CN107450118A - 一种调节占空比的刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，该方法包括：将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

Description

一种调节占空比的刻蚀方法

技术领域

本申请涉及干法刻蚀方法，特别涉及一种调节占空比的刻蚀方法。

背景技术

全息光栅是全息照相技术制作的光栅。光全息技术(Holographic Grating)，主要是利用光相干迭加原理，是通过对复数项(时间项)的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术。

全息曝光的基本原理为双光束干涉原理，利用的是干涉原理中明暗条纹光强差进行曝光，对于全息曝光而言，在良好的设备状态下，其能实现的最优占空比即是0.5。但在DFB(Distributed Feedback Lase，半导体分布反馈激光器)芯片的加工工艺中，如果想要调整占空比，直接利用全息曝光进行调整是很难实现的。

而在半导体激光器芯片制造全息曝光光栅工艺中，半导体分布反馈激光器DFB是在激光器芯片的光波导层中植入条状光栅来实现单纵模输出的，因此，条状光栅的耦合效率直接决定了DFB激光器芯片的阈值电流的大小。而条状光栅的耦合效率与光栅占空比直接相关，理论实验表明，当均匀分布的条状光栅的占空比为0.5时，其耦合效率可达最大。但在芯片制造过程中，再生长工艺过程中由于生长温度较高，会对条状光栅产生熔化侵蚀作用，会使制作完成的芯片的条状光栅占空比下降0.1～0.2。

目前，国际上通用的Ⅲ-Ⅴ半导体材料的光栅干法刻蚀工艺为使用反应离子刻蚀技术RIE(Reactive Ion Etching)，刻蚀气体采用甲烷(CH4)及氢气(H2)的混合气体。该方法的缺点是在干法刻蚀过程中会产生较多的聚合物(Polymer)，因而在干法刻蚀过程中，聚合物的产生量很难通过单一的工艺参数的调整进行控制，即刻蚀结果与单一工艺参数的调整之间存在着很强的非线性关系，很难实现工艺的连续稳定的调整。

因此，针对现有技术存在的问题，如何在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，实现调节占空比且占空比大于0.5已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

为了达到上述目的，本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，其特征在于，包括：

将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；

通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。

优选地，所述刻蚀混合气体中所述气体的体积比为，三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

进一步地，所述刻蚀混合气体中所述气体的流量范围为，所述三氯化硼气体的流量范围为1～3sccm，所述氯气气体的流量范围为1～5sccm，所述氩气气体的流量范围为10～60sccm。

优选地，所述刻蚀混合气体中所述气体的流量为，三氯化硼气体的流量为3sccm，氯气气体的流量为5sccm，氩气气体的流量为35sccm。

优选地，所述使用所述刻蚀混合气体进行刻蚀的预设条件包括，预设温度为50℃，且预设温度的波动范围为50±0.5℃，预设工作气压为1～2mTorr，预设的所述射频功率为40～100W。

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，该方法包括：将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

附图说明

图1为本申请提供的一种调节占空比的刻蚀方法的流程图；

图2为本申请提供的四种刻蚀方案所获得的光栅占空比、侧壁角度与射频功率的变化曲线示意图(插入图为AFM(原子力显微镜)表面形貌)；

图3为本申请提供的一种刻蚀速率与射频功率的线性拟合示意图；

图4为本申请提供的一种AFM测量整片9点显示条状光栅形貌示意图；

图5为本申请提供的一种扫描电镜SEM对10um×10um示意图显示条状光栅形貌。

具体实施方式

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

下面将结合本申请中的附图，如图1所示，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

步骤S101，将刻蚀材料置于刻蚀设备的刻蚀腔中。

具体地，将刻蚀材料置于电极平板的阴极，所述阴极与射频电源相连接，用来产生高浓度等离子体，以加快蚀刻速率。而电极平板的阳极温度不做具体的限定，可通过现有技术根据具体情况设定。在预设条件下，通过温度系统调整刻蚀设备的反应腔的预设温度为50℃，其中，预设温度的波动范围为50±0.5℃；通过真空系统调整刻蚀设备的刻蚀腔的预设工作气压为1～2mTorr，该操作可以避免多余离子附着，稳定反应气场；优选地，所述真空系统调整刻蚀设备的刻蚀腔的预设工作气压为1.2mTorr。其中，本申请实施例中，刻蚀材料带为有刻蚀掩膜的晶圆，具体包括但不限于是二氧化硅或氮化硅。

