Analisis etsa oksida perovskit menggunakan plasma yang digabungkan secara induktif argon untuk aplikasi fotonik

Eksperimen dan hasil

Metode

Oxford PlasmaPro 100c Cobra 13,56 MHz digunakan untuk eksperimen etsa ICP berbasis argon, dan struktur skematis etsa ditunjukkan pada Gambar 1a. Gas input terionisasi di bawah medan elektromagnetik yang berubah-ubah terhadap waktu, yang dihasilkan oleh koil yang digabungkan secara induktif di bawah sumber frekuensi radio pertama (RF_ICP ). Ion plasma yang dihasilkan berakselerasi secara vertikal menuju wafer bawah di bawah tegangan bias, yang dikendalikan oleh sumber RF kedua (RF_bias ) terhubung ke penahan/elektroda media. Produk gas etsa yang mudah menguap dibuang melalui ventilasi. Z-cut LN digunakan sebagai contoh untuk demonstrasi hubungan antara kondisi proses yang berbeda dan tingkat etsa; struktur epitaksi LN ditunjukkan pada Gambar. 1b. Ketebalan lapisan atas lithium niobate dan silikon oksida masing-masing adalah 700 nm dan 2 m. Lapisan krom (Cr) 50 nm pertama kali diendapkan dengan penguapan berkas elektron (e-beam) ke sampel untuk memfasilitasi litografi. Kemudian, sekitar 1 m photoresist ma-N 1400 dilapisi spin pada permukaan dengan fotolitografi menggunakan penulis laser. Setelah pengembangan dan etsa basah Cr berikutnya, struktur berpola berfungsi sebagai topeng bayangan untuk etsa kering. Setelah etsa ICP, topeng ini dilucuti dalam etsa N-metil-2-pirolidon dan Cr panas. Kedalaman fitur sebelum etsa, setelah etsa, dan setelah pelepasan topeng bayangan direkam melalui profiler permukaan pada titik tetap, dan laju etsa dari photoresist dan Z-cut LN dihitung sesuai.

a Struktur skema proses ICP. Struktur epitaksi dan gambar SEM dari b Z-cut LN dan c BTO yang digunakan dalam percobaan (Pt dan Cr diendapkan sebagai lapisan pelindung untuk pemotongan FIB)

Analisis kecepatan etsa

Empat faktor divalidasi selama percobaan:tekanan ruang, laju aliran gas, daya bias dan daya ICP. Sebelum setiap etsa, perawatan plasma oksigen murni 5 menit dilakukan untuk pembersihan ruang. Hanya gas argon yang digunakan selama etsa, dan kondisi dasar etsa adalah:tekanan ruang 5 mTorr, aliran gas 20 sccm, daya bias 150 W, dan daya ICP 500 W. Laju etsa terukur dari Z-cut LN dan photoresist sehubungan dengan kondisi gabungan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 2. Dapat diamati dari Gambar 2a bahwa laju etsa dari LN potong-Z meningkat ketika tekanan ruang dikurangi, dan peningkatan laju etsa Z-cut LN relatif linier (kemiringannya sekitar 0,95 nm/mnt per penurunan tekanan mTorr) dan dapat diprediksi. Perlu dicatat bahwa pengukuran kedalaman profil permukaan Z-cut LN lebih akurat dibandingkan dengan photoresist, karena permukaan photoresist setelah etsa tidak sedatar Z-cut LN. Ketika tekanan ruang lebih rendah, gerakan tumbukan acak berkurang dan ion argon diangkut lebih teratur, yang dapat menjelaskan mengapa tingkat etsa yang lebih tinggi diamati di bawah tekanan ruang yang lebih rendah. Tingkat etsa meningkat secara linier untuk Z-cut LN sehubungan dengan kondisi aliran gas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, yang berarti lebih banyak plasma argon yang diaktifkan ketika aliran gas lebih besar. Kemiringan laju etsa Z-cut LN adalah sekitar 0,11 nm/menit per unit peningkatan aliran gas sccm, seperti yang dapat disimpulkan dari Gambar 2b. Laju etsa dari Z-cut LN dan photoresist meningkat ketika bias dan daya ICP meningkat, seperti dapat dilihat dari Gambar 2c, d. Ketika daya ICP serendah 100 W, beberapa atom argon terionisasi dan laju etsa Z-cut LN cukup kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Lebih banyak atom argon akan terionisasi ketika daya ICP meningkat, dan dengan demikian menghasilkan tingkat etsa yang lebih tinggi. Dengan peningkatan bias, kecepatan percepatan ion juga akan lebih besar karena medan listrik lebih kuat. Baik peningkatan densitas plasma maupun percepatan ion akan menghasilkan tingkat etsa yang lebih tinggi, yang dapat ditemukan pada Gambar. 2c, d. Kemiringannya masing-masing sekitar 0,072 dan 0,059 nm/mnt per watt bias dan daya ICP. Kurva nonlinier laju etsa photoresist dengan hubungan daya bias kemungkinan disebabkan oleh kesalahan pengukuran yang dihasilkan dari permukaan yang tidak rata.

