CN111082304A - 半导体激光器封装硅基板芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器封装硅基板芯片及其制备方法。其中半导体激光器封装硅基板芯片包括硅基板衬底，绝缘层和金层；绝缘层设于硅基板衬底与金层之间；绝缘层由彼此连接的二氧化硅层和氮化硅层构成；二氧化硅层连接硅基板衬底；氮化硅层连接金层。本发明能够减少加工时间，降低设备成本，提高刻蚀精度，具有良好的热导率，有利于激光器芯片的散热。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信设备技术领域，具体来说涉及一种半导体激光器封装硅基板芯片及其制备方法。
背景技术
在光纤通信技术中，主要采用半导体激光器作为信号源。目前制约信号源特性和成本的关键因素主要在于封装技术。其挑战在于，一方面要使激光器的光最大程度地耦合到光纤中，另一方面要给激光器提供高频调制信号。在给激光器提供10GHz以上的高频调制信号时，需要通过在硅基底介质上制备的高频传输共面波导来进行。由于在高频条件下的漏电损耗和电磁耦合损耗，不能直接在普通的硅半导体衬底上面制作微波传输共面波导。针对这一问题，目前主要有两种解决方法：第一种方法是采用高阻硅作为硅半导体衬底的材料，其电阻率要求高于2500Ω·cm，在高阻硅上可以直接制作微波传输共面波导，刻制V型槽和终止槽，制作工艺简单。但高阻硅成本很高，无法实现大规模生产。第二种方法是在硅衬底上生长一层十几微米厚的二氧化硅绝缘介质，再在这层二氧化硅介质上制作微波传输共面波导。这种加工方法存在的问题是二氧化硅绝缘层的厚度多达十几微米、导致二氧化硅绝缘层生成时间长、设备成本高，刻蚀难度加大，精度难以控制，热导率差、不利于激光器芯片散热。因此，如何开发出一种新型的半导体激光器封装硅基板芯片结构。能够克服上述问题，是本领域技术人员需要研究的方向。
发明内容
本发明提供了一种半导体激光器封装硅基板芯片，能够减少加工时间，降低设备成本，提高刻蚀精度，具有良好的热导率，有利于激光器芯片的散热。
其采用的具体技术方案如下：
一种半导体激光器封装硅基板芯片，包括硅基板衬底，绝缘层和金层；所述绝缘层设于硅基板衬底与金层之间；所述绝缘层由彼此连接的二氧化硅层和氮化硅层构成；所述二氧化硅层连接硅基板衬底；所述氮化硅层连接金层。
通过采用这种技术方案：以二氧化硅层与氮化硅层的结合代替现有技术中采用的二氧化硅层作为绝缘层。以其中，氮化硅层主要起到绝缘作用和抗腐蚀掩膜的作用，而二氧化硅层主要起到应力缓冲的作用。因氮化硅导热率比二氧化硅高2个数量级；且高频损耗更低。故采用这种结构，其热导率优秀，且绝缘层厚度远远低于现有技术中的绝缘层厚度。由此大幅降低波导传输损耗；同时避免了制备厚二氧化硅的工艺步骤、有效减少化学沉积生成二氧化硅层的时间，同时刻蚀加工变成平面操作，可有效提高蚀刻精度。
优选的是，上述半导体激光器封装硅基板芯片中：所述二氧化硅层厚度为10-3000埃；所述氮化硅层的厚度为100-10000埃。
更优选的是，上述半导体激光器封装硅基板芯片中：所述二氧化硅层厚度为2000埃；所述氮化硅层的厚度为1500埃。
本发明还提供了一种半导体激光器封装硅基板芯片制备方法，用于制备上述半导体激光器封装硅基板芯片。
其采用的技术方案具体如下：
一种半导体激光器封装硅基板芯片制备方法，其包括如下步骤：
S1：选取硅基板衬底放入管式炉中，以低压化学沉积的方式在硅基板衬底表面生成二氧化硅层；
S2：以低压化学沉积的方式在二氧化硅层表面生成氮化硅层；
S3：以光刻蚀方法在氮化硅层表面形成定位V型槽的图形光刻；
S4：对二氧化硅层和氮化硅层进行刻蚀；
S5：对二氧化硅层和氮化硅层进行光刻胶旋涂；
