感應(yīng)耦合等離子體刻蝕在聚合物光波導(dǎo)制作中的應(yīng)用

張 琨，岳遠斌，李 彤，孫小強 ，張大明

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室，吉林 長春130012)

1 引 言

刻蝕是聚合物光波導(dǎo)制作過程中重要的工藝步驟之一，它分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕主要采用化學(xué)方法，由于化學(xué)反應(yīng)各向異性較差，所以很難通過濕法刻蝕得到高精度的小尺寸圖形。隨著微細(xì)加工技術(shù)的特征尺寸減小到微米、亞微米量級，干法刻蝕逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。

目前最常用的干法刻蝕有反應(yīng)離子刻蝕( RIE) 、電子回旋共振等離子體刻蝕( ECR) 、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕( ICP) 等。RIE 刻蝕系統(tǒng)中等離子體能量和等離子體密度均由同一個射頻源控制，因此在低損傷、高速率刻蝕的要求下，等離子體的密度受到嚴(yán)重限制。與RIE 不同，ICP 刻蝕系統(tǒng)中有兩套射頻源，天線射頻源控制等離子體密度，偏置射頻源控制等離子體能量，兩套電源相互獨立，在控制等離子體能量的同時能夠生成高密度的等離子體，保證了刻蝕的均勻性和離子轟擊的方向性［1］。與ECR 刻蝕設(shè)備相比，ICP 刻蝕設(shè)備具有更小的體積，且其設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單、操作簡便，具有更高的性價比。此外，ICP 刻蝕技術(shù)還具有刻蝕速度快、大面積刻蝕均勻性好、表面損傷小、垂直度高等優(yōu)點［2-5］，能夠滿足制作光電子器件的要求。因此，ICP 刻蝕技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光子器件的制備工藝中。

在某些光波導(dǎo)器件( 如光波導(dǎo)放大器) 的制作過程中，由于波導(dǎo)芯層材料剛性較強，不易刻蝕，需要采用先刻蝕出凹槽，再填充芯層材料的方法制作器件，即倒脊形光波導(dǎo)器件。在倒脊形光波導(dǎo)器件中，凹槽底部的粗糙度和側(cè)壁的垂直度是影響波導(dǎo)性能的重要因素，因此優(yōu)化刻蝕條件以便得到較好的凹槽形貌是減小波導(dǎo)傳輸損耗、提高波導(dǎo)性能的有效途徑。

本文詳細(xì)介紹了ICP 刻蝕技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化過程，研究了ICP 刻蝕技術(shù)的天線射頻功率、偏置射頻功率、反應(yīng)氣體流速及腔室內(nèi)氣體壓強等參數(shù)對刻蝕效果的影響，并應(yīng)用優(yōu)化后的參數(shù)成功制作出底面粗糙度較小、側(cè)壁垂直度較高的凹槽結(jié)構(gòu)。

2 材料選取和刻蝕原理

2.1 材料選取

聚甲基丙烯酸甲酯( P( MMA) ) 是一種高度透明的熱塑性材料，該材料光學(xué)性能好，成本低廉，成膜性好，被廣泛應(yīng)用于光波導(dǎo)制作中。但是，線性P( MMA) 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度較低，且多層涂覆會引起層間互溶。

在甲基丙烯酸甲酯( MMA) 中共聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯( GMA) 可以得到甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物( P( MMA-GMA) ) 材料，P( MMA-GMA) 在加熱固化后可以形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較P( MMA) 有更好的熱穩(wěn)定性，且能有效解決多層涂覆引起的層間互溶問題，其反應(yīng)方程式［6］如圖1 所示。

圖1 合成P( MMA-GMA) 的反應(yīng)方程式Fig.1 Reaction equation of synthesizing P( MMAGMA)