Tingkat etsa Z-cut LN dan photoresist di bawah a . yang berbeda tekanan, b aliran gas, c kekuatan bias dan d Kekuatan ICP

Pada Gambar. 2a, laju etsa 21,87 nm/mnt diperoleh pada kondisi tekanan ruang 5 mTorr, aliran gas 20 sccm, daya bias 150 W, dan daya ICP 500 W. Kecepatan etsa sekitar 37 nm/mnt diukur dengan kondisi tekanan ruang 10 mTorr, aliran gas 30 sccm, daya bias 300 W, dan daya ICP 700 W, yang sangat konsisten dengan hasil yang dihitung (40,4 nm/dtk) berdasarkan data terukur ditunjukkan pada Gambar. 2. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa tingkat etsa dari Z-cut LN teratur dan dapat diprediksi.

Berdasarkan kondisi dasar yang sama (tekanan ruang 5 mTorr, aliran gas 20 sccm, daya bias 150 W, dan daya ICP 500 W), eksperimen etsa serupa yang melibatkan LN dan BTO potong-X dilakukan untuk menguji pengaruh tekanan ruang. (sebagai contoh kondisi yang berbeda), dan data terukur ditunjukkan pada Gbr. 3. LN X-cut yang digunakan di sini adalah kristal curah, sedangkan BTO adalah lapisan epitaxial yang ditumbuhkan pada substrat dysprosium scandate (DSO) menggunakan pulsed deposisi laser (PLD), dengan struktur yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Ketika tekanan ruang dikurangi, baik tingkat etsa BTO dan LN potong-X meningkat, yang sesuai dengan hasil LN potong-Z. Kemiringan yang diamati sedikit berbeda dapat dikaitkan dengan perbedaan kecil dalam kualitas kristal. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa parameter etsa pada Gambar. 2 juga secara luas cocok untuk LN dan BTO potong-X tipe oksida perovskit.

Hasil perbandingan tingkat etsa sehubungan dengan tekanan ruang untuk LN BTO, Z-cut dan X-cut

Analisis morfologi permukaan

Untuk mengevaluasi potensi perubahan morfologi permukaan yang disebabkan oleh etsa, AFM digunakan di sini dengan area pemindaian diatur ke \(1\times 1 {\mathrm{\mu m}}^{2}\). Gambar AFM dari as-deposited dan after-etching untuk Z-cut LN, X-cut LN dan BTO ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat ditemukan dari Gambar 4a, b bahwa Z-cut LN memiliki hampir satu orde kekasaran permukaan root-mean-square (RMS) yang lebih rendah dibandingkan dengan sampel yang diendapkan. Untuk X-cut LN dan BTO, permukaan halus yang sama setelah etsa dapat ditemukan dari Gambar 4c-f. Kekasaran RMS yang sedikit lebih besar untuk BTO yang diendapkan disebabkan oleh kualitas pertumbuhan asli, karena sampel LN adalah produk komersial dan film BTO ditanam di laboratorium kami pada substrat (DSO) yang dengan sendirinya mungkin tidak meminimalkan kekasaran permukaan. Kekasaran RMS yang lebih rendah dari sampel yang digores dapat dikaitkan dengan sifat fisik etsa ICP berbasis plasma argon, yang membuat proses etsa sedikit seperti penggilingan/pemolesan.

