CN110488416A - 一种制作小线宽脊状波导的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种制作小线宽脊状波导的方法，旨在解决现有技术中工艺复杂，成本高，仍存在改善后的侧壁粗糙度或脊状波导线宽不能满足使用需求的问题，其技术要点以下步骤：S1、选取衬底，在衬底上外延生长有波导芯层；S2、在波导芯层的顶部镀掩膜层，并去除光刻胶；S3、在掩膜层上涂覆光刻胶并曝光显影；S4、刻蚀未被光刻胶覆盖的部分掩膜层；S5、湿法刻蚀以形成第一波导芯；S6、在波导芯层上涂覆光刻胶并覆盖第一波导芯及掩膜层，然后根据掩膜层对光刻胶进行光刻至曝露出所述波导芯层；S7、再次湿法刻蚀以形成第二波导芯；S8、重复步骤S6‑S7，第N次湿法刻蚀以形成波导芯并使得波导芯达到预定厚度；S9、去除掩膜层。

Description

一种制作小线宽脊状波导的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种制作小线宽脊状波导的方法。

背景技术

集成光子技术是光子技术的重要发展方向，其集成光子器件由于具有易集成化、规模化等优势，在光通信、光信息处理、光传感等应用领域有着重要的应用。光波导是各种集成光子器件中最重要的基础性部件，目前的光波导包括硅基光波导、二氧化硅光波导、聚合物光波导、硫系玻璃光波导、铌酸锂光波导和III－V族光波导等。材料特性的不同使这些光波导有各自不同的应用，如二氧化硅光波导主要应用于在无源光波导器件中，聚合物光波导主要应用于一些低成本的光子器件中，铌酸锂光波导则主要应用于光调制器中。

另外，在半导体集成电路制造中，硅基波导的形成是一般是通过对硅衬底进行刻蚀的方法获得，其工艺流程一般是：制作刻蚀屏蔽层，采用干法等离子体刻蚀工艺以光刻胶为屏蔽进行硅沟槽屏蔽层的刻蚀，接下来去除光刻胶，然后刻蚀出需要深度、侧壁角度的硅沟槽，最后去除屏蔽层。

在实际的生产过程中，由于波导刻蚀对沟槽垂直性的要求，刻蚀需用干法等离子体刻蚀工艺，然而由于等离子刻蚀的特性，刻蚀后硅沟槽的侧壁存在竖直方向的条纹，这种工艺应用到光器件的光波导形成过程中，会在波导侧壁形成这种竖直方向的条纹，增加波导内传输光的散射损耗，进而导致光波导的传输损耗的增加。而传统湿法蚀刻，虽能形成较为平滑侧壁，但湿法蚀刻，腐蚀并无方向性，会造成侧向腐蚀，影响脊状波导线宽。

对于这个问题，传统的改进方法主要是通过1)优化光刻工艺条件，提高掩膜层刻蚀时屏蔽层的抗刻蚀能力，提高掩膜层的侧壁光滑度；2)优化掩膜层刻蚀工艺，改善掩膜层的侧壁粗糙度；3)优化刻蚀工艺，直接改善波导侧壁粗糙度。

但上述改进方法的出发点都是直接着眼于针对表面粗糙度的改善，要求工艺上的不断改进，存在改善后的侧壁粗糙度或脊状波导线宽仍不能满足使用需求的问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中工艺复杂，成本高，仍存在改善后的侧壁粗糙度或脊状波导线宽不能满足使用需求的缺陷，从而提供一种制作小线宽脊状波导的方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种制作小线宽脊状波导的方法，包括：

S1、选取衬底，在所述衬底上外延生长有波导芯层；

S2、在所述波导芯层的顶部镀绝缘介电质作为掩膜层；

S3、在所述掩膜层上涂覆光刻胶并曝光显影；

S4、刻蚀未被所述光刻胶覆盖的部分所述掩膜层至曝露出所述波导芯层，并去除所述光刻胶；

S5、将所述衬底具有掩膜层的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成第一波导芯；

S6、在所述波导芯层上涂覆光刻胶并覆盖所述第一波导芯及掩膜层，然后根据所述掩膜层对所述光刻胶进行光刻至曝露出所述波导芯层；

S7、再次将所述衬底具有掩膜层的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成第二波导芯；

S8、重复步骤S6-S7，第N次将所述衬底具有掩膜层的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成波导芯并使得所述波导芯达到预定厚度；

