CN102593718B - 一种中红外激光器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中红外激光器的制备方法，包括以下步骤：制备氧化硅光栅层：利用等离子体增强化学气相沉积法在器件表面生长一层氮化硅薄膜；利用全息曝光的方法在氮化硅薄膜上制备全息光栅掩膜；采用反应离子刻蚀的方法将光栅图形转移到氮化硅膜上，形成了一层氮化硅的光栅掩膜；在有台面的位置上制备反馈光栅：选择和台面结构相似的光刻版图，在氮化硅的光栅掩膜上制备光刻胶掩膜图形，并在氮化硅的光栅掩膜上制备光栅刻蚀窗口；利用氮化硅和光刻胶双层掩膜，通过ICP刻蚀的方法在器件表面制备光栅，使得光栅完全覆盖在器件所要制备台面的位置上；制备激光器台面。本发明使得分布反馈激光器的性能有所提高。

Description

一种中红外激光器的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种中红外激光器的制备方法。

背景技术

中红外波段半导体激光器显示出在痕量气体检测灵敏度方面较近红外波段激光器高2-4个数量级，是用于环保污染源监控、生物医学诊断、化学化工过程监控、痕量有毒生物化学物质监控，是半导体气体吸收光谱仪的理想光源；此外，中红外波段拥有3-5μm和8-14μm两个大气窗口，是大气保密通信的理想光源，而且在光电对抗系统中有重要应用。由于中红外波段的半导体激光器的新颖物理内涵和重要应用背景，因而自1994年美国贝尔实验室发明了用MBE材料研制工作于4.26μm中红外波段的量子级联激光器以来，在十年期间得到飞速发展。

痕量气体检测要求中红外半导体激光器在单模下工作。由于应用的需要，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的。1997年美国贝尔实验室用掩膜光刻技术研制出国际上第一个工作于5.4μm和8.0μm中红外脉冲单模分布反馈激光器(简称“DFB-QCL”)。DFB-QCL就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光的反馈来实现纵模选择。DFB激光器的光栅制备是其制作中的关键技术，是研制分布反馈激光器的关鍵。通常可以用掩模技术、电子束曝光以及全息技术制备光栅。这些光栅制备技术虽成功地用于制备1.3μm和1.5μm近红外波段半导体单模分布反馈激光器光栅，成为光通信系统的核心器件，在推动光纤通信技术发展中起了极其重要的作用。通常中红外分布反馈量子级联激光器光栅周期的波动范围不能超过10nm，光栅宽度和精度的要求使得普通的光掩模技术难度大。电子束曝光技术可以达到这一要求，但价格昂贵，使用不方便。

采用全息曝光技术制备光栅，由该技术的特点决定通常都是在器件表面制备大面积光栅，然后再进行台面的制备。在这种情况下，台面侧壁的腐蚀会明显受到其表面光栅形貌的影响，形成光栅状的沟槽。激光器台面两侧的粗糙度对激光器性能有很大影响，会引入损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种中红外激光器的制备方法，使得分布反馈激光器的性能有所提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种中红外激光器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氧化硅光栅层：利用等离子体增强化学气相沉积法在器件表面生长一层氮化硅薄膜；利用全息曝光的方法在氮化硅薄膜上制备全息光栅掩膜；采用反应离子刻蚀的方法将光栅图形转移到氮化硅膜上，形成了一层氮化硅的光栅掩膜；

(2)在有台面的位置上制备反馈光栅：选择和台面结构相似的光刻版图，在氮化硅的光栅掩膜上制备光刻胶掩膜图形，并在氮化硅的光栅掩膜上制备光栅刻蚀窗口；利用氮化硅和光刻胶双层掩膜，通过ICP刻蚀的方法在器件表面制备光栅，使得光栅完全覆盖在器件所要制备台面的位置上；

(3)制备激光器台面。

所述步骤(1)全息曝光方法通过全息曝光系统完成，所述全息曝光系统包括透镜、空间滤波器、衬底片和高反镜；进入全息曝光系统的单色光经透镜汇聚，然后经过空间滤波器扩束，扩束后的单色光经透镜形成平行光束；一部分平行光直接入射到需要制备全息光栅的衬底片上，另一部分平行光入射到高反镜上，再反射到衬底上，这两束平行光之间发生干涉并在涂有光刻胶的衬底片上形成明暗相间的干涉条纹实现曝光，曝光后的光掩膜通过显影形成全息光栅掩膜。

