CN113300217B - 一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法 - Google Patents

一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，包括以下步骤：在基片的指定区域上形成具有光栅图形的掩埋金属掩膜；在掩埋金属掩膜之上形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜，并基于光刻胶掩膜刻蚀形成脊波导结构；去除作为掩膜的光刻胶并在裸露的基片以及脊波导结构的表面镀制电隔离层；在电隔离层上套刻电极窗口并露出掩埋金属掩膜；基于掩埋金属掩膜在脊波导结构的表面刻蚀完成光栅的制作。本发明提出的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，解决了现有的制作工艺在制作中容易损坏光栅结构的问题。

Description

一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法。
背景技术
近年来随着半导体激光器的蓬勃发展，分布反馈(distribute feedback，DFB)半导体激光器在光通信领域应用更加广泛，多数DFB半导体激光器在波导层附近制备光栅，然后通过二次外延技术再继续生长所需的限制层、盖层等功能层材料。但二次外延生长工艺容易在器件波导材料中引入杂质，导致非辐射复合增强，造成半导体激光器温度升高、电阻增大，对光谱线宽造成一定影响。
由于DFB半导体激光器具有不同的结构特点，该类半导体激光器一般需要将脊波导和表面光栅分开进行制作。为保证光栅的小周期尺寸和较高的周期重复性，对光刻胶膜层的厚度和均匀性提出了一定的要求。为避免基片上高低起伏的形貌对光刻胶膜层造成不良影响，通常在激光器件制作的先期进行表面光栅制作工艺。但先制作光栅结构的器件制作工艺方案同样存在系列问题。首先，在具有光栅结构的基片上制作脊波导时需要再次进行曝光工艺，但在旋涂光刻胶时，光栅沟槽中的光刻胶在显影时难以被完全溶解，经过干法刻蚀后残留的光刻胶也更加难以去除，进而影响激光器件特性。其次，在镀制完电隔离层进行脊波导表面开电极窗口工艺时，需要均匀地腐蚀掉覆盖在光栅上的电隔离层，露出光栅表面，并避免过度腐蚀导致光栅侧壁形貌损坏，这在很大程度上增加了制作工艺的难度。
发明内容
本发明提出一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，以解决现有的制作工艺在制作中容易损坏光栅结构的问题。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，包括以下步骤：
S1：在基片的指定区域上形成具有光栅图形的掩埋金属掩膜；
S2：在掩埋金属掩膜之上形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜，并基于所述光刻胶掩膜刻蚀形成脊波导结构；
S3：去除S2步骤中的光刻胶掩膜，在裸露的基片表面镀制电隔离层；
S4：在电隔离层上套刻电极窗口并露出掩埋金属掩膜；
S5：基于掩埋金属掩膜和电隔离层的掩膜作用，刻蚀脊波导结构的表面，完成光栅的制作。
优选的是，所述步骤1具体步骤包括：
在基片上旋涂光刻胶，经过曝光、显影后形成光栅图形；
在基片表面借助磁控溅射技术形成一层金属薄膜，再利用剥离液将基片表面的光刻胶连同其上的金属薄膜剥离掉，基片表面剩余的金属薄膜即形成的具有光栅图形的掩埋金属掩膜。
优选的是，所述金属薄膜的材料为Ti、Ti-Pt、Ni或Ni-Au。
优选的是，所述步骤2具体包括：
根据脊波导图形的尺寸选择相对应的光刻胶，在裸露的基片以及掩埋金属掩膜之上涂覆光刻胶，通过曝光方法对旋涂在裸露的基片以及掩埋金属掩膜的表面上的光刻胶层进行曝光、显影，形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜；
在光刻胶掩膜的保护下利用湿法腐蚀或干法刻蚀在基片的表面制作出脊波导结构。
优选的是，所述步骤4具体包括：
在电隔离层表面旋涂光刻胶，进行曝光、显影工艺，并以光刻胶作为掩膜进行湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除脊波导结构表面的电隔离层，形成电极窗口并暴露出掩埋金属掩膜。
优选的是，所述步骤5具体包括：