步骤S102，通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。

具体的，在预设条件下，通过所述射频电源将射频功率调节在40～100W范围内，其中，所述射频功率的范围40～100W可以具体调节。

而在现有技术中，以调整光栅干法刻蚀占空比为例，优化后的甲烷(CH4)及氢气(H2)的混合气体刻蚀方案可实现侧壁角度为直角，且占空比0.48～0.56的光栅干法刻蚀。为实现占空比的调节，具体通过以下方式：

(1)直接调整甲烷(CH4)气体流量，通过调整聚合物产生源的比例观察占空比变化情况；

(2)直接调整刻蚀功率，通过调整等离子体产生密度观察占空比变化情况；

(3)直接调整工作气压，通过调整生成物抽速观察占空比变化情况。

针对上述三种方式而得到结果为调整聚合物产生源的占空比变化小且无明显规律，调整功率降低到50％时已经出现阻挡刻蚀(Blocking etching)的现象，三种方式均无法实现连续稳定的调节。

为了在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，实现调节占空比且占空比大于0.5。本申请实施例提供了一种刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀，所述刻蚀混合气体包括三氯化硼、氯气、氩气，且所述刻蚀混合气体中所述气体的体积范围比为，三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60。

具体地，所述刻蚀混合气体中所述气体的体积比为，三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。所述刻蚀混合气体中所述气体的流量范围为，所述三氯化硼气体的流量范围为1～3sccm，所述氯气气体的流量范围为1～5sccm，所述氩气气体的流量范围为10～60sccm。优选地，所述刻蚀混合气体中所述气体的流量为，三氯化硼气体的流量为3sccm，氯气气体的流量为5sccm，氩气气体的流量为35sccm。

其中，在混合气体中之所以加入氩气，是为了将混合气体进行稀释，更好地促进混合气体的反应。其次加入的气体也可以是氪气、氙气之类的惰性气体，该类气体进入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入反应腔室中，对气体原子进行离子轰击，使混合气体材料的原子发生溅射，达到刻蚀的目的。

具体的，混合气体按相应的比例进行混合，调节相应的温度和气压。当射频功率在40-100W范围之内，连续调整所述反应离子刻蚀设备的射频功率，发现光栅的占空比均大于0.5且连续可调，具体详见图2。且所述射频功率与所述刻蚀速率成正比，如图3所示。

由此可见，通过应用本申请实施例的技术方案，与现有技术相比较的技术效果为：

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，该方法包括：将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

为了更好地说明光栅占空比在40-100W的范围下大于0.5。下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

步骤101，将带有刻蚀掩膜晶圆的初始温度设定为50℃，允许温度波动范围50±0.5℃，工作气压设定为1.2mTorr。

其中，刻蚀掩膜的材料为二氧化硅，且厚度设定为30nm；所述晶圆其背部循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形；所述刻蚀掩膜的材料具体包括但不限于是二氧化硅。具体地，将带有二氧化硅掩膜的晶圆放入反应离子刻蚀设备的反应腔室中；将反应腔室压力控制在1.2mTorr，温度控制在50±0.5℃。

步骤102，按优选后的气体流量备料，然后按照既定的比例混合通入反应腔中。

其中，优选后的气体流量为三氯化硼为3sccm；氯气为5sccm；氩气为35sccm，且优选后的气体混合比例为三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

