Roughness Suppression in Electrochemical Nanoimprinting of Si for Applications in Silicon Photonics

材料科学 硅 蚀刻(微加工) 薄脆饼 表面光洁度 纳米技术 表面粗糙度 纳米尺度 光电子学 光学 复合材料 物理 图层(电子)
作者
Aliaksandr Sharstniou,Stanislau Niauzorau,Anna L. Hardison,Matthew W. Puckett,Neil A. Krueger,Judson D. Ryckman,Bruno Azeredo
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (43) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/adma.202206608
摘要

Metal-assisted electrochemical nanoimprinting (Mac-Imprint) scales the fabrication of micro- and nanoscale 3D freeform geometries in silicon and holds the promise to enable novel chip-scale optics operating at the near-infrared spectrum. However, Mac-Imprint of silicon concomitantly generates mesoscale roughness (e.g., protrusion size ≈45 nm) creating prohibitive levels of light scattering. This arises from the requirement to coat stamps with nanoporous gold catalyst that, while sustaining etchant diffusion, imprints its pores (e.g., average diameter ≈42 nm) onto silicon. In this work, roughness is reduced to sub-10 nm levels, which is in par with plasma etching, by decreasing pore size of the catalyst via dealloying in far-from equilibrium conditions. At this level, single-digit nanometric details such as grain-boundary grooves of the catalyst are imprinted and attributed to the resolution limit of Mac-Imprint, which is argued to be twice the Debye length (i.e., 1.7 nm)-a finding that broadly applies to metal-assisted chemical etching. Last, Mac-Imprint is employed to produce single-mode rib-waveguides on pre-patterned silicon-on-insulator wafers with root-mean-square line-edge roughness less than 10 nm while providing depth uniformity (i.e., 42.9 ± 5.5 nm), and limited levels of silicon defect formation (e.g., Raman peak shift < 0.1 cm-1 ) and sidewall scattering.
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