Кратко:
В статье представлен метод изготовления гребневых (ridge) волноводов на тонкоплёночном ниобате лития (TFLN) толщиной 700 нм с использованием реактивного ионного травления с индуктивной связью (ICP-RIE) в аргоновой плазме. Основное преимущество подхода — отсутствие фторсодержащих газов, что исключает образование фторида лития (LiF) и обеспечивает гладкие боковые стенки структур. Технологический процесс включает три ключевых этапа: формирование маски из фоторезиста, аргоновое травление и завершающую мокрую очистку для удаления переосаждённого материала. В результате получены одномодовые волноводы, работающие на длине волны 1550 нм, с оптическими потерями всего 5 дБ/см. Разработанная технология открывает путь к созданию компактных и эффективных интегральных фотонных устройств на основе ниобата лития.

Ниобат лития (LiNbO₃, LN) обладает уникальными физическими свойствами, включая выдающиеся электрооптические коэффициенты, что делает его превосходным материалом для широкого спектра применений: оптических коммуникаций, лазеров, нелинейной оптики, датчиков электрического поля и т.д. Для дальнейшего повышения производительности оптических устройств и обеспечения конкурентоспособности с кремниевой фотоникой необходимы плёнки ниобата лития субмикронной толщины. Существенный прогресс был достигнут благодаря развитию технологии «smart cut» и прямого соединения пластин (wafer bonding), в результате чего такие тонкоплёночные структуры (TFLN — thin-film lithium niobate) сегодня доступны на коммерческой основе. Однако получение высококачественных волноводов на тонких плёнках LN остаётся сложной задачей.

В настоящей работе продемонстрировано изготовление гладких гребневых волноводов на тонкой плёнке ниобата лития толщиной 700 нм. Технологический процесс был разработан и оптимизирован по трём ключевым этапам: формирование маски, плазменное травление и завершающий этап жидкостного травления (WET ETCH ссылку можно) очистки для удаления переосаждённого материала со стенок. Экспериментально подтверждено одномодовое распространение света с общими оптическими потерями всего 5 дБ/см.

В области фотоники сочетаются несколько дисциплин, таких как электрооптика, акустооптика, оптоэлектроника, нелинейная оптика, оптическая телекоммуникация и лазеры. Одним из наиболее подходящих материалов для разработки многофункциональных фотонных компонентов является ниобат лития. Действительно, его интригующие электрооптические, акустооптические и нелинейные отклики, среди прочего, делают ниобат лития идеальным кандидатом для изготовления фотонных чипов, интегрирующих сотни различных оптических функций.

Однако в последние годы были приложены значительные усилия для разработки фотонных чипов на основе кремния. Этот растущий интерес к кремниевой фотонике обусловлен главным образом тем, что эта область исследований значительно выиграла от доступности пластин кремния на изоляторе (SOI) большого размера для микро- и наноструктурирования фотонных устройств. Эквивалентный технологический прогресс в ниобате лития может означать прорыв в фотонике, поскольку LN, в отличие от SOI, предлагает превосходные электрооптические, акустооптические и нелинейные свойства. Следовательно, миниатюризированные LN фотонные компоненты, такие как активные интегральные устройства, сверхчувствительные датчики электрического поля, электрооптические модуляторы, перестраиваемые фильтры и нелинейные преобразователи длины волны, могут произвести революцию в фотонных технологиях.

Ключевым условием реализации платформ на основе ниобата лития является возможность надёжного изготовления микрометровых оптических волноводов с малыми оптическими потерями. Для этого необходимы два компонента: одноосные кристаллические плёнки ниобата лития субмикронной толщины и воспроизводимый процесс сухого травления с высоким контрастом показателя преломления. Первое условие сегодня выполнено: такие пластины коммерчески доступны и изготавливаются методом ионного расслоения кристаллов с последующим сращиванием пластин.

