实验首先通过刻蚀脊形来确定刻蚀参数,确认刻蚀参数后再进行光栅刻蚀。丙酮／ 乙醇超声清洗样品表面后,采用电感耦合等离子体化学气相沉积（Inductively coupled plasma chemical vapordeposition,ICPCVD） 方法沉积100 nm 厚的SiO2作为硬掩膜,如图2（a）所示;样品表面旋涂一层AZ5214 光刻胶,MA6 紫外接触式光刻机曝光出脊形图形,如图2（b）所示;然后使用RIE 刻蚀将光刻胶图形转移到SiO2 上,如图2（c）所示;最后采用牛津仪器ICP-180 刻蚀机在不同压强和不同气体比例条件下刻蚀GaN,如图2（d）所示。刻蚀完成后,氢氟酸去除硬掩膜SiO2,扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM）Quanta 400FEG 观察脊形（或光栅）侧壁粗糙度以及倾角,台阶仪Dektak150 测量刻蚀深度。
3 结果与讨论
通过两组实验分别研究了不同刻蚀气体BCl3 ／ Cl2 比例和压强对刻蚀速率、刻蚀的各向异性以及侧壁粗糙度的影响。实验的ICP 功率不超过500 W,压强不低于0. 798 Pa（6 mTorr）,以防刻蚀过程中设备间接性中断,使实验参数偏差过大。
3. 1 BCl3 占比对刻蚀的影响
BCl3 ／ Cl2 基ICP 刻蚀GaN 过程中,Cl2 通过化学反应起到刻蚀效果,Cl2 的占比决定刻蚀速率的快慢,BCl3 通过调节活性氯浓度,可有效调节刻蚀速率。BCl3 电离后形成BCl+2 和BCl3+ 重离子,该离子不与GaN 发生化学反应,通过物理溅射降低刻蚀表面粗糙度,且重离子可有效地去除残留物的附着,并提高刻蚀的各向异性［13,18］ 。通过实验得到最佳的BCl3 ／ Cl2 气体比例,有利于得到陡直且光滑的台面侧壁以及可控的刻蚀速率。
GaN 刻蚀速率以及直流偏压与BCl3 在混合气体中占比的关系如图3 所示（ICP 功率300 W,RF 功率100 W,压强1. 33 Pa（10 mTorr）,BCl3 ／Cl2 总流量为35 mL／ min）。BCl3 占比为0% 时,刻蚀速率最快,而当BCl3 占比为100% （Cl2 为0%） 时,刻蚀速率从245. 6 nm／ min 降到74. 2nm／ min。随着混合气体BCl3 占比的增加,电离出的Cl 离子浓度降低,刻蚀速率逐渐下降。直流偏压是等离子体和样品产生的电势差,它为反应离子提供加速能量［22］ ,先随BCl3 占比增加而略微上升,当占比为50%时,直流偏压达到最大值, 然后随着BCl3 占比继续增加而略微下降。当BCl3 占比小于50%时,Cl2 作为主要刻蚀气体,化学刻蚀占主导地位,且直流偏压略微上升,所以刻蚀速率随着BCl3 占比增加而缓慢下降;而当BCl3占比高于50%后,导致物理刻蚀逐渐占据主导地位,且直流偏压略微下降,所以刻蚀速率随着BCl3 占比增加而迅速下降。
不同BCl3 ／ Cl2 混合气体占比对GaN 的刻蚀结果如表1 所示,SEM 测试结果如图4 所示。当BCl3 占比小于50%时,可以看到边缘和侧壁损伤严重,而且侵蚀明显,较为粗糙。如图4（a）、（b）所示,说明Cl2 组分通过化学反应控制了刻蚀过程,且Cl 离子散射能量较大,导致边缘及侧壁损伤严重。当完全没有BCl3 的物理刻蚀时,清除刻蚀残留物较为困难,使得刻蚀残留物附着在侧壁底端,如图4（a）所示。随着BCl3 占比逐渐增加,边缘和侧壁损伤明显减小,表面较为光滑,如图4（c）、（d）、（e）所示,说明边缘和侧壁Cl 离子散射变小。当BCl3 占比大于50% 时,BCl3 成为主导刻蚀气体,物理刻蚀增强,使台面侧壁变得粗糙,但粗糙程度小于Cl2 作为主导刻蚀气体的情况。当BCl3 占比为50%时,边缘和侧壁的损伤最小,表面最光滑。
另外,我们采用侧壁倾角来表示ICP 刻蚀GaN 的各向异性特性。由图4（f） ~ （j） 可以看出,当BCl3 占比小于50%时,随着BCl3 占比的增加,侧壁角度也随之增加;BCl3 占比为50% 时,侧壁角度达到最大85. 3°;BCl3 占比大于50%时,侧壁角度随之降低,具体表现如表1 所示。在纯Cl2 的条件下,刻蚀速率较快,但由于纯Cl2条件下的物理作用很小,因此台面刻蚀的各向异性较差。当刻蚀气体为纯BCl3 时,化学刻蚀作用较小,刻蚀速率很慢,台面倾斜的侧壁无法得到有效的刻蚀,刻蚀的各向异性比纯Cl2 条件下的更差。因此,合适的BCl3 ／ Cl2 混合气体比例才能使物理刻蚀和化学刻蚀达到一种平衡,刻蚀结果有更好的各向异性,使得台面侧壁更加陡直且光滑。
