Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Микроструктуры на основе GaAs и InP 7
1.1 Технология получения полупроводниковых микроструктур 12
1.1.1 Технология получения микростолбиков 12
1.1.2 Технология получения двумерных фотонных кристаллов 20
1.1.3 Технология получения микролазера с распределенным Брэгговским отражателем воздух/полупроводник 22
1.2 Реактивное ионное травление 25
1.2.1 Материалы масок и методы их формирования 29
1.2.2 Химические прог^ессы реактивного ионного травления 35
1.2.3 Выбор параметров процессов травления микроструктур на основе GaAs/AlGaAs 39
1.2.4 Выбо параметров процессов травления микроструктур на основе InP 40
1.3 Оптические исследования и результаты 47
1.3.1 Оптические исследования микростолбиков 47
1.1.2 Оптические исследования фотонных кристаллов 54
1.1.3 Оптические исследования гетеролазера с глубоко протравленным распределенным Брэгговским отражателем 63
Глава 2. Светодиоды на основе нитридов III группы 67
2.1 Конструкция и технология получения светодиодов на основе GaN 71
2.2 Реактивное ионное травление GaN 77
2.2.1 Выбор режимов травления GaN 77
2.2.2 Выбор масок для травления GaN 83
2.3 Характеристики светодиодов на основе нитридов III группы 91
2.4. Создание микрорельефа на границах полупроводник/воздух и подложка/вохдух методом реактивного ионного травления для повышения внешней квантовой эффективности светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN 94
2.4.1 Создание микрорельефа на границе полупроводник/воздух 95
2.4.2 Создание микрорельефа на границе подложка/воздух 104
Глава 3. Получение микроструктур методом наноимприна 113
3.1 Основы метода наноимпринта 115
3.2 Реактивное ионное травление полупроводниковых структур на основе кремн ия 120
3.3 Эксперименты по получению микроструктур с помощью методов наноимринта и реактивного ионного травления 127
3.3.1 Изготовление штампов для наноимпринта с помощью метода реактивного ионного травления 727
3.3.2 Получения микроструктур на основе GaAs с помощью методов наноимпринта и реактивного ионного травления 132
Заключение 136
Литература 141
- Технология получения микростолбиков
- Выбо параметров процессов травления микроструктур на основе InP
- Выбор режимов травления GaN
- Реактивное ионное травление полупроводниковых структур на основе кремн ия
Введение к работе
В настоящее время трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Электронные и оптоэлектронные приборы на основе гетероструктур, например, биполярные транзисторы,"светодиоды, лазеры широко используются во многих областях техники.
Развитие физики и технологии полупроводниковых гетероструктур шло по пути от двойной гетероструктуры [ 1 ] до гетероструктур с квантовыми ямами [2] и точками [3], при этом в последнее время осваивались новые полупроводниковые материалы, в частности AHIN [4]. Значительное улучшение характеристик будущего поколения оптоэлектронных приборов на основе гетероструктур может быть достигнуто при использовании микроструктур. Полупроводниковые одномерные, двумерные и трехмерные микрорезонаторы привлекают к себе внимание как с точки зрения исследования их фундаментальных свойств, так и с точки зрения их применения для создания перспективных оптоэлектронных приборов. Так, например, использование трехмерного микрорезонатора может привести к созданию так называемого одномодового светодиода, а также получение оптических интегральных схем на основе микрорезонаторов и фотонных кристаллов может оказаться важным шагом на пути создания квантового компьютера. Без создания микроструктур не всегда удается реализовать свойства, заложенные в исходном наноматериале. Так, для реализации источников одиночных фотонов на основе структур с квантовыми точками необходимы микрорезонаторы. Для развития теории фотонных кристаллов необходимо разработать технологию получения таких микроструктур с заданными свойствами (диаметр, период и глубина элементов). Одним из основных методов создания таких структур в настоящее время остается реактивное ионное травление.
