一种模斑转换器中的磷化铟垂直楔形结构的制备方法

1.本发明属于光电子加工技术领域，具体涉及一种应用于半导体光电子器件领域的、利用光刻胶作为掩模进行常温条件下干法刻蚀，得到模斑转换器中的磷化铟(inp)垂直楔形结构的制备工艺。


背景技术：

2.近些年，随着光通信、光信息处理技术的飞速发展，各种半导体光电子器件也得到了广泛的应用，而楔形结构在光波导互联(如对光波模式的变换)、解复用接收、角色散器件(如棱镜)中起着越来越大的作用。半导体的楔形结构也在光波导耦合器件(如模斑转换器)等器件上得到越来越多的应用。
3.磷化铟(inp)垂直楔形结构是一种典型的半导体楔形结构，它呈小角度倾角的斜坡状，主要应用于模斑转换器这种光波导耦合器件，起到连接单模光纤和单模传输波导的作用。
4.一般情况下，半导体探测器需要单模光纤光作为入射光源，但是在单模光纤与半导体探测器进行直接光连接时，会出现很大的耦合损耗。这是因为单模光纤与半导体探测器波导的模场不匹配，半导体探测器的单模传输波导的模斑尺寸较小，一般只有1μm～2μm，而单模光纤的模斑尺寸较大，一般有4μm～10μm。所以需要在半导体探测器前集成一个模斑转换器来实现单模光纤与半导体探测器波导的高效耦合，降低半导体器件的耦合封装成本。
5.而应用于模斑转换器中的磷化铟(inp)垂直楔形结构能将单模光纤出射光的模式转换为探测器传输波导所支持的模式，有效解决单模光纤与半导体器件单模波导之间模场不匹配问题，减小光信号传播的耦合损耗。但如何在磷化铟(inp)基底表面特定区域制备出有特定倾角、斜坡表面平坦的垂直楔形结构是一个很大的难点。目前对这种磷化铟(inp)垂直楔形结构的制备主要通过不同配比的湿法刻蚀液进行湿法刻蚀，进而形成斜面凹槽的方式实现。但该方法的问题是：(1)目前的湿法刻蚀难以实现对腐蚀得到的斜坡的结构参数进行较为准确地控制，包括长度、斜率等；(2)通过寻常湿法刻蚀方法难以得到表面平整且倾角小于10
°
的半导体斜坡。使用动态掩模湿法刻蚀也是一种常用的方法，但动态掩模湿法刻蚀额外多加一层不同材料的外延层做刻蚀的动态掩模，提高了对半导体结构设计和外延生长的要求。
6.直接在材料基底上使用光刻胶(以下简称为pr)斜坡掩模进行各向异性的干法刻蚀是最直接的制备垂直楔形结构的方法。但在常规干法刻蚀工艺中磷化铟(inp)材料的刻蚀温度约150℃，光刻胶在该温度下很容易受高温影响变形甚至碳化，因此常规工艺对掩模耐热性和刻蚀设备的温度控制有较高要求。另一方面，作为磷化铟(inp)刻蚀掩模的pr斜坡，其制备通常基于灰度光刻等方法。但该过程复杂繁琐，且一般需要搭配使用成本高昂的投影式光刻机。所以，开发一种低成本、工序简单的新工艺具有十分重要的意义。


技术实现要素：

7.为了实现成本低、工序简单高效、常温干法刻蚀的完成在模斑转换器中的磷化铟(inp)垂直楔形结构加工，本发明提供一种模斑转换器中的磷化铟垂直楔形结构的制备方法。
8.一种模斑转换器中的磷化铟垂直楔形结构的制备操作步骤如下：
9.(1)光刻胶条带列图案的单次曝光光刻制作
10.(1.1)匀胶
11.在长方形板状的磷化铟基底(1)的一侧面上均匀涂设正性光刻胶层(2)，得到具有正性光刻胶层(2)的基片；
12.(1.2)前烘、曝光、显影
13.将具有正性光刻胶层(2)的基片烘干；使用接触式光刻机对正性光刻胶层(2)进行单次曝光，使用与正性光刻胶相对应的显影液进行显影，得到磷化铟基底(1)上的光刻胶条带列图案(3)，以及光刻胶条带列图案(3)两端的第一保护区域(4)和第二保护区域(5)；
14.所述光刻胶条带列图案(3)中，光刻胶条带列的高度即光刻胶胶厚，且高于所要制备的垂直楔形结构的斜坡高度；相邻条带间的沟槽带隙宽度δx为1.5μm～3.5μm；光刻胶条带列的总长度为所有各条带间的沟槽带隙宽度和所有条带线宽之和，即为所需垂直楔形结构的斜坡长度；光刻胶条带列的前端对应垂直楔形结构的斜坡高端，光刻胶条带列的末端对应垂直楔形结构的斜坡的低端；
15.(2)光刻胶斜坡掩模的制作
16.(2.1)蒸汽回流处理
17.先将具有光刻胶条带列图案3的磷化铟基底1进行预热处理，接着在温度45℃的丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)蒸汽中，蒸汽回流处理2～5min；