Tampilan 3D morfologi permukaan Z-cut LN, X-cut LN dan BTO diukur dengan AFM. a Setoran dan b terukir Z-cut LN. c Setoran dan d terukir X-cut LN. e Setoran dan f terukir BTO

Analisis keadaan permukaan

Analisis EDS dilakukan untuk sampel Z-cut LN, X-cut LN, dan BTO yang diendapkan dan digores, untuk menganalisis secara kualitatif setiap kemungkinan perubahan komponen permukaan, dan hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 5. Selama pengukuran, Lithium (Li), Niobate (Nb), Oksigen (O), Karbon (C), Argon (Ar) dan Chrome (Cr) dicatat untuk LN potong-Z dan potong-X, seperti ditunjukkan pada Gambar 5a–d, sedangkan untuk sampel BTO, Barium (Ba), Titanium (Ti), O, C, Ar dan Cr dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5e, f. Dibandingkan dengan sampel yang diendapkan, tidak ada perbedaan signifikan dalam konstituen unsur yang diamati dari Gambar. 5. Tidak ada argon residu dalam area yang tergores di salah satu sampel yang tergores, yang menunjukkan bahwa ICP berbasis plasma argon adalah murni proses fisik tidak menyebabkan perubahan kimia sekunder yang tidak terduga, dan tidak ada reaktan etsa yang dihasilkan.

Hasil EDS yang terukur. a Setoran dan b sampel LN Z-cut terukir; c sebagai deposit dan d sampel LN potong-X tergores; e sebagai deposit dan f sampel BTO tergores

Untuk analisis lebih lanjut dari setiap perubahan komposisi kimia permukaan, analisis XPS dilakukan. Pengukuran dilakukan dalam sistem Thermo Fisher Scientific Theta Probe yang dilengkapi dengan sumber sinar-X Al K \(\alpha\) monokromatik, fokus mikro (1486,6 eV) dan spektrum XPS direkam pada sudut deteksi (q) 50 , sehubungan dengan permukaan sampel. Tekanan dasar ruang analisis adalah \(5\times {10}^{-10}\) mbar. Gambar 6 menunjukkan spektrum survei XPS dari sampel Z-cut LN, X-cut LN, dan BTO berkisar dari 0 hingga 1000 eV binding energy (BE). Ada Li 1, Nb 3p_1/2 , Nb 3p_3/2 , Nb 3d_5/2 , Nb 4p_3/2 , O 1 s, dan C 1 s untuk LN potong-Z dan LN potong-X, seperti ditunjukkan pada Gambar 6a, b. Pada Gambar. 6c, ada Ba 4d, Ba 4p_3/2 , C 1 s, Ti 2p, O 1 s, Ba 3d_5/2 dan Ba ​​3d_3/2 untuk BTO. Spektrum XPS yang dilaporkan di sini dirujuk ke BE dari puncak komponen C–C/C-H dari spektrum C1 pada 285,0 eV [13, 16]. Dapat diamati dari Gambar 6 bahwa tidak ada perbedaan besar dalam spektrum survei untuk sampel yang diendapkan dan digores. Beberapa puncak kecil setelah etsa disebabkan oleh kontaminasi kecil selama pemrosesan dan penyimpanan sampel.

Spektrum survei XPS dari a Z-cut LN, b X-cut LN dan c BTO sebelum dan sesudah etsa. Garis bawah (merah) dan atas (hitam) mewakili sampel yang terdeposit dan tergores

