基于自对准技术的vcsel芯片柱面刻蚀方法及其应用
阅读说明：本技术 基于自对准技术的vcsel芯片柱面刻蚀方法及其应用 (VCSEL chip cylindrical surface etching method based on self-alignment technology and application thereof ) 是由 王光辉 王青 江蔼庭 吕朝晨 赵风春 钱旭 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于自对准技术的VCSEL芯片柱面刻蚀方法及其应用。该VCSEL芯片柱面刻蚀方法包括：在衬底上逐层形成N接触层、NDBR层、有源层、氧化层、PDBR层和P接触层,P接触层上形成有金属圆环；对金属圆环外缘外的区域进行刻蚀,以便在金属圆环下方刻蚀出柱形面并裸露出氧化层,其中,刻蚀利用金属圆环做硬掩膜层,并利用中心掩膜层遮挡金属圆环的中空位置,中心掩膜层的边缘位于金属圆环的外缘和内缘之间。该方法不仅工艺简单,便于实施,而且采用自对准工艺,掩膜层中心无需正对圆环中心,减小了对套刻精度的依赖,能够大大提高VCSEL芯片的质量和成品率,有效克服了光刻套刻精度问题带来的氧化孔偏移的风险。(The invention discloses a VCSEL chip cylindrical surface etching method based on a self-alignment technology and application thereof. The VCSEL chip cylindrical surface etching method comprises the following steps: forming an N contact layer, an NDBR layer, an active layer, an oxide layer, a PDBR layer and a P contact layer on a substrate layer by layer, wherein a metal ring is formed on the P contact layer; and etching the area outside the outer edge of the metal ring so as to etch a cylindrical surface below the metal ring and expose the oxide layer, wherein the metal ring is used as a hard mask layer in the etching process, the hollow position of the metal ring is shielded by using a central mask layer, and the edge of the central mask layer is positioned between the outer edge and the inner edge of the metal ring. The method has the advantages that the process is simple and convenient to implement, the self-alignment process is adopted, the center of the mask layer does not need to be over against the center of the circular ring, the dependence on the alignment precision is reduced, the quality and the yield of the VCSEL chip can be greatly improved, and the risk of oxide hole deviation caused by the problem of the photoetching alignment precision is effectively overcome.)
技术领域
本发明属于芯片领域，具体而言，涉及基于自对准技术的VCSEL芯片柱面刻蚀方法及其应用。
背景技术
目前VCSEL器件工艺在柱面刻蚀工序中需要用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀出圆形柱面。但由于光刻工艺过程存在一定的套刻精确度问题，会出现柱面光刻显影后圆形掩膜图形的中心位置偏离金属圆环中心的问题。进而导致后续的氧化工艺完成后氧化孔中心位置偏离金属圆环中心，造成金属圆环遮挡激射光束，引起激光功率下降，光斑形状畸变。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出基于自对准技术的VCSEL芯片柱面刻蚀方法及其应用。该VCSEL芯片柱面刻蚀方法不仅工艺简单，便于实施，而且采用自对准工艺，掩膜层中心无需正对圆环中心，减小了对套刻精度的依赖，能够大大提高VCSEL芯片的质量和成品率，有效克服了光刻套刻精度问题带来的氧化孔偏移的风险。