所述衬底上涂覆的光刻胶由光刻胶S6809和稀释液E2以体积比1∶2的比例配制而成，采用的显影液由显影剂MF320与去离子水以体积比2∶1配制而成。

所述步骤(3)中制备激光器台面还包括以下子步骤，先去除氮化硅薄膜，再涂覆光刻胶掩膜，通过普通光刻的方法将台面图形制作在光刻胶上，台面图形与表面光栅对准，再通过湿法腐蚀的方法将台面图形转移到器件上。

所述湿法腐蚀采用的腐蚀液为由HBr、HNO₃和H₂O按体积比1∶1∶8的比例配置而成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明首先利用全息曝光技术制备光栅的光刻胶掩膜，再通过反应离子刻蚀(简称“RIE”)将光栅图形转移到氮化硅薄膜上；然后在氮化硅的光栅掩膜上制作光栅刻蚀窗口，通过感应耦合等离子体(简称“ICP”)刻蚀光栅，使得器件表面仅有台面的位置上刻有光栅，且光栅面积不大于台面的面积；最后利用湿法腐蚀的方法制备激光器台面，通过控制湿法腐蚀的侧向腐蚀以及光栅的覆盖面积，使光栅完全覆盖激光器的台面，且不会影响到激光器侧壁的腐蚀情况。利用本发明提供的方法，光栅不是大面积制备在器件表面，因此在台面腐蚀时，表面的光栅不会影响到台面侧壁的腐蚀，从而减少由于侧壁不平整引起的损耗，进一步提高分布反馈激光器的性能。

附图说明

图1是本发明的利用全息曝光系统制备氮化硅光栅掩膜过程示意图；

图2是本发明的特定面积的器件表面光栅的制备过程示意图；

图3是在表面光栅下制备激光器台面示意图；

图4是低损耗台面光栅的SEM图；

图5是利用本发明制备的激光器的单模激射光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于全息曝光技术的中红外激光器低损耗台面光栅的制备方法，主要发明内容包括：(1)利用等离子增强化学气相淀积、全息曝光和反应离子刻蚀技术，在器件表面制备大面积的氮化硅光栅层；(2)通过光刻和干法刻蚀的方法，在器件表面制备特定面积的光栅；(3)通过光刻和湿法腐蚀技术，在光栅下方制备激光器台面。

1、制备大面积的氮化硅光栅层

为了便于在器件表面制备特定面积的光栅，需要在刻蚀光栅时，在光栅掩膜上面再做一层图形掩膜，以确定光栅制备的图形。因为图形掩膜需要用光刻胶制备，因此光栅掩膜不能选用光刻胶，因此选择了利用氮化硅做光栅掩膜，在器件表面制备一层氮化硅的光栅掩膜层。制备过程中全息曝光采用的自行搭建的全息曝光系统，氮化硅光栅层的制备过程示意图，如图1所示。

(1)器件表面经过清洗后，利用PECVD在器件表面生长一层氮化硅薄膜。由全息曝光的特点决定，曝光的光强较弱，因此利用全息曝光制备光栅的光刻胶掩膜时，光刻胶的厚度不能太厚，最好在100nm～200nm。而在本发明中，氮化硅的光栅是通过RIE的方法由光刻胶转移到氮化硅薄膜上的，而在考虑到RIE的物理刻蚀不能忽略的前提下，在器件表面生长了较薄的氮化硅薄膜，厚度在100nm左右。

(2)光栅的光刻胶掩膜由全息曝光系统制备。单色光由He-Cd激光器激射，它首先经过两个高反镜进入全息曝光系统。进入全息曝光系统的单色光经透镜汇聚，然后经过空间滤波器扩束，扩束后的单色光经透镜形成平行光束。一部分平行光直接入射到需要制备全息光栅的衬底片上，另一部分平行光入射到高反镜上，反射到衬底上，这两束光之间发生干涉并在涂有光刻胶的衬底片上形成明暗相间的干涉条纹从而达到曝光的效果，曝光后的光掩膜通过显影形成光栅，其周期

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}$

其中λ为光源波长，θ为入射角。光栅周期的平均精度可以控制在0.1nm。

光栅的光刻胶掩膜制备好之后，再通过RIE的方法，将光栅结构转移到氮化硅薄膜上，然后清洗光刻胶，这样就在器件表面形成了一层氮化硅的光栅掩膜。

2、特定面积的光栅制备

利用氮化硅制备光栅掩膜的作用主要是方便二次光刻，在氮化硅光栅掩膜上制作光刻胶图形掩膜，从而在进一步的光栅刻蚀中制备特定面积的光栅。具体步骤可见图2。

(1)要制备特定面积的光栅图形，首先要在氮化硅光栅掩膜上制备光刻胶掩膜图形。为了便于后续的台面制备工艺，仅在有台面的地方制备光栅。选择和台面结构相似的光刻版图，但是版图尺寸要比台面结构略小，具体尺寸要参考台面制备时的侧向腐蚀作用。利用光刻胶AZ5214的反转特性，在氮化硅光栅掩膜上制备光栅刻蚀窗口。由于采用了一样的光刻版图，氮化硅上的光刻胶窗口图形和台面图形相同。

