应生成物不同沉积和析出速度形成不同小孔形状的示意图;其中,图a为小孔底部横向侧蚀速度较快,形成正梯形的孔形;图b为小孔底部反应物InCl3沉积过多引起横向侧蚀速度较慢,形成倒梯形的孔形;图c为本发明中h/hA趋近于1时的侧蚀动态平衡刻蚀的孔形,其中,A点代表刻蚀孔开口处位置,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值;
图3是实施例1中ICP干法刻蚀的电子扫描显微照片;
图4是实施例2中ICP干法刻蚀的电子扫描显微照片;
图5是对比例1中ICP干法刻蚀的电子扫描显微照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明中干法刻蚀试验通过调试使用日本SAMCO公司的RIE-200iP设备完成。
以下主要介绍一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构及其制备方法,但在具体实施时,本领域技术人员能够根据需要,将所述有源光子晶体结构进一步制备为有源光子晶体波导或微腔。
实施例1
本实施例提供一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构,其由如下干法刻蚀方法制得,包括:先在第一反应腔气压0.5Pa以及第一偏置功率50W下进行预起辉;而后在第二反应腔气压0.05Pa以及第二偏置功率260W下进行刻蚀;所述刻蚀过程中,h/hA为1,第二偏置功率与等离子功率的比值为13/11;刻蚀温度为230℃,气体组份为体积流量比1/3的Cl2和SiCl4。具体刻蚀效果见图3。
从图3中可见,刻蚀侧壁垂直;直径为200nm的光子晶体小孔的刻蚀深度为3559nm,对应深宽比接近18;而槽宽为40nm的细缝的刻蚀深度高达1803nm,对应深宽比超过45。
除以上两组数据以外,图3中其他孔和缝也实现了刻蚀侧壁垂直兼具较高深宽比的效果。
实施例2
本实施例与实施例1刻蚀参数设置相同,区别仅在于,预起辉中,设置第一反应腔气压为0.5Pa,第一偏置功率为260W。具体刻蚀效果见图4。
从图4中可见,刻蚀侧壁垂直;直径为212nm的孔刻蚀深度为2365nm,对应深宽比11。
对比例1
本对比例与实施例1刻蚀参数设置基本相同,区别仅在于,刻蚀过程中,没有预起辉的操作,直接控制反应腔气压为0.5Pa。具体刻蚀效果见图5。
从图5中可见,在反应腔气压为0.5Pa时,小孔的刻蚀深度较浅。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,保持h/hA趋近于1,并在0.05~0.1Pa的压力下进行刻蚀;
其中,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值。
2.根据权利要求1所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,先在第一反应腔气压0.5~2Pa以及第一偏置功率0~100W下进行预起辉;而后在第二反应腔气压0.05~0.1Pa以及第二偏置功率100~500W下进行刻蚀。
3.根据权利要求2所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,控制所述第二偏置功率和等离子功率的比值为0.1~10。
4.根据权利要求3所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,所述等离子功率为200~500W。
5.根据权利要求1~4任一项所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4;所述Cl2和所述SiCl4的流量比为0.2~5。
6.根据权利要求5所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4,其中,所述Cl2的流量为0.1~5sccm。
7.根据权利要求5所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,在刻蚀过程中,反应气体为Cl2和SiCl4,其中,所述SiCl4的流量为1~5sccm。
8.根据权利要求1~4任一项所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,所述刻蚀的温度为150~300℃。
9.根据权利要求1所述的Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构的干法刻蚀方法,其特征在于,包括:
(1)先在第一反应腔气压0.5~2Pa以及第一偏置功率0~100W下进行预起辉;
(2)而后在第二反应腔气压0.05~0.1Pa以及第二偏置功率100~500W下进行刻蚀;控制所述第二偏置功率和等离子功率的比值为0.3~3;所述刻蚀的温度为200~250℃;反应气体为Cl2和SiCl4,所述Cl2和所述SiCl4的流量比为0.2~5;
在刻蚀过程中,保持h/hA趋近于1,并在0.05~0.1Pa的压力下进行刻蚀;
其中,h代表反应物析出速度和沉积速度的比值,hA代表刻蚀孔开口处的反应物析出速度和沉积速度的比值。
10.一种Ⅲ-Ⅴ族半导体有源光子晶体结构,其特征在于,其由权利要求1~9任一项所述的干法刻蚀方法制得。
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