Исследование реактивного ионного травления как метода создания элементов оптоэлектронных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГО од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИИ, Л.Ф.ИОФФЕ

Ну правах рукописи

ДУ.ПЫШ1 Александр Евгеньевич

\

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКТИВНОГО ИОННОГО' ТРАВЛЕНИЯ КАК МЕТОДА СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОШШХ УСТРОЙСТВ

(специальность; 01.04.10 - физика полупроводников и • диэлактрикоо)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

СЛНКТ- ПЕТЕРБУРГ 1ЭЭЗ

РаОота выполнена в Физико-техническом институту км.А.!>.Иоффе Российской Академии наук.

научная руководитель - доктор

Физико ■ математических наук, ...

профессор а.Л.Мишурный.

Официальные оппоненты:

доктор Физико - математических наук • с.А.Гуревич,

кандидат физкко - математических наук В.В.Голуйев.

Водуаая организация - санкт-петероургскии государственный электротехнический униворсишт.

Запита состоится " нсяею 1993г. в ^ часов на

заседании специализированного совета к ооз.вз.о! при Физико -техническом институте им. А.Ф.Иоффа РАН по адресу: 194021, Санкт-Пзтербург, ул. Политехническая, д.2В, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

отзывы .на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать пр вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан-«ЭЭЗг.

Ученый секретарь специализированного сввэта кандидат физико - математических наук

Г.С.Куликов

Актуальность работы. ¡3 последние годы с нарастающей скоростей расширяется область применения полупроводниковых лазеров. При этон иного ноаих задзч, такгк, как монолитная интеграция оптоэло-кгронкых ¡элементов между собой и с управляющими микроэлектронными элементами. создание мощных решеток лаззров, в тем числе поверхностно -излучающих, создание одномодових и одночастотных лазеров, разработка оптических систем обрабо.ки информации и новых зломон тов с пониженной размерностью (квантовых нитеа и столбиков) могут Сыгь решены с использованием достигнутого уровня эпитаксиального роста гетероструктур на основе соединения А3Б5. Основной зкцонт при этом делается на развитие постростовой технология,' и. в частности, такой ее немаловажной стадии, как процосс травления полу проводника, при этом требования к травлению ужесточаются с уменьшением разнеров элементов и утоныяениеы слоев. Большинство яышо-перечисленных задач решается, в основном, с применением метода "сухого" травления. Наибольшее распространение получило реект. в-иов ионное травление (РИТ), при котором маскированный образцы полупроводника подвергаются воздействие радикалов и ионов, возни каюиих в плазме ВЧ разряда химически активных газов.

Актуальность данной работы определяется тем, что в чей, на основе исследований с применеыеы современных диагностических методов, достигнуто понимание механизма протекания важных процессов в плазме и на поверхности. Результатом явилось создание технологии травления некоторых практически важных элементов (дифракционные решетки, несимметричные канавки с управляемым профилем), а также постростовой технологии мощных одномодових лазеров на длины волн 0.в и о,Э8ыхм, полностью основанной но рщ'Г.

Основная цоль настояцей работы заключалась в разработки технологии РИТ полупроводниковых соединения А3В6 для создания различных элементов оптоэлектронных приборов, в ¡астности. лаззрных диодов. Для этого' предполагалось создание диагностического коми лекса для исследования газового разряда и его взаимодействия с поверхностью образцоь и деталями реактора, изучение процесса травления основных соединений А^иЬ и различных олоов пленарной юх иологии (фоторезистов, дизлвкч ряков) в иоршжгиеких газовых сме сях в широком диапазоне рабочих параметров, созааико плазкоото» кои маски, а также изгогоилонио ряда сгруктуьких элементов опт;»

- \ -

электронных устройств, осооо ставилась задача разработки построе-товой технологии изготовления мощных одиомодовых лазеров, Оазирувшеяся на реактивном ионном травлении.

научная новизна и прак.лческая ценьость результатов работы заключается в том, что в ней, с помощью оптической эмиссионной спектроскопии к свч интерферометрии, последовательно проанализирован проиесс травления различных соединения А3в5 в газовых смесях ci2/ar, sici4/ar, сн4/н2/аг и сн4/н2/аг/с12, определены лимитирующие стадии процесса и условия получения гладких поверхностей с анизотропным профилем, разраоотана технология двухслояноя фото-реяистиансй . маски, получены дифракционные решетки на Gasb и xnGaAsp для РОС лазеров, разработана постростовая, основанная на рит, технология изготовления мезаполосковых лазеров. Получены лазеры, генерирувшие в одной нулевой поперечной моде в системах:

InOaAsP/GaAs (\=0.8мкм), ВЫрЫШОННОЙ МвТОДОМ ЖИДКОфаЗНОЙ ЭПИТЭКСИК (йФЭ), AiGaAs/GaAs (х=Ю.8мкм), выращенной методами кеталлоргани-ческой газофазной (НОГФЭ) и молекулярно-пучковой эпитаксии (НПЗ)

Л A'GaAs/InGaAs/GaAs (X 0.98МКМ), ВЫраИвННОЙ М6ТОДОМ МОГФЭ.

