Микро-нанообработка | Подложки/Подложки для оптоэлектронных устройств

Кремний используется в качестве стандартного материала в интегральных схемах и является одним из наиболее широко изученных материалов в мире. Этот материал подходит для использования в качестве высокотемпературного полупроводника и является легкорастущим оксидным изолятором. Эти свойства, а также все существующие промышленные инфраструктуры и инструменты делают разработку интегрированных кремниевых оптических устройств очень интересной. Кремний используется в оптоэлектронных устройствах, таких как светоизлучающие диоды (LED), волноводы и солнечные элементы, а также в микроэлектромеханических системах (MEMS).

Традиционное анизотропное мокрое травление химической обработки кремния заключается в использовании KOH:H2O (1:1 по весу) травителя, при температуре 80 ° C, скорость травления около 1,4 мкм / мин. в процессе микрофабрикации кремния часто используется для обработки сквозных отверстий или разделения тонких пленок с помощью этого химического метода. Анизотропное сухое травление кремниевых материалов осуществляется с помощью химического травителя SF6. Метод глубокого реактивного ионного травления (DeepReactiveIonEtch, DRIE) был получен в результате последующего исследования процесса сухого травления с очень высоким аспектным отношением. В этом методе чередуются химические травители SF6/Ar и CHF3/Ar. Эта газовая смесь вызывает отложение полимера тефлона на всех открытых поверхностях. Процесс SF6/Ar быстро удаляет полимер с горизонтальных поверхностей под воздействием ионной бомбардировки и протравливает открытые поверхности кремния. Процесс сополимеризации позволяет избежать травления боковых стенок и формирует высокоанизотропные распределения профилей.

Линии ПММА шириной менее 10 нм можно обрабатывать на кремниевых подложках с помощью электронно-лучевой литографии. Национальная лаборатория Сандия в США обработала множество кремниевых оптических элементов, включая поверхностные микромеханические зеркальные устройства и концентраторные солнечные элементы. 

Арсенид галлия (GaAs) - стандартный полупроводниковый материал, используемый в различных электронных и оптоэлектронных устройствах. Благодаря тому, что GaAs обладает высокими рабочими частотами, подвижность электронов и фотоэмиссионные свойства, как правило, превосходят аналогичные показатели кремниевых аналогов. На основе этих свойств были созданы различные оптоэлектронные устройства, такие как солнечные элементы, детекторы и лазеры на квантовых ямах. Арсенид галлия прозрачен во всей полосе от 2 до 5 мкм и имеет высокий коэффициент преломления. Недостатком GaAs по сравнению с кремниевыми материалами является отсутствие активного собственного оксида. В связи с быстрым развитием технологии обработки GaAs-устройств для высокоскоростных и мощных приложений, детали процесса обработки материала хорошо изучены.

В целом, перенос заряда в материалах GaAs достаточен, и не требуется слой рассеивания энергии, что делает их хорошо подходящими для использования в электронно-лучевой литографии. Было продемонстрировано, что ширина отдельных линий траншей резиста, полученных на ПММА, составляет менее 20 нм.

Влажное травление материалов GaAs может быть выполнено с использованием нескольких окислителей, включая пероксид водорода (H2O2) и галогенированные вещества, такие как бром. Например, анизотропное травление вдоль поверхности (111) выполняется с помощью травителя H2PO4:H2O2:H2O (3:1:50). Предлагаемое соотношение травителя - лимонная кислота:H2O2:H2O 5 г:2 мл:5 мл. Например, селективность между арсенидом галлия и арсенидом алюминия-галлия (AlGaAs) составляет (10-1000):1, и для эпитаксиального слоя обеспечивается жертвенное защитное травление.

Другие исследователи оптимизировали процесс селективного анизотропного травления арсенида галлия с использованием фиксатора травления арсенида галлия-алюминия. В системе индуктивно связанной плазмы (ICP) используется химическая смесь BCl3:SF6:N2:He, которая в 200 раз более селективна для GaAs, чем для GaAs-Al. Процесс позволяет получить хорошую пассивацию боковых стенок для материалов GaAs с очень высокой анизотропией.

В Национальной лаборатории Сандия (США) разработан процесс Chemi-callyAssistedIonBeamdryEtch (CAIBE) для достижения высокоанизотропного распределения элементов на материалах из арсенида галлия для применения в полупроводниковых приборах. В этом процессе используется луч аргон-ионного лазера для управления фактическим количеством и скоростью потока окружающего реакционного газа на поверхности образца. В данном случае окружающий реакционный газ представляет собой смесь хлора (Cl2) и трихлорида бора (BCl3). Условия травления оптимизированы для максимальной пассивации боковых стенок и глубины траншеи.

Плавленый диоксид кремния - это вид стекла, содержащий аморфный диоксид кремния (SiO2). Благодаря высокой чистоте процесса синтеза плавленый кварц обладает оптическими и тепловыми свойствами, превосходящими другие виды стекла. Плавленый кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (примерно 5,5 x 10-7см/(см-К) в диапазоне температур от 20 до 320°C), что делает его идеальным для сред с экстремальными температурами и/или перепадами температур. Материал обладает высоким коэффициентом пропускания и низким коэффициентом преломления от ультрафиолетовой до средней инфракрасной области спектра (с низкими потерями на отражение Френеля), что делает плавленый кварц идеальным оптическим материалом. Этот материал можно использовать в различных микрофлюидных устройствах и широкополосных оптических компонентах.

Различные методы, применимые к материалам из плавленого кварца, были разработаны специально для обработки таких материалов с помощью современного сверхчистого оборудования. Предыдущие исследования были посвящены влажному травлению и пайке микрофлюидных устройств с использованием фтористоводородной кислоты (HF). Плавленый кварц - аморфный материал, поэтому при мокром химическом травлении наблюдается изотропное распределение профиля. С помощью фотолитографии и плавиковой кислоты на плавленом кварце можно получить почти идеальные полуцилиндрические формы. С помощью техники пайки пластин (при температуре около 1000°C) можно изготовить цилиндрические микрофлюидические каналы.

Оптические устройства, изготовленные с помощью новейших нанотехнологий, могут иметь градиентное или угловое распределение профилей для выполнения функций линз Френеля или других дифракционных элементов, таких как бинарная оптика, линзы с градиентным показателем преломления и субволновые искусственные линзы с градиентным показателем преломления. Исследователи из Сандийской национальной лаборатории (США) изготовили бинарные линзы из плавленого кварца с несколькими ступенчатыми распределениями профиля с помощью нескольких циклов электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления (RIE). Исследователи использовали комбинацию никелевой (Ni) маски (содержащей адгезионный слой хрома (Cr) или титана (Ti)) и оптимального соотношения травителя 40 куб. см (стандартный расход) трихлорметана (CHF3) и 3 куб. см кислорода при давлении 40 мТорр и базовом смещении 396 В, чтобы добиться эффекта создания нескольких ступенчатых профилей. Базовое смещение 396 В при мощности радиочастотного излучения 200 Вт привело к очень сильно анизотропному распределению профилей.

Качество плавленого кварца оказывает значительное влияние на конечное качество устройства. В низкокачественном плавленом кварце могут образовываться пустоты, поверхность после реактивного ионного травления может быть шероховатой или неровной. Поэтому выбор высококачественных подложек, обеспечивающих оптимальную анизотропию и гладкость поверхности, является едва ли не самым главным требованием к оптическим компонентам.