CN102738698B - 一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法。在晶圆基板上沉积第一掩膜层；用紫外光刻和第一刻蚀工艺刻蚀第一掩膜层制作出台面，台面侧壁的位置位于制作深亚微米刻蚀槽的位置；再在台面表面沉积第二掩膜层；利用第二刻蚀工艺刻蚀掉在台面正表面的第二掩膜层；利用第三刻蚀工艺刻蚀掉台面第一掩膜层，保留两根柱体；在晶圆基板上表面旋涂第三掩膜层填平并覆盖柱体，回刻第三掩膜层暴露柱体；利用第四刻蚀工艺去除两根柱体形成深亚微米刻蚀槽的第三掩膜层掩膜，以第三掩膜层剩余部分作为掩膜，在晶圆基板上刻蚀出深亚微米刻蚀槽。本发明避免了采用电子束曝光、深紫外光刻或纳米压印等工艺的高额成本，且掩膜侧壁具有更高垂直度。
Description
技术领域
本发明涉及一种深亚微米刻蚀槽制作方法，特别是涉及半导体激光器和光电子集成器件中一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法。
背景技术
在光通信领域，光纤的发展为通信产业的历史改变了长距离数字通信的工作模式。而在光纤通信光源制作技术领域，目前多种形式的各类激光光源的进一步发展和与其他期间的大规模集成，也将大大改变当前光通信领域的现状，对军事及民用通信系统的开发产生深远影响。如同IC芯片的概念，半导体激光器（Laser Diode，简称LD）就是利用与传统半导体工艺（Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS）兼容的制备技术， 将半导体光源模块制作在晶圆基板（wafer）上，有助于光通讯组件集成化、缩小体积，并可以与其他光波导器件进一步集成，减少封装次数。这使得半导体激光器器件与诸如光纤激光器、固体激光器等传统的分立光学器件激光器相比，具有大规模生产的能力，且成本低，稳定性高，集成度高，具有较强的器件整合等能力，是组成各种光纤通信系统的核心元件。
所谓半导体激光器，也就是说在半导体器件上通过制作波导和谐振腔，形成激光器。最常见通信用半导体激光器，由于其通信波长需要，使用磷化铟（InP）量子阱片制作。基于半导体的激光器器件类型包括：法布里-泊罗激光器（Fabry-Perot Laser）、分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser)、分布式布拉格光栅反射器激光器(Distributed Bragg-gratings Reflector Laser)等。在这些激光器中，多种重要的结构，包括光栅结构、反射器结构，均通过一个或多个刻蚀槽的结构特性实现。而刻蚀槽的制作，极大地依赖于光刻工艺的精度水平。
下面分别以磷化铟基上的基于刻蚀槽的半导体激光器为例，介绍半导体激光器上刻蚀槽的标准制作工艺，整个工艺分为四步：
1）在需要刻蚀的器件上均匀涂覆光刻胶并匀胶和烘烤；
2）使用对应的掩膜进行光刻，通过显影、定影、清洗工艺，将不需要的刻蚀槽图形的部分用光刻胶保护起来，暴露出需要去掉的刻蚀槽区域；
3）采用感应耦合等离子体刻蚀（Inductively Coupled Plasma，简称ICP），将刻蚀槽区域刻蚀掉，形成刻蚀槽；
4）采用ICP工艺或湿法清洗，去掉光刻胶，形成所需的刻蚀槽。
半导体激光器刻蚀槽制作工艺中的几个关键点：
1) 匀胶及烘烤工艺，要求针对不同的刻蚀材料，选择正确的光刻胶，并通过正确的甩胶和烘烤，将所需厚度的光刻胶制作在晶圆基板上；
2) 光刻工艺，要求通过准确的曝光、显影和定影控制，将掩膜板上的图案转移到光刻胶层上；
3) ICP刻蚀工艺，要求精确控制刻蚀气体比例及所加刻蚀功率，在取得合适的刻蚀选择比的情况下，得到垂直、光滑、连续的刻蚀表面及准确的刻蚀深度；
上文提到的第二个工艺难点，即光刻工艺，基本决定了所制作的刻蚀槽的表面特征和尺寸特征。而这些特征，决定了刻蚀槽在激光器结构中所能起到的具体作用及特性，如反射率、损耗等。
