CN113794106A - 一种提高vcsel氧化孔径均匀性的方法 - Google Patents

一种提高vcsel氧化孔径均匀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，具体为：将VCSEL刻蚀的台面结构设计为花瓣型，且沟道宽度设计为10‑25um；再将VCSEL置于氧化炉内，然后对氧化炉快速升温至VCSEL的氧化温度以下，并恒温25‑35min，在升温和恒温时向氧化炉内通入氮气和水汽的混合气体；对氧化炉以10‑20℃/min的升温速率升温至氧化所需温度，直至氧化完毕；最后对氧化炉降温，使氧化炉快速降温至180‑220℃，然后自然冷却至室温。本发明能够提高VCSEL氧化孔径均匀性。

Description

一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出。其结构是P型和N型布拉格反射镜和夹在中间的谐振腔。P型和N型布拉格反射镜都由多层外延片组成，以达到99％的反射率。
VCSEL的结构从下至上一般包括N限制层、砷化镓基底、缓冲层、N-DBR层、P-DBR层等等；在制备时，都需要通过刻蚀技术，将VCSEL刻蚀到N-DBR处，露出氧化层，然后通过氧化工艺在氧化层上发生氧化，留下一个未被氧化的圆形光电限制孔(即氧化孔)，用来实现激光发射；一般一片晶圆上通常存在着数以万计的氧化孔，而氧化孔径的均匀性对激光器发光性能便显得至关重要。
目前的氧化方法大多为湿法氧化工艺，其氧化工艺是氮气通过加热的bubble水浴瓶，带出水蒸气进行氧化。但目前的氧化工艺通常刻蚀出来的台面结构为圆台形，如附图1所示，其台面沟道为圆环形，这种图形虽较为简便，主要适用于6寸的晶圆上，但其不利于水汽的流通以及氧化产物的及时排出，且经目前的大量使用结果表明，这种设计的氧化孔径的均匀性只有10％左右，尚不能很好的满足工业越来越高的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，通过将VCSEL刻蚀的台面结构设计为花瓣型，增加沟道宽度，能够提高VCSEL氧化孔径均匀性。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，将VCSEL刻蚀的台面结构设计为花瓣型，且沟道宽度设计为10-25um。
本分方案原理：一般设计的沟道宽度为1-6um，本方案将沟道宽度设计为10-25um；沟道宽度的增加有利于氧化工艺进行时更多水汽的流入，充足的水汽将有利于氧化的进行；且经过实验证明，沟道越宽，氧化速率会略微的变慢，但始终能够保证处于本方案所需要的氧化速率在合适区间，这样的氧化速率较现有的氧化速率略慢，如此，就不需要调节氧化温度或者氧化层材料来实现氧化速率的调节，并且氧化速率的降低，更有利于通过控制氧化时间来实现氧化深度的精确控制，也可以实现较好的氧化孔的形状的调节。
本方案在沟道宽度设计的基础上，还将传统的圆环形的Mesa(台面结构)沟道设计为花瓣型，如此，在小的花瓣边的沟道里和宽的大沟道里形成压力差，当氧化反应进行时，便有利于生成的产物从这些小的花瓣沟道里扩散流出去，不至于很大的影响水汽的分布，从而达到氧化孔径的均匀性改善的目的。
进一步，所述VCSEL刻蚀的台面结构设计为六瓣的花瓣型。六瓣的花纹边，呈对称分布，更容易提高VCSEL氧化孔径均匀性。
进一步，在VCSEL氧化时，包括以下步骤：
S1、将VCSEL置于氧化炉内，然后对氧化炉快速升温至VCSEL的氧化温度以下，并恒温25-35min，在升温和恒温时向氧化炉内通入氮气和水汽的混合气体；
S2、对氧化炉以10-20℃/min的升温速率升温至氧化所需温度，直至氧化完毕；
S3、对氧化炉降温，使氧化炉快速降温至180-220℃，然后自然冷却至室温。
本方案的VCSEL氧化过程中，水汽不再是温度达到氧化温度时才通入水汽，而是在升温过程中就开始通入水汽，并且在升温后的恒温下可保持一段时间，使水汽充满腔体，之后再以10-20℃/min的升温速率快速升温至最终氧化所用温度，如此可以防止升温太慢，快速升温可以避免氧化速率一直改变导致的氧化孔径的不均匀。氧化完成后，降温过程中，本方案不再采用自然冷却或者缓慢冷却的方式，而是快速降温，目的是减少降温过程中可能发生的氧化反应对氧化孔径均匀性的影响。
进一步，所述步骤S1中的升温速率为20℃/min。如此较快的升温速率，可以避免氧化速率一直改变导致的氧化孔径的不均匀。