S9、去除掩膜层。

可选地，所述步骤S1中，将所述衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15－25分钟，在第一次清洗完成后，从丙酮取出所述衬底然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3－7分钟，在第二次清洗完后，从甲醇中取出所述衬底然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3－7分钟，将清洗干净的所述衬底用氮气吹干。

可选地，所述步骤S2中，所述掩膜层采用低压化学气相淀积法LPCVD或等离子体增强化学气相淀积法PECVD沉积在所述波导芯层上。

可选地，所述步骤S3中，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm－2000rpm，慢转时间为3s－5s，快转转速为5000rpm－6000rpm，快转时间为25s－30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s－60s，使得所述光刻胶呈现该掩膜图案。

可选地，所述步骤S4中，利用电感耦合等离子体进行刻蚀，刻蚀中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm－25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm－40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2－3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1－5分钟。

可选地，在湿法刻蚀中，使得所述刻蚀液与所述衬底相对运动。

可选地，所述使得所述衬底与所述刻蚀液相对运动是控制所述衬底进行定轴转动。

可选地，所述使得所述衬底与所述刻蚀液相对运动是控制所述衬底进行往复直线运动。

本发明提供的制作小线宽脊状波导的方法，采用新式湿法蚀刻的设计，除了能保有原有湿法蚀刻平滑的侧壁降低光传输损耗且能制作小线宽脊状波导维持单模输出，同时克服了刻蚀液浪费和衬底静置造成的刻蚀效率低，以及存在刻蚀不足，过度刻蚀的缺点，从而能够提高产品良率，达到降低小线宽脊状波导制造成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S1－S2的结构示意图；

图2为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S3的结构示意图；

图3为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S4的结构示意图；

图4为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S5的结构示意图；

图5为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S6的结构示意图；

图6为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S7的结构示意图；

图7为本发明的一种实施方式的制作小线宽脊状波导的方法中步骤S8的结构示意图。

附图标记说明：

1、衬底；2、波导芯层；21、第一波导芯；22、第二波导芯；23、波导芯；3、掩膜层；4、光刻胶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种制作小线宽脊状波导的方法，可应用在脊状有源光器件如(但不局限于)：半导体激光器，半导体光放大器等，如图1－7所示，包括以下步骤：

S1、参考图1，选取衬底1，并对衬底1进行清洗，目的是为了去除杂质的污染，具体步骤为：首先将所述衬底1浸入丙酮中，并用超声波清洗15－25分钟，在第一次清洗完成后，从丙酮取出衬底1然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3－7分钟，在第二次清洗完后，从甲醇中取出衬底1然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3－7分钟，将清洗干净的衬底1用氮气吹干；

随之，通过化学气相沉积工艺在衬底1上外延生长有波导芯层2，本发明此实施例中，波导芯层2为适用于各种外延生长的半导体材料，如GaAs based材料、InP based材料等。

S2、参考图1，在波导芯层2的顶部镀绝缘介电质作为掩膜层3，其中掩膜层3采用低压化学气相淀积法LPCVD或等离子体增强化学气相淀积法PECVD沉积在波导芯层2上，其在本发明此实施例中，掩膜层3可为SiO2、Si3N4的介电质或Ni、Cr、Ti的金属以实现蚀刻波导芯片层2时的阻挡效果，同时，在实际应用中，层厚或层质可变化。

S3、参考图2，在掩膜层3上涂覆光刻胶4并曝光显影，在该步骤中，光刻是影响光子学器件质量好坏的重要因素，它一方面决定了波导所能达到的尺寸，另一方面决定了波导线条质量的好坏；

具体操作过程及参数为：首先在已经生长了掩膜3的衬底1上涂覆光刻胶4，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm－2000rpm，慢转时间为3s－5s，快转转速为5000rpm－6000rpm，快转时间为25s－30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s－60s，使得光刻胶4呈现该掩膜图案。