Предметом настоящей кандидатской работы является создание методом реактивного ионного травления на основе полупроводниковых гетероструктур различных новых микроструктур и приборов на их основе, а также исследование их характеристик. Метод реактивного ионного травления давно используется в технологии полупроводниковых приборов. Однако, в последнее десятилетие появились не только новые конструктивные решения, но и новые полупроводниковые материалы, содержащие массивы квантовых точек с разной
плотностью и составом, нитриды Ш-группы с твердыми растворами неоднородными по составу. Оказалось, что механический перенос режимов, ранее найденных для традиционных полупроводников, может приводить к значительному уходу заданных размеров и профиля травленой поверхности. Так, например, боковые поверхности микрорезонаторов содержат большое количество внесенных травлением дефектов, что приводит к увеличению безызлучательной рекомбинации носителей на границе воздух/полупроводник. А у светодиодов на основе нитридов III группы токи утечки растут на порядки и квантовая эффективность из-за этого падает с 10% до 0.1%. Таким образом, для получения микроструктур на современных материалах необходима разработка технологии травления. При этом для обеспечения заданного профиля и глубины травленой поверхности, заданной геометрии рисунка и низкой плотности дефектов нужно не только подобрать режим травления, но и режим нанесения масок, а также выбор материала масок.
Следует также отметить, что современные наноматериалы - это сложные самоорганизованные системы, получаемые неравновесными процессами, и это порождает многообразие форм их существования, и, следовательно, для структур, полученных разными производителями, необходим тщательный подбор процесса реактивного ионного травления.
С помощью разработанной в процессе данной диссертационной работы
технологии реактивного ионного травления и электронной литографии были
получены следующие микроструктуры: микрорезонаторы (микростолбики),
фотонные кристаллы, инжекционный лазер с распределенным Брэгговским
отражателем воздух/полупроводник. Проводились исследования
фотолюминесценции микростолбиков и фотонных кристаллов, изготовленных из структур с квантовыми точками. Были измерены оптические характеристики лазера с глубоко протравленным распределенным Брэгговским отражателем.
В ходе работы рассматриваются также другие возможные применения метода реактивного ионного травления для получения полупроводниковых микроструктур, перспективных в оптоэлектронике. Одним из них является создание светодиодов на основе нитридов III группы. Использование нитридов III группы является в настоящее время единственной практической возможностью перекрыть диапазон длин волн излучения от ультрафиолетового до видимого. Наряду с разнообразным применением в системах записи, хранения, обработки и отображения информации открываются возможности создания экономичных,
долговечных твердотельных осветительных приборов, максимально согласованных по спектру с естественным освещением и чувствительностью глаза человека. В связи с ограниченными возможностями химического травления, реактивное ионное травление пока остается единственным методом получения приборов на основе нитридов III группы.
Стоит также отметить, что публикации по исследованиям режимов реактивного ионного травления для нитридов III группы практически отсутствуют. Например, потому, что за рубежом - это уже коммерческий материал и процессы травления являются коммерческой тайной фирм производителей. В настоящей работе была разработана методика реактивного ионного травления GaN через резистивные, трехслойные и металлические маски. Получен режим вертикального профиля травления, а также режим глубокого (более 5 мкм) травления GaN. С использованием этих результатов были созданы светодиоды, имеющие максимальный квантовый выход - около 21% при токе 10 мА, что является достаточно высоким показателем для данной системы.
Многие современные приборы имеют субмикронные размеры. Развитие новых прогрессивных методов создания элементов с субмикронными размерами с разрешением до 10 нм, таких как метод наноимпринта, также ставит задачи не только совершенствования, но и более углубленного понимания процессов реактивного ионного травления, являющегося одним из основных методов создания микроструктур для современных приборов. Также в данной работе метод реактивного ионного травления был использован в разработке нового метода литографии - наноимпринта. Следует отметить, что до недавнего времени в отечественной технологии метод наноимпринта не развивался. Получены кремниевые штампы для наноимпринта, и методом наноимпринта изготовлены микроструктуры с размером элементов до 100 нм.