Скрытые оптические волноводы, такие как волноводы на основе диффузии титана и протонного обмена (PE), использовались в ниобате лития для создания классических функций, таких как электрооптические модуляторы. Эти волноводы обеспечивают хорошее оптическое удержание (confinement) и чрезвычайно малые оптические потери на уровне 0.01 дБ/см, но цена за это — поддержка мод размерами в несколько микрометров. Способом увеличения удержания света является использование планарной (ребристой) структуры. Высокий контраст показателя преломления с окружающим воздухом приводит к более сильному направлению моды в поперечном направлении. По сравнению с волноводами, изготовленными методами диффузии титана или протонного обмена, планарная геометрия позволяет использовать меньшие радиусы кривизны, что в целом приводит к возможности создания гораздо меньших устройств.

Разработка гребневых «удерживающих» волноводов на ниобате лития изучается уже более 30 лет с целью усиления электрооптического взаимодействия по сравнению со стандартными волноводами, тем самым снижая управляющие напряжения и увеличивая полосу пропускания. Тем не менее, волноводы, разработанные в 1980-х и последующих десятилетиях, демонстрировали значительную шероховатость, что приводило к существенным потерям на распространение по сравнению со стандартными волноводами. Изготовление волноводов микронного размера в ниобате лития до сих пор остается сложной задачей. Действительно, ниобат лития — это твердый и относительно инертный материал, поэтому его довольно сложно травить.

Реализацию планарных структур в ниобате лития можно осуществить несколькими способами. Ранее были описаны метод жидкостного травления плавиковой кислотой (HF) с ионной имплантацией и плазменное травление газами, содержащими фтор (такими как CF₄, SF₆ и CHF₃) на LN с протонным обменом. Необходимость ионной имплантации и PE-обработки увеличивает сложность процесса изготовления, а ICPользование фторсодержащих газов приводит к повторному осаждению LiF, формированию невертикальных и шероховатых боковых стенок. Фторсодержащие газы действительно обычно ИСПользуются для плазменного травления LiNbO₃ из-за хорошей летучести фторированных соединений ниобия при температуре около 200°C. Однако основной проблемой является образование и повторное осаждение фторида лития (LiF), что приводит к снижению скорости травления, невертикальным профилям боковых стенок и увеличению их шероховатости. В последние два-три года были разработаны волноводы в LN чрезвычайно высокого оптического качества с ИСПользованием новых методов изготовления. Ионно-пучковое усиленное травление с ИСПользованием аргона и гелия для разрушения кристаллической структуры на определенных глубинах в LN с последующим жидкостным травлением плавиковой кислотой ИСПользовалось для создания LN нанопроводов для генерации второй гармоники. Результаты показывают усиление сигнала второй гармоники ценой довольно высоких оптических потерь около 61 дБ/см.

Альтернативный способ производства планарных волноводов для простых геометрий шириной в несколько микрометров ИСПользует сверхточную микромеханическую обработку и предоставляет возможность получения чрезвычайно высоких соотношений сторон и криволинейных геометрий.

Чтобы устранить негативное влияние LiF на качество волновода и упростить процесс изготовления, мы предлагаем альтернативный метод с ИСПользованием реактивного ионного травления с индуктивно-связанной плазмой (ICP-RIE) в аргоновой плазме. Травление аргоновой плазмой часто ИСПользуется как процесс плазменной очистки и осуществляется путем ионной бомбардировки и физического абляционного процесса. В отличие от травления LN с ИСПользованием фторсодержащих газов, химическая реакция между ионами Li и F не происходит, и, как следствие, образование LiF полностью исключено. Травление аргоновой плазмой с помощью реактивно-ионного травления с электронно-циклотронным резонансом было предложено в статьях ранее. Резонаторы типа микродисков на тонкой пленке ниобата лития толщиной 300 нм были изготовлены с помощью этой альтернативной технологии травления.

