CN111725702B - 一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法 - Google Patents

一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，通过限制层孔道制作，在高温氧化时制作的限制层金属能够在很大程度上防止水蒸汽的过度氧化，本发明中通过限制层孔道制作可以比较有效的阻止过度氧化，在湿法氧化时只需要在原先测算平均氧化速率的基础上继续增加氧化时间，可以完全保证氧化的完成而又不会过度氧化，从而达到我们需要的孔径大小，实际上该种工艺将需要的氧化通道提前制作出来。

Description

一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作 方法
技术领域
本发明涉及一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
垂直腔面发射激光器，简称Vcsel(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，是基于砷化镓材料为基础研制的一种半导体器件。Vcsel其结构主要有三个部分，激光工作物质、崩浦源、和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须通过崩浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，但是这样得到的激光寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多，方向性很差。所以，还必须经过顶部反射镜(TopMirror)和底部反射镜(Bottom Mirror)组成的谐振腔，在激光腔(Laser Cavity)内放大与震荡，并由顶部反射镜输出，而且输出的光线只集中在中间不带有氧化层(Oxide Layers)的部分输出，这样就形成了垂直腔面的激光发射，从而得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光。
垂直腔面发射激光器本身有源区体积小、腔体短，制作时腔镜反射率达到99％以上，可以得到较大幅度的增益，具有较高的驰豫振荡频率，在高效率的数据传输和光纤通信中应用较为广泛；Vcsel的出光方向与衬底表面垂直，可以先完成外延结构的制作。总结主要具有以下优点：1、其有源区体积较小，非常容易实现单纵横、低阈值条件下的工作；2、可以比较容易的实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；3、Vcsel的出射光束为圆形，发散角相对较小，很容易与光纤以及其它光学元件进行高效率的藕合；4、该种激光器容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，能够进行大容量、高速度的数据处理；5、电光转换效率较高，可大于50％，器件的寿命较长；6、该种半导体激光器件不用封装就可以进行检测工作，对产品进行筛选，能够较大幅度提高产品良率，降低生产成本。
Vcsel的制作过程比较简单，主要通过以下步骤实现，1、台面制作；2、氧化扩散；3、隔离层制作；4、电极制作；5、减薄晶片、切割成单个器件。如上述步骤，其中最重要的一个步骤是完成氧化扩散，形成氧化物组断层，限制电流的横向扩散。目前，氧化扩散最常用的工艺是通过湿氧进行扩散，即利用饱和的水蒸气与高掺杂金属层(一般为金属铝)反应形成绝缘的氧化物来限制电流的横向扩展，从而形成一个上下电流通道。现有的湿法氧化工艺最重要的就是对氧化速率也就是氧化程度的控制，氧化时无法对其氧化的区域进行时时监控，基本通过测算通入饱和水蒸汽的速率和氧化时温度的高低来得到一个大体氧化速率，通过测算氧化的平均速率调整整个过程的温度高低来控制氧化的程度，但是因为温度的不稳定和水蒸汽和掺杂金属层之间反应速率的波动很难恰好完成需要的氧化尺寸，氧化不足时达不到我们需要限制效果，氧化过度光通过的太少对直接影响期间质量，该步骤产生的不良品较多。
中国专利文件CN104882787A(201510300471.9)提出了一种表面等离子体调制的倒装Vcsel激光器及其制作方法，包括如下步骤：(1)外延片准备；(2)台面制备；(3)湿法氧化；(4)P面生长SiO2；(5)制作隔离窗口；(6)P面电极制作；(7)N面减薄；(8)N面生长SiO2；(9)N面SiO2腐蚀；(10)N面套刻及溅射金属；(11)管芯制作；(12)纳米结构制备；(13)测试。该发明主要补充了表面等离子体调制垂直腔面激光器在倒装方面的空白，使全波段都能实微纳米结构的等离子体调制，但是，对于湿法氧化制作的氧化孔经是通过常规方法直接氧化，存在氧化程度难控制的现象。