Основная цель данной работы заключалась в разработке технологии получения полупроводниковых микроструктур на основе соединений А В с помощью метода реактивного ионного травления. Исследования процессов реактивного ионного травления полупроводников GaAs, InAs, GaN, InP, Si и гетероструктур на их основе в различных режимах, в смесях различных газов проводились с целью выяснения потенциальных возможностей метода в технологии получения современных оптоэлектронных приборов. Разрабатывалась технология реактивного ионного травления, обеспечивающая заданную глубину,
минимальные изменения размеров элементов при формировании микроструктур, контролируемый профиль травления (вертикальные или наклонные боковые стенки), низкую плотность дефектов в приповерхностной области. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать процессы реактивного ионного травления гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs с массивами квантовых точек InAs и выяснить потенциальные возможности метода для создания приборных наногетероструктур на этих материалах;
Разработать технологию получения светоизлучающих микроструктур и фотонных кристаллов на основе гетероструктур А1ПВУ и исследовать оптические свойства полученных структур;
Разработать технологию получения светодиодных структур на основе нитридов III группы;
Разработать технологию наноимпринта.
Основные положения, выносимые на защиту:
Реактивное ионное травление гетероструктур InGaAs/GaAs в газовых смесях на основе СІ2, ВС1з и Аг, а также травление InP в смеси СН4, Нг и Аг позволяет реализовать микроструктуры с глубиной рельефа до нескольких микрон и минимальными линейными размерами до 100 нм.
Реактивное ионное травление гетероструктур AlGalnAs/GaAs с квантовыми точками InAs в активной области при соотношении газовых потоков СЬ: ВСЬ: Аг= 1: 4: 16 см3/мин, давлении газовой смеси в реакторе 1 Па и напряжении автосмещения 200 В позволяет получать эффективные светоизлучающие микроструктуры с размерами элементов от 0.2 до 3 мкм, в которых поверхностная безызлучательная рекомбинация существенно не снижает интенсивность фотолюминесценции.
Реактивное ионное травление лазерных структур InGaAs/GaAs в том же режиме (СЬ: ВСЬ: Аг= 1:4: 16 см3/мин; давлении 1 Па, напряжение автосмещения 200 В) позволяет получать микролазеры с глубоко протравленным (до 3 мкм) распределенным Брэгговским отражателем на основе периодической структуры полупроводник/воздух, работающие на длине волны 970 нм, с характеристиками: коэффициент отражения 0.73, плотность порогового тока 830Асм" и максимальная выходная мощность 80 мВт.
4. В спектрах отражения и фотолюминесценции периодических микроструктур с
гексагональной решеткой отверстий (период элементов 1160 нм и диаметр
отверстий 670 нм), сформированных методом реактивного ионного травления,
проявляются угловые зависимости интенсивностей, характерные для фотонных
кристаллов.
5. Сочетание многослойных металлических (Ni, Au) и резистивных масок (ТІ 35ES, AZ
5214, AZ 4562) при реактивном ионном травлении структур AlGalnN/GaN в режиме: СІ2-* ВСЬ: Аг= 6: 10: 11 см3/мин, давление газовой смеси в реакторе 1 Па и напряжение автосмещения равное 150 В позволяет получить глубокое (до 6 мкм) травление с заданным профилем и гладкими боковыми стенками и создать на этой основе светодиоды с характеристиками: максимальная выходная мощность 550 мВт, максимальная внешняя квантовая эффективность 26%.
Создание методом реактивного ионного травления рассеивающего свет микрорельефа на поверхности светодиодных гетероструктур AlGalnN/GaN с удаленной подложкой ("lift-off), а также на поверхности подложки SiC позволяет увеличить внешнюю квантовую эффективность светодиодов на 25-30%.
Реактивное ионное травление кремния в потоке SFg со скоростью 10 см /мин при давлении газа в реакторе 0.6 Па и напряжении автосмещения 200 В обеспечивает получение штампов для наноимпринта с гладкими вертикальными стенками, которые используются для изготовления микроструктур фотонных кристаллов.
Технология получения микростолбиков
Как было замечено, микростолбик - это трехмерный микрорезонатор, который представляет собой полупроводниковый цилиндр с диаметром, соизмеримым с длиной волны света (как правило, меньше 1 мкм) (Рис. 1 и 2). Высота микростолбика определяется полупроводниковой структурой.
Технология изготовления микростолбиков включает оптическую и электронную литографию, химическое и реактивное ионное травление (Рис. 3). Исходные полупроводниковые структуры для изготовления микростолбиков выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии на установке Riber 32Р с твердотельным источником As на подложках n+-GaAs (100). Исследовались два типа структур: 1) с 3 рядами квантовых точек InGaAs/GaAs (структура №3-178); 2) с квантовой ямой InGaAs (структура №3-301).