В данной статье проведено систематическое исследование изготовления планарных структур в LN. Мы сосредоточили усилия на трех этапах процесса: формирование маски, изучение плазменной химии с систематическим исследованием различных параметров травления для реактивно-ионного травления и травления с индуктивно-связанной плазмой (ICP-RIE) и, наконец, заключительный этап химической очистки для удаления повторно осажденного материала на боковых стенках планарных структур. Формирование маски и параметры аргоновой плазмы изучались в конфигурации ICP-RIE. Из-за высокой стоимости пластин с тонкой пленкой параметрическое исследование проводилось на чипах площадью 1.1 × 1.2 см² на X-срезе ниобата лития толщиной 500 мкм. После оптимизации параметров изготовления на объемном материале мы настроили их для создания планарных волноводов на тонких пленках LN. Пленка LN толщиной 700 нм на X-срезе диаметром 3 дюйма была предоставлена компанией NanoLN. Тонкая пленка соединена с подложкой LN через промежуточный слой SiO₂ толщиной 2 мкм.

В качестве доказательства концепта проведена оптическая характеризация планарных волноводов в TFLN, показавшая одномодовое распространение и общие оптические потери всего 5 дБ/см. Травление аргоновой плазмой фотонных проводов демонстрировалось ранее с потерями на распространение 7.5 дБ/см и 9.9 дБ/см для обеих поляризаций света.

Как уже говорилось ранее, травление LN особенно сложно. Для травления нескольких микрон LN требуются маски толщиной более 1 мкм. Этого можно достичь с помощью металлических масок. Из-за хорошей стойкости к травлению фторсодержащей плазмой, для изготовления металлических масок с высоким соотношением сторон обычно выбирали гальванически осажденный никель. Однако можно заметить (рис. 1), что маска из гальванического Ni имеет значительную шероховатость, вероятно, из-за внутренней столбчатой структуры Ni. Гальванический слой здесь действительно состоит из конусов диаметром 100 нм, которые проявляются в процессе травления. Однако боковые стенки маски шероховаты, и эта шероховатость напрямую передается при плазменном травлении на LN, создавая волноводы плохого оптического качества, как показано на рис. 1. Действительно, на СЭМ-изображении четко видно, что дефекты маски Ni затем передаются на боковые стенки планарных волноводов.

В данной статье для изготовления маски ИСПользовалась УФ-литография, поскольку, по сравнению с другими методами, она гарантирует четкие края и гладкие боковые стенки. Общий процесс изготовления схематически представлен на рис. 2.

Положительный резист S1828 толщиной 2.8 мкм сначала наносится центрифугированием и структурируется с помощью УФ-литографии (70 мДж/см²) (рис. 2(а)). После проявления фоторезиста был выполнен высокотемпературный отжиг (hard baking) фоторезиста, чтобы увеличить термическую, химическую и физическую стабильность маски для лучшего сопротивления плазменному травлению LN и улучшения селективности травления. Высокотемпературный отжиг может улучшить стойкость к травлению и, следовательно, селективность травления. Необходимо соблюдать осторожность с температурой, поскольку высокотемпературный отжиг вызывает деформацию маски, и следует ограничиваться низкими температурами отжига. Экспериментальные результаты показывают, что оптимальная температура и время высокотемпературного отжига для фоторезиста S1828 составляют 80°C в течение 60 мин. Затем рисунок переносится на подложку с помощью процессов химического травления на основе аргоновой (Ar) плазмы (рис. 2(b)). Оставшийся слой фоторезистной маски удаляется с помощью жидкостного травления (рис. 2(c)). Наконец, повторно осажденный материал LiNbO₃ на боковых стенках также удаляется с помощью эффективного раствора для жидкостного травления (рис. 2(d)).

Идёт поиск набора параметров, позволяющий изготавливать планарные волноводы из ниобата лития хорошего качества, обеспечивающие одномодовое распространение на длине волны 1550 нм. Эксперименты по травлению LN проводились на установке ICP-RIE, генератором ICP мощностью 3 кВт и генератором RIE мощностью 1.5 кВт. Установка состоит из генератора ICP, создающего плазму высокой плотности, и ВЧ-генератора, ускоряющего ионы и создающего ионную бомбардировку. Оба генератора работают на фиксированной частоте 13.56 МГц. Мы провели систематическое параметрическое исследование, в котором варьировали различные параметры ICP-RIE: мощность ICP, мощность RIE, давление и температуру в камере травления, а также расход газа.