在采用紫外光刻工艺的前提下，半导体激光器的刻蚀槽结构尺寸极限通常在0.5-1μm左右，在使用中会有较大的损耗，且无法进一步制作尺寸精度要求较高的布拉格光栅等结构。
目前，国内外常用的几种解决方法包括使用深紫外光刻（EUV-Lithography），纳米压印技术（Nanometer Imprinting），电子束光刻（E-Beam Lithography）等。这些技术的光刻精度均能超越紫外光刻的极限，达到深亚微米甚至纳米级别的精度。但是这些技术的采用均需将现有设备更新换代，所需资金较大，也需要更精密的工艺调节才能实现。
发明内容
针对背景技术中所提到的几种深亚微米刻蚀技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，通过在现有的光刻工艺中增加几个步骤，使用紫外光刻工艺制作深亚微米金属掩膜，并通过此金属掩膜，使用紫外光刻工艺制作深亚微米光刻胶掩膜，并通过此光刻胶掩膜，实现紫外光刻工艺下的深亚微米刻蚀槽结构制作。
本发明采用的技术方案的步骤如下：
a． 在晶圆基板上制作第一掩膜层；
b． 在第一掩膜层上用紫外光刻和第一刻蚀工艺刻蚀第一掩膜层制作出刻穿台面或非刻穿台面，台面侧壁的位置对应位于制作深亚微米刻蚀槽的位置；
c． 再在晶圆基板上表面和刻穿台面表面制作第二掩膜层；或在非刻穿台面表面沉积第二掩膜层；
d． 利用第二刻蚀工艺刻蚀掉在晶圆基板上表面和刻穿台面上表面的第二掩膜层，保留刻穿台面侧壁上的第二掩膜层侧面部分；或利用第二刻蚀工艺刻蚀掉非刻穿台面上表面的第二掩膜层，保留非刻穿台面侧壁上的第二掩膜层侧面部分；
e．利用第三刻蚀工艺刻蚀掉刻穿台面的第一掩膜层，形成独自竖立的两根第二掩膜层柱体；或利用第三刻蚀工艺刻蚀掉除第二掩膜层侧面部分和其正下方同一宽度所述第一掩膜层剩余部分的非刻穿台面，形成独自竖立的两根混合柱体；
f． 在晶圆基板上表面制作第三掩膜层，填平并覆盖两根柱体，回刻第三掩膜层直到两根柱体暴露；或在晶圆基板上表面制作第三掩膜层，填平并覆盖两根混合柱，回刻第三掩膜层直到所述第一掩膜层剩余部分暴露；
g．利用第四刻蚀工艺去除两根柱体，形成深亚微米刻蚀槽的第三掩膜层掩膜；或利用第四刻蚀工艺去除两根混合柱，形成深亚微米刻蚀槽的第三掩膜层掩膜；
h． 以第三掩膜层剩余部分作为掩膜，在晶圆基板上刻蚀出深亚微米刻蚀槽。
所述第一掩膜层为二氧化硅层，第二掩膜层为铬金属层, 第三掩膜层为光刻胶层。
所述第一掩膜层的厚度为2-2.75μm，采用二氧化硅作为第一掩膜层2时使用等离子体增强化学气相沉积法制作；所述第二掩膜层厚度为100-200nm，采用铬金属作为第二掩膜层时，采用磁控溅射机进行制作；所述第三掩膜层厚度为1.2-1.9μm，采用光刻胶作为第三掩膜层时使用旋涂，烘烤方式制作。
所述刻穿台面或非刻穿台面的台面高度为1-3倍深亚微米刻蚀槽的宽度。
所述第一刻蚀工艺和第三刻蚀工艺是各向异性的，基于四氟化碳和三氟甲烷的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
所述第二刻蚀工艺是各向异性的，基于氯气和氧气的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
所述第三掩膜层的厚度为0.8-1.5倍的柱体或混合柱体高度。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明描述了一种基于紫外光刻工艺制作的深亚微米刻蚀槽的方法，通过使用深亚微米柱形结构作为反向掩膜进行进一步制作，实现紫外光刻工艺下的深亚微米刻蚀槽结构制作，避免采用更精密的工艺。此类深亚微米刻蚀槽结构可以但不限于应用在激光器的反射光栅或反射器之中，用以减少损耗并更精确的控制刻蚀槽的功能特性。采用本发明基于紫外光刻工艺制作的具有深亚微米刻蚀槽结构的光电子器件，具有低成本、高性能和多功能的特点，采用此方法制作的深亚微米刻蚀槽结构在半导体激光器等领域有很大应用前景。
