JP2005129943A - 電気光学素子のためのｉｉｉ−ｖ族ベースの化合物による側壁にエッチングを施すための方法 - Google Patents

電気光学素子のためのｉｉｉ−ｖ族ベースの化合物による側壁にエッチングを施すための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマを用いた高アスペクト比のエッチングを実現するための改良された方法を提供する。
【解決手段】エッチング方法は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及びマスクを入れるステップと、ＨＢｒ、ＨＩ、及び、ＩＢｒから選択された第１のガスをリアクタ内に送り込むステップと、ＢＣｌ３の第２のガスをリアクタに送り込むステップと、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を第１のガス及び第２のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する。
【選択図】図１

Description

ＩＩＩ−Ｖ化合物の平滑な側壁に対するエッチングは、光学性能のために重要である。電気光学素子における散乱損失は、側壁の粗さに比例する。従って、導波路、マイクロディスク共振器、フォトニック結晶導波路、及び、フォトニック結晶共振器のようなデバイスの性能は、側壁の粗さの低減によって左右される。ＩｎＰ及びＧａＡｓの単一モード・リッジ型導波路は、一般に、導波路表面からの散乱損失が伝搬損失の大きい成分になるので、単一モード性能を維持するのに、ほぼ０．５μｍほどの寸法を必要とする。低損失の導波路を得るため、ＩｎＰのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物に施されるエッチングに関する大部分の研究は、標準的な反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）・システムにおける化学製品ＣＨ４：Ｈ２に集中している。標準的なＲＩＥにおいて得られる側壁の特徴は、側壁が傾斜しているという点にある。電気光学素子には、素子の性能を向上させるのに、極めて垂直性の高い側壁の幾何学形状を必要とするものもある。例えば、フォトニック結晶格子の場合、素子の性能向上のため、側壁の幾何学形状の垂直性を極めて高くして、大きい光学的バンド・ギャップが得られるようにすることが重要である。従って、幾何学形状の垂直性が極めて高く、平滑な側壁が得られるようにするエッチング化学製品を用いることができるのが望ましい。
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）・エッチング・システムによれば、活性種の濃度が増すため、大部分の材料について、より垂直性の高いエッチングが生じる。しかし、化学製品の選択も、高アスペクト比のエッチングを実現するのに重要な役割を果たす。一般に、ＩｎＰのエッチングには、ＣＨ４：Ｈ２をベースの化学製品が用いられるが、ＣＨ４：Ｈ２をベースにした化学製品は、極めてアスペクト比の高いエッチングが困難である。塩素は反応性が高いので、高アスペクト比のエッチングを実現するのに、塩素をベースにした化学製品を利用することには問題がある。Ｍｉｒｋａｒｉｍｉによる最新の研究によって示されるように、化学製品ＨＢｒ：ＣＨ４：Ｈ２を利用して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物に深いエッチングを実現するのが有効である。しかし、化学製品ＨＢｒ：ＣＨ４：Ｈ２を利用する場合、ＩｎＧａＡｓＰのような、四元組成をなすエッチングされたＩＩＩ−Ｖ族構造の側壁は、粗い側壁を示す。
プラズマを用いた高アスペクト比のエッチングを実現するための改良された方法を提供することをその目的とする。
ＢＣｌ３を添加化学製品として用いると、平滑な側壁と共に、高アスペクト比のエッチングが得られることになる。ＢＣｌ３の添加物によって、エッチングを施される側壁及び他の表面の平滑性が向上する。狭い導波路における光学損失は、一般に、ＢＣｌ３の添加によって１０分の１に低減し、標準的なＣＨ４：Ｈ２ベースの化学製品を利用した３５ｎｍ／分のエッチング速度に比べると、一般に、３７０ｎｍ／分のエッチング速度を実現することが可能である。
即ち、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、ＨＢｒ、ＨＩ、及び、ＩＢｒから選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス及び前記第２のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法を提供する。
好ましくは、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物がインジウムを含む。
好ましくは、前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチング・システムを用いて発生させられる。
好ましくは、前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチングと誘導結合プラズマの組み合わせシステムを用いて発生させられる。
好ましくは、第１の高周波発生器が、約０乃至２００ワットの範囲で動作させられ、第２の高周波発生器が、約５０乃至８００ワットの範囲で動作させられる。
好ましくは、前記第１のガスの濃度が、約１０容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲である。
好ましくは、前記第２のガスの濃度が、約５容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲である。
好ましくは、さらに、ＣＨ４及びＨ２を前記リアクタに送り込むステップを有する。
好ましくは、前記ＣＨ４対前記Ｈ２の比が、５：１００乃至７０：３０の範囲内である。
