感應耦合等離子體刻蝕在聚合物光波導制作中的應用

張 琨，岳遠斌，李 彤，孫小強 ，張大明

(吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室，吉林 長春130012)

1 引 言

刻蝕是聚合物光波導制作過程中重要的工藝步驟之一，它分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕主要采用化學方法，由于化學反應各向異性較差，所以很難通過濕法刻蝕得到高精度的小尺寸圖形。隨著微細加工技術的特征尺寸減小到微米、亞微米量級，干法刻蝕逐漸占據了主導地位。

目前最常用的干法刻蝕有反應離子刻蝕( RIE) 、電子回旋共振等離子體刻蝕( ECR) 、感應耦合等離子體刻蝕( ICP) 等。RIE 刻蝕系統中等離子體能量和等離子體密度均由同一個射頻源控制，因此在低損傷、高速率刻蝕的要求下，等離子體的密度受到嚴重限制。與RIE 不同，ICP 刻蝕系統中有兩套射頻源，天線射頻源控制等離子體密度，偏置射頻源控制等離子體能量，兩套電源相互獨立，在控制等離子體能量的同時能夠生成高密度的等離子體，保證了刻蝕的均勻性和離子轟擊的方向性［1］。與ECR 刻蝕設備相比，ICP 刻蝕設備具有更小的體積，且其設備結構相對簡單、操作簡便，具有更高的性價比。此外，ICP 刻蝕技術還具有刻蝕速度快、大面積刻蝕均勻性好、表面損傷小、垂直度高等優點［2-5］，能夠滿足制作光電子器件的要求。因此，ICP 刻蝕技術被廣泛應用于光子器件的制備工藝中。

在某些光波導器件( 如光波導放大器) 的制作過程中，由于波導芯層材料剛性較強，不易刻蝕，需要采用先刻蝕出凹槽，再填充芯層材料的方法制作器件，即倒脊形光波導器件。在倒脊形光波導器件中，凹槽底部的粗糙度和側壁的垂直度是影響波導性能的重要因素，因此優化刻蝕條件以便得到較好的凹槽形貌是減小波導傳輸損耗、提高波導性能的有效途徑。

本文詳細介紹了ICP 刻蝕技術的參數優化過程，研究了ICP 刻蝕技術的天線射頻功率、偏置射頻功率、反應氣體流速及腔室內氣體壓強等參數對刻蝕效果的影響，并應用優化后的參數成功制作出底面粗糙度較小、側壁垂直度較高的凹槽結構。

2 材料選取和刻蝕原理

2.1 材料選取

聚甲基丙烯酸甲酯( P( MMA) ) 是一種高度透明的熱塑性材料，該材料光學性能好，成本低廉，成膜性好，被廣泛應用于光波導制作中。但是，線性P( MMA) 玻璃態轉變溫度較低，且多層涂覆會引起層間互溶。

在甲基丙烯酸甲酯( MMA) 中共聚甲基丙烯酸環氧丙酯( GMA) 可以得到甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物( P( MMA-GMA) ) 材料，P( MMA-GMA) 在加熱固化后可以形成交聯網狀結構，較P( MMA) 有更好的熱穩定性，且能有效解決多層涂覆引起的層間互溶問題，其反應方程式［6］如圖1 所示。

圖1 合成P( MMA-GMA) 的反應方程式Fig.1 Reaction equation of synthesizing P( MMAGMA)

2．2 ICP 刻蝕原理

ICP 刻蝕過程包括物理刻蝕和化學刻蝕。物理刻蝕是通過電感耦合的方式使刻蝕氣體輝光放電，產生高密度的等離子體，直接對基片表面進行物理轟擊，將聚合物表面的原子濺射出來，此過程是各向異性的。化學刻蝕是反應等離子體在放電過程中產生許多離子和化學活性中性物質，即自由基，離子在電場作用下與聚合物在沿電場方向上發生化學反應，這種化學反應為各向異性的。另一種化學反應是可自由運動的自由基與聚合物的相互作用，這種反應是各向同性的［7-8］。