附图说明
图1是在晶圆基板沉积一层第一掩膜层图；
图2是在第一掩膜层上制作台面图；
图3是在第一掩膜层及晶圆基板沉积第二掩膜层图；
图4刻蚀第二掩膜层，保留第二掩膜层侧面部分图；
图5去除台面，形成柱体或混合柱体图；
图6是在晶圆基板表面形成填平柱体或混合柱体的第三掩膜层图；
图7刻蚀第三掩膜层直至暴露柱体或混合柱体；
图8去除柱体或混合柱体后的第三掩膜层剩余部分；
图9以第三掩膜层剩余部分作为掩膜层，制作出深亚微米刻蚀槽；
图10是图5b实施例1中使用金属铬生成混合柱体的实物图；
图11是图8实施例1中得到的深亚微米光刻胶掩膜层的实物图；
图12是图9实施例1中最终形成的深亚微米刻蚀槽结构的实物图；
图13是一个可采用本发明方法进行制作的基于分布刻蚀槽反射镜的可调谐激光器结构的示意图；
图14是由本发明方法制作的基于分布刻蚀槽反射镜的可调谐激光器的多信道光谱图。
图中：1、晶圆基板，2、第一掩膜层，3、刻穿台面，4、非刻穿台面，5、第二掩膜层，6、第二掩膜层侧面部分，7、柱体，8、混合柱体，9第三掩膜层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
为了在标准光刻工艺中制作半导体激光器所需的深亚微米刻蚀槽，需要采用图1-9所示的本发明所阐述的深亚微米刻蚀槽制作方法。
本发明采用的步骤如下：
如图1所示，在晶圆基板1沉积一层二氧化硅薄膜即第一掩膜层2。
然后如图2（a）在第一掩膜层2上用紫外光刻方法和第一等离子体刻蚀配方刻蚀掉全部二氧化硅层制作出二氧化硅刻穿台面3；或如图2（b）所示，在二氧化硅薄膜2上用紫外光刻方法和第一等离子体刻蚀配方刻蚀掉部分二氧化硅层制作出二氧化硅非刻穿台面4；这两种台面侧壁的位置都对应位于制作深亚微米刻蚀槽的位置。
如图3（a）在第二掩膜层2及晶圆基板上使用磁控溅射机沉积一层铬金属层作为第二掩膜层5；或如图3（b）在二氧化硅层2上使用磁控溅射机沉积一层铬金属层作为第二掩膜层5。
如图4（a） 利用第二刻蚀工艺刻蚀掉在晶圆基板1上表面和刻穿台面3上表面的第二掩膜层5，保留刻穿台面3侧壁上的第二掩膜层侧面部分6；或如图4（b）利用第二刻蚀工艺刻蚀掉非刻穿台面4上表面的第二掩膜层5，保留非刻穿台面4侧壁上的第二掩膜层侧面部分6。
利用第三刻蚀工艺刻蚀掉刻穿台面3，形成如图5（a）所示的独自竖立的两根柱体7；或利用第三刻蚀工艺刻蚀掉除第二掩膜层侧面部分6和其正下方同一宽度所述第一掩膜层2剩余部分的非刻穿台面4，形成如图5（b）所示的独自竖立的两根混合柱体8，混合柱体8的实物图如图10所示。
如图6（a）所示， 在晶圆基板1上表面制作第三掩膜层9，填平并覆盖两根柱体7，并如图7（a）所示，回刻第三掩膜层9直到两根柱体7暴露；或如图6（b）所示，在晶圆基板1上表面制作第三掩膜层9，填平并覆盖两根混合柱8，并如图7（b）所示回刻第三掩膜层9直到所述第一掩膜层2剩余部分暴露。
利用第四刻蚀工艺去除两根柱体7，形成如图8所示的由第三掩膜层9剩余部分组成的深亚微米刻蚀槽掩膜；或利用第四刻蚀工艺去除两根混合柱8，形成如图8所示的由第三掩膜层9剩余部分组成的深亚微米刻蚀槽掩膜；此剩余部分组成的掩膜实物图如图11所示。
以图8所示的第三掩膜层9剩余部分作为掩膜，在晶圆基板1上刻蚀出如图9所示的深亚微米刻蚀槽，此结构实物图如图12所示。
所述第一掩膜层2为二氧化硅层，第二掩膜层5为铬金属层, 第三掩膜层9为光刻胶层。
所述第一掩膜层2的厚度为2-2.75μm，采用二氧化硅作为第一掩膜层2时使用PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ，等离子体增强化学气相沉积法)制作；所述第二掩膜层5厚度为100-200nm，采用铬金属作为第二掩膜层5时，采用磁控溅射机进行制作；所述第三掩膜层9厚度为1.2-1.9μm，采用光刻胶作为第三掩膜层9时使用旋涂，烘烤方式制作。
