Optymalizacja procesu reaktywnego trawienia jonowego
Transkrypt
Optymalizacja procesu reaktywnego trawienia jonowego
Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Autoreferat rozprawy doktorskiej Optymalizacja procesu reaktywnego trawienia jonowego heterostruktur AlGaN/GaN do zastosowań w przyrządach elektronicznych Autor: Jacek Gryglewicz Promotor: Prof. dr hab. inż. Regina Paszkiewicz Wrocław, 2014 Spis treści Wstęp .......................................................................................................................................... 3 Motywacja i cel pracy ................................................................................................................ 5 Wyniki badań i dyskusja ............................................................................................................ 9 Wnioski końcowe i podsumowanie.......................................................................................... 17 Literatura .................................................................................................................................. 19 Wstęp Od kilkudziesięciu lat prowadzone są intensywne badania nad zastosowaniem heterostruktur półprzewodnikowych do wytwarzania elementów elektronicznych i optoelektronicznych. Rozwój tych badań był zależny od postępów w technikach epitaksjalnych, stosowanych do ich osadzania. Dzięki opracowaniu i rozwojowi metod wytwarzania cienkich warstw półprzewodników technikami epitaksji z fazy ciekłej LPE (ang. Liquid Phase Epitaxy), epitaksji z fazy gazowej VPE (ang. Vapor Phase Epitaxy), epitaksji z wiązek molekularnych MBE (ang. Molecular Beam Epitaxy), epitaksji warstw atomowych ALE (ang. Atomic Layer Epitaxy) oraz epitaksji z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych MOVPE (ang. Metalorganic Vapor Phase Epitaxy), możliwe stało się kontrolowanie składu i grubości warstw w wytwarzanych strukturach z atomową rozdzielczością. Dzięki powstałym technikom, rozpoczęto opracowywanie nowych, zaawansowanych struktur przyrządowych: tranzystorów, laserów i fotodetektorów, co sprzyjało rozwojowi elektroniki półprzewodnikowej. Specyficznym materiałem są struktury przyrządowe oparte na azotku galu. Warstwy GaN znalazły zastosowanie w elektronice wysokich mocy i dużych częstotliwości, stopniowo zastępując technologię krzemową. Właściwości azotku galu takie, jak szeroka przerwa wzbroniona, wysokie napięcie przebicia, większe krytyczne natężenie pola elektrycznego, wyższa przewodność cieplna pozwoliły na skonstruowanie przyrządów działających przy wyższym napięciu, dużej częstotliwości przełączania, pracujących przy dużej mocy sygnału. Unikalne właściwości warstw GaN pozwoliły na wytworzenie diod Schottky`ego, tranzystorów polowych FET (ang. Field Effect Transistor), tranzystorów z wysoką ruchliwością nośników HEMT (ang. High Electron Mobility Transistor) i innych zaawansowanych elementów elektronicznych, których parametry okazały się lepsze od parametrów elementów wytwarzanych w technologii krzemowej. Zalety technologiczne tranzystorów HEMT wynikają z dużej przerwy energetycznej GaN i obecności dwuwymiarowego gazu elektronowego tworzącego się w pobliżu międzypowierzchni AlGaN/GaN. Dodatkowo tranzystory HEMT mogą pracować w niekorzystnych warunkach środowiskowych, w wysokich temperaturach. Wytwarzanie heterostruktur wymaga stosowania heteroepitaksjalnych podłoży, wykonanych z szafiru (Al2O3), węglika krzemu (SiC), AlN, Si lub podłoży tlenkowych, np. LiGaO2, ZnO. W standardowych heterostrukturach AlGaN/GaN/podłoże możliwe jest modyfikowanie składu i sekwencji warstw oraz zawartości glinu w warstwach Al xGa1-xN w zakresie od 0% do 40% lub zmiana składu dokonywana w sposób ciągły (tzw. warstwy gradientowe). Zmiany wprowadzane w typowych heterostrukturach polegają również na wprowadzaniu dodatkowych warstw przejściowych (AlN lub/i GaN) lub warstw przykrywkowych (AlN lub/i GaN). Cechą charakterystyczną wszystkich heterostruktur AlGaN/GaN typu HEMT są grubości warstw AlGaN, GaN, warstw przejściowych i przykrywkowych. Wynoszą