18.(2.2)热熔回流处理
19.将经过蒸汽回流处理的磷化铟基底(1)放置在温度130℃的热板上，进行20～40min热回流处理，使光刻胶条带列图案(3)形成光刻胶斜坡结构，得到光刻胶梯形结构(6)，将所述光刻胶梯形结构(6)分为位于上方的光刻胶斜坡结构(7)和位于光刻胶斜坡结构(7)下部的光刻胶长方形底座(8)两个部分；
20.(2.3)光刻胶掩模减薄
21.使用反应离子刻蚀机，去除位于光刻胶斜坡结构(7)下方的光刻胶长方形底座(8)，得到减薄的光刻胶斜坡掩模；
22.(3)磷化铟垂直楔形结构的常温下干法刻蚀
23.通过电感耦合等离子体(icp)刻蚀机和光刻胶斜坡掩模，在温度25℃、射频功率(rf)50w～85w、电感耦合等离子体(icp)功率100w～500w、气体流量12sccm～18sccm、腔体压力5～8mtorr条件下，使磷化铟基底(1)上刻蚀呈现部分斜坡结构；完成磷化铟基底(1)上转移刻蚀，得到磷化铟基底(1)上的垂直楔形结构(10)，垂直楔形结构(10)为小角度斜坡，斜坡表面光滑度良好；与所述第一保护区域(4)对应的磷化铟基底(1)上形成第一保护平台(11)，与所述第二保护区域(5)对应的磷化铟基底(1)上形成第二保护平台(12)；
24.所述垂直楔形结构(10)实现将单模光纤出射光的模式绝热地转换为模斑转换器所连接的探测器传输波导所支持的模式，完成对单模光纤出射光的模斑的缩小；
25.在所述干法刻蚀中，当温度25℃，射频功率(rf)源功率为50～85w、电感耦合等离子体(icp)功率为100～500w、气体流量12sccm～18sccm、腔体压力5～8mtorr时，刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1:1～1.6:1。
26.进一步的技术方案如下：
27.步骤(1.1)中，所述正性光刻胶层(2)材料为正性az5214光刻胶或正性az4562光刻胶。
28.步骤(1.1)中，所述接触式光刻机为i线接触式光刻机，曝光波长为365nm。
29.步骤(1.2)中，所述光刻胶条带列图案(3)中，光刻胶条带列中的第一个条带的线宽为其中k是所需的光刻胶斜坡斜率，b是光刻胶的厚度；这之后的光刻胶条带列中第n个条带的线宽为当对应的条带列的总长度达到所需的斜坡长度，或者对应的第n+1个条带的宽度小于δx，此时n截止；随着n的增大，条带线宽逐渐减小，之后的处理中光刻胶回流自然形成光刻胶斜坡。
30.步骤(2.1)中，将具有光刻胶条带列图案(3)的磷化铟基底(1)放置在热板上预热处理，预热温度70～80℃、时间3min；再放入水浴加热得到的温度45℃的丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)蒸汽中蒸汽回流处理。
31.步骤(3.1)中，当需要得到斜坡斜率为0.0006的inp垂直楔形结构时，制备的光刻胶斜坡掩模的斜率为0.0005，选择干法刻蚀时射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率为55w、300w，刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1.2:1；当需要得到inp垂直楔形结构斜坡斜率为0.00075时，只需要调整干法刻蚀时射功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率为70w、500w，刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1.5:1。
32.本发明的有益技术效果体现在以下方面：
33.(1)本发明通过制备光刻胶(pr)斜坡掩模，然后直接将斜坡结构通过干法刻蚀转移到磷化铟(inp)基底上，工艺流程简便，低成本，且操作危险性低，可控性高，刻蚀反应产生物易于处理。
34.(2)干法刻蚀采用25℃这种常温下刻蚀，对光刻胶(pr)斜坡掩模耐热性、干法刻蚀机器的性能要求不高，不会导致光刻胶(pr)掩模变形碳化。
35.(3)本发明只需要调节干法刻蚀配方，从而调控磷化铟(inp)和光刻胶(pr)的刻蚀选择比，就可以比较准确地调控得到的磷化铟(inp)垂直楔形结构的斜坡倾斜角。
