CN108152875A - 一种InP基纳米光栅及其制作方法 - Google Patents

一种InP基纳米光栅及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种InP基纳米光栅及其制作方法，包括：在InP基晶圆上生长SiNx膜；依次旋转涂覆抗反射涂层、光刻胶层，并通过位相掩膜曝光和显影方法在光刻胶层上形成光栅图形；采用二次曝光和显影方法，去除InP基晶圆边缘的光刻胶并擦拭掉InP基晶圆边缘的抗反射涂层；刻蚀抗反射涂层，以将光刻胶层上的光栅图形转移到抗反射涂层上；刻蚀SiNx膜，以将抗反射涂层上的光栅图形转移到SiNx膜上；去除光刻胶层和抗反射涂层；刻蚀InP基晶圆，以将SiNx膜上的光栅图形转移到InP基晶圆上；去除SiNx膜和SiNx膜上残留的抗反射涂层，从而获得InP基纳米光栅。本发明制成的InP基纳米光栅洁净度且深宽比可满足设计要求。

Description

一种InP基纳米光栅及其制作方法
技术领域
本发明属于纳米光栅制作领域，具体涉及一种InP(磷化铟)基纳米光栅及其制作方法。
背景技术
随着光通讯技术的广泛应用，目前光栅逐渐应用于信息处理、光通讯以及量子光学技术领域内，纳米光栅的制作也变得十分重要，越来越受到国内外研究学者的关注。在光通讯领域所用的DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布反馈激光器)内部结构中，需要采用纳米光栅来进行锁模，稳定输出光波段。而在生长DFB晶圆的有源层和盖层时，对包含光栅的晶圆的纯净度要求非常严格，要求必须纯净的晶圆，尤其不能存在先前工艺残留的光刻胶或者其它有机物，否则，会造成DFB激光器晶圆内部结构生长失效，甚至会导致MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)设备的污染。
晶圆在以旋转涂覆的方式涂覆有机材料时，有机材料由晶圆中心往四周摊开的过程中会逐渐往边缘堆积，堆积在边缘的过厚有机材料并不能完全脱离晶圆，导致晶圆边缘的有机材料厚度通常远大于中间大部分区域。现有技术在采用位相掩膜曝光方法制作光栅的过程中，为了消除驻波效应而使光栅更稳固，通常会使用抗反射涂层。而先涂覆抗反射涂层再涂覆光刻胶，更会加剧晶圆边缘的有机材料与中间大部分区域的厚度差。
基于位相掩膜曝光方法制作光栅时，为了使光栅的线宽满足设计需求，需要精确控制曝光的剂量，使晶圆中间大部分区域包含光刻胶的光栅达到下部工艺要求，晶圆边缘过厚的光刻胶由于未曝透而在显影后仍然大量保留下来。经过后续干法刻蚀工艺制作光栅的过程，晶圆边缘过厚的光刻胶和抗反射涂层会被碳化而无法去除。因此，现有的基于位相掩膜曝光方法和干法刻蚀工艺制作的光栅无法满足MOCVD生长要求。
现有技术直接在InP衬底材料上涂覆抗反射涂层和光刻胶，用位相掩膜曝光方法制作光栅，采用ICP刻蚀抗反射涂层打开InP基材料的工艺窗口：湿法刻蚀工艺会由于横向钻蚀而使InP材料的光栅深宽比不符合设计要求；干法刻蚀工艺会导致材料界面处的残留有机物很难去除干净，不能满足MOCVD生长要求。因此，现有的制作纳米光栅的方法存在保证晶圆高纯净度困难、光栅深宽比不符合设计要求的缺陷。本领域技术人员亟待提供一种制作InP基纳米光栅的方法，以在保证InP基整晶圆光栅制作的纯净度的基础上，同时使得光栅深宽比符合设计要求，并满足MOCVD生长DFB激光器晶圆的要求，实现工业上的批量生产。
发明内容
本发明提供一种InP基纳米光栅及其制作方法，以解决目前制成的InP基纳米光栅很难同时满足纯净度、深宽比要求的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种InP基纳米光栅的制作方法，包括以下步骤：
步骤S101、在InP基晶圆上生长SiNx膜；
步骤S102、依次旋转涂覆抗反射涂层、光刻胶层，并通过位相掩膜曝光和显影方法在所述光刻胶层上形成光栅图形；
步骤S103、采用二次曝光和显影方法，去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶并擦拭掉所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层；
步骤S104、刻蚀所述抗反射涂层，以将所述光刻胶层上的光栅图形转移到所述抗反射涂层上；刻蚀所述SiNx膜，以将所述抗反射涂层上的光栅图形转移到所述SiNx膜上；
