TW202329224A - 用於光子裝置之圖案化方法 - Google Patents

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喬治 科沃爾
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美商沛思量子公司
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Abstract

本發明揭示一種蝕刻方法，其包含：在一基板上方形成包含鈦酸鋇層或鈦酸鍶層之一金屬氧化物層；在該金屬氧化物層上方形成一圖案化遮罩層；執行一各向異性乾蝕刻程序以蝕刻未被該圖案化遮罩層覆蓋之區域中之該金屬氧化物層；及執行一各向同性濕蝕刻程序以移除未被該各向異性乾蝕刻程序移除之殘餘材料且形成一圖案化金屬氧化物層。

Description

用於光子裝置之圖案化方法
本文中之實施例大體上係關於用於蝕刻材料以產生諸如移相器及開關之光電裝置之組件之方法。
光電(EO)調變器及光學開關係用於控制及操作光學信號之有用組件。一些EO調變器利用自由載子電折射、自由載子電吸收、柏格耳(Pockel)效應或DC克爾(Kerr)效應在操作期間修改光學性質以(例如)改變傳播通過EO調變器或開關之光之一相位。光學相位調變器可用於積體光學系統、波導結構、積體光電元件等等中。
儘管EO調變器及開關領域取得進步，但仍需要不斷改良與圖案化及蝕刻用於EO調變器、開關及相關裝置中之晶圓堆疊相關之方法及系統。
一種實施例蝕刻方法包含：在一基板上方形成包含鈦酸鋇層或鈦酸鍶層之一金屬氧化物層；在該金屬氧化物層上方形成一圖案化遮罩層；執行一各向異性乾蝕刻程序以蝕刻未被該圖案化遮罩層覆蓋之區域中之該金屬氧化物層；及執行一各向同性濕蝕刻程序以移除未被該各向異性乾蝕刻程序移除之殘餘材料且形成一圖案化金屬氧化物層。
另一種實施例蝕刻方法包含：在一基板上方形成包括鈦酸鋇層或鈦酸鍶層之一金屬氧化物層；在該金屬氧化物層上方形成一圖案化遮罩層；執行一第一各向異性乾蝕刻程序以蝕刻未被該圖案化遮罩層覆蓋之區域中之該金屬氧化物層；及執行具有比該第一各向異性乾蝕刻程序更高之一離子轟擊之一第二各向異性乾蝕刻程序以移除未被該第一各向異性乾蝕刻程序移除之殘餘材料且形成一圖案化金屬氧化物層。
參考附圖詳細描述各種實施例。圖式未必按比例且意欲繪示本發明之各種特徵。將在所有圖式中適當使用相同元件符號來指代相同或類似部件。參考特定實例及實施方案係為了繪示目的，而非意欲限制本發明或申請專利發範圍之範疇。
亦應理解，儘管本文在一些例項中使用術語「第一」、「第二」等等來描述各種元件，但此等元件不應受限於此等術語。此等術語僅用於使元件彼此區分。例如，在不背離各種描述實施例之範疇之情況下，一第一電極層可稱為一第二電極層，且類似地，一第二電極層可稱為一第一電極層。第一電極層及第二電極層係兩個電極層，但其等不是相同電極層。
所揭示之實施例係關於用於建構光學系統之組件之蝕刻及圖案化方法。實例性實施例在包含主動光學裝置之積體光學系統之背景中提供，但本發明不限於此等實例，而是廣泛適用於各種光學及光電系統。
根據一些實施例，本文中所描述之主動光子裝置利用光電效應(諸如半導體中之自由載子感應之折射率變動、柏格耳效應及/或DC克爾效應)來實施光學信號之調變及/或切換。因此，實施例適用於以下兩者：調變器，其中透射光經調變接通或切斷，或光經調變為部分改變透射百分比；以及光學開關，其中透射光在一第一輸出(例如波導)或一第二輸出(例如波導)或具有超過兩個輸出以及超過一個輸入之一光學開關上輸出。因此，本發明之實施例適用於包含利用本文中所討論之方法、裝置及技術之一M(輸入)×N(輸出)系統之各種系統組態。一些實施例亦係關於光電移相器裝置(在本文中亦指稱相位調整區段)，其等可用於開關或調變器內。
圖1係繪示根據各種實施例之一光學開關的一簡化示意圖。參考圖1，開關100包含兩個輸入：Input 1及Input 2以及兩個輸出：Output 1及Output 2。作為一實例，開關100之輸入及輸出可實施為經組態以支援單模或多模光束之光學波導。作為一實例，開關100可實施為分別與一組50/50分束器105及107耦合之一馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀。如圖1中所繪示，Input 1及Input 2光學耦合至一第一50/50分束器105，亦指稱一定向耦合器，其自Input 1或Input 2接收光且透過50/50分束器中之漸逝耦合將來自Input 1之輸入光之50%導引至波導110中且將來自Input 1之輸入光之50%導引至波導112中。同時，第一50/50分束器105將來自Input 2之輸入光之50%導引至波導110中且將來自Input 2之輸入光之50%導引至波導112中。僅考量來自Input 1之輸入光，輸入光均勻分配於波導110與112之間。