0анорчы8_положения_. выносимыэ_на защиту:

1.Установлено, что при РИТ g»as в хлоре в условиях его сильного разоззления (до концантрация \-г%) аргоном, скорость травления падает значительно медленнее, чем концентрация травителя при одновременном существенном улучшении морфологии и анизотропии. Sra особенность позволяет заметно снизить ионную "нагрузку" на поверхность образца и получать гладкие вертикальные профили при ЕЧ мощностях разряда, сниженных до величин "ОЛВт/см2.

2.в результате изменения парциальных концентрации в смеси газов, содержащей сн'4 н2 и ci2, при неаддитивном вкладе составляющих в процесс травления вследствие протекавших газофазных реакция, возможно . получение одинаковых скоростей травления Gaas и in? при хорошей морфологии и анизотропии и невугокои уровне мощности. Это позволяет неселзктивно травить ¿мои гетероструктур inxGa. во всем диапазоне составов.

o.ií процессе F!lT кремнииорганич8ских фоторезистов,осуществляемого прк высоком давлении (lona) о2, за счет высокой концентрации атомов о к низко« энергии ионов, на поверхности резиста образуется устсичквыи слои sío,. это позволяет создать двухслой-

ну» фоторэз/.стивкус маску с высоким разрешением для -взрывной" фотолитографии, плаиаризации имеющегося топологического рисунка, и анизотропного травления полупроводника с минимальной шероховатостью боковых стенок.

4.При РИТ соединений А^В5 в siciyAr при пониженной до 0.2Ь Вт/см2 мощности достигается высокая селективность относительно фоторезиста вследствие уменьшения иинноя ОомОбридировки. При зтсм хорошая морфология поверхности полупроводника получается в результате варьирования концентрации реагента и условии теплоотдачи с образца. Это позволяет травить дифракционные решетки в casb yi itxGaAsP череа полученнуо голографкческой засветкой фоторезистиэ-нуп маску, что дает возможность изготавливать лазера с распределенной ооратнои связью для воле и ик - спектроскопии.

На защиту такие выносится:

Постростовая, основанная на РИТ, технология изготовления мощных лазеров мезаполосковоя конструкции, генерирующих в одиои нулевой поперечной иоде в системах: inGaAsP/GaAs (х-О.В'км), выращенной методом ЯФЭ, AlGaAa/GaAa (Х^О.ЗМКМ), ВЫраИОННОИ МеТОДЭМИ КОГФЗ И И AißaAs/InGaAa/GaAs (О.ЭвМКМ). ВЫРаЩвННОЙ М6Т0Д0М

ШОГФЭ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на in ßcec, зеиинара "Микролитография", Черноголовка, iээо. х Всес. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью - 1391**. Звенигород. 1Э91, X ,всес. конф. по Физике низкотемпературно« плазмы, минск,

1991, Int. Conf. on Micro!ithography "ME 91", Roma. Italy, ¡991, Europ. Sect. Conf. on Atonic & Molecular Physics of Ionized Gates, ESCAMPIG, St.Petersburg, 19Э2, Int. Conf. on Microli-thography "ME 92", Erlangen, Germany, 1992.

Публикации, no материалам дкссортации опуоликовено т научных работ, список которых при&еден в конце автореферата.

Соъем работы. Диссертации состоит из введения, трох глав, заключения и списка цитируемой литературы. ОСцки ооъоа диссертации - ira страниц, из них иг страниц текста. 32 страницы рисунков. список цитируемой литературы составляет 176 наиконлиания.

Содержание раооты.

вводепиг во еоодонии оооспооанс актуальность темы, сформулирована основная цель раооты, приведены положения, выносимыо но

- £> -

зааиту.

первая^глава содержит литературный обзор современного-состояния сухого травления полупроводниковых соединения А3в&, Сонозное внимание уделено Рит. Е начале главы обозначены оснозныа проблемы, стойяив перед травлением, исходя из приборных задач.

В первом параграфе рассматривается механизм сухого травления, выделены основные стадии процесса (образование активных час тиц, их транспорт к поверхности и адсорбция, образование и десорбция продуктов реакции) и описан принцип действия реактора РИТ. вводится понятие лимитирующей стадии, определявши эноргив активации процесса, этой стадией зачасту» являзтея десорбция продуктов реакции т группы. Подчеркивается особая роль приэлектродного слоя, формирушгего ион»Ы поток на образец. Перечислены опро-долптпе параметры плазмы (энергия и плотность электронов, распределение концентрация заряженных и нейтральных частиц, энергия и поток бомбардирующих ионов), указывается их связь с условиями работы реактора (частотой и мощностью разряда, давлением и составом рабочей атмосферы : т.д.) и влияние последних на параметры травления (скорость травления, анизотропию, шероховатость, однородность ». селективность). Выделены и охарактеризована основные, составлявшие , РИТ (распыление, химическое . травление и нонно-стимулированныо механизмы).

