InP 中对准 V 型槽的湿法化学蚀刻

引言

ⅲ-ⅴ族半导体技术使用台面结构对激光器和波导等器件进行光学和/或电学隔离。在更复杂的光电电路中，需要高精度的单片集成或混合组装表面结构，如V形槽。例如，V形槽被用作玻璃纤维到波导连接或有效芯片到芯片安装(倒装芯片技术)的对准辅助。通常情况下，这些V形槽是在廉价的硅衬底上制造的，具有高导热性和机械强度。然而，对于基于磷化铟的光电器件的单片对准，建议在磷化铟衬底上使用V形槽。湿法化学刻蚀由于其低成本和各向异性的特性，在制作V型槽方面很有前景。在这种情况下，蚀刻技术最重要的方面是所得的壁轮廓，即显影刻面的斜率和掩模边缘的底切，其用于定义必要的表面拓扑。

实验

具有(100)取向和镜面抛光光洁度的铁掺杂InP衬底被用于蚀刻实验。在丙酮和沸腾的甲醇中脱脂(各5分钟)后，将水在氢氟酸(5%)中浸泡(20秒)，在氢气、氧气(5%)中处理5分钟，然后进行第二次20秒氢氟酸(5%)浸泡。在18 Mn去离子水中最后冲洗后，将衬底在120℃下干燥30分钟，随后安装到涡轮泵真空室内。使用电子枪蒸发在水的正面和背面沉积钛层(40纳米)。蒸发过程中的背景压力保持在2×10×6毫巴以下。钛层是光刻图案化使用希普利S 1400-31正性光致抗蚀剂，以形成用于V型槽蚀刻的掩模。通过在HF(40%):HNO(65%):H，O 5:24:64)溶液中连续移动除去钛，打开平行于[01l]和[011]方向的宽度为178至206 pm的条纹。在去离子水中清洗几次后，样品垂直于条纹切成2×6毫米的碎片。在60毫升盐酸(37 %):氢、磷酸(85%)(5:1)溶液中蚀刻之前，先在浓缩HNO溶液中浸泡1分钟，以获得更好的均匀性和可重复性。1至20分钟后，通过彻底的去离子水冲洗停止该过程。选择10、20和40℃的温度进行蚀刻，蚀刻在没有搅拌的情况下进行。通过扫描电子显微镜和光学显微镜检查蚀刻的轮廓。从蚀刻八次后获得的蚀刻凹槽的横截面提取蚀刻速率。

结果和讨论

在图2中显示了(100) InP的最小允许蚀刻速率的值，该值是针对7′= 10，20和40℃确定的，并使用上述图形程序在八次蚀刻时间内取平均值。

图2 在三种不同的温度下，用Ti掩模测定了HCI：h3po4（5：1）中InP的蚀刻速率的角度依赖性。并给出了不同的晶体学平面

阴影区域表示与符号代表的平均值的标准偏差。虚线给出了由公式计算的最小蚀刻速率。蚀刻剖面无法直接观察到的1个方向。在上横坐标上，角度“0”定义为从[100]方向绕[011](或等效的[011])轴顺时针旋转。图2，定义为从[100]绕[011](或[011])轴顺时针旋转。0° = 54.7°、90°和144.7°时的局部最小值决定了蚀刻过程中刻面的斜率或米勒指数。这些角度对应于[011]方向上取向的掩模条纹的(111)和(011)平面，以及[011]方向上取向的掩模条纹的(2 11)平面。

图5中给出的蚀刻速率基于从每个条纹取向的300多个横截面提取的大量经验数据集。这使我们能够利用r的依赖性来预测设计为玻璃纤维对准辅助的V形槽的轮廓。在图6中给出了图形构造过程的准确性以及蚀刻过程的再现性的证明，其中测量和计算了V形槽的深度。

为了进一步研究掩模的影响，我们用铟镓砷外延层代替钛。在这种情况下，无论条纹图案的方向如何，在温度= 20℃时都没有观察到掩模的底切。在图8中，对两种掩模材料绘制了蚀刻速率(定义如图2所示)。钛的结果是根据从图2获得的活化能计算的。从这个意义上说，它们是图2测量的概括。标准偏差(对于铟镓砷掩模)标记为阴影区域。对于(111)和(011)平面的蚀刻速率，观察到曲线之间最显著的差异。即使使用铟镓砷掩模，在[011]方向上的蚀刻速率也不精确。但是由于没有底切或掩模底切，当氧进一步增加超过90°时，蚀刻速率降低，因此负倾斜刻面如图9所示。定向在中的凹槽轮廓[011]方向，并通过三元掩模在20℃下形成。蚀刻深度为157 pm，条纹宽度为20 tim，对应于几乎8的纵横比。如果需要明确的芯片外部尺寸，这种凹槽是极好的切割辅助工具。

图9 使用Ind stGo#、tAs蚀刻掩模制造的[011]取向凹槽的横截面轮廓。蚀刻掩模的底切被完全抑制

根据本文的结果，作为一种有效的设计辅助手段，我们现在可以通过图形构造程序准确预测蚀刻凹槽的深度和形状。图10显示了[011]和[011]方向的结果。如钛(ct)的情况。一旦快速蚀刻(100)平面完成，观察到[011]向条纹的蚀刻速度急剧降低。由于较高的蚀刻速率比rum /因此，对于[011]取向的条纹，没有观察到蚀刻速率的饱和效应。

图10 使用蚀刻凹槽的测量和计算深度的比较

总结

使用氯化氢∶磷酸氢盐(5∶1)溶液，通过钛和铟掩模，在(100) InP中进行了选择性区域蚀刻。凹槽的横截面轮廓采用图形构造程序进行模拟。在晶体方向上，制作了与晶体面对应的单斜壁面。在T=20℃处，Ti蚀刻掩模的下切割率最低，速率为0.3μm/min。在垂直于晶圆表面的方向上，蚀刻速率为6.9μm/min，这意味着在11min内制作了深度为72±1μm的纤维对准槽。面向[011]和[011]方向的条纹的蚀刻掩模下切被完全抑制。当条纹在[011]方向对齐时，获得了适合精确定义外芯片尺寸的负斜率面组成的高高宽比凹槽。