3 實 驗

以P( MMA-GMA) 作為下包層，用鋁掩模法結合ICP 刻蝕技術制備倒脊形光波導器件，主要工藝流程為:( a) 清洗硅襯底: 將硅片置于干凈濾紙上，先用丙酮棉球擦拭，再用乙醇棉球擦拭，然后用去離子水反復沖洗，吹干樣品表面水跡。( b) 旋涂下包層: 在清洗后的樣品上用勻膠機旋涂P( MMA-GMA) 薄膜作為下包層，勻膠機參數設定為:前轉6 s，600 r/min;后轉20 s，3 000 r/min，涂完下包層后，將樣品放入烘箱中緩慢升溫至120 ℃，烘焙固化2 h，自然降至室溫。( c) 蒸鍍鋁掩模:在下包層上真空蒸鍍一層鋁掩模。( d) 旋涂光刻膠:在蒸鍍鋁掩模后的樣品上用勻膠機旋涂一層BP-212 正型光刻膠，烘焙20 min，烘焙溫度80 ℃，自然降至室溫。( e) 光刻顯影:選用負板作為掩模板紫外曝光4 s，以0.5 g/mL 的NaOH溶液作為顯影液，曝光部位的光刻膠和鋁掩模將溶于NaOH 溶液中，形成掩模圖形。( f) ICP 刻蝕:使用儀器為CE300I 型號的ICP 刻蝕機，在P( MMA-GMA) 聚合物下包層上刻出凹槽。( g) 去除鋁掩模，填充芯層，旋涂上包層: 用NaOH 溶液除去剩余的鋁掩模和光刻膠，將芯層材料填充到凹槽結構中，固化后旋涂上包層，完成器件的制備。圖2 為利用鋁掩模結合ICP 刻蝕制作聚合物凹槽的示意圖。

圖2 聚合物凹槽示意圖Fig.2 Diagram of polymer groove

以氧氣作為刻蝕氣體，通過改變單一刻蝕條件以對比刻蝕效果的差異，研究各參數變化對P( MMA-GMA) 凹槽結構形貌的影響。實驗中，分別研究刻蝕時間、天線射頻功率、偏置射頻功率、氣體壓強及氧氣流速等參數對凹槽底部粗糙度的影響，用掃描電子顯微鏡( SEM) 觀察凹槽結構的側壁形狀和表面形貌，用原子力顯微鏡( AFM) 表征凹槽底面的均方根粗糙度( RMS)［9］。在綜合考慮凹槽側壁垂直度的基礎上，通過刻蝕表面RMS 隨各參數的變化規律確定ICP 刻蝕P( MMAGMA) 的最佳工藝參數，在最佳工藝參數下制作凹槽結構，并計算最佳工藝參數下的刻蝕速率。

光波導器件的尺寸往往在制作前已設計好，實際制作器件時，刻蝕深度是一定的，所以應該在刻蝕深度相同的情況下討論各參數對凹槽底面粗糙度的影響。本文討論各參數( 除刻蝕時間參數) 對波導形貌的影響時，刻蝕深度均為2.5 ～2.8 μm。

4 結果與分析

圖3 刻蝕時間對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of etch time on etching surface roughness

刻蝕過程是導致聚合物倒脊形光波導器件凹槽底面不平整的主要原因，刻蝕時間的長短直接影響凹槽底面粗糙度。選擇不同的刻蝕時間對P( MMA-GMA) 進行刻蝕，天線射頻功率為200 W，偏置射頻功率為30 W，壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖3 為刻蝕表面RMS 隨刻蝕時間的變化曲線。從圖中可以看出，刻蝕時間越長，底面粗糙度越大。圖4 為用不同刻蝕時間刻蝕凹槽得到的底面形貌SEM 圖像，放大倍數為40 000倍。

圖4 不同時間刻蝕凹槽得到的底面形貌SEM 照片Fig.4 Subface SEM images of grooves under different etch time

在ICP 刻蝕系統中，用天線射頻源控制等離子體密度。選擇不同的天線射頻功率對P( MMAGMA) 進行了刻蝕，偏置射頻功率為30 W，壓強為0.5 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖5 為刻蝕表面RMS 隨天線射頻功率變化的曲線。從圖中可以看出，當天線射頻功率增加時，底面的RMS 減小;當天線射頻功率＞300 W 時，底面的RMS 趨于穩定。這是因為天線射頻功率的增大使刻蝕腔內等離子體密度變大，等離子體碰撞機率也隨之增加，氣體平均自由程變小，離子轟擊作用減弱，所以刻蝕表面的RMS 減小［10］。凹槽側壁的垂直度也是影響波導性能的重要因素，刻蝕過程各向異性越強，凹槽側壁的垂直度越好; 各向同性越強，側蝕現象越嚴重，凹槽側壁的垂直度越差。等離子體密度過大會引起各向同性刻蝕，所以天線射頻功率最好控制在300 W 以內。

圖5 天線射頻功率對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of antenna RF power on etching surface roughness

