CN108963753A - 纳米压印法实现dfb激光器脊波导上绝缘层开窗工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺。属于微电子技术、光纤通信技术领域，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、基片清洗；步骤二、基片表面旋涂光刻胶，通过曝光显影，将光刻版上的图案转移至基片表面；步骤三、光刻胶作掩膜，刻蚀出脊形波导，去除光刻胶；步骤四、在基片上沉积绝缘层；步骤五、基片表面旋涂压印胶，利用对应的纳米压印掩膜版，实现图案的转移；步骤六、去除脊波导上残余的压印胶；步骤七、刻蚀脊波导上的薄膜，去胶后，实现绝缘层开窗。本发明降低了工艺难度，提高了工艺精度，且大大缩短了加工时间，无疑大大降低了加工成本。

Description

纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺

技术领域

本发明属于微电子技术、光纤通信技术领域，特别是涉及一种纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺。

背景技术

分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器由于兼具了单纵模和高速稳定调制特性成为了满足大容量、长距离光纤通信需求的最理想光源。DFB激光器常用的结构有两种，一种是脊型波导结构(Ridge Waveguide，RWG)，另一种是异质结掩埋结构(BuriedHeterostructure，BH)；矩形波导的掩埋条形(BH)结构，折射率差值大，可以在水平和垂直两方向上实现对载流子及光波的限制，然而工艺复杂，且掩埋有源层，可能会引入若干缺陷，从而影响器件的稳定性及可靠性；工艺相对简单的RWG波导，折射率差值相对较小，自建的弱波导及电流集中效应，保证了对载流子和光波的限制。

通过化学腐蚀/刻蚀的方法可加工出脊型结构，为了保证高的电流注入效率，需要在脊条之外的区域生长一层绝缘层，防止脊条之外区域导电。实现绝缘层“开窗”的方法已知有光刻&刻蚀法、激光凿穿法以及以喷墨方式喷涂特定溶剂法，其中最成熟、最常用的方法为光刻&刻蚀法。其存在以下几点问题：

1.传统的光学加工工艺的最小尺寸受限于辐照波长，需要考虑光学曝光中衍射效应、电子束曝光中散射效应的存在及影响；

2.需要严格控制显影时间；显影不足，脊波导未暴露出来，造成无法完成后续脊波导上绝缘层的刻蚀；过显影，显影深度及范围过大，光刻胶被过多的反应掉，在后续的绝缘层开窗刻蚀过程中，侧壁及沟道底部因失去光刻胶保护而被不同程度刻蚀。

发明内容

本发明的目的在于：克服传统脊波导上图形开窗工艺的技术缺陷，提出一种简单、高效的纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，包括以下步骤：

S1、基片清洗；

S2、基片表面旋涂光刻胶，通过曝光显影，将光刻版上的图案转移至基片表面；

S3、光刻胶作掩膜，刻蚀出脊形波导，去除光刻胶；

S4、在基片上沉积绝缘层；

S5、基片表面旋涂压印胶，利用对应的纳米压印掩膜版，实现图案的转移；

S6、去除脊波导上残余的压印胶；

S7、刻蚀脊波导上的薄膜，去胶后，实现绝缘层开窗。

进一步，所述S1具体为：

S101、在水浴条件下，用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理基片表面；

S102、压印掩膜版用酒精、去离子水依次清洗，吹干后放入原子层沉积设备，衬底无需加热，氧气的脉冲时间为8s～10s，冲洗时间为1s～10s，运行40-60个周期，让硅掩膜版表面上挂满—O—键；

S103、取出后放入1H，1H，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷溶液，上述溶液的浓度为98％，保持1min～5min，取出风干。

进一步，所述S2具体为：

选用AZ 5214光刻胶的粘度为24Cst，甩胶得到胶厚为1.6μm～1.7μm的光刻胶层；在100℃～120℃下进行40s～60s的前烘；曝光5s～10s，显影100～150s；在100℃～130℃下进行40s～60s的后烘。

进一步，显影液为2.38％的四甲基氢氧化铵。

进一步，所述S3具体为：

波导结构的刻蚀采用的是感应耦合等离子刻蚀设备进行干法刻蚀，使用的刻蚀气体为Cl₂和CH₄和Ar，用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶。

进一步，所述S4具体为：

等离子体增强化学气相沉积方式沉积一层厚度为200nm～300nm的SiO₂绝缘层；工艺气体为混90％氩气的硅烷和纯度为99.999％的N₂O，气体流量比值为20:25，射频电源功率为120W～180W，沉积温度为300℃～400℃，压强为100Pa～130Pa。

