CN114755760A - 波导曝光方法、脊波导及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波导曝光方法、脊波导及激光器，其中，波导曝光方法应用于具有波导结构的衬底，衬底上形成有覆盖波导结构的光刻胶层，波导曝光方法包括：通过同一光刻窗口先后对第一范围内的光刻胶层和第二范围内的光刻胶层进行曝光，以去除波导结构上方的光刻胶；其中，第一范围和第二范围大小相同且部分重叠，波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内。由于波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内，并且采用两次曝光，因此在去除波导结构上方的光刻胶的同时，可以降低波导结构侧面的光刻胶的消耗，使得波导结构侧面的光刻胶留有足够的余量，从而可以降低后续氧化硅刻蚀工艺的技术难度。

Description

波导曝光方法、脊波导及激光器

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种波导曝光方法、脊波导及激光器。

背景技术

具有波导结构的分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)被广泛应用到光通信领域中，其中，波导的光刻工艺通常采用大于该波导宽度的窗口，通过过曝光的方式去除波导上的光刻胶从而保证整片晶圆的均匀性，但是采用过曝光会过多消耗波导两侧的光刻胶，例如在脊波导曝光工序中，过曝光使得脊波导两侧的光刻胶消耗过大，从而使得该处的光刻胶在后续的氧化硅刻蚀中不能起到足够的掩模作用，造成光刻胶下氧化硅的刻蚀，进而影响芯片的性能。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供了一种波导曝光方法、脊波导及激光器，能够降低曝光对波导结构两侧的光刻胶的消耗，从而有利于后续制作工序的处理。

第一方面，本发明实施例提供了一种波导曝光方法，应用于具有波导结构的衬底，所述衬底上形成有覆盖所述波导结构的光刻胶层，所述波导曝光方法包括：

通过同一光刻窗口先后对第一范围内的所述光刻胶层和第二范围内的所述光刻胶层进行曝光，以去除所述波导结构上方的光刻胶；

其中，所述第一范围和所述第二范围大小相同且部分重叠，所述波导结构处于所述第一范围和所述第二范围的重叠区域内。

第二方面，本发明实施例还提供了一种脊波导，所述脊波导通过如第一方面所述的波导曝光方法制作得到。

第三方面，本发明实施例还提供了一种激光器，包括第二方面所述的脊波导。

本发明实施例提供的波导曝光方法，至少具有如下有益效果：移动衬底使覆盖有光刻胶层的波导结构先后处于第一范围和第二范围内，利用同一光刻窗口分别对第一范围和第二范围内的光刻胶层进行曝光，由于波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内，并且采用两次曝光，因此在去除波导结构上方的光刻胶的同时，可以降低波导结构侧面的光刻胶的消耗，使得波导结构侧面的光刻胶留有足够的余量，从而可以降低后续氧化硅刻蚀工艺的技术难度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的示例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例提供的波导制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的两次弱曝光的流程图；

图3是本发明实施例提供的形成光刻胶层的流程图；

图4是衬底在现有单次过曝光方法中曝光、显影后的剖视图；

图5是本发明实施例提供的双重弱曝光前准备波导和氧化硅薄膜的衬底剖视图；

图6是本发明实施例提供的形成光刻胶层的衬底剖视图；

图7是本发明实施例提供的第一次曝光时光刻窗口和衬底的剖视图；

图8是本发明实施例提供的第二次曝光时光刻窗口和衬底的剖视图；

图9是本发明实施例提供的双重弱曝光、显影后的衬底剖视图；

图10是本发明实施例提供的两次曝光时光刻窗口重叠的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种波导曝光方法、脊波导及激光器，通过同一光刻窗口分别对光刻胶层上的第一范围和第二范围进行曝光，在保证去除衬底上波导结构上方的光刻胶的前提下，减小对波导结构两侧光刻胶的消耗，从而使得曝光后的衬底能够适应后续的刻蚀工艺。

下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参照图1，本发明实施例提供了一种波导曝光方法，应用于具有波导结构的衬底，衬底上形成有覆盖波导结构的光刻胶层，波导曝光方法包括以下步骤S100：