one odpowiednio od 5 nm do 30 nm (AlGaN), od 1,5 μm do 2,5 μm (warstwy buforowe GaN), od 0 nm do 5 nm (przejściowe i przykrywkowe warstwy AlN/GaN). Wytwarzanie elementów elektronicznych w heterostrukturach AlGaN/GaN typu HEMT zawsze rozpoczyna się od zdefiniowania obszaru aktywnego urządzenia. Realizuje się to przy pomocy procesu suchego trawienia, np. procesu reaktywnego trawienia jonowego. Wytwarzanie struktur mesa wymaga uzyskania dużych szybkości trawienia, przy zapewnieniu zadanych profili trawienia. Zdefiniowanie obszaru aktywnego przyrządu wymaga przetrawienia warstwy AlGaN, wszystkich warstw przejściowych/przykrywkowych oraz przetrawienia wysoko-rezystywnej warstwy buforowej GaN na głębokość od 40 nm do 100 nm tak, aby w kolejnym procesie fotolitografii możliwe było poprawne zgranie struktur metalizacji omowej. Wytworzenie tranzystorów AlGaN/GaN typu HEMT wymaga przeprowadzenia ponad pięćdziesięciu operacji, a trawienie wysp jest jednym z etapów początkowych i od tego kroku w znacznej mierze zależy poprawne działanie wytwarzanych przyrządów. Głębokość trawienia, kąty nachylenia ścian bocznych wysp i morfologia trawionej powierzchni musi być dostosowana do konkretnej aplikacji. W kolejnych etapach technologicznych proces suchego trawienia wykorzystywany jest także do pocieniania grubości warstwy AlGaN, które ma na celu poprawę właściwości kontaktów omowych lub Schottky`ego. Poprawne działanie przyrządów i poprawa ich właściwości zależą od właściwego doboru warunków procesu trawienia/podtrawiania warstw wchodzących w skład heterostruktur (Al,Ga)N. Dedykowane procesy powinny mieć dużą powtarzalność i być dobrze zdefiniowane. W tym celu należało zbadać wpływ parametrów procesu trawienia na szybkość trawienia, zmiany morfologii powierzchni, kąty nachylenia ścian bocznych wysp. Procesy z założenia nie mogły być ustandaryzowane, ponieważ nie ma do chwili obecnej komercyjnie dostępnych, jednolitych heterostruktur AlGaN/GaN. Ponadto poprawa właściwości elektrycznych typowych heterostruktur wymaga nieustannych modyfikacji sekwencji warstw struktury, zmiany ich składu, wprowadzania dodatkowych warstw przejściowych i przykrywkowych. Motywacja i cel pracy Azotek galu oraz heterostruktury AlGaN/GaN typu HEMT (High Electron Mobility Transistors) stanowią podstawę konstrukcji szeregu zaawansowanych przyrządów elektronicznych takich, jak tranzystory mikrofalowe, w tym na zakres THz, czujniki gazów i przetworniki czujników biologicznych i chemicznych. Jest to związane z unikalnymi właściwościami tych materiałów oraz ich dużą odpornością na działanie czynników chemicznych i wysokiej temperatury. Niezależnie od ogromnego postępu, który dokonał się w okresie ostatnich paru lat, szereg istotnych problemów technologicznych musi zostać rozwiązanych, aby w pełni wykorzystać potencjalne możliwości tych materiałów do konstrukcji przyrządów elektronicznych. Jednym z takich problemów jest opanowanie procesu selektywnego trawienia warstw i heterostruktur na bazie azotków. Duża odporność azotków AIIIN na czynniki chemiczne powoduje uzyskiwanie bardzo małej szybkości trawienia (~ 5Å/min) przy mokrym trawieniu, np. w wodnych roztworach KOH. Trawienie suche, w tym reaktywne trawienie jonowe, jest obecnie jedynym sposobem strukturyzacji tych materiałów. Duży problem stanowi niewystarczająca ilość informacji dotyczących problematyki trawienia warstw trójskładnikowych AlGaN, w szczególności z gradientową zmianą koncentracji glinu. Analiza danych literaturowych dotyczących trawienia plazmowego azotków nie dostarczyła dostatecznej ilości jednoznacznych informacji na temat strukturyzacji wielowarstw stosowanych do wytwarzania przyrządów elektronicznych. W Wydziałowym Zakładzie Mikroelektroniki i Nanotechnologii, WEMIF PWr, ze środków projektów badawczych, zakupione zostało dedykowane stanowisko do prowadzenia procesów reaktywnego trawienia jonowego (RIE) warstw azotkowych firmy Oxford Instruments. Firma dostarczająca stanowisko, nie dysponowała procedurami trawienia heterostruktur (Al,Ga)N. Również dostępne dane