InP-on-Si（IMOS）作為一種新興的光子集成平臺(tái)，因其能夠?qū)⒏咝阅苡性磁c無源光子器件異質(zhì)集成在硅基電路之上而備受關(guān)注。然而，隨著波導(dǎo)尺寸的急劇縮小，光場與波導(dǎo)表面的相互作用顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致刻蝕工藝引入的側(cè)壁與底面粗糙度成為制約傳播損耗的主要因素。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)緊湊的光路設(shè)計(jì)與低偏振串?dāng)_，要求刻蝕剖面具有近乎垂直的側(cè)壁形貌。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)緊湊的光路設(shè)計(jì)與低偏振串?dāng)_，要求刻蝕剖面具有近乎垂直的側(cè)壁形貌。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

傳統(tǒng)單步反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝難以同時(shí)滿足低粗糙度、高垂直度及高選擇性的要求，通常存在側(cè)壁傾斜與掩模底切問題。為此，本文提出一種基于CH?/H?/Ar氣體的優(yōu)化單步RIE工藝。通過精細(xì)調(diào)控RF功率等關(guān)鍵參數(shù)，該工藝首次在單步刻蝕中實(shí)現(xiàn)了高側(cè)壁垂直度（88°）、無掩模底切、高選擇性（>100:1）與超平滑刻蝕表面（RMS < 0.7 nm），為制備低損耗、高性能的InP膜波導(dǎo)提供了有效的解決方案。

1

單步RIE工藝設(shè)計(jì)

flexfilm

波導(dǎo)基模（TE模式）與InP膜波導(dǎo)表面粗糙度的相互作用示意圖

刻蝕實(shí)驗(yàn)中使用的樣品截面幾何結(jié)構(gòu)示意圖：(a) 薄膜樣品；(b) 厚膜樣品

實(shí)驗(yàn)采用兩種膜結(jié)構(gòu)樣品：薄膜（用于無源波導(dǎo)）與厚膜（用于放大器與探測器），刻蝕深度分別約為200 nm與800 nm?？涛g在SENTECH Si500 ICP設(shè)備上進(jìn)行，運(yùn)行于RIE模式（ICP射頻源關(guān)閉）。選擇RIE工藝因其相比ICP-RIE具有更高的選擇性與更平滑的刻蝕表面。

選用CH?/H?氣體組合，因其刻蝕后表面損傷小、掩模消耗低且刻蝕深度易于控制。主要挑戰(zhàn)在于聚合物形成：一方面可保護(hù)掩模以提高選擇性，另一方面也會(huì)影響刻蝕剖面。通過添加氬氣（Ar）可調(diào)控聚合物形成過程。氣體比例中較高的氫氣份額有助于防止因過量聚合物沉積引起的自發(fā)微掩蔽。

單步刻蝕方案相比循環(huán)工藝（交替進(jìn)行CH?/H?刻蝕與O?去膠）具有工藝時(shí)間短、可直接使用光刻膠掩模的優(yōu)點(diǎn)，但以往報(bào)道的單步工藝側(cè)壁角度較差（84–85°），且因側(cè)壁傾斜導(dǎo)致硬掩模下方出現(xiàn)底切，影響波導(dǎo)關(guān)鍵尺寸精度。

2

工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

flexfilm

刻蝕測試參數(shù)表

使用表中配方刻蝕的薄膜樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖片（傾斜頂視圖）：(a) 測試1；(b) 測試2；(c) 測試3；(d) 測試4

通過一系列實(shí)驗(yàn)研究CH?/H?比例與工藝壓力對刻蝕表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)條件如表所示。結(jié)果顯示，CH?/H?比例對表面粗糙度影響顯著，低CH?濃度導(dǎo)致聚合物形成減少、濺射增強(qiáng)；較高的工藝壓力（75 mT）因由物理濺射向化學(xué)刻蝕的轉(zhuǎn)變，可獲得更平滑的表面。

使用測試3配方刻蝕的波導(dǎo)截面SEM圖片：(a) 薄膜樣品；(b) 厚膜樣品。圖中標(biāo)出了SiN?硬掩模及底切區(qū)域

然而，采用優(yōu)化配方（測試3）刻蝕的波導(dǎo)剖面顯示側(cè)壁斜率較大，且SiN?掩模下存在明顯底切，隨著刻蝕深度增加，底切進(jìn)一步擴(kuò)大。

