使用蝕刻掩模材料在InP襯底中實(shí)現(xiàn)V形槽

引言

p-i-n光電探測器封裝中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一是將光纖耦合到探測器。由于探測器和光纖的尺寸都非常小，精確和準(zhǔn)確的對準(zhǔn)非常關(guān)鍵。如今，在大多數(shù)情況下，這是通過耗時(shí)且成本高昂的主動(dòng)對準(zhǔn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)涉及在二極管工作時(shí)單獨(dú)調(diào)整每根光纖，以獲得最大響應(yīng)并進(jìn)行固定。因此，需要開發(fā)無源自對準(zhǔn)技術(shù)，其時(shí)間消耗更少、成本更低，并且同時(shí)可靠且合理有效。眾所周知，半導(dǎo)體材料的微機(jī)械加工是精確的，具有極好的尺寸控制，它非常適合于實(shí)現(xiàn)精確的微結(jié)構(gòu)，然后可以用于無源光纖自對準(zhǔn)。因其晶面蝕刻速率不同而產(chǎn)生的單晶硅各向異性濕法化學(xué)蝕刻是一種成熟且受歡迎的技術(shù)。1該技術(shù)已用于制造各種高精度無源微結(jié)構(gòu)，然后用于固定光纖和引導(dǎo)光線。然而，由于大多數(shù)光學(xué)器件是由直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料如InGaAs和InP制成的，所以這些器件必須通過倒裝芯片技術(shù)安裝在微機(jī)械加工的硅晶片上以進(jìn)行光纖對準(zhǔn)。

為了使光電子器件更容易單片集成，在像InP本身這樣的襯底材料中實(shí)現(xiàn)精密微結(jié)構(gòu)更方便。在過去的幾年里，人們一直在積極研究開發(fā)各種技術(shù)，用于在InP(100)晶片中制造高度精確的對準(zhǔn)溝槽。然而，InP的蝕刻在底切和由此產(chǎn)生的側(cè)壁輪廓方面帶來了許多問題。閃鋅礦晶體如InP和GaAs具有兩種不同類型的{111}面，它們可能在蝕刻時(shí)出現(xiàn)。其中，{111}A表面終止于III族原子，而{111}B表面終止于V族原子。{111}B表面具有更高的反應(yīng)性，因?yàn)樵谠摫砻嫔厦總€(gè)原子有五個(gè)成鍵電子，相比之下，在{ 111 } B表面上每個(gè)原子有三個(gè)成鍵電子{ 111 }一個(gè)曲面。在蝕刻時(shí)，當(dāng)掩模邊緣沿[01-1]方向取向時(shí)，預(yù)期會(huì)出現(xiàn)具有{111}A刻面的V形槽。在[0-1-1]方向上，應(yīng)該形成幾乎垂直的側(cè)壁。已經(jīng)嘗試了多種蝕刻掩模和蝕刻溶液實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一點(diǎn)。2-5在一些情況下，然而，而不是當(dāng)在HCl:H3PO4溶液中使用SiO2或Ti作為蝕刻掩模時(shí)，會(huì)出現(xiàn){111}面、{211}面和{311}面。2-4此外，據(jù)報(bào)道，在HCl:H3PO4 (5:1)溶液中使用光刻膠掩模時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的底切。5另一方面，使用SiO2和Ti掩模的HBr基蝕刻系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生具有{ 111 }面的V形槽。

如上所述，有許多關(guān)于在InP中實(shí)現(xiàn)V形槽的公開文獻(xiàn)。然而，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是針對蝕刻深度小于25 m的情況公布的。Klocken- brink等人2討論了蝕刻深度為120 m的V形槽，但他們的工作僅限于HCl:H3PO4蝕刻劑。在目前的工作中

V-針對要求蝕刻深度大于350 μm的特定應(yīng)用進(jìn)行凹槽蝕刻。這要求蝕刻更長的時(shí)間。蝕刻掩模現(xiàn)在起著更重要的作用，因?yàn)槲g刻劑與掩模材料的相互作用可能導(dǎo)致嚴(yán)重的底切。為了優(yōu)化工藝，因此必須選擇適合于這種長時(shí)間蝕刻的蝕刻劑和蝕刻掩模的最佳組合。為此，我們使用Ti、Cr和等離子體沉積的氮化硅蝕刻掩模對InP(100)襯底進(jìn)行了濕法化學(xué)取向相關(guān)蝕刻(ODE)。還研究了這些掩模材料對底切程度的影響。HCl:H3PO4以及HBr:CH3COOH蝕刻系統(tǒng)已經(jīng)用于研究蝕刻后的側(cè)壁角度以及表面光潔度。然后根據(jù)底切的程度、表面光滑度和V形槽的角度來確定蝕刻劑和蝕刻掩模的最佳組合。