literaturowe okazały się niepełne i niespójne. Dlatego konieczne okazało się opracowanie procesu technologicznego trawienia heterostruktur AlGaN/GaN, o konstrukcji i składzie, wynikającej ze specyfiki prac badawczych prowadzonych w WEMIF PWr, WZMIN, które były ukierunkowane na opracowanie technologii i konstrukcji elementów takich, jak przetworniki czujników biochemicznych i tranzystory polowe. Głównym celem zrealizowanej pracy doktorskiej było opracowanie powtarzalnej technologii reaktywnego trawienia jonowego wielowarstw AlGaN/AlN/GaN/podłoże przeznaczonych do wytwarzania przyrządów elektronicznych na bazie struktur typu HEMT. Do zadań szczegółowych należało: - zbadanie fizyko-chemicznych mechanizmów procesu trawienia RIE wielowarstw AlGaN/AlN/GaN/podłoże, - zdefiniowanie zestawu parametrów plazmy i parametrów procesu trawienia oraz uwzględnienie ich wpływu na przebieg procesu trawienia, - opracowanie masek dedykowanych do procesu trawienia RIE azotków w plamie - chlorowej, zbadanie procesu trawienia heterostruktur AlGaN o zawartości glinu od 0% do 45%, opracowanie procedur technologicznych przygotowania powierzchni heterostruktur do procesu RIE, opracowanie procedur technologicznych trawienia wysokorezystywnych warstw buforowych GaN oraz procedur „post-processingu” powierzchni GaN, zdefiniowanie zestawu metod charakteryzacji trawionych struktur testowych i struktur przyrządowych. Zagadnienia teoretyczne stanowiące wstęp do części eksperymentalnej, ważne z punktu widzenia praktycznego wykorzystania procesu suchego trawienia RIE do strukturyzacji przyrządów, zostały przedstawione w rozdziale drugim i trzecim. Zasadniczą część rozprawy stanowią wyniki badań eksperymentalnych związanych z trawieniem heterostruktur AlGaN/GaN typu HEMT. W przyrządach elektronicznych na bazie heterostruktur typu AlGaN/GaN HEMT proces suchego trawienia wykorzystywany jest do wytwarzania struktur typu „mesa” w celu zdefiniowania obszaru aktywnego przyrządu oraz do pocieniania obszaru, pod bramką tranzystora (ang. gate recess). Stawia to przed procesami, często odmienne wymagania. W procesie wytwarzania struktury typu „mesa” szybkość trawienia powinna być stosunkowo duża, aby odpowiednia głębokość trawienia mesy jednoznacznie definiowała obszar przyrządu. Profil struktury mesa nie może być silnie anizotropowy, ponieważ w późniejszym etapie wytwarzania kontaktów metalicznych metalizacja przechodzi po zboczu wytworzonej mesy. Ponadto chropowatość zbocza będzie miała wpływ na zrywanie ścieżek metalizacji. W procesie „pocieniania” grubości warstw AlGaN szybkość trawienia powinna być jak najmniejsza, a równomierność procesu trawienia jak największa. Stan trawionej powierzchni można kontrolować wprowadzając tzw. „post-processing” polegający na dodatkowym trawieniu „suchym” lub „mokrym”. Istotnym wymaganiem było zapewnienie powtarzalności, dużej dokładności oraz równomierności procesu trawienia heterostruktur składających się z warstw o nanometrowych grubościach, z różną zawartością glinu, ilością domieszki. Morfologia powierzchni heterostruktur (Al,Ga)N zależy od przebiegu procesu ich wytwarzania. Stan powierzchni wpływa na występowanie niepożądanych efektów trawienia takich, jak mikro-maskowanie, lokalne podtrawianie, opóźnianie początku procesu, itp. Procesy RIE muszą charakteryzować się dużą powtarzalnością, bez względu na początkowy stan powierzchni heterostruktury. Rodzaj i typ maski stosowanej do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N ma wpływ na występowanie efektu podtrawiania, na granicy maskowanego obszaru, oraz na nachylenie powierzchni bocznych mesy. Eliminacja niepożądanych efektów występujących w procesie trawienia i kontrola procesu jest możliwa, jeśli prawidłowo dobierze się obszar zmian parametrów procesu RIE. Dobór odpowiedniego zestawu metod charakteryzacji trawionych heterostruktur (Al,Ga)N, opartych w szczególności o mikroskopię sił atomowych oraz elektronową mikroskopię skaningową pozwala na szybką ewaluację rezultatów trawienia. Daje to możliwość oceny stanu powierzchni, w wyniku oddziaływania