2．2 ICP 刻蝕原理

ICP 刻蝕過程包括物理刻蝕和化學(xué)刻蝕。物理刻蝕是通過電感耦合的方式使刻蝕氣體輝光放電，產(chǎn)生高密度的等離子體，直接對基片表面進行物理轟擊，將聚合物表面的原子濺射出來，此過程是各向異性的?；瘜W(xué)刻蝕是反應(yīng)等離子體在放電過程中產(chǎn)生許多離子和化學(xué)活性中性物質(zhì)，即自由基，離子在電場作用下與聚合物在沿電場方向上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)為各向異性的。另一種化學(xué)反應(yīng)是可自由運動的自由基與聚合物的相互作用，這種反應(yīng)是各向同性的［7-8］。

3 實 驗

以P( MMA-GMA) 作為下包層，用鋁掩模法結(jié)合ICP 刻蝕技術(shù)制備倒脊形光波導(dǎo)器件，主要工藝流程為:( a) 清洗硅襯底: 將硅片置于干凈濾紙上，先用丙酮棉球擦拭，再用乙醇棉球擦拭，然后用去離子水反復(fù)沖洗，吹干樣品表面水跡。( b) 旋涂下包層: 在清洗后的樣品上用勻膠機旋涂P( MMA-GMA) 薄膜作為下包層，勻膠機參數(shù)設(shè)定為:前轉(zhuǎn)6 s，600 r/min;后轉(zhuǎn)20 s，3 000 r/min，涂完下包層后，將樣品放入烘箱中緩慢升溫至120 ℃，烘焙固化2 h，自然降至室溫。( c) 蒸鍍鋁掩模:在下包層上真空蒸鍍一層鋁掩模。( d) 旋涂光刻膠:在蒸鍍鋁掩模后的樣品上用勻膠機旋涂一層BP-212 正型光刻膠，烘焙20 min，烘焙溫度80 ℃，自然降至室溫。( e) 光刻顯影:選用負(fù)板作為掩模板紫外曝光4 s，以0.5 g/mL 的NaOH溶液作為顯影液，曝光部位的光刻膠和鋁掩模將溶于NaOH 溶液中，形成掩模圖形。( f) ICP 刻蝕:使用儀器為CE300I 型號的ICP 刻蝕機，在P( MMA-GMA) 聚合物下包層上刻出凹槽。( g) 去除鋁掩模，填充芯層，旋涂上包層: 用NaOH 溶液除去剩余的鋁掩模和光刻膠，將芯層材料填充到凹槽結(jié)構(gòu)中，固化后旋涂上包層，完成器件的制備。圖2 為利用鋁掩模結(jié)合ICP 刻蝕制作聚合物凹槽的示意圖。

圖2 聚合物凹槽示意圖Fig.2 Diagram of polymer groove

以氧氣作為刻蝕氣體，通過改變單一刻蝕條件以對比刻蝕效果的差異，研究各參數(shù)變化對P( MMA-GMA) 凹槽結(jié)構(gòu)形貌的影響。實驗中，分別研究刻蝕時間、天線射頻功率、偏置射頻功率、氣體壓強及氧氣流速等參數(shù)對凹槽底部粗糙度的影響，用掃描電子顯微鏡( SEM) 觀察凹槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形狀和表面形貌，用原子力顯微鏡( AFM) 表征凹槽底面的均方根粗糙度( RMS)［9］。在綜合考慮凹槽側(cè)壁垂直度的基礎(chǔ)上，通過刻蝕表面RMS 隨各參數(shù)的變化規(guī)律確定ICP 刻蝕P( MMAGMA) 的最佳工藝參數(shù)，在最佳工藝參數(shù)下制作凹槽結(jié)構(gòu)，并計算最佳工藝參數(shù)下的刻蝕速率。

光波導(dǎo)器件的尺寸往往在制作前已設(shè)計好，實際制作器件時，刻蝕深度是一定的，所以應(yīng)該在刻蝕深度相同的情況下討論各參數(shù)對凹槽底面粗糙度的影響。本文討論各參數(shù)( 除刻蝕時間參數(shù)) 對波導(dǎo)形貌的影響時，刻蝕深度均為2.5 ～2.8 μm。

4 結(jié)果與分析

圖3 刻蝕時間對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of etch time on etching surface roughness