馬赫-曾德爾干涉儀120包含相位調整區段122。電壓V 0可跨相位調整區段122中之波導施加，使得其在相位調整區段122中可具有一可控變動折射率。因為波導110及112中之光在傳播通過第一50/50分束器105之後仍可具有一界限分明相位關係(例如，其等可為同相、180°異相等等)，所以相位調整區段122中之相位調整可在波導130及132中傳播之光之間引入一預定相位差。在波導130及132中傳播之光之間的相位關係可引起輸出光存在於Output 1 (例如，光束同相)或Output 2 (例如，光束異相)處，藉此在光導引至Output 1或Output 2時提供依據施加於相位調整區段122處之電壓V 0而變化之開關功能。儘管圖1中繪示一單一主動分支，但在其他實施例中，馬赫-曾德爾干涉儀之兩個分支可包含相位調整區段。
如圖1中所繪示，與全光開關技術相比，光電開關技術跨開關之主動區域使用一施加電偏壓(例如圖1中之V 0)來產生光學變動。由此電壓偏壓之施加感應之電場及/或電流引起主動區域之一或多個光學性質改變，諸如折射率或吸收率。儘管圖1中繪示一馬赫-曾德爾干涉儀實施方案，但本發明不限於此特定開關架構且其他相位調整裝置包含於本發明之範疇內，包含環形諧振器設計、馬赫-曾德爾調變器、廣義馬赫-曾德爾調變器及其類似者。
圖1中所繪示之光學開關可包含已自一晶圓圖案化之一波導結構。圖2繪示可自一晶圓製造商接收且根據本文中所描述之實施例蝕刻以產生波導結構之一實例性晶圓。圖2繪示根據各種實施例之包含一層堆疊之一第一晶圓之一橫截面，層堆疊可作為本文中所描述之各種裝置之一製程之部分接收。如所繪示，一第一絕緣基板層202可(視情況)安置於一晶種層204下方，晶種層204安置於一光電層206下方，光電層206 (視情況)安置於一電極層208下方，電極層208 (視情況)安置於一第二絕緣基板層210下方。替代地，電極層208可位於光電層206與第一絕緣基板層202之間。儘管圖2繪示存在五個層202至210之各者，但在各種實施例中，可缺少此等層之任何一或多者。換言之，第一晶圓可取決於待採用之特定製造方法而為各種類型，且可根據期望視情況存在或不存在晶種層、電極層及第二基板層。根據本文中所描述之實施例，圖2中所繪示之層之一或多者可經化學蝕刻以產生一光電組件。
晶圓之各層可具有各種類型之材料之任何者。例如，電極層208可包含諸如一金屬之一導電材料，或替代地，其可由一半導體材料組成。在各種實施例中，電極層可包含以下之一者：砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)/GaAs異質結構、砷化銦鎵(InGaAs)/GaAs異質結構、氧化矽(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、氧化銦(InO)、摻雜矽、鈦酸鍶(STO)、摻雜STO、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁、其摻雜變體或固溶體或二維電子氣。根據各種實施例，針對其中電極層可包含摻雜STO之實施例，STO可摻鈮或摻鑭或包含空位。
在各種實施例中，光電層206可包含以下之一或多者：STO、BTO、BST、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、PZT、PLZT、SBN、氧化鋁或其摻雜變體或固溶體。在一些實施例中，光電層可由具有大於第一及第二絕緣基板層之一折射率之一折射率之一透明材料組成。