jonów, z trawionym materiałem. Pozwala również na określenie podstawowych parametrów procesu takich, jak: szybkość trawienia, kąt profilu mesy w heterostrukturze oraz zmiany morfologii powierzchni w procesie trawienia. W celu wytworzenia przyrządów mikro- i nano-elektronicznych, o zadanych parametrach użytkowych, konieczne było wytworzenie dedykowanych heterostruktur o skomplikowanym układzie warstw, a następnie takie dobranie zestawu parametrów procesu RIE oraz zdefiniowanie obszaru ich zmienności, aby proces trawienia dla różnych heterostruktur AlGaN/GaN typu HEMT mógł zachodzić w sposób w pełni kontrolowany i powtarzalny. Pierwszym zadaniem był dobór odpowiedniego typu masek dedykowanych do procesu reaktywnego trawienia jonowego heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie chlorowej. W rozprawie analizę właściwości masek oraz zbadanie możliwości ich praktycznego zastosowania przeprowadzono przy użyciu foto-czułych masek polimerowych oraz masek dielektrycznych. Kolejnym zadaniem było zdefiniowanie parametrów plazmy oraz wskazanie zestawu parametrów procesu trawienia, które mogą mieć istotny wpływ na przebieg procesu oraz rezultaty trawienia. W tym celu posłużono się techniką optymalizacji procesu G. Taguchi`ego wykorzystującą macierze ortogonalne (L934). Technika ta pozwoliła na wskazanie parametrów procesu trawienia, które mają duży wpływ na szybkość trawienia, morfologię powierzchni, uzyskiwane nachylenie ścian mesy w heterostrukturach (Al,Ga)N. Uzyskane wyniki prac eksperymentalnych umożliwiły sformułowanie tezy rozprawy, że: możliwe jest zdefiniowanie obszaru parametrów procesu reaktywnego trawienia jonowego w plazmie chlorowej, przy użyciu, których heterostruktury AlGaN/GaN o różnym układzie warstw, można trawić z wymaganą, do zastosowań w przyrządach elektronicznych dokładnością. Rozprawa składa się z pięciu rozdziałów. W rozdziale pierwszym przedstawiono cel i motywację podjęcia badań nad reaktywnym trawieniem jonowym heterostruktur (Al,Ga)N do zastosowań w przyrządach elektronicznych. W rozdziale drugim przedstawiono problematykę trawienia heterostruktur (Al,Ga)N. Zwrócono w nim uwagę na różne techniki trawienia stosowane do strukturyzacji przyrządów oraz na skład mieszaniny gazowej, odpowiedniej do trawienia materiałów wchodzących w skład heterostruktur azotkowych. W trzecim rozdziale przedstawiono mechanizmy i odziaływania zachodzące podczas procesu reaktywnego trawienia jonowego. Przedstawiono w nim charakterystyczne parametry plazmy oraz parametry procesu RIE specyficzne, ze względu na układ systemu, stosowanego do prowadzenia procesów. Wyniki prac eksperymentalnych trawienia wysokorezystywnych warstw GaN i heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie Cl2:BCl3:Ar przedstawiono w rozdziale czwartym. Przedstawiono w nim problemy badawcze i stosowaną metodykę charakteryzacji trawionych warstw, a także opisano metodykę doboru odpowiedniego materiału maski do procesu trawienia RIE heterostruktur (Al,Ga)N. W rozdziale czwartym przedstawiono wpływ oddziaływania wielu parametrów procesu RIE na ewolucję morfologii wysokorezystywnych warstw GaN i warstw AlGaN o ilości glinu w zakresie od 0% do 40%. Określono także rolę parametrów procesu na szybkość trawienia warstw, co było istotne do uzyskania dużych szybkości trawienia w procesie trawienia struktur mesa, a także bardzo małych szybkości trawienia w procesie pocieniania kanału AlGaN w strukturach HEMT. Stosowanie mieszaniny Cl2:BCl3:Ar o różnym składzie pozwoliło na uzyskanie bardzo łagodnych kątów nachylenia (9º), a także uzyskanie anizotropowych profili trawienia (70º). W czwartym rozdziale przedstawiono także wpływ ułamka molowego warstwa AlGaN na szybkość trawienia, co pozwoliło cap/AlGaN/AlN/GaN/podłoże na o opracowanie różnym procesów składzie i trawienia ułożeniu. W wielowarstw podsumowaniu przedstawiono najważniejsze wyniki i wnioski wyciągnięte po trawieniu warstw wchodzących w skład heterostruktur azotkowych. Wyniki badań i dyskusja Materiał maski Proces RIE stanowi alternatywę dla procesów mokrego