刻蝕過程是導(dǎo)致聚合物倒脊形光波導(dǎo)器件凹槽底面不平整的主要原因，刻蝕時間的長短直接影響凹槽底面粗糙度。選擇不同的刻蝕時間對P( MMA-GMA) 進行刻蝕，天線射頻功率為200 W，偏置射頻功率為30 W，壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖3 為刻蝕表面RMS 隨刻蝕時間的變化曲線。從圖中可以看出，刻蝕時間越長，底面粗糙度越大。圖4 為用不同刻蝕時間刻蝕凹槽得到的底面形貌SEM 圖像，放大倍數(shù)為40 000倍。

圖4 不同時間刻蝕凹槽得到的底面形貌SEM 照片F(xiàn)ig.4 Subface SEM images of grooves under different etch time

在ICP 刻蝕系統(tǒng)中，用天線射頻源控制等離子體密度。選擇不同的天線射頻功率對P( MMAGMA) 進行了刻蝕，偏置射頻功率為30 W，壓強為0.5 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖5 為刻蝕表面RMS 隨天線射頻功率變化的曲線。從圖中可以看出，當(dāng)天線射頻功率增加時，底面的RMS 減小;當(dāng)天線射頻功率＞300 W 時，底面的RMS 趨于穩(wěn)定。這是因為天線射頻功率的增大使刻蝕腔內(nèi)等離子體密度變大，等離子體碰撞機率也隨之增加，氣體平均自由程變小，離子轟擊作用減弱，所以刻蝕表面的RMS 減小［10］。凹槽側(cè)壁的垂直度也是影響波導(dǎo)性能的重要因素，刻蝕過程各向異性越強，凹槽側(cè)壁的垂直度越好; 各向同性越強，側(cè)蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重，凹槽側(cè)壁的垂直度越差。等離子體密度過大會引起各向同性刻蝕，所以天線射頻功率最好控制在300 W 以內(nèi)。

圖5 天線射頻功率對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of antenna RF power on etching surface roughness

偏置射頻源控制等離子體能量，決定離子轟擊聚合物的速度［11］，是影響物理刻蝕的主要因素。選擇不同的偏置射頻功率對P( MMA-GMA)進行了刻蝕，天線射頻功率為150 W，氣體壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖6 為偏置射頻功率分別為50，40，30 W 時凹槽底面的SEM 圖像。從圖中可以看出，當(dāng)偏置射頻功率減小時，底面的粗糙度隨之降低。偏置射頻功率的減小不僅對降低底面的粗糙度有利，對側(cè)壁粗糙度的降低也是有利的，因為側(cè)壁粗糙度主要來源于掩模的縱向傳遞，隨著偏置功率的變大，側(cè)壁粗糙度對掩模邊緣粗糙度的依賴性會變強［12］。需要注意的是，偏置射頻功率過小會減弱離子轟擊的方向性，導(dǎo)致各向同性刻蝕增強，所以偏置射頻功率不宜選擇過?。?3］。

圖6 不同偏置射頻功率下刻蝕凹槽底面粗糙度的SEM 圖像Fig. 6 SEM images of a groove subface roughness etched under different bias RF powers

氣體壓力的主要作用是影響離子的能量和離子對聚合物的撞擊方向 。選擇不同的氣體壓力對P( MMA-GMA) 進行刻蝕，天線射頻功率為300 W，偏置射頻功率為30 W，氧氣流速為40 cm3/min，圖7 為刻蝕后樣品表面RMS 隨氣體壓力的變化曲線。從圖中可以看出，隨著氣體壓力增加，底面的RMS 會增大，所以降低氣體壓力可以有效降低底面粗糙度。

圖7 氣體壓力對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of pressure on etching surface roughness