好ましくは、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物が約６０℃の初期温度まで加熱される。
さらに本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、ＨＢｒ、ＨＩ、及び、ＩＢｒから選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、ＣＨ４の第３のガスを前記リアクタに送り込むステップと、Ｈ２の第４のガスを前記リアクタに送り込むステップと、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス、第２、第３、及び、第４のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法を提供する。
好ましくは、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物がインジウムを含む。
好ましくは、前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチング・システムを用いて発生させられる。
好ましくは、前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチングと誘導結合プラズマの組み合わせシステムを用いて発生させられる。
好ましくは、第１の高周波発生器が、約０乃至２００ワットの範囲で動作させられ、第２の高周波発生器が、約５０乃至８００ワットの範囲で動作させられる。
好ましくは、前記第１のガスの濃度が、約１０容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲である。
好ましくは、前記第２のガスの濃度が、約５容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲とされる。
好ましくは、前記第３のガス対前記第４のガスの比が、５：１００乃至７０：３０の範囲内とされる。
さらに、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、ＶＩＩ族のガス種から選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス及び前記第２のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法を提供する。
さらに、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物にエッチングするための方法であって、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、ＢＣｌ３の第１のガスを前記リアクタに送り込むステップと、ＣＨ４第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、Ｈ２の第３のガスを前記リアクタに送り込むステップと、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１、第２、第３、及び、第４のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法を提供する。
好ましくは、前記第２のガス対前記第３のガスの比が約２：１である。
本発明の実施態様の１つによれば、ＩＩＩ−Ｖ族のエピタキシャル層１１０上またはサンプル１００のＩＩＩ−Ｖ族の基板１０５上に、一般に、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４である、適正なマスク層１２０（図１（ａ）参照）が成長させられる。層１３０は、フォトレジストまたは電子ビーム・レジストである。典型的なＩＩＩ−Ｖ族材料は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及び、ＢのようなＩＩＩ族元素と、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、及び、ＳｂのようなＶ族元素の組み合わせのものである。本発明によれば、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４のマスク１２０材料または他の同様のマスク材料を利用すると、マスク材料とＩＩＩ−Ｖ族材料との間にエッチング選択性が得られる。ＩｎＰ／ＳｉＯ２のエッチング速度比は、エッチング条件によって決まる２０〜５０の範囲にわたるが、これはきわめて広い。塩素Ｃｌ２をベースにした化学製品では、こうしたタイプのエッチング比は得られない。図１（ｂ）の場合、マスク層１２０は、直接書き込み電子ビーム、標準接触リソグラフィ、または、一般に、ほぼ１μｍ程度の所望の特徴サイズに適した他のリソグラフィといった、リソグラフィ技法によって層１３０上に形成される。一般に、所望のエッチング・パターンは、ＲＩＥシステムにおけるＣＨＦ３のように、ドライ・エッチング技法を用いてマスク層１２０に転写される。次に、ＲＩＥまたは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）・システムを用いて、サンプル１００にエッチングが施され、側壁１１５が平滑な、高アスペクト比の構造が生じることになる。図１（ｃ）の場合、高圧（４００ミリトル（１トル＝１／７６０気圧））のＯ２プラズマ洗浄が後続する、溶剤浴を利用して、フォトレジスト層１３０が除去される。