S4、参考图3，刻蚀未被光刻胶4覆盖的部分掩膜层3至曝露出波导芯层2，并去除光刻胶4，其中，刻蚀可利用电感耦合等离子体(ICP)进行蚀刻，其刻蚀效果主要与刻蚀气体和保护气体流量比、平板的功率、刻蚀时间及反应腔的压强等因素有关，其中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm－25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm－40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2－3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1－5分钟。

S5、参考图4，将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对波导芯层2进行刻蚀以形成第一波导芯21，由于衬底1的厚度远小于其长度，所以此时浸没衬底1仅需要较少的刻蚀液，因此大大降低刻蚀的成本；

S6、参考图5，在波导芯层2上涂覆光刻胶4并覆盖第一波导芯21及掩膜层3，然后根据掩膜层3对光刻胶4进行光刻至曝露出波导芯层2；

S7、参考图6，再次将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对波导芯层2进行刻蚀并同第一波导芯21形成第二波导芯22；

S8、参考图7，第三次将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对第二波导芯22刻蚀以形成小线宽的波导芯23；

在刻蚀过程中，使得刻蚀液与衬底1相对运动，即控制衬底1进行定轴转动，从而在本实施例中，利用搅拌棒对刻蚀液进行搅拌，首先将刻蚀液导入容器中，然后将衬底水平放置并浸没于刻蚀液中，实现对暴露在刻蚀液中的波导芯层2的快速刻蚀，从微观角度来分析，当刻蚀液中的一个离子与波导芯层2表面的原子发生反应后，生成了若干新的离子，假如此时刻蚀液静止，那新生成的若干新的离子要想离开发生反应的位置，就只能依靠微观离子的自然运动，如布朗运动，而这种运动显然是速度不够快；无数新生成离子在原地短暂停留，就会阻挡其他的刻蚀液离子继续与波导芯层2上的金属原子反应，进而从宏观上来看，就降低了整体的刻蚀速率；

通过搅拌棒使得刻蚀液与衬底1相对运动，其搅拌方向可以沿顺时针方向或逆时针方向，或者沿两个方向交替进行，当然，此处采取的方式并不限于使用搅拌棒，而是包括任何能够使得刻蚀液运动的方式，例如还可以通过超声波设备对刻蚀液进行超声搅拌，使刻蚀液中的离子在超声作用下产生共振，亦能起到加速刻蚀的作用。

S9、去除掩膜层3。

实施例2：

一种制作小线宽脊状波导的方法，如图1－7所示，包括以下步骤：

S1、参考图1，选取衬底1，并对衬底1进行清洗，目的是为了去除杂质的污染，具体步骤为：首先将所述衬底1浸入丙酮中，并用超声波清洗15－25分钟，在第一次清洗完成后，从丙酮取出衬底1然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3－7分钟，在第二次清洗完后，从甲醇中取出衬底1然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3－7分钟，将清洗干净的衬底1用氮气吹干；

随之，通过化学气相沉积工艺在衬底1上沉积并生长波导芯层2，本发明此实施例中，波导芯层2为适用于各种外延生长的半导体材料，如GaAs based材料、InP based材料等。

S2、参考图1，在波导芯层2的顶部镀绝缘介电质作为掩膜层3，其中掩膜层3采用低压化学气相淀积法LPCVD或等离子体增强化学气相淀积法PECVD沉积在波导芯层2上，其在本发明此实施例中，掩膜层3可为SiO2、Si3N4的介电质或Ni、Cr、Ti的金属以实现蚀刻波导芯片层2时的阻挡效果，同时，在实际应用中，层厚或层质可变化。

S3、参考图2，在掩膜层3上涂覆光刻胶4并曝光显影，在该步骤中，光刻是影响光子学器件质量好坏的重要因素，它一方面决定了波导所能达到的尺寸，另一方面决定了波导线条质量的好坏；

具体操作过程及参数为：首先在已经生长了掩膜3的衬底1上涂覆光刻胶4，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm－2000rpm，慢转时间为3s－5s，快转转速为5000rpm－6000rpm，快转时间为25s－30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s－60s，使得光刻胶4呈现该掩膜图案。

