一種中紅外雷射器的製備方法
2023-06-14 03:30:11 1
專利名稱：一種中紅外雷射器的製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電器件技術領域，特別是涉及一種中紅外雷射器的製備方法。
背景技術：
中紅外波段半導體雷射器顯示出在痕量氣體檢測靈敏度方面較近紅外波段雷射器高2-4個數量級，是用於環保汙染源監控、生物醫學診斷、化學化工過程監控、痕量有毒生物化學物質監控，是半導體氣體吸收光譜儀的理想光源；此外，中紅外波段擁有3-5 μ m 和8-14 μ m兩個大氣窗口，是大氣保密通信的理想光源，而且在光電對抗系統中有重要應用。由於中紅外波段的半導體雷射器的新穎物理內涵和重要應用背景，因而自1994年美國貝爾實驗室發明了用MBE材料研製工作於4. 26 μ m中紅外波段的量子級聯雷射器以來，在十年期間得到飛速發展。痕量氣體檢測要求中紅外半導體雷射器在單模下工作。由於應用的需要，設計和製作在高速調製下仍能保持單縱模工作的雷射器是十分重要的。1997年美國貝爾實驗室用掩膜光刻技術研製出國際上第一個工作於5. 4 μ m和8. O μ m中紅外脈衝單模分布反饋雷射器(簡稱「DFB-QCL」)。DFB-QCL就是在半導體雷射器內部建立一個布拉格光柵，靠光的反饋來實現縱模選擇。DFB雷射器的光柵製備是其製作中的關鍵技術，是研製分布反饋雷射器的關鍵。通常可以用掩模技術、電子束曝光以及全息技術製備光柵。這些光柵製備技術雖成功地用於製備1.3μπι和I. 5μπι近紅外波段半導體單模分布反饋雷射器光柵，成為光通信系統的核心器件，在推動光纖通信技術發展中起了極其重要的作用。通常中紅外分布反饋量子級聯雷射器光柵周期的波動範圍不能超過10nm，光柵寬度和精度的要求使得普通的光掩模技術難度大。電子束曝光技術可以達到這一要求，但價格昂貴，使用不方便。採用全息曝光技術製備光柵，由該技術的特點決定通常都是在器件表面製備大面積光柵，然後再進行臺面的製備。在這種情況下，臺面側壁的腐蝕會明顯受到其表面光柵形貌的影響，形成光柵狀的溝槽。雷射器臺面兩側的粗糙度對雷射器性能有很大影響，會引入損耗。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種中紅外雷射器的製備方法，使得分布反饋雷射器的性能有所提聞。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種中紅外雷射器的製備方法，包括以下步驟(I)製備氧化矽光柵層利用等離子體增強化學氣相沉積法在器件表面生長一層氮化矽薄膜；利用全息曝光的方法在氮化矽薄膜上製備全息光柵掩膜；採用反應離子刻蝕的方法將光柵圖形轉移到氮化娃膜上，形成了一層氮化娃的光柵掩膜；(2)在有臺面的位置上製備反饋光柵選擇和臺面結構相似的光刻版圖，在氮化娃的光柵掩膜上製備光刻膠掩膜圖形，並在氮化娃的光柵掩膜上製備光柵刻蝕窗口 ；利用氮化矽和光刻膠雙層掩膜，通過ICP刻蝕的方法在器件表面製備光柵，使得光柵完全覆蓋在器件所要製備臺面的位置上；(3)製備雷射器臺面。