进一步，所述S5具体为：

选用PMMA压印胶，首先，加温至60℃～80℃；待温度达到并稳定后，启动加压控制程序，加压至13bar～16bar；保持持续60℃～80℃、压强13bar～16bar的条件4min～7min，直至图形稳定；然后开始降温，此过程中压力保持在13bar～16bar，待温度降至40℃，开始脱模，至此压印过程结束。

进一步，所述S6具体为：

干法刻蚀设备选用感应耦合等离子刻蚀设备，残胶刻蚀气体采用20～30sccm的氧气和3～8sccm的六氟化硫，射频电源功率为80～130W，时间为8～15s，压强为4～8mtorr，温度为60℃～80℃。

进一步，所述S7具体为：

刻蚀SiO₂绝缘层采用三氟甲烷和氩气混合气，三氟甲烷和氩气混合气的比例为1：10，射频电源功率250W～350W，压强为40～80mtorr，时间为3-6min；最后用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶。

本发明具有的优点和积极效果为：

1.超高分辨率：机械加工方法代替了光学加工，因此最小线宽不再受到光学衍射、散射及反射效应的存在及影响，同时也避免了加工线宽对特殊曝光光源、高精光学系统及光刻胶分辨率的依赖。

2.高产能：掩膜版上图形借助光刻胶转移到基片上，纳米压印可实现一次压印成型；加工难度及加工成本不受基片面积大小，转移图形密度的影响，适合大规模工业化生产。

3.低成本：掩膜版可反复利用，使用寿命长，有效降低了加工成本；此外，不涉及光学曝光及电子束曝光中复杂高精的光学系统，运营及维护成本也可观降低。

4.自对准：纳米压印模板的宽度远大于脊波导的宽度，极大的减小了对准的误差。

5.工艺简单可控：模版压印在脊波导上，可将脊波导上方的光刻胶去除，正好露出脊波导上方的介质层，同时又可对波导两侧进行保护。

附图说明

图1是本专利优选实施例中步骤一得到的样品结构；

图2是本专利优选实施例的步骤二中旋涂光刻胶AZ 5214后的样品结构；

图3是本专利优选实施例的步骤二中光刻&显影后的样品结构；

图4是本专利优选实施例的步骤三中等离子体刻蚀衬底的样品结构；

图5是本专利优选实施例的步骤三中去胶的样品结构；

图6是本专利优选实施例的步骤四的样品结构；

图7是本专利优选实施例的步骤五中旋涂光刻胶PMMA的样品结构；

图8是本专利优选实施例的步骤五中纳米压印-压模的样品结构；

图9是本专利优选实施例的步骤五中纳米压印-脱模的样品结构；

图10是本专利优选实施例的步骤六中氧等离子体去残胶的样品结构；

图11是本专利优选实施例的步骤六中等离子体刻蚀绝缘层的样品结构；

图12是本专利优选实施例的步骤六中去胶的样品结构。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，详细说明如下：

请参阅图1至图12，一种纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，包括以下步骤：

步骤一：45℃水浴条件下，用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理基片表面，以达到基片表面的清洁；压印掩膜版用酒精、去离子水依次清洗，吹干后放入Picosun R-200原子层沉积设备，衬底无需加热，氧气的脉冲时间为9s，冲洗时间为5s，运行50个周期，让硅掩膜版表面上挂满—O—键；取出后放入1H，1H，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷(98％)溶液，保持2min，取出吹干待用；

步骤二：选用AZ 5214光刻胶(24cSt)，甩胶参数为3000rpm，70s能得到胶厚约为1.62μm；在110℃下进行50s的前烘；光刻9s，显影时间为120s(显影液为TMAH 2.38％)；在120℃下进行50s的后烘；

步骤三：波导结构的刻蚀采用的是Samco ICP-200仪器进行干法刻蚀，使用的刻蚀气体为Cl₂和CH₄和Ar，实验参数下脊波导结构的垂直度很高；用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶；

步骤四：等离子体增强化学气相沉积PECVD(Oxford Plasmalab System100)沉积一层厚度为250nm的SiO₂绝缘层；工艺气体为硅烷(混90％氩气)和高纯N₂O(99.999％)，气体流量比值为20:25(sccm)，RF功率150W，沉积温度为350℃，压强为110Pa，沉积250nm厚的SiO₂时长约为25min；