S6：在氮化硅层表面进行金层图形光刻，在氮化硅层表面形成金属波导结构的光刻胶图形；
S7：用电子束蒸发的方式将金薄膜蒸发在步骤S6所得光刻胶图形上；
S8：将步骤S7所得产品放入溶解剂中浸泡，令氮化硅层表面的光刻胶图形溶解，而金薄膜得到保留、在氮化硅层表面形成呈金属波导电路图形的金层；
S9：将步骤S8所得产品以用氢氧化钾或者TMAH浸泡，腐蚀没有得到氮化硅层保护的区域，得到带有定位V型槽的半导体激光器封装硅基板芯片。
通过采用这种技术方案：用光刻和等离子刻蚀的方法刻蚀掉需要形成V型槽的区域。再次进行光刻形成金属波导结构的光刻胶图形。金属波导结构用剥离技术形成，即用电子束蒸发将金薄膜蒸发在光刻胶定义的图形上。然后用溶剂浸泡，光刻胶溶解，与衬底氮化硅接触的金属区域保留从而形成所需金属波导电路图形结构。再将晶圆用氢氧化钾或者TMAH腐蚀，没有氮化硅层保护的区域被腐蚀，即可得到带有定位V型槽的硅基板芯片。
优选的是，上述半导体激光器封装硅基板制备方法中：所述步骤S1中：以硅酸乙酯为源物质，在675℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在硅基板衬底表面形成二氧化硅层。
更优选的是，上述半导体激光器封装硅基板制备方法中：所述步骤S2中：以二氯二氢硅与氨气为源物质，在670℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在二氧化硅层表面形成氮化硅层。
进一步优选的是，上述半导体激光器封装硅基板制备方法中：所述步骤S7中：首先蒸发一层厚度100～1000埃的铬或者钛、形成铬/金或者钛/金结构的粘附层，以提高金层与氮化硅的牢固度，再以电子束蒸发的方式将金薄膜蒸发在步骤S6所得光刻胶图形上。
与现有技术相比，本发明能够减少加工时间，降低设备成本，提高刻蚀精度，具有良好的热导率，有利于激光器芯片的散热。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的加工流程示意图；
图3为现有技术的加工流程示意图。
各附图标记与部件名称对应关系如下：
1、硅基板衬底；2、绝缘层；3、金层；21、二氧化硅层；22、氮化硅层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合各个实施例作进一步描述。
如图1-2所示为本发明实施例1：
一种半导体激光器封装硅基板芯片的制备工艺，包括如下步骤：
S1：选取硅基板衬底1放入管式炉中，以硅酸乙酯为源物质，在675℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在硅基板衬底1表面形成二氧化硅层21；
S2：以二氯二氢硅与氨气为源物质，在670℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在二氧化硅层21表面形成氮化硅层22；
S3：以光刻蚀方法在氮化硅层22表面形成定位V型槽的图形光刻；
S4：对二氧化硅层21和氮化硅层22进行刻蚀；
S5：对二氧化硅层21和氮化硅层22进行光刻胶旋涂；
S6：在氮化硅层22表面进行金层图形光刻，在氮化硅层22表面形成金属波导结构的光刻胶图形；
S7：用电子束蒸发的方式将金薄膜蒸发在步骤S6所得光刻胶图形上；
S8：将步骤S7所得产品放入溶解剂中浸泡，令氮化硅层22表面的光刻胶图形溶解，而金薄膜得到保留、在氮化硅层22表面形成呈金属波导电路图形的金层3；
S9：将步骤S8所得产品以用氢氧化钾或者TMAH浸泡，腐蚀没有得到氮化硅层保护的区域，得到带有定位V型槽的半导体激光器封装硅基板芯片。