圖3A係繪示根據一些實施例之一實例性完整波導結構之一橫截面的一簡化示意圖，其中用箭頭繪示感應電場之方向。圖3A中所繪示之波導結構可藉由執行本文中所描述之實施例之蝕刻技術來由圖2中所繪示之晶圓製造。圖3A展現兩個電接點，且各電接點包含連接至一電極(340及342)之一引線(330及332)。應注意，如本文中所使用，術語「電極」係指直接耦合至波導結構(例如，更改跨波導結構之電壓降且致動一光子開關)之一裝置組件。此外，術語「引線」可係指將電極耦合至裝置之其他組件之一後端結構(例如，引線可將電極耦合至一可控電壓源)，但引線與波導結構隔離且不直接耦合至波導結構。在一些實施例中，引線可由一金屬(例如銅、金等等)或替代地，一半導體材料組成。
如所繪示，圖3A繪示包含波導之兩側上之第一及第二包覆層310及312之一光子裝置。應注意，術語「第一」及「第二」僅意在區分兩個包覆層，且例如術語「第一包覆層」可係指波導之任一側上之包覆層。
圖3A進一步繪示包含耦合至第一電接點之第一電極及第二電接點之第二電極之一第一材料之一平板層320。在一些實施例中，波導結構進一步包含由第一材料(或一不同材料)組成且耦合至平板層之一脊部351，其中脊部安置於第一電接點與第二電接點之間。
如圖3A中所繪示，小箭頭展示大體上指向通過裝置之電極之正x方向之感應電場方向。電場在電極上方及下方依一凸形方式彎曲，如所繪示。此外，指向正x方向之大箭頭350繪示可行進通過平板層及波導之一光模之極化方向。
圖3B繪示一架構，其中波導結構之脊部351安置於平板層之頂側上且延伸至一第一包覆層312中，第一電極及第二電極在與頂側對置之平板層之底側上耦合至平板層。如所繪示，脊部及平板層之組合具有大於僅平板層320之一第二厚度360之一第一厚度362，且第一厚度相對於第二厚度之超量延伸至平板層320之頂側上之第一包覆層312中。如圖3B中所繪示，第一電極340及第二電極342可在與頂側對置之平板層之底側上耦合至平板層320。此外，第一電接點330可藉由自平板層之頂側穿透平板層320至平板層之底側來耦合至第一電極340，且第二電接點332可藉由自平板層之頂側穿透平板層320至平板層之底側來耦合至第二電極342。
圖4係圖3A及圖3B之一光子移相器架構之一俯視圖，其可根據本文中所描述之實施例圖案化。如所繪示，移相器可包含第一引線430及第二引線432、第一電極440及第二電極442、一平板(例如波導)層420及波導結構之一脊部451。
圖5係繪示根據一些實施例之一晶圓蝕刻設備600的一示意圖。所繪示之晶圓蝕刻設備係一晶圓蝕刻設備之一個實例。各種其他類型之設備可在其他實施例中用於執行本文中所描述之蝕刻程序。如所繪示，一處理氣體(例如HBr及Cl 2之一組合及其他可能性)可透過蝕刻處理室602之頂部插入且使用一淋浴頭604分佈於腔室之頂部區域上。如所繪示，包繞腔室602之電感器線圈606連接至經組態以在腔室602內引入一快速振盪磁場之一高頻(HF)射頻(RF)產生器(例如一60 MHz RF產生器) 608。
感應振盪場可與處理氣體相互作用以電離氣體。在腔室602之底部處，一低頻(LF) RF產生器(例如，通常為一13.5 MHz產生器或另一頻率) 610可電容耦合至基座612以在基座之頂面上引入一振盪電容電荷。此LF振盪電荷將使電離氣體粒子加速向下以與定位於基座612上之晶圓(例如含有待蝕刻之一或多個層之基板) 614碰撞且化學蝕刻晶圓614。最後，化學蝕刻反應之氣態化學副產物可透過腔室602之底部處之一低強度泵616排出。
建構上述光電系統之組件可涉及一蝕刻程序將一晶圓修改成一光電組件，諸如一波導結構。用於晶圓蝕刻之習知方法存在限制，而本文中之實施例提供用於晶圓蝕刻之改良方法。
圖6繪示用於蝕刻BTO (即，BaTiO 3)之一離子銑削方法。BTO係難以使用反應離子蝕刻(RIE)圖案化之一材料，因為BTO不與氟或氯形成揮發性副產物，鹵化物常用於電漿蝕刻中。使用習知氟及氯蝕刻BTO之化學副產物在約1500℃以下不揮發。因此，此等副產物在一RIE室中可用之溫度及壓力不會自晶圓解吸。因此，如圖6中所繪示，用於圖案化一BTO層20之一些先前實施方案已聚焦於使用氬之離子束蝕刻，較緩慢且對遮罩(例如氧化矽硬遮罩) 22幾乎沒有選擇性之一程序。在離子銑削期間，氬離子加速朝向BTO表面且實體中斷鋇及鈦原子。此等原子接著透過排放口抽出。然而，經蝕刻原子通常可再沈積於晶圓之表面上之別處以引起非所要缺陷。另外，離子銑削係非選擇性的，使得有效利用一硬遮罩需要硬遮罩22比所要圖案化深度更厚以導致材料成本及蝕刻時間增加。