步骤S100，通过同一光刻窗口先后对第一范围内的光刻胶层和第二范围内的光刻胶层进行曝光，以去除波导结构上方的光刻胶；

其中，第一范围和第二范围大小相同且部分重叠，波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内。

本申请实施例的衬底上已预先制作有波导结构，在衬底上涂抹光刻胶形成覆盖该波导结构的光刻胶层，由于波导结构突出于衬底表面，因此通过对覆盖有光刻胶层的衬底进行一定程度的曝光可以去除波导结构上方的光刻胶并保留波导结构侧面的光刻胶；传统的生产工艺中，进行曝光以去除波导结构上方的光刻胶的同时，需要保留波导结构两侧的光刻胶，以便后续进行显影、氧等离子去胶、刻蚀等工艺。为了保证整片晶圆的均匀性，目前衬底的曝光往往采用过曝光，即通过单次过曝光去除波导结构上方的光刻胶，但是由于光刻窗口与光刻胶层之间并不是紧密接触的，光刻窗口两侧边缘附近会存在多级衍射峰，其中一级衍射峰要明显强于其它几级衍射峰，该一级衍射峰在光刻胶层上的实际曝光剂量要比其他区域的曝光剂量更大，使得该一级衍射峰在光刻胶层对应位置上的光刻胶被过多消耗，如图4所示，该位置上的光刻胶层呈现“深槽”现象，导致光刻胶层在刻蚀工艺中不能起到足够的掩模作用，进而影响芯片的性能和良品率。

本申请实施例为了避免过曝光对波导结构两侧光刻胶的过多消耗，采用同一光刻窗口对光刻胶层进行双重弱曝光，且两次弱曝光的范围不完全重叠；具体来说，通过同一光刻窗口先后对光刻胶层上的第一范围和第二范围进行曝光，两次曝光之间通过移动衬底使光刻窗口对准第一范围和对准第二范围，其中，第一范围和第二范围互相错开但部分重叠，波导结构在两次曝光中均处于第一范围和第二范围的重叠区域以保证波导结构上方的光刻胶在两次弱曝光中被消耗掉，由于第一范围和第二范围在重叠区域以外的区域只进行了一次弱曝光，因此重叠区域以外的光刻胶消耗相比单次过曝光的消耗要小，因此可以保证波导结构两侧的光刻胶不会被过多消耗，有利于后续制作工序的处理。

其中，参照图2，步骤S100中通过同一光刻窗口先后对第一范围内的光刻胶层和第二范围内的光刻胶层进行曝光，具体还包括但不限于以下步骤S110、步骤S120、步骤S130和步骤S140：

步骤S110：移动衬底使波导结构处于第一位置，其中，波导结构处于第一位置时，光刻窗口在光刻胶层上的投影范围与第一范围重合；

步骤S120：对第一范围内的光刻胶层进行曝光；

步骤S130：移动衬底使波导结构处于第二位置，其中，波导结构处于第二位置时，光刻窗口在光刻胶层上的投影范围与第二范围重合；

步骤S140：对第二范围内的光刻胶层进行曝光。

参照图7和图8所示，光刻窗口固定不动，通过移动衬底使得光刻窗口对准光刻胶层上不同的范围；首先移动衬底使波导结构处于第一位置，第一位置可以根据不同参照物选定，例如，以光刻窗口在光刻胶层上的投射范围的其中一条边界作为参照物，根据波导结构的边缘与该参照物之间的相对距离选取第一位置即可，目的是使得光刻窗口在光刻胶层上的投影范围与第一范围重合；当通过光刻窗口对第一范围内的光刻胶层进行曝光后，再次移动衬底使波导结构到达第二位置，第二位置按照第一位置的选定方式来选定，目的同样是使得光刻窗口在光刻胶层上的投影范围与第二范围重合，位置调整完成后即可对第二范围进行曝光。

值得注意的是，第一位置和第二位置的选取受到不同因素的影响，例如，波导的宽度、光刻窗口的边缘与波导的边缘之间的距离等，通过选取合适的第一位置和第二位置，可以在消耗波导结构上方的光刻胶的前提下，尽量减小波导结构两侧光刻胶的消耗，保证后续工艺能够顺利进行，进而提高芯片的良品率。

在一些实施例中，第一位置和第二位置按照如下方式选取：第一位置为从光刻窗口的中央往第一方向移动第一距离的位置，第二位置为从光刻窗口的中央往第二方向移动第二距离的位置，其中，第一方向和第二方向相反。此处光刻窗口的中央指的是光刻窗口的中线，从中线往其中一侧即为第一方向，从中线往另外一侧即为第二方向，由于第一方向和第二方向相反，因此波导结构的第一位置和第二位置是从中线向相反方向移动得到的。可以理解的是，选取光刻窗口的中央作为参照物时，，为了便于设备进行两次曝光，可以设定第一距离和第二距离相等，且两次曝光的曝光剂量也相等，这样设备在两次曝光之间的沿参照物向两侧移动衬底的距离相同，并且两次曝光的曝光剂量也不需要改变。可以理解的是，两次曝光的目的在于消耗波导结构上方的光刻胶，波导结构两侧的光刻胶只要保留有足够的余量进行后续的工序即可，因此对于第一方向、第二方向以及第一位置、第二位置的选取并没有严格的要求，操作人员可以根据实际情况确定上述这些位置变量。