本発明の実施態様の１つによれば、次に、リソグラフィによって形成された特徴が、ＣＨ４、Ｈ２、ＨＢｒ、及び、ＢＣｌ３を含む化学製品を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族層１１０またはＩＩＩ−Ｖ族基板１０５に転写される。ＣＨ４、Ｈ２、ＨＢｒ、及び、ＢＣｌ３を含む化学製品によれば、側壁１１５にパッシベーション層を形成することによって、所望の平滑なエッチングが可能になる。図１の側壁１１５の平滑性は、走査型電子顕微鏡検査によって推定可能であり、これは、さらに、伝搬損失測定にも影響する。本発明によれば、ＨＢｒの代わりに、ＨＩまたはＩＢｒ、あるいは、ＶＩＩ族ガス種（Ｂｒ、Ｆ、Ｉ）の何らかの組み合わせを用いることも可能であるという点に留意されたい。ヨウ素（Ｉ）は、一般に、臭素（Ｂｒ）と同様の反応をして、例えば、塩素（Ｃｌ）と比べると揮発性の低い、インジウム（Ｉｎ）を含む塩になり、再び、側壁１１５にパッシベーション層を形成する。さらに、本発明によれば、Ｈ２及びＣＨ４と共に、ＢＣｌ３を利用することによって、ＣＨ４対Ｈ２の比が、それぞれ、例えば、２：１といったように、１：１を超えるようにすることが可能である。
本発明によれば、エッチング化学製品は、一般に、ＨＢｒ：ＣＨ４：Ｈ２：ＢＣｌ３の組み合わせである。本発明による典型的な組み合わせでは、ＨＢｒ：ＣＨ４：Ｈ２の比は、約３０：５：５に設定されるが、ＢＣｌ３は、約５０容量％まで調整することが可能である。一般に、ＲＩＥの代わりにＩＣＰを利用すると、平滑性が向上するが、一般には、ＲＩＥだけを利用して、表面粗さの大幅な低減を実現することが可能である。
本発明による実施態様の１つでは、ＨＢｒ：ＣＨ４：Ｈ２の比は、約３０：５：５に設定されるが、ＢＣｌ３は、約３３容量％まで調整することが可能である。一般に、この実施態様の場合、側壁１１５の表面粗さと共に、伝搬損失も大幅に低減する。図２のグラフ２００から明らかなように、ＢＣｌ３の濃度が約３３容量％に近づくと、伝搬損失が低減し、ＢＣｌ３の濃度が約３３容量％を超えると、側壁１１５の表面粗さが増す結果として、伝搬損失は増大する。
図３を参照すると、本発明によるリアクタ３０５の典型的な値については、その高周波（ＲＦ）発生器３１０が、一般に、約１３．５６ＭＨｚ及び０〜２００ワットの範囲で動作し、一方、ＲＦ発生器３２０は、一般に、約２ＭＨｚ及び５０〜８００ワットの範囲で動作し、リアクタ３０５の圧力は一般に２〜２０ミリトルの範囲である。サンプル１００は、ヒータ３５０上に配置される。ＩｎＰベースの材料の場合、温度は６０℃に設定されたが、実際の温度は、エッチング中にさらに高くなる可能性がある。温度設定は、エッチングを施される材料によって決まり、調査を受けた他のＩＩＩ−Ｖ族材料については、さらに高い場合もあれば、低い場合もあり得る。
ＲＦ発生器３２０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）電力を供給することによって、イオン化種の数を増加させ、図４（ａ）及び図４（ｂ）から明らかなように、側壁１１５に対する損傷を軽減して、異方性エッチングを可能にする。図４（ａ）には、純粋なＲＩＥエッチングが施されることになる、ＲＦ発生器３１０だけを利用した場合の、側壁１１５の電子顕微鏡写真が示されている。ＢＣｌ３：ＨＢｒ：Ｈ２：ＣＨ４の比は、３：３２：４：４に設定され、ＢＣｌ３は、７容量％に設定されている。図４（ｂ）には、ＲＦ発生器３１０とＲＦ発生器３２０の両方が用いられるように、ＩＣＰモードを含めて、リアクタ３０５を利用した場合の、大幅に平滑性を増した側壁１１５の電子顕微鏡写真が示されている。ＢＣｌ３：ＨＢｒ：Ｈ２：ＣＨ４の比は、３：３２：４：４に設定され、ＢＣｌ３は、７容量％に設定されている。
本発明による実施態様の１つでは、ＲＦ発生器３１０は、リアクタ３０５内の約５ミリトルの典型的な圧力において、一般に、約１００ワットに設定されるが、ＲＦ発生器３２０は、一般に、約４００ワットに設定される。しかし、これらの条件下において、有効なＤＣバイアスは、約３５０ボルトである。いくつかの光学用途では、このＤＣバイアス値が高すぎて、入射イオンがかなり付勢されるため、エッチング損傷を生じる可能性がある。ＤＣバイアスは、一般に、ＲＦ発生器３１０を７５ワット未満の値にまで低下させることによって、低下させることが可能である。ＲＦ発生器１の設定値が低下すると、ＤＣバイアスが低下し、同時に、平滑な側壁構造が保持される。
本発明の解説は、特定の実施態様に関連して行われたが、当該技術者には言うまでもないが、以上の解説を考慮すれば、多くの代替、修正、及び、変形実施態様が明らかになるであろう。従って、本発明は、付属の請求項の精神及び範囲内にある、他のこうした代替、修正、及び、変形実施態様の全てを包含することを意図したものである。
（ａ）から（ｃ）は、本発明によって、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングを施すためのステップを示す図である。 本発明によるエッチングにおける伝搬損失対ＢＣｌ３の容量パーセントの変化を示すグラフである。 本発明によるＲＩＥ及びＩＣＰモードが可能なリアクタを示す図である。 （ａ）から（ｂ）は、本発明によって、ＩＣＰモードを加える効果を示す図である。
符号の説明
３０５ リアクタ
３１０，３２０ 高周波発生器

Claims (21)

  1. ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、
    約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、
    ＨＢｒ、ＨＩ、及び、ＩＢｒから選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、
    ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス及び前記第２のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法。
