聚合物光波导的等离子体刻蚀工艺研究.doc

光 子 学 报 第 卷 增 刊 年 月文 章 编 号 ：（）聚合物光波导的等离子体刻蚀工艺研究 孟 杰 ，曹 子 谏 ，靳 琳 ，孙 小 强 ，张 大 明（吉林大学 电子科学与工程学 院 集成光电子学国家重点联合实验室 ，长 春 ）摘要 ：等离子体 干法刻蚀是 聚合物光波导制备过程中一项关键工艺 利 用 感 应 耦合等离子体各向 异性 刻蚀工艺 制备了聚合物脊形结构波导 ，研究了不同工艺参量 （源 功 率 、偏 置 功 率 、刻 蚀 腔 室 压 强以 及 气 体 组 分 ）对 脊 形 波 导 刻 蚀 速 率 的 影 响 利 用扫描电子显 微 镜 对 刻 蚀 后 波 导 高 度 、侧 壁 垂 直 度 及 表 面 粗 糙 度 进 行 分 析 ，得到 了高刻蚀速率和 低 粗 糙 度 的 优 化 工 艺 条 件 实 验 结 果 表 明 ：在 其 他 工艺 条 件 相 同 的 情 况 下 ，刻蚀速 率随着感应耦合等离子体源功率及偏 置 功 率 的增 大而增加 ，随 刻 蚀 腔室 压 强 的 增 大 而 减 小 ，随 着 在 混合气体中百分比的 增 大 而 先 增大后减小 样 品 表 面 粗 糙度 会随着 偏置功率 及 刻蚀腔室 压强的增大而逐渐增加 在 源 功 率 ，偏 置 功 率 ，刻 蚀 腔 室 压 强 ，流 量 配 比 的 条 件 下 得 到 了 侧 壁 陡 直 和 表 面 平 整 的 脊 形 聚 合物 光 波 导 关 键 词 ： 刻 蚀 ；聚 合 物 波 导 ；各 向 异 性 ；刻 蚀 速 率 ；粗 糙 度中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：脊形波导是 聚合 物 光 波 导集成器件的重要 结 构之 一 良好的刻蚀形 貌 对 光 波导 器件非常重 要刻 蚀 速 度 、刻 蚀 侧 壁 的 垂 直 度 、刻蚀表面的粗糙度 是 影响脊形结构波 导 器 件 性 能 的 主 要 因 素 因 此 优 化 刻 蚀 条 件 ，以减 小波导传输损耗 ，提 高 波 导 性 能 ，是 刻 蚀 技 术 的 关 键 所 在 本 文 主 要 研 究 了 刻 蚀 参 量 （源 功 率 、偏 置 功 率 、刻 蚀 腔 室 压 强 和 刻 蚀 气体 组 分 ）对 刻 蚀 速 度 、侧 壁 垂 直度和表面粗糙度 的 影响 通 过 严 密 的 实 验 过 程 ，得 到了高刻蚀速率的 工 艺 参 量 ，最 终 用 优 化 的 刻 蚀 条 件 得 到 了 侧 壁 垂 直 度 高和表面粗糙度 小 的聚 合 物 脊 形光波导 引 言半 导 体制造过程中有 两 种基本 的刻 蚀 工 艺 ：干 法 刻 蚀 和 湿 法 刻 蚀传统的 湿法 刻蚀由于钻蚀现 象 的 存 在 ，图 形 边 缘 光 滑 度 差 ，要 刻 蚀 以 下 线 宽 的 图 形 十 分 困 难所以湿 法刻 蚀逐渐被以等离 子 体 技 术 为 基 础 的干法刻蚀取代 等离子体刻蚀技 术一 般通 过物理作 用和化学作用相结合的办法来去 除 被 刻 蚀 的 薄 膜 ，因 此 刻 蚀 具 有 各 向 异 性 ，这 就 可 以 从 根 本 上 改 善 湿 法 刻 蚀 所 固 有 的 横 向 钻 蚀 问 题 ， 从 而 满 足 微 细 线 条 刻 蚀 的 要 求 世 纪 年 代 等 离 子 体 刻 蚀 技 术 主 要 用 于 