Схематический вид структуры с квантовыми точками аналогичен виду структур для фотонных кристаллов, представленном на рис. 4. Последовательность слоев в этих структурах следующая: подложка GaAs, буферный слой GaAs, сверхрешетка AlAs/GaAs (10 периодов - 40 нм), барьер GaAs (для структуры №3-178- 50 нм, для структуры №3-301-100 нм), 3 ряда квантовых точек InGaAs/GaAs (или квантовая яма InGaAs - 8 нм), барьер GaAs (50 нм), сверхрешетка AlAs/GaAs (10 периодов -40 нм), защитный слой GaAs (10 нм). Характерная плотность квантовых точек 5х10)0 см"2 [21] и, соответственно, среднее расстояние между КТ 45 нм.
В начале с помощью оптической фотолитографии на поверхности исходной структуры создавалась маска из органического резиста марки AZ 5214, через которую химически в травителе Н3РО4: СНзСООН: КВЮз (б %) стравливалась вся структура до подложки, кроме 12 квадратов размером 100x100 мкм , расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга в четырех строчках и на расстоянии 2 мм в трех столбцах.
Затем на поверхности каждого квадрата создавалась маска для реактивного ионного травления в виде набора кружков. В результате реактивного ионного травления с поверхности квадратов стравливалась структура везде, кроме замаскированных участков. Таким образом получались наборы микростолбиков (мез). Квадраты в одном ряду содержали одинаковый набор мез. Различные квадраты каждых из 4 рядов содержали разное количество мез с различным диаметром. Диаметр микростолбиков и их количество в квадратах подбирались таким образом, чтобы остающаяся площадь активного слоя везде была одинакова.
Первый ряд содержал 4 квадрата с одинаковым набором мез: 16 штук по 3 мкм в диаметре через 10 мкм. Эти микростолбики были сформированы реактивным ионным травлением через маску из резиста AZ-5214, полученную оптической литографией. Остальные 3 ряда изготавливались с использованием электронно-лучевой литографии. При этом на весь образец наносился позитивный электронный резист -полиметилметакрилат (ПММА), толщиной 300 нм, (Рис. За), после чего проводилось экспонирование резиста на электронном микроскопе JSM-50A (Рис. 36), снабженным программируемым генератором засветки. Программа засветки обеспечивала создание на поверхности квадратов 3 различных набора кружков: первый ряд - 10000 кружков диаметром - 200 нм на расстоянии 1 мкм друг от друга, второй - 900 кружков по 400 нм на расстоянии 2 мкм и третий - 100 кружков по 1 мкм на расстоянии 5 мкм.
Поскольку ПММА не является плазмостойким резистом, он не может использоваться как маска для реактивного ионного травления структуры. В связи с этим после проявления электронного резиста (Рис. Зв) на поверхность напылялся слой никеля, толщиной 30 нм (Рис. Зг) и производился взрыв ПММА в диметилформамиде (Рис. Зд). Слой Ni, оставшийся после взрыва на поверхности структуры, в дальнейшем служил маской для реактивного ионного травления (Рис. Зе). Для получения микростолбиков размером меньше, чем 400 нм, использовалась аналогичная технология, но электронно-литографический процесс (Рис. 36) осуществлялся на сканирующем электронном микроскопе CamScan Series 4-88 DV100, имеющем более высокое разрешение. Для управления пучком использовалась высокоразрешающая восьмиканальная цифровая плата на основе 16-битного ЦАП (AD LINK PCI-6208V). Было разработано программное обеспечение на языке Delphy 5, позволяющее выдавать требуемое напряжение на отклоняющую систему электронной пушки с шагом порядка 150 мкВ, а также управлять временем экспозиции одного элемента путём подачи импульса напряжения требуемой длительности на модулятор электронного пучка. Для подбора оптимального режима литографии были сформированы группы элементов с разным периодом (от 0.35 до 10 мкм) и с различным временем экспозиции каждой группы (от 50 до 1000 мкс), в зависимости от степени близости соседнего элемента). Оптимальные токи пучка составили 10-30 пА при ускоряющем напряжении 15 кВ.
