一种半导体激光器窄脊条结构的制作方法与流程

本发明涉及半导体激光器制造技术领域，具体涉及一种半导体激光器窄脊条结构的制作方法。

背景技术：

半导体激光器具有体积小、重量轻、省电等优点，在激光打印和印刷、光学测量、机器人与自动控制、美容、医疗及光通信等领域有广泛的应用。

为实现单横模光斑的稳定输出，小于4μm甚至更窄(小于2μm)且侧壁垂直的脊条结构是至关重要的。因湿法腐蚀各向同性的特点无法实现垂直的窄脊条结构，满足不了单模光斑输出的激光器要求。icp(电感耦合等离子体)刻蚀具有各向异性的特点，可制作出侧壁垂直的脊条结构。同时，为了提高发光区注入电流密度及避免电流向非发光区横向扩展，通常在脊条表面制作出电流注入窗口；电流注入窗口的常规制作方法是生长一层sio2,然后旋涂一层光刻胶，曝光显影后使用含氢氟酸的腐蚀液去除窗口内的sio2。这种方法对于宽脊条结构来说比较容易实现，但对于窄脊条结构(尤其小于2μm)，受限于光刻机精度，基本不可能实现。因此，选择一种合适的方法，既能得到垂直的窄脊条结构，同时在窄脊条上稳定重复的制备出电流注入窗口显得尤为重要。

中国专利cn106785911a讲述了一种窄脊半导体器件的制备方法，以sio2做掩膜，一次甩正胶并光刻脊条窗口，icp刻蚀得到4μm宽的脊条结构，然后二次甩负胶并光刻，在4μm脊条上形成2μm宽的窗口的同时保护脊条侧壁及下表面，最后使用腐蚀液去除窗口内的sio2掩膜，得到窄脊结构。该专利重点讲述了使用二次负胶保护脊条外延层免受后续sio2腐蚀液的侵蚀，并未提及如何在脊条上制作电流注入窗口的方法；同时该专利制作的脊条宽度为4μm，对于更窄的脊条(如2μm)，受限于光刻机精度，使用该专利方法很难实现在窄脊条上制作电流注入窗口的目的。

技术实现要素：

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种可以制作宽度小于2μm的垂直窄脊条，并实现窄脊条上电流注入窗口的半导体激光器窄脊条结构的制作方法。本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种半导体激光器窄脊条结构的制作方法，包括：

a)在衬底上进行外延生长半导体外延结构形成半导体激光器外延片；

b)在半导体外延结构上旋涂第一光刻胶层，在第一光刻胶层上光刻形成周期性的第一窗口，对第一窗口部位显影后进行坚膜和烘烤，形成可剥胶层；

c)在半导体外延结构及可剥胶层上覆盖生长硬质掩膜层；

d)在硬质掩膜层上旋涂第二光刻胶层，利用光刻版在硬质掩膜层上光刻得到与所需脊条尺寸相适应的光刻胶掩膜图形，硬质掩膜层上方两侧形成肩上光刻胶层，硬质掩膜层上方中间部位形成脊上光刻胶层，脊上光刻胶层与两侧的肩上光刻胶层之间形成刻蚀槽，对肩上光刻胶层和脊上光刻胶层进行坚膜和烘烤；

e)以肩上光刻胶层和脊上光刻胶层作为掩膜，通过icp干法刻蚀沿刻蚀槽向下刻蚀硬质掩膜层，刻蚀深度直至半导体外延结构的上表面，位于脊上光刻胶层下端的硬质掩膜层刻蚀形成可剥胶保护层；

f)利用icp干法刻蚀去除刻蚀槽中位于可剥胶保护层两侧的可剥胶层，利用icp刻蚀去除肩上光刻胶层和脊上光刻胶层；

g)以可剥胶保护层及其两侧的硬质掩膜层作为掩膜，使用icp干法刻蚀沿刻蚀槽向下刻蚀半导体外延结构，刻蚀深度直至半导体外延结构中的p-波导层的上表面，可剥胶层下方的半导体外延结构刻蚀形成脊条；