為解決此等及其他顧慮，本文中之實施例提供其中使用溴化氫(HBr)及氯氣(Cl 2)之一混合物蝕刻BTO層20以分別形成揮發性副產物BaBr 2及TiCl 4之一方法。如圖7中所繪示，電離HBr及Cl 2之一部分氣體混合物，且使用此電離氣體蝕刻BTO。BaBr 2在120℃、1個大氣壓下變得易揮發，其係習知RIE室完全可及的。在各種實施例中，為圖案化晶圓，可使用具有SiO 2或Si 3N 4硬遮罩22、24之若干整合方案，因為兩個材料可與含HBr/Cl 2之化學物相容。
在一些實施例中，BaBr 2之形成可藉由在電漿中存在氧、氫及/或氬離子來輔助。與用於離子銑削之能量相比，氧、氫及/或氬離子可以更低能量加速朝向表面。Br及Cl自由基係電中性的且可擴散至晶圓表面。兩種副產物容易自晶圓表面解吸且可自腔室抽出而無不再沈積於晶圓上。
額外益處係：HBr/Cl 2混合物對SiO 2或Si 3N 4硬遮罩具選擇性。與一物理離子銑削程序相比，使用一化學輔助蝕刻之BTO蝕刻速率亦更高，且其具有導致線邊緣粗糙之條紋之一更低風險。圖8至圖11繪示根據各種實施例之在圖案化一光電層時利用一硬遮罩之不同方法。
圖8繪示利用SiO 2之一硬遮罩22來圖案化BTO層20。在一個實施例中，BTO層20可用作圖3B之裝置中之平板/脊光電層320。選擇SiO 2硬遮罩22之原因係此材料對基於HBr之電漿中之SiO 2展現高選擇性。硬遮罩22可在一先前步驟中圖案化。一STO層40可視情況位於BTO層20下方。STO層40可用於形成圖3B之介電電極340、342。STO層40可在形成BTO層20之前藉由任何適合方法(諸如離子銑削)圖案化。選用STO層40及BTO層20可形成於絕緣基板層202上方，諸如上文關於圖2所描述之二氧化矽或氮化矽層。
絕緣基板層202可為隨後被移除之一臨時層或可作為一包覆層留在最終光電裝置中。此外，晶種層204亦可視情況形成於BTO層20下方，如上文所描述。晶種層204隨後可被移除或留在最終光電裝置中。如所繪示，BTO層20使用HBr/Cl 2化學物蝕刻。除兩種主要蝕刻氣體之外，亦添加O 2用於選擇性針對SiO 2硬遮罩22以及用於輪廓控制且添加氬來依離子轟擊之形式供應能量。
圖9繪示利用氮化矽(Si 3N 4)之一硬遮罩24來圖案化BTO層20。氮化矽類似於二氧化矽，因為其難以用HBr蝕刻，其引起類似於SiO 2硬遮罩22情況之高選擇性，BTO層20使用HBr/Cl 2化學物蝕刻。除兩種主要蝕刻氣體之外，亦添加O 2用於輪廓控制且添加氬來依離子轟擊之形式供應能量，正如SiO 2硬遮罩之情況。
圖10繪示類似於圖8中所展示之SiO 2之一硬遮罩22，其在一些實施例中可用於圖案化BTO層20。歸因於增大蝕刻深度，硬遮罩22比圖8中更厚。BTO層20及STO層40一起使用HBr/Cl 2化學物蝕刻或藉由在使用HBr/Cl 2化學物蝕刻BTO層20之後視情況使用離子銑削蝕刻STO層40來蝕刻。除兩種主要蝕刻氣體之外，亦添加O 2用於選擇性針對SiO 2硬遮罩22以及用於輪廓控制且添加氬來依離子轟擊之形式供應能量。在此實施例中，蝕刻整個BTO堆疊且程序在下方SiO 2絕緣基板層202上停止。
圖11繪示類似於圖9中所展示之硬遮罩之Si 3N 4之一硬遮罩24，其可用於圖案化BTO層20。硬遮罩24比圖9中所展示之硬遮罩更厚以適應增大蝕刻深度。BTO層20及STO層40一起使用HBr/Cl 2化學物蝕刻或藉由在使用HBr/Cl 2化學物蝕刻BTO層20之後視情況使用離子銑削蝕刻STO層40來蝕刻。除兩種主要蝕刻氣體之外，亦添加O 2用於選擇性針對氮化矽硬遮罩24以及用於輪廓控制且添加氬來依離子轟擊之形式供應能量。在此實施例中，蝕刻整個BTO堆疊且過程在下方SiO 2絕緣基板層202上停止。
本文中針對BTO層20蝕刻所描述之實施例提供相較於既有方法(諸如使用與氟混合之氬離子之離子銑削)之優點。由於由本文中之實施例產生之副產物易於自表面解吸，因此所產生之晶圓(即，支撐經蝕刻BTO層20之絕緣基板層202)可退出圖5中所展示之處理室602，比使用離子銑削程序產生之晶圓具有更少缺陷。另外，化學輔助蝕刻具有一更高蝕刻速率以導致更短處理時間。此外，根據一些實施例所描述之蝕刻方法可具有諸如壓力、功率及氣體組成之更多可調諧參數，其允許改良程序之控制。本文中之實施例提供對硬遮罩之改良選擇性以簡化程序整合。本文中所描述之化學蝕刻方法不像離子銑削那樣粗暴以降低條紋及邊緣通道風險，其繼而引起線邊緣粗糙。