中国专利文件CN1851992A(200610044192.1)提出了一种防止垂直腔面发射半导体激光器在湿法氧化时开裂的方法。主要通过在湿法氧化时不同阶段的温度控制来防止温度变化过快导致的开裂，该方法完成的氧化在一定程度上减少了开裂异常率，但是，对于氧化程度仍然没有较好的解决方法，尤其温度的多次调整，使其氧化速率存在更大的波动很难保证恰好的氧化。
综上所述，需要研究一种能够比较有效的保证湿法氧化方法，使其氧化程度恰好达到我们需要的限制孔径，而且氧化程度容易控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法；
术语解释：
1、高温氧化，指在高温下，金属材料与氧反应生成氧化物造成的一种金属腐蚀。
2、热蒸发，是指把待镀膜的基片或工件置于真空室内，通过对镀膜材料加热使其蒸发气化而沉积与基体或工件表面并形成薄膜或涂层的工艺过程。
本发明的技术方案如下：
一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作台面；制作后的台面包括生长有外延层的晶片、第一SiO2膜层、孔道，所述生长有外延层的晶片表面生长有所述第一SiO2膜层，所述孔道通过台面表面向下穿透所述第一SiO2膜层并延伸至所述外延层的晶片内；
进一步优选的，所述步骤(1)中，所述第一SiO2膜层的厚度为3000-5000
Figure BDA0002002652020000021
(2)制作限制层孔道；包括：
A、在步骤(1)完成的晶片表面生长第二SiO2膜层；
B、使用光刻胶制作掩膜图形，将待制作的限制层区域的光刻胶去除，并腐蚀掉待制作的限制层区域处的所述第二SiO2膜层、所述第一SiO2膜层；
C、在待制作的限制层区域处刻蚀出限制层孔道；
进一步优选的，所述步骤C中，使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出限制层孔道。
D、在步骤C完成的晶片表面制作一层薄金属；
进一步优选的，所述金属为金、金铍、铂或镍，所述金属的厚度为10-100
Figure BDA0002002652020000031
进一步优选的，所述步骤D中，使用溅射法或者蒸镀法在上述晶片表面制作一层金属。
E、在步骤D完成的晶片表面镀金属层，直至金属层填充满所述限制层孔道；
进一步优选的，所述步骤E中，使用化学镀膜的方法在步骤D完成的晶片表面化镀金属层。
F、使用光刻胶制作掩膜图形，对所述限制层孔道处区域进行保护，将其它区域处的金属层、金属、第二SiO2膜层、第一SiO2膜层依次腐蚀掉；
(3)氧化扩散；对步骤(2)完成的晶片进行高温氧化，高温氧化时，根据测算的平均速率，待达到高温氧化的尺度时，继续高温氧化20％T-50％T，T是指根据测算的平均速率计算得到的达到高温氧化的尺度时所用的时间；
高温氧化后通过红外光源的显微镜能够看到氧化进去的尺径，通过氧化的时间与尺径的大小可以计算出平均氧化速率，传统工艺需要通过这个平均速率来控制氧化的程度，而本发明中因为有限制层孔道的存在不会存在过氧化的问题，所以根据平均速率计算出的时间基础上可以上浮20-50％来达到彻底氧化的目的；
通过制作限制层孔道，在高温氧化时制作的限制层孔径处的金属能够在很大程度上防止水蒸汽的过度氧化，在湿法氧化时只需要在原先测算平均氧化速率的基础上继续增加氧化时间，可以完全保证氧化的完成而又不会过度氧化，从而达到我们需要的孔径大小，实际上该种工艺将需要的氧化通道提前制作出来。
(4)制作隔离层；
进一步优选的，所述隔离层的厚度为1000-5000
Figure BDA0002002652020000032
上述厚度的选取可以保证隔离层的完整，又可以兼顾效率。如果隔离层太薄，在整个过程中容易遭受破坏，如果隔离层太厚的话，则制作效率太低。
(5)制作电极。
根据本发明优选的，所述步骤C中，所述限制层孔道的孔径为2-4μm。
限制层孔道的孔径的大小的选择比较重要，孔径太大严重影响整个器件的质量，孔径太小金属无法完成完全填充达不到限制氧化的效果起到的限制作用较小容易发生部分区域过氧化；大于该范围对整个外延层结构破坏较严重上方制作金属后电流传输会受到较大影响。通过实验研究发现，孔径的大小在2-4μm之间是合适的数值，既不会对器件本身质量产生较大影响，也不会影响限制层孔径金属填充的制作。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，所述氧化扩散，包括：在氧化炉内进行高温氧化，高温氧化使用的为饱和的水蒸气，并且通入氮气进行高温氧化，通入氮气的速率为2-10L/min，氧化炉内的温度为400-450℃，高温氧化的时间为30-90min，氧化炉的体积为50-100L，保证25-50min内氮气充满整个氧化炉腔体。氧化过程是在饱和蒸气压氛围下实现的，以保证氧化的均匀性。