  2. 前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物がインジウムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチング・システムを用いて発生させられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチングと誘導結合プラズマの組み合わせシステムを用いて発生させられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  5. 第１の高周波発生器が、約０乃至２００ワットの範囲で動作させられ、第２の高周波発生器が、約５０乃至８００ワットの範囲で動作させられることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記第１のガスの濃度が、約１０容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  7. 前記第２のガスの濃度が、約５容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. さらに、ＣＨ４及びＨ２を前記リアクタに送り込むステップを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ＣＨ４対前記Ｈ２の比が、５：１００乃至７０：３０の範囲内であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物が約６０℃の初期温度まで加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  11. ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、
    約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、
    ＨＢｒ、ＨＩ、及び、ＩＢｒから選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、
    ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    ＣＨ４の第３のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    Ｈ２の第４のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス、第２、第３、及び、第４のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法。
  12. 前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物がインジウムを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチング・システムを用いて発生させられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記ガス・プラズマが、反応性イオン・エッチングと誘導結合プラズマの組み合わせシステムを用いて発生させられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  15. 第１の高周波発生器が、約０乃至２００ワットの範囲で動作させられ、第２の高周波発生器が、約５０乃至８００ワットの範囲で動作させられることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第１のガスの濃度が、約１０容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  17. 前記第２のガスの濃度が、約５容量パーセント乃至約７５容量パーセントの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  18. 前記第３のガス対前記第４のガスの比が、５：１００乃至７０：３０の範囲内であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  19. ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物をエッチングするための方法であって、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、
    約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、
    ＶＩＩ族のガス種から選択された第１のガスを前記リアクタ内に送り込むステップと、
    ＢＣｌ３の第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１のガス及び前記第２のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法。
  20. ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物にエッチングするための方法であって、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物上にマスクを形成するステップと、
    約２ミリトル乃至２０ミリトルの圧力がかかるリアクタ内に、前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物及び前記マスクを入れるステップと、
    ＢＣｌ３の第１のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    ＣＨ４第２のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    Ｈ２の第３のガスを前記リアクタに送り込むステップと、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物を前記第１、第２、第３、及び、第４のガスを含むガス・プラズマにさらして、平滑で高アスペクト比の側壁にエッチングするステップとを有する方法。
  21. 前記第２のガス対前記第３のガスの比が約２：１であることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
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