在一些實施例中，HBr可與空氣中之水分反應且再沈積於晶圓上。此再沈積指稱時間相依混濁且可在晶圓清潔期間溶解。在一些實施例中，未處理晶圓可與經處理晶圓實體分離。此可防止混濁沈積於未處理晶圓之表面上且引起微遮罩。
如上文所描述，使用習知電漿乾蝕刻來圖案化BTO及STO薄膜及材料無法有效移除Ba及Sr原子，因為BTO不與氟或氯形成揮發性副產物，鹵化物常用於電漿蝕刻中。因此，使用此一習知方法需要使用一高濺射組分之一電漿乾蝕刻。然而，使用此一程序會引起遮罩材料更快腐蝕且因此會引起遮罩具有一更低蝕刻選擇性。就此而言，一高濺射蝕刻可增加微遮罩缺陷、殘餘物及表面粗糙度。此外，歸因於Ti蝕刻產物之更高揮發，此可引起Ti相較於Ba或Sr之優先蝕刻。避免此等問題之一個方法係使用基於HBr及Cl 2之一蝕刻程序，如上文參考圖7至圖11所描述。在替代實施例中，可使用兩步驟乾/濕蝕刻，如下文更詳細描述。
替代實施例使用一第一電漿乾蝕刻來高保真地圖案化BTO/STO材料，接著使用一濕蝕刻以藉由產生含Ba及/或Sr之蝕刻產物(例如由化學反應導致之含Ba及/或Sr之化合殘餘物)來移除含Ba及/或Sr之殘餘物，其可溶解於一水溶液中。使用兩步驟乾/濕蝕刻程序可優於單獨使用一乾或濕蝕刻。除上述僅使用一乾蝕刻之缺點之外，一乾蝕刻(例如離子束蝕刻或離子銑削)可具有一慢蝕刻速率且無法用於300 mm晶圓製造。歸因於優先蝕刻晶界或其他缺陷，僅使用一各向同性濕蝕刻可導致粗糙線邊緣特徵。此外，歸因於濕蝕刻速率可變性及各向同性行為，嚴格臨界尺寸(CD)及輪廓控制(諸如側壁角)可能難以維持。
BTO及/或STO薄膜(即，層)圖案化可使用一遮罩層來執行。在一些實施例中，一光阻劑可用作一遮罩層，而在其他實施例中，可使用其他適合遮罩材料(例如硬遮罩，諸如氧化矽、氮化矽、金屬、碳等等)。未被遮罩層覆蓋之BTO或STO膜之部分可經受化學反應或物理轟擊或此等兩個程序之一組合以移除BTO膜。在一個實施例中，BTO或STO膜之未遮罩部分可使用兩步驟乾/濕蝕刻程序完全或部分蝕刻且不留下膜或程序之任何副產物。
在一第一步驟中，一電漿乾蝕刻程序(其係一各向異性蝕刻程序)可用於界定一圖案化結構。此一各向異性蝕刻可用於保持由遮罩材料界定之CD且產生由遮罩材料之邊緣之一低邊緣粗糙度界定之一低線邊緣粗糙度。由於電漿乾蝕刻無法有效移除含Ba及/或Sr之殘餘物(例如留在經蝕刻區域中之諸如BaF 2、BaCl 2、SrF 2及/或SrCl 2之含Ba及/或Sr之化合物)，所以可施加包含亦蝕刻BTO及STO之一濕蝕刻化學物之一第二步驟以藉由去除含Ba或Sr之殘餘物、藉由溶解Ba或Sr化合物或藉由在含Ba及/或Sr之殘餘物下方底切膜之一部分來移除溶液中之剩餘含Ba及/或Sr之殘餘物。濕蝕刻可包含含鹵素之蝕刻劑化學物且視情況含有酸或氧化劑之至少一者。然而，亦可使用含非鹵素之蝕刻劑化學物。
圖12A係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之一中間結構1200a之一垂直橫截面圖。中間結構1200a可包含形成於一基板202上方之一光電層20L。光電層20L可沈積為一毯覆(即，未圖案化)層且可包含上述之一光電材料，諸如BTO或STO。中間結構1200a可進一步包含一圖案化遮罩層，諸如一光阻劑遮罩層26。替代地，上述SiO 2或Si 3N 4硬遮罩層22、24可代以用作一遮罩層。圖案化光阻劑26可藉由沈積光阻劑材料之一毯覆層(未展示)及使用光微影技術圖案化光阻劑材料以形成圖案化光阻劑26來形成。圖案化光阻劑26可接著用作一遮罩層以選擇性蝕刻光電層20L。
圖12B係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之一中間結構1200b之一垂直橫截面圖。圖12B之中間結構1200b包含可在對圖12A之光電層20L執行一第一乾蝕刻程序之後形成之一經蝕刻光電層20。在此實施例中，可在蝕刻穿過光電層20L之未遮罩部分之整個厚度之前且在到達基板202之表面之前停止乾蝕刻。如圖12B中所展示，歸因於未完全移除Ba及/或Sr組分(例如Ba及或Sr殘餘物)，經蝕刻光電層20可包含各種表面缺陷1208。可接著執行一濕蝕刻程序以移除表面缺陷1208且進一步蝕刻經蝕刻光電層20，如下文參考圖12C更詳細描述。