所述步驟(I)全息曝光方法通過全息曝光系統完成，所述全息曝光系統包括透鏡、空間濾波器、襯底片和高反鏡；進入全息曝光系統的單色光經透鏡匯聚，然後經過空間濾波器擴束，擴束後的單色光經透鏡形成平行光束；一部分平行光直接入射到需要製備全息光柵的襯底片上，另一部分平行光入射到高反鏡上，再反射到襯底上，這兩束平行光之間發生幹涉並在塗有光刻膠的襯底片上形成明暗相間的幹涉條紋實現曝光，曝光後的光掩膜通過顯影形成全息光柵掩膜。所述襯底上塗覆的光刻膠由光刻膠S6809和稀釋液E2以體積比I : 2的比例配製而成，採用的顯影液由顯影劑MF320與去離子水以體積比2 I配製而成。所述步驟(3)中製備雷射器臺面還包括以下子步驟，先去除氮化矽薄膜，再塗覆光刻膠掩膜，通過普通光刻的方法將臺面圖形製作在光刻膠上，臺面圖形與表面光柵對準， 再通過溼法腐蝕的方法將臺面圖形轉移到器件上。所述溼法腐蝕採用的腐蝕液為由HBr、順03和H2O按體積比I : I : 8的比例配置 。有益效果由於採用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果本發明首先利用全息曝光技術製備光柵的光刻膠掩膜，再通過反應離子刻蝕(簡稱 「RIE」)將光柵圖形轉移到氮化矽薄膜上；然後在氮化矽的光柵掩膜上製作光柵刻蝕窗口， 通過感應耦合等離子體(簡稱「ICP」)刻蝕光柵，使得器件表面僅有臺面的位置上刻有光柵，且光柵面積不大於臺面的面積；最後利用溼法腐蝕的方法製備雷射器臺面，通過控制溼法腐蝕的側向腐蝕以及光柵的覆蓋面積，使光柵完全覆蓋雷射器的臺面，且不會影響到雷射器側壁的腐蝕情況。利用本發明提供的方法，光柵不是大面積製備在器件表面，因此在臺面腐蝕時，表面的光柵不會影響到臺面側壁的腐蝕，從而減少由於側壁不平整引起的損耗， 進一步提高分布反饋雷射器的性能。
圖I是本發明的利用全息曝光系統製備氮化矽光柵掩膜過程示意圖；圖2是本發明的特定面積的器件表面光柵的製備過程示意圖；圖3是在表面光柵下製備雷射器臺面示意圖；圖4是低損耗臺面光柵的SEM圖；圖5是利用本發明製備的雷射器的單模激射光譜圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。本發明的實施方式涉及一種基於全息曝光技術的中紅外雷射器低損耗臺面光柵的製備方法，主要發明內容包括(I)利用等離子增強化學氣相澱積、全息曝光和反應離子刻蝕技術，在器件表面製備大面積的氮化矽光柵層；(2)通過光刻和幹法刻蝕的方法，在器件表面製備特定面積的光柵；(3)通過光刻和溼法腐蝕技術，在光柵下方製備雷射器臺面。I、製備大面積的氮化矽光柵層為了便於在器件表面製備特定面積的光柵，需要在刻蝕光柵時，在光柵掩膜上面再做一層圖形掩膜，以確定光柵製備的圖形。因為圖形掩膜需要用光刻膠製備，因此光柵掩膜不能選用光刻膠，因此選擇了利用氮化矽做光柵掩膜，在器件表面製備一層氮化矽的光柵掩膜層。製備過程中全息曝光採用的自行搭建的全息曝光系統，氮化矽光柵層的製備過程不意圖，如圖I所不。(I)器件表面經過清洗後，利用PECVD在器件表面生長一層氮化矽薄膜。由全息曝光的特點決定，曝光的光強較弱，因此利用全息曝光製備光柵的光刻膠掩膜時，光刻膠的厚度不能太厚，最好在IOOnm 200nm。而在本發明中,氮化娃的光柵是通過RIE的方法由光刻膠轉移到氮化矽薄膜上的，而在考慮到RIE的物理刻蝕不能忽略的前提下，在器件表面生長了較薄的氮化矽薄膜，厚度在IOOnm左右。(2)光柵的光刻膠掩膜由全息曝光系統製備。單色光由He-Cd雷射器激射，它首先經過兩個高反鏡進入全息曝光系統。進入全息曝光系統的單色光經透鏡匯聚，然後經過空間濾波器擴束，擴束後的單色光經透鏡形成平行光束。一部分平行光直接入射到需要製備全息光柵的襯底片上，另一部分平行光入射到高反鏡上，反射到襯底上，這兩束光之間發生幹涉並在塗有光刻膠的襯底片上形成明暗相間的幹涉條紋從而達到曝光的效果，曝光後的光掩膜通過顯影形成光柵，其周期