Untuk lebih mengidentifikasi keadaan kimia setiap elemen secara rinci, spektrum resolusi tinggi dari semua elemen yang disajikan di permukaan diperoleh dan dipasang setelah pengurangan latar belakang elektron sekunder tipe Shirley [13]. Hasil fitting ditunjukkan pada Gambar. 7. Gambar 7a sampai d adalah Li 1, Nb 3d_5/2 , O 1 s dan Ar untuk Z-cut LN. Tidak ada perubahan yang jelas untuk puncak Li 1, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Dibandingkan dengan sampel yang diendapkan, puncak Nb 3d_5/2 dan O1 berubah, masing-masing, sebesar 0,1 dan 0,2 eV menuju BE yang lebih tinggi dalam kasus tergores, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b, c. Perubahan kecil seperti itu mendekati kesalahan pengukuran dan menunjukkan bahwa tidak ada perubahan keadaan kimia yang jelas untuk Nb dan O. Perlu dicatat bahwa ada dua puncak komponen untuk pemasangan spektrum O 1, dan puncak utama sekitar 530,2 eV berasal dari Nb -O obligasi. Sub-puncak lainnya sekitar 532,5 eV dapat dikaitkan dengan kontaminasi, karena dihilangkan oleh tonjolan fisik di ruang vakum dan dengan demikian menghasilkan kekuatan sinyal yang lebih lemah [13]. Tidak ada puncak argon yang terlihat jelas pada sampel yang diendapkan dan digores, yang memvalidasi bahwa etsa ICP berbasis argon tidak menghasilkan residu dari etsa.

Spektrum resolusi tinggi untuk sampel Z-cut LN, X-cut LN, dan BTO yang diendapkan dan digores. a ke d mewakili Li, Nb, O, Ar untuk Z-cut LN. e –h mewakili Li, Nb, O, Ar untuk LN potong-X. saya ke l mewakili Ba, Ti, O, Ar untuk BTO. Garis bawah (merah) dan atas (hitam) mewakili hasil yang disimpan dan diukir di setiap gambar

Gambar 7e–h menunjukkan Li 1 s, Nb 3d_5/2 , O 1 s dan Ar untuk LN potong-X. Kesimpulannya sama seperti pada Z-cut LN. Semua puncak Li 1 s, Nb 3d_5/2 dan O 1 s menggeser 0,2 eV ke arah BE yang lebih tinggi untuk sampel yang digores dibandingkan dengan sampel yang diendapkan. Untuk spektrum Ar 2p, ada satu puncak kecil dalam sampel yang tergores sekitar 239,0 eV, yang dapat dikaitkan dengan argon residual. Meskipun Ar tidak akan bereaksi secara kimia dengan bahan yang tergores, ion berenergi tinggi akan ditanamkan ke permukaan yang tergores selama proses penggoresan. Dan implantasi seperti itu diperkirakan akan lemah dalam eksperimen kami karena sinyalnya sangat kecil, dan tidak akan menimbulkan efek signifikan pada kinerja perangkat fotonik.

Gambar 7i–l menunjukkan spektrum Ba 3d, Ti 2p, O 1 dan Ar 2p yang diperoleh untuk BTO. Pada Gambar. 7i, Ba 3d_5/2 sampel yang diendapkan (garis merah bawah) dapat dipasang ke dua puncak pada BEs 778,7 dan 780,0 eV dengan rasio 47%:53%. Setelah etsa, Ba 3d_5/2 dipasang ke dua puncak pada BEs 778,8 dan 780,1 eV dengan rasio 80%:20%. Tidak ada pergeseran BE yang diamati setelah mempertimbangkan kesalahan eksperimen (± 0.2 eV). Namun, oksida permukaan dihilangkan karena proses etsa dari perubahan rasio puncak. Untuk Ti 2p, BEs dari Ti 2p_3/2 sebelum dan sesudah proses etsa masing-masing adalah 458,1 dan 458,2 eV, yang juga masih dalam kesalahan eksperimental. Untuk spektrum O 1, sebelum etsa dapat dipasang menggunakan dua puncak dengan BEs 529,4 dan 531,4 eV, ditetapkan untuk BTO dan kontaminasi permukaan, dengan rasio 45%:55%. Setelah etsa, BEs puncak adalah 529,6 dan 531,5 eV dengan rasio 60%:40%, yang menunjukkan bahwa kontaminasi permukaan telah hilang. Tidak ada puncak XPS yang jelas dari Ar yang diamati setelah etsa di BTO, yang sesuai dengan kasus LN Z-cut dan X-cut.