所述刻穿台面3或非刻穿台面4的台面高度为1-3倍深亚微米刻蚀槽的宽度，为500-700μm。
所述第一刻蚀工艺和第三刻蚀工艺是各向异性的，基于四氟化碳和三氟甲烷的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
所述第二刻蚀工艺是各向异性的，基于氯气和氧气的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
所述第三掩膜层9的厚度为0.8-1.5倍的柱体7或混合柱体8高度，即厚度为1.1-1.4μm。
实施例1：
在铟镓砷磷量子阱晶圆基板上进行制作，使用等离子体增强化学气相沉积法，使用硅烷及一氧化二氮气体进行反应，在铟镓砷磷量子阱晶圆基板上沉积二氧化硅层；使用光刻机及标准光刻工艺经过旋涂、烘烤、曝光、显影、清洗工艺在二氧化硅层上制作掩膜，并以此掩膜使用感应耦合等离子体刻蚀对沉积得到的二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀气体为四氟化碳和三氟甲烷的混合气体，控制刻蚀深度，将刻蚀时间定为两分三十秒，并使用30秒的氧清洗工艺取出光刻胶，得到二氧化硅非刻穿台面；在整个表面上使用磁控溅射机溅射一层铬金属，溅射参数为5毫托气压惰性气体氩气保护，12分钟溅射时间，250瓦溅射功率，得到的铬层厚度为150nm；使用感应耦合等离子体刻蚀，使用氯气、氧气的混合气体作为刻蚀气体，对表面的铬金属进行刻蚀，留下侧壁上的金属铬；再次使用刻蚀气体为四氟化碳和三氟甲烷的混合气体对剩余二氧化硅层进行刻蚀，得到如图10所示的混合柱状结构实物；使用旋转匀胶机进行光刻胶的旋涂，使用AZ5214型光刻胶，旋涂分为3秒2000转每秒的预旋涂和29秒3000转每秒的旋涂阶段，旋涂完后在250℃下进行5分钟烘烤；对此结构使用感应耦合等离子体刻蚀及光刻胶刻蚀配方对光刻胶进行刻蚀，刻蚀时间为35秒，暴露出二氧化硅结构；使用氢氟酸缓冲溶液（其中氢氟酸、氟化铵溶液和去离子水的比例为1:1:8）对二氧化硅层进行湿法刻蚀,，去掉二氧化硅层及附带的铬层，得到如图11所示的深亚微米光刻胶掩膜结构；使用此光刻胶掩膜结构对磷化铟层进行刻蚀，使用氯气、氢气、甲烷及氩气的混合气体作为刻蚀气体，使用感应耦合等离子体刻蚀法进行刻蚀，刻蚀时间为4分30秒，得到如图12所示的在铟镓砷磷量子阱晶圆基板上的深亚微米刻蚀槽结构。
实施例2：
使用等离子体增强化学气相沉积法，在晶圆基板上沉积二氧化硅层；使用光刻机及标准光刻工艺经过旋涂、烘烤、曝光、显影、清洗工艺在二氧化硅层上制作掩膜，并以此掩膜使用感应耦合等离子体刻蚀对沉积得到的二氧化硅层进行刻蚀，刻蚀气体为四氟化碳和三氟甲烷的混合气体，将未被光刻胶掩膜保护的部分完全刻蚀去掉，得到二氧化硅刻穿台面；在整个表面上使用磁控溅射机溅射一层铬金属；使用感应耦合等离子体刻蚀，使用氯气、氧气的混合气体作为刻蚀气体，对表面的铬金属进行刻蚀，留下侧壁上的金属铬；再次使用刻蚀气体为四氟化碳和三氟甲烷的混合气体对剩余二氧化硅层进行刻蚀，得到单一刻穿柱状结构；使用旋转匀胶机进行光刻胶的旋涂、烘烤；对此结构使用感应耦合等离子体刻蚀及光刻胶刻蚀配方对光刻胶进行刻蚀，暴露出单一柱状结构；使用湿法刻蚀对单一柱状结构进行湿法刻蚀,，去掉单一柱状结构，得到深亚微米光刻胶掩膜结构；使用此光刻胶掩膜结构对晶圆基板进行刻蚀，得到晶圆基板上的深亚微米刻蚀槽结构；
根据本发明描述的基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽结构的具体实施方式及实施例中所得结果，采用本方法可以在晶圆基板上实现宽度可小于200nm，深度大于1μm的深亚微米刻蚀槽刻蚀。因此本发明提出的基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽结构完全可以用于如图13所示例的基于分布刻蚀槽反射镜的可调谐激光器中所需的刻蚀槽光栅结构的制作，所需的深亚微米刻蚀槽的数量可根据台面数量改变。