trawienia azotków, w którym osiągane szybkości trawienia są niewielkie (rzędu kilku Å/min). Szybkości trawienia w procesie RIE są znacznie większe, stąd wymagana jest dobra odporność stosowanego materiału maski, na warunki reaktywnego trawienia jonowego. W zależności od rodzaju stosowanej maski, zmianie ulega skład mieszaniny gazowej, podczas wyładowania jarzeniowego. Możliwa jest lokalna zmiana składu gazu w obrębie maskowanych heterostruktur (Al,Ga)N. Cząstki materiału maski trafiają do plazmy, skąd mogą dotrzeć ponownie na podłoże w drodze re-depozycji. W wyborze materiału maski kierowano się przede wszystkim jej odpornością na warunki trawienia heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie chlorowej (rys. 1) Rys. 1 Selektywność trawienia warstw Al0.2Ga0.8N, GaN, uid-GaN, względem fotorezystów [prace własne] Największą wartość selektywności, wśród przebadanych rezystów emulsyjnych, miał rezyst MaP-1275. Oznacza to, że cechuje go najwyższa odporność na warunki trawienia RIE w plazmie Cl2:BCl3:Ar, ale podczas badania odnotowano szereg problemów technologicznych (tab. 4.3.1.2), których eliminacja okazała się trudna lub praktycznie niemożliwa. Niezależnie od grubości warstwy rezystu występowało zgrubienie na granicy maski i heterostruktury (Al,Ga)N, powstające w procesie wirowania lub wygrzewania rezystu przed procesem trawienia. W wyniku występowania zgrubienia na granicy maski, istnieje prawdopodobieństwo gromadzenia ładunku na granicy obszaru maskowanego, czego efektem jest zmienia trajektorii jonów, które docierają do trawionego podłoża. Jest to prawdopodobnie przyczyną powstania efektu podtrawiania heterostruktur (Al,Ga)N wzdłuż granicy maski. Pojawiają się także artefakty na ścianie bocznej profilu objawiające się dużą chropowatością zbocza (ang. line / edge roughness effect). Artefakty te w niekontrolowany sposób zmieniają trajektorię jonów, powodując lokalne podtrawienia maski, co skutkuje powstawaniem nierównomiernych profili trawienia. Efekty odwzorowania masek z fotorezystów na powierzchni heterostruktur (Al,Ga)N, pokazano na obrazach SEM (rys. 2). Rys. 2 Efekt podtrawienia heterostruktury (Al,Ga)N na krawędzi maski przy stosowaniu rezystu Ma-P 1275 (a) oraz efekt występowania artefaktów na granicy maski emulsyjnej przy wykorzystaniu Ma-P 1210 (b) [prace własne] Stosowanie masek emulsyjnych, do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N, powodowało występowanie wielu niepożądanych efektów. Dlatego zbadano możliwość trawienia heterostruktur z wykorzystaniem alternatywnych masek wykonanych techniką wspomaganego plazmowo chemicznego osadzania z fazy gazowej (PECVD). Badano materiały SiO2 oraz Si3N4 w roli masek do trawienia heterostruktur azotkowych. Oba profile masek były łagodne, o porównywalnym kącie między zboczem, a powierzchnią heterostruktury. Nie zaobserwowano efektu zgrubienia maski na krawędzi, co powinno zapobiec gromadzeniu się ładunku na granicy maski, jak miało to miejsce w przypadku stosowania masek z fotorezystów. Z uzyskanych profili trawienia heterostruktur (Al,Ga)N (rys. 3) wynika, że efekt podtrawienia w głąb warstwy uid-GaN, wzdłuż krawędzi maski został wyeliminowany. Łagodny profil maski pozwolił na uzyskanie łagodnego profilu trawienia heterostruktury (Al,Ga)N. Rys. 3 Zdjęcie SEM profilu maski SiO2 (a) oraz profil trawienia heterostruktury Al0.2Ga0.8N/GaN wraz z obrazem AFM krawędzi mesy (b) (wstawka: obraz AFM krawędzi mesy) [prace własne] Selektywności trawienia azotku galu oraz azotku galowo-glinowego względem masek wykonanych techniką PECVD były znacznie większe, w porównaniu do masek z fotorezystów. Stosowanie maski SiO2 nie powodowało modyfikacji morfologii, w przeciwieństwie do masek z Si3N4, powierzchni heterostruktury Al0.2Ga0.8N/GaN. Maskę SiO2 (d = 300 nm) oraz maskę z fotorezystu ma-P 1210 (d = 1,25 μm) przebadano pod względem możliwości redepozycji materiału maski na powierzchnię. Mimo obecności tlenu i krzemu w pobliżu maski z SiO2, nie zaobserwowano efektu mikro-maskowania, jak miało to miejsce w wypadku stosowania maski