GaAs基VCSEL干法刻蝕技術(shù)研究

GaAs基VCSEL已廣泛應(yīng)用于三維成像、無(wú)人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通訊等領(lǐng)域，同時(shí)在光電對(duì)抗、激光雷達(dá)、航空航天等高精尖領(lǐng)域也發(fā)揮著巨大的作用和潛能。GaAs基VCSEL的刻蝕技術(shù)是制備過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?？涛g時(shí)掩膜的質(zhì)量、刻蝕GaAs后的表面質(zhì)量、VCSEL的臺(tái)面和側(cè)壁形貌都會(huì)直接影響器件性能。在刻蝕過(guò)程中，掩膜的好壞直接影響刻蝕的效果。

VCSEL側(cè)壁如果過(guò)于粗糙，就會(huì)影響載流子的復(fù)合效率，也會(huì)使光發(fā)生散射效應(yīng)。VCSEL表面和側(cè)壁不光滑、有殘留時(shí)會(huì)增大其電阻值或擊穿電流。如果GaAs/AIGaAs的刻蝕速率未能達(dá)到1:1，那么臺(tái)面的側(cè)壁會(huì)出現(xiàn)橫向鉆蝕的鏤空現(xiàn)象，不利于實(shí)現(xiàn)均勻電場(chǎng)和高效的器件隔離。

目前VCSEL刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。為實(shí)現(xiàn)良好的形貌控制，GaAs基VCSEL的刻蝕通常采用干法刻蝕技術(shù)。干法刻燭具有精度高、可控性好、易于批量生產(chǎn)以及工藝清潔度高等優(yōu)勢(shì)。因此，深入研究高精度的刻蝕技術(shù)，尤其是高精度的干法刻蝕技術(shù)，對(duì)制備高性能VCSEL具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“GaAs基VCSEL干法刻蝕技術(shù)研究綜述”為主題的文章。該文章第一作者為范昊軒，主要從事半導(dǎo)體激光器件的研究工作；通訊作者為郝永芹研究員，主要從事半導(dǎo)體光電子材料與器件方面的研究工作。本文綜述了GaAs基VCSEL干法刻蝕技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀。

刻蝕中改善掩膜質(zhì)量的研究現(xiàn)狀

目前，VCSEL刻蝕過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要有以下幾個(gè)方面：控制臺(tái)面的尺寸、刻蝕時(shí)掩膜的質(zhì)量、刻蝕GaAs后的表面質(zhì)量、VCSEL臺(tái)面和側(cè)壁形貌。

刻蝕VCSEL之前要進(jìn)行光刻。常用的掩膜有光刻膠軟掩膜，二氧化硅、氮化硅和金屬硬掩膜。光刻膠掩膜通過(guò)前烘和堅(jiān)膜之后形狀會(huì)改變。由于在刻蝕氣體氛圍中光刻膠的抗蝕性不能保證穩(wěn)定的狀態(tài)，在刻蝕過(guò)程中高濃度的離子會(huì)使光刻膠掩膜變性或者碳化。另外，光刻膠掩膜的形狀在刻蝕過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)移給下方的晶圓片，所以控制好掩膜的質(zhì)量對(duì)刻蝕過(guò)程很重要。

為了使光刻膠掩膜具有更好的形貌，研究人員通過(guò)對(duì)光刻膠厚度的分析，研究了不同厚度下光刻膠掩膜在烘烤后的變化規(guī)律。2012年，孫麗媛等人針對(duì)光刻膠掩膜對(duì)刻蝕GaAs材料側(cè)壁的問(wèn)題，采用控制變量法研究了厚度不同的光刻膠財(cái)GaAs材料側(cè)壁傾角產(chǎn)生的影響。他們用臺(tái)階儀測(cè)量旋涂不同厚度光刻膠烘烤之后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)光刻膠的厚度越大，高溫烘烤后光刻膠變性越嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1