Karakterisasi dan diskusi kinerja optik

Berdasarkan metode ICP berbasis argon yang dioptimalkan, pandu gelombang LN Z-cut diwujudkan sebagai contoh aplikasi. Waveguide sebagian terukir dengan kedalaman etsa 420 nm dari ketebalan total 700 nm, dan lebarnya dirancang pada 4 µm untuk litografi yang mudah. Dimensi geometris pandu gelombang ditentukan berdasarkan metode 3D finite difference time domain (FDTD) [17] setelah mempertimbangkan baik rugi transmisi maupun teknologi proses. Lapisan dan substrat LN atas diisolasi oleh 2 µm silikon oksida untuk membentuk perbedaan indeks bias yang tinggi (indeks bias LN dan SiO₂ adalah, masing-masing, 2,3 dan 1,44) untuk kurungan optik, seperti epitaksi yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Sekitar -3,7 dB/cm rugi propagasi diukur dengan pengurangan rugi kopling (metode pemotongan) di dekat panjang gelombang desain 1550 nm untuk lampu masukan terpolarisasi magnetik transversal (TM), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a. Inset menunjukkan cahaya terbatas dengan baik di dalam pandu gelombang. Perlu dicatat bahwa ada metode lain untuk mengkarakterisasi hilangnya pandu gelombang, seperti prisma geser, resonansi Fabry-Perot dan metode cahaya tersebar [18]. Metode pemotongan digunakan di sini. Gambar 8b menunjukkan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari pandu gelombang tergores. Dinding samping yang jelas memvalidasi hasil etsa berkinerja tinggi. Sudut dinding samping sekitar 50 derajat, seperti gambar berkas ion fokus (FIB) yang ditunjukkan pada Gambar. 8c. Kehilangan terukur masuk akal untuk polarisasi TM (di mana bidang disejajarkan dengan benar untuk memaksimalkan efek Pockels untuk orientasi potongan-Z); dan lebih besar dari nilai kerugian tipikal untuk cahaya terpolarisasi listrik transversal (TE) dalam lithium niobate potong-X [3, 6] karena anisotropi biasa pada kekasaran dinding samping. Kehilangan tersebut dapat diperbaiki dengan menggunakan ketebalan LN atas yang lebih tipis [19] dan struktur yang lebih optimal [3, 6, 20]. Perlu diperhatikan bahwa tidak ada proses pasca atau cladding tambahan dari pandu gelombang yang diukur. Dengan demikian kerugian dapat dikurangi dengan mengoptimalkan pemrosesan tersebut, seperti halnya dengan penambahan oksidasi termal dalam pandu gelombang silikon [20, 21], atau dengan penggunaan penghalusan berkas ion gugus gas [22]. Dalam kasus BTO, penurunan kontras indeks antara substrat DSO dan lapisan BTO atas (indeks bias BTO dan DSO masing-masing adalah 2,38 dan 2,13, sebagaimana ditentukan oleh metode kopling prisma) akan menghasilkan kurungan cahaya yang lebih buruk meskipun etsa lebih dalam; kerugiannya tidak bisa langsung dibandingkan dengan yang ada di LN.

a Kerugian terukur dari pandu gelombang LN potong-Z yang terukir. (Gambar yang disisipkan menunjukkan cahaya yang ditransmisikan di dalam pandu gelombang tikungan selama pengukuran.) b Gambar SEM dari pandu gelombang tergores. c Gambar FIB dari penampang pandu gelombang

Dibandingkan dengan metode difusi ion tipikal [12] untuk oksida perovskit dalam aplikasi fotonik, ICP berbasis argon yang ditunjukkan dalam naskah ini dapat mewujudkan perangkat terintegrasi yang ringkas dan berkinerja tinggi. Karena tidak ada produk reaksi etsa dalam metode ini, kinerja optik kristal oksida perovskit tidak terpengaruh sama sekali. Oleh karena itu, kemungkinan lebih unggul dibandingkan dengan etsa ICP berbasis fluor atau klorida [13,14,15], yang telah didemonstrasikan untuk jenis aplikasi lain, seperti transistor efek medan. Mesin ICP banyak digunakan di industri, sehingga hasil dari metode yang diusulkan akan tinggi jika setiap langkah proses dikendalikan dalam margin kesalahan yang kecil.