polimerowej, gdzie stwierdzono obecność węgla w pobliżu maski. W związku z tym, w dalszej części badań, stosowano maski wykonane z warstwy SiO2 wytwarzanej techniką PECVD. Badanie procesu trawienia warstw GaN technika RIE Zdefiniowanie obszaru aktywnego przyrządów wytwarzanych w heterostrukturach (Al,Ga)N polega na wytworzeniu struktur wysp (tzw. struktur mesa) i realizowane jest na początkowym etapie technologicznym. W kolejnych etapach wytwarzane są kontakty, które zachodzą na obszar wyspy. Metalizacja musi być ciągła, przede wszystkim na ścianach bocznych wyspy, dlatego wymagane są łagodne profile trawienia. Oprócz kontrolowania morfologii i kąta nachylenia ścian wysp, istotna jest głębokość wytrawienia, która zależy od szybkości trawienia, możliwej do uzyskania, w zadanych warunkach procesowych. Warunkiem powtarzalności procesu trawienia heterostruktur (Al,Ga)N jest niezmienna w czasie szybkość trawienia warstw uid-GaN. Stałe nachylenie linii obrazującej głębokość trawienia w funkcji czasu trawienia świadczy o jednorodności procesu trawienia warstw uidGaN (rys. 4). Rys. 4 Głębokości trawienia w funkcji czasu heterostruktur o małej (a) i dużej zawartości glinu (b) [1] Istotnym czynnikiem w strukturyzacji heterostruktur (Al,Ga)N jest stan powierzchni warstwy GaN po procesie trawienia. Wstępnej analizy wpływu parametrów procesu trawienia na stan trawionej powierzchni dokonano wykorzystując metodę G. Taguchiego. Z wykresów funkcji średnich wartości współczynników chropowatości, jakie uzyskano w metodzie Taguchiego, wnioskowano, że duży wpływ na stan powierzchni po procesie trawienia miał skład wykorzystywanej mieszaniny gazowej. Stwierdzono, że zmieniając stosunek gazów Cl2:BCl3:Ar, przy zachowaniu stałego przepływu, można kontrolować stopień rozbudowy powierzchni GaN (rys. 5). Rys. 5 Morfologia powierzchni warstwy uid-GaN trawionej przy różnych składach mieszaniny gazowej (a), zależność głębokości (b) i parametrów chropowatości (c) względem proporcji mieszaniny Cl2:BCl3:Ar [2] Zmiana proporcji mieszaniny gazowej pozwoliła na modyfikację zarówno morfologii powierzchni trawionych warstw uid-GaN. Wpływ parametrów procesu, tj. ciśnienia mieszaniny, mocy wyładowania w.cz. oraz temperatury na morfologię i szybkość trawienia uid-GaN okazał się nieporównywalnie mniejszy do wpływu zmian składu mieszaniny Cl2:BCl3:Ar. Kąty nachylenia wysp trawionych w warstwach uid-GaN przy zróżnicowanych proporcjach mieszanin Cl2:BCl3:Ar były łagodne (9˚ ÷ 27˚), co pozwoliło na zachowanie ciągłości metalizacji na ścianach bocznych wysp w procesie wytwarzania kontaktów metalicznych. Badanie procesu RIE heterostruktur (Al,Ga)N Azotek galu ma niższą, w porównaniu do azotku glinowego energię, wiązań atomowych. Energia ta wynosi 8,9 eV/atom dla azotku galu, w porównaniu z 11,52 eV/atom dla azotku glinowego [3]. Wyższa energia wiązań atomowych wpływa na zmniejszenie szybkości trawienia warstw AlxGa1-xN względem GaN. Metodyka postępowania opierająca się na przeprowadzeniu wstępnych testów z wykorzystaniem macierzy ortogonalnych L934 oraz sekwencyjnych testów uzupełniających pozwoliła na dobranie odpowiednich zakresów zmian parametrów procesu do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N z różną konfiguracją i składem wielowarstw. Istotne w uzyskaniu dużej powtarzalności było odpowiednie przygotowanie powierzchni heterostruktur (Al,Ga)N. Przygotowanie powierzchni pozwoliło na zmniejszenie wpływu efektu opóźnienia startu procesu, wywołanego obecnością tlenku samoistnego oraz na zmniejszenie wpływu efektu mikro-maskowania. Zmiany wybranych parametrów procesu pozwoliły na zbadanie wpływu ich oddziaływania na szybkość trawienia warstw uid-GaN oraz Al0.2Ga0.8N (rys. 6). Z przedstawionych wykresów funkcji uśrednionych szybkości trawienia uid-GaN oraz Al0.2Ga0.8N względem parametrów procesu trawienia można wnioskować o oddziaływaniu parametrów procesu trawienia na szybkość trawienia warstw wchodzących w skład heterostruktur azotkowych. Duże zakresy zmiany szybkości trawienia, w rezultacie zmiany proporcji mieszaniny Cl2:BCl3:Ar, wykorzystać