进一步，所述步骤S1中的升温温度为200-300℃。这样的温度可以使得VCSEL的氧化还未发生就对氧化炉通入水汽，使炉内充满水汽环境。
进一步，所述步骤S1中，通入氮气和水汽的氮气流量为3L/min，水汽2L/min。
进一步，所述步骤S2中的升温温度为300-500℃。根据芯片需求，需要不同的氧化温度，但基本都处于300-500℃的温度范围。
进一步，所述步骤S3中，在2-3min的时间内使氧化炉内的温度降低至180-220℃。本方案不再采用自然冷却或者缓慢冷却的方式，而是快速降温，如此快速的降温目的是减少降温过程中可能发生的氧化，从而避免可能发生的氧化反应对氧化孔径均匀性的影响。
进一步，在步骤S1的之前，向氧化炉内通入10-20L/min的氮气，对炉内腔体进行清扫。如此，可以保证氧化炉内的清洁度。
本发明的有益效果：
1、本发明将VCSEL刻蚀的台面结构设计为花瓣型，在小的花瓣边的沟道里和宽的大沟道里形成压力差，当氧化反应进行时，便有利于生成的产物从这些小的花瓣沟道里扩散流出去，不至于很大的影响水汽的分布，从而达到氧化孔径的均匀性改善的目。
2、本发明的设计加大了沟道的宽度，这种台面的设计方便湿法氧化时水汽的流入以及产物的及时排出，且沟道宽度增加也允许氧化过程中更多的水汽的流入，可以较好改善氧化孔径的均匀性。
3、本发明在VCSEL氧化过程中，不再是温度达到氧化温度时才通入水汽，而是在升温的过程中就开始通入水汽，并且在此温度恒温保持一段时间，使水汽充满腔体，之后再快速升温至最终氧化所用温度，如此可以防止升温太慢，氧化速率一直改变导致的氧化孔径的不均匀，从而提高VCSEL氧化孔径均匀性。
4、本发明在VCSEL氧化完成后，降温过程中，不再采用自然冷却或者缓慢冷却的方式，而是快速降温，在2-3min的时间内即将温度降下来，可以减少降温过程中可能发生的氧化反应对氧化孔径均匀性的影响。
附图说明
图1是目前现有技术VCSEL刻蚀的台面结构设计示意图；
图2是本发明VCSEL刻蚀的台面结构设计示意图。
其中，1、台面结构沟道。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，其中，下述的各个实施例均使用的为6寸的晶圆：
实施例1、
本实施例的提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，包括以下步骤：
S1、在待机状态下，先在氧化炉内通入10L/min的氮气，用来吹扫腔体，保持腔体的清洁度；
S2、将VCSEL刻蚀的台面结构设计为如附图2所示的六瓣的花瓣型，且沟道宽度设计为10um；
S3、开始以20℃/min的升温速率将氧化炉升温到200℃，并在此温度下恒温25min，并且开始升温时即往炉内通入水汽，水汽为氮气携带水汽进入氧化炉，氮气3L/min，水汽2L/min，总流量5L/min，使炉内充满水汽环境；
S4、开始以10℃/min的升温速率快速升温至氧化所需温度300℃进行氧化，直至氧化完毕；
S5、氧化过程结束后，使用鼓风机在炉外侧吹冷风的方法，在2min的时间内，使氧化温度迅速降低至180℃，然后等到晶圆温度降至室温时，便可以取出晶圆，对氧化孔径进行测量。
实施例2、
本实施例的提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，包括以下步骤：
S1、在待机状态下，先在氧化炉内通入15L/min的氮气，用来吹扫腔体，保持腔体的清洁度；
S2、将VCSEL刻蚀的台面结构设计为如附图2所示的六瓣的花瓣型，且沟道宽度设计为17um；
S3、开始以20℃/min的升温速率将氧化炉升温到250℃，并在此温度下恒温30min，并且开始升温时即往炉内通入水汽，水汽为氮气携带水汽进入氧化炉，氮气3L/min，水汽2L/min，总流量5L/min，使炉内充满水汽环境；
S4、开始以15℃/min的升温速率快速升温至氧化所需温度400℃进行氧化，直至氧化完毕；
S5、氧化过程结束后，使用鼓风机在炉外侧吹冷风的方法，在2.5min的时间内，使氧化温度迅速降低至200℃，然后等到晶圆温度降至室温时，便可以取出晶圆，对氧化孔径进行测量。
实施例3、
本实施例的提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，包括以下步骤：
S1、在待机状态下，先在氧化炉内通入20L/min的氮气，用来吹扫腔体，保持腔体的清洁度；