根据本发明优选的，所述步骤(1)，制作台面，包括：
G、在生长有外延层的晶片表面生长第一SiO2膜层；
H、使用光刻胶制作掩膜图形，保护待制作孔道处的区域，其它区域去掉光刻胶并将第一SiO2膜层腐蚀掉；
进一步优选的，所述步骤H中，光刻胶的厚度为10000-40000
Figure BDA0002002652020000041
I、将步骤H完成的晶片使用ICP干法刻蚀方法进行刻蚀，刻蚀出所述孔道，并将光刻胶去除。
进一步优选的，所述步骤I中，所述孔道的深度大于限制层的厚度；限制孔道深度必须大于该深度才能起到限制作用。
根据本发明优选的，所述步骤(4)，制作隔离层，用于隔离除电极区域外的其它区域的电流的注入，包括：
J、在步骤(3)完成的晶片表面生长第三SiO2膜层；
K、使用光刻胶制作出掩膜图形；
L、使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出待制作电极区域。
根据本发明优选的，所述步骤(5)，制作电极，包括：
M、在步骤(3)完成的晶片的P面制作出P面电极；
N、对步骤M完成的晶片的N面进行减薄，并制作出N面电极，即得。
根据本发明优选的，所述第一SiO2膜层、所述第二SiO2膜层、所述第三SiO2膜层的材质均为SiO2，所述SiO2在热蒸发温度为100-300℃的温度条件下通过热蒸发制得。在该温度范围内制作的SiO2相对较致密且粘附性较好。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，通过限制层孔道制作，在高温氧化时制作的限制层金属能够在很大程度上防止水蒸汽的过度氧化，在传统工艺中通过测算氧化的平均速率调整整个过程的温度高低来控制氧化的程度，但是因为温度的不稳定和水蒸汽和掺杂金属层之间反应速率的波动很难恰好完成需要的氧化尺寸，氧化不足时达不到我们需要限制效果，氧化过度光通过的太少对直接影响期间质量。而本发明中通过限制层孔道制作可以比较有效的阻止过度氧化，在湿法氧化时只需要在原先测算平均氧化速率的基础上继续增加氧化时间，可以完全保证氧化的完成而又不会过度氧化，从而达到我们需要的孔径大小，实际上该种工艺将需要的氧化通道提前制作出来。
2、本发明中，限制层孔道孔径大小的选择比较重要，孔径太大严重影响整个器件的质量，孔径太小金属无法完成完全填充达不到限制氧化的效果，通过实验研究发现，孔径的大小在2-4μm之间是合适的数值，既不会对器件本身质量产生较大影响，也不会影响限制层孔径金属填充的制作。
3、本发明限制层孔径工艺的制作比较繁琐，原理较简单，对器件质量的提升较大，足以弥补制作该限制孔径带来的成本和效率上的损失，该工艺方法适用于所有激光器的氧化扩散工艺，适宜规模化生产。
附图说明
图1为制作完成后的台面结构示意图；
图2为步骤B完成后结构示意图；
图3为步骤(2)完成后的结构示意图；
图4为生长完金属层后的结构示意图；
图5为生长完金属层并将多余金属腐蚀后结构示意图；
图6为氧化扩散后结构示意图；
图7为隔离层制作完成后结构示意图；
图8为减薄并生长完N面电极后结构示意图。
1、生长有外延层的晶片，2、第一SiO2膜层，3、孔道，4、第二SiO2膜层，5、限制层孔道，6、金属层，7、第三SiO2膜层，8、P面电极，9、N面电极，10、限制层。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例
一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，以制作980nm垂直腔面发射激光器为例，包括以下步骤：
(1)如图1所示，制作台面；制作后的台面包括生长有外延层的晶片1、第一SiO2膜层2、孔道3，生长有外延层的晶片1表面生长有第一SiO2膜层2，孔道3通过台面表面向下穿透第一SiO2膜层2并延伸至外延层的晶片1内；第一SiO2膜层2的厚度为3000-5000
Figure BDA0002002652020000051
制作台面，包括：
G、在生长有外延层的晶片1表面上，通过热蒸发方式PECVD设备，在200℃温度条件下生长厚度为4000
Figure BDA0002002652020000061
第一SiO2膜层2；
H、使用正胶制作掩膜图形(孔道宽度30μm)，保护待制作孔道3处的区域，其它区域去掉光刻胶并将第一SiO2膜层2腐蚀掉；光刻胶的厚度为10000-40000
Figure BDA0002002652020000062
