CN104901160A - 分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法 - Google Patents

Abstract

一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，包括如下步骤：步骤1：取一外延片；步骤2：在该外延片的表面涂覆光刻胶，通过纳米压印工艺，在该外延片表面的光刻胶上制作出光栅图形；步骤3：清洁感应耦合等离子体反应室；步骤4：将制作有光栅图形的外延片放入感应耦合等离子体反应室中进行刻蚀，刻蚀出压印的光栅图形；步骤5：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理；步骤6：把清洁处理后的外延片放入负胶去膜剂中加热处理，然后再用异丙醇进行清洁，完成制备。利用本方法制作出带有内置光栅的分布反馈激光器，从而使得激光器稳定地单纵模工作。

Description

分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，设计干法刻蚀工艺，具体地说涉及一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法。

背景技术

普通结构的F-P腔半导体激光器，即使在直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状态下就会发生光谱展宽。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，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。单纵模分布反馈(DFB)激光器的就是这样一种半导体激光器，其分布反馈的强弱与光栅的级数，光栅形状、深度，光栅的占空比等因素有关。基于纳米压印制作的光栅可以小到一般光刻达不到的光栅周期，即利用纳米压印可以得到一般光刻得不到的一级光栅。但是，对压印光栅的刻蚀又是光栅制作中极其重要的一步，正确的刻蚀方法才能够保证光栅的深度、形状等。化学湿法腐蚀技术很早就已应用于各种半导体材料的图形转移，然而一般的湿法腐蚀刻制光栅，大面积上的均匀性较差，成品率和重复性不好，光栅深度有限。为了克服湿法腐蚀的缺点，近年来采用的干法刻蚀工艺使激光器的制作成品率和器件性能都得到了提高。

干法刻蚀又分为物理干法刻蚀和化学干法刻蚀。物理刻蚀具有很好的离子方向性，可刻蚀出垂直的侧面形貌。但物理刻蚀过程中掩膜与被刻蚀的材料会同时被刻蚀。化学干法刻蚀也称为等离子刻蚀(PE)，它具有对基底材料和掩膜刻蚀高选择比的特点，但同时也有各向同性的缺点。因此，目前最广泛使用的干法刻蚀是结合物理性离子轰击和化学反应的干法刻蚀。本次实验中采用的是三种气体的混合气体，使用CH4和H2混合气体对材料进行反应离子腐蚀，采用Ar作为轰击离子可以激活样品表面，刺激挥发性产生物的形成和吸收，同时这些气体还可以作为稀释剂，减少聚合物的沉积。

刻蚀完成后对残余光刻胶的清除同样很重要，如果在外延片中留有胶状物不仅影响激光器的出光效率还可能会降低器件的光学灾变损伤(COD)阈值，使器件的可靠性受到了很大的降低。采用氧等离子体对外延片进行清洁处理，可以有效的去除纳米压印胶和刻蚀过程中生成的聚合物。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，该方法制作出带有内置光栅的分布反馈激光器，从而使得激光器稳定地单纵模工作。

为了实现上述目的，本发明提供一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一外延片；

步骤2：在该外延片的表面涂覆光刻胶，通过纳米压印工艺，在该外延片表面的光刻胶上制作出光栅图形；

步骤3：清洁感应耦合等离子体反应室；

步骤4：将制作有光栅图形的外延片放入感应耦合等离子体反应室中进行刻蚀，刻蚀出压印的光栅图形；

步骤5：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理；

步骤6：把清洁处理后的外延片放入负胶去膜剂中加热处理，然后再用异丙醇进行清洁，完成制备。

本发明的有益效果是良好地制作出分布反馈激光器，保证激光器在高速调制等不同条件下稳定地单纵模工作。普通的F-P激光器虽然在直流工作状态下能够获得单纵模工作，但是其纵模谱宽很宽，随着温度、电流等因素的光谱漂移也很大，一定程度上限制了其应用。分布反馈半导体激光器很好的解决了这种问题。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一个完成一次外延的GaAs衬底片，其光栅层的材料为GaInP，厚度约为100nm。

