一種脊波導雷射器電極接觸窗口的製作方法與流程

2023-06-01 02:39:11 2

本發明涉及光電子技術領域，尤其涉及一種脊波導雷射器電極接觸窗口的製作方法。

背景技術：

脊波導雷射器是一種常見的半導體雷射器，其以製作簡單、重複性好、成品率高等諸多優點而成為光纖通訊類半導體雷射器的主流。

脊波導雷射器的電流注入位置為脊波導結構的頂部表面，也稱作電極接觸窗口，電極接觸窗口的頂部表面用來製作金屬電極，在脊波導雷射器的設計和製作中，對金屬電極的尺寸、位置及厚度是有嚴格要求的。在脊波導結構頂部的金屬電極的製作工藝中，電極接觸窗口的製作是非常關鍵的一步，該技術關係到了脊波導雷射器閾值電流、特徵溫度等許多重要的性能參數。一般，在製作電極接觸窗口之前，需將脊波導結構頂部表面以外的其它部位的電介質層進行保護，為了只刻蝕脊波導結構頂部表面的電介質層，需要先去除覆蓋脊波導結構的頂部表面的光刻膠，保留脊波導結構頂部表面以外的其它部位的光刻膠，此時需要採用高對準精度的曝光設備對脊波導結構的頂部表面塗覆的光刻膠進行光刻，此方式可以精確控制曝光區域在4微米內，從而能夠獲得高精度的電極接觸窗口。

然而，高對準精度的曝光設備較為昂貴，而且還對光源要求較高。因此，脊波導雷射器電極接觸窗口的現有製作工藝採用高對準精度的曝光設備存在著成本高的問題。

技術實現要素：

本發明提供一種脊波導雷射器電極接觸窗口的製作方法，用以解決現有技術中存在的脊波導雷射器電極接觸窗口製作成本高的問題。

本發明實施例提供一種脊波導雷射器電極接觸窗口的製作方法，包括：

對晶元上沉積的波導層進行刻蝕，形成脊波導結構以及所述脊波導結構兩側的結構；

在所述脊波導結構和所述脊波導結構兩側的結構表面沉積電介質層；

在所述電介質層的表面塗覆光刻膠；

利用掩膜板對所述光刻膠進行光刻，將所述電介質層表面上覆蓋所述脊波導結構的光刻膠去除；

對所述電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理，令所述未去除的光刻膠在發生形變；

以所述光刻膠為掩膜對所述電介質層進行刻蝕，將覆蓋在所述脊波導結構表面的電介質去除，形成電極接觸窗口。

本發明實施例中，通過對所述電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理，令所述未去除的光刻膠在發生形變，使得形變後的光刻膠能夠覆蓋因曝光範圍過大而被暴露出的電介質層，從而避免了因曝光範圍過大而被暴露出來的電介質層在後續刻蝕中被刻蝕掉的問題。因此，在解決上述技術問題的基礎上，本發明實施例可採用半導體工藝中一般精度的曝光機進行曝光以實現脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，對光刻設備的精度較現有技術要求更低，使用一般精度的光刻設備便能完成脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，因此本發明實施例所公開的技術方案能夠降低脊波導雷射器電極接觸窗口製作的成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡要介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作方法流程示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之一；

圖3為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之二；

圖4為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之三；

圖5為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之四；

圖6為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之五；

圖7為本發明實施例提供的一種光刻膠形變方向示意圖；

圖8為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之六；

圖9為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之七；

圖10為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作結構示意圖之八；

圖11為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口處製作的金屬電極的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部份實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作方法，如圖1所示，為本發明實施例提供的一種脊波導雷射器電極接觸窗口製作方法流程示意圖，圖1中包括以下步驟：