Глубина травления структуры составляла 0.5-1.5 мкм в зависимости от параметров слоев структуры. Соотношение диаметра микростолбика к его высоте составляло 1:6, при этом боковые стенки микростолбика были практически вертикальными. На последнем этапе проводилось удаление Ni маски, оставшейся на поверхности микростолбиков, в разбавленном растворе азотной кислоты (Рис. Зж).
На Рис.2а представлен снимок набора микростолбиков диаметром 400 нм, полученный на растровом электронном микроскопе Camscan (вид сверху). На Рис. 26 и Рис. 5 показаны массивы микростолбиков, диаметром 140 нм, а таїсже приведены снимки одиночных микростолбиков, диаметром 400 и 140 нм. Изображения получены на растровом электронном микроскопе CamScan; удаление никелевой маски при этом не проводилось.
Выбо параметров процессов травления микроструктур на основе InP
Как было замечено, для травления структур на основе InP не используется хлорсодержащие газовые смеси, а, как правило, применяется метан-водородные смеси из-за низкой летучести InClx продуктов реакций при комнатной температуре. Травление InP в хлорсодержащей плазме происходит с очень малой скоростью, при этом наблюдается нарушение морфологии поверхности. микроструктур в оптимальном режиме реактивного ионного травления. хлористой плазме. При низких температурах шероховатости возникают из-за неоднородного покрытия поверхности InP нелетучими продуктами реакции. Морфология поверхности, как правило, улучшается при температурах подложки выше 250 С.
Таким образом, есть 2 возможности улучшения морфологии поверхности InP: травление при высоких температурах или использование метан-водородной плазмы. В нашей установке не предусмотрено изменение температуры подложки, поэтому травление структур на основе InP проводилось в метан-водородной газовой смеси. Использование метан-водородной газовой смеси позволяет травить как InP , так и GaAs и получать гладкую поверхность травления даже при комнатной температуре подложки. В процессе травления InP в СН4/Н2 плазме фосфор удаляется, главным образом, как РНз, в то время как 1п(СНз)з является главным продуктом реакций элементов III группы. Однако недостатком такого подхода является очень низкая скорость травления полупроводникового материала.
Увеличение напряжения автосмещения приводит к увеличению скорости травления, а увеличение давления к отклонению стенки от вертикальности (рис. 14а и б). Первое связано с увеличением кинетической энергии ионов и, соответственно, скорости травления. Как уже было замечено, с уменьшением давления характер травления становится более анизотропным за счет увеличения длины свободного пробега и уменьшения вероятности столкновений ионов при их ускорении в плазме. Поэтому увеличение давления приводит к наклонной стенке (рис. 146).
В ходе работы был выбран оптимальный режим для травления структур на основе InP: соотношение газовых компонентов СН4: Нг: Аг= 6: 3: 5 seem; давление газовой смеси в реакторе 0.7 Па и напряжение автосмещения равное 200 В. Средняя скорость травления в таком режиме была 0.03 мкм/мин. Травленые стенки в таком режиме имеют практически вертикальный профиль и малые шероховатости боковых стенок (рис. 15).
С помощью разработанной технологии реактивного ионного травления InP был получен перестраиваемый генератор терагерцового излучения на основе гетеролазера с нерезонансным дифракционным выводом [27].
Исследовалась температурная зависимость фотолюминесценции структур с микростолбиками различных размеров (3-0.2 мкм). Фотолюминесценция возбуждалась излучением Аг+ лазера (50 Вт/см2) и детектировалась с помощью двухпроходного монохроматора и Ge-фотодетектора.
Спектр фотолюминесценции при 20 К изначальной (нетравленой) структуры №3-635 для разных уровней возбуждения представлен на рис. 17. Форма спектра почти не зависит от плотности возбуждения в диапазоне от 0.2 мВт/см до 20 Вт/см . В этом диапазоне излучение в основном происходит благодаря переходам из основного состояния КТ (пик КТ1 на рис. 17). Кроме того, заметно относительно слабое высоко-энергетичное плечо, отмеченное на рис. 17 как КТ2. Высоко-энергетичное плечо можно отнести за счет излучения от квантовых точек малых размеров (КТ2) [28]. Такая форма спектра может свидетельствовать о наличии двух независимых ансамблей квантовых точек различного размера, КТ1 и КТ2. Это находит подтверждение при увеличении плотности накачки -интенсивности основного пика КТ1 и пика КТ2 по-разному зависят от плотности возбуждения. Такая интерпретация усложнена тем обстоятельством, что излучение от переходов из возбужденных состояний наблюдаются в том же спектральном диапазоне. Следовательно, нельзя исключать вклад переходов из возбужденного состояния КТ1 в высоко-энергетичное плечо в спектре (см. рис. 17, верхняя кривая). Однако, переходы из возбужденного состояния квантовых точек большого размера появляются только при высокой плотности возбуждения ( 500 Вт/см2).