Подчеркивается сильная кристаллографическая зависимость и возможная селективность химического травления соединении а3в&,

Рез^ультат травления определяется конкуренцией между химическом и ионно - стимулированной составляющими процесса. К послодней ¿лодузт отнести; стимулирование химических реакций на поверхности я повышение ее реакционной способности, усиленна десорбции продуктов. .нелетучих загрязнений и продуктов полимеризация я обеспечение лоступа реагента к поверхности, а такао разогрев образца. -

в качестве травителек для материалов А3В5 выделены газы, содоржсаие >, сг, сх к н, а также группу.ск3, образуюную легколетучие металлоргачичаские соединения. Рассмотрены эффекты добавок к траджеиу газу: регулирование концентрации травктсля. стабилизация разряда, подавление' полимеризации, кнгибирование травления для -co.icnл£1'.о«гк или аниЗотроски. ггравленяо собствзлного окисла., йк'о^йалк^иревзно влияние' гатерзгуры на хииическу» составля-

- г -

юшуо процесса и определенна лимитиругаэс, стадии. Повышенная той пс-ратура ведет к ускорению десорбции, увеличению скорости травле нин, .улучшении морфологии и ухудшению анизотропии б результату коькуренции с иончо-стимулировашюя дссороциее, улучшаияои анизотропию, особенно при травлении сэодинонкя индия из-за низкой летучести его продуктов.

рассмотрена связь ионной бомбардировки с параметрами разряда (давлением, частотой и момзетьп). высокая энергия ионов и высокое отношение ионы/реактивные нейтрали во^ут к большой роли иои-. не-стимулированных реакция при низкое давлении. 13 результате существенной роли столкновений в слое в формировании распределения ионов по энергия и углу, низкое давление (ОЛ-Н'л) ведет к улучшении анизотропии травления. С ростом давления рост пленки ингибитора становится преобладающим по сравнению с газификацией поверхности, что особенно важно при применении углерод - содержащих грабителей. изменение частоты разряда приводит к измонению ."роэ-локтродного поля и энергии ионое. при частотах нижа 1MB" она мо-жйт достигать 1кэВ, в то время как повышение частоте до юомгц приводит к ое снижению до десятков электронзольт, причем при од современном увеличении плотности плазмы. Повышение модности раз ряда повывает энергию ионов, однако чрезмерная мощность койот вызвать перегрев подложки и повреждение поверхности в результате интенсивной ионной бомбардировки.

имея в виду поставленную задачу травления сложных многоэле ментных гетороструктурных соединений, следует ответить газы, хорошо травящие собственные окисли полупроводников (.не'., гил3), С1г, имеющий наивысшую реакционную способность, смесь сн4/нг.' даюиую легколэтучие соединения с металлами, в частности с in. Ссобоо место в управлении травлением занимают ионно стимулированные процоссы на поверхности. регулируем1 , в свою очередь, условиями работы реактора, из которых в промывлэнных устаноэк&х Главную роль играют давление и модность.

зтороя параграф поссяяен различны» истодам исслсловогип раз ряда и его взаимодействии с поверхностью, рассматриеаотся зон до сие методы исслодозаийи плазму, касс - спектроскопия. Ссоооо внимание уделе! олтичоским методой. в осоооишлл и экисс/оииоя ^оук гроскопии, изучавася собственное еврчоаио" плазм, ?а<?ск-)грякы

физические принципы CD"! - интерферометрии, с помощью которой можно измерять'плотность электронов о разряде. Подробно описана лазерная ингорфиромегрия, позволяющая in sitj яа«ер«ть глубину травления. Из обзора диагнсот.. шских методлк дзлаетсп пывод о необходимости сочзтания наскольких методов для получения достоверней ИЯфОрЬ. ции.

Третий параграф псееяща.ч приборному применению РИТ. Выделены и отдельно рассмотрены три большие категорки, стлччзюшиеср требованиями к процессу: макретраеленге, травление для целей микроэлектроники и тразлоние оптических поверхностей. 'Наиболее подробно рассмотрена третья категория. В оптоглектрочном приборе необходи чо иызгь оптически гладкие поверхности с управляемым профилем. Иатодакк сухого травлония изготавливаются: плоские и искривленные окна, линзы и зеркала; горизонтальные и вертикальные резонаторы лазеров; мезаполосковиэ волноводы; дифракционные решетки и кван товые проволоки и столомки.

Описан принцип изготовления однемодового ыезаполоскозого лззора, требующий точно.о контроля глубины травления для создания оптического ограничения в плоскости гетероперехода. При травлении дифракционных решеток РОС лазеров основной проблемог является достижэние селективности по отнощанио к тонкой азске при управляемом профиле и достаточной глубине решетки. При травлении квантовых проволок и столбиков очень жесткие требования предъявляются к шероховатости и дефектности боковых стенок, алинюших на скоросоть поверхностно!! рекомбинации. замена операции скалывания зеркал лазаров сухим травлением открывает дорогу интеграции оптических «оментов на одном кристалле и применению методов обработки и тестирования лазеров eine на подлоике, до разделения на отдзльныь прибери, при »той к травлению предъявляются следующие 'i редовакил:; {■vooKd,: анизотропия, отсутствие селективности между различными «.■ло:-.нй гитэрострухтури, высокая скорость травления, минкмальмая перохоааюсть зеркала ЧлЗОьм} и малая дефектность боковой стенки, ifcs ькаы поЕсрхкостио «злучаюаих лазеров (сЕортнхальнс . распо: .к&ькёснк резсьй'тер^и, с горизонтальным' резонатором и в»:утрвк-; ;шьк или иаогг.ини отражасшими с?бг зеркалами, '.о - распрвдолэяяыкк-L';.>L'.r: otCK:,i.'ü огрдоычшян) такас могут..омт& иа^отйвлоии методами сухсго травления.