附图说明
36.图1为inp基底上匀胶后的侧视图；
37.图2为pr条带列光刻图案的俯视图；
38.图3为pr条带列光刻图案的侧视图；
39.图4为回流后的pr梯形结构的侧视图；
40.图5为pr斜坡掩模的侧视图；
41.图6为inp垂直楔形结构刻蚀转移过程图示；
42.图7为最后的inp垂直楔形结构干法刻蚀结果侧视图；
43.图8为inp垂直楔形结构干法刻蚀结果立体图；
44.图9为制备得到的典型的inp垂直楔形结构显微镜照片；
45.图10为制备得到的典型的inp垂直楔形结构台阶仪扫描曲线图；
46.图11为一种具有inp垂直楔形结构的模斑转换器示意图；
47.图12为图11中模斑转换器中采用的inp垂直楔形结构示意图；
48.图13为模斑转换前后示意图。
49.上图1-12中的序号：磷化铟基底1、正性光刻胶层2、光刻胶条带列图案3、第一保护区域4、第二保护区域5、光刻胶梯形结构6、光刻胶斜坡结构7、光刻胶长方形底座8、过渡楔形结构9、垂直楔形结构10、第一保护平台11、第二保护平台12、扫描曲线13、磷化铟衬底14、磷化铟脊波导15、磷化铟垂直楔形结构16、铟镓砷磷(ingaasp)稀释波导层17、模斑转换器18、单模光纤19、波导pin探测器20。
具体实施方式
50.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
51.实施例1
52.一种模斑转换器中的磷化铟垂直楔形结构的制备操作步骤如下：
53.(1)光刻胶条带列图案的单次曝光光刻制作
54.(1.1)匀胶
55.参见图1，将长方形板状的磷化铟基底1放置于六甲基二硅胺烷(hmds)蒸汽中进行成膜处理，六甲基二硅胺烷(hmds)起到光刻胶(pr)粘附促进的效果。然后使用旋转涂胶法在磷化铟基底1一侧表面涂上一层正性光刻胶层2。正性光刻胶层2的材料为正性az5214光刻胶或者az452光刻胶。
56.(1.2)烘干、曝光、显影
57.在50℃条件下，将具有正性光刻胶层2的磷化铟基底1烘干。使用i线接触式光刻机对正性光刻胶层2进行单次曝光，i线指的是曝光波长为365nm。接着使用与正性az5214光刻胶相对应的显影液进行显影，得到了磷化铟基底1上的光刻胶条带列图案3，以及光刻胶条带列图案3两端的第一保护区域4和第二保护区域5。光刻胶条带列图案3是为了之后光刻胶斜坡掩膜的制备做准备。而光刻胶的第一保护区域4和第二保护区域5是为了在之后的磷化铟垂直楔形结构制备过程中保护楔形结构两端的磷化铟表面区域，以便制备完成的磷化铟垂直楔形结构与其他半导体器件进行集成，所以光刻胶的第一保护区域4和第二保护区域5可根据所需半导体集成器件的实际结构需求来确定是否添加以及相应设计。
58.光刻胶条带列图案3中，条带的高度即光刻胶的胶厚，要高于所需斜坡的高度。各条带间的沟槽带隙宽度δx为定值，根据使用的接触式光刻机的性能可以取1.5μm～3.5μm。pr条带列的总长度(所有各条带间的沟槽带隙宽度和所有条带线宽之和)为所需的斜坡长度l，条带列的前端对应之后的斜坡高端，条带列的末端对应之后的斜坡的低端。根据设计，第一个条带的线宽为其中k是所需的pr斜坡斜率，b是pr的胶厚，这之后的条带列中第n个条带的线宽为当对应的条带列的总长度达到所需的斜坡长度，或者对应的第n+1个条带的宽度会小于δx，此时n截止。随着n的增大，条带线宽逐渐减小，之后的处理中pr回流能自然形成pr斜坡。例如，当制备斜率k为
0.0005、条带列总长度l为1100μm的斜坡时，使用az4562光刻胶，匀胶后胶层厚度b为5μm，条带间的沟槽间隙δx为2μm，则根据公式，光刻的条带列中共有36个条带，各条带的宽度依次为：139.42μm，71.21μm，56.58μm，48.40μm，42.95μm，38.97μm，
···
，15.15μm，14.90μm，14.67μm。
59.(2)光刻胶斜坡掩模的制作
60.(2.1)蒸汽回流处理
61.先将将具有光刻胶条带列图案3的磷化铟基底1放置在75℃的热板上约3min进行预热处理，再将预热的具有光刻胶条带列图案3的磷化铟基底1放置于通过水浴加热得到的45℃的丙二醇甲醚醋酸酯(pgmea)蒸汽中进行蒸汽回流处理约4min。