I、将步骤H完成的晶片使用ICP干法刻蚀方法进行刻蚀，刻蚀出孔道3，并将光刻胶去除。孔道3的深度大于限制层10的厚度；限制孔道深度必须大于该深度才能起到限制作用。
(2)制作限制层孔道5；包括：
A、在步骤(1)完成的晶片表面生长厚度为4000
Figure BDA0002002652020000063
的第二SiO2膜层4；
B、如图2所示，使用光刻胶制作掩膜图形，将待制作的限制层区域的光刻胶去除，并腐蚀掉待制作的限制层区域处的第二SiO2膜层4、第一SiO2膜层2；
C、在待制作的限制层区域处使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出限制层孔道5。限制层孔道5的孔径为3μm。
限制层孔道5的孔径的大小的选择比较重要，孔径太大严重影响整个器件的质量，孔径太小金属无法完成完全填充达不到限制氧化的效果，起到的限制作用较小，容易发生部分区域过氧化；大于该范围对整个外延层结构破坏较严重，上方制作金属后电流传输会受到较大影响。通过实验研究发现，限制层孔道5的孔径的大小在2-4μm之间是合适的数值，既不会对器件本身质量产生较大影响，也不会影响限制层孔道5的孔径金属填充的制作。
D、使用溅射法或者蒸镀法在步骤C完成的晶片表面制作一层薄金属；金属为金，金属的厚度为50
Figure BDA0002002652020000064
E、使用化学镀膜的方法在步骤D完成的晶片表面镀金属层6，直至金属层6填充满限制层孔道5；如图4所示。
F、使用光刻胶制作掩膜图形，对限制层孔道5处区域进行保护，将其它区域处的金属层6、金属、第二SiO2膜层4、第一SiO2膜层2依次腐蚀掉；如图5所示。
步骤(2)完成后的结构示意图如图3所示。
(3)氧化扩散；对步骤(2)完成的晶片进行高温氧化，高温氧化时，根据测算的平均速率，待达到高温氧化的尺度时，继续高温氧化20％T-50％T，T是指根据测算的平均速率计算得到的达到高温氧化的尺度时所用的时间；包括：在氧化炉内进行高温氧化，高温氧化使用的为饱和的水蒸气，并且通入氮气进行高温氧化，通入氮气的速率为4L/min，氧化炉内的温度为430℃，高温氧化的时间为60min，氧化炉的体积为50-100L，保证25-50min内氮气充满整个氧化炉腔体。氧化过程是在饱和蒸气压氛围下实现的，以保证氧化的均匀性。
高温氧化后通过红外光源的显微镜能够看到氧化进去的尺径，通过氧化的时间与尺径的大小可以计算出平均氧化速率，传统工艺需要通过这个平均速率来控制氧化的程度，而本发明中因为有限制层孔道5的存在不会存在过氧化的问题，所以根据平均速率计算出的时间基础上可以上浮20-50％来达到彻底氧化的目的；
通过制作限制层孔道5，在高温氧化时制作的限制层孔径处的金属能够在很大程度上防止水蒸汽的过度氧化，在湿法氧化时只需要在原先测算平均氧化速率的基础上继续增加氧化时间，可以完全保证氧化的完成而又不会过度氧化，从而达到我们需要的孔径大小，实际上该种工艺将需要的氧化通道提前制作出来。
氧化扩散后结构示意图如图6所示。
(4)制作隔离层；包括：
J、在步骤(3)完成的晶片表面生长第三SiO2膜层7；厚度为4000
Figure BDA0002002652020000071
K、使用光刻胶制作出掩膜图形；
L、使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出待制作电极区域。
隔离层制作完成后结构示意图如图7所示。
(5)制作电极，包括：
M、在步骤(3)完成的晶片的P面制作出P面电极8，P面电极8采用TiPtAu结构；
N、对步骤M完成的晶片的N面进行减薄，并制作出N面电极9，N面电极9采用NiAu电极，即得。将其制作成单个器件。
减薄并生长完N面电极后结构示意图如图8所示。
对比例
一种垂直腔面发射激光器的制作方法，与实施例的不同之处在于，不进行步骤(2)；其它步骤同实施例。
将该对比例中现有技术的垂直腔面发射激光器的制作方法与实施例垂直腔面发射激光器的制作方法进行对比，效果比对数据如表1所示：
表1
方法 氧化良率
实施例 100％
对比例 76.2％
由表1可知，通过本发明方法制作的Vcsel器件氧化质量稳定，良率较高。

Claims (15)

1.一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作台面；制作后的台面包括生长有外延层的晶片、第一SiO2膜层、孔道，所述生长有外延层的晶片表面生长有所述第一SiO2膜层，所述孔道通过台面表面向下穿透所述第一SiO2膜层并延伸至所述外延层的晶片内；
(2)制作限制层孔道；包括：
A、在步骤(1)完成的晶片表面生长第二SiO2膜层；
