Abstract
"Das chemisch unterstützte Ionenstrahlätzen (CAIBE) mit Cl2/Ar+ eignet sich neben Plasmatechniken besonders gut für die Strukturierung von GaAs-Oberflächen. Die wesentlichen Merkmale sind eine hohe Abtragsgeschwindigkeit, die Erzeugung senkrechter Ätzprofile, eine geringe Schädigung der oberflächennahen Bereiche oder glatte Bearbeitungsflächen. Der CAIB7E‘Prozess ermöglicht zudem die Untersuchung der ablaufenden Atzmechanismen, da im Gegensatz zu den Plasmatechniken die Prozessparameter wie Ionenenergie, Ionenstromdichte, Ioneneinfallswinkel, Chlordruck oder Probentemperatur unabhängig voneinander variiert werden können.
Neben einem physikalischen und einem chemischen Abtragsanteil wird der CAIBE-Prozess durch starke Synergieeffekte zwischen beiden Anteilen bestimmt. Diese Synergien bewirken den Abtrag von Chloriden sowohl durch Stoßübertragungsprozesse der einfallenden Ionen als auch thermisch induziert durch die Erwärmung der Probenoberfläche und durch eine Erhöhung der Oberflächenreaktivität.
Die Prozessaufklärung erfolgte durch die Anwendung eines neuen Modellansatzes, der die wesentlichen Merkmale des CAIBE-Prozesses vereinigt. Die Modellparameter, deren Verläufe die Daten in der Literatur widerspiegeln, wurden dabei nur aus den experimentell ermittelten Messwerten der Atzrate bestimmt. Einen wichtigen Modellparameter stellte der Chlorgehalt des Abgases dar. Dieser berücksichtigt den Anteil des in der Gesamtheit der abgetragenen Reaktionsprodukte enthaltenen Chlors. Mit steigendem physikalischen Anteil sinkt der Chlorgehalt bei konstantem Chlorangebot, da neben dem Abtrag niederer Chloride zunehmend auch reines Substratmaterial zerstäubt wird. Der Modellansatz ermöglichte im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen auch die Berechnung des zeitabhängigen Verhaltens des CAIBE-Prozesses. Die Verifizierung dieser Modell- ergebnisse erfolgte mit einem gepulsten Ionenstrahl und wurde durch die experimentellen Messwerte bestätigt. Eine Erhöhung der Abtragstiefe bei konstanter Ionenfluenz ist dabei auf die ablaufenden Prozesse während der Pausenzeit zurückzuführen, in der keine Ionenextraktion stattfindet.
Die Anwendung der Modellierung ermöglichte eine Optimierung der Prozessparameter. Dadurch wurden u. a. senkrechte Stufenkanten im Ätzprofil erzeugt. Diese Strukturen können beispielsweise als Beugungsgitter, als Bragg-Spiegel oder als Resonatorendflächen in oberflächenemittierenden Halbleiterlasern Einsatz finden.
Die Schädigung oberflächennaher Bereiche wurde nach Anwendung der Ionenstrahl-Schrägschlifftechnik auf Mehrlagen-Quantentrog-Strukturen mittels Photolumineszenz- spektroskopie untersucht. Der CAIBE-Prozess verursachte infolge der erhöhten Abtragswirkung gegenüber dem reinen physikalischen Abtragsprozess eine geringere Schädigungstiefe. Wegen des Impulsübertrages der Ionen lässt sich die Schädigung jedoch nicht vollständig vermeiden.
In English
The chemically assisted ion beam etching (CAIBE) with Ci2/Ar+ is well suitable in addition to plasma techniques for the structuring of GaAs surfaces. The substantial characteristics are a high etch rate, the production of perpendicular etch profiles, a small damage of the near surface ranges or smooth surfaces after etching. The CAIBE process made possible besides the investigation of die run-off etch mechanisms, because contrary to the plasma techniques the process parameters such as ion energy, ion current density, ion angles of incidence, chlorine pressure or sample temperature can be varied independently.
Apart from a physical and a chemical etch portion the CAIBE process is determined by strong synergies between both portions. These synergies cause the removal of chlorides both by impact transfer process of the incident ions and thermally by the heating of the sample surface and cause an increase of the surface reactivity.
The study of the process took place via the application of a new model, which combines the substantial characteristics of the CAIBE process. The model parameters, whose dependencies reflect the data in the literature, were determined thereby only from the experimentally determined measured values of the etch rate. The chlorine content of the exhaust gas represented an important model parameter. This considers the portion of chlorine contained in the whole of the removed reaction products. With rising physical portion the chlorine content sinks with constant chlorine supply, since apart from the removal of lower chlorides increasingly also pure substrate material is sputtered. The model approach enabled contrary to conventional models also the computation of the time depending behavior of the CAIBE process. The verification of these model results took place with a pulsed ion beam and was approved via the experimental measured values. An increase of the etch depth with constant ion fluence is thereby attributed to the processes running off during the pause time of the process, in which no ion extraction takes place.
The application of the model enables an optimization of the process parameters. Thus among other things vertical edges were produced at the etch profile. These structures could be used for example as diffraction gratings, Bragg mirrors or as resonator end mirrors for surface emitting semiconductor lasers.
The damage of the near surface region was examined after application of the ion beam beveled technique to a multilayer quantum well structure by means of photo luminescence spectroscopy. The CAIBE process caused a smaller damage depth for the pure physical erosion process due to the higher etch rate. Because of the impact transfer of the ions to the atoms of the sample surface however the damage does not completely avoid itself."
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