62.(2.2)热熔回流处理
63.将蒸汽回流处理过的具有光刻胶条带列图案3的磷化铟基底1放置在130℃热板上，热熔回流处理30min，得到光刻胶梯形结构6；参见图4，光刻胶梯形结构6分为两个部分，光刻胶斜坡结构7与光刻胶长方形底座8。
64.(2.3)光刻胶掩模减薄
65.根据测量的光刻胶梯形结构6参数，使用氧等离子体进行约10min的减薄刻蚀，可以使用经济实惠的反应离子刻蚀机(rie)进行操作，去除光刻胶斜坡结构7下部的光刻胶长方体底座8，实现光刻胶掩掩模减薄，参见图5，得到减薄光刻胶斜坡掩模的磷化铟基底1。例如，我们对实施例1步骤1中例子中制备的条带列样品蒸汽回流处理、热熔回流处理后，得到光刻胶梯形结构，其中包含高度约550nm、长度为1100μm的光刻胶斜坡结构，其斜率为0.0005，以及高度约3μm、长度为1100μm的光刻胶长方体底座，使用反应离子刻蚀机中的氧等离子体进行10min的减薄刻蚀，去除光刻胶长方体底座，只留下光刻胶斜坡结构，即长度为1100μm、斜率为0.0005的光刻胶斜坡掩模。
66.(3)磷化铟垂直楔形结构的常温下干法刻蚀
67.将带有减薄光刻胶斜坡掩模的磷化铟基底1放入电感耦合等离子体(icp)刻蚀机刻蚀腔内，使用电感耦合等离子体(icp)刻蚀机进行光刻胶掩模转移刻蚀，参见图6，光刻胶掩模、磷化铟的刻蚀方向均是垂直磷化铟基底1向下，属于各向异性刻蚀。经过多组刻蚀配方的实验测试，采用的电感耦合等离子体(icp)常温刻蚀配方为：刻蚀气体为溴化氢(hbr)，刻蚀温度为25℃，射频功率(rf)功率(以下简称rf功率)、电感耦合等离子体(icp)功率(以下简称icp功率)分别为50w、100w，气体流量12sccm，腔体压力8mtorr。参见图7和图8，通过icp刻蚀机完成转移刻蚀，去除了正性光刻胶层2，在磷化铟基底1上得到小角度斜坡倾角且斜坡表面光滑度良好的磷化铟垂直楔形结构10，以及第一保护区域4所对应的第一保护平台11、第二保护区域5所对应的第二保护平台12。
68.同时，根据icp刻蚀的原理，本实施例的步骤(3)中，通过调节刻蚀配方的射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率参数，就能改变刻蚀时刻蚀腔内反应活性等离子体浓度以及等离子体轰击速率，实现不同的inp刻蚀速率与pr刻蚀速率，从而改变刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
，刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
的意思是磷化铟(inp)与光刻胶(pr)的刻蚀速率比值，又因为对磷化铟(inp)的刻蚀方向垂直向下，转移刻蚀后磷化铟(inp)斜坡长度、宽度恒等于光刻胶(pr)斜坡掩模长度、宽度，所以刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
的大小就等于转移刻蚀后inp斜坡高度与pr斜坡掩模高度的比值大小。因此，当刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
变化，在光刻胶(pr)斜坡高度、
长度、宽度一定时，磷化铟(inp)斜坡高度随之变化，但磷化铟(inp)斜坡长度、宽度不会变化，因此，实现对刻蚀得到的斜坡高度与斜坡斜率的调整。同时，当调节刻蚀配方的射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率参数时，气体流量和腔体压力可以不做调整，也可以为了进一步确保刻蚀过程的稳定性，对气体流量和腔体压力进行微调。
69.所以，本发明干法刻蚀工艺，实现楔形结构参数的精细调控，而不需要修改光刻掩模的设计以及pr斜坡掩模制备步骤中的工艺条件。例如，当射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率的范围为50w～85w、100w～500w时，此时气体流量12sccm～18sccm、腔体压力5～8mtorr，能实现1:1～1.6:1的刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