去 除 光 刻 胶 ， 年 代 已 成 为 薄 膜 刻 蚀 的 成 熟 技 术 ，其中 的 反应离子刻蚀技 术 （，）成 为 当 时 的 主 流 技 术 ，被 广 泛 应 用 于 集 成 电 路 制 造 九 十 年 代 ，一 些 新 兴 的 等 离 子 体 刻 蚀 技 术 ，如电 子回旋加速共振技术 （，）、感 应 耦 合 等 离 子 技 术 （，）等 也 相 继 应 用 于 微 电 子 器 件 的 制 作 其 中 技 术 由 于 具 有 刻 蚀 精 度 高 、速 度快和成本 相对较低的优势 ， 被广 泛应 用于光波 导集成器件的工艺流程中 刻 蚀 技 术 原 理 刻 蚀 设 备 采 用 分 立 的 射 频 电 源 单 独 调 控 等 离子体密度和 离 子轰 击 能 量 第一套射频电源 （产 生 源 功 率 ）通 过 电 感 耦 合 的方式使工艺气体电离 ，产 生 活 性 游 离 基 、亚 稳 态 粒 子 、原子等高密度的等 离 子 体 ，这 些 活 性 粒 子 与 被 刻 蚀 材 料 （衬 底 ）表 面 相 互 作 用 ，在 第 二 套 射 频 电 源 （产 生 偏 置 功 率 ）作 用 下 产 生 对衬底的定向 物 理 溅 射 轰 击 ，对 化 学 反 应 具 有 明 显 的 辅 助 作 用 ，可 以 起 到 打 断 化 学 键 、引 起 晶 格 损 伤 和基 金 项 目 ：国家自然科学基金 （，）、吉林省青年科研基金 （）、吉林大学基本科研业务费 专 项 资 金项 目 （，）和集成光电子学国家重点联合实验室开放课题 （）联 合 资 助第 一 作 者 ：孟 杰 （），女 ，硕 士 ，主要研究方向为聚合物电光开关的制备与测试 ：通 讯 作 者 ：孙 小 强 （），男 ，讲 师 ，主要研究方向为有机集成光子器件 ：收 稿 日 期 ：；修 回 日 期 ：促 进 衬 底 表 面 的 化学反应等重 要 作用 当 被 刻 蚀 材料与 电离 产生的自 由基或正离子进行反应并生成可 挥 发 的 气 态 物 质 时 ，就达到了刻蚀的目的，以 及 较 好 的 波 导 形 貌 刻蚀速率和波导形貌的优化 实 验 中 以 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （）作 为 被 刻 蚀 材 料 ，混 合 气 体 作 为 工 艺 气 体 聚 合 物 光 波 导 掩 膜 样 品 的 制 备 过 程 如 下 ：在 衬 底 上 旋 涂 材 料 ，采 用 和 紫 外型正性光刻胶 共 同 掩 膜 技 术 ，采 用 光 刻 、显 影 制 作 图 形 ，再 用 一 定 浓 度 的 溶 液 将 图 形 精 确 复 制 在 掩 膜 上，进 行 刻 蚀 研 究 源 功 率 、偏 置 功 率 、刻 蚀 腔 室 压 强 和 刻 蚀 气体组分对刻 蚀 效果的影响 使 用 扫 描 电 子 显 微 镜 （ ，）观 察 脊 形 波 导 高 度 和 刻 蚀 形 貌 ，计 算 出 刻 蚀 速 率 ，拟 合 数 据 得 出刻蚀速率与各 个参量的关系曲 线 图 源 功 率 为 、 、 时的波导刻蚀形貌 ， ， 偏置功率对 刻 蚀 速率 和波导形貌的影响 在 上 组 实 验 结 论 的 基 础 上 分 别 采 用 的偏置功率对 制 备 工 艺 相 同 的 样 品 进 行 刻 蚀 ，其 他刻 蚀 参量分别为源功率 ，刻 蚀 腔 室 压 强，工 