关键词：反应离子蚀刻、负载与迟滞效应、微掩模、氮化镓、GaAs、磷化铟、纳米光子学
摘要
本文将描述反应离子刻蚀技术的一般方面，如各向异性、负载效应、滞后效应、反应离子刻蚀化学和微掩模，然后简要概述刻蚀电介质(二氧化硅、氮化硅)和晶体硅。论文的第二部分致力于蚀刻III-V族化合物半导体。基于氮化镓材料的反应离子刻蚀结果，揭示了一种简单实用的热力学方法，说明了选择最佳化学物质刻蚀特定材料的准则，以及氮化镓的刻蚀结果。最后，将讨论用各种化学物质蚀刻磷化铟基材料及其各种光子学应用的综合研究。
介绍
等离子体蚀刻、干法蚀刻和反应离子蚀刻(RIE)都描述了处理技术，它们具有共同的第四种物质状态：等离子体，也称为材料的电离状态。等离子体状态描述了一种情况，其中一种或多种气体保持在一定的压力下，并施加电势，导致气体原子的部分电离[1]。在等离子体中，正离子、自由基和电子共存。大约30年前，大多数半导体器件的工业工艺严重依赖湿法蚀刻技术；然而，等离子体技术，更具体地说是RIE，已经逐渐取代了湿法蚀刻技术。这是因为它们具有优异的均匀性和可重复性，更重要的是，随着允许批量处理的设备的出现，它们具有高产量。
干法蚀刻的主题已经在文献中被广泛报道，并且它涵盖了跨越电介质(氧化物和氮化物)、聚合物、半导体材料甚至金属的各种化学和材料。本文旨在提供一种实用的方法来解决与各种材料的等离子体蚀刻相关的问题。
反应离子蚀刻的一般方面
滞后效应：RIE的滞后效应是限制特征尺寸造成的刻蚀深度差异。例如，当通过掩模中不同的开口尺寸进行蚀刻时，大开口面积中的蚀刻深度可以比较小开口尺寸中的蚀刻深度大得多。这种不均匀刻蚀与刻蚀反应物和产物进出刻蚀孔的扩散过程有关：尺寸越小，反应物到达孔底的时间越长。同样，蚀刻产物向外扩散需要更长的时间。图2很好地说明了反应离子蚀刻的滞后效应，并显示了使用Cl2 :Ar:H2蚀刻磷化铟的电感耦合等离子体反应离子蚀刻工艺的扫描电子显微镜照片。该图案由宽度从1米到100纳米的直线(凹槽)组成，凹槽之间的间隙以100纳米为步长变化。值得注意的是，在最小开口(300 nm及以下)处蚀刻深度的减少是显著的。
CCP和电感耦合等离子体系统中的DC偏置：在电容耦合(CCP)反应器中，当发生某种放电时，施加在下电极上的射频功率与所谓的DC偏置直接相关：在与离子电荷和电极电位成正比的冲击能量下，负电位响应或吸引电极。当射频功率增加时，等离子体变得更密集，DC偏压增加。因此，在该反应器中，等离子体密度与较高的DC偏压相关，导致较高的离子轰击。
各向异性、负载、微掩蔽、干法蚀刻中的化学选择
硅、二氧化硅和氮化硅的干法蚀刻
硅、多晶硅和非晶硅、二氧化硅和氮化硅通常在氟基化学中被蚀刻，其中蚀刻产物主要是挥发性二氧化硅。因此，在这些材料中可以获得相当好的蚀刻速率，这取决于反应器的确切化学性质及其应用。根据具体情况可以考虑不同的变化，比如刻蚀硅用的CHF3和SF6，其中SF6是主要的化学试剂，CHF3提供一些钝化，实现各向异性刻蚀。在这一类别中，博世技术最为人所知。它需要两种气体的混合物，其中一种确保材料的良好蚀刻，第二种产生钝化层以抑制侧壁蚀刻。SF6是选择用于硅快速蚀刻的气体，而C4F8是钝化气体。在博世工艺中，两种气体交替使用。通常，SF6在较低压力下运行7-8秒(以产生垂直蚀刻)，而C4F8在较高压力下运行2-3秒以增强侧壁钝化。因此，后者在晶片的水平表面和蚀刻的侧壁上产生薄的保护层。
-族半导体的干法刻蚀
氮化镓的干法蚀刻
其他III-V族半导体的反应离子蚀刻
Cl2基化学及其亚变体用于蚀刻砷化镓基、磷化铟基和氮化镓基结构，并用于各种器件应用中。主要蚀刻成分是与所有III和V元素反应的氯自由基。根据应用，可以考虑许多子变型。h2通常作为钝化剂添加，允许更好的各向异性和更光滑的侧壁。这对蚀刻波导(集成光学和激光)非常重要。或者，可将甲烷添加到氯气的组合中用于额外的钝化，但这将减慢蚀刻速率并恶化所用掩模的选择性。另一种替代氯h2混合物的方法是加入少量的Ar，可以更好地平衡物理刻蚀和钝化，产生高各向异性和光滑的侧壁。当Al是iii族元素之一时，氯：甲烷：H2是可能的，但更常见的是可以将三氯化硼或四氯化硅加入氯中。另一种常见的组合是氯：O2，这是一种流行的化学方法，可以在phc模式下实现高纵横比，其中孔的直径通常在200-300nm的范围内，所需的蚀刻深度为3 m或更大。
为了实现高纵横比结构，例如PhC柱和DBR光栅反射镜，在400 nm SiNx上使用ZEP520A抗蚀剂的标准技术失败了，因为需要更厚和更耐久的掩模来实现亚微米图案。蚀刻较厚掩模层的简单技术是使用水平掩模；即。添加抗氟等离子体的中间金属层。中间金属层可以是铬或铝，并且两种金属氟化物都是非挥发性的。因此，通过在500纳米的二氧化硅上使用50或60纳米的铬层，开发了这种三阶段技术。
结论
我们描述了RIE的一般但重要的方面，如各向异性、负载效应、滞后效应、DC偏置和化学选择，并对微掩蔽进行了广泛的实验研究。我们演示了如何避免蚀刻基于inp的典型微掩模材料。后面的部分Si、SiOx、SiNx详细研究了氮化镓的刻蚀，其中有很大的讨论部分用简单的方法和热力学数据解释了氮化镓刻蚀速率提高4倍时六氟化硫氯化气体的引入。最后，总结和讨论了腐蚀inp基结构的四种化学方法。
审计颜
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