h)利用可剥胶保护层及其两侧的硬质掩膜层的掩蔽，利用icp产生的等离子体使可剥胶层两个侧壁与氧等离子体反应，可剥胶层宽度变窄；

i)使用腐蚀液去除可剥胶保护层及其两侧的硬质掩膜层，将裸露的可剥胶层进行坚膜和烘烤；

j)在半导体外延结构及可剥胶层表面生长电流阻挡层；

k)剥离脊条上的可剥胶层，在电流阻挡层上形成电流注入窗口。

优选的，步骤c)中的硬质掩膜层由sio2或sinx材料制成，其厚度为2000-4000埃，优选的，步骤j)中电流阻挡层由sio2或sinx材料制成，其厚度为800-2000埃。

优选的，步骤b)中第一光刻胶层选用负性光刻胶，其厚度为0.8-2μm。

优选的，步骤d)中第二光刻胶层选用正性光刻胶，其厚度为1.5-3μm。

优选的，步骤e)中icp刻蚀时的刻蚀气体为cf4或sf6。

优选的，步骤f)及步骤h)中的刻蚀气体为o2。

优选的，步骤g)中的icp刻蚀时的气体为cl2、bcl3、ccl4、ar、n2、h2中的一种或多种。

优选的，步骤i)中的腐蚀液为含hf酸的溶液。

优选的，步骤c)中的硬质掩膜层及步骤j)中电流阻挡层使用pvd或pecvd设备生长，生长温度为50-100℃。

优选的，可剥胶层的宽度小于可剥胶保护层与两个刻蚀槽的宽度之和。

本发明的有益效果是：通过使用第二光刻胶层和硬质掩膜层作为刻蚀掩膜利用icp干法刻蚀技术，制备出宽度小于2μm的垂直窄脊条。利用硬质掩膜层在上，第一光刻胶层在下的掩膜结构在保证足够刻蚀选择比的同时保护光刻胶免受离子轰击，维持光刻胶强度，为制作电流注入窗口提供可能。利用icp产生的等离子体使可剥胶层两个侧壁与氧等离子体反应，可剥胶层宽度变窄，实现了在窄脊条上做出更窄的电流注入窗口的目的。由于步骤e)、步骤f)和步骤g)均采用干法刻蚀完成，制作过程均在icp刻蚀腔体内进行，只需更换刻蚀气体，无需开腔取片做其他处理，保证了制作过程的连续性，提高了生产效率，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的旋涂第一光刻胶层后的结构示意图；

图2为本发明的形成可剥胶层后的结构示意图；

图3为本发明的形成硬质掩膜层后的结构示意图；

图4为本发明的旋涂第二光刻胶层后的结构示意图；

图5为本发明的形成刻蚀槽后的结构示意图；

图6为本发明的形成可剥胶保护层后的结构示意图；

图7为本发明的去除肩上光刻胶层和脊上光刻胶层后的结构示意图；

图8为本发明的刻蚀形成脊条后的结构示意图；

图9为本发明的可剥胶层宽度变窄后的结构示意图；

图10为本发明的生长电流阻挡层后的结构示意图；

图11为本发明的形成电流注入窗口后的结构示意图；

图中，1.衬底2.半导体外延结构3.第一光刻胶层301.可剥胶层4.sio2硬质掩膜层401.可剥胶保护层5.第二光刻胶层501.肩上光刻胶层502.脊上光刻胶层6.p-波导层7.脊条8.sio2电流阻挡层9.电流注入窗口。