Выбор режимов травления GaN
В данном разделе рассматривается методика реактивного ионного травления GaN. Проводилась работа по выбору химических реагентов, типа маски, а также параметров плазмы с целью получения режима травления с контролируемым профилем, с достаточно высокой скоростью и обеспечивающего высокую степень анизотропии и малые нарушения поверхности.
Реактивное ионное травление нитридов галлия и нитридов других элементов III группы обычно проводится в газовых смесях на основе хлоридов: СЬ и ВС1з или в метан-водородных смесях - СН4 и Нг - при большой энергии ионов, при которой III-V связи разрушаются и десорбция продуктов травления с поверхности наиболее эффективна [55].
Нами также использовались смеси С1г + ВСЬ и СН} + Нг. В качестве газа разбавителя, стабилизирующего плазму, применялся аргон. Добавление других газов в плазму, таких как SF6. Но, N2, Аг и Ог, может менять скорость, влиять на анизотропию профиля и селективность травления.
Скорость травления материала, а при локальном травлении и форма края (профиль) получаемого углубления зависят от летучести продуктов травления. Таблица 2 показывает зависимость точки кипения возможных продуктов травления нитридов III группы, подверженных воздействию хлорсодержащей или метан-водородной плазмы.
Основные требование, предъявляемые к режимам травления структур на основе GaN - это контролируемый и гладкий профиль, достаточно высокая скорость и низкая плотность дефектов в приповерхностной области. Для материалов, содержащих Ga и А1, скорость травления в хлорсодержащей плазме высока, причем профиль - анизотропный и гладкий. При травлении в метан-водородной плазме слоев, содержащих Ga, также получается анизотропный и гладкий профиль, однако, скорость травления на порядок меньше. Основываясь только на сравнении летучести продуктов травления, малая скорость травления в метан-водородной плазме кажется неожиданной, потому что точка кипения (СНз)зСа меньше, чем GaCb. Зависимость точки кипения возможных продуктов травления для нитридов III группы, подверженных воздействию хлорсодержащеи или метан-водородной плазмы. травления, где на результат могут влиять энергия связи кристаллической решетки, переосаждение удаленного с поверхности материала, образование полимеров и кинетика газовой фазы. Скорость травления слоев, содержащих In, в хлорсодержащеи плазме очень мала, и анизотропное травление возможно только при нагревании образца, так как образовавший хлорид индия становится летучим при высоких температурах. При травлении в метан-водородной плазме анизотропный профиль получается при комнатной температуре.
Травление в метан-водородной смеси ( + СН4 + Аг в соотношении 10: 5: 5) при давлении - 0,7 Па и при энергии ионов - 200 В происходит с на порядок меньшей скоростью. Отличительной особенностью травления в метан-водородной смеси в сравнении с травлением в хлоридах является значительно меньшее различие в скоростях травления для нитридов разных элементов III группы. Так, например, при травлении в хлорсодержащих смесях структур, содержащих слои нитрида индия, образуется нелетучий хлорид индия, и получить анизотропное травление таких структур можно только при нагревании образца. При травлении в метан-водородных смесях анизотропный профиль получается при комнатной температуре. Использование однослойной никелевой маски позволяет добавлять в газовую смесь кислород, что создает возможность получения селективного травления относительно слоев, содержащих алюминий.
Для смеси СЬ+ВСЬз + Аг в соотношении 6: 10: 11 при давлении в камере 1 Па при относительно небольшой энергии распыляющих ионов - 150 В была получена скорость травления нитрида галлия - 90 нм/мин. Скорость травления сапфира в таком процессе 4 нм/мин. Малая скорость травления сапфира объясняется тем, что при травлении АЬОз в хлорсодержащеи смеси образуются нелетучие соединения АІСІ.ч и А10х.