s101：對晶元上沉積的波導層進行刻蝕，形成脊波導結構以及脊波導結構兩側的結構；

s102：在脊波導結構和脊波導結構兩側的結構表面沉積電介質層；

s103：在電介質層的表面塗覆光刻膠；

s104：利用掩膜板對光刻膠進行光刻，將電介質層表面上覆蓋脊波導結構的光刻膠去除；

s105：對電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理，令未去除的光刻膠在發生形變；

s106：以電介質層表面未去除的光刻膠為掩膜對電介質層進行刻蝕，將覆蓋在脊波導結構表面的電介質去除，形成電極接觸窗口，電極接觸窗口為脊波導結構的電流注入窗口。

本發明實施例公開了一種脊波導雷射器電極接觸窗口的製作方法，應理解，本發明實施例也可以用於其它半導體器件的電極接觸窗口製作工藝中。在本發明實施例的基礎上未經創造性勞動而獲得的其它半導體微米級製作工藝都應包含於本發明實施例中。

在s101的具體實施過程中，晶元包含襯底和生長於襯底之上的若干外延層，對於脊波導雷射器，其晶元的外延層中至少包含一個有源層和位於有源層上下兩側的兩個波導層，在本發明實施例中對晶元的具體材料結構並不做要求。

步驟s101刻蝕後的晶元結構如圖2所示，包括脊波導結構1和脊波導結構兩側的結構，脊波導兩側的結構包括溝槽結構2和預留結構3，其中，溝槽結構2位於脊波導結構1和預留結構3之間，溝槽結構2包括兩個側壁，其中一個側壁與脊波導結構1連接，另一個側壁與預留結構3連接。在脊波導雷射器製作工藝中，脊波導結構1的頂部將被製作電極接觸窗口，而預留結構3將用於其它附加需求的實現，如作為打線區或者雷射器的編號標記區等。

步驟s102在脊波導結構1和脊波導結構兩側的結構表面沉積電介質層，所獲得的結構如圖3所示，電介質層4覆蓋脊波導結構1、溝槽結構2和預留結構3的表面。電介質層4能夠起到保護脊波導雷射器內部結構的作用，因此，其材質可以是氧化矽、氮化矽或其它絕緣介質材料，其厚度根據材料類型和工藝需求而定。可選的，所述電介質層4為性質穩定、製作工藝成熟的二氧化矽電介質層。可選的，採用等離子體增強化學氣相沉積法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)生長電介質層4。

步驟s103在電介質層的表面塗覆光刻膠獲得如圖4所示的結構，圖4中，電介質層4的表面塗覆有光刻膠5。在電介質層4的表面塗覆光刻膠5時，由於光刻膠5多為親油性，而電介質層4表面為親水性，直接在電介質層4表面塗覆光刻膠5有可能造成光刻膠5與電介質層4的黏附性不理想的情況，因此可選的，在電介質層4的表面塗覆光刻膠5之前，先在電介質層4的表面蒸塗底膠，所蒸塗的底膠的極性兼具親水性和親油性，有利於提高光刻膠5與電介質層4的粘附性。

步驟s103在電介質層4的表面塗覆光刻膠5時，需保證光刻膠5的厚度和均勻性。可選的，採用勻膠機在電介質層4的表面旋塗光刻膠5，調整勻膠機的轉速以控制光刻膠5的旋塗厚度，使光刻膠5的旋塗厚度至少將溝槽結構填平或接近填平。同時，脊波導結構1的頂部的光刻膠5也需要有一定厚度，可選的，光刻膠5的旋塗厚度至少為1μm。

步驟s104利用掩膜板對光刻膠進行光刻之前，先對圖4所示的結構進行進行前烘處理，去除光刻膠5中多餘的溶劑，以增加光刻膠5的黏附力。在光刻膠5冷卻至室溫後，對至少覆蓋脊波導結構1的光刻膠區域進行曝光和顯影，將電介質層4表面上覆蓋脊波導結構的光刻膠去除。

步驟s104利用掩膜板對光刻膠5進行光刻時，與現有技術不同的是，如圖5所示，光刻區域為至少覆蓋脊波導結構1的光刻膠區域，包括覆蓋脊波導結構1的光刻膠區域，以及填充在溝槽結構2內且鄰近脊波導結構1的光刻膠區域。由於曝光區域不只是覆蓋脊波導結構1的光刻膠區域，因此無需使用精度過高的曝光機，在此基礎上，為了降低成本，本發明實施例所採用的曝光設備可以為普通精度的曝光設備。

