基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法及外延片和激光器的制造方法
【專利摘要】一種基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法及外延片和激光器，該方法包括：通過(guò)紫外納米壓印工藝，在外延片表面涂覆的光刻膠上壓印出光柵圖形；將壓印好的外延片送入電感耦合等離子體(ICP)設(shè)備的反應(yīng)腔室中進(jìn)行一次刻蝕，反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar；將完成一次刻蝕的外延片送入反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕，反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar。本發(fā)明采用二次刻蝕方法即連續(xù)兩次對(duì)GaInP光柵進(jìn)行干法刻蝕，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化刻蝕的氣體流量比、腔室壓強(qiáng)和刻蝕時(shí)間等參數(shù)，可以得到優(yōu)良的光柵形貌。
【專利說(shuō)明】
基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法及外延片和激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及二次干法刻蝕工藝，更具體地涉及一種基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法及由此制得的外延片和激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]分布反饋激光器(DFB)是在激光器內(nèi)部加入布拉格光柵實(shí)現(xiàn)光的反饋，由于光柵的選擇作用，輸出的光譜線寬遠(yuǎn)窄于一般激光器的光譜，且能夠穩(wěn)定單模振蕩。D F B激光器的邊模抑制比及功率特性與光柵的耦合系數(shù)有密切關(guān)系，而光柵的耦合系數(shù)由光柵的形狀、填充因子、深度等因素決定。因此，光柵的特性直接影響到DFB激光器的性能。故光柵的制備是至關(guān)重要的工藝技術(shù)，一般光柵的制備包括掩膜制備和光柵刻蝕。制作掩膜可通過(guò)全息曝光、電子束直接寫入或者納米壓印的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。納米壓印具有低成本、高精度、高效率和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，是制作高分辨率掩膜的不二之選。光柵的刻蝕方法有濕法腐蝕和干法刻蝕。濕法腐蝕較難控制光柵的形貌，均勻性和重復(fù)性也較差。為了克服濕法腐蝕帶來(lái)的缺點(diǎn)，近年來(lái)普遍采用反應(yīng)離子(RIE)或者電感耦合等離子體(ICP)干法刻蝕的方法來(lái)制作光極，以提尚器件的性能。
[0003]干法刻蝕GaInP材料的基本氣體體系有氯基和碳?xì)浠?。氯基氣體體系容易生成不揮發(fā)的InClx反應(yīng)產(chǎn)物，不利于選擇性刻蝕。碳?xì)浠鶆t生成揮發(fā)性的刻蝕產(chǎn)物，可以對(duì)刻蝕深度精確控制，但在刻蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的聚合物沉積在樣品表面阻礙刻蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，且刻蝕過(guò)程中腔室壓強(qiáng)和ICP功率參數(shù)對(duì)光柵刻蝕形貌的影響也較大。目前光柵刻蝕過(guò)程中存在的問題是難以獲得平滑整潔的光柵形貌，光柵表面沉積的聚合物不易去除，因此引入的缺陷多，對(duì)閾值電流、光功率的影響顯著。如果能夠減少聚合物的沉積將會(huì)對(duì)激光器出光效率和光學(xué)災(zāi)變損傷(COD)閾值的提高大有裨益，器件的性能也會(huì)有所提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法，以便制作出外延片和/或內(nèi)置一級(jí)光柵的分布反饋激光器，解決上述技術(shù)問題中的至少之一O
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法，包括如下步驟:
[0006]步驟1:準(zhǔn)備一外延片；
[0007]步驟2:通過(guò)納米壓印技術(shù)，將壓印模板上的納米圖案轉(zhuǎn)移到所述外延片表面涂覆的光刻膠上，制作出光柵圖形；
[0008]步驟3:將所述壓印好光柵圖形的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行一次刻蝕；
[0009]步驟4:將所述一次刻蝕完成的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕，在所述外延片的GaInP層上刻蝕形成光柵圖形；
[0010]步驟5:使用氧等離子體對(duì)所述外延片表面進(jìn)行處理，完成整個(gè)刻蝕過(guò)程。[0011 ]其中，在步驟2之后、步驟3之前還包括清潔所述ICP反應(yīng)腔室的步驟，具體包括:
[0012]先用O2和SF6的混合氣體處理3分鐘，再用O2處理3分鐘，以確保所述ICP反應(yīng)腔室的清潔；