С увеличением мощности разряда скорость травления GaN увеличивается (рис. 29а), благодаря увеличению энергии налетающих ионов, но при этом ухудшается стойкость резиста.
Также стойкость резиста зависит от давления газовой смеси в камере. Так для резиста ТІ 35ES зависимость отношения ухода GaN/резист от давления хлорсодержащей смеси представлена на рис. 296. Как было замечено в разделе 1.2, при низких давлениях преобладает физический механизм травления, что приводит к большему уходу маски, а при высоких - химический механизм травления, который недостаточно эффективен для травления GaN. Оптимизация процесса травления GaN на большую глубину предполагает достижения равновесия химического и физического механизмов травления. Оптимальное давление получилось 1 Па.
Другими важными параметрами в процессе травления являются потоки и соотношения газов в смеси, так как равновесие между химическим и физическим механизмами травления может регулироваться изменением относительных скоростей потоков инертных и реактивных газов. На рис. 30 представлены зависимости отношения ухода GaN/резист и угла наклона стенки от газовой смеси в камере. Так добавление Аг увеличивает скорость травления GaN за счет помощи в удалении нелетучих хлоридов, которые тормозят травление. Однако, для газовых смесей с большим содержанием Аг, скорости травления уменьшаются за счет снижения доступных реактивных частиц хлора. Так оптимальное количество Аг в газовой смеси СЬ + ВСЬз + Аг для наибольшего отношения ухода GaN/резист составляет 11 seem (стандартизированные см3/мин) (рис. 30а).
Также на рис. 30а показана зависимость угла наклона стенки от количества Аг. С увеличением содержания Аг в смеси преобладает физический механизм травления, что приводит к более анизотропному профилю травления. Однако, при дальнейшем увеличении содержания Аг маска начинает быстрее разрушаться и угол наклона стенки увеличивается.
Как уже было замечено, при изготовлении реальных светодиодных кристаллов на основе гетероструктур AlGalnN требуется протравливание слоев до сапфировой подложки, следовательно, глубина травления может достигать 6 микрон.
Исследовались маски из различных фоторезистов, металлов, а также многослойные маски на их основе. В Таблице 3 собраны результаты по подбору масок для травления GaN. Пробовалась металлическая маска из Ni, трехслойная маска на основе Аи, следующие резисты: ТІ 35ES, AZ 5214, AZ 4562, AZ 4533, Shipley 1828, а также различные режимы задубливания резистов. В таблице приведены методы получения маски, глубина травления в GaN, уход резиста, отношение ухода GaN/резист и угол наклона травленой стенки.
При использовании плазмостойких резистов марки AZ, задубленных до температуры 150 -160 С, профиль травления получается наклонным. Однако, для возможного использования в качестве зеркал лазеров, изготовленных из нитридных структур, выращенных на сапфире, представляет интерес вертикальное травление с гладкими травлеными стенками. Наилучшее сочетание вертикального профиля травления и гладкого края было получено при использовании трехслойной маски с промежуточным слоем из напыленного золота. На рис. 31 представлено схематическое,, изображение трехслойной маски. Такая маска позволяет травить слой нитрида галлия на глубину до 4 мкм, при этом профиль травления почти вертикальный, а неровности края меньше 100 нм.
Реактивное ионное травление полупроводниковых структур на основе кремн ия
Для реактивного ионного травления полупроводниковых структур на основе кремния нами использовались хлорсодержащие и фторсодержащие смеси (СЬ + ВСЬ и SFe). Варьировались мощность разряда (напряжение автосмещения), давление газового потока, а также соотношение компонент газовых потоков.
Было обнаружено, что в хлорсодержащей плазме, благодаря небольшой летучести продуктов травления SiCLj, травление кремния происходит в основном за счет бомбардировки ионами поверхности образца, так называемый «физический» механизм травления, который представляет собой распыление материала с поверхности. Этот механизм травления приводит к низкой скорости травления структур на основе Si. Так при физическом механизме травления присутствует эффект переосаждения распыляемых ионами продуктов травления обратно на поверхность образцов, что приводит к пассивации поверхности и снижению скорости травления. Такое же влияние оказывает окисление поверхности кремния атомами, образующимися за счет диссоциации молекул кислорода (из-за малой неконтролируемой примеси в плазмообразующем газе, натекания атмосферы).