3. 2 压强对刻蚀的影响
在ICP 刻蚀GaN 过程中,压强对于刻蚀速率、各向异性和侧壁粗糙度也起到关键性作用。压强越大,自由基Cl 离子的平均自由程越小,离子碰撞频率增加,离子散射加剧,不利于刻蚀［12,15］ 。
GaN 的刻蚀速率以及直流偏压与压强的关系如图5 所示（ICP 功率300 W,RF 功率100 W,BCl3 占比50%,BCl3 ／ Cl2 总流量为35 mL／ min）,压强从0. 798 Pa（6 mTorr）到2. 66 Pa（20 mTorr）变化。当压强为0. 798 Pa（6 mTorr）时,刻蚀速率为280. 1 nm／ min,随着压强不断增大,刻蚀速率逐渐下降;当压强为2. 66 Pa（20 mTorr）时,刻蚀速率降到85. 2 nm／ min。刻蚀速率降低主要是因为离子碰撞频率增加,离子散射加剧,导致等离子体无法有效刻蚀GaN。同时,压强升高不利于反应产物挥发,刻蚀速率下降。
不同压强条件对GaN 的刻蚀结果如表2 所示,SEM 测试结果如图6 所示。在压强为0. 798Pa（6 mTorr）时,刻蚀速率较快,但侧壁损伤严重,且比较粗糙,如图6（a）所示。主要是因为压强低,粒子平均自由程长,离子能量较高,物理和化学刻蚀效果都比较明显,从而导致图形边缘的掩膜损伤严重,导致边缘处刻蚀不均匀。且离子散射能量较大,侵蚀侧壁,导致台面侧壁粗糙。随着压强升高,离子能量降低,物理和化学刻蚀达到一种平衡,台面侧壁以及掩膜边缘变得光滑平整,如图6（b） 所示。但当压强继续增大到1. 995 ~2. 66 Pa（15 ~ 20 mTorr） 时,侧壁粗糙度明显增加,可能是因为在较高压强条件下,离子碰撞加剧,散射到台面侧壁。
从图6（e） ~ （h）可以看出,随着压强增大,侧壁倾角从73. 4°增加到89. 8°,说明随着压强增大,粒子密度增加,离子碰撞加剧,离子散射较强,且尾气无法及时抽出腔室,导致各向同性刻蚀增强,选择比提高,使侧壁陡直度增加且变得粗糙。但压强大于1. 995 Pa（15 mTorr）时,刻蚀表面变得粗糙,可能是压强较高条件下,离子碰撞剧烈,刻蚀均匀性变差,GaN 不能得到均匀的刻蚀,使得样品表面形貌变差,如图7 所示。高压强条件下,虽然陡直度高,但侧壁粗糙度大且表面形貌差。
3. 3 优化刻蚀条件后刻蚀光栅
保持ICP 功率和RF 功率分别为300 W 和100 W 不变,刻蚀气体BCl3 占比为50% （BCl3 ／ Cl2总流量为35 mL／ min） 以及压强为1. 33 Pa（10mTorr）条件下,能有效提高刻蚀的各向异性,确保光栅的陡直度,降低侧壁粗糙度,保证图形边缘光滑平整。将优化后的ICP 刻蚀参数用于GaN 基
DFB 激光器的制作中,光栅采用Raith （ eLINEPlus）电子束光刻机转移图形,光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate,PMMA）,采用SiO2 硬掩膜,得到了一个平整、光滑且陡直的光栅,光栅周期1. 4 μm,占空比72%,侧壁倾角为85. 3°,刻蚀深度为400 nm。该工艺应用于GaN基DFB 激光器中光栅的刻蚀,如图8 所示。
4 结 论
本文研究了ICP 刻蚀工艺参数,包括ICP 功率、RF 功率、刻蚀气体比例以及压强对刻蚀GaN的影响。主要研究了刻蚀气体比例和压强对刻蚀的各向异性、台面侧壁粗糙度以及刻蚀速率的影响。最后,保持ICP 功率和RF 功率分别为300 W和100 W 不变,在BCl3 ／ Cl2 流量比为1 和1. 33Pa（10 mTorr）的压强条件下,化学刻蚀和物理刻蚀可以达到一种平衡,得到较好的各向异性且侧壁光滑的刻蚀台面。在该参数条件下,刻蚀速率为200. 6 nm／ min,侧壁倾角为85. 3°,得到了相对陡直、光滑且深度可控的刻蚀台面。该优化工艺对于氮化镓基分布式反馈激光器中光栅的刻蚀具有重要意义,刻蚀深度可控、陡直且光滑的光栅对于提升氮化镓基分布式反馈激光器的器件性能及其稳定性非常重要。
郭孝浩1,2, 胡 磊2, 任霄钰2, 吴 思2, 张立群2, 张志军1, 杨 辉2, 刘建平2∗
（1. 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444;
2. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室, 江苏苏州 215123）
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