步骤五：选用PMMA压印胶，首先，加温至70℃，待温度达到并稳定后，启动加压控制程序，加压至15bar；保持持续加温(70℃)、加压(15bar)5min，直至图形稳定；然后开始降温，此过程中压力保持，待温度降至40℃，开始脱模，至此压印过程结束；

步骤六：干法刻蚀设备选用Samco ICP-200，残胶刻蚀气体采用氧气(25sccm)和六氟化硫(5sccm)混气(O₂:SF₆＝5:1)，射频电源功率100W，时间为10s，压强6mtorr，温度为65℃；刻蚀SiO₂绝缘层采用三氟甲烷(CHF3)和氩气(Ar)混合气(1：10)，射频电源功率300W，压强60mtorr，时间为5min；最后用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶；至此，脊波导上绝缘层开窗实验结束。

本发明首先清洗基片表面，预处理压印掩膜版；接着，在基片上旋涂光刻胶，通过曝光显影，将光刻版上的图案转移至基片表面；然后，用光刻胶作掩膜，利用干法刻蚀刻蚀出脊形波导结构；接着，沉积一层绝缘层；其后，在基片上旋涂光刻胶，通过纳米压印技术，转移脊波导上光刻胶保护层，氧等离子体去残胶；最后，利用干法刻蚀去除脊条上无光刻胶保护的绝缘层，去胶后，完成脊条上图形开窗。本发明降低了工艺难度，提高了工艺精度，且大大缩短了加工时间，无疑大大降低了加工成本。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基片清洗；

S2、基片表面旋涂光刻胶，通过曝光显影，将光刻版上的图案转移至基片表面；

S3、光刻胶作掩膜，刻蚀出脊形波导，去除光刻胶；

S4、在基片上沉积绝缘层；

S5、基片表面旋涂压印胶，利用对应的纳米压印掩膜版，实现图案的转移；

S6、去除脊波导上残余的压印胶；

S7、刻蚀脊波导上的薄膜，去胶后，实现绝缘层开窗。

2.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S1具体为：

S101、在水浴条件下，用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理基片表面；

S102、压印掩膜版用酒精、去离子水依次清洗，吹干后放入原子层沉积设备，衬底无需加热，氧气的脉冲时间为8s～10s，冲洗时间为1s～10s，运行40-60个周期，让硅掩膜版表面上挂满—O—键；

S103、取出后放入1H，1H，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷溶液，上述溶液的浓度为98％，保持1min～5min，取出风干。

3.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S2具体为：

选用AZ 5214光刻胶的粘度为24Cst，甩胶得到胶厚为1.6μm～1.7μm的光刻胶层；在100℃～120℃下进行40s～60s的前烘；曝光5s～10s，显影100～150s；在100℃～130℃下进行40s～60s的后烘。

4.根据权利要求3所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，显影液为2.38％的四甲基氢氧化铵。

5.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S3具体为：

波导结构的刻蚀采用的是感应耦合等离子刻蚀设备进行干法刻蚀，使用的刻蚀气体为Cl₂和CH₄和Ar，用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶。

6.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S4具体为：

等离子体增强化学气相沉积方式沉积一层厚度为200nm～300nm的SiO₂绝缘层；工艺气体为混90％氩气的硅烷和纯度为99.999％的N₂O，气体流量比值为20:25，射频电源功率为120W～180W，沉积温度为300℃～400℃，压强为100Pa～130Pa。

7.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S5具体为：

选用PMMA压印胶，首先，加温至60℃～80℃；待温度达到并稳定后，启动加压控制程序，加压至13bar～16bar；保持持续60℃～80℃、压强13bar～16bar的条件4min～7min，直至图形稳定；然后开始降温，此过程中压力保持在13bar～16bar，待温度降至40℃，开始脱模，至此压印过程结束。

8.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S6具体为：

干法刻蚀设备选用感应耦合等离子刻蚀设备，残胶刻蚀气体采用20～30sccm的氧气和3～8sccm的六氟化硫，射频电源功率为80～130W，时间为8～15s，压强为4～8mtorr，温度为60℃～80℃。

9.根据权利要求1所述纳米压印法实现DFB激光器脊波导上绝缘层开窗工艺，其特征在于，所述S7具体为：

刻蚀SiO₂绝缘层采用三氟甲烷和氩气混合气，三氟甲烷和氩气混合气的比例为1：10，射频电源功率250W～350W，压强为40～80mtorr，时间为3-6min；最后用丙酮、异丙醇、去离子水依次处理样片表面，去除作掩膜的光刻胶。