Micro y nanotecnología | Sustratos / Sustratos para dispositivos ópticos

El silicio se utiliza como material estándar en los circuitos integrados y es uno de los materiales más estudiados del mundo. Este material es adecuado para su uso como semiconductor a altas temperaturas y es un material aislante de óxido de fácil crecimiento. Estas propiedades y toda la infraestructura industrial y utillaje actuales han suscitado un gran interés por el desarrollo de dispositivos ópticos integrados de silicio. El silicio se utiliza en dispositivos optoelectrónicos como diodos emisores de luz (LED), guías de ondas y células solares, así como en sistemas microelectromecánicos (MEMS).

El grabado húmedo anisotrópico tradicional del silicio procesado químicamente utiliza un agente grabador KOH:H2O (1:1 en peso) a una velocidad aproximada de 1,4 μm/min a 80°C. Este método químico se utiliza a menudo en los procesos de micromecanizado del silicio para procesar agujeros pasantes o separar películas finas. El grabado en seco anisotrópico de materiales de silicio se realiza con el agente químico SF6. Un estudio de seguimiento del proceso de grabado en seco con una relación de aspecto muy elevada dio lugar a la técnica DeepReactiveIonEtch (DRIE). Esta técnica utiliza alternativamente los agentes químicos SF6/Ar y CHF3/Ar. Esta mezcla de gases favorece la deposición de un polímero de teflón en todas las superficies expuestas. Debido al bombardeo de iones, el proceso SF6/Ar elimina rápidamente el polímero de la superficie horizontal y graba la superficie de silicio expuesta. Este tratamiento del copolímero evita el grabado en las paredes laterales y permite formar una distribución de perfiles altamente anisotrópica.

Es posible procesar líneas de PMMA de menos de 10 nm de anchura en sustratos de silicio mediante litografía por haz de electrones. Sandia National Laboratories (EE.UU.) ha procesado muchos dispositivos ópticos en silicio, incluidos dispositivos reflectores micromecánicos de superficie y células solares de concentración. 

El arseniuro de galio (GaAs) es un material semiconductor estándar utilizado en diversos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Debido a su dotación, el GaAs suele tener frecuencias de funcionamiento, movilidad de electrones y propiedades de emisión de luz superiores a las de su homólogo de silicio. Se han fabricado varios dispositivos optoelectrónicos basados en estas propiedades, como células solares, detectores y láseres de pozo cuántico. El arseniuro de galio es transparente en toda la banda de 2 a 5 μm y tiene un alto índice de refracción. La desventaja del GaAs frente a los materiales de silicio es la falta de un óxido intrínseco activo. Debido al rápido desarrollo de la tecnología de procesamiento de dispositivos de GaAs para aplicaciones de alta velocidad y alta potencia, los detalles del procesamiento de este material son conocidos por todos.

En general, el transporte de carga en los materiales de GaAs es suficiente sin necesidad de una capa de disipación de potencia, lo que los hace muy adecuados para el uso de la litografía por haz de electrones. Se ha demostrado que las anchuras individuales de las líneas de zanja de la resistencia obtenidas en PMMA son inferiores a 20 nm.

El grabado por vía húmeda de materiales de GaAs puede realizarse utilizando varios oxidantes, como peróxido de hidrógeno (H2O2) y sustancias halogenadas como el bromo. Por ejemplo, un grabado anisotrópico a lo largo del lado (111) se consigue con un agente grabador H2PO4:H2O2:H2O (3:1:50). Por ejemplo, una selectividad de (10 a 1000):1 entre GaAs y AlGaAs y un grabado de protección de sacrificio para la capa epitaxial.

Otros investigadores han optimizado un proceso de grabado anisótropo selectivo para GaAs utilizando un fijador de grabado GaAs-Al. El sistema de plasma acoplado inductivamente (ICP) utiliza una mezcla química BCl3:SF6:N2:He que es 200 veces más selectiva para el GaAs que para el AlGaAs. El proceso produce una buena pasivación de la pared lateral para materiales de GaAs con una anisotropía muy elevada.

