CN106099637B - 基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法及外延片和激光器 - Google Patents

基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法及外延片和激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法及外延片和激光器，该方法包括：通过紫外纳米压印技术在GaInP材料上压印出光栅图形；将压印好的样品送入ICP设备中，进行一次刻蚀，反应气体为CH4/H2/Ar；对样品进行二次刻蚀，反应气体为H2/Ar，刻蚀出光栅图形；使用氧等离子体对样品进行处理，以清洁沉积在刻蚀表面和侧壁的残留聚合物；将样品放入负胶去膜剂中加热处理8‑15分钟，用去离子水反复冲洗，最后用异丙醇清洗若干次，完成清洁步骤。本工艺采用CH4/H2/Ar和H2/Ar混合气体对GaInP光栅进行两步刻蚀，经过优化各项刻蚀参数，可有效去除刻蚀表面和侧壁非挥发性刻蚀产物，得到优良的刻蚀结果。

Description

基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法及外延片和激光器
技术领域
本发明属于半导体激光技术领域，涉及干法刻蚀工艺，更具体地涉及一种基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法及由此制得的外延片和激光器。
背景技术
分布反馈半导体激光器(DFB-LD)是在器件内部加入布拉格光栅，利用折射率周期变化的结构实现光的反馈的半导体激光器。器件内部的光栅兼具模式选择和压窄激光光谱的作用，且激光光谱随温度和工作电流的漂移系数也远小于普通的激光器。布拉格光栅的耦合系数对激光器的边模抑制比及斜率效率有很大的影响，而耦合系数的大小与光栅的级数、光栅形状、光栅深度、光栅的填充因子等多种因素有关。通过理论模拟计算，填充因子为50％的一级光栅耦合系数最大；光栅深度越大，其光限制因子越大，耦合系数越大；且矩形光栅最优。光栅制备一般包括掩膜制备和光栅刻蚀，掩膜的制备可以通过纳米压印技术、电子束曝光和全息光刻来实现。具有低成本、高效率、高精度和高灵活性等优点的纳米压印技术制备一级光栅掩膜的可靠性已得到验证。光栅的刻蚀可采用湿法腐蚀或干法刻蚀。湿法腐蚀制备光栅，存在大面积上均匀性差、成品率和重复性不好、深度难以控制等诸多缺点。采用干法刻蚀工艺可提高分布反馈激光器的成品率和性能。
干法刻蚀包括物理刻蚀和化学刻蚀。物理刻蚀有很高的各向异性，化学刻蚀有很高的选择比，但各向异性差。物理刻蚀和化学刻蚀相结合的等离子体刻蚀结合二者的优点，近年来被广泛应用于光电器件的制备上。但是，等离子体刻蚀过程中影响刻蚀结果的因素较多，气体体系若选择不当，不仅速率难以控制，还可能会形成各向同性刻蚀；腔室压强或者ICP功率设置不当，刻蚀材料和掩膜的选择比太低，易出现钻刻现象；且各因素相互影响，难点是难以找到一组最优刻蚀参数。目前，等离子体干法刻蚀光栅存在的最大问题是光栅形貌的控制以及刻蚀产物的去除。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法，从而制作出外延片和/或内置一级光栅的分布反馈激光器，以便克服上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法，包括以下步骤：
步骤1：准备一外延片；
步骤2：通过纳米压印工艺，在所述外延片表面涂敷的光刻胶上压印出光栅图形；
步骤3：将所述压印出光栅图形的外延片送入ICP反应腔室进行一次刻蚀；
步骤4：将完成一次刻蚀的所述外延片送入ICP反应腔室进行二次刻蚀，在所述外延片上的GaInP层上刻蚀出光栅图形；
步骤5：用氧等离子体对所述外延片表面进行清洁处理；
步骤6：将完成步骤5的所述外延片清洗除去光刻胶，完成制备。
其中，在步骤2之后、步骤3之前还包括清洁ICP反应腔室的步骤，具体包括：
先用O2和SF6的混合气体处理3分钟，再使用O2处理3分钟，以确保所述ICP反应腔室清洁；
其中，清洁所述ICP反应腔室时采用的射频功率为100W、电感耦合功率为1500W。
其中，步骤3中进行一次刻蚀时向所述ICP反应腔室中充入的反应气体为CH4/H2/Ar的混合气体，其中CH4/H2/Ar的混合气体中CH4的流量为5—10sccm、H2的流量为15-25sccm、Ar的流量为4—8sccm。
其中，步骤3中进行一次刻蚀时所述ICP反应腔室中的压强为50-60mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W。
其中，步骤3中进行一次刻蚀时的反应时间是3-4min。
其中，步骤4中进行二次刻蚀时向所述ICP反应腔室中充入的反应气体为H2/Ar的混合气体，H2/Ar的混合气体中H2的流量为20-28sccm、Ar的流量为4—8sccm。
其中，步骤4中进行二次刻蚀时所述ICP反应腔室中的压强为15-25mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W。
其中，步骤4中进行二次刻蚀时的反应时间是2-3min。