通過(guò)優(yōu)化光刻膠掩膜回流方法，研究人員改善了光刻膠掩膜在回流后的形貌。2014年，Porkolab G A等人針對(duì)光刻膠掩膜回流時(shí)出現(xiàn)的坍塌變性問(wèn)題，采用等離子體輔助回流方法改善了傳統(tǒng)加熱回流法的坍塌現(xiàn)象，如圖2中的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像所示。

圖2

2015年，焦慶斌等人發(fā)現(xiàn)了光柵頂部的光刻膠掩膜“頂角平臺(tái)”現(xiàn)象（出現(xiàn)光刻膠掩模占寬比過(guò)大的情況）。針對(duì)這一問(wèn)題，他們采用了改變光刻過(guò)程中的曝光時(shí)間和提高倒置熱熔溫度的方法。結(jié)果表明，通過(guò)增加曝光時(shí)間和提高倒置熱熔溫度，可明顯減小占寬比以及光刻膠掩模線條寬度。

2016年，喬輝等人針對(duì)在電感耦合等離子體（ICP）干法刻蝕后光刻膠掩膜出現(xiàn)凸起和孔洞的異?，F(xiàn)象，采用探針式表面輪廓儀和激光共聚焦顯微鏡對(duì)其進(jìn)行了分析。他們認(rèn)為，刻蝕時(shí)等離子體中的紫外線對(duì)掩膜的光刻膠進(jìn)行曝光作用而釋放出一定雖的氮?dú)?，在光刻膠內(nèi)外形成了壓強(qiáng)差，使光刻膠局部表面微凸起。當(dāng)光刻膠的強(qiáng)度無(wú)法阻止內(nèi)部氮?dú)馀蛎洉r(shí)，則會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的孔洞狀缺陷，導(dǎo)致掩膜保護(hù)作用失效。

隨著刻蝕技術(shù)的發(fā)展，工藝精度不斷提高。2016年，艾駿等人針對(duì)光刻膠掩膜的光刻線條精度問(wèn)題展開(kāi)研究。他們分析了光刻時(shí)曝光時(shí)間長(zhǎng)短（見(jiàn)圖3（a））、顯影時(shí)顯影液的濃度（見(jiàn)圖3（b））以及顯影時(shí)顯影的時(shí)間（見(jiàn)圖3（c））對(duì)光刻膠掩膜的光刻線條精度的影響，探究了各種不良形貌出現(xiàn)的原因，為今后光刻技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用和發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

圖3

2018年，Vigneron P B等人發(fā)現(xiàn)刻蝕GaAs時(shí)光刻膠掩膜出現(xiàn)了“微掩蔽”現(xiàn)象。光刻膠掩膜的四角出現(xiàn)坍塌和波紋，如圖4（a）所示。在刻蝕過(guò)程中會(huì)將這些波紋轉(zhuǎn)移到下方的基片上，造成粗糙的側(cè)壁，引起散射損傷。他們?cè)贐Cl?/Cl?/Ar刻蝕氣體組合中加入極少量N?后，微掩蔽現(xiàn)象消失，如圖4（b）所示。

圖4

2018年，杜立群等人針對(duì)較厚的光刻膠掩膜在曝光過(guò)程中膠膜內(nèi)部曝光劑量分布不均勻使得光刻膠掩膜厚度過(guò)大的情況，嘗試采用分次曝光顯影法改善無(wú)法控制光刻圖形精度的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)預(yù)曝光的分次曝光顯影法調(diào)整光刻膠掩膜的厚度，對(duì)光刻膠掩模的均勻性以及光刻膠掩模內(nèi)部的曝光劑量進(jìn)行調(diào)節(jié)（原理見(jiàn)圖5）。

圖5 分次曝光顯影法的原理圖

分次曝光顯影法的原理如下：首先去掉光刻膠頂部的掩膜，使光刻膠掩膜內(nèi)部充分曝光；光刻膠掩膜頂部的線寬變小，底部掩膜的線寬變大，二者之間的差值變小。這方法可以顯著改善光刻圖形的尺寸精度，對(duì)厚膠的曝光起到了優(yōu)化的作用（見(jiàn)圖6）。