En los Laboratorios Nacionales Sandia (EE.UU.) se ha desarrollado un proceso de grabado en seco con haz de iones asistido químicamente (Chemi-callyAssistedIonBeamdryEtch, CAIBE) para lograr una distribución de características altamente anisotrópica en materiales de GaAs para su uso en dispositivos wavechip. Este proceso utiliza un haz láser de iones de argón para controlar la cantidad real y el caudal del gas reactivo ambiental en la superficie de la muestra. En este caso, el gas reactivo ambiental es una mezcla de cloro (Cl2) y tricloruro de boro (BCl3). Para conseguir la máxima pasivación lateral y profundidad de la zanja, se optimizan las condiciones de grabado.

El cuarzo fundido es un vidrio que contiene sílice amorfa (SiO2). Debido a la gran pureza del proceso de síntesis, las propiedades ópticas y térmicas del cuarzo fundido son superiores a las de otros tipos de vidrio. La sílice fundida tiene un coeficiente de dilatación térmica muy bajo (aproximadamente 5,5 x 10-7cm/(cm-K) en el intervalo de temperaturas de 20 a 320°C), lo que la hace ideal para entornos con temperaturas extremas y/o variables. El material tiene una alta transmitancia y un bajo índice de refracción (con una baja pérdida por reflexión de Fresnel) desde la región espectral UV hasta el IR medio, lo que convierte a la sílice fundida en un material ideal para aplicaciones ópticas. Este material puede utilizarse en diversos dispositivos microfluídicos y componentes ópticos de banda ancha.

Se han desarrollado varias técnicas específicas para materiales de sílice fundida con el fin de procesar este material utilizando equipos modernos ultralimpios. Las investigaciones anteriores se han centrado en el uso del ácido fluorhídrico (HF) para el grabado húmedo y la soldadura de obleas de dispositivos microfluídicos. La sílice fundida es un material no cristalino, por lo que se observa una distribución de perfiles isótropa durante el proceso de grabado químico húmedo. Utilizando fotolitografía y un tampón de ácido fluorhídrico, pueden conseguirse formas semicilíndricas casi ideales en cuarzo fundido. Utilizando una técnica de soldadura de obleas (a una temperatura aproximada de 1000°C), pueden fabricarse canales microfluídicos cilíndricos.

Los dispositivos ópticos fabricados con nanotecnología reciente pueden tener una distribución de perfil gradiente o angular que permita la función de lentes de Fresnel u otros elementos difractivos, como ópticas binarias, lentes de índice de refracción gradiente y lentes de índice de refracción gradiente artificiales de sub-longitud de onda. Utilizando varios ciclos de litografía por haz de electrones y grabado iónico reactivo (RIE), investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia (EE.UU.) han producido lentes binarias de sílice fundida con distribuciones de perfil de escalones múltiples. Los investigadores utilizaron una combinación de una máscara de níquel (Ni) (que contenía una capa de unión de cromo (Cr) o titanio (Ti)) y una proporción óptima de grabador de 40sccm (flujo estándar) de triclorometano (CHF3) y 3sccm de oxígeno, y aplicaron una presión de 40mTorr y una polarización de base de 396V con 200sccm de oxígeno. 396V de polarización de base con una potencia de RF de 200W, lo que dio como resultado una distribución de perfil anisotrópico extremadamente alta de

La calidad del material de sílice fundida influye considerablemente en la calidad final del dispositivo. La sílice fundida de baja calidad puede desarrollar huecos o hacer que la superficie sea rugosa o irregular tras el proceso de grabado iónico reactivo. Por lo tanto, la selección de sustratos de alta calidad para una anisotropía y suavidad de superficie óptimas es casi el requisito más básico para los componentes ópticos.