在步驟s104中,進行曝光時，需嚴格控制曝光時長，曝光時長與光刻膠的種類及厚度、曝光機光源波長及曝光功率、介質層厚度及折射率等等多種因素有關。通過曝光，將掩膜板上的圖案轉移到光刻膠5上。為了提高掩膜圖形轉移的質量，可選的，在曝光後利用熱板進行烘烤，然後冷卻至室溫之後進行顯影，在進行顯影時嚴格控制顯影時間。

通過步驟s104獲得的結構如圖6所示，通過光刻去除了脊波導結構1表面上的光刻膠，但是由於光刻區域還包括填充在溝槽結構2內且鄰近脊波導結構1的光刻膠區域，使得鄰近脊波導結構1的溝槽結構2內的光刻膠5也被部分光刻，溝槽結構2內的光刻膠呈現出如圖6所示的不規則的坑窪表面，溝槽結構2的側壁覆蓋的光刻膠5的厚度變薄，再加上曝光計量條件偏移，也可能造成溝槽結構2中填充的光刻膠5的整體厚度變薄，相比之下，尤其是溝槽結構2與脊波導結構1連接的側壁上方覆蓋的光刻膠5變得很薄，如圖6中a所示的區域，在後續以光刻膠為掩膜刻蝕脊波導結構1上表面的電介質層形成電極接觸窗口時，很容易將脊波導結構1的側壁上方覆蓋的光刻膠5以及電介質層4刻蝕掉，導致漏電流的產生。因此，需要通過步驟105對電介質層4表面未去除的光刻膠5進行熱處理來避免此問題。

步驟s105對電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理的具體實施過程中，所採用的光刻膠5應當是玻璃態光刻膠，這種光刻膠具有一個玻璃化溫度，在玻璃化溫度下產生熱遷移，熱遷移促使光刻膠產生流動性，例如光刻膠spr700-1.8，其在150℃時便可產生流動性。本申請選用具有此類特性的光刻膠，通過步驟105對電介質層4表面未去除的光刻膠5進行熱處理控制光刻膠5的形變，來增加脊波導結構1的側壁上方覆蓋的光刻膠厚度，溝槽結構2內填充的光刻膠厚度。

具體的，步驟s105對電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理控制光刻膠5的形變的示意圖如圖7所示，通過對電介質層4表面未去除的光刻膠5進行熱處理，令覆蓋預留區域3的光刻膠發生形變，並沿朝向溝槽結構2的方向進行熱遷移；以及令填充在溝槽結構2內呈現坑窪表面的光刻膠5發生形變，並沿朝向溝槽結構2底部的方向進行熱遷移，使溝槽結構2的側壁上方和底部覆蓋的光刻膠5厚度增加，尤其是令溝槽結構2與脊波導結構1連接的側壁上方(參照圖7的位置a)覆蓋的光刻膠5的厚度增加。

步驟s105對電介質層4表面未去除的光刻膠5進行熱處理後的獲得的結構如圖8所示，平溝槽結構2底部的光刻膠5厚度增加之後，能夠填平或幾乎填平溝槽結構2，能夠對溝槽結構2的底部的電介質層4進行較好的保護，能夠在後續以光刻膠5為掩膜刻蝕脊波導結構1上表面的電介質層4形成電極接觸窗口時，保護溝槽結構2的底部的電介質層4不被刻蝕。溝槽結構2的側壁表面的光刻膠5的厚度增加之後，尤其是溝槽結構2與脊波導結構1連接的側壁上方(參見位置a)覆蓋的光刻膠5的厚度增加之後，能夠對溝槽結構2的側壁表面的電介質層4進行較好的保護，能夠在後續以光刻膠5為掩膜刻蝕脊波導結構1上表面的電介質層4形成電極接觸窗口時，保護溝槽結構2的側壁表面的電介質層4不被刻蝕。