氧氣流速影響刻蝕腔內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度，從而影響等離子體密度［3］。選擇不同的氧氣流速對P( MMA-GMA) 進行了刻蝕，天線射頻功率為300 W，偏置射頻功率為30 W，壓強為0.5 Pa。實驗結(jié)果表明:隨著氧氣流速的增加，凹槽底面粗糙度先增大后減小。這是因為隨著氧氣流速的增加，等離子體密度變大，離子撞擊聚合物的幾率增大，所以刻蝕表面粗糙度變大; 然而，當(dāng)?shù)入x子體密度繼續(xù)增大時，氣體平均自由程大大減小，致使離子轟擊作用減弱，所以隨著氧氣流速的進一步增大，凹槽底面粗糙度降低。同時，與增加天線射頻功率和減小偏置射頻功率的情況相似，氧氣流速過大也會引起各向同性，所以氧氣流速也不宜選擇過大。

在考慮凹槽側(cè)壁垂直度的基礎(chǔ)上，依據(jù)上述各參數(shù)的討論結(jié)果，將ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳參數(shù)取為:天線射頻功率300 W，偏置射頻功率30 W，氣體壓強0.5 Pa，氧氣流速50 cm3/min。圖8 為掃描電鏡下觀察到的刻蝕凹槽形貌，圖8( a) 為優(yōu)化工藝參數(shù)前凹槽的形貌( 天線射頻功率為200 W，偏置射頻功率為30 W，氣體壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min) ，圖8( c) 為優(yōu)化工藝參數(shù)后凹槽的形貌( 最佳參數(shù)) ，圖8( b) 和( d)分別是( a) 和( c) 底面的局部放大圖像。從圖中可以看出，優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效改善凹槽的形貌，大大降低了凹槽底面的粗糙度。如圖8( c) 所示，用ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳參數(shù)，可以得到垂直度較高、粗糙度較小的P( MMA-GMA)凹槽結(jié)構(gòu)。

圖8 優(yōu)化參數(shù)前后凹槽的SEM 圖像Fig.8 SEM images of groove before and after optimizations

圖9 薄膜厚度和凹槽深度與刻蝕時間的變化關(guān)系Fig.9 Variation of film thickness and groove depth with etch time

由于刻蝕深度需要嚴(yán)格遵照設(shè)計的波導(dǎo)尺寸，因此必須明確刻蝕速率，才能通過控制刻蝕時間來實現(xiàn)刻蝕深度的控制。在不同的時間參數(shù)下對P( MMA-GMA) 凹槽和平板結(jié)構(gòu)進行刻蝕，刻蝕結(jié)束后在光學(xué)顯微鏡下讀取不同時間參數(shù)對應(yīng)的凹槽刻蝕深度和平板剩余薄膜厚度，在Origin 軟件中輸入各點坐標(biāo)自動擬合直線，直線的斜率就是相應(yīng)刻蝕速率。如圖9 所示，圖中虛直線為凹槽刻蝕深度隨刻蝕時間的變化曲線，實直線為平板剩余薄膜厚度隨刻蝕時間的變化曲線，兩條直線的斜率分別為0.79 和-0.74，即凹槽刻蝕速率為0.79 μm/min，平板刻蝕速度為0.74 μm/min。

5 結(jié) 論

本文介紹了以P( MMA-GMA) 作為下包層的倒脊形光波導(dǎo)器件的制作過程，并結(jié)合倒脊形光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)特點，通過大量實驗研究了刻蝕時間、天線射頻功率、偏置射頻功率、氣體壓強、氣體流速等參數(shù)對凹槽形貌的影響，確定ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳工藝參數(shù)為:天線射頻功率300 W，偏置射頻功率30 W，氣體壓強0.5 Pa，氧氣流速50 cm3/min，并利用最佳參數(shù)刻蝕得到了側(cè)壁陡直、底面平整的P( MMA-GMA) 凹槽結(jié)構(gòu)。在不同的時間參數(shù)下，對P( MMA-GMA) 凹槽和平板結(jié)構(gòu)進行刻蝕，計算出ICP 刻蝕P( MMAGMA) 凹槽和平板的速率分別為0.79 和0.74 μm/min。ICP 工藝參數(shù)的優(yōu)化有效改善了刻蝕表面的形貌，有利于減小波導(dǎo)的傳輸損耗、提高波導(dǎo)器件的性能。