Плотность ионов и их энергия определяются расходом газа, мощностью RIE и ICP. Высокий расход газа, мощность ICP и RIE увеличивают скорость травления. Однако, с другой стороны, высокие значения расхода газа и мощности резко снижают селективность травления. Необходимо найти баланс между скоростью травления и селективностью маски. Соответствующие значения расхода газа и мощности должны максимизировать скорость травления при сохранении разумной селективности маски. Для травления LN мы нашли оптимальные расходы аргона от 20 до 75 sccm (стандартный кубический сантиметр в минуту) для мощностей ICP от 100 до 200 Вт и мощностей RIE от 75 до 100 Вт.

Что касается влияния давления в камере, то при более низком давлении длина свободного пробега молекул газа становится больше, поэтому ускоренные ионы могут получить больше энергии до столкновения. В случае травления аргоновой плазмой давление в камере должно быть как можно ниже, от 2 до 10 мТорр, чтобы повысить эффективность ионной бомбардировки.

Хотя температура камеры не может повлиять на плотность ионов и их скорость для дальнейшего увеличения скорости травления, низкие температуры камеры, согласно нашим экспериментальным результатам, значительно повышают селективность. Мы обнаружили, что оптимальная температура для травления аргоновой плазмой составляет -10°C.

В таблице 1 показана взаимосвязь между параметрами ICP-RIE и результатами травления. Из наших наблюдений мы увидели, что высокие мощности ICP и RIE, а также высокие расходы газа уменьшают шероховатость боковых стенок, но увеличивают угол наклона боковых стенок, поскольку это приводит к более сильному повторному осаждению материала, но, конечно, платой за это является снижение селективности маски и, следовательно, толщины ниобата лития, которую можно протравить. Высокое давление в камере уменьшает шероховатость боковых стенок, а температура камеры не играет основной роли в качестве травленого гребня, но высокие температуры камеры снижают селективность маски.

Таблица 1. Исследование влияния параметров ICP-RIE на результаты травления.

Выбранные нами параметры травления: расход аргона 20 sccm, мощность ICP 100 Вт, мощность RIE 70 Вт, давление в камере 2 мТорр и температура камеры -10°C. С этими параметрами травления были получены углы травления, близкие к 70°, селективность маски 1:1 и скорость травления около 12 нм/мин.

Проведены СЭМ-наблюдения (рис. 3), которые показали, что по обе стороны от гребня наблюдаются протравленные канавки, образовавшиеся в результате дополнительного травления ионами, отраженными от наклонных стенок гребня. СЭМ-изображение также выявляет значительную шероховатость боковых стенок из-за повторного осаждения LiNbO₃ и из-за процесса аргоновой плазмы. Действительно, как упоминалось ранее, при травлении аргоновой плазмой ионная бомбардировка и процессы физической абляции играют основную роль. Падающие ионы вызывают каскад столкновений на целевом материале. Если кинетическая энергия иона больше энергии связи травленого материала (LN), молекулы LN выбиваются во всех направлениях из-за столкновения высокоэнергетических ионов с поверхностью мишени. Некоторые из этих распыленных молекул прилипают к боковой стенке, образуя повторно осажденный материал, что, как следствие, ухудшает оптические характеристики протравленных гребней.