Так максимальная скорость травления Si в режиме СЬ: ВСЬ :Аг= 6: 10: 11, при давлении 1.4 Па и напряжении 100 В составила 34 нм/мин. А максимальная скорость травления SiC в режиме СЬ: ВСЬ :Аг= 9: 1: 16, при давлении 1 Па и напряжении 100 В была 22 нм/мин. Таким образом, увеличение скорости травления кремния в хлорсодержащей смеси можно обеспечить только с помощью увеличения напряжения автосмещения и, следовательно, энергии налетающих ионов. Пассивация поверхности за счет перечисленных выше частиц обеспечивает также анизотропию травления, увеличивающуюся по мере увеличения энергии ионов. Однако по мере увеличения анизотропии увеличивается и опасность ухудшения качества поверхности после травления .
Поэтому в дальнейших экспериментах использовалась газовая смесь на основе SF6. При травлении кремния в SF6 основными активными компонентами являются атомы фтора и радикалы SF5 (вклад последних в скорость травления составляет около 30%). В случае травления в газовой смеси на основе SF6 за счет химических реакций на поверхности образуется летучее соединение S1F4 что приводит к комбинации физического и химического механизмов травления материала. Вследствие высокой летучести основного продукта травления S1F4 (температуру кипения см. таблицу 1), толщина фторированного слоя на поверхности травления мала ( 1 нм) и состоит из ненасыщенных фторидов SiFx (х = 1 - 3), что препятствует пассивации поверхности. Это в свою очередь обеспечивает значительно большую скорость травления структур на основе Si и меньшее количество дефектов в приповерхностной области (Рис. 506).
Было замечено, что скорость травления кремния возрастает как при увеличении напряжения автосмещения (Рис. 51а), так и при увеличении процентного содержания газа SF6 в смеси SF6/Ar (Рис. 516). При увеличении напряжения автосмещения, соответственно, увеличивается кинетическая энергия ионов, что и приводит к возрастанию скорости травления. При увеличении процентного содержания газа SF6 в смеси SFe/Ar увеличивается количество активных атомов фтора, что способствует возрастанию скорости химической реакции на поверхности с образованием летучего соединения S1F4, вследствие чего возрастает скорость травления кремния.
К кремниевым штампам, (технология получения которых обсуждается в параграфе 3.3), предъявлялись следующие требования: поверхность с минимальным количеством дефектов, а также вертикальные и гладкие стенки микроструктур. Варьировались мощность разряда (напряжение автосмещения) и давление потока газа SFe- Так, при больших напряжениях ( 250 В) наблюдалось большое количество дефектов в приповерхностной области травленых стенок (Рис. 52а), при малых напряжениях - наклонные стенки (Рис. 526), а увеличение давления приводило к большому подтраву и сильному уходу размеров микроструктур (Рис. 52в). Поэтому, для травления кремниевых штампов был выбран следующий режим: поток SF6 - 10 seem (стандартизированных см3/мин); давление газа в реакторе 0.6 Па и напряжение автосмещения равное 200 В. Средняя скорость травления в таком режиме была 140 нм/мин. Микроструктуры с гладкими и практически вертикальными стенками (Рис. 52г).
Для реактивного ионного травления карбида кремния (SiC) также проводился подбор режимов травления. Подбор и оптимизация режимов травления включал в себя выбор газовой смеси и ее давление в реакторе, мощности разряда, а также времени процесса. Изучалось несколько режимов травления SiC в газах СЬ + ВСЬ и SF6, при различных мощностях разряда, а также соотношениях газовых потоков и давлениях газа в реакторе. Как уже было замечено, в хлорсодержащей плазме, травление карбида кремния происходит только за счет бомбардировки ионами поверхности образца, что приводит к низкой скорости травления SiC. Поэтому в дальнейших экспериментах использовалась газовая смесь на основе SFe. На Рис. 53 представлены результаты работы по подбору режимов реактивного ионного травления SiC. Было установлено, что скорость травления SiC возрастает как при увеличении мощности разряда, так и при увеличении процентного содержания газа SF6 в смеси SF Ar.