其中，步骤5中用氧等离子体对所述外延片表面进行清洁处理时O2的流量为20-40sccm，ICP反应腔室中的射频功率为100W，电感耦合功率为0W；
其中，步骤6中清洗除去光刻胶的步骤是通过使用负胶去膜剂加热处理来实现的，所述负胶去膜剂的加热处理时间为8—15min。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据如上所述的方法制备得到的外延片、或者内置一级光栅的分布反馈激光器。
基于上述技术方案可知，本发明的方法具有如下有益效果：(1)可以有效去除刻蚀表面和侧壁的非挥发性刻蚀产物，得到优良的刻蚀结果，光栅表面毛刺少、平滑度高；(2)产品整体均匀性好、成品率和重复性高、深度可以精确控制；(3)能够制作出性能优良的分布反馈激光器，保证激光器在高速调制等不同条件下稳定地单纵模工作，具有较好的单模性和波长稳定性；(4)由于光栅的选择作用，分布反馈激光光谱被大幅压窄，随温度和电流的漂移系数也远小于普通的法布里-泊罗腔激光器，凭借这些优点该分布反馈激光器可以广泛用作泵浦源、抽运固体激光器、光纤激光器和放大器。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的流程方框图；
图2为根据本发明实施例1制作的GaInP光栅的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图3为根据本发明实施例2制作的GaInP光栅的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明采用CH4/H2/Ar混合气体对GaInP材料进行一次刻蚀，其中CH4/H2进行反应离子刻蚀，Ar等离子体进行物理轰击；采用H2/Ar混合气体对样品进行二次刻蚀，利用Ar+的物理溅射刻蚀去除样品表面的非挥发性刻蚀产物。刻蚀完成后，增加短暂的O2清洁步骤，不仅可以去除残余的光刻胶，还可以清除沉积在刻蚀表面和侧壁上的残余聚合物。清洁处理可减少毛刺，增加光栅的平滑度，降低器件损耗。更具体地，本发明使用Oxford公司的Plasma system 100型刻蚀设备，采用Ar、CH4和H2的混合气体体系对GaInP光栅的电感耦合离子刻蚀进行了工艺研究，其中采用两步刻蚀方法，优化了气体流量比例、刻蚀时间、刻蚀功率和腔室压强，可以得到很好的刻蚀效果。
实施例1
本发明的基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：取一个完成一次外延的外延片，光栅层材料为GaInP，厚度约为200nm。
步骤2：在该外延片表面涂覆紫外光刻胶，通过纳米压印工艺，在该外延片表面的光刻胶上压印出光栅图形。
步骤3：清洁ICP反应腔室，保证腔室干净无污染。使用O2和SF6混合气体处理3分钟，再用O2处理3分钟，主要是清除ICP反应腔室的残余有机聚合物。该清洁程序使用的射频功率为100W、电感耦合功率为1500W。
步骤4：将压印好光栅图形的外延片送入清洁完成的ICP反应腔室准备进行一次刻蚀。
一次刻蚀时向ICP反应腔室充入的反应气体为CH4/H2/Ar，调整优化反应气体比例，最终采用CH4的流量为7sccm、H2的流量为20sccm、Ar的流量为6sccm，以达到最佳的刻蚀形状。
一次刻蚀时ICP反应腔室中的压强设为60mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W。这里不使用电感耦合功率，仅加了射频功率，以得到慢速的反应离子刻蚀模式，避免对掩膜的快速消耗。
最后设定刻蚀时间为4min，完成准备工作后，对外延片进行一次刻蚀。
步骤5：将完成一次刻蚀的外延片送入ICP反应腔室准备进行二次刻蚀。
二次刻蚀时向反应腔室充入的反应气体为H2/Ar，调整优化反应气体比例，最终采用H2的流量为24sccm、Ar的流量为6sccm，以达到最佳的刻蚀形状。
二次刻蚀时反应腔室中的压强设为20mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W。同一次刻蚀一样，不使用感应耦合功率，仅加了射频功率，以得到慢速的反应离子刻蚀模式，避免对掩膜的快速消耗。
最后设定刻蚀时间为2min，完成准备工作后，对外延片进行二次刻蚀。
步骤6：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理，主要是为了去除光栅表面和侧壁的残余聚合物。清洁气体为O2，其流量为30sccm，添加的射频功率为100W，电感耦合功率为0W。
步骤7：把刻蚀完成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分钟，以去除残余的光刻胶膜。接着用去离子水冲洗外延片若干次，用异丙醇清洗三到五次，最后用甩胶机甩干，完成二次外延前处理。
经过测试，制备好的GaInP材料的光栅形貌如图2所示。光栅形貌接近矩形，侧壁光滑，光栅周期约为152nm，光栅深度为96nm左右，填充因子约为60％。
实施例2
本发明的基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：取一个完成一次外延的外延片，光栅层材料为GaInP，厚度约为200nm。