Вторан гласа посещена исследованию ВЧ разряда в различных газах и процессу травления образцоз гоодилония Лав*\

В первом параграфе описаны установка РИТ модели ;ше зоо фирмы Alcatel, на которой проводились эксперименты, и, созданный для исследований, автоматизированный (на базе систему КАНАК и ПЭВМ 1 диагностический комплекс, оключаюиия в своя два канала оэс, C!?s интерферометр и лазерный интерферометр.

Спектры излучения регистрировались в диапазона гоо-ЗСЮнм со спектральным разрешении о.гнч и пространственным разрешением 1им. Для определения происхождения близколежаших и перекрыв юиих<:я линий и полос перьиповались условия эксперимента (соотношения парциальных потоков отдельных компонентов, наторкал подложкодер-жатвля, размер образцов и т.д.). приведена таблица основных линия и полос, наблюдавшихся в эксперименте. Первичная обработка спект ров производилась на пзвм. Объясняются наблюдающиеся различия в пространственном распределении интенсивности излучения для основных компонентов плазмы (газы - реагенты и разбавители) " для продуктов травления (распыления). Отмечается различное влияние скорости протока снеси на интенсивность их излучения.

Лазерный интерферометр, собранный на лазере с >*832,8нм по схеме с нормальный падением луча, позволял регистрировать интер ферогракму е процессе травления, определять скорость травлений и толщину стравленного слоя (с погреиность». "зоим), в также момент окончания травления в реальной времени.

евч интерферометр (х^зем) служил для определения концентраций электроноз в плазме о чувствительностью юЪг3.

второй параграф посвяиеи изучению основных закономерностей поведения разряда в выбранных для практического применения газах: si-сц, перспективном для неселективного травления структур

GaAs/AlGaAs, С12 - ОСНОВНОМ ИСПОЛЬЗУОМОМ Тр8С,ИТвЛЧ ДЛП СООДИНвНЛИ

А3В5, си4/н2 - перспективном травителе для in - содержащих соединений и при их различном сочетании в условиях разОаялвния аргоном. оснсвноо внимание в исследовании было уделено определении лумитируюмих стадии процесса травления при различном сочетании параметров разряда, которые изнонплис;. е вяроким диапазоне-' давление (О Ы.ОР.з), мокноегь ;!0 ЮОБт), ооиий поток газовой смеси (2~100см3/мии).

Решалась задача получения гладких поверхностея при травлоиии соединения <\3В&. для чего, в пврву» очередь, необходимо обоспе чить одинаковую скорость удаления элементов их и V группы. Для многокомпонентных систем тьэрдых растворов ситуация усложняется наличием различных элементов ш группы. Также ставилась задача лолуш'-чя высокой анизотропии при приемлемых скоростях травления и минимальном уровне вносимых дефектов и загрязнений, исследования проводились на подложках (100) ояля и 1пР, а также различных гетероатруктурах.

в отлично от большинства опубликованных работ, в которых использовались смеси с большим содержанием хлора, мы исследовали травление в широком диапазоне концентраций траеитолн. используя разбавление аргоном (процентное содержании С12 - 1-80%). Были обнаружены и изучены корреляционные связи между эмиссионными характеристиками плазмы и параметрами процесса травления. Наблюдавшиеся в разряда смесей с высоким содержанием с12 немонотонная зависимость свечения основных компонентов плазмы от мощности и быстрый рост интенсивности излучения распыляемых частиц, объясняется сильным взаимодействием плазмы с ВЧ электродом, что приводит к "отравльнию" плазмы легкоионизуемыми примесями, перераспределению энергетического балак:<3 в плазма и падению ее химической активности, Результатом является немонотонная зависимость скорости травления с<»а.ч от мощности. При средних мощностях {«<0.4Вт/сиг) наблюдается сильно шероховатая поверхность с низкой анизотропией профилей. Увеличение воености ведет к улучшению морфологии и анизотропии. наблюдаемые особенности 'травления объясняются в рамках »¡сдали, учитывающей химическую и иокно-стимулированную составлявши процесса. линитирую»?« стадией при этом, же* правило, является десорбция продуктов травления.

