Otimização da Gravação ICP de Argônio de Óxidos Perovskita para Aplicações Avançadas em Fotônica

Resumo

Analisamos a gravação a seco de óxidos perovskita usando plasmas acoplados indutivamente (ICP) baseados em argônio para aplicações fotônicas. Demonstramos várias condições de câmara e seus efeitos nas taxas de gravação com base no niobato de lítio corte Z (LN). Os resultados medidos são previsíveis e repetíveis, aplicáveis a outros óxidos perovskita, como LN corte X e óxido de titânio e bário (BTO). A rugosidade superficial é melhor tanto para LN quanto para BTO gravados em comparação com suas contrapartes como depositadas, conforme confirmado por microscopia de força atômica (AFM). Espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foram usadas para comparações químicas superficiais qualitativas e quantitativas, sem observação de mudanças óbvias no estado superficial. Um guia de onda óptico fabricado com gravação ICP de argônio otimizada apresentou perda de -3,7 dB/cm próximo a 1550 nm para LN corte Z, validando este método para gravação de óxidos perovskita em aplicações fotônicas.

Introdução

A fotônica de silício tem experimentado grande desenvolvimento nas últimas décadas devido ao seu baixo custo e integração em larga escala. No entanto, a ausência do efeito Pockels restringe algumas aplicações devido à sua estrutura cristalina centrossimétrica. Óxidos perovskita como LiNbO₃ (LN) e BaTiO₃ (BTO) têm recebido grande atenção para aplicações fotônicas devido aos seus grandes efeitos Pockels. Vários dispositivos fotônicos baseados em LN e BTO foram demonstrados com desempenho superior. Para tais aplicações, um guia de onda com alto contraste de índice de refração é o componente básico para confinamento de luz. Tradicionalmente, guias de onda foram formados em LN por difusão iônica, o que permitiu apenas baixo contraste de índice de refração e confinamento óptico pobre. O avanço de dispositivos integrados baseados em LN depende da gravação a seco direta de filmes finos de LN. Contudo, não há análise abrangente de métodos de gravação a seco de LN relatada até agora. Por outro lado, o BTO possui coeficiente de Pockels ainda maior (1640 pm/V) que o LN (~30 pm/V), podendo suportar dispositivos fotônicos muito melhores. No entanto, dispositivos fotônicos baseados em BTO gravados diretamente ainda não foram demonstrados, provavelmente devido à dificuldade de gravação. O método mais comum na literatura para criar guias de onda de índice mais alto nesses materiais é primeiro depositar uma camada de material de fácil gravação e depois transferir o padrão para essa camada por gravação a seco. O modo óptico resultante sobrepõe-se apenas parcialmente com a camada de BTO não gravada, degradando seu desempenho; tal método não maximiza seu efeito Pockels. Embora gravação por plasma baseada em flúor e cloreto de BTO tenha sido proposta para aplicações em memórias semicondutoras, produtos de reação que podem ser redepositados nas superfícies e paredes laterais durante o processo reduzem a adequação de tais químicas para aplicações fotônicas.

Portanto, a gravação ICP baseada em plasma de argônio de óxidos perovskita LN e BTO é analisada de forma abrangente neste manuscrito. Diferentes fatores e seus efeitos nas taxas de gravação são comparados para ambos LN e BTO. A rugosidade superficial antes e depois da gravação é analisada por microscopia de força atômica (AFM). Espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) são usadas para caracterizar mudanças no estado químico superficial. Observa-se que a superfície é muito mais suave, sem resíduos de gravação detectados em amostras de LN e BTO gravadas. Baseado nas condições otimizadas de gravação, guias de onda ópticos são gravados em uma amostra de LN corte Z, com perda medida de -3,7 dB/cm, validando a adequação do método ICP baseado em argônio para gravação geral de óxidos perovskita em aplicações fotônicas.