。又例如，在实施例1步骤(1)、在步骤(2)的例子中，制备的pr斜坡掩模斜率为0.0005，当需要得到斜坡斜率为0.0006的inp垂直楔形结构时，选择干法刻蚀时射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率为55w、300w，此时气体流量、腔体压力调整为14sccm、8mtorr，其对应的刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1.2:1，转移刻蚀后的斜坡斜率为0.0006，满足要求；当更改要求，需要得到inp垂直楔形结构斜坡斜率为0.00075时，不需要更改pr斜坡掩模的设计制备，只需要调整干法刻蚀时射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率为70w、500w，此时气体流量、腔体压力调整为16sccm、6mtorr，其对应的刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1.5:1，刻蚀结果如图9、图10所示，图10中的inp垂直楔形结构部分的扫描曲线13显示，最后刻蚀得到的inp垂直楔形结构长度1100μm，高度825nm，斜坡斜率0.00075，满足更改后的要求。
70.实施例2
71.参见图11，在实施例1的基础上，一种连接单模光纤19和侧入射的波导pin探测器20的具有磷化铟垂直楔形结构16的模斑转换器18，模斑转换器18与波导pin探测器20集成在同一磷化铟衬底14上。模斑转换器18由3μm宽、200nm厚的磷化铟脊波导15，880nm高、16μm宽、1100μm长的磷化铟垂直楔形结构16，厚5μm的铟镓砷磷稀释波导层17构成。
72.模斑转换器18的制备难点便在于磷化铟垂直楔形结构16的制备。可以先通过外延生长工艺得到铟镓砷磷稀释波导层17和稀释波导层上的一层磷化铟层，再在该外延结构顶部磷化铟层表面上光刻加刻蚀便能得到表面平行的磷化铟脊波导，这两种结构的加工制备都有着成熟的工艺。
73.然后使用实施例1中的制备方法制备磷化铟垂直楔形结构16，可以选择制备的斜坡掩模同样为长度为1100μm、斜率为0.0005的光刻胶斜坡掩模，此时磷化铟垂直楔形结构16制备流程中步骤(1)、步骤(2)的工艺参数与实施例1中步骤(1)、步骤(2)的例子中的工艺参数相同，磷化铟垂直楔形结构16制备流程中步骤(3)中icp刻蚀配方中射频功率(rf)功率、电感耦合等离子体(icp)功率调整到85w、00w，此时气体流量、腔体压力调整为18sccm、5mtorr，其对应的刻蚀选择比υ
inp
:υ
pr
为1.6:1，这样得到的磷化铟垂直楔形结构16的长度为1100μm、斜率为0.0008、高度为880nm。
74.并且，磷化铟垂直楔形结构16制备时，需要注意保护连接楔形结构末端的探测器部分所在区域，所以磷化铟垂直楔形结构16制备时，可以看做是制备图12中的结构，相当于实施例1中图8中的结构去掉第二保护平台12。楔形结构制备完成后，原本表面平行的磷化铟脊波导自然会变为磷化铟垂直楔形结构16上表面倾斜的磷化铟脊波导15。从而完成模斑转换器18的制备。
75.如图13所示，模斑转换器18可以将图13的a中单模光纤出射光的模式绝热地转换
为图13的b中模斑转换器所连接的探测器传输波导所支持的模式，完成对单模光纤出射光的模斑的缩小，同时实现传输光光场的上行，使得传输光进入探测器波导。模斑转换器中的inp垂直楔形结构在这其中起到主要作用。
76.通过模斑转换器，当传输光在1550nm工作波长下，单模光纤与pin探测器传输波导端面耦合效率达到86％(模斑转换器对准单模光纤的端面前添加tio2\sio2减反膜情形)，模斑转换效率最高可达约90.3％；当传输光在1310nm工作波长下，单模光纤与pin探测器传输波导端面可达83％(模斑转换器对准单模光纤的端面前添加tio2\sio2减反膜情形)，模斑转换效率最高可达约92.4％。
77.本领域的技术人员容易理解，以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。