CC BY
10ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
АНИЗОТРОПНОЕ РЕАКТИВНОЕ ИОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО НИОБАТА ЛИТИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОФИЛЯ КАНАЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
12 12 1 12 2 Козлов А.А. ' *, Москалев Д.Н. ' , Салгаева У.О. , Журавлев В.А. ' , Клочков А.Ю. ,
Криштоп В.В. ' , Петухов И.В. ' , Волынцев А.Б.
1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь 2 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь * E-mail: andreykozlov10031994@gmail.com DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-107-108
Тонкопленочный ниобат лития (НЛ) (англ. thin film lithium niobate - TFLN) - материальная платформа c высоким контрастом показателя преломления (An >0.8) волноводов, что, по сравнению с технологиями протонного обмена и диффузии титана, позволяет изготавливать более компактные фотонные интегральные схемы (ФИС) [1, 2].
Получение анизотропных волноводных структур, у которых наклон боковой стенки максимально приближен к 90° является актуальной задачей, поскольку отклонение стенок от вертикальности приводит к эффекту модовой гибридизации (вращению плоскости поляризации) [3].
В данной работе травление TFLN производилось при помощи установки Этна-100 методом реактивного ионного травления (РИТ) при помощи ICP/CCP источников плазмы в смеси газов SF6/Ar. В качестве маски для травления использовалась тонкая пленка Cr. Более подробное описание вейферов TFLN, технологии, а также экспериментальной установки и методики исследования образцов приведено авторами ранее в статье [4].
Плазмохимическое травление (ПХТ) НЛ в плазме фторсодержащих газов не может протекать спонтанно без дополнительного нагрева подложки (Тпор = 475 К), реакция имеет достаточно высокие энергии активации - (54,5 ± 8,2) кДж/моль для диапазона температур 475—575 К [5]. Однако авторами статьи экспериментально получено, что процесс РИТ, который характеризуется высокими напряжениями смещения (более 130 В - для используемого диапазона параметров), в отличие от ПХТ процесса протекает самопроизвольно, без нагрева подложки, только за счет стимуляции процесса травления ионной бомбардировкой.
Для реализации процесса РИТ наиболее важным параметром является рабочий диапазон давлений, при котором обеспечивается высокая энергия падающих ионов. Для отработки техпроцесса травления был выбран диапазон давлений от 0,005 мбар до 0,04 мбар.
Помимо вариации давления для определения влияния параметров процесса на угол наклона боковой стенки производилась вариация мощности ICP и CCP источников, а также соотношение между потоками SF6 и Ar, которое выражалось в процентном содержании SF6 в общем потоке газа.
На Рис.1., а) приведена зависимость угла наклона боковой стенки волноводов при вариации давления (WICP = 300 Вт, WCCP = 80 Вт, % содерж. SF6 = 5%); на Рис.1. б) приведена зависимость угла наклона боковой стенки волноводов при вариации % содержания SF6 в общем потоке газа (WICP = 300 Вт, WCCP = 80 Вт, p = 0.005 мбар).
На Рис.2., а) приведена зависимость наклона боковой стенки волноводов при вариации WICP (WCCP = 80 Вт, % содерж. SF6 = 5 %, p = 0.005 мбар); на Рис.2. б) приведена зависимость угла наклона боковой стенки волноводов при вариации WCCP (WICP = 300 Вт, % содерж. SF6 = 5 %, p = 0.005 мбар).
a)
а н
§ £
70 —
68 •
66 — 64
72 70 68
б)
с
1 о66
0,01 0,02 Давление, мбар
0,03
а н
§ £
64 62
• •
20 40
% содерж. SF6
60
Рис. 1. Зависимость угла наклона боковой стенки волновода от давления (а) и % содержания SF6 (б)
0
0
ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
а.66 Ü 64
62
а
ж
§
£
60 58
56
200
250
a)
300
WICP, Вт
350
400
70
« 60 I 55
3 45 £ 45 40
40
б)
60
80
WCCP, Вт
♦
100
Рис. 2. Зависимость угла наклона боковой стенки волновода от WICP (а) и WCCP (б)
5 65
3 50
В ходе экспериментов на данный момент получены волноводные структуры с углом наклона боковой стенки, не превышающим 71° (Рис.3).
Рис. 3. Поперечное сечение канального волновода, угол наклона - 71 Сг маска не удалена
Авторы предполагают, что сложность достижения угла наклона боковой стенки близкого к вертикальному может быть связана с двумя ключевыми факторами - невозможность спонтанного протекания химической реакции травления НЛ в плазме фторсодержащих газов без ионной стимуляции процесса травления, а также необходимость ионной десорбции образованных нелетучих продуктов реакции (ЫБ).
В указанном выше диапазоне параметров плазмы ионы падают почти нормально к поверхности пластины, ширина углового распределения не превышает единиц градусов (с тенденцией к расширению при росте давления). Положим для простоты ширину углового распределения близкой к 0. Тогда в удалении от волноводной структуры ионы падают на поверхность под углом равным 0° к нормали, а на боковой стенке волновода угол падения равен 70° от нормали к боковой стенке.
В статье [6] на основе экспериментальных данных по травлению кремния в процессе РИТ показана угловая зависимость скорости травления кремния от угла падения ионов на поверхность. В отличие от классического углового распределения Зигмунда (для физического распыления) скорость РИТ является монотонно спадающей функцией, начиная с некоторых углов (от 20° к нормали). Общей тенденцией является то, что при угле падения 70° к нормали (аналогично углу падения на боковую стенку) скорость травления значительно снижается и может достигать 0,1 X Унормладенш (например, для бромидов, которые дают труднолетучие продукты реакции - 81Бгх).
Авторы полагают, что аналогичный механизм наблюдается для НЛ. Для увеличения вероятности протекания реакции травления, а также для осуществления процесса десорбции ЫБ с поверхности необходима эффективная ионная стимуляция. Как описано выше, при углах падения к нормали около 70° скорость травления поверхности значительно падает, что приводит к подавлению латеральной скорости травления и невозможности достичь угол наклона, близкий к 90°.
Литература
1. Yuechen Jia, et al., Appl. Phys. Rev. 8, 011307 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0037771
2. Shuai Yuan, et al, Journal of Semicond., 42, 041, 1-10, (2021)
3. An Pan, et al, Opt. Expr., 27, n.24/25, 35659-35669, (2019)
4. Kozlov A.A., Moskalev D.N., Salgaeva U.O. Appl. Sci., 13(4), 2097, (2023)
5. Гуляев В.В. и др., Конд. среды и межфаз. гран., т. 12, №4, с. 360-368 (2010)
6. Rodolfo Jun Belen, et al., Journal of Vac.Sci. and Tech., 2176 (2006); doi: 10.1116/1.2362725