步驟s106對脊波導結構1上表面的電介質層4刻蝕的方式可根據電介質層4材質而定，包括了溼法腐蝕和幹法刻蝕。通常在半導體製作過程中，採用氧化矽或氮化矽作為電介質層4，這兩種材料的溼法腐蝕工藝各向異性差，製作電極窗口的難度較高，因此多採用幹法刻蝕對電介質層4進行刻蝕，如反應離子刻蝕(reactiveionetching，rie刻蝕)。

由於步驟s106對脊波導結構1上表面的電介質層4刻蝕時是以電介質層4表面未去除的光刻膠5為掩膜對電介質層4進行刻蝕的，光刻膠5覆蓋的電介質層4不會被刻蝕掉，而未被光刻膠5覆蓋的電介質層4將會被刻蝕，因此，只將脊波導結構1上表面的電介質層4刻蝕掉，從而實現了從光刻膠5到電介質層4的圖案轉移，以電介質層4表面未去除的光刻膠5為掩膜對電介質層4進行刻蝕，將覆蓋在脊波導結構1表面的電介質去除形成電極接觸窗口以後獲得的結構如圖9所示，脊波導結構1上表面電介質層4被刻蝕掉的區域即為電極接觸窗口。

步驟106之後，還包括：通過去除電介質層4表面未去除的光刻膠5獲得如圖10所示的結構，並在電極接觸窗口的表面生長金屬電極，即完成了脊波導雷射器金屬電極的製作獲得的結構如圖11所示，如圖11所示，在電極接觸窗口表面生長金屬電極6。

本發明實施例中，通過對所述電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理，令所述未去除的光刻膠在發生形變，使得形變後的光刻膠能夠覆蓋因曝光範圍過大而被暴露出的電介質層，從而避免了因曝光範圍過大而被暴露出來的電介質層在後續刻蝕中被刻蝕掉的問題。因此，本發明實施例可採用半導體工藝中一般精度的曝光機進行曝光以實現脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，對光刻設備的精度較現有技術要求更低，使用一般精度的光刻設備便能完成脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，因此本發明實施例所公開的技術方案能夠降低脊波導雷射器電極接觸窗口製作的成本。此外，現有脊波導雷射器電極接觸窗口的製作工藝中高精度的曝光設備在曝光對準時需要反覆校準使得曝光操作過於繁瑣，而且因為對準精度要求很高，掩膜板上的對準標記便也相應的更為複雜，採用本發明實施例後，由於對曝光精度的要求不再嚴苛，便可以簡化曝光操作以及掩膜板的設計。

為了更進步說明本發明實施例所提供的技術方案，本發明提供以下具體實施例，需指出的是，以下具體實施例僅用於說明技術方案，並不代表本發明實施例僅包括或僅適用於以下情況。

第一種可行的實現方式

步驟1：對晶元上沉積的波導層進行刻蝕，形成脊波導結構1、溝槽結構2和預留結構3，獲得如圖2所示的結構。

步驟2：使用pecvd在已完成脊波導結構1、溝槽結構2和預留結構3的表層生長一層sio2電介質層4，獲得如圖3所示的結構，sio2的厚度以實際應用場景而定。

步驟3：使用烤箱在如圖3所示的結構表面蒸塗六甲基乙矽胺烷(hmds)作為底膠，保證光刻膠和sio2電介質層4間有較好的黏附性，蒸塗溫度為200-250℃。

步驟4：利用勻膠機旋塗光刻膠，通過調整轉速得到所需厚度的光刻膠5，獲得如圖4所示的結構。

步驟5：利用熱板對圖4所示的結構

進行前烘，前烘溫度85-100℃，持續1min，去除光刻膠5中多餘溶劑，提高光刻膠黏附力，並冷卻至室溫。

步驟6：利用紫外曝光機進行曝光，曝光機功率設置為20±0.2mw，持續7-9s，以將掩膜板上的圖形轉移到光刻膠5上，如圖5所示。

步驟7：利用熱板進行曝後烘烤，提高複製圖形的質量，曝後烘烤溫度100-120℃，持續1min，並冷卻至室溫。

步驟8：在顯影液mf26中進行顯影，嚴格控制顯影時間，一般為20-30s，環境溫度為20℃，獲得如圖6所示的結構。

步驟9：利用熱板進行後烘，使顯影完的光刻膠進行熱遷移，後烘溫度為140-155℃，持續3min，光刻膠遷移方向如圖7所示，遷移後的光刻膠的膠形變得平滑，對溝槽結構2和預留結構3的區域實現充分的保護，如圖8所示。

