CC BY
77
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР ГЛУБОКИМ АНИЗОТРОПНЫМ ТРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ОПТО-И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Ю.А. Пилюгина, А.В. Смелова
Введение
Данная работа посвящена получению периодических структур на основе щелевого кремния для интегральных фотонных схем. Такие структуры представляют собой одномерное фотонные кристаллы (1D PC - one-dimensional photonic crystals). 1D PC могут быть получены в виде структур с чередующимися слоями, обладающими высоким и низким показателями преломления пвыс и пниз, оптимальное соотношение оптических толщин которых X/4, где X - заданная длина волны. Такие структуры давно известны [1] и хорошо изучены в когерентной и нелинейной оптике, носят название брэгговских и используются для изготовления высокоотражающих зеркал для лазерной техники. Однако как традиционные технологии нанесения тонких пленок, так и новая, основанная на создании слоев микропористого кремния с различной пористостью путем электрохимического травления, не позволяют получить высокий контраст по показателю преломления пвыс/пниз, в то время как высокий контраст является важным параметром фотонных кристаллов. Он дает возможность сократить число слоев, необходимых для формирования широкой запрещенной зоны с резкими краями, а также обладает преимуществами при создании композитных материалов, поскольку введение наполнителя с п>1 уменьшает контраст [2].
1D PCs бывают двух типов: те, в которых свет распространяется вертикально -различные диэлектрические зеркала, и те, в которых свет распространяется горизонтально, т.е. в плоскости пластины (рис. 1, 2). Более перспективным и интересным является получение 1D PC с распространением света в горизонтальном направлении. Технология их получения совместима с полупроводниковой технологией и позволяет получать различные чипы микросхемы в одном технологическом цикле.
Целью настоящей работы является разработка технологи получения периодических структур на основе щелевого кремния - 1D PC - глубоким анизотропным травлением. С помощью анизотропного травления в кремнии создаются глубокие узкие канавки, стенки которых представляют собой оптически гладкие плоскости (111). Такие структуры являются одномерными фотонными кристаллами, запрещенная зона для фотонов у которых лежит в средней ИК области спектра.
Преимуществами такого фотонного кристалла является:
• возможность распространения света, воздействующего на структуру, в горизонтальном направлении;
• высокий контраст показателей преломления п&/паг>=3.42;
• совместимость с кремниевой технологией;
• возможность заполнения жидким кристаллом (ЖК) (рис.1) и другими материалами - получение композитных фотонных кристаллов.
Идея о заполнении пустот периодических структур на основе материалов с более высоким по сравнению с воздухом показателем преломления жидкими кристаллами (ЖК) с целью изменять показатель преломления ЖК и тем самым управлять положением фотонной зоны (photonic band gap PBG - запрещенная фотонная зона) была впервые высказана в теоретической работе [3]. Эксперименты по инфильтрации ЖК в макропористый кремний показали, что PBG сдвигается в длинноволновую часть спектра, а при нагреве за счет перехода ЖК из мезофазы в изотропное состояние был получен сдвиг коротковолнового края PBG [4]. Таким образом, получаемые композитные структуры
являются управляемыми фотонными кристаллами - перспективными для применения в оптоэлектронике.
Рис. 1. Пример 1D PCs, заполненных ЖК: а) встречно-штыревая структура с ЖК;
б) сквозная структура с ЖК
Получение периодических структур - Ш РС
Такие структуры (рис. 2) изготавливаются с помощью глубокого анизотропного травления кремниевых пластин и-типа с удельным сопротивлением 10 Ом-см, ориентированных в плоскости (110).
Рис. 2. Пример периодической структуры, полученной глубоким анизотропным травлением кремния
Эти структуры изготавливаются по технологическому процессу, описанному ни-
же.
Очистка кремниевых пластин служит для удаления загрязнений на различных
стадиях изготовления структур. Удаляются как механические загрязнения (пыль, абразивные и металлические частицы и т.д.), так и органические загрязнения. Используемый в работе способ очистки пластин состоит в следующем:
• кипячение пластин в диметилформамиде в течение 5-7 минут. Используется для обезжиривания поверхности;
• промывка деионизованной водой;
• кипячение в перекисно-аммиачном растворе (NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 2 : 4), проводится 7-10 минут. Используется для удаления мономолекулярного слоя органических загрязнений примесей ионов или ионов металлов и-типа;
• промывка в деионизованной воде;
• очистка в растворе плавиковой кислоты (HF : H2O = 1 : 1). Проводится с целью снятия естественного окисла кремния с поверхности;
• промывка в деионизованной воде;
• кипячение в кислотно-перекисном растворе (HCl : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 3). Используется как финишная очистка от органических загрязнений.