В результата увеличения ионного потока и тепловой нагрузки образец существенно возрастает скорость десорбции малолстучих "г.родукгос, что приводит к уменьшению шероховатости или даже к получение гладкой поверхности. иосдодод• случаи соответствует :>и.чнсу мзэд скоростями соразоеачия продуктов. травления и их га^-роии*. одиахо хорошее качество поверхности здесь достигается при ¡.адских энергиях иойоь. что может оказаться нежелательный, »сак приводит ¡с уьо.тойич дсфокпюсти рэ&срхиостяого слои.

- И -

Поэтому болъиоя практический интерес вызывает исследование возможности получек я хорошего качества поверхности при существенно меньших ионных нагрузках, хотя Оы и за счот некоторого снижения скорости травления, исходя из изложенных зыие представления о механизме травления, хорошее качество поверхности достигается, когда лииитирувщей стадией процесса является образование продуктов на поверхности. Для этого одновременно с уменьшением мощности разряда (и напряжения астосмеиения) необходимо уменьшение концентрации химически активных частиц в плазмо. эта концентрация апре-деляется. с одной стороны, процессом их генерации, зависяяим от количества хлора в каыере и условий 84 разряда (давления и модно--сти), а с другой^ - процессом их гибели за счет взаимодействия со стенками камеры я электродами и выноса потоком гзза в откачну» систему. Уменьшение ксцентрашш травнтеля было реализовано несколькими способами (сильное разбавление аргоном, уменьшение потоков, предельно низкое - о.1Па - рабочее давление), из которых наиболее технологичным оказалось сильное разбавление аргоном, при этом пооисходит существенное изменение рвяиаов травления, увеличение модности здесь не приводит к заметному измененио состава и свойств плазмы ввиду меньшей химической активности плазмы. V падает значительно медленнее,' чем процентное содеряание хлора. При этом происходит существенное улучшение анизотропии и качества поверхности и удается получить чисту» поверхность при 1-2 % хлора, несмотря на низкий уровень мощности. При содержании хлора в снеси Оольяе 10% (примерно такчо ко зависимости таят

место также для эмиссии основных компонентов плагны схТ *с!г*1. Следузт отметить отсутствие заметной зависимости V от содержания С12 при низких концентрациях?<10%). Одно!' из возможных причин этого является отмеченное нами в СВЧ-кнтерфирометрических иамс ,-е , ниях быстрое падение концентрации электронов в плазмз при добавлении хлора к аргону йри малом изменении тока и напряжения автос ношения, что связано, как мы считаем, с. образованием отрицательных конов хлора, это приводит относительному уменьшению скорос ти образования химически активных частиц а плазме и эзмодлеяко роста скорости, травления.

Таким образом, при треелонии паля а смеси п2/кг хороеео качество поворхност« и высокую СИИЗО'РОПИЮ «отао получить, если

лииктирумох стадией процесса является образовало продуктов реакции, а не их десорсцкя. Переход от однов стадии к другой возможен несколькими способами. из которых наиболее привлекательным является сильное разбавление аргоноа, позволяюиее получать меоа-структуры с хороией нэрсюлогиоя и анизотропией при достаточной скорости травления СО. 1акм/мин) и низкой мощности СО.!Вт/сыг). уТр' хвр значительно. ниже, чем УТр аадг и достигает сравнимых величин только прь васокоь мощности ОВт/с«2).

Во втором параграфе представлены результаты травления в смеси в сн4/н2/аг. Травление в этой смеси не сопровождалось заметным ьрктокои примосея в плазму даже при высоких мощностях С1-1.5Вт/ся2}, ввиду отсутствия химического распыления подлоако-дер«ателя. основной трудностью травления в углеводородных газах является их тенденция к полимерообразованию, которое контролировалось в. экспериментах на сопутствующих образцах Поскольку элементы ш группы удаляются в вняв металлорганических соединений, а V - гидридов, била проделана оптимизация соотнояэния газовых потоков для получения стекиометричзскоя поверхности. Разбавление аргоном позволило улучаить морфологи» поверхности и повысить уТр. в результате упрояония оптимизации соотношения метиль-них и водородных радикалов, усиления иоино - стимулированной десорбции. уменьшения вероятности шшшерообразовзния и стабилизации процесса. Скорость травления значительно выае, чем с»аз во всом диапазоне мощностей при оптимизированных давлении и потоках (сн4/н2/'Аг^4 /0.5/15. БсмЗ/мин).

В третьем параграфе представлеаы результаты экспериментов по травлению вал» и 1гр в сложной смеси сн4/нг/.\г/схг при оследова-' телькоа изменении парциальных потоков, проделанные с целью выравнивания скоростей травления этих соединений. Особенностью этой снеси является наличие газофазных реакция, приводящее к образованию нового реагента (нс1), наблюдааиегося нами спектроскопкчоски. Но сравнению с травлением в с12/аг здесь у'иеньвилась уТр, вале, а морфология *пР улучшилась. Сравнительно «в с травлением в с(!4/11,/аг повысилась УТр. обоих материалов с одновременным улучшением морфологии. В смеси сн4/о!2/аг (6/^/6еы3/мин. О.БПа, С БВт/см2) удалось получить высокие скорости травления как аяАа, так 1п? (* 0.4 и О.Змкм/иин, соответственно) с вертикальным про-

- 13 -

филам, однако о очень иерэхонэтами поверхностями.

