CN101604050A - 用于半导体器件中的取样光栅的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下波导层、多量子阱、上波导层，得到含有半导体波导结构的芯片；步骤2：在上波导层的上面，均匀地涂上一层光刻胶；步骤3：对涂有光刻胶的芯片进行全息曝光，使光刻胶上印制出条状的光栅轮廓；步骤4：将芯片置于取样周期光刻版之下进行二次曝光，二次曝光后对芯片上的光刻胶显影，使光刻胶形成有光栅轮廓的胶条；步骤5：对显影好的芯片，进行离子刻蚀，在上波导层上得到光栅；步骤6：用腐蚀液修整光栅形貌，完成取样光栅的制作。本发明具有成本低、适于大规模生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种可以应用于半导体器件中的取样光栅的制作方法。
背景技术
目前用于半导体器件的光栅制作方法主要有三种，即机械法，全息曝光法和电子束曝光法。
机械法是用机械划刻机直接在光栅材料(如半导体、晶体、塑料、玻璃)表面刻出一条条的沟槽。这种方法对光刻机的精度和灵活性要求很高，几乎达到了机械加工的极限精度。因此设备昂贵，工作效率低。制作光栅的成本高，周期长，同时会在衍射光谱中引入鬼线这样的误差。
全息曝光法是用两束具有一定波长，一定夹角的光在光刻胶上形成干涉条纹，显影后，用湿法或干法腐蚀光栅材料。这种方法设备简单，成本低，广泛用于半导体光电子器件中布拉格光栅的制作。但该法只能大面积的制作周期均匀的光栅，不能再同一芯片上制作结构复杂的光栅，比如同一芯片上不同周期的光栅。
电子束曝光法可以用来制作结构复杂的光栅，如相移光栅、啁啾光栅等。该法选用对电子束敏感的光刻胶(PMMA)作掩膜，用一束半径一定、计量可调的电子束按光栅的周期扫描芯片表面得到光栅图形。通常使用氯气进行干法刻蚀，将光刻胶的图形转移到半导体芯片表面，同时对光刻胶进行灰化处理，得到不同区域、不同深度、不同周期的光栅。这种方法使用的电子束曝光机昂贵复杂，直接写光栅速度极慢，因此费时费工，不适于光栅的批量制备。
目前许多结构复杂的半导体器件，如带1/4λ相移的DFB激光器、单片集成的激光器阵列等，都需要在同一芯片上制作不同结构的光栅以达到其使用目的，因此国内外都无一例外的采用了电子束曝光的方法。但该法成本昂贵，费时费工，只适合在实验室对半导体材料逐一地制作光栅，而不适于批量制作光栅。
目前国外已有采用取样光栅结构来代替电子束曝光法，制作激光器阵例的实例(IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，2002 VOL.8，NO.6 1358-1365)，但器件的关键工艺——取样光栅的制作对外严格保密。国内也有文献提出了采用取样光栅来代替1/4λ相移的DFB激光器(OPTICS EXPRESS，2007 VOL.15，NO.5 2348-2353)，但该文献只停留于理论设计阶段，并未实际制作取样光栅。
国内一篇文献中(半导体学报，2005 Vol.26增刊189-191)给出了制作取样光栅的一种方法。该方法先在半导体材料上生长一层InP保护层，然后进行光刻：腐蚀掉光栅区上的保护层，保留非光栅区上的保护层。而后制作均匀光栅。光栅制作好后，再用腐蚀液将非光栅区上的保护层(其上也有光栅)腐蚀掉。这样获得的取样光栅，形貌较好。但该法的制作工艺较为复杂，要引入保护层，还要对保护层进行选择腐蚀等等，无形中增加了成本、降低了器件的成品率。
采用取样光栅技术制作的器件，最大的好处就是成本相对低廉，可以大规模生产，而且性能上不输于采用电子束曝光法制作的复杂光栅器件。因此采用取样光栅的器件应用前景相当可观。
发明内容
本发明的目的是提出了一种用于半导体器件中的取样光栅的制作方法，该方法巧妙的采用了二次曝光技术：首先采用全息曝光法，在涂有光刻胶的半导体材料上曝光出光栅条纹，此时并不马上显影；将半导体材料通过取样光栅光刻版进行二次曝光，而后显影；将半导体材料进行离子刻蚀；再用溴水对离子刻蚀后的材料进行湿法腐蚀以获得形貌良好的取样光栅，具有成本低、适于大规模生产，且能上不低于采用电子束曝光法制作的复杂光栅器件。
本发明一种用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下波导层、多量子阱、上波导层，得到含有半导体波导结构的芯片；
步骤2：在上波导层的上面，均匀地涂上一层光刻胶；
步骤3：对涂有光刻胶的芯片进行全息曝光，使光刻胶上印制出条状的光栅轮廓；
步骤4：将芯片置于取样周期光刻版之下进行二次曝光，二次曝光后对芯片上的光刻胶显影，使光刻胶形成有光栅轮廓的胶条；
步骤5：对显影好的芯片，进行离子刻蚀，在上波导层上得到光栅；
步骤6：用腐蚀液修整光栅形貌，完成取样光栅的制作。
其中所述的衬底为InP材料，缓冲层为InP材料，下波导层、上波导层为InGaAsP材料。
其中所述的多量子阱4为InGaAsP材料。
其中所述的二次曝光的时间为8秒。
其中所述的刻蚀，包括干法刻蚀和湿法腐蚀；干法刻蚀是用电子回旋共振方法，湿法腐蚀是利用饱和溴水作为腐蚀液。
附图说明
为进一步了解本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明中制作的取样光栅结构示意图；
图2(a)-图2(e)是本发明中制作取样光栅的流程示意图；
具体实施方式
下面通过上述附图阐述本发明中制作取样光栅的工艺流程。
请参阅图2，并结合参阅图1，本发明用于半导体器件中的取样光栅的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上依次生长缓冲层2、下波导层3、多量子阱4、上波导层5，得到含有半导体波导结构的芯片。本例所采用波导材料为InGaAsP/InP，即衬底1为InP；缓冲层2为InP；下波导层3与上波导层5为光荧光谱为1.2微米的InGaAsP；多量子阱4为光荧光谱为1.55微米的InGaAsP材料。波导材料还可替换为由III族与V族元素、IV族与V族元素成的半导体化合物材料。此外，本例中的各层波导结构也可根据实际需要做一些调整与修改；