S2、将VCSEL刻蚀的台面结构设计为如附图2所示的六瓣的花瓣型，且沟道宽度设计为25um；
S3、开始以20℃/min的升温速率将氧化炉升温到300℃，并在此温度下恒温35min，并且开始升温时即往炉内通入水汽，水汽为氮气携带水汽进入氧化炉，氮气3L/min，水汽2L/min，总流量5L/min，使炉内充满水汽环境；
S4、开始以20℃/min的升温速率快速升温至氧化所需温度500℃进行氧化，直至氧化完毕；
S5、氧化过程结束后，使用鼓风机在炉外侧吹冷风的方法，在3min的时间内，使氧化温度迅速降低至220℃，然后等到晶圆温度降至室温时，便可以取出晶圆，对氧化孔径进行测量。
实施例4、
本实施例与实施例2对比，其区别在于，本实施例还是采用如图1所示的圆环形台面结构，且沟道宽度为4um。
实施例5、
本实施例与实施例2对比，其区别在于，本实施例当温度达到氧化温度后，再通入水汽。
实施例6、
本实施例与实施例2对比，其区别在于，本实施例在氧化完成后，直接采用自然冷却，使得晶圆温度降至室温。
现对上述实施例1-实施例6氧化得到的晶圆，对氧化孔径进行测量以及氧化速率的计量，最终结果如下表所示：
Figure BDA0003198826640000061
从实施例1-实施例3与现有氧化工艺的结果对比可以看出，采用本发明的氧化方法，可以明显的提高VCSEL氧化孔径均匀性；采用实施例2的方法进行的氧化，氧化孔径的均匀性更好，标准差更小；因为不同温度的氧化速率会有不同，实施例3的温度最高，其氧化速率最高。
从实施例2与实施例4-6的对比可以看出，每个实施例的氧化速率基本一致，始终处于0.6-0.7um/min的范围。
从实施例2与实施例4的结果对比可以看出，将VCSEL刻蚀的台面结构设计为六瓣对称的花瓣型，且沟道宽度设计为10-25um，可以明显提高VCSEL氧化孔径均匀性。
从实施例2与实施例5的结果对比可以看出，在升温时就通入水汽，可以提升提高VCSEL氧化孔径均匀性。
从实施例2与实施例6的结果对比可以看出，在降温时，先快速降温至氧化温度以下，然后再自然降温的方式可以提高VCSEL氧化孔径均匀性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：将VCSEL刻蚀的台面结构设计为花瓣型，且沟道宽度设计为10-25um。
2.根据权利要求1所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述VCSEL刻蚀的台面结构设计为六瓣的花瓣型。
3.根据权利要求2所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：在VCSEL氧化时，包括以下步骤：
S1、将VCSEL置于氧化炉内，然后对氧化炉快速升温至VCSEL的氧化温度以下，并恒温25-35min，在升温和恒温时向氧化炉内通入氮气和水汽的混合气体；
S2、对氧化炉以10-20℃/min的升温速率升温至氧化所需温度，直至氧化完毕；
S3、对氧化炉降温，使氧化炉快速降温至180-220℃，然后自然冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S1中的升温速率为20℃/min。
5.根据权利要求3所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S1中的升温温度为200-300℃。
6.根据权利要求3所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S1中，通入氮气和水汽的氮气流量为3L/min，水汽2L/min。
7.根据权利要求3-6任一权利要求所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S2中的升温温度为300-500℃。
8.根据权利要求3-6任一权利要求所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S3中，在2-3min的时间内使氧化炉内的温度降低至180-220℃。
9.根据权利要求3所述的一种提高VCSEL氧化孔径均匀性的方法，其特征在于：在步骤S1的之前，向氧化炉内通入10-20L/min的氮气，对炉内腔体进行清扫。
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