CN111817135B - 一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，包括以下步骤：选取晶圆，在所述晶圆上刻蚀出若干圆台；在每个所述圆台周围刻蚀出沟道，所述沟道的宽深比为0.05‑0.5。本发明在刻蚀时选择0.05‑0.5的宽深比，可以有效的减弱刻蚀机腔体内的气流对刻蚀的影响，提高vcsel沟道刻蚀深度的均匀性，使EPD的信号更理想，实现对刻蚀深度的实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及芯片制造技术领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是半导体激光器的一种，已经在很多领域中如光通信、信息读取、三维成像、激光雷达等获得广泛应用。
在在VCSEL芯片结构中，至少包括一个圆台，圆台为vcsel器件的有效发光区域。在芯片制作过程中，使用干法刻蚀机对晶圆进行刻蚀，通过刻蚀沟道的方法实现圆台与周围结构的隔离。在vcsel器件制作时，需要精准的控制沟道的刻蚀深度。为了实现刻蚀深度的精准控制，通常在刻蚀机中引入终点检测装置（简称EPD）。常规的EPD原理是，刻蚀机刻蚀时，刻蚀产物中的每种元素会发射具有特征波长的光，通过光谱分析，可以得到刻蚀产物所包含的元素，再由元素的信号强度分析，可以实现刻蚀深度的实时监控，在达到所需刻蚀深度时，停止刻蚀。
在完全均匀刻蚀情况下，EPD采集的是理想的波动信号。而在实际操作中，由于常规刻蚀具有一定的不均匀性，导致在刻蚀的过程中，在整个晶圆上会出现一定的不均匀性，导致EPD的信号紊乱，无法实现刻蚀深度的实时监控。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种能提高晶圆刻蚀均匀性的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法。
一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，包括以下步骤：
选取晶圆，在所述晶圆上刻蚀出若干圆台；
在每个所述圆台周围刻蚀出沟道，宽深比为0.05-0.5。
本发明的有益效果是：在刻蚀时选择0.05-0.5的宽深比，可以有效的减弱刻蚀机腔体内的气流对刻蚀的影响，提高vcsel沟道刻蚀深度的均匀性，使EPD的信号更理想，实现对刻蚀深度的实时监控。
另外，根据本发明提供的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述沟道为围绕所述圆台的环形结构、矩形结构或方形结构。
进一步地，所述沟道为包绕所述圆台的矩形结构，其短边为40-60μm，长边为80-100μm。
进一步地，对任一不处于所述晶圆中心的所述圆台，所述沟道位于所述晶圆和所述圆台的中心连线上的区域的刻蚀深度为H1，所述沟道位于中心连线的垂线上的区域的刻蚀深度为H2，所述垂线经过所述圆台的中心，H1和H2满足下式：
H1=H2*(1+α)，
其中，α为经验系数，1%≤α≤5%。
进一步地，所述沟道为围绕所述圆台的环形结构，1%≤α≤2%。
进一步地，所述沟道为围绕所述圆台的矩形结构或方形结构，4%≤α≤5%。
进一步地，所述晶圆包括Al元素、Ga元素和As元素。
进一步地，所述沟道面积为所述晶圆面积的10-50%。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明第一实施例的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法的示意图；
图2是本发明第二实施例的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法的示意图；
图3是本发明第二实施例的刻蚀过程中的Ga信号图；
图4是沟道面积为晶圆面积的3%刻蚀过程中的Ga信号图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，影响刻蚀均匀性的因素主要来源于刻蚀机台本身的均匀性以及所采用的刻蚀条件，如气体成分，流量，腔室压力，刻蚀功率等，这些对于刻蚀均匀性的影响为宏观的影响，一般情况的规律是，从晶圆中心到边缘刻蚀深度单调变化。而对于微区的均匀性，比如单一沟道内的刻蚀深度基本上没有不同，非常均匀。然而本专利申请人发现对于某些特定的刻蚀条件，沟道的深宽比对刻蚀的微区均匀性有重要的影响。具体地讲，刻蚀的微区不均匀性在晶圆中心位置不明显，沿着晶圆径向，越靠近晶圆边缘，刻蚀的微区不均匀性越明显。原因在于，对于刻蚀机来说，在晶圆表面，存在从晶圆中心到边缘的放射状气流，这些气流遇到台面和沟道时，形成涡流，不利于刻蚀产物的挥发移除，导致微区的刻蚀不均匀性。对于一个圆台周围的环形沟道，沟道在沿晶圆径向的两侧刻蚀深度最慢，而垂直于径向的两侧刻蚀速度最快。针对这一现象，本申请人提出一种优化的vcsel设计。
请参阅图1，本发明的第一实施例提出一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，包括以下步骤：
（1）选取晶圆1，在所述晶圆1上刻蚀出若干圆台2；
（2）在每个所述圆台2周围刻蚀出沟道3，所述沟道3的深度为2-8μm，宽度为4-40μm，宽深比为0.05-0.5。