圖6 射頻同軸傳輸截面的SEM圖

刻蝕GaAs的研究現(xiàn)狀

在刻蝕GaAs方面，2000年Lee J W等人針對(duì)GaAs側(cè)壁存在的鉆刻現(xiàn)象，引用BCl?/SF?/N?/He氣體刻蝕GaAs結(jié)構(gòu)，并通過(guò)添加N?來(lái)增強(qiáng)刻蝕過(guò)程中的側(cè)壁鈍化功能。結(jié)果表明，刻蝕輪廓形貌得到了明顯的改善，增強(qiáng)了各向異性刻蝕（見(jiàn)圖7）。

圖7

2010年，Volatier M等人針對(duì)刻蝕GaAs側(cè)壁出現(xiàn)的橫向刻蝕現(xiàn)象，在Cl?/BCl?/Ar中添加N?以增加側(cè)壁鈍化保護(hù)。首先，添加N?后增加的鈍化層可以減少過(guò)度的橫向蝕刻，從而產(chǎn)生各向異性剖面。其次，通過(guò)研究不同比例N?相關(guān)數(shù)據(jù)可知，加入10%~13%的N?時(shí)能夠獲得接近理想的各向異性結(jié)構(gòu)。一旦N?比例超過(guò)14%，GaAs的底部就會(huì)變得很粗糙。此研究改善了刻蝕GaAs側(cè)壁時(shí)出現(xiàn)橫向鉆蝕的情況，如圖8所示。

圖8

2010年，Lee J W等人針對(duì)GaAs在刻蝕后存在表面粗糙的問(wèn)題，研究了BCl?/N?和BCl?/Ar兩種組合的刻蝕機(jī)理。通過(guò)調(diào)節(jié)輔助氣體N?和Ar的比例來(lái)觀察表面質(zhì)量的好壞（見(jiàn)圖9）。研究發(fā)現(xiàn)，添加過(guò)量的輔助氣體會(huì)降低等離子體刻蝕的速率和選擇性，從而對(duì)等離子體刻蝕產(chǎn)生負(fù)面影響，最終出現(xiàn)表面粗糙的現(xiàn)象。

圖9

2015年，Liu K等人針對(duì)用Cl?/Ar刻蝕GaAs時(shí)表面粗糙的問(wèn)題，通過(guò)加入不同濃度的O?來(lái)加以對(duì)比。他們分析了Cl?/Ar/O?的刻蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)O?的加入使GaAs的刻蝕速率減小，但表面質(zhì)量變高，選擇比變大，改善了GaAs在Cl?/Ar刻蝕下表面粗糙的問(wèn)題（見(jiàn)圖10）。

圖10

2019年，Booker K等人針對(duì)刻蝕GaAs通孔時(shí)出現(xiàn)橫向刻蝕的問(wèn)題，將SiO?用作掩膜，并通過(guò)在Cl?/Ar組合中加入SiCl?，來(lái)完成刻蝕。這將促進(jìn)通孔側(cè)壁上的硅基聚合物持續(xù)形成，防止橫向蝕刻再次破壞側(cè)壁，如圖11所示。

圖11

2022年，楊晶晶等人針對(duì)刻蝕以SiO?為掩膜時(shí)GaAs外延片出現(xiàn)的長(zhǎng)草現(xiàn)象（見(jiàn)圖12（a）），分析了刻蝕的機(jī)理，找出了刻蝕的副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生“微掩膜”效應(yīng)，從而影響刻蝕的結(jié)果。通過(guò)調(diào)整射頻（RF）功率，增大了等離子體副產(chǎn)物粘附在基片的概率，減少了長(zhǎng)草現(xiàn)象的發(fā)生，如圖12（b）所示。