传统的单次过曝光方式是为了使波导结构上方的光刻胶在显影后能够被完全去除，因此本申请两次弱曝光的曝光剂量可以参照过曝光的曝光剂量，例如，将过曝光的曝光剂量作为额定剂量，那么对第一范围内的光刻胶层进行曝光的曝光剂量和对第二范围内的光刻胶层进行曝光的曝光剂量之和大于或等于该额定剂量，使得在第一范围和第二范围的重叠区域内光刻胶的曝光效果达到单次过曝光的效果；可以理解的是，根据光刻胶厚度的不同，可以自行调整两次弱曝光每次所使用的曝光剂量，而不一定两次弱曝光的曝光剂量相等。

为了进一步对比两种曝光的方案，下面以举例的方式将双重弱曝光与单次过曝光的效果对比转换为简单的数学问题，首先进行两点说明：

(1)因为衍射问题主要取决于光刻板与光刻胶的间距，实际工艺中光刻板与波导上方的光刻胶层无法紧密贴合，总存在衍射问题，考虑采用相同的曝光模式，这里可以假定两次弱曝光与单次过曝光的一级衍射增强因子相同，而从具体实验测试分析该值大于1；

(2)因一级衍射增强点位于光刻板窗口图形的边缘，如图10所示为两次曝光光刻窗口重叠视图，其中光刻板窗口图形的边缘位置为P1、P2、P3、P4，其中P1与P4只涉及一次曝光，因此这两处的曝光剂量为一次弱曝光剂量叠加一次弱曝光的一级衍射；而P2与P3处涉及两次曝光，这两处的曝光总剂量为一次弱曝光剂量叠加一次弱曝光剂量，再叠加一次弱曝光的一级衍射；

基于上面两点说明，假设单次过曝光剂量为a，两次弱曝光剂量均为0.5a，一级衍射的增强因子均为k。对于单次过曝光，光刻剂量最大值为a+a×k；对于本申请的双重弱曝光，光刻剂量最大P2、P3处为0.5a+0.5a+0.5a×k；两种方案差值为0.5a×k，由于k大于1，因此该值大于0.5a。即单次曝光的剂量的最大值比双重弱曝光的剂量最大值大0.5a以上。

以上从数学的角度分析了两种曝光方案存在差异的原因，同时体现了双重弱曝光在该工艺上的优势作用。

上述两次弱曝光过程中，为了减小一级衍射峰对光刻胶的影响，均采用硬接触的方式进行曝光。硬接触是指光刻胶与光刻窗口接触，一般通过上移衬底将光刻胶上升到光刻窗口处。当然，由于平整度等因素影响，光刻胶与光刻窗口之间还可能存在细微的缝隙，因此一级衍射峰是难以避免的，只能尽量减小其出现，这也是为什么现时单次过曝光无法消除一级衍射峰的原因。

上述光刻胶层的形成可以按照以下步骤得到，参照图3：

步骤S200，在衬底上以设定转速旋涂光刻胶以覆盖波导结构；

步骤S300，利用设定温度烘烤涂有光刻胶的衬底以使衬底上的光刻胶形成光刻胶层。

为了使得形成的光刻胶层均匀，通过旋涂的方法均匀涂抹光刻胶并采用合适温度烘烤，以便于在自动化下实现两次弱曝光。

本发明实施例通过同一光刻窗口对不同的第一范围和第二范围内的光刻胶层分别进行曝光，其中波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内，两次曝光在去除波导结构上方光刻胶的前提下，使得波导结构两侧的光刻胶有充足的剩余，相对于传统的单次过曝光的方法，本发明实施例能够减小波导结构两侧的光刻胶的消耗，避免传统的单次过曝光方法中刻蚀增强效应引起的光刻胶加速消耗的不利影响，便于曝光后进行后续的工艺，提高最终成品的良品率。

下面以一个实际例子对本发明实施例进行说明：

参照图5至图9，以脊波导的曝光工艺为例进行说明，脊波导沿衬底表面突出，从截面看，脊波导为矩形，该脊波导的脊宽为2微米，采用宽度为8微米光刻窗口对该脊波导进行曝光。

首先，在衬底1上形成上述脊波导结构，并在衬底1表面沉积350纳米氧化硅薄膜2，参照图5；

然后，在衬底1上旋涂光刻胶，旋涂转速设定为3500转/分钟，旋涂完成后将衬底1放在100摄氏度的热板上烘烤2分钟，参照图6；

将衬底1移动到光刻板4下方，并使得脊波导结构处于光刻板4上光刻窗口5的正下方，此时光刻窗口5的中线投影到光刻胶层3上，光刻窗口5左右两侧边缘到脊波导最近的边缘之间的距离相等，确定此时脊波导所处的位置为初始位置；

