마이크로 및 나노 공정 | 기판 / 광학 장치용 기판

실리콘은 집적 회로의 표준 재료로 사용되며 세계에서 가장 널리 연구되는 재료 중 하나입니다. 이 소재는 고온 반도체로 사용하기에 적합하며 쉽게 성장하는 산화물 절연 재료입니다. 이러한 특성과 현재의 모든 산업 인프라 및 툴링으로 인해 통합 실리콘 광학 소자 개발에 많은 관심이 집중되고 있습니다. 실리콘은 발광 다이오드(LED), 도파관, 태양 전지와 같은 광전자 소자와 미세전자기계 시스템(MEMS)에 사용됩니다.

화학적으로 처리된 실리콘의 전통적인 이방성 습식 에칭은 80°C에서 약 1.4μm/min의 속도로 KOH:H2O(1:1 중량비) 에칭액을 사용합니다. 이 화학적 방법은 실리콘 미세 가공 공정에서 스루홀 또는 분리 박막을 처리하는 데 자주 사용됩니다. 실리콘 재료의 이방성 건식 식각은 SF6 화학 식각액을 사용하여 수행됩니다. 초고종횡비 건식 식각 공정에 대한 후속 연구를 통해 DRIE(DeepReactiveIonEtch) 기법이 개발되었습니다. 이 기법은 SF6/Ar과 CHF3/Ar 화학 식각액을 번갈아 사용합니다. 이 가스 혼합물은 노출된 모든 표면에 테프론 폴리머의 증착을 촉진합니다. SF6/Ar 공정은 이온 충격으로 인해 수평 표면에서 폴리머를 빠르게 제거하고 노출된 실리콘 표면을 에칭합니다. 이 코폴리머 처리 공정은 측벽에 에칭을 방지하고 이방성이 높은 프로파일 분포를 형성할 수 있습니다.

전자빔 리소그래피를 사용하여 실리콘 기판에서 10nm 미만의 PMMA 선폭을 가공할 수 있습니다. 미국 샌디아 국립연구소는 표면 미세 기계 반사 장치와 집광형 태양 전지를 비롯한 많은 광학 장치를 실리콘으로 가공했습니다. 

갈륨 비소(GaAs)는 다양한 전자 및 광전자 장치에 사용되는 표준 반도체 소재입니다. GaAs는 일반적으로 실리콘보다 높은 작동 주파수, 전자 이동도 및 발광 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성을 기반으로 태양 전지, 검출기, 양자 우물 레이저 등 다양한 광전자 소자가 제작되었습니다. 갈륨 비소화물은 2~5μm의 전체 파장 대역에서 투명하고 굴절률이 높습니다. 실리콘 소재에 비해 GaAs의 단점은 활성 고유 산화물이 없다는 것입니다. 고속 및 고전력 애플리케이션을위한 GaAs 장치의 처리 기술의 급속한 발전으로 인해이 재료의 처리에 대한 세부 사항은 모두에게 알려져 있습니다.

일반적으로 GaAs 재료의 전하 수송은 전력 손실 층 없이도 충분하므로 전자 빔 리소그래피 사용에 매우 적합합니다. PMMA에서 얻은 개별 레지스트 트렌치 라인 폭은 20nm 미만인 것으로 입증되었습니다.

과산화수소(H2O2) 및 브롬과 같은 할로겐화 물질을 포함한 여러 산화제를 사용하여 GaAs 재료의 습식 에칭을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, (111) 면을 따라 이방성 에칭은 H2PO4:H2O2:H2O(3:1:50) 에칭액을 사용하여 수행됩니다. 권장 에칭 비율은 구연산:H2O2:H2O의 5g:2mL:5mL입니다. 예를 들어, GaAs와 AlGaAs 사이의 선택성은 (10~1000):1이고 에피택셜 층에 대한 희생 보호 에칭은 (3:1:50)입니다.