圖12C係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之一中間結構1200c之一垂直橫截面圖。如圖12C中所展示，濕蝕刻程序可用於移除由乾蝕刻程序留下之表面缺陷1208。在此實施例中，可在蝕刻穿過光電層20之未遮罩部分之整個厚度之前且在到達基板202之表面之前停止濕蝕刻。如上文所提及，濕蝕刻係一各向同性蝕刻，與乾蝕刻係一各向異性蝕刻形成對比。因此，如圖12C中所展示，濕蝕刻可移除圖案化光阻劑26下方之經蝕刻光電層20之部分，藉此產生具有錐形側壁20S之底切區域。
圖13A係根據一實施例之一光學組件1300a之一垂直橫截面圖。光學組件1300a可使用上文參考圖12A至圖12C所描述之程序形成。就此而言，可對一中間結構1200a (例如參閱圖12A)執行一第一乾蝕刻程序以產生圖12B之中間結構1200b。可接著對中間結構1200b執行一濕蝕刻程序以移除表面缺陷1208且各向同性地蝕刻圖案化光阻劑26下方之經蝕刻光電層20之部分。圖13A中之經蝕刻光電層20可在基板202上方包含具有錐形側壁20S之一脊部20R及位於脊部20R之各側上之水平層部分20H。至少脊部20R可充當光學組件1300a中之一波導。光電組件1300a可接著藉由移除圖案化光阻劑26 (例如，使用一化學溶劑或藉由灰化)且在經蝕刻光電層20之水平部分20H上形成一第一電極340及一第二電極342來形成。
圖13B係根據一替代實施例之一光學組件1300b之一垂直橫截面圖。在此實施例中，光電層20包括BTO層，且一額外STO層40形成於基板202與BTO層之間。在此實施例中，乾蝕刻及/或濕蝕刻可蝕刻穿過光電層(例如BTO層) 20之未遮罩部分之整個厚度且到達下伏STO層40之一表面。經蝕刻光電層20僅包括位於下伏STO層40上具有錐形側壁20S之脊部20R。STO層40之部分可充當介電電極，或額外電極340、342可形成於STO層40上，如圖13B中所展示。
上述兩步驟蝕刻方法可使用乾及濕蝕刻程序之各種技術來實施。例如，乾蝕刻程序可包含：RIE、電容耦合電漿RIE、感應耦合電漿RIE、電子迴旋諧振RIE、中性環路密度RIE、磁性增強RIE、離子銑削或離子束蝕刻、氣體團簇離子束蝕刻等等。例示性乾蝕刻劑材料可包含：Ar、BCl 3、Cl 2、C 2HClF 4、CHClF 2、C 4F 8、C 4F 6、C 5F 8、CF 4、CH 4、CHF 3、SF 6、HBr、NF 3及/或含鹵素蝕刻劑等等。蝕刻劑材料可進一步包含上述參考材料之各種組合。此等材料可進一步包含含有O 2、H 2、He、N 2、CO之氣體添加及上述蝕刻氣體及氣體添加之組合。
例示性濕蝕刻劑材料可包含：氫氟酸、使用氟化銨之緩衝氫氟酸、緩衝氧化物蝕刻(BOE)、鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、檸檬酸、氫氧化銨及上述酸或鹼之組合。上述酸或鹼之上述組合可進一步包含氧化劑，諸如過氧化氫。
可在其他實施例中使用各種其他程序。例如，可使用離子束蝕刻(即，微機械加工)而非乾電漿蝕刻用於第一蝕刻步驟。上述實施例包含使用一光阻劑作為一蝕刻遮罩26。替代地，其他材料可用於蝕刻遮罩(例如，諸如氧化矽或氮化矽)。在圖12A至圖12C之實施例中，在移除圖案化光阻劑之前執行濕蝕刻程序。替代地，可在執行濕蝕刻之前移除圖案化光阻劑。如上文所描述，存在諸多方式來變動濕蝕刻化學物以移除殘餘蝕刻產物。在上述實施例中，在一各向異性乾蝕刻之後進行一各向同性濕蝕刻。在進一步實施例中，可在各向異性乾蝕刻之後進行一各向同性乾蝕刻以藉此底切Ba及/或Sr下方之材料。殘餘經蝕刻材料可接著藉由用一液體沖洗樣本來移除。
在一些實施例中，在乾蝕刻之前執行一濕蝕刻可為有利的。依此方式，第一濕蝕刻可用於在乾蝕刻之前清潔蝕刻表面且在期望一增大斜度時增大側壁20S之斜度。在其他實施例中，可執行多個乾/濕蝕刻序列或其他蝕刻序列(例如：乾、濕、乾、濕；乾、乾；濕、濕；等等)。
例如，可首先執行諸如一化學乾蝕刻之一較低離子轟擊乾蝕刻以保留蝕刻遮罩26。可在較低離子轟擊蝕刻之後執行諸如一濺射蝕刻或離子束銑削之一較高離子轟擊蝕刻以移除殘餘物。因此，蝕刻遮罩26在較高離子轟擊蝕刻期間之移除或損壞不是很嚴重，尤其在較高離子轟擊蝕刻在比較低離子轟擊蝕刻短之時間內執行以僅移除殘餘物時。
因此，在各種實施例中，可連續執行離子束蝕刻、乾蝕刻及濕蝕刻之任何組合。濕蝕刻步驟亦可使用各種工具，諸如一噴射工具、一蒸汽工具、一蝕刻槽等等。