Experimento e Resultados

Métodos

Um sistema Oxford PlasmaPro 100c Cobra de 13,56 MHz é usado para o experimento de gravação ICP baseada em argônio. A estrutura esquemática da gravação é mostrada na Fig. 1a. O gás de entrada é ionizado sob campos eletromagnéticos variáveis no tempo, produzidos por uma bobina acoplada indutivamente sob a primeira fonte de radiofrequência (RF_ICP). Os íons de plasma gerados aceleram verticalmente em direção ao wafer inferior sob tensão de polarização, controlada pela segunda fonte RF (RF_bias) conectada ao suporte/eletrodo do substrato. Os produtos voláteis da gravação são descarregados por uma ventilação. LN corte Z é usado como exemplo para demonstrar a relação entre diferentes condições de processo e taxa de gravação; a estrutura epitaxial do LN é mostrada na Fig. 1b. A espessura da camada superior de niobato de lítio e óxido de silício são 700 nm e 2 µm, respectivamente. Uma camada de cromo (Cr) de 50 nm é primeiro depositada por evaporação por feixe de elétrons (e-beam) na amostra para facilitar a litografia. Em seguida, cerca de 1 µm de fotorresistente ma-N 1400 é depositado por rotação na superfície por fotolitografia usando um gravador a laser. Após desenvolvimento e subsequente gravação úmida de Cr, a estrutura padronizada serve como máscara de sombra para gravação a seco. Após a gravação ICP, esta máscara é removida em N-metil-2-pirrolidona quente e removedor de Cr. As profundidades das características antes da gravação, após a gravação e após a remoção da máscara são registradas por um perfilômetro de superfície em pontos fixos, e as taxas de gravação do fotorresistente e do LN corte Z são calculadas accordingly.

Análise das Taxas de Gravação

Quatro fatores são validados durante o experimento: pressão da câmara, vazão de gás, potência de polarização e potência ICP. Antes de cada gravação, um tratamento de plasma de oxigênio puro de 5 min é realizado para limpeza da câmara. Apenas gás argônio é usado durante a gravação, e a condição base de gravação é: pressão da câmara 5 mTorr, vazão de gás 20 sccm, potência de polarização 150 W e potência ICP 500 W. As taxas de gravação medidas de LN corte Z e fotorresistente em relação a diferentes condições combinadas são mostradas na Fig. 2. Observa-se na Fig. 2a que a taxa de gravação do LN corte Z aumenta quando a pressão da câmara é reduzida, e o aumento é relativamente linear (inclinação ~0,95 nm/min por mTorr de diminuição de pressão) e previsível. Quando a pressão da câmara é menor, o movimento de colisão aleatório é reduzido e os íons de argônio são transportados de forma mais ordenada, explicando taxas de gravação mais altas sob menor pressão. A taxa de gravação aumenta linearmente para LN corte Z em relação às condições de vazão de gás (Fig. 2b), significando que mais plasma de argônio é ativado quando a vazão é maior. A inclinação da taxa de gravação do LN corte Z é ~0,11 nm/min por unidade sccm de aumento de vazão. Ambas as taxas de gravação de LN corte Z e fotorresistente aumentam quando a potência de polarização e ICP aumentam (Fig. 2c, d). Quando a potência ICP é tão baixa quanto 100 W, poucos átomos de argônio são ionizados e a taxa de gravação do LN corte Z é bastante pequena. Mais átomos de argônio serão ionizados quando a potência ICP aumenta, resultando em taxas de gravação mais altas. Com aumento da polarização, a velocidade de aceleração iônica também será maior, pois o campo elétrico é mais forte. Tanto o aumento na densidade de plasma quanto a aceleração iônica resultam em taxas de gravação mais altas. As inclinações são ~0,072 e 0,059 nm/min por watt de potência de polarização e ICP, respectivamente. A curva não linear da taxa de gravação do fotorresistente em relação à potência de polarização provavelmente se deve a erro de medição resultante de uma superfície não plana.