将经过步骤4处理后的基片放入去胶液中去除表面残留的光刻胶，并对基片进行干法刻蚀，在金属掩膜和电隔离层的保护下在脊波导结构的表面采用干法刻蚀工艺形成光栅，完成光栅的制作。
优选的是，所述曝光的方式为全息曝光、接触式紫外曝光和电子束曝光中的一种。
优选的是，所述电隔离层的材质为氧化硅或氮化硅。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：过程简单，能够有效降低具有脊表面光栅的DFB半导体激光器的微纳光栅制作难度。通过预先在基片表面制作掩埋光栅掩膜、在器件制作后期刻蚀微纳光栅的设计，克服因基片表面不平整而导致微纳光栅刻蚀掩膜图形差，同时避免了刻蚀脊波导和去除电隔离层等工艺过程易导致微纳光栅形貌产生损坏的问题。金属具有优良的导电性，后续器件工艺可直接在金属掩膜上制作电极结构，无需将金属掩膜去除。通过两次刻蚀工艺分别制作脊波导和脊表面光栅，可以分别独立控制光栅刻蚀深度和脊波导刻蚀深度，工艺上更具有灵活性。
附图说明
图1为利用本发明制作方法所制成的具有脊表面光栅的基片的截面示意图；
图2为利用本发明制作方法所制成的具有脊表面光栅的基片的横向截面示意图；
图3为本发明一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，包括以下步骤：
S1：在基片的指定区域上形成具有光栅图形的掩埋金属掩膜8，基片包括从上至下依次设置的p面盖层、p面限制层、p面波导层2、量子阱层3、n面波导层4、n面限制层5、n面盖层6和n面电极层7。
S2：在掩埋金属掩膜8之上形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜，并基于光刻胶掩膜刻蚀形成脊波导结构。
S3：去除S2步骤制作的用于掩膜的光刻胶并在裸露的基片以及脊波导结构的表面镀制电隔离层9，电隔离层材料可以采用但不限于氧化硅或氮化硅。电隔离层9作为绝缘层，能够防止激光器件的P面金属电极在电极窗口以外的区域形成电注入。
S4：在电隔离层9上套刻电极窗口并露出掩埋金属掩膜8。
S5：基于掩埋金属掩膜8在脊波导结构的表面刻蚀完成光栅的制作。
本申请避免基片表面形貌对光栅制作工艺的影响，实现在器件制作工艺后期刻蚀光栅结构，可以最大程度地避免其余器件制作工艺导致的光栅结构损坏。在具有脊表面光栅(光栅位于脊波导表面)的激光器件中，需要在脊表面光栅顶部制作P面金属电极，本申请省去了去除脊表面光栅刻蚀掩膜的繁琐步骤，通过选择P面电极金属作为掩埋金属掩膜8，将光栅制作步骤置于套刻电极窗口工艺之后，在完成脊表面光栅刻后，可直接进行P面金属电极的溅射，存在的掩埋金属掩膜8不会对激光器件P面的电注入造成不利影响。本申请的制备方法解决了脊表面光栅DFB半导体激光器制作中所面临的光栅工艺问题，大大降低了器件制作难度。
作为本发明一个优选的实施例，步骤1具体步骤包括：在基片上旋涂光刻胶，利用全息曝光技术对基片表面曝光、显影后形成光栅图形；在基片表面借助磁控溅射技术形成一层金属薄膜，再利用剥离液将基片表面的光刻胶连同其上的金属薄膜剥离掉，基片表面剩余的金属薄膜即形成的具有光栅图形的掩埋金属掩膜8。曝光方式可以采用但不限于全息曝光、接触式紫外曝光或电子束曝光；金属薄膜材料可以采用但不限于Ti、Ti-Pt、Ni、Ni-Au。
作为本发明一个优选的实施例，步骤2具体包括：根据脊波导图形的尺寸选择相对应的光刻胶，在裸露的基片以及掩埋金属掩膜8之上涂覆光刻胶，通过曝光方法对旋涂在裸露的基片以及掩埋金属掩膜8的表面上的光刻胶层进行曝光、显影，形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜；然后在光刻胶掩膜的保护下利用湿法腐蚀或干法刻蚀在基片的表面制作出脊波导结构。本申请采用的是宽条形脊波导结构。
作为本发明一个优选的实施例，步骤4具体包括：在电隔离层9表面旋涂光刻胶，进行曝光、显影工艺，并以光刻胶作为掩膜进行湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除脊波导结构表面的电隔离层9，形成电极窗口并暴露出掩埋金属掩膜8，电极窗口位于脊波导正上方。
作为本发明一个优选的实施例，步骤5具体包括：将经过步骤4处理后的基片放入去胶液中去除表面残留的光刻胶，并对基片进行干法刻蚀，在掩埋金属掩膜8和电隔离层9的保护下在脊波导结构的表面采用干法刻蚀工艺形成光栅，完成光栅的制作。在完成光栅刻蚀后无需去除掩埋金属掩膜即可在光栅表面制作P面金属电极。