通过上述加工工艺，制得的半导体激光器封装硅基板芯片，包括硅基板衬底1，绝缘层2和金层3；所述绝缘层2设于硅基板衬底1与金层3之间；所述绝缘层2由彼此连接的二氧化硅层21和氮化硅层22构成；所述二氧化硅层21连接硅基板衬底1；所述氮化硅层22连接金层3。其中，所述二氧化硅层21厚度为10-3000埃；所述氮化硅层22的厚度为100-10000埃。
图3所示为现有技术中制备以二氧化硅层作为绝缘层的同类产品的加工流程：
在传统的加工步骤中，因为采用二氧化硅层作为金层3和硅基板衬底1之间的绝缘层2，故其二氧化硅层厚达十几微米。需要首先以用氢氧化钾或者TMAH浸泡实现V槽腐蚀，这就造成了在化学腐蚀出V型槽后，硅片表面不再平整，且其后续工艺是体硅工艺，包括光刻胶涂布都比较复杂。而本发明中因为金层和氮化硅薄膜均能够耐腐蚀，故可以将形成V槽工艺作为最后一步。而在前面工序里硅片一直是平面加工，从而避免了光刻胶喷涂等昂贵负杂的体硅工艺。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种半导体激光器封装硅基板芯片，包括硅基板衬底(1)，绝缘层(2)和金层(3)；所述绝缘层(2)设于硅基板衬底(1)与金层(3)之间；
其特征在于：所述绝缘层(2)由彼此连接的二氧化硅层(21)和氮化硅层(22)构成；所述二氧化硅层(21)连接硅基板衬底(1)；所述氮化硅层(22)连接金层(3)。
2.如权利要求1所述半导体激光器封装硅基板芯片，其特征在于：所述二氧化硅层(21)厚度为10-3000埃；所述氮化硅层(22)的厚度为100-10000埃。
3.如权利要求2所述半导体激光器封装硅基板芯片，其特征在于：所述二氧化硅层(21)厚度为2000埃；所述氮化硅层(22)的厚度为1500埃。
4.一种半导体激光器封装硅基板芯片制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：选取硅基板衬底(1)放入管式炉中，以低压化学沉积的方式在硅基板衬底(1)表面生成二氧化硅层(21)；
S2：以低压化学沉积的方式在二氧化硅层(21)表面生成氮化硅层(22)；
S3：以光刻蚀方法在氮化硅层(22)表面形成定位V型槽的图形光刻；
S4：对二氧化硅层(21)和氮化硅层(22)进行刻蚀；
S5：对二氧化硅层(21)和氮化硅层(22)进行光刻胶旋涂；
S6：在氮化硅层(22)表面进行金层图形光刻，在氮化硅层(22)表面形成金属波导结构的光刻胶图形；
S7：用电子束蒸发的方式将金薄膜蒸发在步骤S6所得光刻胶图形上；
S8：将步骤S7所得产品放入溶解剂中浸泡，令氮化硅层(22)表面的光刻胶图形溶解，而金薄膜得到保留、在氮化硅层(22)表面形成呈金属波导电路图形的金层(3)；
S9：将步骤S8所得产品以用氢氧化钾或者TMAH浸泡，腐蚀没有得到氮化硅层保护的区域，得到带有定位V型槽的半导体激光器封装硅基板芯片。
5.如权利要求4所述半导体激光器封装硅基板制备方法，其特征在于：所述步骤S1中：以硅酸乙酯为源物质，在675℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在硅基板衬底(1)表面形成二氧化硅层(21)。
6.如权利要求4所述半导体激光器封装硅基板制备方法，其特征在于：所述步骤S2中：以二氯二氢硅与氨气为源物质，在670℃的加工温度下以管式炉低压化学沉积的方式在二氧化硅层(21)表面形成氮化硅层(22)。
7.如权利要求4所述半导体激光器封装硅基板制备方法，其特征在于：所述步骤S7中：首先蒸发一层厚度100～1000埃的铬或者钛、形成铬/金或者钛/金结构的粘附层，随后以电子束蒸发的方式将金薄膜蒸发在步骤S6所得光刻胶图形上。
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