「 π Vλd=-
2 sin0其中λ為光源波長，Θ為入射角。光柵周期的平均精度可以控制在O. lnm。光柵的光刻膠掩膜製備好之後，再通過RIE的方法，將光柵結構轉移到氮化矽薄膜上，然後清洗光刻膠，這樣就在器件表面形成了一層氮化矽的光柵掩膜。2、特定面積的光柵製備利用氮化矽製備光柵掩膜的作用主要是方便二次光刻，在氮化矽光柵掩膜上製作光刻膠圖形掩膜，從而在進一步的光柵刻蝕中製備特定面積的光柵。具體步驟可見圖2。(I)要製備特定面積的光柵圖形，首先要在氮化矽光柵掩膜上製備光刻膠掩膜圖形。為了便於後續的臺面製備工藝，僅在有臺面的地方製備光柵。選擇和臺面結構相似的光刻版圖，但是版圖尺寸要比臺面結構略小，具體尺寸要參考臺面製備時的側向腐蝕作用。 利用光刻膠AZ5214的反轉特性,在氮化娃光柵掩膜上製備光柵刻蝕窗口。由於米用了一樣的光刻版圖，氮化矽上的光刻膠窗口圖形和臺面圖形相同。(2)利用氮化矽和光刻膠雙層掩膜，通過ICP刻蝕的方法在器件表面製備光柵，該光柵僅存在於光刻膠形成的光柵刻蝕窗口上。(3)光柵製備好之後，首先用有機試劑丙酮去除氮化矽表面的光刻膠，再利用氫氟酸的緩釋劑去除器件表面的氮化矽。
3、雷射器臺面的製備雷射器臺面的製備比較簡單，主要是臺面的掩膜圖形和光柵圖形對準，因此製備臺面時，臺面圖形的兩側沒有光柵圖形，因此臺面的側面會比較乾淨，減小雷射器的損耗， 具體過程見圖4。(I)首先光刻製備雷射器臺面的光刻膠掩膜，由於製備光柵窗口和臺面圖形所用的光刻版圖相似，因此臺面圖形和光柵窗口的對準會比較簡單。經過光刻後，在雷射器表面形成臺面的光刻膠掩膜圖形，已製備好的光柵被光刻膠覆蓋。(2)利用溼法腐蝕的方法製備雷射器臺面。器件經過堅膜後進行臺面的腐蝕。由於考慮到過多的側向腐蝕會重新引入光柵對臺面損耗的影響，應該選擇各向異性較好的腐蝕液。腐蝕液的側向腐蝕和雷射器檯面上光柵層的寬度要綜合考慮，如果側向腐蝕比較嚴重，光柵層的寬度和臺面寬度比較接近，則雷射器臺面的側壁會受到表面光柵的影響，產生損耗，降低雷射器的性能；如果腐蝕液各向異性較好，而光柵層的寬度又遠小於臺面的寬度，有可能導致臺面腐蝕完成後，臺面不能完全被光柵覆蓋，這會影響雷射器光柵的反饋效果，使雷射器單模特性變差。因此要綜合考慮腐蝕液的側向腐蝕情況和光柵層的寬度，使得臺面腐蝕完成後，臺面的側壁不會受到光柵層的影響，又要臺面完全被光柵覆蓋。下面以激射波長為7. 6 μ m的分布反饋量子級聯雷射器的製備為例進一步說明本發明。利用本發明製備低損耗臺面光柵的7. 6 μ m的分布反饋量子級聯雷射器，具體實施步驟包括以下幾個方面⑴利用全息曝光和RIE方法製備光柵氮化矽掩膜層；(2)光刻製備光柵刻蝕窗口 ；(3)溼法腐蝕臺面，製備低損耗臺面光柵。(I)首先清洗襯底將InP襯底依次用四氯化碳、丙酮、乙醇超聲清洗3次，然後用去離子水衝洗、氮氣吹乾；再置於烘箱內烘焙。