Плазмохимическое травление тонких пленок серебра для приложений плазмоники индуктивно-связанной аргоновой плазмой

Рассмотрены процессы плазмохимического травления пленок серебра для изготовления элементов фотоники (наноразмерных источников света), а также теоретические основы процессов травления и процесс образования плазмы в установках плазмохимического травления. Выполнена оценка предлагаемой технологии при формировании топологических элементов в тонких пленках металла серебра и выделены ключевые проблемы, такие как переосаждение и нелетучесть материала. Приведены результаты моделирования процесса травления для нескольких критических субмикронных размеров. На основе результатов моделирования определены зависимости скоростей травления от мощности источников плазмы. Основное внимание уделено формированию отверстий для создания наноразмерного источника света. Рассмотрены как положительные, так и отрицательные свойства плазмохимического метода травления с использованием источника индуктивно-связанной плазмы, а также изложены особенности технологических установок, использующихся для этих процессов. Рассмотрен процесс формирования наноэлементов в пленке серебра и эффект переосаждения частиц материала в результате ионного распыления. Предложен двухэтапный процесс травления, позволяющий сформировать вертикальный профиль стенок изготовляемых элементов и избежать эффекта переосаждения. Приведены рекомендации для процессов травления через электронно-лучевой резист на установках с источником индуктивно-связанной плазмы. С помощью оптимизации толщин резистивной маски и источников плазмы показаны полученные результаты травления наноразмерных элементов с сохранением геометрических форм

Литература

[1] Claire D., Jean-Luc P. Plasmon lasers: coherent nanoscopic light sources. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, vol. 19, no. 44, art. 29731. DOI: https://doi.org/10.1039/C7CP06780A

[2] Noginov M., Zhu G., Belgrave A., et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature, 2009, vol. 460, pp. 1110--1112. DOI: https://doi.org/10.1038/nature08318

[3] Baburin A.S., Ivanov A.I., Trofimov I.V., et al. Highly directional plasmonic nanolaser based on high-performance noble metal film photonic crystal. Proc. SPIE, 2018, vol. 10672. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2307572

[4] Saha S., Chowdhury S., Dutta A., Kildishev A.V., et al. Hybrid photonic-plasmonic waveguides with ultrathin TiN. OSA Tech. Digest, 2019, paper JTh2A.40. DOI: https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2019.JTh2A.40

[5] Krasavin A.V., Zayats A.V. Silicon-based plasmonic waveguides. Opt. Express, 2010, vol. 18, no. 11, pp. 11791--11799. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.18.011791

[6] Gosciniak J., Rasras M. High-bandwidth and high-responsivity waveguide-integrated plasmonic germanium photodetector. J. Opt. Soc. Am. B, 2019, vol. 36, no. 9, pp. 2481--2491. DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.002481

[7] Melikyan A., Lindenmann N., Walheim S., et al. Surface plasmon polariton absorption modulator. Opt. Express, 2011, vol. 19, no. 9, pp. 8855--8869. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.19.008855

[8] Markov A., Reinhardt C., Ung B., et al. Photonic bandgap plasmonic waveguides. Opt. Lett., 2011, vol. 36, no. 13, pp. 2468--2470. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.36.002468

[9] Messner A., Eltes F., Ma P., et al. Leuthold, integrated ferroelectric plasmonic optical modulator. OSA, 2017, paper Th5C.7. DOI: https://doi.org/10.1364/OFC.2017.Th5C.7

[10] Zaki A.O., Kirah K., Swillam M.A. Hybrid plasmonic electro-optical modulator. Appl. Phys. A, 2016, vol. 122, art. 473.

[11] Baburin A.S., Merzlikin A.M., Baryshev A.V., et al. Silver-based plasmonics: golden material platform and application challenges [Invited]. Opt. Mater. Express, 2019, vol. 9, no. 2, pp. 611--642. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.9.000611

[12] Kenro M. Fundamentals of plasma physics and controlled fusion. NIFS-PROC-48. Tokyo, National Institute of Fusion Science, 2000.

[13] Boris D.R. Electron beam generated plasmas produced in fluorine-containing gases: characterizing plasma parameters. 62nd AVS Symp., 2015. DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2741.5288

[14] Shearn M., Sun X., Henry M.D., et al. Advanced plasma processing: etching, deposition, and wafer bonding techniques for semiconductor applications. In: Semiconductor technologies. IntechOpen, 2010, pp. 79--104. DOI: https://doi.org/10.5772/8564

[15] Choi T., Hess D.W. Chemical etching and patterning of copper, silver, and gold films at low temperatures. ECS J. Solid State Sc. Technol., 2015, vol. 4, no. 1, pp. 3084--3093. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0111501jss

[16] Смирнов Ю.Н., Филиппов И.А., Зверев А.В. Технология формирования наноразмерных структур методами плазмохимического травления для изделий наноплазмоники. Всерос. науч.-техн. конф. "Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии", 2016. URL: http://studvesna.ru/?go=articles&id=1557 (дата обращения: 15.06.2020).

[17] Lee. Y.J., Park S.D., Song B.K., et al. Characteristics of Ag etching using inductively coupled Cl2-based plasmas. Jpn. J. Appl. Phys., 2003, vol. 42-1, no. 1, pp. 286--290. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.42.286

[18] Rodionov I.A., Baburin S.A., Zverev A.V., et al. Mass production compatible fabrication techniques of single-crystalline silver metamaterials and plasmonics devices. Proc. SPIE, 2017, vol. 10343. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2271643