[0013]其中，清潔所述ICP反應(yīng)腔室時(shí)采用的射頻功率為100W、電感耦合功率為1500W。
[0014]其中，步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)向所述ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar混合氣體，混合氣體中CH4的流量為5-10sccm、H2的流量為15-25sccm、Ar的流量為4-8sccm。
[0015]其中，步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)所述ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)為50-60mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為0W。
[0016]其中，步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為3-4min。
[0017]其中，步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)向所述ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar混合氣體，CH4/H2/Ar混合氣體中CH4的流量為5-10sccm、H2的流量為15-25sccm、Ar的流量為4_8sccm0
[0018]其中，步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)所述ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)為5-15mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為275W。
[0019]其中，步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為0.5-3min。
[0020]其中，步驟5中使用氧等離子體對(duì)所述外延片表面進(jìn)行清潔處理時(shí)的O2流量為20-40sccm，ICP反應(yīng)腔室中的射頻功率為100W，電感耦合功率為0W。
[0021]作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種根據(jù)如上所述的方法制備得到的外延片，以及內(nèi)置一級(jí)光柵的分布反饋激光器。
[0022]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的方法具有如下有益效果:(I)采用二次刻蝕方法即連續(xù)兩次對(duì)GaInP光柵進(jìn)行干法刻蝕，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化刻蝕的氣體流量比、腔室壓強(qiáng)和刻蝕時(shí)間等參數(shù)，可以得到優(yōu)良的光柵形貌，光柵表面毛刺少、平滑度高；(2)產(chǎn)品整體均勻性好、成品率和重復(fù)性高、深度可以精確控制；(3)能夠制作出性能優(yōu)良的分布反饋激光器，保證激光器在高速調(diào)制等不同條件下穩(wěn)定地單縱模工作，波長(zhǎng)穩(wěn)定，發(fā)射光譜帶寬小及單縱模工作；(4)該分布反饋激光器可以很好地用于栗浦固體激光器、光纖激光器和光纖放大器。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的流程方框圖；
[0024]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1制作的GaInP光柵的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；
[0025]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2制作的GaInP光柵的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明通過(guò)紫外納米壓印工藝，在外延片表面涂覆的光刻膠上壓印出光柵圖形；將壓印好的外延片送入電感耦合等離子體(ICP)設(shè)備的反應(yīng)腔室中進(jìn)行一次刻蝕，反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar，合適比例的CH4/H2/Ar能夠使刻蝕過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊相互平衡，獲得良好的刻蝕效果；將完成一次刻蝕的外延片送入反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕，反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar。本發(fā)明采用二次刻蝕方法即連續(xù)兩次對(duì)GaInP光柵進(jìn)行干法刻蝕，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化刻蝕的氣體流量比、腔室壓強(qiáng)和刻蝕時(shí)間等參數(shù)，可以得到優(yōu)良的光柵形貌。