在本实施例中，所述晶圆包括Al元素、Ga元素和As元素，具体为AlxGa1-xAs。
所述沟道3为围绕所述圆台2的环形结构。
需要说明的是，在刻蚀时，气流方向为从晶圆1中心向外的放射状，如图1的箭头所示，气流通过沟道时，会产生涡流，导致刻蚀产物不易挥发移除，沿半径方向上，沟道的有效宽度并不相同，在第二区域32，沟道3的有效宽度最大，在第一区域31，沟道3的有效宽度最小。
具体的，当采用如下条件时，能减弱气流涡流的影响：
圆台2的直径为35μm，刻蚀深度为3μm，宽深比为0.3。
对任一不处于所述晶圆中心的所述圆台，所述沟道位于所述晶圆和所述圆台的中心连线上的区域的刻蚀深度为H1，所述沟道位于中心连线的垂线上的区域的刻蚀深度为H2，所述垂线经过所述圆台的中心，H1和H2满足下式：
H1=H2*(1+α)，
其中，α为经验系数，α=1%。
具体的，H1为第一区域31的刻蚀深度，H2为第二区域32的刻蚀深度。
例如，对于图1中环形沟道，从第二区域32开始顺时针设置的4个虚线框分别定义为a、b、c、d点，沿半径方向上，沟道3的有效宽度并不相同，在a点和c点，沟道3有效宽度最大，在b点和d点，沟道3有效宽度最小，导致c、d点的刻蚀速度最快，b、d点刻蚀速度最慢，在环形沟道的微区中，形成刻蚀的不均匀性。为了降低这种不均匀性，必须减弱气流涡流的影响。
在常规的vcsel芯片设计中，沟道3的宽度为10微米，最终b、d点的刻蚀深度比a、c点低5%。在本实施例中，沟道3的宽度提升到30微米，刻蚀深度为3微米时，刻蚀沟道的深宽比为0.1，最终b、d点的刻蚀深度比a、c点低1%。微区均匀性得到提升。达到使用EPD进行厚度监控的目的。
本实施例的方法可以有效的减弱刻蚀机腔体内的气流对刻蚀的影响，提高vcsel沟道刻蚀深度的均匀性，使EPD的信号更理想，实现对刻蚀深度的实时监控。
请参阅图2，本发明的第二实施例提出一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，本实施例与第一实施例的区别在于以下内容。
具体的，所述沟道3为包绕所述圆台2的矩形结构，其短边为55μm，长边为95μm，圆台2的直径为35μm。
对任一不处于所述晶圆中心的所述圆台，所述沟道位于所述晶圆和所述圆台的中心连线上的区域的刻蚀深度为H1，所述沟道位于中心连线的垂线上的区域的刻蚀深度为H2，所述垂线经过所述圆台的中心，H1和H2满足下式：
H1=H2*(1+α)，
其中，α为经验系数，α=5%。
在本实施例中，沟道3的最小宽度为10μm，深度为3μm，H2=3μm，最大深宽比为0.3。
本实施中的，所述沟道3面积为所述晶圆1面积的15%。
例如，对于图2中环形沟道，从第二区域32开始顺时针设置的4个虚线框分别定义为a、b、c、d点，沟道内侧为圆形，外侧为长方形。沟道3在b、d点的宽度为10um，沟道3外侧长方形短边为55um，长边为95um。刻蚀3um时，b、d点刻蚀速度最慢，刻蚀深度为3um时，b、d点的刻蚀深度比a、c点低5%。与实施例1不同的是，a、c区域的面积占整个沟道面积的比例高，虽然微区不均匀性是5%，但是大部分沟道区域的刻蚀均匀性良好，在这种情况下，刻蚀时，EPD信号依然足够清晰，可以实施监控刻蚀深度。
为了更好地说明本实施例，获取对实施例的方法的刻蚀过程中Ga信号，见图3，并对比当沟道3面积为所述晶圆1面积的3%刻蚀过程中的Ga信号，见图4。
对比图3和图4可知，图3的Ga的周期性信号非常明显，可以作为刻蚀深度监控使用，而图4为紊乱信号，不具有周期性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取晶圆，在所述晶圆上刻蚀出若干圆台；
在每个所述圆台周围刻蚀出沟道，宽深比为0.05-0.5；
所述沟道为围绕所述圆台的环形结构、矩形结构或方形结构；
对任一不处于所述晶圆中心的所述圆台，所述沟道位于所述晶圆和所述圆台的中心连线上的区域的刻蚀深度为H1，所述沟道位于中心连线的垂线上的区域的刻蚀深度为H2，所述垂线经过所述圆台的中心，H1和H2满足下式：
H1=H2*(1+α)，
其中，α为经验系数，1%≤α≤5%。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，所述沟道为包绕所述圆台的矩形结构，其短边为40-60μm，长边为80-100μm。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，所述沟道为围绕所述圆台的环形结构，1%≤α≤2%。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，所述沟道为围绕所述圆台的矩形结构或方形结构，4%≤α≤5%。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，所述晶圆包括Al元素、Ga元素和As元素。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器芯片的刻蚀方法，其特征在于，所述沟道面积为所述晶圆面积的10-50%。
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