步骤103，调整射频功率(射频功率)为40W进行刻蚀。

步骤104，经过设定时间的刻蚀反应，得到所需成型基片，该基片的空间占比为0.57。

实施例2

步骤201，将带有刻蚀掩膜晶圆的初始温度设定为50℃，允许温度波动范围50±0.5℃，工作气压设定为1.2mTorr。

其中，刻蚀掩膜的材料为二氧化硅，且厚度设定为30nm；所述晶圆其背部循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形；所述刻蚀掩膜的材料具体包括但不限于是二氧化硅。

步骤202，按优选后的气体流量备料，然后按照既定的比例混合通入反应腔中。

其中，优选后的气体流量为三氯化硼为3sccm；氯气为5sccm；氩气为35sccm，且优选后的气体混合比例为三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

步骤203，调整射频功率(射频功率)为60W进行刻蚀。

步骤204，经过设定时间的刻蚀反应，得到所需成型基片，该基片的空间占比为0.63。

实施例3

步骤301，将带有刻蚀掩膜晶圆的初始温度设定为50℃，允许温度波动范围50±0.5℃，工作气压设定为1.2mTorr。

其中，刻蚀掩膜的材料为二氧化硅，且厚度设定为30nm；所述晶圆其背部循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形；所述刻蚀掩膜的材料具体包括但不限于是二氧化硅。

步骤302，按优选后的气体流量备料，然后按照既定的比例混合通入反应腔中。

其中，优选后的气体流量为三氯化硼为3sccm；氯气为5sccm；氩气为35sccm，且优选后的气体混合比例为三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

步骤303，调整射频功率(射频功率)为80W进行刻蚀。

步骤304，经过设定时间的刻蚀反应，得到所需成型基片，该基片的空间占比为0.61。

实施例4

步骤401，将带有刻蚀掩膜晶圆的初始温度设定为50℃，允许温度波动范围50±0.5℃，工作气压设定为1.2mTorr。

其中，刻蚀掩膜的材料为二氧化硅，且厚度设定为30nm；所述晶圆其背部循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形；所述刻蚀掩膜的材料具体包括但不限于是二氧化硅。

步骤402，按优选后的气体流量备料，然后按照既定的比例混合通入反应腔中。

其中，优选后的气体流量为三氯化硼为3sccm；氯气为5sccm；氩气为35sccm，且优选后的气体混合比例为三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

步骤403，调整射频功率(射频功率)为100W进行刻蚀。

步骤404，经过设定时间的刻蚀反应，得到所需成型基片，该基片的空间占比为0.54。

通过上述四个实施例可以看出，四个实施例方案均实现了占空比大于0.5的要求，且所述占空比是连续可调的。并由图2可以看出，光栅的侧壁角度在四个实施例方案中分别是～54°、～65°、～67°、～55°；通过占空比、侧壁角度与刻蚀功率曲线，发现该刻蚀方案中占空比与侧壁角度随刻蚀功率由小到大遵循着相同的变化趋势：先增大后减小，且该趋势在重复实验中表现稳定；同时，AFM(原子力显微镜)测量的表面形貌显示四种刻蚀方案所获得的条状光栅表面光滑无明显异常(如图2插入图)。

为进一步确定该实施方案具有稳定连续可调的特点，本申请分别测定了各实施方案的刻蚀速率，根据测定结果，各实施方案的刻蚀速率随功率的增加呈现出稳定的线性增加关系，如图3所示。

为了进一步阐述本申请的技术思想，现结合具体的应用场景，对本申请的技术方案进行说明。以下例举的实施例仅仅用于说明和解释本申请，而不构成对本申请技术方案的限制。

在现有技术中，全息曝光利用的是干涉原理中明暗条纹光强差进行曝光，根据干涉理论，干涉后的光强由下述公式决定：

I＝I1+I2+2sqrt(I1*I2)cosθcosψ

其中，I1，I2为入射光束强度，θ为偏振角差值，ψ为相位差。调整双光束光强及相位差值，可改变干涉明暗条纹对比度，最佳状态为1:0，而根据光的波动性原理，波峰及波谷比例为1:1双光束叠加后，明条纹宽度理论值：暗条纹宽度理论值＝1:1。对于全息曝光而言，在良好的设备状态下，其能实现的最优占空比即是0.5。因此，在DFB芯片的加工工艺中，如要想调整占空比，直接利用全息曝光进行调整是很难实现的。