適當(dāng)調(diào)整窗口尺寸，可以實(shí)現(xiàn)U形槽而不是V形槽(如圖1所示)。當(dāng)在暴露平面相遇之前遇到蝕刻停止層時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。之后，InGaAs層必須通過選擇性蝕刻劑去除，否則它將部分吸收來自光纖的光。這將導(dǎo)致凹槽的平滑底面，然后可以用抗反射涂層涂覆該底面，以最小化光纖的反射損失。還有n+層(p-i-n結(jié)構(gòu)的)厚度已經(jīng)增加到大約2 μm，使得當(dāng)插入凹槽，不會(huì)刺穿和損壞探測器。根V形槽的成功實(shí)現(xiàn)是(I)襯底的結(jié)晶據(jù)這一思想，在InP(100)上制作V形槽襯底已被執(zhí)行。的四個(gè)重要方面完美，(ii)掩模圖案在特定方向上的精確對準(zhǔn)，(iii)掩模材料的良好粘附和(iv)用于蝕刻InP的特定蝕刻溶液。這些因素影響V形槽的實(shí)際形狀、蝕刻時(shí)底切的程度以及暴露面的表面光滑度，所有這些因素對于光纖與探測器的實(shí)際對準(zhǔn)都是至關(guān)重要的。在目前的工作中，不同的蝕刻掩模材料以及各種蝕刻溶液已經(jīng)被用于優(yōu)化V形槽的制造。

討論?

使用HCl:H3PO4 (5:1)蝕刻系統(tǒng)(編號(hào)1)蝕刻剖面?！?zhàn)鳛槲g刻掩模。使用鈦?zhàn)鳛槲g刻掩模，在[01-1]方向上(沿著524 μm邊緣)形成V形槽。在[0-1-1]方向，形成垂直壁。V形槽壁光滑，并以35.3°的角度傾斜于(100)面，如圖2所示。

2.這表明暴露的小平面不是像

{111}面與{100}面所成的角度應(yīng)為54.7°。據(jù)報(bào)道，在InP {111}A中，HCl的作用不會(huì)產(chǎn)生表面。4從表面的傾斜角度來看，暴露的平面被推斷為{211}平面。2，6在蝕刻15分鐘后，V形槽平面相交于185 m的深度，對應(yīng)的蝕刻速率約為12 m/min。掩模邊緣的底切小到可以忽略不計(jì)。

鉻作為蝕刻掩模?！t不能承受這種蝕刻溶液超過2分鐘，因此不適合用作1號(hào)ES的掩模。

因此，窗口不再被很好地定義。蝕刻14分鐘后，窗口的200米邊變寬到375米(幾乎是其尺寸的兩倍)。這可能是由于鉻與InP的粘附性差造成的。先前的研究人員已經(jīng)觀察到光致抗蝕劑掩模的底切現(xiàn)象，這通常是由于表面天然氧化物和蝕刻劑之間的反應(yīng)導(dǎo)致涂覆的光致抗蝕劑和InP襯底之間的粘附力損失。6天然氧化物與HCl的反應(yīng)速率比與HBr的反應(yīng)速率快。這可能解釋了為什么Cr不能耐受含有HCl的第一蝕刻劑(ES)。使用第二種蝕刻劑(ES no. 2)時(shí)，粘附力的損失沒有完全去除掩模那么劇烈。然而，底切仍然是值得考慮的。在ES no. 2中，底切與使用Cr掩模的蝕刻深度之比約為0.6。不同蝕刻時(shí)間的底切程度如圖6所示。

為了進(jìn)一步研究HBr濃度對底切的影響，蝕刻溶液的組成改變?yōu)镠Br:CH3COOHo1:1。由于該溶液中HBr的濃度較低，蝕刻速率降低至約7.5 m/min。然而，如圖6所示，底切仍然相當(dāng)高，并且?guī)缀蹼S蝕刻時(shí)間線性增加。在該溶液中蝕刻35分鐘后，在[0-1-1]方向上每個(gè)掩模邊緣處的底切為128 m。在該點(diǎn)處的蝕刻深度為260 m。在這種情況下，底切與蝕刻深度的比率降低至0.49。這證明了我們的論點(diǎn)。

底切的程度與天然氧化物和蝕刻溶液的反應(yīng)有關(guān)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)降低蝕刻溶液中HBr的濃度會(huì)減少底切的程度。

結(jié)論

發(fā)展了一種簡單的自動(dòng)對準(zhǔn)光纖和光電探測器的技術(shù)。三種不同的蝕刻掩模材料，即Ti、Cr和SiN用于在InP襯底中蝕刻V形槽，通過該槽可以插入光纖并精確定位。使用兩種不同的蝕刻溶液來蝕刻InP。第一種蝕刻溶液(ES 1號(hào))含有HCl∶h3po 4(5∶1)，另一種(ES 2號(hào))含有HBr∶ch 3c ooh(3∶2)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，雖然蝕刻溶液的選擇決定了V形槽的角度以及表面光潔度，但是掩模材料和沉積方法決定了底切的量。發(fā)現(xiàn)Ti作為掩模材料以最小的底切給出最好的結(jié)果。在兩種蝕刻溶液中，編號(hào)為2的蝕刻溶液是優(yōu)選的，因?yàn)閂形槽與表面的傾斜角較大(54.7°)，因此，對于給定的窗口尺寸，可以蝕刻出相對較深的槽。暴露墻壁的表面光滑度通過以下方式得到改善。