从初始位置开始，将衬底1向右移动第一距离，使得脊波导到达第一位置，如图7所示，此时脊波导左侧边缘离光刻窗口5的左侧边缘约2微米，脊波导右侧边缘离光刻窗口5的右侧边缘约4微米，选择硬接触模式抬升衬底1使光刻胶层3接触光刻窗口5，并进行第一时长的曝光剂量的曝光；

第一次曝光完成后不更换光刻板4，将衬底1向左移动，经过初始位置后继续向左移动第二距离，使脊波导到达第二位置，如图8所示，此时脊波导左侧边缘离光刻窗口5的左侧边缘约4微米，脊波导右侧边缘离光刻窗口5的右侧边缘约2微米，选择硬接触模式抬升衬底1使光刻胶层3接触光刻窗口5，并进行第二时长的曝光剂量的曝光；其中第一时长和第二时长相等；

对完成双重弱曝光后的衬底1进行显影处理，可使脊波导上光刻胶完全去除，同时脊波导两侧光刻胶有充足的剩余，如图9所示。

本发明实施例还提供了一种脊波导，脊波导通过上述的波导曝光方法制作得到。该脊波导可以应用到DFB芯片中，利用上述波导曝光方法制作脊波导，可以通过同一光刻窗口对不同的第一范围和第二范围内的光刻胶层分别进行曝光，其中脊波导结构处于第一范围和第二范围的重叠区域内，两次曝光在去除脊波导结构上方光刻胶的前提下，使得脊波导结构两侧的光刻胶有充足的剩余，相对于传统的单次过曝光的方法，减小脊波导结构两侧的光刻胶的消耗，便于曝光后进行后续的工艺，提高脊波导的良品率。

本发明实施例还提供了一种激光器，包括上述脊波导。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种波导曝光方法，应用于具有波导结构的衬底，所述衬底上形成有覆盖所述波导结构的光刻胶层，所述波导曝光方法包括：

通过同一光刻窗口先后对第一范围内的所述光刻胶层和第二范围内的所述光刻胶层进行曝光，以去除所述波导结构上方的光刻胶；

其中，所述第一范围和所述第二范围大小相同且部分重叠，所述波导结构处于所述第一范围和所述第二范围的重叠区域内。

2.根据权利要求1所述的波导曝光方法，其特征在于，所述通过同一光刻窗口先后对第一范围内的所述光刻胶层和第二范围内的所述光刻胶层进行曝光，包括：

移动衬底使所述波导结构处于第一位置，其中，所述波导结构处于所述第一位置时，所述光刻窗口在所述光刻胶层上的投影范围与所述第一范围重合；

对所述第一范围内的所述光刻胶层进行曝光；

移动衬底使所述波导结构处于第二位置，其中，所述波导结构处于所述第二位置时，所述光刻窗口在所述光刻胶层上的投影范围与所述第二范围重合；

对所述第二范围内的所述光刻胶层进行曝光。

3.根据权利要求2所述的波导曝光方法，其特征在于，所述第一位置为从所述光刻窗口的中央往第一方向移动第一距离的位置，所述第二位置为从所述光刻窗口的中央往第二方向移动第二距离的位置，其中，所述第一方向和所述第二方向相反。

4.根据权利要求3所述的波导曝光方法，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离相等。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的波导曝光方法，其特征在于：对所述第一范围内的所述光刻胶层进行曝光的曝光剂量与对所述第二范围内的所述光刻胶层进行曝光的曝光剂量相等。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的波导曝光方法，其特征在于：对所述第一范围内的所述光刻胶层进行曝光的曝光剂量和对所述第二范围内的所述光刻胶层进行曝光的曝光剂量之和大于或等于额定剂量，所述额定剂量为通过所述光刻窗口对所述波导结构进行单次曝光以去除所述波导结构上方的光刻胶所需要的曝光剂量。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的波导曝光方法，其特征在于，对所述第一范围内的所述光刻胶层的曝光和对所述第二范围内的所述光刻胶层的曝光均为硬接触式曝光。

8.根据权利要求1所述的波导曝光方法，其特征在于，在通过同一光刻窗口先后对第一范围内的所述光刻胶层和第二范围内的所述光刻胶层进行曝光之前，所述方法还包括：

在所述衬底上以设定转速旋涂光刻胶以覆盖所述波导结构；

利用设定温度烘烤涂有光刻胶的所述衬底以使所述衬底上的光刻胶形成光刻胶层。

9.一种脊波导，其特征在于，所述脊波导通过如权利要求1至8任意一项所述的波导曝光方法制作得到。

10.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求9所述的脊波导。

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