实施例1：如图3所示，一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，包括以下步骤：
步骤1：制作基片，基片包括从上至下依次设置的光栅层1、p面波导层2、量子阱层3、n面波导层4、n面限制层5、n面盖层6和n面电极层7。本申请是在光栅层1上制作光栅，光栅层包括p面盖层和p面限制层。通过Lift-off剥离技术在基片表面制作出刻蚀表面光栅用的掩埋金属掩膜8。步骤具体包括：利用全息曝光技术对基片的表面进行曝光、显影，在基片表面溅射80nm厚度的金属薄膜，接着将所述镀有金属薄膜的基片放置于80℃的剥离液中持续煮30分钟，剥离掉基片表面的光刻胶及光刻胶上的金属薄膜。
步骤2：根据光栅图形的尺寸选择相对应的光刻胶，在裸露的基片以及掩埋金属掩膜8之上涂覆光刻胶；采用接触式紫外光刻技术曝光形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜层，利用ICP刻蚀形成脊波导结构，并确保金属掩膜图形在脊波导上方。
步骤3：去除作为掩膜的光刻胶并在裸露的基片以及脊波导结构的表面镀氧化硅电隔离层，在裸露的基片以及脊波导结构的表面形成保护层和电隔离层。
步骤4：再次借助接触式紫外光刻技术在基片表面形成具有电极窗口图形的光刻胶掩膜层，利用光刻胶掩膜进行电隔离层腐蚀工艺，去除脊波导结构表面的电隔离层9。
步骤5：在露出的掩埋金属掩膜8和电隔离层9共同的阻挡作用下，经过ICP刻蚀在脊波导表面得到光栅结构。在ICP刻蚀时，仅在刻蚀光栅区域11内刻蚀，不刻蚀处于电隔离层下方的未刻蚀光栅区域10。脊表面光栅制作完成后基片的结构如图1、2所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基片的指定区域上形成具有光栅图形的掩埋金属掩膜；
S2：在掩埋金属掩膜之上形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜，并基于所述光刻胶掩膜刻蚀形成脊波导结构；
S3：去除S2步骤中的光刻胶掩膜并在裸露的基片表面镀制电隔离层；
S4：在电隔离层上套刻电极窗口并露出掩埋金属掩膜；
S5：基于掩埋金属掩膜和电隔离层的掩膜作用，刻蚀脊波导结构的表面，完成光栅的制作；
所述步骤1具体步骤包括：
在基片上旋涂光刻胶，经过曝光、显影后形成光栅图形；
在基片表面借助磁控溅射技术形成一层金属薄膜，再利用剥离液将基片表面的光刻胶连同其上的金属薄膜剥离掉，基片表面剩余的金属薄膜即形成的具有光栅图形的掩埋金属掩膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述金属薄膜的材料为Ti、Ti-Pt、Ni或Ni-Au。
3.根据权利要求1所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
根据脊波导图形的尺寸选择相对应的光刻胶，在裸露的基片以及掩埋金属掩膜之上涂覆光刻胶，通过曝光方法对旋涂在裸露的基片以及掩埋金属掩膜的表面上的光刻胶层进行曝光、显影，形成具有脊波导图形的光刻胶掩膜；
在光刻胶掩膜的保护下利用湿法腐蚀或干法刻蚀在基片的表面制作出脊波导结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
在电隔离层表面旋涂光刻胶，进行曝光、显影工艺，并以光刻胶作为掩膜进行湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除脊波导结构表面的电隔离层，形成电极窗口并暴露出掩埋金属掩膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
将经过步骤4处理后的基片放入去胶液中去除表面残留的光刻胶，并对基片进行干法刻蚀，在金属掩膜和电隔离层的保护下在脊波导结构的表面采用干法刻蚀工艺形成光栅，完成光栅的制作。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述曝光的方式为全息曝光、接触式紫外曝光和电子束曝光中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于掩埋金属掩膜的脊表面光栅制作方法，其特征在于，所述电隔离层的材质为氧化硅或氮化硅。
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