(2)利用氮化硅和光刻胶双层掩膜，通过ICP刻蚀的方法在器件表面制备光栅，该光栅仅存在于光刻胶形成的光栅刻蚀窗口上。

(3)光栅制备好之后，首先用有机试剂丙酮去除氮化硅表面的光刻胶，再利用氢氟酸的缓释剂去除器件表面的氮化硅。

3、激光器台面的制备

激光器台面的制备比较简单，主要是台面的掩膜图形和光栅图形对准，因此制备台面时，台面图形的两侧没有光栅图形，因此台面的侧面会比较干净，减小激光器的损耗，具体过程见图4。

(1)首先光刻制备激光器台面的光刻胶掩膜，由于制备光栅窗口和台面图形所用的光刻版图相似，因此台面图形和光栅窗口的对准会比较简单。经过光刻后，在激光器表面形成台面的光刻胶掩膜图形，已制备好的光栅被光刻胶覆盖。

(2)利用湿法腐蚀的方法制备激光器台面。器件经过坚膜后进行台面的腐蚀。由于考虑到过多的侧向腐蚀会重新引入光栅对台面损耗的影响，应该选择各向异性较好的腐蚀液。腐蚀液的侧向腐蚀和激光器台面上光栅层的宽度要综合考虑，如果侧向腐蚀比较严重，光栅层的宽度和台面宽度比较接近，则激光器台面的侧壁会受到表面光栅的影响，产生损耗，降低激光器的性能；如果腐蚀液各向异性较好，而光栅层的宽度又远小于台面的宽度，有可能导致台面腐蚀完成后，台面不能完全被光栅覆盖，这会影响激光器光栅的反馈效果，使激光器单模特性变差。因此要综合考虑腐蚀液的侧向腐蚀情况和光栅层的宽度，使得台面腐蚀完成后，台面的侧壁不会受到光栅层的影响，又要台面完全被光栅覆盖。

下面以激射波长为7.6μm的分布反馈量子级联激光器的制备为例进一步说明本发明。

利用本发明制备低损耗台面光栅的7.6μm的分布反馈量子级联激光器，具体实施步骤包括以下几个方面：(1)利用全息曝光和RIE方法制备光栅氮化硅掩膜层；(2)光刻制备光栅刻蚀窗口；(3)湿法腐蚀台面，制备低损耗台面光栅。

(1)首先清洗衬底：将InP衬底依次用四氯化碳、丙酮、乙醇超声清洗3次，然后用去离子水冲洗、氮气吹干；再置于烘箱内烘焙。然后PECVD淀积Si₃N₄，将烘焙好的InP衬底放入PD-I型等离子淀积台，在一定条件下淀积Si₃N₄，淀积厚度100nm。在氮化硅薄膜上旋涂光刻胶，所用光刻胶由光刻胶S6809与稀释剂E2以体积比1∶2配制而成，在转速6000rad/min的条件下旋涂30s，得到光刻胶厚度在120-150nm之间。将旋涂过光刻胶的样品置于100℃的热板上烘焙2min后进行全息曝光，衍射夹角为10°40′，得到干涉条纹的周期为1.2μm。显影用显影液液由MF320显影剂与去离子水以体积比2∶1配成而成，显影时间为20s。将显影后的样品放入RIE-3型刻蚀机，在适当的条件下刻蚀Si₃N₄，刻蚀深度110nm。刻蚀后的样品用丙酮、乙醇超声清洗，然后去离子水冲洗，氮气吹干，去除残余的光刻胶。

(2)将清洗好的器件放入烘箱干燥后涂布光刻胶，光刻胶为S9809，转速为2500rad/min，光刻胶厚度约为800nm，100℃热板前烘后进行光刻。综合考虑后续台面腐蚀时侧向腐蚀的情况和台面预设的宽度，选择光栅刻蚀窗口的宽度分别为6μm，8μm，10μm，12μm，对应的预设台面宽度为14μm，16μm，18μm和20μm。曝光时间为8s，显影时间为6s，显微镜观察后，放入Oxford公司Plasmalab System 100 ICP刻蚀机，在选定条件下刻蚀，刻蚀深度700nm。刻蚀后的器件先经丙酮、乙醇等有机试剂去除光刻胶后，再利用HF∶NH₄F∶H₂O₂以体积比为3∶6∶9配制成的溶液中漂洗，以去除残余的Si₃N₄，然后用去离子水冲洗、氮气吹干。即能在衬底材料上形成了周期为1.2μm的光栅。