można w dwóch podstawowych procesach trawienia heterostruktur (Al,Ga)N. Jednym sposobem strukturyzacji jest głębokie trawienia, tj. wytwarzanie struktur mesa (wysp), gdzie szybkość trawienia uid-GaN powinna być duża. Drugim procesem przyrządowym jest proces pocieniania heterostruktur, gdzie szybkość trawienia warstw AlGaN powinna być bardzo mała. Zmieniając skład mieszaniny Cl2:BCl3:Ar i dobierając zakres zmian przepływów gazów można wpływać na zmianę szybkości trawienia uid-GaN oraz AlGaN. Zbadano wpływ obecności poszczególnych gazów na proces trawienia warstw uid-GaN oraz AlGaN. Stwierdzono, że dobierając odpowiednie proporcje można było wpływać na zmianę koncentracji jonów BClx i dzięki temu kontrolować szybkość trawienia heterostruktur (Al,Ga)N (rys. 7). Rys. 6 Średnie wartości funkcji szybkości trawienia warstwy Al0.2Ga0.8N w heterostrukturze Al0.2Ga0.8N/GaN/szafir oraz warstwy uid-GaN w strukturze uid-GaN/szafir w funkcji temperatury stolika (a), składu mieszaniny gazowej Cl2:BCl3:Ar (b), potencjału autopolaryzacji dc (c), mocy w.cz. (d), ciśnienia gazu (e) [4] Rys. 7 Głębokość trawienia warstwy Al0.2Ga0.8N (#137) w funkcji ilości BCl3 w mieszaninie Cl2:BCl3:Ar (a), warstwy uid-GaN (#140) (b) [4] Badaniu poddano heterostruktury (Al,Ga)N z różną zawartością glinu w grubych warstwach AlGaN (~100 nm). Wykazały one, że szybkość trawienia malała wraz ze wzrostem ułamka molowego warstwy AlGaN. Mimo różnych zawartości glinu, warstwy trawiły się w sposób jednorodny, dlatego powierzchnia AlGaN po trawieniu RIE miała podobne wartości parametrów chropowatości. Podobną zależność uzyskano także dla heterostruktur z cieńszą (20 nm) warstwą AlGaN (rys. 8). Rys. 8 Szybkość trawienia AlxGa1-xN w funkcji ilości Al dla cienkich i grubych (zrelaksowanych) warstw AlGaN trawionych w mieszaninie Cl2:BCl3:Ar (10:10:5) Dokonano aproksymacji wyników szybkości trawienia warstw AlxGa1-xN z ilością Al w warstwach w zakresie od 0% do 40% krzywą o równaniu: −𝑥 𝑦 = 𝐴1 × exp ( 𝑡 ) + 𝑦0 , (1) 1 gdzie: A1- stała, t1- stała zaniku, y0 - przesunięcie na osi OY, x - ułamek molowy Al w warstwie AlxGa1-xN. Wyliczone argumenty funkcji przedstawiono we wstawce na rysunku 8. Podsumowanie W pracy zbadano proces reaktywnego trawienia jonowego warstw GaN i heterostruktur (Al,Ga)N typu HEMT. Określono wpływ oddziaływania plazmy chlorowej (Cl2:BCl3:Ar) na poszczególne warstwy tworzące heterostrukturę (Al,Ga)N oraz przeanalizowano parametry procesu RIE na właściwości trawionych warstw i heterostruktur. Szczególną uwagę zwrócono na zmiany szybkości trawienia, ewolucję morfologii powierzchni oraz izotropię procesu trawienia warstw GaN, AlN i AlGaN o zawartości glinu w warstwie, od 0% do 45%. W rozprawie omówiono problematykę trawienia heterostruktur (Al,Ga)N oraz przeanalizowano mieszaniny gazowe stosowane w technikach suchego trawienia, dedykowane do trawienia azotków III grupy układu okresowego. Przedstawiono rolę i oddziaływanie poszczególnych gazów z warstwami tworzącymi heterostrukturę (Al,Ga)N. Przedstawiono podstawowe mechanizmy i przebieg procesu reaktywnego trawienia jonowego. Omówiono wpływ poszczególnych parametrów procesu na właściwości plazmy inicjowanej wyładowaniem w.cz. Zbadanie oddziaływania plazmy Cl2:BCl3:Ar z warstwami heterostruktur (Al,Ga)N oraz określenie jej wpływu na parametry trawionych warstw wymagało opracowania dedykowanej metodyki badań i właściwego wykorzystanie możliwości technik pomiarowych będących w dyspozycji autora rozprawy. W pracy umieszczono opis zastosowanej metodyki badań, w której zastosowano technikę planowania eksperymentu wykorzystującą macierze ortogonalne (Taguchi). Duża odporność chemiczna i mechaniczna azotków wymagała opracowania technologii odpowiednich masek do procesu RIE. W rozprawie przedstawiono metodykę dobru materiału maski do procesu trawienia heterostruktrur (Al,Ga)N. Przeprowadzono badania wpływu rodzaju masek emulsyjnych oraz masek wykonanych techniką PECVD na selektywność trawienia złożonych heterostruktur i kształt ścian bocznych trawionych wysp. W pracy zbadano