оптимальное- соотношение скоростей травления и хороиее качество поверхности кок для GaAs, так „ дла inp были получены для смесей с содержанием сн,/н2/дг/с12 = 4/0.5/15/0.бем'/мин. Одинаковые скорости травления (на достаточно высоком уроЕне "0.1 мкм/мин) получены здесь при относительно невысоком уровне мощности ~0.5Вт/смг. Это дает иозможность яеселоктивного травлзния слоев гетероструктур inxGa,_.EASyi,1_jr во всем диапазоне составов, причем достигнутое равенство обеспечивает отсутствие подтрава слоев на боковых стенках кезаструктур, вызываемою их разной поперечной скорость» травления, что важно при создании оптических поверхностей.

В четвертом параграфе представлены данные по травлению в sici4/Ar. Характерно« особенностью этого газа является присутствие радикалов sícix, хороао травягих окислы и сьязываюиих остато-чиыэ о2 и Hjo. Благодаря этому получен рвжии неселоктивного трав-лёния ЗПИ аксиальных СЛОЗЗ OaAs/AlG&As/AlAs (0.25bt/cm2. ÍO/IOcfVmhh, lila). Способность радикалов к образованию аепочзк благоприятствует ионно - ингибируваему механизму "травления» но в отсутствии полимерных пленок. vTp. оаАз медленно растет с мощностью, при улучшавшейся анизотропии я хорсиоа морфологии, Это свидетельствует о лимитированном образованием продуктов процессе,

С ВЫСОКОЙ РОЛЬЮ ИОННОЙ 001!0сфДИр02КИ. На ЗЗВИСИНаСТК VTp< Inf от

мощности есть область быстрого роста (соответствующая "О.ЬВт/см2), в которой происходит переход от кероховатой к% глад кой поверхности, связанный с переходом к процессу, лимитированному образованием продуктов. Пзромоц происходит благодаря кал увелкче-нию иснно-стимулирооанной дасорбчии. так и увеличению термическая десорбции, из-за нагрева в рззуяьтато ионной ооиоардировсл. Область перехода удалось cal .путь в öc.^cö пязчознергетичиуо область Г0.25Вт/см2) разбазлоп/ен аргоном (р^Сочае давление -ö.&fia, соотношение потокос 11 с>4/лг>iо/госн-'/кин) и жгиавенгом условия теплоотдачи с образна. В результате. >) эгея области vrp Jni' выросла более чем в-два' раз;.!, до ~Э0нм/чин, и сравнялась с VVp_ GaA4 при хороши морфологии. Псдучоняыб профми киоди При это»- "положительный" наклон.

Tpt-ия rrji/j г.освяезна результата« й^ютсвлсйки зломсйтов

- н -

оптоэлектронных приборов методом РИТ-

В первое параграф описана разраоот&ннан технология изготсв ления двухслойной фоторззкетивяоя иаскк аз осново зкелеримеиталь-ных позитивных (на основе полисилана) и негативных (на основа полисмоксана) &ленентообразуюших крамнииорганических резистов. Рисунок в нкжнэм задуолеянои планаризувием реоисте (ФП-051МК или аи1лбол) создавался РИТ в ог через каску, формирующуюся в верхнем элвмантообразуяшзи резчете непосредственно в процессе травления за счет образования на поверхности слоя 81ог. Получен рекин рит (0.5Вт/смг, ЮПа)- при котором скорость образования превышала скорость его распыления за счет высокой концентрации атомов кислорода и низкеи энергии ионов, голаииа образовавшегося вюг была несколько нанометров, при этом в результате сильного ионного рассеяния был получен "отрицательный" профиль в нижнем слое,оптимальный йля взрывной литографии, для получения маски с вертикальным профилем, необходимой для травленая полупроводника, разработан двухстадияныя режим, на первой, короткой, стадии при давлении ¡ОПа, когда баланс сдвинут в сторону образов;. .ия аю2, образовы вался плотный слоя окисла, достаточный для маскирования во вреи,я второя длительное стадии, проводимой при давлении та, обеспечивающем нормальное падение ионов с высокими (сотни элактронвольт) энергиями. Чувствительность элементообразуюаего резиста к коротковолновому ультрафиолетовому излучению обеспечила формирование элементов с размерами от о.5мкм до сотен микрометров. Толстая маска с близким к вертикальному профилем позволяет использовать очень кооткий режим травления (1Вт/см2), необходимый для получения высоких скоростей травления.