艺 气 体 为 混 合 气 体 ，流 量 分 别 为和 ，刻 蚀 时 间 源 功 率 对 刻 蚀 速 率 和 波 导 形 貌 的 影 响实 验 中 分 别 采 用 的 源 功 率 对 制 备 工 艺 相 同 的 样 品 进 行 刻 蚀 ，其他 刻 蚀参量分别为偏 置 功 率 ，刻 蚀 腔 室 压 强 ，工 艺 气 体 为 混 合 气 体 ，流 量 分 别 为 和 ，刻 蚀 时 间 利 用 观 察 刻 蚀 完 成 后 的 样 片 ，采 用 多 次 测 量 取 平 均 值 的 方 法 得 出 不 同 参 量 下 的 波 导 脊 高 ， 最 终 获 得了刻蚀速率和源功率的 关 系曲线 ，如 图 所 示 源 功 率 主 要 用 于 产 生 高 密 度 等 离 子 体 ，在 实 验 选 取 的 参 量 范 围 内 ，源 功 率 越 高 ，等 离 子 体 密 度 越 大 ，刻 蚀 速 率 越 大 刻 蚀 速 率 和 偏 置 功 率 的 关 系 曲 线 如 图 所 示 偏置功率主要 控 制等 离 子 体 轰击衬底表面的方 向 和速 度 ，在 实 验 选 取 的 参 量 范 围 内 ，刻蚀速率随着 偏 置功率的增加而 逐 渐增 大 ，在 偏 置 功 率 达 到 左 右时刻蚀速率 不 再单 调 增 加 图 刻蚀速率和偏置功率的关系 随 着 偏 置 功 率 的 增 加 ，表面粗糙度也随之增加 ，通 过对比发现在偏置功率为 的 条 件 下 ，表 面粗 糙 度 最 小 ，如 图 所 示 综 合考虑偏置功率对 刻 蚀图 刻蚀速率和源功率的关系 在 上 述 参 量 条 件 下 ，刻蚀后表 面粗糙度均较大 ，如 图 所 示 通 过 对 不 同 源 功 率 条 件 下 的 刻 蚀 照 片 对 比 可 知 ，当 源 功 率 选 取 时 ，底 面 形 貌 相 对 较 好 综 合 考 虑源功率对刻蚀 速率和波导形貌 的 影 响 ，本 文 选 择 后 续 实 验 的 源 功 率 为 ，此 时有 较 高 的 刻 蚀 速 率 ，由 实 验 数 据 可 知 为 图 偏 置 功 率 、 、 时的波导刻蚀形貌 ， ， 增 刊孟 杰 ，等 ：聚合物光波导的等离子体刻蚀工艺研究 速 率 和 波 导 形 貌 的 影 响 ，本文 选择后续实验的偏置 功 率 为 ，以得 到较好的波导形貌 刻蚀 腔室压 强 对 刻蚀速率和波导形貌的影响 在 上 两 组 实 验 结 论 的 基 础 上 ，分 别 采 用 的 刻 蚀 腔 室 压 强 对 制 备 工 艺 相 同的样品进行刻 蚀 ，其 他 刻 蚀 参 量 分 别 为 源 功 率 ，偏 置 功 率 ，刻 蚀 腔 室 压 强 ，工 艺 气 体 为 混 合气 体 ，流 量 分 别 为 和 ，刻 蚀 时 间刻蚀 速率和刻 蚀腔室压强的关系曲线如图 所 示 在 实 验 选 取 的 参 量 范 围 内 ，刻蚀速率随着刻蚀腔 室 压 强 的 增 加 而 逐 渐 减 小 气压 对 刻蚀速率可以有 两 方 面 的 影 响 ：一 方 面 当 气 压 降 低 的 时 候 ，离 子 的 平均 自 由 程 增 大 而 碰 撞 几 率 减 小 ，因 而离子的能量升 高 ，这 时 对 的 物 理 溅射作 用是影响刻蚀的 主 要 因 素 ，从 而 导 致 物 理 刻 蚀 的 速 率 增 强 ；另 一 方面 ，随 着 气 压 的 升 高 ，物理刻蚀速率 会 降 低 ，但 是 可 参 加 化 学 