步骤2：在该外延片表面涂覆紫外光刻胶，通过纳米压印工艺，在该外延片表面的光刻胶上压印出光栅图形。
步骤3：清洁ICP反应腔室，保证腔室干净无污染。使用O2和SF6混合气体处理3分钟，再用O2处理3分钟，主要是清除ICP反应腔室的残余有机聚合物。该清洁程序使用的射频功率为100W、电感耦合功率为1500W。
步骤4：将压印好光栅图形的外延片送入清洁完成的ICP反应腔室准备进行一次刻蚀。
一次刻蚀时向ICP反应腔室充入的反应气体为CH4/H2/Ar，调整优化反应气体比例，最终采用CH4的流量为7sccm、H2的流量为20sccm、Ar的流量为6sccm，以达到最佳的刻蚀形状。
一次刻蚀时ICP反应腔室中的压强设为60mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W。这里不使用电感耦合功率，仅加了射频功率，以得到慢速的反应离子刻蚀模式，避免对掩膜的快速消耗。
最后设定刻蚀时间为3min，完成准备工作后，对外延片进行一次刻蚀。
步骤5：将完成一次刻蚀的外延片送入ICP反应腔室准备进行二次刻蚀。
二次刻蚀时向反应腔室充入的反应气体为H2/Ar，调整优化反应气体比例，最终采用H2的流量为22sccm、Ar的流量为8sccm，以达到最佳的刻蚀形状。
二次刻蚀时反应腔室中的压强设为20mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为OW。同一次刻蚀一样，不使用感应耦合功率，仅加了射频功率，以得到慢速的反应离子刻蚀模式，避免对掩膜的快速消耗。
最后设定刻蚀时间为1min 30s，完成准备工作后，对外延片进行二次刻蚀。
步骤6：使用氧等离子体对外延片表面进行清洁处理，主要是为了去除光栅表面和侧壁的残余聚合物。清洁气体为O2，其流量为30sccm，添加的射频功率为100W，电感耦合功率为0W。
步骤7：把刻蚀完成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分钟，以去除残余的光刻胶膜。接着用去离子水冲洗外延片若干次，用异丙醇清洗三到五次，最后用甩胶机甩干，完成二次外延前处理。
经过测试，制备好的GaInP材料的光栅形貌如图3所示。光栅形貌接近矩形，侧壁光滑，光栅周期约为148nm，光栅深度为85.5nm左右，填充因子约为42％。
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，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 (4)

1.一种基于纳米压印光栅的两步干法刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：准备一外延片；
步骤2：通过纳米压印工艺，在所述外延片表面涂敷的光刻胶上压印出光栅图形；
步骤3：将所述压印出光栅图形的外延片送入ICP反应腔室进行一次刻蚀；其中一次刻蚀时向所述ICP反应腔室中充入的反应气体为CH4/H2/Ar的混合气体，其中CH4/H2/Ar的混合气体中CH4的流量为5-10sccm、H2的流量为15-25sccm、Ar的流量为4-8sccm；一次刻蚀时所述ICP反应腔室中的压强为50-60mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W；一次刻蚀时的反应时间是3-4min；
步骤4：将完成一次刻蚀的所述外延片送入ICP反应腔室进行二次刻蚀，在所述外延片上的GaInP层上刻蚀出光栅图形；二次刻蚀时向所述ICP反应腔室中充入的反应气体为H2/Ar的混合气体，H2/Ar的混合气体中H2的流量为20-28sccm、Ar的流量为4-8sccm；二次刻蚀时所述ICP反应腔室中的压强为15-25mTorr，射频功率为150W，电感耦合功率为0W；二次刻蚀时的反应时间是2-3min；
步骤5：用氧等离子体对所述外延片表面进行清洁处理；
步骤6：将完成步骤5的所述外延片清洗除去光刻胶，完成制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤2之后、步骤3之前还包括清洁ICP反应腔室的步骤，具体包括：
先用O2和SF6的混合气体处理3分钟，再使用O2处理3分钟，以确保所述ICP反应腔室清洁；
其中，清洁所述ICP反应腔室时采用的射频功率为100W、电感耦合功率为1500W。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5中用氧等离子体对所述外延片表面进行清洁处理时O2的流量为20-40sccm，ICP反应腔室中的射频功率为100W，电感耦合功率为0W；
其中步骤6中清洗除去光刻胶的步骤是通过使用负胶去膜剂加热处理来实现的，所述负胶去膜剂的加热处理时间为8-15min。
4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的方法制备得到的外延片、或内置一级光栅的分布反馈激光器。
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