步骤S105、去除所述光刻胶层和所述抗反射涂层；
步骤S106、刻蚀所述InP基晶圆，以将所述SiNx膜上的光栅图形转移到所述InP基晶圆上；
步骤S107、去除所述SiNx膜和所述SiNx膜上残留的抗反射涂层，从而获得InP基纳米光栅。
在一种可选的实现方式中，所述步骤S101中，所述SiNx膜的厚度适中，以使所述步骤S104中所述SiNx膜刻蚀到位后仍然存在所述光刻胶层，并使所述步骤S106中所述InP基晶圆刻蚀到位后仍然存在所述SiNx膜。
在另一种可选的实现方式中，所述SiNx膜的厚度为50-80nm。
在另一种可选的实现方式中，所述SiNx膜用作所述步骤S102中位相掩膜曝光中的增透膜以及所述步骤S106中刻蚀所述InP基晶圆的掩膜。
在另一种可选的实现方式中，所述步骤S102中，爆光时间为13-17s，显影时间为50-70s，所述光栅图像的纳米周期为200nm，占空比为1:1。
在另一种可选的实现方式中，所述步骤S103中，爆光时间为5-10min，显影时间为1-2min，在所述二次爆光时，将遮光片遮住所述InP基晶圆的中间部分，暴露其边缘，对所述InP基晶圆的边缘进行曝光处理，从而去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶，在擦拭所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层时，采用乙醇棉球进行擦拭。
在另一种可选的实现方式中，在所述步骤S107中，采用氟化氢气体的水溶液HF酸，去除所述SiNx膜和所述SiNx膜上残留的抗反射涂层，所述HF酸的腐蚀时间为10-15min。
在另一种可选的实现方式中，所述步骤S104中采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述抗反射涂层；所述步骤S105中采用湿法腐蚀方法去除所述光刻胶层和所述抗反射涂层；所述步骤S106中采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述InP基晶圆。
根据本发明实施例的第二方面，还提供一种InP基纳米光栅，采用上述制作方法制成。
本发明的有益效果是：
本发明通过增加二次曝光和显影步骤，在采用等离子体刻蚀方法干法刻蚀抗反射涂层之前，去除InP基晶圆边缘的光刻胶并擦除InP基晶圆边缘的抗反射涂层，可以提高制成的InP基纳米光栅的洁净度；本发明在将光栅图形从光刻胶层转移到抗反射涂层，再由抗反射涂层转移到SiNx膜后，首先采用湿法腐蚀掉光刻胶层和抗反射涂层，而非直接将SiNx膜上的光栅图形转移到InP基晶圆上，这样基于最初形成光栅图形的光刻胶层，可以精准地避免因光栅图形转移过程中可能出现的误差，从而进一步提高制成的InP基纳米光栅的深宽比；本发明增加了SiNx膜，SiNx膜不同于光刻胶层和抗反射涂层，其即便经过干法刻蚀也能被HF溶液去除，因此本发明在湿法腐蚀中去除所有的光刻胶层和大部分抗反射涂层，残留在SiNx膜上的少量抗反射涂层也在去除SiNx膜的同时被去除，由此可以进一步提高制成的InP基纳米光栅的洁净度。综上，本发明制成的的InP基纳米光栅洁净度非常高，与此同时其深宽比也可以满足设计要求，并且可以达到MOCVD生长要求，实现工业上的批量化生产。
附图说明
图1是本发明InP基纳米光栅的制作方法的一个实施例流程图；
图2是本发明InP基纳米光栅的制作方法中二次爆光示意图；
图3是本发明制成的InP基纳米光栅的正面电镜图；
图4是本发明制成的IP基纳米光栅的截面电镜图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明InP基纳米光栅的制作方法的一个实施例流程图。该InP基纳米光栅的制作方法可以包括以下步骤：
步骤S101、在InP基晶圆210上生长SiNx膜220。