上述實施例提供相較於僅使用一單一乾蝕刻程序之習知方法之各種優點。在兩步驟蝕刻程序中，可使用一乾蝕刻程序及接著一濕蝕刻程序移除Ba及/或Sr之非揮發性殘餘元素來形成具有可能低邊緣粗糙度之臨界特徵尺寸。乾蝕刻步驟無需一硬遮罩材料，因為電漿乾蝕刻無需完全移除殘餘物。此係因為乾蝕刻步驟之任何剩餘殘餘物可濕蝕刻步驟移除。因而，可使用柔軟可移除遮罩材料(諸如光阻劑)作為乾蝕刻程序之遮罩。使用一光阻劑而非一硬遮罩具有可簡化程序流程之優點。此外，使用電漿乾蝕刻及接著短濕蝕刻可比對整個材料厚度使用濕蝕刻改良一圖案CD及輪廓控制。濕蝕刻亦可改良由乾蝕刻導致之表面粗糙度。關於濕蝕刻程序選擇之靈活性可允許最佳化酸選擇、溶液組成及溶液濃度。
上述蝕刻方法可用於諸多應用中，包含：光子學(例如具有光電材料、氧化物鈣鈦礦材料、光學開關、干涉儀等等之裝置)；微機電系統(MEMS)(例如，所揭示之實施例可用於蝕刻一焦平面陣列(FPA)中之像素之熱偵測器及使用氧化物鈣鈦礦材料之熱感測器中)；通信系統(例如，所揭示之實施例可用於圖案化反射陣列天線)；記憶體裝置(例如，所揭示之實施例可用於圖案化薄膜電容器及變容器，例如具有BTO、STO或BST層之DRAM)；高k介電質；等等。
前述描述僅供為繪示性實例且不意欲要求或隱含各種實施例之步驟必須依所呈現之順序執行。一般技術者應瞭解，前述實施例中之步驟順序可依任何順序執行。諸如「其後」、「接著」、「接下來」等等之用語未必意欲限制步驟之順序；此等用語可用於引導讀者遍歷方法之描述。此外，例如使用冠詞「一」或「該」之單數之請求項元件之任何參考不應解釋為將元件限制為單數。此外，本文中所描述之任何實施例之任何步驟或組件可用於任何其他實施例中。
提供揭示態樣之以上描述來使一般技術者能夠製造或使用揭示實施例。一般技術者可容易明白此等態樣之各種修改，且可在不背離本發明之範疇之情況下將本文中所界定之一般原理應用於其他態樣。因此，本發明之實施例不意欲受限於本文中所展示之態樣，而是應被給予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
20: BTO層/經蝕刻光電層 20H:水平層部分 20L:光電層 20R:脊部 20S:錐形側壁 22:硬遮罩 24:硬遮罩 26:光阻劑遮罩層 40: STO層 100:開關 105:第一50/50分束器 107: 50/50分束器 110:波導 112:波導 120:馬赫-曾德爾干涉儀 122:相位調整區段 130:波導 132:波導 202:第一絕緣基板層 204:晶種層 206:光電層 208:電極層 210:第二絕緣基板層 310:第一包覆層 312:第二包覆層 320:平板層 330:引線/第一電接點 332:引線/第二電接點 340:第一電極 342:第二電極 350:極化方向 351:脊部 360:第二厚度 362:第一厚度 420:平板層 430:第一引線 432:第二引線 440:第一電極 442:第二電極 451:脊部 600:晶圓蝕刻設備 602:蝕刻處理室 604:淋浴頭 606:電感器線圈 608:高頻(HF)射頻(RF)產生器 610:低頻(LF) RF產生器 612:基座 614:晶圓 616:低強度泵 1200a:中間結構 1200b:中間結構 1200c:中間結構 1208:表面缺陷 1300a:光學組件 1300b:光學組件 V 0:電壓
併入本文中且構成本說明書之部分之附圖繪示本發明之實例性實施例且與上文所給出之一般描述及下文所給出之詳細描述一起用於解釋本發明之特徵。
圖1係繪示根據各種實施例之一光學開關的一簡化示意圖。
圖2係根據各種實施例之包含堆疊層之一預製晶圓之一示意圖。
圖3A係繪示根據各種實施例之展示一感應電場之方向之一波導結構之一橫截面的一簡化示意圖。
圖3B係繪示根據各種實施例之一波導結構之一橫截面的一簡化示意圖。
圖4係展示根據各種實施例之一波導結構之一俯視圖的一簡化示意圖。
圖5係根據各種實施例之一晶圓蝕刻設備之一示意圖。
圖6係一離子銑削蝕刻程序之一示意圖。
圖7係根據各種實施例之使用電離部分氣體混合物來蝕刻一光電層之一示意圖。
圖8係根據各種實施例之可用於蝕刻一晶圓之一薄SiO 2硬遮罩之一示意圖。
圖9係根據各種實施例之可用於蝕刻一晶圓之一薄Si 3N 4硬遮罩之一示意圖。
圖10係根據各種實施例之可用於蝕刻一晶圓之一厚SiO 2硬遮罩之一示意圖。
圖11係根據各種實施例之可用於蝕刻一晶圓之一厚Si 3N 4硬遮罩之一示意圖。