S4、参考图3，刻蚀未被光刻胶4覆盖的部分掩膜层3至曝露出波导芯层2，其中，刻蚀可利用电感耦合等离子体(ICP)进行蚀刻，其刻蚀效果主要与刻蚀气体和保护气体流量比、平板的功率、刻蚀时间及反应腔的压强等因素有关，其中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm－25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm－40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2－3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1－5分钟。

S5、参考图4，将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对波导芯层2进行刻蚀以形成第一波导芯21，由于衬底1的厚度远小于其长度，所以此时浸没衬底1仅需要较少的刻蚀液，因此大大降低刻蚀的成本；

S6、参考图5，在波导芯层2上涂覆光刻胶4并覆盖第一波导芯21及掩膜层3，然后根据掩膜层3对光刻胶4进行光刻至曝露出波导芯层2；

S7、参考图6，再次将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对波导芯层2进行刻蚀并同第一波导芯21形成第二波导芯22；

S8、重复步骤S6-S7，第N次将衬底1具有掩膜层3的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，对第二波导芯22刻蚀以形成小线宽的波导芯23并使得所述波导芯23达到预定厚度；

在刻蚀过程中，使得刻蚀液与衬底1相对运动，即控制衬底1进行往复直线运动，从而在本实施例中，将衬底放置于支座(图中未标示)上，该支座在外力的驱动作用下运动，从而带动衬底1运动，实现衬底1与刻蚀液的相对运动，从而提高刻蚀速度，需要说明的是，此处衬底所进行的运动包括多种方式，例如往复直线运动或定轴转动方式等。

S9、去除掩膜层3。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取衬底(1)，在所述衬底(1)上外延生长有波导芯层(2)；

S2、在所述波导芯层(2)的顶部镀绝缘介电质作为掩膜层(3)；

S3、在所述掩膜层(3)上涂覆光刻胶(4)并曝光显影；

S4、刻蚀未被所述光刻胶(4)覆盖的部分所述掩膜层(3)至曝露出所述波导芯层(2)，并去除所述光刻胶(4)；

S5、将所述衬底(1)具有掩膜层(3)的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成第一波导芯(21)；

S6、在所述波导芯层(2)上涂覆光刻胶(4)并覆盖所述第一波导芯(21)及掩膜层(3)，然后根据所述掩膜层(3)对所述光刻胶(4)进行光刻至曝露出所述波导芯层(2)；

S7、再次将所述衬底(1)具有掩膜层(3)的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成第二波导芯(22)；

S8、重复步骤S6-S7，第N次将所述衬底(1)具有掩膜层(3)的一面向上水平放置并浸没于刻蚀液中，形成波导芯(23)并使得所述波导芯(23)达到预定厚度；

S9、去除掩膜层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述步骤S1中，将所述衬底(1)浸入丙酮中，并用超声波清洗15－25分钟，在第一次清洗完成后，从丙酮取出所述衬底(1)然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3－7分钟，在第二次清洗完后，从甲醇中取出所述衬底(1)然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3－7分钟，将清洗干净的所述衬底(1)用氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述掩膜层(3)采用低压化学气相淀积法LPCVD或等离子体增强化学气相淀积法PECVD沉积在所述波导芯层(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述步骤S3中，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm－2000rpm，慢转时间为3s－5s，快转转速为5000rpm－6000rpm，快转时间为25s－30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s－60s，使得所述光刻胶(4)呈现该掩膜图案。

5.根据权利要求1所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用电感耦合等离子体进行刻蚀，刻蚀中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm－25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm－40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2－3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1－5分钟。

6.根据权利要求1所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，在湿法刻蚀中，使得所述刻蚀液与所述衬底(1)相对运动。

7.根据权利要求6所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述使得所述衬底(1)与所述刻蚀液相对运动是控制所述衬底(1)进行定轴转动。

8.根据权利要求7所述的一种制作小线宽脊状波导的方法，其特征在于，所述使得所述衬底(1)与所述刻蚀液相对运动是控制所述衬底(1)进行往复直线运动。