本步骤，可以采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)方法生长SiNx膜220，InP基晶圆210的直径可以为50.8mm。本步骤中，SiNx膜用作下面步骤S102中位相掩膜曝光中的增透膜以及下面步骤S106中刻蚀所述InP基晶圆1的掩膜。由于在下面步骤S104中需要将光刻胶层上形成的光栅图形先转移到抗反射涂层上，再将抗反射涂层上的光栅图形转移到SiNx膜上，光栅图形的转移过程中会由于刻蚀选择比使掩膜高度减少。由此本步骤中SiNx膜的厚度应使步骤S104中SiNx膜刻蚀到位后仍然存在光刻胶层，这样可以保证光栅图形转移的精确性。其次，下面步骤S106中需要将SiNx膜上的光栅图形转移到InP基纳米光栅上，在步骤S106中SiNx膜作为InP基晶圆刻蚀的掩膜，如果在InP基晶圆刻蚀到位之前，SiNx膜已经被全部刻蚀掉，那么InP基晶圆在后续的刻蚀过程中将无参照物可言，因此无法保证刻蚀的精确度。由此本步骤中SiNx膜的厚度应该足以使所述步骤S106中所述InP基晶圆刻蚀到位后仍然存在所述SiNx膜。综上可见，SiNx膜的厚度应该适中。其中，SiNx膜2的厚度可以为50-80nm(例如50nm、75nm、80nm等)，x表示Si(硅)与N(氮)组合时可能存在的原子数量比。
步骤S102、依次旋转涂覆抗反射涂层230、光刻胶层240，并通过位相掩膜曝光和显影方法在所述光刻胶层240上形成光栅图形。本步骤中，位相掩膜曝光的爆光时间为13-17s，显影时间为50-70s，所述光栅图像的纳米周期为200nm，占空比为1:1。
步骤S103、采用二次曝光和显影方法，去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶并擦拭掉所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层。
本步骤中，二次曝光的爆光时间为5-10min，显影时间为1-2min，在所述二次爆光时，结合图2所示，将遮光片2遮住所述InP基晶圆210的中间部分，暴露其边缘，对应地，图2中区域3表示InP基晶圆的二次曝光区域，区域4表示InP基晶圆的遮光区域。在暴露InP基晶圆的边缘后，利用光源1对所述InP基晶圆的边缘进行曝光处理，从而去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶，所述二次曝光在保护InP基晶圆中间大部分含光刻胶光栅的同时，使边缘一次曝光(即步骤S102中位相掩膜曝光)未曝透的光刻胶过曝光，并损失边缘部分含光刻胶光栅。其中，遮光片2为圆形且其直径为46mm。另外，在擦拭所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层时，采用乙醇棉球进行擦拭。
步骤S104、刻蚀所述抗反射涂层230，以将所述光刻胶层上的光栅图形转移到所述抗反射涂层上；刻蚀所述SiNx膜220，以将所述抗反射涂层上的光栅图形转移到所述SiNx膜上。本步骤中，采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述抗反射涂层230和SiNx膜220。该等离子体刻蚀方法属于干法刻蚀方法，由此可以保证光栅深宽比符合设计要求。
步骤S105、采用湿法腐蚀方法去除所述光刻胶层和所述抗反射涂层。受到工艺特性的限制，本步骤只能去除光刻胶层和大部分的抗反射涂层，即在本步骤结束后在SiNx膜仍粘附有少量的抗反射涂层。
步骤S106、刻蚀所述InP基晶圆210，以将所述SiNx膜上的光栅图形转移到所述InP基晶圆上。本步骤，采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述InP基晶圆210。该等离子体刻蚀方法属于干法刻蚀方法，由此可以保证光栅深宽比符合设计要求。
步骤S107、去除所述SiNx膜和所述SiNx膜上残留的抗反射涂层，从而获得InP基纳米光栅。本步骤，采用氟化氢气体的水溶液HF酸，去除SiNx膜和SiNx膜上残留的抗反射涂层，所述HF酸的腐蚀时间为10-15min。
基于上述方法制成的InP基纳米光栅的正面电镜图和截面电镜图分别如图3和图4所示，其中，所述InP基纳米光栅周期为1069nm/5＝201.4nm，线宽为109.1nm，InP基纳米光栅深度为69.4nm，线宽为112.4nm，由此可见制成的InP基纳米光栅的深宽比满足设计要求，并且洁净度达到了MOCVD的生长要求。
由上述实施例可见，本发明通过增加二次曝光和显影步骤，在采用等离子体刻蚀方法干法刻蚀抗反射涂层之前，去除InP基晶圆边缘的光刻胶并擦除InP基晶圆边缘的抗反射涂层，可以提高制成的InP基纳米光栅的洁净度；本发明在将光栅图形从光刻胶层转移到抗反射涂层，再由抗反射涂层转移到SiNx膜后，首先采用刻蚀掉光刻胶层和抗反射涂层，而非直接将SiNx膜上的光栅图形转移到InP基晶圆上，这样基于最初形成光栅图形的光刻胶层，可以精准地将光栅样貌、深宽比等传递到InP基纳米光栅；本发明增加了SiNx膜，SiNx膜不同于光刻胶层和抗反射涂层，其即便经过干法刻蚀也能被HF溶液去除，因此本发明在湿法腐蚀中去除所有的光刻胶层和大部分抗反射涂层，残留在SiNx膜上的少量抗反射涂层也在去除SiNx膜的同时被去除，由此可以进一步提高制成的InP基纳米光栅的洁净度。综上，本发明制成的的InP基纳米光栅洁净度非常高，与此同时其深宽比也可以满足设计要求，并且可以达到MOCVD生长要求，实现工业上的批量化生产。