然後PECVD澱積Si3N4，將烘焙好的InP 襯底放入F1D-I型等離子澱積臺,在一定條件下澱積Si3N4,澱積厚度lOOnm。在氮化娃薄膜上旋塗光刻膠，所用光刻膠由光刻膠S6809與稀釋劑E2以體積比I : 2配製而成，在轉速 6000rad/min的條件下旋塗30s，得到光刻膠厚度在120_150nm之間。將旋塗過光刻膠的樣品置於100°C的熱板上烘焙2min後進行全息曝光，衍射夾角為10° 40'，得到幹涉條紋的周期為1.2 μ m。顯影用顯影液液由MF320顯影劑與去離子水以體積比2 I配成而成，顯影時間為20s。將顯影后的樣品放入RIE-3型刻蝕機，在適當的條件下刻蝕Si3N4，刻蝕深度 llOnm。刻蝕後的樣品用丙酮、乙醇超聲清洗，然後去離子水衝洗，氮氣吹乾，去除殘餘的光刻膠。(2)將清洗好的器件放入烘箱乾燥後塗布光刻膠，光刻膠為S9809，轉速為 2500rad/min，光刻膠厚度約為800nm，100°C熱板前烘後進行光刻。綜合考慮後續臺面腐蝕時側向腐蝕的情況和臺面預設的寬度，選擇光柵刻蝕窗口的寬度分別為6 μ m，8 μ m，10 μ m， 12 μ m,對應的預設臺面寬度為14 μ m, 16 μ m, 18 μ m和20 μ m。曝光時間為8s,顯影時間為6s,顯微鏡觀察後，放入Oxford公司Plasmalab System 100 ICP刻蝕機,在選定條件下刻蝕，刻蝕深度700nm。刻蝕後的器件先經丙酮、乙醇等有機試劑去除光刻膠後，再利用 HF NH4F H2O2以體積比為3 6 9配製成的溶液中漂洗，以去除殘餘的Si3N4，然後用去離子水衝洗、氮氣吹乾。即能在襯底材料上形成了周期為1.2μπι的光柵。(3)將刻有表面光柵的器件放入烘箱乾燥後塗布光刻膠，光刻膠為S9809，轉速為2500rad/min，光刻膠厚度約為800nm，100°C熱板前烘後進行臺面圖形光刻，臺面寬度為 14 μ m, 16 μ m, 18 μ m和20 μ m。曝光時間為8s,顯影時間為6s,顯微鏡觀察後放入烘箱120°C 堅膜40min。器件臺面的製備採用溼法腐蝕的方法，腐蝕液為利用HBr HNO3 H2O以(請說明是體積比還是質量比)為I : I : 8配製而成，腐蝕速度約為2ym/min，各向同性，側向腐蝕速度與垂直腐蝕速度相近。腐蝕深度約為4 μ m，腐蝕完成後，臺面寬度約為6 μ m，臺面兩側側壁光滑，未受到表面光柵的影響。腐蝕完成後的圖片見圖4。利用本發明實現了利用全息曝光系統製備低損耗臺面光柵，光柵僅存在於檯面上方，臺面腐蝕時，臺面兩側沒有光柵，臺面側壁的腐蝕不受光柵的影響，側壁光滑，損耗小。 通過本發明，製備激射波長為7. 6 μ m的分布反饋量子級聯雷射器，該雷射器可以連續工作在150K溫度下，實現單模激射，邊模抑制比為30db，激射光譜圖見圖5。不難發現，本發明首先利用全息曝光技術製備光柵的光刻膠掩膜，再通過RIE將光柵圖形轉移到氮化矽薄膜上；然後在氮化矽的光柵掩膜上製作光柵刻蝕窗口，通過ICP 刻蝕光柵，使得器件表面僅有臺面的位置上刻有光柵，且光柵面積不大於臺面的面積；最後利用溼法腐蝕的方法製備雷射器臺面，通過控制溼法腐蝕的側向腐蝕以及光柵的覆蓋面積，使光柵完全覆蓋雷射器的臺面，且不會影響到雷射器側壁的腐蝕情況。利用本發明提供的方法，光柵不是大面積製備在器件表面，因此在臺面腐蝕時，表面的光柵不會影響到臺面側壁的腐蝕，從而減少由於側壁不平整引起的損耗，進一步提高分布反饋雷射器的性能。