步骤2：在半导体波导结构的上波导层5之上，均匀地涂上一层光刻胶6，见图2(a)。此层光刻胶6，是通过甩胶工艺制作完成的，其厚度可通过甩胶时间的长短来控制；
步骤3：对涂有光刻胶6的芯片进行全息曝光，使胶条6上印制出光栅轮廓，见图2(b)。全息曝光可以用双光束干涉曝光法，也可用单光束全息曝光法，本例采用前者；
步骤4：将芯片置于取样周期光刻版7之下进行二次曝光，曝光时间为8秒，见图2(c)。要根据实际半导体器件的功能来确定取样周期版7的设计尺寸，尤其是取样周期Z的大小，见图1。取样周期Z的取值可以决定有源器件的激射波长。在设计时，取样光栅光刻版7的占空比为0.5。二次曝光时间要根据光刻胶6的正、负性、厚度等来决定。二次曝光后对芯片上的光刻胶显影，此时芯片表面会出现具有取样周期光栅条纹的胶条61，见图2(d)；
步骤5：对显影好的芯片，进行离子刻蚀，然后再用腐蚀液修整光栅形貌，并最终获得取样光栅，见图2(e)。本例中所采用的腐蚀液为溴水。而离子刻蚀所用的刻蚀气体及刻蚀时间、湿法腐蚀所需时间要根据实际情况而定。
采用二次曝光法制作的取样光栅形貌良好：非光栅区表面较为平整，光栅区和非光栅区存在明显的过渡区域，过渡区域的宽度为两个光栅条纹。且取样光栅的占空比与设计时的值相差不大。
本方法与现有的半导体材料工艺兼容，采用传统的光学全息曝光法与二次曝光法，巧妙地制作出了取样光栅。本方法工艺设备简单，易于操作，且适于批量制作取样光栅。用于半导体光电子集成器件的制作，成本低，效率高，得到的器件性能稳定。取样光栅可以用于制作激光器阵列、可以代替现有的1/4λ相移光栅等用途中去。
本发明的创新之处在于：
提出了一种制作取样光栅的方法，该法工艺设备简单，易于操作，且适于批量制作取样光栅。用于半导体光电子集成器件的制作，成本低，效率高，得到的器件性能稳定。
本发明提出的一种制作取样光栅的二次曝光法：首先采用全息曝光法，在涂有光刻胶的半导体材料上曝光出光栅条纹，此时并不马上显影；将半导体材料通过取样光栅光刻版进行二次曝光，而后显影；将半导体材料进行离子刻蚀；再用溴水对离子刻蚀后的材料进行湿法腐蚀以获得形貌良好的取样光栅。
尽管本专利中对工艺过程进行了详尽的阐述，还给出了某些参数，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其过程和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的范围。
Claims (5)
1.一种用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下波导层、多量子阱、上波导层，得到含有半导体波导结构的芯片；
步骤2：在上波导层的上面，均匀地涂上一层光刻胶；
步骤3：对涂有光刻胶的芯片进行全息曝光，使光刻胶上印制出条状的光栅轮廓；
步骤4：将芯片置于取样周期光刻版之下进行二次曝光，二次曝光后对芯片上的光刻胶显影，使光刻胶形成有光栅轮廓的胶条；
步骤5：对显影好的芯片，进行离子刻蚀，在上波导层上得到光栅；
步骤6：用腐蚀液修整光栅形貌，完成取样光栅的制作。
2.根据权利要求1所述的用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为InP材料，缓冲层为InP材料，下波导层、上波导层为InGaAsP材料。
3.根据权利要求1所述的用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的多量子阱4为InGaAsP材料。
4.根据权利要求1所述的用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的二次曝光的时间为8秒。
5.根据权利要求1所述的用于半导体器件的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的刻蚀，包括干法刻蚀和湿法腐蚀；干法刻蚀是用电子回旋共振方法，湿法腐蚀是利用饱和溴水作为腐蚀液。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN106099639A (zh) * | 2016-08-26 | 2016-11-09 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种多波长阵列激光器及其制造方法和使用方法 |
| CN107732655A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-02-23 | 武汉光安伦光电技术有限公司 | 一种dfb激光器部分光栅制作方法 |
| CN109633816A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-04-16 | 华南师范大学 | 一种平面直光波导的制备方法 |
| CN114172019A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-11 | 全磊光电股份有限公司 | 一种高性能低成本dfb激光器外延片及其制造方法 |
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2008
- 2008-06-11 CN CNA2008101147934A patent/CN101604050A/zh active Pending
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