反 应 的 气体游离基会 大 大增加 ，这 样 就 会使 得 化 学 刻 蚀 速 率 大 大 加 快本 实验的结果表明 第一 方面 的原因是 影响刻蚀速率的主要因素 气体组分比 对 刻 蚀速 率和波导形貌的影响 在 以 上 实 验结论的基础上 ，分 别 采 用 含 量 为 的 气 体 组 分 对 制 备 工 艺 相 同 的 样 品 进 行 刻 蚀 ，混 合 气 体 的 总 流 量 为 ，其 他 刻蚀参量分别 为 源 功 率 ，偏 置 功 率 ，刻蚀 腔 室 压 强 ，刻 蚀 时 间 混 合 气 体 中 可 以 用 于 分 解 聚 合 物 ，减 小 聚合 物 的 沉 积 速 率 ，可 以 增 加 刻 蚀 样 膜 对 光 刻 胶 的 刻 蚀 选 择 比 ，同 时 还 可 以 用 作 缓 冲 气 体 以 保 持 等 离子 体 的 稳 定 性刻 蚀 速 率 和 氩 气 含 量 的 关 系 曲 线 如 图 所 示 由 图 中 可 以 看 出 ，当 含 量 低 于 的 时 候 ，刻 蚀 速 率 的 变 化 较 小 ，当 刻 蚀 气 体 全 部 为时 ，刻 蚀 速 率 很 低 ，刻 蚀 表 面 粗 糙 度 也 很 大 有 关 文 献 中 指 出 在 同 等 条 件 下 ，刻 蚀 气 体 为 纯 的 刻蚀 速 率 是 纯 的 倍，实 验结果与之相符 图 刻 蚀 速 率 和 含 量 的 关 系当 含 量 为 时 ，侧壁垂 直度和表面粗糙 度 大 大 优 化 ，如 图 所 示 综 合 考 虑 混 合 气 体 中 含 量 对刻蚀速率和波导 形 貌的影响 ，本 文选 择 含 量 为 的 气 体 组 分 对 聚合物进行刻蚀 ，此 时 刻 蚀 速 率 约 为 图 刻蚀速率和刻蚀腔室压强的关系 当 刻 蚀 压 强 选 取 时 ，刻 蚀平面粗糙度最 小 ，如 图 所 示 综 合考虑刻蚀腔室压强对刻蚀速率 和 波 导 形 貌 的 影 响 ，本文选择后续 实验的刻蚀压强 为 ，此 时 刻 蚀 速 率 为 图 含 量 为 时波导刻蚀形貌 至 此 ，我 们 得 到 了 源 功 率 ，偏 置 功 率 ，刻 蚀 腔 室 压 强 ， 流 量 配 比 优 化 刻 蚀 参 量 ，并 在 此 优 化 参 量图 刻蚀腔室压强为 时 的 波 导 形 貌 的条 件下 得到了侧 壁垂直度好和刻蚀表面粗糙度小 的 聚 合 物 脊 形 结 构 波 导 优 化 后 得 到 的 聚 合 物 刻 蚀 速 率 为，此刻蚀速率对于实际 的波 导刻 蚀工艺来 说是比较理想的 ， ， ，（）：樊 中 朝 ，余 金 中 ，陈 少 武 刻蚀技术及其在 光 电 子 器 件 制 作 中 的 应 用 微 细 加 工 技 术 ，（）： ， ， ，（）：孙 小 强 ，高 伟 男 ，孙 杰 ，等 聚 合 物 定 向 耦 合 型 电 光 开 关光 子 学 报 ，（）： ， ， ，（）：俞 爱 斌 ，丁 桂 甫 ，杨 春 生 ，等 氧 气 反 应 离 子 深 刻 蚀 微 细 加 工 技 术 ，（）： ， ， ， ，（）：庞 拂 飞 ，韩 秀 友 ，蔡 海 文 ，等 低损耗有机无机混合溶胶凝胶波 导 的 实 验 研 究 光 子 学 报 ，（）： ， ， ， 结 论通 过 实 验 研 究 了 源 功 率 、偏 置 功 率 、刻 蚀 腔 室 压 强 以 及 气 体 组 分 对 聚 合 物 脊 形 波导刻蚀速率的影 响 ，最 终 得 到 了 一 种