CN110137804B - 一种改善vcsel侧壁形貌的干法刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其包括如下步骤：S1、在VCSEL外延片上通过介质薄膜形成刻蚀图案；S2、将VCSEL外延片连同其上的介质薄膜送入刻蚀腔中；S3、向刻蚀腔中通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体，对VCSEL外延片上未被介质薄膜覆盖的部分进行刻蚀；S4、通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体的同时，向刻蚀腔中通入He，在刻蚀形成的VCSEL台面侧壁上形成非晶硅保护层。本发明通过将He气通入到ICP刻蚀腔中，促进了SiCl4的分解，在VCSEL台面侧壁形成了一层非晶硅保护层，有效阻止了反应气体对台面侧壁的进一步刻蚀，提升了VCSEL器件台面侧壁的光滑度。

Description

一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法。
背景技术
VCSEL器件全称为垂直腔面发射激光器，兴起于上个世纪70年代，经过近几十年的发展获得了长足的进步。相比于边发射半导体激光器，VCSEL具有激光出射方向垂直于衬底表面、可获得圆形光斑、动态单模性好、易于和其他半导体器件集成等优点。凭借这些优点VCSEL器件获得了人们的广泛关注，逐步在3D成像、光通信、光存储、激光显示和照明等领域获得了应用。
在VCSEL的制备工艺中常涉及圆形台面的刻蚀，常见的刻蚀方法有化学湿法刻蚀及ICP干法刻蚀。ICP干法刻蚀通常采用气相化学反应及物理离子轰击相结合的方案，相比于化学湿法刻蚀，ICP干法刻蚀具有各向异性刻蚀、产量大、易于获得垂直台面等优点。
在VCSEL的ICP刻蚀工艺中，化学气相刻蚀倾向于各向同性刻蚀，会破坏侧壁的垂直度，物理刻蚀的粒子轰击会造成台面侧壁的损坏。因而，如何在ICP刻蚀的工艺中，采用合适的方法对已刻蚀的表面进行保护，近而提升VCSEL器件的性能，是提升VCSEL侧壁形貌的的关键。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其包括如下步骤：
S1、在VCSEL外延片上通过介质薄膜形成刻蚀图案；
S2、将VCSEL外延片连同其上的介质薄膜送入刻蚀腔中；
S3、向刻蚀腔中通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体，对VCSEL外延片上未被介质薄膜覆盖的部分进行刻蚀；
S4、通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体的同时，向刻蚀腔中通入He，在刻蚀形成的VCSEL台面侧壁上形成非晶硅保护层。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，所述步骤S1具体包括：
S11、在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜；
S12、在含有介质薄膜的VCSEL外延片上旋涂一层光刻胶；
S13、光刻胶经曝光显影形成光刻胶掩膜；
S14、通过ICP刻蚀工艺，对未被光刻胶掩膜覆盖的介质薄膜进行刻蚀，将光刻胶图案转移到VCSEL外延片上；
S15、去除光刻胶。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，采用PECVD法在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，所述介质薄膜的材料为二氧化硅或氮化硅，所述介质薄膜厚度位于30-800nm之间。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，刻蚀介质薄膜的气体为氟基气体，所述氟基气体为四氟化碳、三氟甲烷、六氟化硫等气体的一种或多种。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，刻蚀介质薄膜的RF功率位于20-100W之间，ICP功率位于0-500W之间，刻蚀时间0-30min之间。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，旋涂的光刻胶的厚度位于1-5μm之间。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，形成光刻胶掩膜时：对涂有光刻胶的VCSEL外延片依次进行前烘、曝光、显影、后烘以及坚膜。
作为本发明的干法刻蚀方法的改进，使用丙酮或者异丙醇去除剩余光刻胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过将He气通入到ICP刻蚀腔中，促进了SiCl4的分解，在VCSEL台面侧壁形成了一层非晶硅保护层，有效阻止了反应气体对台面侧壁的进一步刻蚀，提升了VCSEL器件台面侧壁的光滑度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其包括如下步骤：
S1、在VCSEL外延片上通过介质薄膜形成刻蚀图案。
所述步骤S1具体包括：
S11、在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜。优选地，采用PECVD法在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜。所述介质薄膜的材料为二氧化硅或氮化硅，所述介质薄膜厚度位于30-800nm之间。