圖12

刻蝕中改善GaAs/AlGaAs選擇性刻蝕的研究現(xiàn)狀

在GaAs/AlGaAs的刻蝕方面，1995年Constantine C等人針對(duì)GaAs和AlGaAs刻蝕速率有明顯差異的問(wèn)題，采用1:10的BCl?/Ar氣體組合，發(fā)現(xiàn)BCl?可以去除鋁氧化物，并在反應(yīng)腔室內(nèi)吸收水蒸氣，防止AlGaAs的再次氧化，獲得了更均勻的非選擇性刻蝕。

2018年，Vigneron P B等人針對(duì)GaAs/AlAs異質(zhì)結(jié)刻蝕過(guò)程中出現(xiàn)的橫向鉆蝕問(wèn)題（見(jiàn)圖13），在BCl?/Cl?/Ar刻蝕氣體組合中加入N?誘導(dǎo)的鈍化層，可以防止橫向蝕刻，從而產(chǎn)生光滑且?guī)缀趵硐氲拇怪眰?cè)壁。針對(duì)金屬掩膜和光刻膠掩膜的微掩膜效應(yīng)，通過(guò)加入Ar氣帶走這些反應(yīng)副產(chǎn)物。為了解決損傷問(wèn)題，他們加入N?作為輔助氣體，結(jié)果是微掩膜效應(yīng)完全消失。等離子體中的N?濃度提高了刻蝕剖面的平滑性。接著增加BCl?，氣體以降低腐蝕速率，同時(shí)增加壓力以提高選擇性，得到了側(cè)壁垂直且光滑的形貌。

圖13 GaAs/AlAs側(cè)壁的SEM圖像

2019年，王宇等人針對(duì)GaAs/AlAs側(cè)壁的橫向鉆蝕問(wèn)題和VCSEL基腳不平坦問(wèn)題，采用SiO?硬掩膜并調(diào)整ICP源功率和RF功率兩個(gè)參數(shù)，在保證高刻蝕速率的條件下，得到了側(cè)壁角度為60°~70°且側(cè)壁光滑的形貌。調(diào)節(jié)腔室內(nèi)壓強(qiáng)的大小，減少了反應(yīng)的副產(chǎn)物，改善了臺(tái)面的平坦度，降低了基腳效應(yīng)（見(jiàn)圖14）。

圖14 優(yōu)化后的側(cè)壁和基腳

2020年，張秋波等人針對(duì)ICP刻蝕氧化限制型VCSEL時(shí)出現(xiàn)的選擇性刻蝕（鏤空）現(xiàn)象（見(jiàn)圖15），用SiO?掩膜刻蝕VCSEL，通過(guò)調(diào)整RF功率增強(qiáng)刻蝕中的物理效應(yīng)；通過(guò)調(diào)整BCl?，氣體的流量組分，使VCSEL的側(cè)壁鈍化效果增強(qiáng)；采用ICP刻蝕時(shí)增強(qiáng)了RF功率，使反應(yīng)腔室內(nèi)達(dá)到化學(xué)和物理效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡；增強(qiáng)的物理刻蝕轟擊掉鏤空的部分，如圖16所示。

圖15和圖16

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)VCSEL干法刻蝕關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述（主要包括刻蝕時(shí)掩膜的質(zhì)量、刻蝕GaAs后的表面質(zhì)量、VCSEL的表面和側(cè)壁形貌）。目前，國(guó)際上對(duì)VCSEL刻蝕技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，在制備掩膜、增強(qiáng)GaAs的各向異性刻蝕以及實(shí)現(xiàn)多層分布式布拉格反射器（DBR）的非選擇性刻蝕方面取得了重要進(jìn)展。但針對(duì)介質(zhì)掩膜的優(yōu)化和去殘膠工藝、刻蝕氣體與材料的作用機(jī)理及規(guī)律、刻蝕過(guò)程中出現(xiàn)的副產(chǎn)物問(wèn)題等研究較少。隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)CSEL的需求增大，對(duì)VCSEL刻蝕技術(shù)的精度也會(huì)提出更高的要求。

審核編輯：劉清