具体实施方式

下面结合附图1至附图11对本发明做进一步说明。

一种半导体激光器窄脊条结构的制作方法，包括：

a)如附图1所示，在衬底1上进行外延生长半导体外延结构2形成半导体激光器外延片；

b)如附图2所示，在半导体外延结构2上旋涂第一光刻胶层3，在第一光刻胶层3上光刻形成周期性的第一窗口，对第一窗口部位显影后进行坚膜和烘烤，形成可剥胶层301；

c)如附图3所示，在半导体外延结构2及可剥胶层301上覆盖生长硬质掩膜层4；

d)如附图4和附图5所示，在硬质掩膜层4上旋涂第二光刻胶层5，利用光刻版在硬质掩膜层4上光刻得到与所需脊条尺寸相适应的光刻胶掩膜图形，硬质掩膜层4上方两侧形成肩上光刻胶层501，硬质掩膜层4上方中间部位形成脊上光刻胶层502，脊上光刻胶层502与两侧的肩上光刻胶层501之间形成刻蚀槽，对肩上光刻胶层501和脊上光刻胶层502进行坚膜和烘烤；

e)如附图6所示，以肩上光刻胶层501和脊上光刻胶层502作为掩膜，通过icp干法刻蚀沿刻蚀槽向下刻蚀硬质掩膜层4，刻蚀深度直至半导体外延结构2的上表面，位于脊上光刻胶层502下端的硬质掩膜层4刻蚀形成可剥胶保护层401；

f)如附图7所示，利用icp干法刻蚀去除刻蚀槽中位于可剥胶保护层401两侧的可剥胶层301，利用icp刻蚀去除肩上光刻胶层501和脊上光刻胶层502；

g)如附图8所示，以可剥胶保护层401及其两侧的硬质掩膜层4作为掩膜，使用icp干法刻蚀沿刻蚀槽向下刻蚀半导体外延结构2，刻蚀深度直至半导体外延结构2中的p-波导层6的上表面，可剥胶层301下方的半导体外延结构2刻蚀形成脊条7；

h)如附图9所示，利用可剥胶保护层401及其两侧的硬质掩膜层4的掩蔽，利用icp产生的等离子体使可剥胶层301两个侧壁与氧等离子体反应，可剥胶层301宽度变窄；

i)使用腐蚀液去除可剥胶保护层401及其两侧的硬质掩膜层4，将裸露的可剥胶层301进行坚膜和烘烤；

j)如附图10所示，在半导体外延结构2及可剥胶层301表面生长电流阻挡层8；

k)如附图11所示，剥离脊条7上的可剥胶层301，在电流阻挡层8上形成电流注入窗口9。

通过使用第二光刻胶层5和硬质掩膜层4作为刻蚀掩膜利用icp干法刻蚀技术，制备出宽度小于2μm的垂直窄脊条。利用硬质掩膜层4在上，第一光刻胶层在下的掩膜结构在保证足够刻蚀选择比的同时保护光刻胶免受离子轰击，维持光刻胶强度，为制作电流注入窗口提供可能。利用icp产生的等离子体使可剥胶层301两个侧壁与氧等离子体反应，可剥胶层301宽度变窄，实现了在窄脊条上做出更窄的电流注入窗口的目的。由于步骤e)、步骤f)和步骤g)均采用干法刻蚀完成，制作过程均在icp刻蚀腔体内进行，只需更换刻蚀气体，无需开腔取片做其他处理，保证了制作过程的连续性，提高了生产效率，降低了成本。

实施例1：

步骤c)中的硬质掩膜层4由sio2或sinx材料制成，其厚度为2000-4000埃，

步骤j)中电流阻挡层8由sio2或sinx材料制成，其厚度为800-2000埃。

实施例2：

步骤b)中第一光刻胶层(3)选用负性光刻胶，其厚度为0.8-2μm。

实施例3：

步骤d)中第二光刻胶层(5)选用正性光刻胶，其厚度为1.5-3μm。

实施例4：

步骤e)中icp刻蚀时的刻蚀气体为cf4或sf6。

实施例5：

步骤f)及步骤h)中的刻蚀气体为o2。

实施例6：

步骤g)中的icp刻蚀时的气体为cl2、bcl3、ccl4、ar、n2、h2中的一种或多种。

实施例7：

步骤i)中的腐蚀液为含hf酸的溶液。

实施:8：

步骤c)中的硬质掩膜层(4)及步骤j)中电流阻挡层(8)使用pvd或pecvd设备生长，生长温度为50-100℃。

实施例9：

可剥胶层(301)的宽度小于可剥胶保护层(401)与两个刻蚀槽的宽度之和。