偏置射頻源控制等離子體能量，決定離子轟擊聚合物的速度［11］，是影響物理刻蝕的主要因素。選擇不同的偏置射頻功率對P( MMA-GMA)進行了刻蝕，天線射頻功率為150 W，氣體壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min，圖6 為偏置射頻功率分別為50，40，30 W 時凹槽底面的SEM 圖像。從圖中可以看出，當偏置射頻功率減小時，底面的粗糙度隨之降低。偏置射頻功率的減小不僅對降低底面的粗糙度有利，對側壁粗糙度的降低也是有利的，因為側壁粗糙度主要來源于掩模的縱向傳遞，隨著偏置功率的變大，側壁粗糙度對掩模邊緣粗糙度的依賴性會變強［12］。需要注意的是，偏置射頻功率過小會減弱離子轟擊的方向性，導致各向同性刻蝕增強，所以偏置射頻功率不宜選擇過小［13］。

圖6 不同偏置射頻功率下刻蝕凹槽底面粗糙度的SEM 圖像Fig. 6 SEM images of a groove subface roughness etched under different bias RF powers

氣體壓力的主要作用是影響離子的能量和離子對聚合物的撞擊方向 。選擇不同的氣體壓力對P( MMA-GMA) 進行刻蝕，天線射頻功率為300 W，偏置射頻功率為30 W，氧氣流速為40 cm3/min，圖7 為刻蝕后樣品表面RMS 隨氣體壓力的變化曲線。從圖中可以看出，隨著氣體壓力增加，底面的RMS 會增大，所以降低氣體壓力可以有效降低底面粗糙度。

圖7 氣體壓力對刻蝕表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of pressure on etching surface roughness

氧氣流速影響刻蝕腔內反應氣體的濃度，從而影響等離子體密度［3］。選擇不同的氧氣流速對P( MMA-GMA) 進行了刻蝕，天線射頻功率為300 W，偏置射頻功率為30 W，壓強為0.5 Pa。實驗結果表明:隨著氧氣流速的增加，凹槽底面粗糙度先增大后減小。這是因為隨著氧氣流速的增加，等離子體密度變大，離子撞擊聚合物的幾率增大，所以刻蝕表面粗糙度變大; 然而，當等離子體密度繼續增大時，氣體平均自由程大大減小，致使離子轟擊作用減弱，所以隨著氧氣流速的進一步增大，凹槽底面粗糙度降低。同時，與增加天線射頻功率和減小偏置射頻功率的情況相似，氧氣流速過大也會引起各向同性，所以氧氣流速也不宜選擇過大。

在考慮凹槽側壁垂直度的基礎上，依據上述各參數的討論結果，將ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳參數取為:天線射頻功率300 W，偏置射頻功率30 W，氣體壓強0.5 Pa，氧氣流速50 cm3/min。圖8 為掃描電鏡下觀察到的刻蝕凹槽形貌，圖8( a) 為優化工藝參數前凹槽的形貌( 天線射頻功率為200 W，偏置射頻功率為30 W，氣體壓強為1 Pa，氧氣流速為40 cm3/min) ，圖8( c) 為優化工藝參數后凹槽的形貌( 最佳參數) ，圖8( b) 和( d)分別是( a) 和( c) 底面的局部放大圖像。從圖中可以看出，優化工藝參數可以有效改善凹槽的形貌，大大降低了凹槽底面的粗糙度。如圖8( c) 所示，用ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳參數，可以得到垂直度較高、粗糙度較小的P( MMA-GMA)凹槽結構。

圖8 優化參數前后凹槽的SEM 圖像Fig.8 SEM images of groove before and after optimizations

圖9 薄膜厚度和凹槽深度與刻蝕時間的變化關系Fig.9 Variation of film thickness and groove depth with etch time

由于刻蝕深度需要嚴格遵照設計的波導尺寸，因此必須明確刻蝕速率，才能通過控制刻蝕時間來實現刻蝕深度的控制。在不同的時間參數下對P( MMA-GMA) 凹槽和平板結構進行刻蝕，刻蝕結束后在光學顯微鏡下讀取不同時間參數對應的凹槽刻蝕深度和平板剩余薄膜厚度，在Origin 軟件中輸入各點坐標自動擬合直線，直線的斜率就是相應刻蝕速率。如圖9 所示，圖中虛直線為凹槽刻蝕深度隨刻蝕時間的變化曲線，實直線為平板剩余薄膜厚度隨刻蝕時間的變化曲線，兩條直線的斜率分別為0.79 和-0.74，即凹槽刻蝕速率為0.79 μm/min，平板刻蝕速度為0.74 μm/min。