［1］ 樊中朝，余金中，陳少武.ICP 刻蝕技術(shù)及其在光電子器件制作中的應(yīng)用［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2003，6(2) :21-27.FAN ZH CH，YU J ZH，CHEN SH W. Inductively coupled plasma etching technology and its application in optoelectronic devices fabrication［J］.Microfabrication Technology，2003，6(2) :21-27.( in Chinese)

［2］ 李偉東，張建輝，吳學(xué)忠，等.ICP 刻蝕技術(shù)在MEMS 器件制作中的應(yīng)用［J］.微納電子技術(shù)，2005，10(1) :473-476.LI W D，ZHANG J H，WU X ZH，et al.. Application of ICP etching technology in MEMS field［J］.Micronanoelectronic Technology，2005，10(1) :473-476.( in Chinese)

［3］ 鄭志霞，馮勇建，張春權(quán).ICP 刻蝕技術(shù)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ，2004，43(8) :365-368.ZHENG ZH X，F(xiàn)ENG Y J，ZHANG CH Q. Etching technique of inductive couple plasmas［J］.J． Xiamen University( Natural Science) ，2004，43(8) :365-368.( in Chinese)

［4］ FU L，MIAO J M，LI X X. Study of deep silicon etching for micro-gyroscope fabrication［J］.Appl． Surface Sci．，2001，177(1-2) :78-84.

［5］ ILIESCU C，MIAO J. One-mask process for silicon accelerometers on pyrex glass utilising notching effect in inductively coupled plasma DRIE［J］.Electron． Lett．，2003，39(8) :658-659.

［6］ 陳長鳴.硅基聚合物平面光波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2010:57-58.CHEN CH M. The basic research on polymer/Si planar optical waveguide devices［D］. Changchun:Jilin University，2010:57-58.( in Chinese)

［7］ 姚剛，石文蘭.ICP 技術(shù)在化合物半導(dǎo)體器件制備中的應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32(6) :474-477.YAO G，SHI W L. Application of ICP etching in the fabrication of compound semiconductor device［J］.Semiconductor Technology，2007，32(6) :474-477.( in Chinese)

［8］ 張鑒，黃慶安.ICP 刻蝕技術(shù)與模型［J］.微納電子技術(shù)，2005(6) :288-296.ZHANG J，HUANG Q A. Technology and models of ICP etching［J］.Micronanoelectronic Technology，2005(6) :288-296.( in Chinese)

［9］ 劉洪興，張巍，鞏巖.光柵參數(shù)測量技術(shù)研究進展［J］.中國光學(xué)，2011，4(2) :103-110.LIU H X，ZHANG W，GONG Y. Progress in grating parameter measurement technology［J］.Chinese Optics，2011，4(2) :103-110.( in Chinese)

［10］ KIM B，LEE B T，HAN J G. Surface roughness of silicon oxynitride etching in C2F6inductively coupled plasma［J］.Solid-State Electronics，2007，51(3) :366-370.

［11］ 呂垚，李寶霞，萬里兮.硅深槽ICP 刻蝕中刻蝕條件對形貌的影響［J］.微電子學(xué)，2009，39(5) :729-732.Lü Y，LI B X，WAN L X. Effects of technical parameters on etching rate and selectivity of Si deep trench using ICP etching［J］.Microelectronics，2009，39(5) :729-732.( in Chinese)

［12］ 樊中朝，余金中，陳少武，等. ICP 刻蝕參數(shù)對SOI 脊形波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度的影響［J］. 半導(dǎo)體學(xué)報，2004，25( 11) :1500-1504.FAN ZH CH，YU J ZH，CHEN SH W，et al. Influence of etching parameters on sidewall roughness of silicon based waveguide etched by inductively coupled plasma［J］.Chinese J． Semiconductors，2004，25( 11) : 1500-1504. ( in Chinese)

［13］ HAN K，KIM J，JANG W H. Evaluation of halogenated polyimide etching for optical waveguide fabrication by using inductively coupled plasma［J］.J． Appl． Polymer Sci．，2001，79(1) :176-182.