步骤2：在该外延片的表面涂覆光刻胶，通过纳米压印工艺，这里采用的是紫外压印的方法，在该外延片表面的光刻胶上制作出光栅图形。

步骤3：清洁感应耦合等离子体反应室，保证实验的可重复性，减小外部污染等带来的不利影响。首先使用O₂和SF₆的混合气体处理3分钟，再使用O2处理3分钟，这种处理方法主要是清除腔室中残余的有机聚合物等污染物。清洁时使用的射频功率为100W、感应耦合功率为1500W；

步骤4：将制作有光栅图形的外延片放入已经清洁完毕的感应耦合等离子体反应室中准备刻蚀。

刻蚀时向感应耦合等离子体反应室中充入的反应气体为Ar/CH₄/H₂的混合气体。Ar气一般作为辅助气体，一方面利用其物理轰击作用减少反应过程中的聚合物的沉积，另一方面，提升刻蚀后的样品表面平整度。同时加入Ar气也使工作气体更容易起辉。但是Ar气流量太大会造成物理刻蚀严重，影响光栅的图形深度，因此这里选用Ar气的流量为6sccm。

调整CH₄和H₂的相互比例，可以改善刻蚀过程中的各向异性，通过一系列的实验，我们采用的CH4的流量为7sccm、H₂的流量为20sccm，以达到最佳的刻蚀形状。

刻蚀时反应室中的压强设为60mTorr，射频功率为150W，感应耦合功率为0。这里仅加射频功率，是为了保持低的刻蚀速率，以避免对掩膜的快速消耗。

最后设定刻蚀时间为2min20secs，完成准备工作后，对外延片进行刻蚀。

步骤5：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理，这次外延后的清洁主要是为了去除外延片表面生成的聚合物和光刻胶。清洁气体为O₂，其流量为30sccm，添加的射频功率为100W，感应耦合功率为0。

步骤6：把刻蚀好的外延片放入聚四氟容器中，倒入负胶去膜剂，加热至微沸保持12-15分钟，以去除残余的光刻胶。接着清洗负胶去膜剂，首先用去离子水把外延片冲洗干净，然后用异丙醇清洗，最后用甩胶机甩干，完成二次外延前处理。

制备好的GaInP材料的光栅周期约为148nm，光栅条宽约为56nm，光栅深度为50nm左右，填充因子约为38％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一外延片；

步骤2：在该外延片的表面涂覆光刻胶，通过纳米压印工艺，在该外延片表面的光刻胶上制作出光栅图形；

步骤3：清洁感应耦合等离子体反应室；

步骤4：将制作有光栅图形的外延片放入感应耦合等离子体反应室中进行刻蚀，刻蚀出压印的光栅图形；

步骤5：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理；

步骤6：把清洁处理后的外延片放入负胶去膜剂中加热处理，然后再用异丙醇进行清洁，完成制备。

2.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中清洁感应耦合等离子体反应室时，先用O₂和SF₆的混合气体处理3分钟，再使用O₂处理3分钟，以确保反应室清洁。

3.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中清洁感应耦合等离子体反应室时采用的射频功率为100W、感应耦合功率为1500W。

4.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中刻蚀时向感应耦合等离子体反应室中充入的反应气体为Ar/CH₄/H₂的混合气体。

5.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中Ar/CH₄/H₂的混合气体中Ar的流量为6sccm、CH₄的流量为7sccm、H₂的流量为20sccm。

6.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中刻蚀时反应室中的压强为50-60mTorr。

7.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中刻蚀时反应室中射频功率为150W，感应耦合功率为0。

8.根据权利要求7所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中刻蚀的反应时间是2-3min。

9.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中对外延片表面进行清洁处理时O₂的流量为20-40sccm，射频功率为100W，感应耦合功率为0。

10.根据权利要求1所述的分布反馈激光器中基于纳米压印光栅干法刻蚀的方法，其中负胶去膜剂的加热时间为12-15分钟。