Окисление пластин перед первой фотолитографией. В нашей работе формируемый окисел служит маскирующим покрытием при анизотропном травлении. По экспериментальному графику зависимости скоростей травления оксида кремния и самого кремния от концентрации щелочи, используемой при анизотропном травлении, выбираем необходимую толщину окисла. Затем по графику зависимости роста толщины окисла от времени и температуры окисления при нормальном давлении (рис. 3) выбираем режим окисления.
Рис. 3. Зависимость роста толщины Б окисла от времени 1 и температуры
при нормальном давлении
Таким образом, выбранный нами режим окисления - в атмосфере водяного пара при температуре 1100°С в течение 40 минут. При этом образующийся слой окисла составил ~ 0,7-0,8 мкм (толщина окисла измерялась на эллипсометре компенсационного типа ЛЭФ-3М).
Первая фотолитография. Фотолитография - это совокупность фотохимических процессов, в которых можно выделить три основных этапа: формирование на поверхности материала слоя фоторезиста; передача изображения с шаблона на этот слой (экспонирование); формирование конфигурации элементов устройств с помощью маски фоторезиста [5]. В работе используется позитивный фоторезист - ФП-9120-1.
Фотолитография проводится на поверхности, покрытой окислом. В состав оксида может входить структурная вода в виде силанольных групп ОН и присутствовать на поверхности окисла в виде молекул. Для удаления влаги перед нанесением фоторезиста поверхность подложки подвергается отжигу. Отжиг проводится при температуре 80°С в течение 10-15 минут.
Нанесение фоторезиста осуществляется центрифугированием. При включении центрифуги фоторезист растекается под действием центробежных сил. Этот метод нанесения и свойства фоторезиста ФП-9120-1 позволяет формировать резистивный слой толщиной ~1 мкм. Толщина резистивного слоя важна при формировании рисунка. На тонких слоях фоторезиста легче получить структуры малых размеров. Время вращения центрифуги 40 с. Для формирования равномерного слоя фоторезиста была выбрана частота вращения центрифуги 3000 об/мин. После нанесения фоторезиста на рабочую сторону сушка проводится при температуре 88°С, в течении 50-55 минут.
Совмещение. Фотошаблон, используемый при первой фотолитографии, содержит рисунок специальных знаков совмещения. Эти знаки представляют собой 4 серии окон (рис. 4), расположенных попарно под углом 70,5°. Каждое окно состоит из 180 по-
лос шириной 5 мкм и длиной 3 мм, расположенных радиально через каждые 6 угловых минут. В результате травления из 180 элементов останется приблизительно 20, среди которых нерастравленными в боковом направлении сохранится 2-3 элемента. Остальные полностью исчезнут из-за сильного бокового подтрава.
Рис. 4. Схема расположения знаков совмещения, используемых для прецизионной ориентации рисунка фотошаблона вдоль следа плоскостей (111), и схематичное изображение одной из меток
Экспонирование, проявление и удаление фоторезиста. Экспонирование осуществляется в течение 39 секунд, время подобрано таким образом, чтобы обеспечить достаточную точность передачи размеров изображения при дальнейшем проявлении, т.е. процессы экспонирования и проявления непосредственно связаны друг с другом.
Проявление осуществляется в слабом растворе щелочи (0.66% КОН). После проявления проводится задубливание. Целью является восстановление набухшей в проявителе пленки фоторезиста и придание ей устойчивости к последующим воздействиям. Дубление проводится при температуре 120°С в течение 20-25 минут в термостате. Важно не превышать выбранные параметры сушки - время и температуру, так как это ведет к оплыванию краев фоторезиста и, как следствие, к размытию рисунка.
Следующая операция - буферное травление - проявление рисунка в окисле. При буферном травлении в окнах, свободных от резиста - незащищенных - растворяется окисел. В качестве буферного травителя используется смесь следующего состава: 5 мл. HF + 18г. NH4F + 27мл. Н2О.
Наконец, фоторезист полностью удаляется с поверхности. Удаление пленки фоторезиста происходит в теплом диметилформамиде ((СН3)2КСОИ). Затем осуществляется контроль под микроскопом.
Анизотропное травление меток совмещения. На основании литературных данных по анизотропному травлению [5] нами были выбраны следующие параметры процесса:
1. травление производится в 44%-ном растворе щелочи КОН;
2. температура раствора 70°С;
3. время травления 2 часа 30 минут.
В результате травления на пластине формируются метки совмещения - 2-3 полосы, которые не растравились и длинные стороны которых параллельны следу плоскостей (111) в плоскости (110).
Затем с пластины необходимо снять окисел, который служил маской при травлении. Для проведения второй фотолитографии создается новый окисел. Далее осуществляется промывка, описанная в пункте выше.
