マイクロ・ナノ加工｜基板｜光デバイス用基板

シリコンは、集積回路の標準的な材料として使用されており、世界で最も広く研究されている材料の一つである。この材料は高温半導体として使用するのに適しており、酸化物絶縁材料として容易に成長させることができます。これらの特性と、現在のすべての産業インフラとツールにより、集積シリコン光デバイスの開発に大きな関心が集まっています。シリコンは、発光ダイオード（LED）、導波管、太陽電池などの光電子デバイスや、微小電気機械システム（MEMS）に使用されています。

従来の化学処理によるシリコンの異方性ウェットエッチングは、KOH：H2O（重量比1：1）のエッチング液を使用し、80℃で約1.4μm/minの速度で行う。この化学法は、シリコン微細加工プロセスにおいて、スルーホールの加工や薄膜の分離によく用いられる。シリコン材料の異方性ドライエッチングは、SF6化学エッチング液で達成されます。高アスペクト比のドライエッチングを研究した結果、DeepReactiveIonEtch（DRIE）技術に行き着きました。この技術では、SF6/ArとCHF3/Arの化学エッチャントを交互に使用します。この混合ガスにより、すべての露出面にテフロンポリマーの堆積が促進されます。イオン砲撃により、SF6/Arプロセスは水平面からポリマーを素早く除去し、露出したシリコン面をエッチングします。コポリマー処理により、側壁へのエッチングが回避され、高度に異方性のあるプロファイル分布の形成が可能になります。

PMMAの線幅が10nm以下であれば、電子ビームリソグラフィーを用いてシリコン基板上に加工することが可能です。米国サンディア国立研究所では、表面マイクロメカニカルリフレクターデバイスや集光型太陽電池など、多くの光学デバイスをシリコンで加工しています。 

ガリウムヒ素（GaAs）は、様々な電子機器や光電子機器に使用されている標準的な半導体材料です。GaAsは、一般的にシリコンよりも高い動作周波数、電子移動度、発光特性を持っています。この特性を利用して、太陽電池、検出器、量子井戸レーザーなど、さまざまな光電子デバイスが作製されています。ガリウムヒ素は、2～5μm帯の全域で透明であり、高い屈折率を有しています。シリコン材料と比較したGaAsの欠点は、活性な固有酸化物がないことである。高速・高出力に対応するGaAsデバイスの加工技術が急速に発展したため、この材料の加工の詳細は誰でも知ることができるようになった。

一般にGaAs材料は電荷輸送が十分であり，電荷消費層が不要であるため，電子ビームリソグラフィの使用に適している。PMMA上で得られた個々のレジストトレンチ線幅は20nm以下であることが実証されている。

GaAs材料のウェットエッチングは、過酸化水素（H2O2）や臭素などのハロゲン物質を含むいくつかの酸化剤を用いて行うことができる。例えば、H2PO4：H2O2：H2O（3：1：50）エッチャントを用いて、（111）面に沿った異方性エッチングが達成される。推奨されるエッチャント比は、クエン酸：H2O2：H2Oの5g：2mL：5mLであり、例えば、GaAsとAlGaAsとの選択性が（10〜1000）：1、エピタキシャル層に対する犠牲保護エッチングが挙げられる。

他の研究者は、GaAs-Alエッチングフィクサーを使用したGaAsの選択的異方性エッチングプロセスを最適化しました。誘導結合プラズマ（ICP）システムは、AlGaAsよりもGaAsに対して200倍高い選択性を持つBCl3：SF6：N2：Heの化学混合物を使用しています。このプロセスにより、非常に高い異方性を持つGaAs材料に対して良好な側壁パッシベーションを実現することができる。

米国サンディア国立研究所では、ウェーブチップデバイスに使用されるGaAs材料の高異方性特徴分布を実現するために、化学的支援イオンビームドライエッチング（Chemi-callyAssistedIonBeamdryEtch、CAIBE）プロセスを開発した。このプロセスは、アルゴンイオンレーザービームを用いて、試料表面の反応ガスの量と流量を制御するものである。この場合、周囲の反応性ガスは塩素（Cl2）と三塩化ホウ素（BCl3）の混合ガスである。側壁のパッシベーションとトレンチの深さを最大化するために、エッチング条件を最適化します。

溶融石英は、非晶質シリカ（SiO2）を含むガラスである。合成時の純度が高いため、石英の光学的、熱的特性は他のガラスより優れています。熱膨張係数が非常に小さく（20～320℃の温度範囲で約5.5×10-7cm/（cm・K））、温度変化の激しい環境に適しています。紫外から赤外域にかけて高い透過率と低い屈折率（フレネル反射損失が低い）を有し、光学用途に最適な材料です。この材料は、様々なマイクロ流体デバイスや広帯域光学部品に使用することができます。

最新の超クリーンな装置を使用してこの材料を処理するために、溶融シリカ材料に特化したさまざまな技術が開発されている。これまでの研究では、マイクロ流体デバイスのウェットエッチングやウェーハはんだ付けにフッ酸（HF）を使用することが中心でした。溶融シリカは非結晶性材料であるため、湿式化学エッチングプロセスでは等方的なプロファイル分布が観察されます。フォトリソグラフィーとフッ酸バッファーを用いることで、石英上に理想に近い半円筒形状を形成することができる。ウェーハはんだ付け技術（約1000℃）により、円筒形のマイクロ流体チャンネルを作製することができます。

最近のナノテクノロジーを用いて作製された光学デバイスは、フレネルレンズや、バイナリーオプティクス、勾配屈折率レンズ、サブ波長人工勾配屈折率レンズなどの回折素子の機能を可能にする勾配または角度付きプロファイル分布を持つことができます。米国サンディア国立研究所の研究者は、電子ビームリソグラフィと反応性イオンエッチング（RIE）を数サイクル用いて、複数のステッププロファイル分布を持つ溶融シリカバイナリレンズを作製しました。研究者らは、ニッケル（Ni）マスク（クロム（Cr）またはチタン（Ti）付着層を含む）と、トリクロロメタン（CHF3）40sccm（標準フロー）と酸素3sccmの最適なエッチング液比を組み合わせ、40mTorrの圧力と酸素を適用しました。396Vのベースバイアスと200WのRFパワーにより、極めて高い異方性プロファイル分布が得られる。

溶融シリカの品質は、デバイスの最終的な品質に重要な影響を及ぼします。低品質の溶融シリカは、反応性イオンエッチング工程後にボイドが発生したり、表面が荒れたり、でこぼこになったりすることがあります。したがって、最適な異方性と表面平滑性を持つ高品質の基板を選択することは、光学部品にとってほとんど最も基本的な要件である。