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

材料科学 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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