Бо втором параграфе описана разработанная технология травления дифракционных решеток через фоторезистивну» маску, созданную голсграфическоя засветкой, при поыови описанного во второй главе реаима в эте^/лг удалось добиться достаточной селективности по отновонию к тонкой паске при РИТ тпр и чпциакр. Толщина маски в процессе травления контролировалась лазерным интерферометром. Получены ревдтки о перкодой ~0.2мки и глубиной "(ЫБикм с оптииаль-' вин у ДЛ;, аарикиг-ания профилем, пригодные для создания РОС лазеров с * 1.3, 1.55МКМ для ВОЛС. В савь ¿^ла протравлена и заро пена решетка с вагон *0.«!7мкм глубиной "О.омк*.. что даег возмож-

кость изготовления сдночастотны/ лазеров 2мкм диапазона. Профиль и глубина решеток но зависели от ориентации подложек, что может облегчить подавление нежелательных мод резонатора Фаори-перо при работе с (111) ориентацией, в эпитакскалышх структурах АЮаАз/свАз с квантовыми ямами были получены решетки с профилем, близким к вертикальному, и поперечными размерами менее 50нм. Создание структур такого типа можно рассматривать как первый шаг о технологии изготовления квзитовых нитей.

В третьем параграфа списан метод травления узкой глубокой канавки с непараллельными стенками и управляемым профилем в 1пр. Такие канавки является основным элементом при монолитной интеграции лазера с управлявшим фотодиодом и в поверхностно - из'лучаоиих лазерах с горизонтальным резонатором и внаьиим зеркалом. С помощь» специального подлогл'одержателя, с размерами, меньииаи толщины приэлектродного слоя, удалось обеспечить наклонное падение ионов на образец, в результате форкз профиля трансформировалась из равнобедренной в прямоугольную трапеции. Полученные канавки имели глубину 4мкм при вирино 5мкм с гладкими, пригодными для использования в качестве зеркал поверхностями, тразленке проводилось в вки/дг по описанному во второй главе режиму,

ЧетвортыР параграф поссяиен разработанной ьа основе РИТ технологии изготовления мощных лазеров, гонерируяких на одной поперечной моде, конструкция лаззров представляла собой полсскозув мезаструктуру (шириной »), выгравлениуп таким образом, что изменение эффективного показателя преломления в плоскости гетероперехода обеспечивало одномодовую генерации, момент окончзкия траьло-ния определялся с помоиью лзьорного интерферометра таким образом, чтобы толщина остатка верхнего эмиттера за ыезаструктурой (з) соответствовала рассчитанной величине. При изготовлении, примеч-лись два метода планаризации м«эаструктури: с помоиьо слоя полиамида я путем вытравливания вокруг полоска узких (з.змкм) ограничивавших канавок, первый способ применяется для изготовления приборов. рзботавяих с высокочэстопюй' модуляцкзй, так как позволяет уменьшить паразитнуи емкость, атороя спосоо солее те/налогичон я дает■ больший выход гсдаых со агрукгуры. ркт струюур проооди«я в 51С 1/4г через двухслойную «иску. Параиотрн разряда выбирались, и&-ходя из чзоОхсакмих глубин 1рэ:!Лоич>1. С обоих случаях поело

травления полупроводника наносился изолирующий слой к!ог. Оиичэс-кий контакт к полоску делался после вскрития зю2 РИТ в бр6. В случае применения полиимидэ, перед вскрытием эи:^ проводилась планаризаиия полиимида РИТ в оь/з^- Характеристики лазеров, изготовленных разными методами элипжсии и на разных структурах, с нанесенным на один из торцов высокоотравакаим зеркалом представлены в таблице.:

х.ики Структура йетод Конструкции *,М!СМ а.мкм Модность

0.8 1пГ,аАзР/СаАз КФЭ с канавками 7 0.42 100мВт

0.8 АЮаАз/ОаАз кпэ с ПЗЛИИМИД. 4 0.27 100

0.8 А10аАз/(<аАз МОГФЗ с полиимид. 4 0.25 75

0.6 АЮаАв/СаАа ИОГФЭ с канавками 4 0.23 120

0.98 ТпОаАз / АЮаАз/ДаЛа МОГФЭ с канавками 4 0.26 100*

* без зеркала

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы: ■- ~ ~~

1. Создан автоматизированный диагностический комплекс, включающий оптическую эмиссионную спектроскопию с высоким пространственным и спектральным разрешением, свч и лазерный интерферометры для изучения ЬЧ разряда и процесса травления,

2. Исслодованз реактивное ионное травление салв и 1пр в смесях с12/аг, б1С14/аг, сн4/и2/аг и сн4/н2/аг/с12. изучены корреляционные связи между эмиссионными характеристиками плазмы и параметрами процесса травления.

3. При травлении аелз в с12/аг в рамках простоя модели, включающей химическую и ионно-стимулированную фазы процесса, показано, что нешероховатая поверхность может быть получена, когда лиыитируюаеи стадией процесса является образование продуктов ре1 акции, а не их десорбция. Установлелно, что наиболее технологич-. ным методой реализации этого условия является сильноо разбавление аргоном. 'Получасы режимы травления, обеспечивающие хорошую морфологию и анизотропию при достаточно высокой скорости травления с 0.1мкм/мин} и низкой (0.1вт/смг) мощности.

4. Получены одинаковые скорости травления сза» и 1пр с хоро-, жеи морослогиэя в сиоси сн4/н2/аг/сх2 при относительно низко»

шшности. 2то дает возможность неселективиого. травления слоев гетороструктур йг^оа^А«^., во всем диапазоне составов.