本发明具有成本低、效率高、制作工艺简单等优点，在制作纳米光栅的技术领域内有突出的技术优势。另外，本发明并未对传统工艺中抗反射涂层、光刻胶层的旋转涂覆工艺、在光刻胶层上形成光栅图形的位相掩膜曝光和显影工艺的各个工艺参数进行调整，而是在此基础上增加对应的工艺，调整对应的工艺参数(例如对SiNx膜的厚度)，因此避免了对现有的各个工艺参数进行调整，提高了制作方法的兼容性。
另外，本发明还提供一种采用图1所示制作方法制成的InP基纳米光栅。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101、在InP基晶圆上生长SiNx膜；
步骤S102、依次旋转涂覆抗反射涂层、光刻胶层，并通过位相掩膜曝光和显影方法在所述光刻胶层上形成光栅图形；
步骤S103、采用二次曝光和显影方法，去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶并擦拭掉所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层；
步骤S104、刻蚀所述抗反射涂层，以将所述光刻胶层上的光栅图形转移到所述抗反射涂层上；刻蚀所述SiNx膜，以将所述抗反射涂层上的光栅图形转移到所述SiNx膜上；
步骤S105、去除所述光刻胶层和所述抗反射涂层；
步骤S106、刻蚀所述InP基晶圆，以将所述SiNx膜上的光栅图形转移到所述InP基晶圆上；
步骤S107、去除所述SiNx膜和所述SiNx膜上残留的抗反射涂层，从而获得InP基纳米光栅。
2.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述SiNx膜的厚度适中，以使所述步骤S104中所述SiNx膜刻蚀到位后仍然存在所述光刻胶层，并使所述步骤S106中所述InP基晶圆刻蚀到位后仍然存在所述SiNx膜。
3.根据权利要求2所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述SiNx膜的厚度为50-80nm。
4.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述SiNx膜用作所述步骤S102中位相掩膜曝光中的增透膜以及所述步骤S106中刻蚀所述InP基晶圆的掩膜。
5.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤S102中，爆光时间为13-17s，显影时间为50-70s，所述光栅图像的纳米周期为200nm，占空比为1:1。
6.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤S103中，爆光时间为5-10min，显影时间为1-2min，在所述二次曝光时，将遮光片遮住所述InP基晶圆的中间部分，暴露其边缘，对所述InP基晶圆的边缘进行曝光处理，从而去除所述InP基晶圆边缘的光刻胶，在擦拭所述InP基晶圆边缘的抗反射涂层时，采用乙醇棉球进行擦拭。
7.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，在所述步骤S107中，采用氟化氢气体的水溶液HF酸，去除所述SiNx膜和所述SiNx膜上残留的抗反射涂层，所述HF酸的腐蚀时间为10-15min。
8.根据权利要求1所述的InP基纳米光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤S104中采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述抗反射涂层；所述步骤S105中采用湿法腐蚀方法去除所述光刻胶层和所述抗反射涂层；所述步骤S106中采用等离子体刻蚀方法刻蚀所述InP基晶圆。
9.一种InP基纳米光栅，其特征在于，采用权利要求1至8中任意一项所述的制作方法制成。
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