Na Fig. 2a, a taxa de gravação de 21,87 nm/min é obtida sob condições de 5 mTorr, 20 sccm, 150 W de polarização e 500 W ICP. Cerca de 37 nm/min é medido com condições de 10 mTorr, 30 sccm, 300 W de polarização e 700 W ICP, altamente consistente com resultados calculados (40,4 nm/min) baseados nos dados medidos na Fig. 2. Portanto, conclui-se que a taxa de gravação do LN corte Z é regular e previsível.

Baseado nas mesmas condições base, um experimento de gravação similar envolvendo LN corte X e BTO é realizado para examinar o efeito da pressão da câmara (como exemplo de diferentes condições), e os dados medidos são mostrados na Fig. 3. O LN corte X usado aqui é um cristal bulk, enquanto o BTO é uma camada epitaxial crescida em substrato de escandato de disprósio (DSO) por deposição a laser pulsado (PLD). Quando a pressão da câmara é reduzida, tanto a taxa de gravação do BTO quanto do LN corte X aumentam, concordando bem com os resultados do LN corte Z. As inclinações ligeiramente diferentes observadas podem ser atribuídas a pequenas diferenças na qualidade cristalina. Conclui-se que os parâmetros de gravação na Fig. 2 também são amplamente adequados para óxidos perovskita tipo LN corte X e BTO.

Análise da Morfologia Superficial

Para avaliar potenciais mudanças na morfologia superficial causadas pela gravação, AFM é usado com área de varredura de 1×1 µm². Imagens AFM de como depositado e após gravação para LN corte Z, LN corte X e BTO são mostradas na Fig. 4. Verifica-se que o LN corte Z gravado tem rugosidade quadrática média (RMS) quase uma ordem de magnitude menor comparado à amostra como depositada. Para LN corte X e BTO, a mesma superfície mais suave após gravação é encontrada. A rugosidade RMS ligeiramente maior para BTO como depositado é devida à qualidade original de crescimento, pois a amostra de LN é um produto comercial e o filme de BTO é crescido em laboratório sobre substrato (DSO) que pode não ter rugosidade superficial minimizada. A menor rugosidade RMS da amostra gravada pode ser atribuída à propriedade de gravação física do ICP baseado em plasma de argônio, que torna o processo semelhante a retificação/polimento.

Análise do Estado Superficial

Análise EDS é realizada para amostras como depositadas e gravadas de LN corte Z, LN corte X e BTO, para analisar qualitativamente possíveis mudanças nos componentes superficiais. Durante a medição, Lítio (Li), Nióbio (Nb), Oxigênio (O), Carbono (C), Argônio (Ar) e Cromo (Cr) são registrados para LN corte Z e X, enquanto para BTO, Bário (Ba), Titânio (Ti), O, C, Ar e Cr são analisados. Comparado com as amostras como depositadas, nenhuma diferença significativa na constituição elementar é observada. Não há argônio residual dentro da área gravada em nenhuma das amostras gravadas, mostrando que a gravação ICP baseada em plasma de argônio é um processo puramente físico, sem mudanças químicas secundárias inesperadas e sem produção de reagentes de gravação.

Para analisar ainda mais mudanças na composição química superficial, análise XPS foi realizada. Medições foram feitas em sistema Thermo Fisher Scientific Theta Probe equipado com fonte de raios X Al Kα monocromática e microfocalizada (1486,6 eV). Os espectros XPS mostram que não há grande diferença nos espectros de levantamento para amostras como depositadas e gravadas. Alguns pequenos picos após gravação são causados por contaminação menor durante processamento e armazenamento das amostras.

Para identificar o estado químico de cada elemento em detalhe, espectros de alta resolução de todos os elementos presentes na superfície foram adquiridos e ajustados após subtração de fundo de elétrons secundários tipo Shirley. Os resultados mostram que não há mudanças óbvias para o pico de Li 1s. Comparado com a amostra como depositada, os picos de Nb 3d_5/2 e O 1s mudam respectivamente 0,1 e 0,2 eV para maiores energias de ligação no caso gravado. Tais pequenas mudanças estão próximas ao erro de medição e indicam que não há mudança óbvia no estado químico para Nb e O. Nenhum pico óbvio de argônio é observado em ambas as amostras como depositadas e gravadas, validando que a gravação ICP baseada em argônio não resulta em resíduos de gravação. Resultados similares são observados para LN corte X e BTO.