(3)将刻有表面光栅的器件放入烘箱干燥后涂布光刻胶，光刻胶为S9809，转速为2500rad/min，光刻胶厚度约为800nm，100℃热板前烘后进行台面图形光刻，台面宽度为14μm，16μm，18μm和20μm。曝光时间为8s，显影时间为6s，显微镜观察后放入烘箱120℃坚膜40min。器件台面的制备采用湿法腐蚀的方法，腐蚀液为利用HBr∶HNO₃∶H₂O以(请说明是体积比还是质量比)为1∶1∶8配制而成，腐蚀速度约为2μm/min，各向同性，侧向腐蚀速度与垂直腐蚀速度相近。腐蚀深度约为4μm，腐蚀完成后，台面宽度约为6μm，台面两侧侧壁光滑，未受到表面光栅的影响。腐蚀完成后的图片见图4。

利用本发明实现了利用全息曝光系统制备低损耗台面光栅，光栅仅存在于台面上方，台面腐蚀时，台面两侧没有光栅，台面侧壁的腐蚀不受光栅的影响，侧壁光滑，损耗小。通过本发明，制备激射波长为7.6μm的分布反馈量子级联激光器，该激光器可以连续工作在150K温度下，实现单模激射，边模抑制比为30db，激射光谱图见图5。

不难发现，本发明首先利用全息曝光技术制备光栅的光刻胶掩膜，再通过RIE将光栅图形转移到氮化硅薄膜上；然后在氮化硅的光栅掩膜上制作光栅刻蚀窗口，通过ICP刻蚀光栅，使得器件表面仅有台面的位置上刻有光栅，且光栅面积不大于台面的面积；最后利用湿法腐蚀的方法制备激光器台面，通过控制湿法腐蚀的侧向腐蚀以及光栅的覆盖面积，使光栅完全覆盖激光器的台面，且不会影响到激光器侧壁的腐蚀情况。利用本发明提供的方法，光栅不是大面积制备在器件表面，因此在台面腐蚀时，表面的光栅不会影响到台面侧壁的腐蚀，从而减少由于侧壁不平整引起的损耗，进一步提高分布反馈激光器的性能。

Claims (4)

1.一种中红外激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备氧化硅光栅层：利用等离子体增强化学气相沉积法在器件表面生长一层氮化硅薄膜；利用全息曝光的方法在氮化硅薄膜上制备全息光栅掩膜；采用反应离子刻蚀的方法将光栅图形转移到氮化硅膜上，形成了一层氮化硅的光栅掩膜；

（2）在有台面的位置上制备反馈光栅：选择和台面结构相似的光刻版图，在氮化硅的光栅掩膜上制备光刻胶掩膜图形，并在氮化硅的光栅掩膜上制备光栅刻蚀窗口；利用氮化硅和光刻胶双层掩膜，通过ICP刻蚀的方法在器件表面制备光栅，使得光栅完全覆盖在器件所要制备台面的位置上；

（3）制备激光器台面。

2.根据权利要求1所述的中红外激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）全息曝光方法通过全息曝光系统完成，所述全息曝光系统包括透镜、空间滤波器、衬底片和高反镜；进入全息曝光系统的单色光经透镜汇聚，然后经过空间滤波器扩束，扩束后的单色光经透镜形成平行光束；一部分平行光直接入射到需要制备全息光栅的衬底片上，另一部分平行光入射到高反镜上，再反射到衬底上，这两束平行光之间发生干涉并在涂有光刻胶的衬底片上形成明暗相间的干涉条纹实现曝光，曝光后的光掩膜通过显影形成全息光栅掩膜。

3.根据权利要求1所述的中红外激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中制备激光器台面还包括以下子步骤，先去除氮化硅薄膜，再涂覆光刻胶掩膜，通过普通光刻的方法将台面图形制作在光刻胶上，台面图形与表面光栅对准，再通过湿法腐蚀的方法将台面图形转移到器件上。

4.根据权利要求3所述的中红外激光器的制备方法，其特征在于，所述湿法腐蚀采用的腐蚀液为由HBr、HNO₃和H₂O按体积比1:1:8的比例配置而成。

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