圖12A係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之一中間結構之一垂直橫截面圖。
圖12B係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之另一中間結構之一垂直橫截面圖。
圖12C係根據各種實施例之可用於形成一光學組件之另一中間結構之一垂直橫截面圖。
圖13A及圖13B係根據各種實施例之光學組件之垂直橫截面圖。
20:BTO層/經蝕刻光電層
20S:錐形側壁
26:光阻劑遮罩層
202:第一絕緣基板層
1200c:中間結構

Claims (20)

  1. 一種蝕刻方法，其包括： 在一基板上方形成包括鈦酸鋇層或鈦酸鍶層之一金屬氧化物層； 在該金屬氧化物層上方形成一圖案化遮罩層； 執行一各向異性乾蝕刻程序以蝕刻未被該圖案化遮罩層覆蓋之區域中之該金屬氧化物層；及 執行一各向同性濕蝕刻程序以移除未被該各向異性乾蝕刻程序移除之殘餘材料且形成一圖案化金屬氧化物層。
  2. 如請求項1之方法，其中該各向同性濕蝕刻程序在該圖案化遮罩層之部分下方之該金屬氧化物層中形成底切蝕刻區域。
  3. 如請求項1之方法，其中該各向異性乾蝕刻程序包括以下之一或多者：反應離子蝕刻(RIE)、電容耦合電漿RIE、感應耦合電漿RIE、電子迴旋諧振RIE、中性環路密度RIE、磁性增強RIE、離子銑削或離子束蝕刻或氣體團簇離子束蝕刻。
  4. 如請求項1之方法，其中該各向異性乾蝕刻程序使用包括以下之至少一個蝕刻劑材料：Ar、BCl 3、Cl 2、C 2HClF 4、CHClF 2、C 4F 8、C 4F 6、C 5F 8、CF 4、CH 4、CHF 3、SF 6、HBr或NF 3。
  5. 如請求項4之方法，其中該至少一個蝕刻劑材料進一步包括O 2、H 2、He、N 2、CO或其等之混合物之至少一者。
  6. 如請求項1之方法，其中該各向異性乾蝕刻程序包括一乾電漿蝕刻程序或一離子束蝕刻程序。
  7. 如請求項1之方法，其中該各向同性濕蝕刻程序使用包括以下之至少一個蝕刻劑材料：氫氟酸、使用氟化銨之緩衝氫氟酸、緩衝氧化物蝕刻、鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、檸檬酸、氫氧化銨或其等之混合物。
  8. 如請求項1之方法，其中該等殘餘材料包括鋇或鍶化合物之至少一者。
  9. 如請求項1之方法，其中該圖案化遮罩層包括光阻劑。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括在執行該各向同性濕蝕刻程序之前移除該圖案化遮罩層。
  11. 如請求項1之方法，其中該圖案化金屬氧化物層在該基板上方含有具有錐形側壁之一脊部及位於該脊部之各側上之水平層部分。
  12. 如請求項11之方法，其中該圖案化金屬氧化物層包括一馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀之一波導層。
  13. 如請求項11之方法，其中該金屬氧化物層包括該鈦酸鋇層。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括在該等水平層部分上形成一第一電極及一第二電極。
  15. 如請求項11之方法，其中該金屬氧化物層包括該鈦酸鍶層。
  16. 如請求項1之方法，其中形成該金屬氧化物層之步驟包括：在一基板上方形成該鈦酸鍶層及在該鈦酸鍶層上方形成該鈦酸鋇層。
  17. 如請求項16之方法，其中該圖案化金屬氧化物層包括位於該鈦酸鍶層上方之具有錐形側壁之鈦酸鋇脊部。
  18. 如請求項17之方法，其中該鈦酸鋇脊部包括一馬赫-曾德爾干涉儀之一波導層。
  19. 一種蝕刻方法，其包括： 在一基板上方形成包括鈦酸鋇層或鈦酸鍶層之一金屬氧化物層； 在該金屬氧化物層上方形成一圖案化遮罩層； 執行一第一各向異性乾蝕刻程序以蝕刻未被該圖案化遮罩層覆蓋之區域中之該金屬氧化物層；及 執行具有比該第一各向異性乾蝕刻程序更高之一離子轟擊之一第二各向異性乾蝕刻程序以移除未被該第一各向異性乾蝕刻程序移除之殘餘材料且形成一圖案化金屬氧化物層。
  20. 如請求項19之方法，其中該圖案化遮罩層包括光阻劑，且該等殘餘材料包括鋇或鍶化合物之至少一者。
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