根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种VCSEL芯片柱面刻蚀方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)在衬底上逐层形成N接触层、NDBR层、有源层、氧化层、PDBR层和P接触层，所述P接触层上形成有金属圆环；
(2)对所述金属圆环外缘外的区域进行刻蚀，以便在所述金属圆环下方刻蚀出柱形面并裸露出所述氧化层，
其中，所述刻蚀利用所述金属圆环做硬掩膜层，并利用中心掩膜层遮挡所述金属圆环的中空位置，所述中心掩膜层的边缘位于所述金属圆环的外缘和内缘之间。
本发明上述实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法至少具有以下优点：1、利用已存在的金属圆环做硬掩膜，再使用小于圆环外径的掩膜层遮挡住圆环中空位置作为中心部分的掩膜，其中，金属圆环中心部分的掩膜只需遮挡住圆环中空部分且不溢出圆环外径即可，而由于中间部分掩膜层的尺寸小于金属圆环外径，因此无需正对圆环中心，减小了对套刻精度的依赖，由此可以实现柱面刻蚀的自对准工艺，从而即便套刻出现左右偏移，也可保证后续氧化层非氧化区的中心对准出光窗口中心，避免被金属圆环遮挡；2、该方法不仅工艺简单，便于实施，还能够大大提高VCSEL芯片的质量和成品率。
另外，根据本发明上述实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述中心掩膜层为圆形，所述中心掩膜层的直径大于所述金属圆环的内径且小于所述金属圆环的外径。
在本发明的一些实施例中，所述中心掩膜层为光刻胶层。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，在所述金属圆环的中空位置和所述金属圆环外缘外的所述PDBR层上分别覆盖光刻胶层，以便在所述金属圆环下方刻蚀出柱形面。
在本发明的一些实施例中，所述刻蚀延伸至所述有源层。
在本发明的一些实施例中，所述衬底为GaAs衬底，所述有源层为MQW量子阱有源层。
根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备VCSEL芯片的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法。相对于现有技术，该方法不仅工艺简单，而且最终制得的VCSEL芯片中氧化层非氧化区的中心始终正对出光窗口中心，VCSEL芯片激光功率稳定。
在本发明的一些实施例中，制备VCSEL芯片的方法进一步包括：对所述柱形面裸露出的氧化层进行氧化，以便使所述氧化层自外向内氧化，并在所述金属圆环下方形成一部分非氧化区；和/或，去除除所述金属圆环外的掩膜层。
根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种VCSEL芯片。根据本发明的实施例，该VCSEL芯片采用上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法或采用上述制备VCSEL芯片的方法制得。相对于现有技术，该VCSEL芯片的激光功率更稳定。
根据本发明的第四个方面，本发明提出了一种电子器件。根据本发明的实施例，该电子器件包括上述VCSEL芯片。相对于现有技术，该电子器件的稳定性更好，可靠性更高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法流程图。
图2是根据本发明一个实施例的采用常规工艺正常完成全结构外延片柱面刻蚀并氧化后的截面示意图。
图3是根据本发明一个实施例的采用常规工艺曝光套刻异常完成全结构外延片柱面刻蚀并氧化后的截面示意图。
图4是根据本发明一个实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法完成全结构外延片柱面刻蚀并氧化后的截面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种VCSEL芯片柱面刻蚀方法。根据本发明的实施例，该方法采用本自对准工艺，有效克服了光刻套刻精度问题带来的氧化孔偏移的风险。下面参考图1～4对本发明实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法进行详细描述。
(1)在衬底上逐层形成N接触层、NDBR层、有源层、氧化层、PDBR层和P接触层，P接触层上形成有金属圆环
根据本发明的实施例，N接触层、NDBR层、有源层、氧化层、PDBR层和P接触层按照层状结构依次生长在GaAs衬底上，其中，衬底可以为GaAs衬底，有源层可以为MQW量子阱有源层。其中，结合图4所示的VCSEL芯片完成全结构外延片柱面刻蚀并氧化后的截面示意图理解，1为衬底；2为N接触层，作用是形成N型欧姆接触；3为NDBR，作用是形成反射镜；4为有源区，作用是作为发光区；5为氧化层，作用是限制电流和光；6为PDBR，作用是形成反射镜；7为P接触层，作用是形成P型欧姆接触；9为氧化层氧化后形成的孔径(即非氧化区)，作用是形成光场和电流的限制；10为金属圆环；11为激光出射窗区域。其中，8和81为显影后光刻胶，作用是形成软掩膜，刻蚀后残留的光刻胶会被清洗去除，为方便工艺示意，故保留。需要说明的是，本发明中N接触层、NDBR层、有源层、氧化层、PDBR层和P接触层的生长工艺并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以采用常规工艺完成，并且，衬底和各外延层的材质也不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