S12、在含有介质薄膜的VCSEL外延片上旋涂一层光刻胶。优选地，旋涂的光刻胶的厚度位于1-5μm之间。
S13、光刻胶经曝光显影形成光刻胶掩膜。优选地，形成光刻胶掩膜时：对涂有光刻胶的VCSEL外延片依次进行前烘、曝光、显影、后烘以及坚膜。
S14、通过ICP刻蚀工艺，对未被光刻胶掩膜覆盖的介质薄膜进行刻蚀，将光刻胶图案转移到VCSEL外延片上。
刻蚀介质薄膜的气体为氟基气体，所述氟基气体为四氟化碳、三氟甲烷、六氟化硫中的一种或几种。
S15、去除光刻胶。优选地，使用丙酮、异丙醇等有机溶剂去除剩余光刻胶。
S2、将VCSEL外延片连同其上的介质薄膜送入刻蚀腔中。
S3、向刻蚀腔中通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体，对VCSEL外延片上未被介质薄膜覆盖的部分进行刻蚀。
S4、通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体的同时，向刻蚀腔中通入He，在刻蚀形成的VCSEL台面侧壁上形成非晶硅保护层。
下面结合一实施例对本发明的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法的技术方案进行举例说明。
采用丙酮、异丙醇、去离子水分别清洗VCSEL外延片15min，随后将外延片甩干。然后将外延片被置于PECVD腔室，沉积100nm厚的氮化硅介质薄膜。
采用旋涂法将光刻胶旋涂在含有介质薄膜的VCSEL外延片上，并在外延片依次进行前烘、曝光、显影、后烘、坚膜等工艺，制备出光刻胶图案。实验中，旋涂的光刻胶厚度为3μm。
将含有光刻胶的外延片放入ICP刻蚀腔室中，抽腔室底压至10-5Pa。向腔室中通入30sccm的三氟甲烷，设定压强为5mTorr。打开射频源功率，设定RF功率为60W，ICP功率为400W，经过8min的刻蚀后，腔室被抽至底压10-5Pa。随后样品被机械手放入样品室，对样品室充气至一个标准大气压后，取出样品。
经ICP刻蚀介质薄膜的样品，经加热丙酮清洗20分钟，去除剩余光刻胶。然后将样品被放入异丙醇、去离子水中分别清洗10分钟，随后甩干。
将含有介质薄膜的外延片放入ICP刻蚀腔室中，抽腔室底压至10-5Pa。向腔室中通入30sccm的SiCl4，50sccm的Ar，10sccm的He，设定压强为6mTorr，打开射频源功率，设定RF功率为40W，ICP功率为400W，经过4min的刻蚀后，腔室被抽至底压10-5Pa。随后样品被机械手放入样品室，对样品室充气至一个标准大气压后，取出样品。
综上所述，本发明通过将He气通入到ICP刻蚀腔中，促进了SiCl4的分解，在VCSEL台面侧壁形成了一层非晶硅保护层，有效阻止了反应气体对台面侧壁的进一步刻蚀，提升了VCSEL器件台面侧壁的光滑度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法包括如下步骤：
S1、在VCSEL外延片上通过介质薄膜形成刻蚀图案；
S2、将VCSEL外延片连同其上的介质薄膜送入刻蚀腔中；
S3、向刻蚀腔中通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体，对VCSEL外延片上未被介质薄膜覆盖的部分进行刻蚀；
S4、通入包含SiCl4和Ar的刻蚀气体的同时，向刻蚀腔中通入He，在刻蚀形成的VCSEL台面侧壁上形成非晶硅保护层。
2.根据权利要求1所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11、在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜；
S12、在含有介质薄膜的VCSEL外延片上旋涂一层光刻胶；
S13、光刻胶经曝光显影形成光刻胶掩膜；
S14、通过ICP刻蚀工艺，对未被光刻胶掩膜覆盖的介质薄膜进行刻蚀，将光刻胶图案转移到VCSEL外延片上；
S15、去除光刻胶。
3.根据权利要求2所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，采用PECVD法在VCSEL外延片上沉积一层介质薄膜。
4.根据权利要求2或3所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，所述介质薄膜的材料为二氧化硅或氮化硅，所述介质薄膜厚度位于30-800nm之间。
5.根据权利要求4所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，刻蚀介质薄膜的气体为氟基气体，所述氟基气体为四氟化碳、三氟甲烷、六氟化硫中的一种或多种气体。
6.根据权利要求4所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，刻蚀介质薄膜的RF功率位于20-100 W之间，ICP功率位于0-500 W之间，刻蚀时间0-30min之间。
7.根据权利要求2所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，旋涂的光刻胶的厚度位于1-5μm之间。
8.根据权利要求2所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，形成光刻胶掩膜时：对涂有光刻胶的VCSEL外延片依次进行前烘、曝光、显影、后烘以及坚膜。
9.根据权利要求2所述的改善VCSEL侧壁形貌的干法刻蚀方法，其特征在于，使用丙酮或者异丙醇去除剩余光刻胶。
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