5 結 論

本文介紹了以P( MMA-GMA) 作為下包層的倒脊形光波導器件的制作過程，并結合倒脊形光波導器件的結構特點，通過大量實驗研究了刻蝕時間、天線射頻功率、偏置射頻功率、氣體壓強、氣體流速等參數對凹槽形貌的影響，確定ICP 刻蝕P( MMA-GMA) 的最佳工藝參數為:天線射頻功率300 W，偏置射頻功率30 W，氣體壓強0.5 Pa，氧氣流速50 cm3/min，并利用最佳參數刻蝕得到了側壁陡直、底面平整的P( MMA-GMA) 凹槽結構。在不同的時間參數下，對P( MMA-GMA) 凹槽和平板結構進行刻蝕，計算出ICP 刻蝕P( MMAGMA) 凹槽和平板的速率分別為0.79 和0.74 μm/min。ICP 工藝參數的優化有效改善了刻蝕表面的形貌，有利于減小波導的傳輸損耗、提高波導器件的性能。

［1］ 樊中朝，余金中，陳少武.ICP 刻蝕技術及其在光電子器件制作中的應用［J］.微細加工技術，2003，6(2) :21-27.FAN ZH CH，YU J ZH，CHEN SH W. Inductively coupled plasma etching technology and its application in optoelectronic devices fabrication［J］.Microfabrication Technology，2003，6(2) :21-27.( in Chinese)

［2］ 李偉東，張建輝，吳學忠，等.ICP 刻蝕技術在MEMS 器件制作中的應用［J］.微納電子技術，2005，10(1) :473-476.LI W D，ZHANG J H，WU X ZH，et al.. Application of ICP etching technology in MEMS field［J］.Micronanoelectronic Technology，2005，10(1) :473-476.( in Chinese)

［3］ 鄭志霞，馮勇建，張春權.ICP 刻蝕技術研究［J］.廈門大學學報( 自然科學版) ，2004，43(8) :365-368.ZHENG ZH X，FENG Y J，ZHANG CH Q. Etching technique of inductive couple plasmas［J］.J． Xiamen University( Natural Science) ，2004，43(8) :365-368.( in Chinese)

［4］ FU L，MIAO J M，LI X X. Study of deep silicon etching for micro-gyroscope fabrication［J］.Appl． Surface Sci．，2001，177(1-2) :78-84.

［5］ ILIESCU C，MIAO J. One-mask process for silicon accelerometers on pyrex glass utilising notching effect in inductively coupled plasma DRIE［J］.Electron． Lett．，2003，39(8) :658-659.

［6］ 陳長鳴.硅基聚合物平面光波導器件的基礎研究［D］.長春:吉林大學，2010:57-58.CHEN CH M. The basic research on polymer/Si planar optical waveguide devices［D］. Changchun:Jilin University，2010:57-58.( in Chinese)

［7］ 姚剛，石文蘭.ICP 技術在化合物半導體器件制備中的應用［J］.半導體技術，2007，32(6) :474-477.YAO G，SHI W L. Application of ICP etching in the fabrication of compound semiconductor device［J］.Semiconductor Technology，2007，32(6) :474-477.( in Chinese)

［8］ 張鑒，黃慶安.ICP 刻蝕技術與模型［J］.微納電子技術，2005(6) :288-296.ZHANG J，HUANG Q A. Technology and models of ICP etching［J］.Micronanoelectronic Technology，2005(6) :288-296.( in Chinese)

［9］ 劉洪興，張巍，鞏巖.光柵參數測量技術研究進展［J］.中國光學，2011，4(2) :103-110.LIU H X，ZHANG W，GONG Y. Progress in grating parameter measurement technology［J］.Chinese Optics，2011，4(2) :103-110.( in Chinese)

［10］ KIM B，LEE B T，HAN J G. Surface roughness of silicon oxynitride etching in C2F6inductively coupled plasma［J］.Solid-State Electronics，2007，51(3) :366-370.

［11］ 呂垚，李寶霞，萬里兮.硅深槽ICP 刻蝕中刻蝕條件對形貌的影響［J］.微電子學，2009，39(5) :729-732.Lü Y，LI B X，WAN L X. Effects of technical parameters on etching rate and selectivity of Si deep trench using ICP etching［J］.Microelectronics，2009，39(5) :729-732.( in Chinese)

［12］ 樊中朝，余金中，陳少武，等. ICP 刻蝕參數對SOI 脊形波導側壁粗糙度的影響［J］. 半導體學報，2004，25( 11) :1500-1504.FAN ZH CH，YU J ZH，CHEN SH W，et al. Influence of etching parameters on sidewall roughness of silicon based waveguide etched by inductively coupled plasma［J］.Chinese J． Semiconductors，2004，25( 11) : 1500-1504. ( in Chinese)

［13］ HAN K，KIM J，JANG W H. Evaluation of halogenated polyimide etching for optical waveguide fabrication by using inductively coupled plasma［J］.J． Appl． Polymer Sci．，2001，79(1) :176-182.