Caracterização do Desempenho Óptico e Discussão

Baseado no método ICP otimizado baseado em argônio, guias de onda de LN corte Z são realizados como aplicação exemplo. O guia de onda é parcialmente gravado com profundidade de 420 nm de 700 nm de espessura total, e sua largura é projetada em 4 µm para fácil litografia. As dimensões geométricas são determinadas pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo 3D (FDTD) considerando tanto perda de transmissão quanto tecnologia de processo. A camada superior de LN e o substrato são isolados por 2 µm de óxido de silício para formar alto contraste de índice de refração (índices de refração de LN e SiO₂ são 2,3 e 1,44, respectivamente) para confinamento óptico. Perda de propagação de -3,7 dB/cm é medida com dedução de perda de acoplamento (método cutback) próximo ao comprimento de onda de projeto de 1550 nm para luz polarizada transversalmente magnética (TM). A imagem inserida mostra luz confinada dentro do guia de onda. A perda medida é razoável para polarização TM (onde o campo está corretamente alinhado para maximizar o efeito Pockels para orientação corte Z); e maior que valores típicos de perda para luz polarizada transversalmente elétrica (TE) em niobato de lítio corte X devido à anisotropia usual na rugosidade das paredes laterais. Tal perda pode ser melhorada usando espessura de LN superior mais fina e estrutura mais otimizada. Vale notar que não há pós-processo ou revestimento adicional do guia de onda medido. A perda pode ser reduzida otimizando tal processamento, como adição de oxidação térmica em guias de onda de silício, ou uso de suavização por feixe de íons de cluster gasoso. No caso do BTO, o contraste de índice reduzido entre substrato DSO e camada superior de BTO (índices de refração de BTO e DSO são 2,38 e 2,13, respectivamente) resultaria em confinamento de luz pior mesmo com gravação mais profunda; a perda não pode ser comparada diretamente à do LN.

Comparado com o método típico de difusão iônica para óxidos perovskita em aplicações fotônicas, o ICP baseado em argônio demonstrado neste manuscrito pode realizar dispositivos integrados compactos e de alto desempenho. Como não há produtos de reação de gravação neste método, o desempenho óptico do cristal de óxido perovskita não é afetado. Portanto, é provavelmente superior comparado com gravação ICP baseada em flúor ou cloreto, demonstradas para outros tipos de aplicações, como transistores de efeito de campo. Máquinas ICP são amplamente usadas na indústria, assim o rendimento do método proposto será alto se cada etapa do processo for controlada dentro de pequena margem de erro.

Conclusões

Em conclusão, a gravação ICP baseada em argônio para óxidos perovskita é demonstrada em detalhes neste manuscrito. As taxas de gravação e suas relações com pressão da câmara, vazão de gás, potência de polarização e ICP são analisadas em LN corte Z, LN corte X e BTO. Os resultados medidos são regulares e previsíveis, úteis para benchmarking de toda gravação de óxidos baseados em perovskita, especialmente para aplicações fotônicas. Os resultados de AFM mostram que a rugosidade superficial é melhor após gravação ICP baseada em argônio do que antes. Resultados de EDS e XPS mostram que tal método de gravação é um processo puramente físico e nenhum resíduo de gravação é encontrado na superfície gravada. Alguns deslocamentos razoáveis de picos pequenos após gravação são observados, mas nenhuma degradação significativa do desempenho de dispositivos fotônicos é obtida durante o experimento. Uma perda TM medida de -3,7 dB/cm próximo a 1550 nm para um guia de onda de LN corte Z também valida a adequação do ICP baseado em argônio para gravação de óxidos perovskita na fabricação de dispositivos fotônicos.