为了实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。本应用实施例具体通过以下步骤实现：

步骤a、将带有二氧化硅掩膜(厚度为2英寸)的基片放入反应离子刻蚀设备的反应腔室中。

具体地，将带有刻蚀掩膜的基片置于电极平板的阴极，所述阴极与射频电源相连接，用来产生高浓度等离子体，以加快蚀刻速率。优选的初始温度为50℃，且初始温度的波动范围50±0.5℃。电极平板的阳极温度根据具体情况设定。

步骤b、向反应腔室中通入刻蚀气体，包括3sccm的三氯化硼、5sccm的氯气、35sccm的氩气的混合气体，且气体混合比例为三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。进一步地，在氯基混合气体中加入氩气、氪气、氙气之类的惰性气体可以将混合气体进行稀释，更好地促进混合气体的反应。其次该类气体进入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入反应腔室中，对气体原子进行离子轰击，使混合气体材料的原子发生溅射，达到刻蚀的目的。

步骤c、将反应腔室压力控制在1.2mTorr，，温度控制在50±0.5℃。

步骤d、连续调整射频功率40-100W在刻蚀腔中对基片进行刻蚀。

具体的，混合气体按相应的比例进行混合，调节相应的温度和气压。当射频功率在40-100W范围之内，且将所述射频功率调节为60W以得到图3所示结果。连续调整所述反应离子刻蚀设备的射频功率，发现光栅的占空比均大于0.5且连续可调。

步骤e、经过设定时间的刻蚀反应，得到所需成型基片。

经过上述步骤，AFM(原子力显微镜)对9点进行测量，AFM测量整片9点显示条状光栅形貌均一无明显异常，如图4所示；因AFM测量范围有限，其测量范围仅为1um×1um，为进一步确认局域条状光栅形貌，使用扫描电镜(SEM)对10um×10um进行了表面观察，观察结果显示条状光栅形貌均一无明显异常，如图5所示。

本申请提供了一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，该方法包括：将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对所述刻蚀材料进行刻蚀。以实现在不改变全息曝光工艺的前提下，在半导体激光器芯片制造工艺的全息曝光制备光栅过程中，使得对占空比连续调节且占空比大于0.5。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的技术方案，如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种调节占空比的刻蚀方法，应用于半导体分布反馈激光器芯片制备全息光栅中光栅中，其特征在于，包括：

将刻蚀混合气体三氯化硼、氯气、氩气按照所述气体三氯化硼:氯气:氩气＝1:1:10～3:5:60体积范围比进行混合；

通过连续调节所述刻蚀设备的射频功率，在预设条件下使用刻蚀混合气体对刻蚀材料进行刻蚀。

2.如权利要求1所述的调节占空比的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀混合气体中所述气体的体积比为，三氯化硼:氯气:氩气＝3:5:35。

3.如权利要求1所述的调节占空比的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀混合气体中所述气体的流量范围为，所述三氯化硼气体的流量范围为1～3sccm，所述氯气气体的流量范围为1～5sccm，所述氩气气体的流量范围为10～60sccm。

4.如权利要求3所述的调节占空比的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀混合气体中所述气体的流量为，三氯化硼气体的流量为3sccm，氯气气体的流量为5sccm，氩气气体的流量为35sccm。

5.如权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，

所述使用所述刻蚀混合气体进行刻蚀的预设条件包括，预设温度为50℃，且预设温度的波动范围为50±0.5℃，预设工作气压为1～2mTorr，预设的所述射频功率为40～100W。