(2)对金属圆环外缘外的区域进行刻蚀，以便在金属圆环下方刻蚀出柱形面并裸露出氧化层，其中，刻蚀利用金属圆环做硬掩膜层，并利用中心掩膜层遮挡金属圆环的中空位置，中心掩膜层的边缘位于金属圆环的外缘和内缘之间
根据本发明的实施例，本发明采用的刻蚀工艺相对现有技术相当于缩减了掩膜图形中圆形图案的直径。参考图4所示，刻蚀后，台柱直径与金属圆环的外径是相同的。
其中，结合图2采用常规工艺正常完成全结构外延片柱面刻蚀并氧化后的截面示意图理解，如果曝光套刻异常会出现图3所示的情况：光刻胶掩膜位置由于套刻精度导致偏移，刻蚀出的柱面中心位置与金属圆环位中心位置发生偏移，进而氧化后氧化孔中心偏离出光窗口中心，出射激光被金属圆环遮挡。针对该技术问题，本申请的发明人发现，可以通过缩减金属圆环上覆盖的掩膜图形中圆形掩膜的直径(参考图4中81)来解决，此部分掩膜只需遮挡住圆环中空部分且不溢出圆环外径即可，该方法利用已存在的金属圆环做硬掩膜，即可实现自对准的柱面刻蚀，由此即便套刻出现左右偏移，也都可保证氧化孔中心对准出光窗口中心，避免被金属圆环遮挡。如图4所示：采用本发明的自对准改进工艺，即使光刻胶出现轻微右偏，但氧化后孔中心仍然对准出光窗口中心。
根据本发明的一个具体实施例，参考图4理解，本发明中用于遮挡金属圆环10的中空位置的中心掩膜层81的形状并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只需要控制中心掩膜层81的边缘位于金属圆环10的内缘和外缘之间即可，例如，中心掩膜层81可以为圆形，中心掩膜层81的直径可以大于金属圆环的内径且小于金属圆环的外径，由此利用中心掩膜层81作为软掩膜并结合金属圆环作为硬掩膜即可实现自对准工艺。
根据本发明的再一个具体实施例，中心掩膜层可以优选为光刻胶层，由此可以结合光刻技术实现对衬底外延的刻蚀，以便在金属圆环下方刻蚀出柱形面并裸露出氧化层。其中，进行刻蚀时，刻蚀深度可以延伸至有源层但不穿透有源层，由此可以使柱形面上的氧化层充分裸露出来，以便于进行后续的氧化处理，使金属圆环下方的氧化层外部被氧化，并在中部保留未氧化区域(如图4中9所示)。
根据本发明的又一个具体实施例，参考图4所示，在进行步骤(2)中的刻蚀工艺时，可以在金属圆环10的中空位置和金属圆环外缘外的PDBR层7上分别覆盖光刻胶层，以便在金属圆环下方刻蚀出柱形面。
综上所述，本发明上述实施例的VCSEL芯片柱面刻蚀方法至少具有以下优点：1、利用已存在的金属圆环做硬掩膜，再使用小于圆环外径的掩膜层遮挡住圆环中空位置作为中心部分的掩膜，其中，金属圆环中心部分的掩膜只需遮挡住圆环中空部分且不溢出圆环外径即可，而由于中间部分掩膜层的尺寸小于金属圆环外径，因此无需正对圆环中心，减小了对套刻精度的依赖，由此可以实现柱面刻蚀的自对准工艺，从而即便套刻出现左右偏移，也可保证后续氧化层非氧化区的中心对准出光窗口中心，避免被金属圆环遮挡；2、该方法不仅工艺简单，便于实施，还能够大大提高VCSEL芯片的质量和成品率。
根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备VCSEL芯片的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法。相对于现有技术，该方法不仅工艺简单，而且最终制得的VCSEL芯片中氧化层非氧化区的中心始终正对出光窗口中心，VCSEL芯片激光功率稳定。其中，制备VCSEL芯片的方法可以进一步包括：对柱形面裸露出的氧化层进行氧化，以便使氧化层自外向内氧化，并在金属圆环下方形成一部分非氧化区；和/或，去除除金属圆环外的掩膜层。需要说明的是，针对上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法所描述的特征及效果同样适用于该制备VCSEL芯片的方法，此处不再一一赘述。
根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种VCSEL芯片。根据本发明的实施例，该VCSEL芯片采用上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法或采用上述制备VCSEL芯片的方法制得。相对于现有技术，该VCSEL芯片的激光功率更稳定。需要说明的是，针对上述VCSEL芯片柱面刻蚀方法和制备VCSEL芯片的方法所描述的特征及效果同样适用于该VCSEL芯片，此处不再一一赘述。
根据本发明的第四个方面，本发明提出了一种电子器件。根据本发明的实施例，该电子器件包括上述VCSEL芯片。相对于现有技术，该电子器件的稳定性更好，可靠性更高。需要说明的是，本发明中电子器件的种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。另外，需要说明的是，针对上述VCSEL芯片所描述的特征及效果同样适用于该电子器件，此处不再一一赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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