B、使用光刻胶制作掩膜图形，将待制作的限制层区域的光刻胶去除，并腐蚀掉待制作的限制层区域处的所述第二SiO2膜层、所述第一SiO2膜层；
C、在待制作的限制层区域处刻蚀出限制层孔道；
D、在步骤C完成的晶片表面制作一层金属；
E、在步骤D完成的晶片表面镀金属层，直至金属层填充满所述限制层孔道；
F、使用光刻胶制作掩膜图形，对所述限制层孔道处区域进行保护，将其它区域处的金属层、金属、第二SiO2膜层、第一SiO2膜层依次腐蚀掉；
(3)氧化扩散；对步骤(2)完成的晶片进行高温氧化，高温氧化时，根据测算的平均速率，待达到高温氧化的尺度时，继续高温氧化20％T-50％T，T是指根据测算的平均速率计算得到的达到高温氧化的尺度时所用的时间；
(4)制作隔离层；
(5)制作电极。
2.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第一SiO2膜层的厚度为
Figure FDA0002939177950000011
3.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤C中，使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出限制层孔道。
4.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤D中，使用溅射法或者蒸镀法在上述晶片表面制作一层金属。
5.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤E中，使用化学镀膜的方法在步骤D完成的晶片表面化镀金属层。
6.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述隔离层的厚度为
Figure FDA0002939177950000021
7.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤C中，所述限制层孔道的孔径为2-4μm。
8.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述氧化扩散，包括：在氧化炉内进行高温氧化，高温氧化使用的为饱和的水蒸气，并且通入氮气进行高温氧化，通入氮气的速率为2-10L/min，氧化炉内的温度为400-450℃，高温氧化的时间为30-90min，氧化炉的体积为50-100L，保证25-50min内氮气充满整个氧化炉腔体。
9.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述金属为金、金铍、铂或镍，所述金属的厚度为
Figure FDA0002939177950000022
10.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)，制作台面，包括：
G、在生长有外延层的晶片表面生长第一SiO2膜层；
H、使用光刻胶制作掩膜图形，保护待制作孔道处的区域，其它区域去掉光刻胶并将第一SiO2膜层腐蚀掉；
I、将步骤H完成的晶片使用ICP干法刻蚀方法进行刻蚀，刻蚀出所述孔道，并将光刻胶去除。
11.根据权利要求10所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤H中，光刻胶的厚度为
Figure FDA0002939177950000023
12.根据权利要求10所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤I中，所述孔道的深度大于限制层的厚度。
13.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤(4)，制作隔离层，包括：
J、在步骤(3)完成的晶片表面生长第三SiO2膜层；
K、使用光刻胶制作出掩膜图形；
L、使用ICP干法刻蚀方法刻蚀出待制作电极区域。
14.根据权利要求1所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤(5)，制作电极，包括：
M、在步骤(3)完成的晶片的P面制作出P面电极；
N、对步骤M完成的晶片的N面进行减薄，并制作出N面电极，即得。
15.根据权利要求13所述的一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述第一SiO2膜层、所述第二SiO2膜层、所述第三SiO2膜层的材质均为SiO2，所述SiO2在热蒸发温度为100-300℃的温度条件下通过热蒸发制得。
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