步驟10：使用rie刻蝕對脊波導結構1頂部的sio2進行刻蝕去除，以形成最佳的電接觸窗口，如圖9所示。

步驟11：等離子體去膠，清除表層殘留的光刻膠，如圖10所示。

基於相同的技術構思，本發明實施提供第二種可行的實現方式

步驟1：對晶元上沉積的波導層進行刻蝕，形成脊波導結構、溝槽結構和預留結構。

步驟2：使用pecvd在已完成脊波導結構、溝槽結構和預留結構的表層生長一層sio2電介質層，電介質層的厚度為500nm。

步驟3：使用烤箱在電介質層表面蒸塗六甲基乙矽胺烷(hmds)作為底膠，蒸塗溫度為250℃。

步驟4：利用勻膠機旋塗光刻膠spr700-1.8，通過調整轉速得到所需厚度的光刻膠，在脊波導結構頂部的光刻膠厚度為1μm。

本步驟使用的光刻膠spr700-1.8，是因為該光刻膠的熱穩定性較好，而且抗刻蝕能力突出。在脊波導結構頂部的光刻膠厚度為1μm，可保證光刻膠基本將兩側的溝槽結構填平。

步驟5：利用熱板對光刻膠進行前烘，前烘溫度90℃，持續1min，以去除光刻膠中多餘溶劑，提高光刻膠黏附力，並冷卻至室溫。

步驟6：利用紫外曝光機進行曝光，曝光機功率設置為20±0.2mw，持續8s，以將掩膜板上的圖形轉移到光刻膠上。

步驟7：利用熱板進行曝後烘烤，提高複製圖形的質量，曝後烘烤溫度100℃，持續2min，並冷卻至室溫。

步驟8：在顯影液mf26中進行顯影，顯影時間為25s。

步驟9：利用熱板進行後烘，使顯影完的光刻膠進行熱遷移，後烘溫度為150℃，遷移後的膠形變得平滑，對溝槽結構和預留結構的區域實現充分的保護。

本步驟中，遷移後的溝槽結構內部和預留結構頂部的光刻膠厚度需在500nm以上，防止刻穿sio2，溝槽結構與脊波導結構相連的側壁處的光刻膠應距脊波導結構上的sio2頂部200-500nm，以確保刻蝕後側壁sio2包覆形貌良好，即sio2應保持側壁完全包覆。

步驟10：刻蝕對脊波導結構頂部的sio2，以形成最佳的電接觸窗口。

步驟11：等離子體去膠，去膠時長20min，以清除表層殘留的光刻膠。

在本實施例提供的上述兩種可能的實現方式中，均可採用半導體工藝中一般精度的曝光機進行曝光以實現脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，這是因為，在本發明實施例中，通過對電介質層表面未去除的光刻膠進行熱處理，令未去除的光刻膠在設定溫度範圍140-155℃發生形變，使得形變後的光刻膠能夠覆蓋因曝光範圍過大而被暴露出來的電介質層，從而避免了因曝光範圍過大而被暴露出來的電介質層在後續刻蝕中被刻蝕掉的問題。可見，本發明實施例對光刻設備的精度較現有技術要求更低，使用一般精度的曝光機便能完成脊波導雷射器電極接觸窗口的製作，因此本發明實施例所公開的技術方案能夠降低脊波導雷射器電極接觸窗口製作的成本。此外，現有脊波導雷射器電極接觸窗口的製作工藝中高精度的曝光設備在曝光對準時需要反覆校準使得曝光操作過於繁瑣，而且因為對準精度要求很高，掩膜板上的對準標記便也相應的更為複雜，採用本發明實施例後，由於對曝光精度的要求不再嚴苛，便可以簡化曝光操作以及掩膜板的設計。

儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。