CN101625440B - 借助保护层的取样光栅的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种借助保护层的取样光栅的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、下波导层、有源区、上波导层和保护层；在保护层之上，均匀地涂上一层光刻胶，借助于取样光栅光刻版，在光刻胶上曝光出需要制作光栅的区域；将曝光后的结构进行选择性腐蚀；去除剩余的光刻胶，并清洗，将半导体波导结构再涂上一层均匀的光刻胶，并对其进行全息曝光，使光刻胶上印制出光栅轮廓，然后显影；对半导体波导结构进行离子刻蚀，然后再用腐蚀液修整光栅形貌，此时光栅间隔地周期性地制作于保护层和上波导层之上；对半导体波导结构进行选择性腐蚀，将剩余的保护层腐蚀掉，从而在上波导层上获得完整的取样光栅。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种借助保护层的取样光栅的制作方法，该取样光栅可应用于半导体器件中。
背景技术
目前用于半导体领域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，制作激光器阵列的实例(IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，2002VOL.8，NO.61358-1365)，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.52348-2353)，但该文献只停留于理论设计阶段，并未实际制作取样光栅。
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制作取样光栅的方法，该法制作工艺简单，费用较低。利用该法制作的取样光栅可以用于多种半导体有源器件当中。
本发明提供一种借助保护层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、有源区、上波导层和保护层，得到半导体波导结构；
步骤2：在保护层之上，均匀地涂上一层光刻胶，借助于取样光栅光刻版，在光刻胶上曝光出需要制作光栅的区域；
步骤3：将曝光后的半导体波导结构进行选择性腐蚀，将没有光刻胶保护的区域中的保护层腐蚀掉，而有光刻胶保护的区域中的保护层得以保留；
步骤4：去除剩余的光刻胶，并清洗，将半导体波导结构再涂上一层均匀的光刻胶，并对其进行全息曝光，使光刻胶上印制出光栅轮廓，然后显影；
步骤5：对半导体波导结构进行离子刻蚀，然后再用腐蚀液修整光栅形貌，此时光栅间隔地周期性地制作于保护层和上波导层之上；
步骤6：对半导体波导结构进行选择性腐蚀，将剩余的保护层腐蚀掉，从而在上波导层上获得完整的取样光栅。
其中所述的衬底的材料为InP，缓冲层的材料为InP，下波导层和上波导层的材料为InGaAsP，有源区的材料为InGaAsP的多量子阱，而保护层的材料为InP。
其中所述的取样光栅光刻版上的取样周期的尺寸由半导体激光器的激射波长来决定。
其中所述的取样光栅光刻版的占空比为0.5。
其中腐蚀液的体积比为盐酸∶水＝4∶1。
其中所述的全息曝光后的刻蚀，包括干法刻蚀或湿法腐蚀；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
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施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(d)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，本发明借助保护层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、有源区4、上波导层5、保护层6，得到半导体波导结构。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；有源区4为光荧光谱为1.55微米的InGaAsP多量子阱结构；保护层6为150nm厚的InP(见图2(a))。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。保护层6也可视波导材料、组分的实际情况，替换为SiO2、InGaAsP等材料；
步骤2：在波导结构的保护层6之上，均匀地涂上一层光刻胶7，然后采用通常的半导体光刻工艺，并借助于取样光栅光刻版，在光刻胶7上曝光出需要制作光栅的区域来。光刻胶7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。取样光栅光刻版的图形、尺寸，尤其是取样周期Z的大小，要根据实际半导体器件的功能来确定(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，取样光栅光刻版的占空比为0.5；
步骤3：将曝光后的芯片进行选择性腐蚀，将没有光刻胶7保护的区域中的保护层6腐蚀掉，而有光刻胶7保护的区域中的保护层6得以保留(见图2(b))。因本例中采用的保护层6为150nm厚的InP，因此可用盐酸∶水＝4∶1(体积比)的腐蚀液来腐蚀InP。若保护层6为其它材料，则需要选择其它合适的腐蚀液。腐蚀时间要视保护层的厚度、腐蚀液的温度、浓度等条件而定。
步骤4：去除剩余的光刻胶7并清洗，在波导上再涂上一层均匀的光刻胶，并对其进行全息曝光，使光刻胶上印制出光栅轮廓，然后显影。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5：对波导进行离子刻蚀，然后再用腐蚀液修整光栅形貌，此时光栅间隔地周期性地制作于保护层6和上波导层5之上(见图2(c))。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。
步骤6：对波导进行选择性腐蚀，将剩余的保护层6腐蚀掉，从而在上波导层5上获得完整的取样光栅(见图2(d))。选择性腐蚀液为盐酸∶水＝4∶1(体积比)。同样的，若保护层6为其它材料，则需要选择其它的腐蚀液。腐蚀时间要视保护层的厚度、腐蚀液的温度、浓度等条件而定。
采用借助于保护层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2~3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，采用普通的光刻腐蚀工艺与传统的光学全息曝光法，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。
本发明是一种借助于保护层的制作取样光栅的方法：首先在要制作取样光栅的波导上生长一层厚度适中的保护层；通过取样光栅光刻版对此波导进行光刻，腐蚀掉需要制作光栅的区域上的保护层，不需要制作光栅的区域上的保护层得以保留；在波导上均匀涂胶后，通过全息曝光法在光刻胶上曝光出光栅条纹；将该波导进行离子刻蚀后，再用溴水对其进行湿法腐蚀以获得形貌良好的光栅；最后腐蚀掉波导上剩余的保护层后以得到完整的取样光栅。
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 (4)
1.一种借助保护层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、有源区、上波导层和保护层，得到半导体波导结构；
步骤2：在保护层之上，均匀地涂上一层光刻胶，借助于取样光栅光刻版，在光刻胶上曝光出需要制作光栅的区域；
步骤3：将曝光后的半导体波导结构进行选择性腐蚀，将没有光刻胶保护的区域中的保护层腐蚀掉，而有光刻胶保护的区域中的保护层得以保留；
步骤4：去除剩余的光刻胶，并清洗，将半导体波导结构再涂上一层均匀的光刻胶，并对其进行全息曝光，使光刻胶上印制出光栅轮廓，然后显影；
步骤5：对半导体波导结构进行离子刻蚀，然后再用腐蚀液修整光栅形貌，此时光栅间隔地周期性地制作于保护层和上波导层之上；
步骤6：对半导体波导结构进行选择性腐蚀，将剩余的保护层腐蚀掉，从而在上波导层上获得完整的取样光栅。
2.根据权利要求1所述的借助保护层的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的取样光栅光刻版上的取样周期的尺寸由半导体激光器的激射波长来决定。
3.根据权利要求1或2所述的借助保护层的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的取样光栅光刻版的占空比为0.5。
4.根据权利要求1所述的借助保护层的取样光栅的制作方法，其特征在于，其中所述的全息曝光后的刻蚀，包括干法刻蚀或湿法腐蚀；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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