Второе окисление под вторую литографию. Окисление происходит подобно процессу первого окисления под первую литографию.
Вторая фотолитография. Нанесение резиста происходит как в пункте выше. Наносится резист той же марки - ФП 9120-1, лишь немного увеличивается частота вращения центрифуги при нанесении резиста - до 3500-3700 оборотов/минуту. Такая частота позволяют сформировать более тонкий слой резиста (менее 1 мкм), в котором в дальнейшем можно будет сформировать мелкий рисунок.
Совмещение рисунка фотошаблона с пластиной осуществляется при второй фотолитографии по рисунку знаков совмещения, сформированных при первой фотолитографии. Производится сначала грубое визуальное, а затем с помощью двухпольного микроскопа - точное совмещение. Точность ориентации вытравливаемого рельефа относительно осей кристалла для кремния (110) должна составлять несколько минут во избежание сильного бокового растрава. Формируемые канавки своей длинной стороной должны быть прецизионно сориентированы параллельно следу плоскостей (111) в плоскости (110) [6].
Фотошаблон для второй фотолитографии содержат различные приборные структуры, состоящих из чередующихся темных и светлых полос равной ширины.
Затем проводится буферное травление рисунка и удаление фоторезиста.
Глубокое анизотропное травление. Травление производится в 44%-ном растворе КОН при температуре 70°С, по времени травление длится от 30 минут до 3 часов. Время варьируется в зависимости от того, на какую глубину запланировано протравить структуры. Приблизительная скорость травления составляет 35-40 мкм в 30 мин в свежем растворе. Скорость травления зависит от «старения» раствора, поэтому при каждом травлении лучше использовать свежий раствор - легче контролировать скорость, а значит, и глубину получаемых структур.
Следует отметить, что получение приборов с малым периодом ограничивается боковым подтравом и механической прочностью кремниевых стенок. Утоньшение стенок происходит как за счет бокового подтрава под фоторезист в буферном травителе на этапе вскрытия окон в окисле, так и за счет некоторого отклонения от вертикали при глубоком анизотропном травлении кремния.
После глубокого анизотропного травления и снятия с пластины оксида кремния мы получаем готовые структуры.
Получаемые 1D PCs исследовались на Фурье-спектрометре на отражение и пропускание (рис. 5). Были получены хорошие соответствия расчетных и экспериментальных спектров (рис. 6). Расчеты спектров проводились в математическом пакете программ MathCad, для каждой структуры строился расчетный спектр, который потом сопоставлялся с экспериментом.
Измерение экспериментальных образцов
■Transmission
Рис. 5. Схема измерения спектров одномерного фотонного кристалла
Ш 0.5-
<u се
cp
X
ш
тз
S ГО ^
ii tx
го
о
0.0 1.0
0.5
0.0
-0.25
0.00
m x тз Н i
a 3 .
5 10 15
W а v e l e n g t h, ц m
20
Рис.6. Экспериментальные и расчетные спектры отражения (R) и пропускания (Т)
одномерного фотонного кристалла
Выводы
1. Изготовленные одномерные планарные фотонные кристаллы на основе кремния с различными периодами от 16 до 2 мкм годны для использования в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне спектра.
2. Измерены спектры отражения и пропускания в диапазоне длин волн Х=1.5-15 мкм, показано хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными, что указывает на высокое качество полученных структур.
Литература
1. Денисюк Ю.Н. Об отображающих свойствах волновых полей. // ДАН СССР. 1962. Т. 144. С. 1275-1278.
2. Одномерный фотонный кристалл, полученный с помощью вертикального анизотропного травления кремния / В.А. Толмачев, Л.С. Границына, Е.Н. Власова, Б.З. Волчек, А.В. Нащекин, А.Д. Ременюк, Е.В. Астрова // Физика и техника полупроводников. 2002.Том.36. Вып. 8. С. 996-999.
3. K.Bush and S.John // Phys. Rev. Lett.. 1999. V.83. P. 967-970.
4. Ременюк А.Д., Астрова Е.В., Витман Р.Ф., T.S. Perova, Толмачев В.А., J.K. Vij. Исследование ориентации жидкокристаллической смеси Е7 в композитных фотонных кристаллах на основе монокристаллического кремния. В печати.
5. Vertical etching of silicon at very high aspect ratios / Kendall Don L. // Annual Review Materials Science. 1979. Vol. 9. P.373 - 403.
6. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией, полученные вертикальным анизотропным травлением / Гук Е.Г., Ткаченко А.Г., Токранова Н.А., Границына Л.С., Астрова Е.В., Подласкин Б.Г., Нащекин А.В., Шульпина И.Л., Рутковский С.В. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 9. С.64-71.