權利要求
1.一種中紅外雷射器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)製備氧化矽光柵層利用等離子體增強化學氣相沉積法在器件表面生長一層氮化矽薄膜；利用全息曝光的方法在氮化矽薄膜上製備全息光柵掩膜；採用反應離子刻蝕的方法將光柵圖形轉移到氮化矽膜上，形成了一層氮化矽的光柵掩膜；(2)在有臺面的位置上製備反饋光柵選擇和臺面結構相似的光刻版圖，在氮化矽的光柵掩膜上製備光刻膠掩膜圖形，並在氮化娃的光柵掩膜上製備光柵刻蝕窗口 ；利用氮化矽和光刻膠雙層掩膜，通過ICP刻蝕的方法在器件表面製備光柵，使得光柵完全覆蓋在器件所要製備臺面的位置上；(3)製備雷射器臺面。
2.根據權利要求I所述的中紅外雷射器的製備方法，其特徵在於，所述步驟(I)全息曝光方法通過全息曝光系統完成，所述全息曝光系統包括透鏡、空間濾波器、襯底片和高反鏡；進入全息曝光系統的單色光經透鏡匯聚，然後經過空間濾波器擴束，擴束後的單色光經透鏡形成平行光束；一部分平行光直接入射到需要製備全息光柵的襯底片上，另一部分平行光入射到高反鏡上，再反射到襯底上，這兩束平行光之間發生幹涉並在塗有光刻膠的襯底片上形成明暗相間的幹涉條紋實現曝光，曝光後的光掩膜通過顯影形成全息光柵掩膜。
3.根據權利要求2所述的中紅外雷射器的製備方法，其特徵在於，所述襯底上塗覆的光刻膠由光刻膠S6809和稀釋液E2以體積比I : 2的比例配製而成，採用的顯影液由顯影劑MF320與去離子水以體積比2 I配製而成。
4.根據權利要求I所述的中紅外雷射器的製備方法，其特徵在於，所述步驟(3)中製備雷射器臺面還包括以下子步驟，先去除氮化矽薄膜，再塗覆光刻膠掩膜，通過普通光刻的方法將臺面圖形製作在光刻膠上，臺面圖形與表面光柵對準，再通過溼法腐蝕的方法將臺面圖形轉移到器件上。
5.根據權利要求4所述的中紅外雷射器的製備方法，其特徵在於，所述溼法腐蝕採用的腐蝕液為由!Br、HNO3和H2O按體積比I : I : 8的比例配置而成。
全文摘要
本發明涉及一種中紅外雷射器的製備方法，包括以下步驟製備氧化矽光柵層利用等離子體增強化學氣相沉積法在器件表面生長一層氮化矽薄膜；利用全息曝光的方法在氮化矽薄膜上製備全息光柵掩膜；採用反應離子刻蝕的方法將光柵圖形轉移到氮化矽膜上，形成了一層氮化矽的光柵掩膜；在有臺面的位置上製備反饋光柵選擇和臺面結構相似的光刻版圖，在氮化矽的光柵掩膜上製備光刻膠掩膜圖形，並在氮化矽的光柵掩膜上製備光柵刻蝕窗口；利用氮化矽和光刻膠雙層掩膜，通過ICP刻蝕的方法在器件表面製備光柵，使得光柵完全覆蓋在器件所要製備臺面的位置上；製備雷射器臺面。本發明使得分布反饋雷射器的性能有所提高。
文檔編號G03F7/20GK102593718SQ201210048679
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者丁惠鳳, 張永剛, 李好斯白音, 李愛珍, 李耀耀 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所