[0028]更具體地，本發(fā)明使用Oxford公司的Plasma system 100型刻蝕設(shè)備，采用Ar、CH4和出的混合氣體體系對(duì)GaInP光柵的電感耦合離子刻蝕工藝進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)優(yōu)化氣體流量比例、刻蝕時(shí)間、刻蝕功率和腔室壓強(qiáng)，可以得到良好的刻蝕效果。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本發(fā)明的基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法，如圖1所示，包括如下步驟:
[0031]步驟1:取一個(gè)完成一次外延的外延片，光柵層材料為GalnP，厚度約為200nm。
[0032]步驟2:將壓印模板上的納米圖案轉(zhuǎn)移到所述外延片表面涂覆的光刻膠上，制作出光柵圖形。
[0033]步驟3:清潔感應(yīng)耦合等離子體(ICP)反應(yīng)腔室，保證腔室干凈無(wú)污染。使用O2和SF6混合氣體處理3分鐘，再用O2處理3分鐘，主要是清除ICP反應(yīng)腔室的殘余有機(jī)聚合物污染。該清潔程序使用的射頻功率為10W、電感耦合功率為1500W。
[0034]步驟4:將壓印好光柵圖形的外延片送入ICP反應(yīng)腔室準(zhǔn)備進(jìn)行一次刻蝕。
[0035]一次刻蝕時(shí)向腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar，調(diào)整優(yōu)化反應(yīng)氣體比例，最終采用CH4的流量為7SCCm、Hd^流量為20sCCm、Ar的流量為6SCCm，以達(dá)到最佳的刻蝕形狀。
[0036]一次刻蝕時(shí)ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)設(shè)為60mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為0W。這里不使用電感耦合功率，僅添加了射頻功率，以得到慢速的反應(yīng)離子刻蝕模式，避免對(duì)掩膜的快速消耗。
[0037]最后設(shè)定刻蝕時(shí)間為4min，完成準(zhǔn)備工作后，對(duì)外延片進(jìn)行一次刻蝕。
[0038]步驟5:將完成一次刻蝕的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕。
[0039]二次刻蝕時(shí)向ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar，調(diào)整優(yōu)化反應(yīng)氣體比例，最終采用CH4的流量為7sccm、H2的流量為20sccm、Ar的流量為6sccm。
[0040]二次刻蝕時(shí)ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)設(shè)為1mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為275W，刻蝕時(shí)間為30s。
[0041]步驟6:使用氧等離子體對(duì)外延片表面進(jìn)行清潔處理，主要是為了去除刻蝕表面和側(cè)壁殘余的聚合物。清潔氣體為02，其流量為30SCCm，添加的射頻功率為100W，電感耦合功率為0W。
[0042]步驟7:把刻蝕好的外延片放入聚四氟容器中，倒入負(fù)膠去膜劑，加熱至微沸保持12分鐘，去除殘余的光刻膠膜(圖中未示出)。接著用去離子水沖洗外延片若干次，然后用異丙醇清洗三到五次，最后用甩膠機(jī)甩干，完成二次外延前處理。
[0043]經(jīng)過(guò)測(cè)試，制備好的GaInP材料的光柵形貌如圖2所示。光柵周期約為152nm，光柵深度為80nm左右，填充因子約為54% ο
[0044]實(shí)施例2
[0045]本發(fā)明的基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法，如圖1所示，包括如下步驟:
[0046]步驟1:取一個(gè)完成一次外延的外延片，光柵層材料為GalnP，厚度約為200nm。
[0047]步驟2:將壓印模板上的納米圖案轉(zhuǎn)移到所述外延片表面涂覆的光刻膠上，制作出光柵圖形。
[0048]步驟3:清潔感應(yīng)耦合等離子體(ICP)反應(yīng)腔室，保證腔室干凈無(wú)污染。使用O2和SF6混合氣體處理3分鐘，再用O2處理3分鐘，主要是清除ICP反應(yīng)腔室的殘余有機(jī)聚合物污染。該清潔程序使用的射頻功率為10W、電感耦合功率為1500W。
[0049]步驟4:將壓印好光柵圖形的外延片送入ICP反應(yīng)腔室準(zhǔn)備進(jìn)行一次刻蝕。
[0050]一次刻蝕時(shí)向腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar，調(diào)整優(yōu)化反應(yīng)氣體比例，最終采用CH4的流量為7SCCm、Hd^流量為20sCCm、Ar的流量為6SCCm，以達(dá)到最佳的刻蝕形狀。[0051 ] 一次刻蝕時(shí)ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)設(shè)為60mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為0W。這里不使用電感耦合功率，僅添加了射頻功率，以得到慢速的反應(yīng)離子刻蝕模式，避免對(duì)掩膜的快速消耗。
[0052]最后設(shè)定刻蝕時(shí)間為3min，完成準(zhǔn)備工作后，對(duì)外延片進(jìn)行一次刻蝕。
[0053]步驟5:將完成一次刻蝕的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕。