Для получения LN волноводов хорошего оптического качества необходимо очистить остаточный фоторезист и повторное осаждение на боковых стенках, вызванное распылением. Мы разработали химический метод, в котором NH₄OH, H₂O₂ и H₂O смешиваются в пропорции 2:2:1 при 85°C в течение 60 мин, который оказался чрезвычайно эффективным для удаления повторно-осажденного материала. На рис. 4(а)-(с) показаны СЭМ-изображения одного из планарных LN волноводов после одного, двух и трех циклов очистки. На рис. 4(а) четко видно, что LN волновод скрыт повторным осаждением, вызванным распылением. Распыленный материал начинает исчезать после двух циклов очистки (то есть через 120 мин) и полностью удаляется после третьего цикла, как показано на рис. 4(с). Также можно увидеть на СЭМ-изображениях, что поверхность подложки и верхняя часть планарных волноводов такая же гладкая, как и непротравленная подложка LiNbO₃, что также критически важно для получения оптического распространения с малыми потерями.

Затем бы адаптирован процесс травления для изготовления планарных волноводов на ниобате лития толщиной 700 нм. Эти пленки получены по технологии "smart cut" и соединены с буферным слоем SiO₂. Перед травлением пленки были отожжены при 450°C в течение 8 ч, чтобы улучшить адгезию тонкой пленки LN к слою SiO₂. Подложку TFLN затем травили с помощью упомянутого выше процесса ICP-RIE в течение 60 мин. Наконец, торцы образца были отполированы с помощью техники резки/полировки, чтобы обеспечить эффективную связь света с одномодовыми волокнами. Разработанный процесс был успешно применен для изготовления планарных волноводов шириной 4, 5, 6 и 7 мкм.

Экспериментальная установка показана на рис. 5, где в качестве источника используется перестраиваемый CW-лазер, настроенный на длину волны 1550 нм. Затем используется контроллер поляризации с целью четкой характеристики как TE-, так и TM-подобных мод. Из-за малых размеров волновода свет вводится во входной торец волновода с помощью линзованного волокна, обеспечивающего пятно диаметром 1 мкм и рабочее расстояние 3 мм, с помощью пьезоэлектрического позиционирующего устройства с нанометровым разрешением. Далее объектив с увеличением 125× и числовой апертурой NA = 1.30 фокусирует пучок на SWIR InGaAs камеру.

Разработанный процесс идеально подходит для создания одномодовых оптических планарных волноводов, как можно видеть на рис. 6. Действительно, для планарного волновода шириной 4 мкм измеренная TE-подобная мода представлена на рис. 6(b), ее полная ширина на полувысоте (FWHM) по горизонтали и вертикали составляет 2.55 мкм и 2.21 мкм соответственно. Для сравнения, теоретическая мода, рассчитанная с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD) показана на рис. 6(a), с горизонтальным и вертикальным FWHM 3.62 мкм и 0.94 мкм соответственно. Аналогично, измеренная TM-подобная мода (рис. 6(d)) имеет размеры 2.86 мкм и 2.28 мкм по сравнению с ее расчетной модой (рис. 6(c)), у которой 3.74 мкм и 1.05 мкм. Необходимо уточнить, что для визуализации распространяющихся мод выходной торец гребня был отполирован с помощью техники травления сфокусированным ионным пучком (FIB). Оптические потери на распространение измерялись с использованием эффекта Фабри-Перо между двумя торцами гребня и составили 5 дБ/см.

Был разработан процесс травления для получения чистых и вертикальных структур в материале ниобата лития. Процесс травления ICP-RIE основан на химии на основе аргона при низком давлении (2 мТорр), слое фоторезиста S1828 в качестве маски для травления и химическом жидкостном процессе для удаления повторного осаждения материала на боковых стенках из-за распыления. Процесс включает мягкий последующий отжиг маски для увеличения селективности травления. В качестве доказательства концепта был реализован процесс изготовления планарных волноводов из ниобата лития на тонкой пленке ниобата лития. Гребни демонстрируют хорошее оптическое качество, и экспериментально показано одномодовое распространение. Разработанный процесс идеально подходит для создания оптических планарных волноводов с малыми потерями и открывает интересные перспективы для реализации более сложных структур, таких как микрокольцевые резонаторы и оптические линии задержки.

Источник: 

Перевод: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Каташев А. А.