3

垂直度改善與底切消除

flexfilm

刻蝕測試結(jié)構(gòu)的測量側(cè)壁角度和底切（以每500 nm刻深對應(yīng)的納米數(shù)表示）隨RF功率變化的函數(shù)關(guān)系圖

通過精細(xì)調(diào)節(jié)RF功率（75–250 W），首次實(shí)現(xiàn)了具有平滑表面、垂直側(cè)壁且無掩模底切的單步RIE工藝。結(jié)果表明，隨著RF功率降低，刻蝕垂直度顯著提升。

在100 W RF功率下獲得88°側(cè)壁角度，為單步RIE工藝中最佳值。其機(jī)理在于低RF功率下等離子體密度與離子能量降低，低動(dòng)能離子無法濺射側(cè)壁聚合物鈍化層，從而維持垂直剖面。RF功率高于200 W時(shí)出現(xiàn)底切，低于200 W則底切消失。

刻蝕測試結(jié)構(gòu)的測量刻蝕速率和選擇性隨RF功率變化的函數(shù)關(guān)系圖

刻蝕速率隨RF功率降低近乎線性下降，歸因于等離子體密度降低。InP與SiN?掩模的選擇性始終高于100，有利于波導(dǎo)定義。

AFM測量的刻蝕測試結(jié)構(gòu)底部表面RMS粗糙度隨RF功率變化的函數(shù)關(guān)系圖

刻蝕底部表面RMS粗糙度維持在0.6–0.7 nm，與文獻(xiàn)報(bào)道的低粗糙度結(jié)果相當(dāng)，且未發(fā)現(xiàn)RF功率對粗糙度的明顯影響。

使用優(yōu)化工藝刻蝕的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)SEM圖片：(a) 薄膜樣品；(b) 厚膜樣品

優(yōu)化后的工藝參數(shù)

綜合各項(xiàng)指標(biāo)，初步實(shí)驗(yàn)表明，較高的工藝壓力（75 mT）和適當(dāng)?shù)腃H?/H?比例（如30/70）有利于獲得更平滑的刻蝕底面。

4

波導(dǎo)制備與損耗測量

flexfilm

InP膜波導(dǎo)制備工藝流程圖：(a) 晶圓鍵合；(b) 去除InP襯底及InGaAs犧牲層；(c) 第一次電子束光刻定義波導(dǎo)圖案；(d) 波導(dǎo)刻蝕；(e) 第二次電子束光刻定義光柵圖案；(f) 光柵刻蝕后的最終器件結(jié)構(gòu)

在InP膜上制備的波導(dǎo)的SEM圖片，圖中標(biāo)注了不同波導(dǎo)的長度

基于上述優(yōu)化工藝，制備了不同長度的InP膜波導(dǎo)以測量傳播損耗。制備流程，包括SiO?沉積、晶圓鍵合、襯底與犧牲層濕法去除、兩次EBL（分別定義波導(dǎo)與光柵耦合器）等步驟。波導(dǎo)寬度為400 nm，刻蝕深度280 nm，在1550 nm波長下為單模工作。

測量的InP膜波導(dǎo)插入損耗（包含傳播損耗和光柵耦合損耗）隨波導(dǎo)長度變化的函數(shù)關(guān)系圖

損耗測量采用1550 nm激光，通過光柵耦合器將光耦合進(jìn)/出波導(dǎo)。顯示插入損耗與波導(dǎo)長度的關(guān)系，線性擬合得到傳播損耗為2.5 dB/cm，每個(gè)光柵耦合器的光纖-光柵耦合損耗為5.6 dB。相比之前報(bào)道的3.3 dB/cm，該結(jié)果創(chuàng)下新低。

本文報(bào)道了一種基于單步RIE與CH?/H?/Ar化學(xué)的新型InP光波導(dǎo)刻蝕工藝。首次通過精細(xì)調(diào)節(jié)RF功率，在單步RIE工藝中顯著改善了刻蝕剖面的垂直度并消除了底切。優(yōu)化工藝實(shí)現(xiàn)了接近垂直的側(cè)壁（88°）、無掩模底切、高選擇性（約130）以及平滑的刻蝕表面。制備的膜波導(dǎo)傳播損耗降至2.5 dB/cm，證明了該工藝在低損耗InP膜波導(dǎo)刻蝕中的優(yōu)越性，且對其他類型InP基光波導(dǎo)刻蝕具有重要應(yīng)用潛力。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

flexfilm

在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Vertical and Smooth Single-Step Reactive Ion Etching Process for InP Membrane Waveguides》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。