5. Установлено, что травление в з!С14/аг характеризуется хорошей морфологией и неселективным травлением ааАз/АЮаАг во всем диапазоне мощностей, что свидетельствует о лимитировании травления образованием продуктов. При травлении 1пр управление переходом к этой стадии удалось осуществить изменением концентрации реагента и теплового режима ооразца.

6. разработана двухслойная фоторезистивная маска на основе экспериментальных крешмсодержаиих фоторезистов, позволяющая планаркзовать имеющийся топологический рисунок на полупроводнике и вытравливать мезаструктуры с размерами менее о.5мкм большой глубины. Получены профили маски, пригодные для взрывной фотолитографии и для травления полупроводника с вертикальным профилем и минимально» шероховатостью боковых стенок.

7. Разработана технология травления дифракционных розеток с иагом 0.2 и 0.47мкм оптимального профиля и глубины в подложках вавь, 1пР и выращенных методом 8ФЗ слоях 1пОаАвР, что дает возможность изготавливать РОС - лазеры для ВОЛС в И -спектроскопии. Получены предварительные результаты по травлению квантово-размерных гатероструктур АЮаАз/саАе, выращенных методом КОГФЭ, с целью создания квантовых нитей. Получены поперечные размеры мезаструктур "ЗОни.

8. Разработана технология травления несимметричных канавок с управляемым профилем в 1пр, которые можно использовать для монолитной интеграции лазерного диода с фотоприемником и при изготовлении поверхностно иэлучэлших лазеров.

э. Разработана постростовая технология изготовления работающих в непрерывном режиме лазеров, генерирующих на одной поперечной моде, мезаполосковой конфигурации двух различных конструкция, изготовлены юомвт лазеры в системе 1пСаАзР/с«Аз (х=о.йикм;, выращенной методом ВФЗ. На А^аАг/саАя (х=Ю.8нкм) лазерах, выращенных методами МОГФЭ и киэ, в конструкции с планэризаиией подними -дом, получены модности /5 и юомВт, соответственно, в конструкции с ограничивающими мезаструктуру канавками получена мощность 120мВт на могфэ структурах. На лазерах в системе

А1ваАз/ХпбаАк/ОаАа (X - О.Э&ИКИ) С НаПрЯЖСННОЙ аКТИБНай ОбЛЭСТЬЮ.

выращенной методом ыогфэ, получена мощность »ооывт на одно зеркало.

Оспозние материалы диссертации опубликованы и следующих работах: 1 .В.Ф.Лиманова, В.Н.Патаев, М.И.Кулагина. А.Е.дулькин, С.А.Бааки-рова, в.М.Копылов, Л.К.Степанова, кремянаорганические НУ4> - ре-зисты для двухслойной оозистной скотски, п Третий Всесоюзный семинар "Микролитография", Тезисы докладов, Черноголовка, 10Э0, с.198.

?.. А.Е.дулькин, С.А.мошгсалев, в.з.пятаов, ¡1.о.Соколова, А.с.Смирнов. роль ионно-стимулированных процессов при реактивном ионном травлении caAs в смеси <пя/аг. п Материалы X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью-^!*, Звенигород. 1931. 'с.182--184.

3.А.Е.дулькин, с.А.Мошкалев, в.З.Пятаез, А.С.Смирнов, К.С.Фролов. Исследование плазмы ВЧ разряда, используеаого при травлении GaAa. // Труди х Всесог-'ной конференции по Физика низкотемпературной плазмы, Минск, 1381, с.133-134.

4.А.Е.дулькин, с.А.Мошкалев, в.З.иятаев, Н.О.Соколова, А.С.Смирнов. К.С.Фролов. Исследование реактивного ионного травления caAs в смеси ci2/Ar. п Известия Российской А эдемии наук. Сер. Физическая 1Э93, т.56, стр.46-52.

5.Л.Е. Dulkin, S.A.Monhkalyov, V.Z.Pyataev, А. S. Sjii rnov , K.S.Frolov. III-V Compound Seaiconductor Reactive Ion Etching in Chlorine иnd Methane Containing Mixtures. // Microelectronic Engineering, 1992, Vol.17, pp.345~34b.

6.K.S.Frolov, A.E.Dulkin, £.A.Moshka1yov, A.S.Smirnov, V.Z.Pyataev. Low pressure RF - discharge.// Abstracts ¡¡urop. Sect. Conf. on Atonic i Molecular Physics of Ionized Gases. XIй1 ESCAMPiO, St.Petersburg, August, 1992, PS.25.

7. ii.G. Glaclysheva, A.E.Dulkin, N .D. 11' inakaya, V.A.Mishurnyi , V.Z.Pyataev, V.V.Sazonov, У. V . Siiirni tski i . Fabrication and overgrowth of diffraction gratings for GaSb/AiGaAsSb/InGaAsSb DFB lasers. // Int. Conf. on Microlithograi>hy "ME 92", Abstracts, Kriangen, Germany, Sept., 1992.

PT11 ПИН4-, saic.612, гир.100, уч-изд.л.0,9; 12Д-1993г. Бесплатно