[0054]二次刻蝕時(shí)向ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar，調(diào)整優(yōu)化反應(yīng)氣體比例，最終采用CH4的流量為7sccm、H2的流量為20sccm、Ar的流量為6sccm。
[0055]二次刻蝕時(shí)ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)設(shè)為1mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為275W，刻蝕時(shí)間為30s。
[0056]步驟6:使用氧等離子體對(duì)外延片表面進(jìn)行清潔處理，主要是為了去除刻蝕表面和側(cè)壁殘余的聚合物。清潔氣體為02，其流量為30SCCm，添加的射頻功率為100W，電感耦合功率為0W。
[0057]步驟7:把刻蝕好的外延片放入聚四氟容器中，倒入負(fù)膠去膜劑，加熱至微沸保持12分鐘，去除殘余的光刻膠膜(圖中未示出)。接著用去離子水沖洗外延片若干次，然后用異丙醇清洗三到五次，最后用甩膠機(jī)甩干，完成二次外延前處理。
[0058]經(jīng)過(guò)測(cè)試，制備好的GaInP材料的光柵形貌如圖3所示。光柵周期約為152nm，光柵深度為75.4nm左右，填充因子約為49% ο
[0059]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于納米壓印光柵的二次干法刻蝕方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:準(zhǔn)備一外延片； 步驟2:通過(guò)納米壓印技術(shù)，將壓印模板上的納米圖案轉(zhuǎn)移到所述外延片表面涂覆的光刻膠上，制作出光柵圖形； 步驟3:將所述壓印好光柵圖形的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行一次刻蝕； 步驟4:將所述一次刻蝕完成的外延片送入ICP反應(yīng)腔室進(jìn)行二次刻蝕，在所述外延片的GaInP層上刻蝕形成光柵圖形； 步驟5:使用氧等離子體對(duì)所述外延片表面進(jìn)行處理，完成整個(gè)刻蝕過(guò)程。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟2之后、步驟3之前還包括清潔所述ICP反應(yīng)腔室的步驟，具體包括: 先用O2和SF6的混合氣體處理3分鐘，再用O2處理3分鐘，以確保所述ICP反應(yīng)腔室的清潔; 其中，清潔所述ICP反應(yīng)腔室時(shí)采用的射頻功率為100W、電感耦合功率為1500W。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)向所述ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar混合氣體，混合氣體中CH4的流量為5-10sccm、H2的流量為15-258(3011、41'的流量為4-88(30]1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)所述ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)為50-60mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為0W。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3中進(jìn)行一次刻蝕時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為3-4min。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)向所述ICP反應(yīng)腔室中充入的反應(yīng)氣體為CH4/H2/Ar混合氣體，CH4/H2/Ar混合氣體中CH4的流量為5-10sccm、H2的流量為 15_25sccm、Ar 的流量為 4_8sccm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)所述ICP反應(yīng)腔室中的壓強(qiáng)為5-15mTorr，射頻功率為150W，電感耦合功率為275W。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4中進(jìn)行二次刻蝕時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為0.5-3min。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟5中使用氧等離子體對(duì)所述外延片表面進(jìn)行清潔處理時(shí)的O2流量為20-40sCCm，ICP反應(yīng)腔室中的射頻功率為100W，電感耦合功率為0W。10.—種根據(jù)權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的方法制備得到的外延片、或內(nèi)置一級(jí)光柵的分布反饋激光器。
【文檔編號(hào)】H01S5/12GK106025795SQ201610550299
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】王海麗, 趙懿昊, 張奇, 王文知, 仲莉, 劉素平, 馬驍宇
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所