również wpływ różnych metod przygotowania powierzchni heterostruktur przed procesem suchego trawienia. Przedmiotem analizy i badań w rozprawie był wpływ oddziaływania plazmy powstającej w wyniku wyładowania jarzeniowego w gazie Cl2:BCl3:Ar, przy modyfikacji parametrów procesu trawienia, na właściwości warstw GaN, warstw AlGaN o różnym składzie, warstw przejściowych i przykrywkowych, obecnych w heterostrukturach (Al,Ga)N. Jednoczesna analiza wpływu parametrów procesu trawienia, na wszystkie warstwy obecne w heterostrukturze (Al,Ga)N, była bardzo skomplikowana. Było to powodem rozdzielenia badań na dwa etapy. W etapie pierwszym przeprowadzono analizę wpływu parametrów procesu RIE na właściwości wysoko-rezystywnych warstw buforowych GaN, a następnie w etapie drugim dokonano analizy wpływu parametrów procesu RIE na wielowarstwowe heterostruktury (Al,Ga)N typu HEMT, zawierające także warstwy przejściowe (AlN) i przykrywkowe (AlN, GaN). Wykonano badania, z użyciem techniki planowania eksperymentu, wpływu parametrów procesu takich, jak moc wyładowania w.cz., potencjał auto-polaryzacji dc, temperatura stolika, ciśnienie i skład mieszaniny gazowej na właściwości trawionych warstw i heterostruktur. W pracy zrealizowano następujące badania szczegółowe: 1) opracowano wstępną metodykę badań oraz zaprojektowano i wykonano specjalizowany osprzęt do techniki SEM, 2) opracowano metodykę doboru materiału maski do procesu trawienia RIE heterostruktur (Al,Ga)N, 3) w prowadzonych badaniach zastosowano technikę planowania eksperymentu wykorzystującą macierze ortogonalne L934, 4) przeprowadzono procesy trawienia warstw i heterostruktur (Al,Ga)N typu HEMT oraz przeanalizowano rezultaty, które wykazały, że możliwe było planowanie przebiegu procesu trawienia z dużą dokładnością i powtarzalnością oraz wytwarzanie struktur o zadanych właściwościach warstw GaN i AlGaN. Do najważniejszych osiągnięć autora rozprawy należą: 1) zbadanie wpływu składu plazmy Cl2:BCl3:Ar na zmianę morfologii powierzchni niedomieszkowanych warstw GaN i AlGaN, 2) ograniczenie defektów powierzchniowych występujących w wyniku bombardowania jonowego, 3) opracowanie metody przygotowania powierzchni heterostruktury (Al,Ga)N do trawienia RIE, 4) opracowanie technologii trawienia RIE warstw AlGaN z modyfikowaną zawartością glinu z zakresu od 0% do 45%, 5) opracowanie technologii trawienia RIE wielowarstwowych heterostruktur (Al,Ga)N typu HEMT z wykorzystaniem mieszaniny Cl2:BCl3:Ar. Wyniki prac badawczych autora przedstawiono w 18 publikacjach i zaprezentowano na 15 konferencjach o zasięgu krajowym i międzynarodowym. Zostały one zastosowane przy realizacji 5 projektów badawczych. Autor uzyskał, w dwóch edycjach konkursu, stypendia naukowe Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki oraz stypendium stażowe. Jest laureatem konkursu na stypendium stażowe Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Został nagrodzony nagrodą Rektora za uznane osiągnięcia naukowe w 2011 i 2012 roku. Został wyróżniony na dwóch konferencjach naukowych. Literatura [1] J. Gryglewicz, W. Oleszkiewicz, M. Wośko, B. Paszkiewicz, A. Stafiniak, J. Prażmowska, R. Paszkiewicz, Reactive ion etching of AlGaN/GaN heterostructures in chlorine based plasma, Proceedings of Microtherm 2011 microtechnology and thermal problems in electronics, 28.06-1.07.2011, Łódź, Poland, (2011) 290-294 J. Gryglewicz, R. Paszkiewicz, W. Macherzyński, A. Stafiniak, M. Wośko, Precise etching [2] of AlGaN/GaN HEMT structures with Cl2/BCl3/Ar plasma, Proceedings of 10th Internaional Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, 20-22.10.2014, Smolenice, (2014) 73-76 [3] S.J. Pearton, C.R. Abernathy, F. Ren, Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors and Spintronics, Springer, (2006) [4] J. Gryglewicz, A. Stafiniak, J. Prażmowska-Czajka, M. Wośko, B. Paszkiewicz, R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Reactive ion etching of gallium nitride-based heterostructures, Proceedings of Photonics and Microsystems 2013, 12-14.07.2013, St. Marienthal, Germany, (2013) 21-23