다른 연구자들은 GaAs-Al 에칭 픽서를 사용하여 GaAs에 대한 선택적 이방성 에칭 공정을 최적화했습니다. 유도 결합 플라즈마(ICP) 시스템은 AlGaAs보다 GaAs에 대해 200배 더 선택적인 BCl3:SF6:N2:He 화학 혼합물을 사용합니다. 이 공정은 이방성이 매우 높은 GaAs 재료에 대해 우수한 측벽 패시베이션을 생성합니다.

미국 샌디아 국립 연구소에서는 웨이브칩 장치에 사용하기 위해 GaAs 재료에 고도의 이방성 피처 분포를 달성하기 위해 화학적 이온 빔 건식 식각(화학적 이온 빔 식각, CAIBE) 공정을 개발했습니다. 이 공정은 아르곤 이온 레이저 빔을 사용하여 시료 표면의 주변 반응성 가스의 실제 양과 유속을 제어합니다. 이 경우 주변 반응성 가스는 염소(Cl2)와 삼염화붕소(BCl3)의 혼합물입니다. 측벽 패시베이션과 트렌치 깊이를 최대화하기 위해 에칭 조건이 최적화됩니다.

퓨즈드 쿼츠는 비정질 실리카(SiO2)를 함유한 유리입니다. 합성 공정의 순도가 높기 때문에 용융 석영의 광학적 및 열적 특성은 다른 유형의 유리보다 우수합니다. 용융 실리카는 열팽창 계수가 매우 낮기 때문에(20~320°C 온도 범위에서 약 5.5 x 10-7cm/(cm-K)) 극한 및/또는 다양한 온도의 환경에 이상적입니다. 이 소재는 자외선부터 중적외선 스펙트럼 영역까지 높은 투과율과 낮은 굴절률(프레넬 반사 손실이 낮음)을 가지고 있어 용융 실리카는 광학 애플리케이션에 이상적인 소재입니다. 이 소재는 다양한 미세 유체 장치 및 광대역 광학 부품에 사용할 수 있습니다.

최신 초청정 장비를 사용하여 이 소재를 처리하기 위해 용융 실리카 소재를 위한 다양한 기술이 특별히 개발되었습니다. 이전 연구에서는 미세 유체 소자의 습식 에칭 및 웨이퍼 납땜에 불산(HF)을 사용하는 데 중점을 두었습니다. 용융 실리카는 비결정질 재료이므로 습식 화학 에칭 공정 중에 등방성 프로파일 분포가 관찰됩니다. 포토리소그래피와 불산 버퍼를 사용하면 용융 석영에 거의 이상적인 반원통형 모양을 만들 수 있습니다. 웨이퍼 납땜 기술(약 1000°C의 온도)을 사용하여 원통형 미세 유체 채널을 제작할 수 있습니다.

최근 나노 기술로 제작된 광학 소자는 프레넬 렌즈 또는 이원 광학, 구배 굴절률 렌즈 및 단파장 인공 구배 굴절률 렌즈와 같은 기타 회절 요소의 기능을 가능하게 하는 구배 또는 각진 프로파일 분포를 가질 수 있습니다. 미국 샌디아 국립연구소의 연구원들은 여러 주기의 전자 빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 여러 단계의 프로파일 분포를 가진 융합 실리카 바이너리 렌즈를 제작했습니다. 연구진은 니켈(Ni) 마스크(크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 부착층 포함)와 최적의 에칭 비율인 트리클로로메탄(CHF3) 40sccm(표준 유량)과 산소 3sccm의 조합을 사용했으며, 40mTorr의 압력을 적용하고 200W RF 전력의 396V 베이스 바이어스를 적용하여 다음과 같은 매우 높은 이방성 프로파일 분포를 생성했습니다.

용융 실리카 재료의 품질은 디바이스의 최종 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 품질이 낮은 용융 실리카는 반응성 이온 에칭 공정 후 보이드가 발생하거나 표면이 거칠거나 고르지 않을 수 있습니다. 따라서 최적의 이방성과 표면 평활도를 위한 고품질 기판의 선택은 광학 부품의 가장 기본적인 요건입니다.