图14为测量得到的由本发明方法制作的基于分布式深亚微米刻蚀槽反射镜的可调谐激光器，即图13中所示意结构的激光器实物成品的多信道光谱图。此光谱图表明采用本发明方法制作深亚微米刻蚀槽结构的器件在1.55μm附近具有良好的波长调谐特性，可较好的应用在光纤通信领域，特别是波长复用的光纤通信系统之中。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
a．在晶圆基板（1）上制作第一掩膜层（2）；
b．在第一掩膜层（2）上用紫外光刻和第一刻蚀工艺刻蚀第一掩膜层（2）制作出刻穿台面（3）或非刻穿台面（4），台面侧壁的位置对应位于制作深亚微米刻蚀槽的位置；
c．再在晶圆基板（1）上表面和刻穿台面（3）表面制作第二掩膜层（5）； 或在非刻穿台面（4）表面沉积第二掩膜层（5）；
d．利用第二刻蚀工艺刻蚀掉在晶圆基板（1）上表面和刻穿台面（3）上表面的第二掩膜层（5），保留刻穿台面（3）侧壁上的第二掩膜层侧面部分（6）；或利用第二刻蚀工艺刻蚀掉非刻穿台面（4）上表面的第二掩膜层（5），保留非刻穿台面4侧壁上的第二掩膜层侧面部分（6）；
e．利用第三刻蚀工艺刻蚀掉刻穿台面（3）的第一掩膜层（2），形成独自竖立的两根第二掩膜层柱体（7）；或利用第三刻蚀工艺刻蚀掉除第二掩膜层侧面部分（6）和其正下方同一宽度所述第一掩膜层（2）剩余部分的非刻穿台面（4），形成独自竖立的两根混合柱体（8）；
f．在晶圆基板1上表面制作第三掩膜层（9），填平并覆盖两根柱体（7），回刻第三掩膜层（9）直到两根柱体（7）暴露；或在晶圆基板（1）上表面制作第三掩膜层（9），填平并覆盖两根混合柱（8），回刻第三掩膜层（9）直到所述第一掩膜层2剩余部分暴露；
g．利用第四刻蚀工艺去除两根柱体（7），形成深亚微米刻蚀槽的第三掩膜层（9）掩膜；或利用第四刻蚀工艺去除两根混合柱（8），形成深亚微米刻蚀槽的第三掩膜层（9）掩膜；
h．以第三掩膜层（9）剩余部分作为掩膜，在晶圆基板（1）上刻蚀出深亚微米刻蚀槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述第一掩膜层（2）为二氧化硅层，第二掩膜层（5）为铬金属层, 第三掩膜层（9）为光刻胶层。
3.根据权利要求2所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述第一掩膜层（2）的厚度为2-2.75μm，采用二氧化硅作为第一掩膜层（2）时使用等离子体增强化学气相沉积法制作；所述第二掩膜层（5）厚度为100-200nm，采用铬金属作为第二掩膜层（5）时，采用磁控溅射机进行制作；所述第三掩膜层（9）厚度为1.2-1.9μm，采用光刻胶作为第三掩膜层（9）时使用旋涂，烘烤方式制作。
4.根据权利要求1所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述刻穿台面（3）或非刻穿台面（4）的台面高度为1-3倍深亚微米刻蚀槽的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述第一刻蚀工艺和第三刻蚀工艺是各向异性的，基于四氟化碳和三氟甲烷的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
6.根据权利要求1所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述第二刻蚀工艺是各向异性的，基于氯气和氧气的感应耦合等离子体刻蚀方法制作。
7.根据权利要求1所述的一种基于紫外光刻工艺的深亚微米刻蚀槽制作方法，其特征在于：所述第三掩膜层（9）的厚度为0.8-1.5倍的柱体（7）或混合柱体（8）高度。
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