蝕刻基礎

在半導體中，蝕刻是一種需要將某種材料自晶圓上去除時所利用的製程。通 常利用腐蝕性物質移除部分薄膜材料，已達到產生所需圖案或全區蝕刻的技術。

討論之前，首先我們必頇先定義以下名詞。

(1)蝕刻速率(Etch Rate)是指蝕刻製程中物質被移除的速率:

蝕刻速率= 蝕刻深度 蝕刻時間

(2)選擇比(selectivity)是指不同材料蝕刻時所造成不同蝕刻速率 的比率:

選擇比=材料A 蝕刻速率 材料B 蝕刻速率

(3)蝕刻輪廓(Profile):蝕刻輪廓將影響之後的蝕刻狀況。以此碩論 為例，利用光阻與 Si³N⁴蝕刻 GaAs，若光阻與 Si³N⁴蝕刻輪廓有過 蝕刻及不平整，GaAs 就無法有最佳的蝕刻 DBR 鏡面。

蝕刻方式主要可將其分為化學蝕刻、物理蝕刻以及反應式離子蝕刻兩種，

這三種方式的機制並不相同，各有優劣，以下分別介紹之:

(1)化學蝕刻:

化學蝕刻又被稱為濕蝕刻，技術也較早被開發，主要依靠薄膜與特定溶 液間的化學反應，針對未被光阻覆蓋處進行薄膜去除。其優點為製程單 純，產能速度較快，並具有優秀的蝕刻選擇比，因此常用於剝除製程上，

如剝除光阻或氧化層。然而因為化學反應的發生並無方向性，故化學蝕 刻為等向性蝕刻輪廓(Isotropic Etch Profile)。因此當圖形尺寸較小 (通常約為 3 微米以下)時，會造成底切(Undercutting)，影響其輪廓，

25

也限制了化學蝕刻的應用。

(2)物理蝕刻:

物理蝕刻屬於乾式蝕刻，是一種純物理的轟擊式蝕刻。以氬轟擊為例，

材料受到氬離子轟擊之後從表面脫離，這種強迫式蝕刻通常蝕刻速率 非常的慢，選擇性也較低，但由於具有菲等向性蝕刻輪廓(Anisotropic Etch Profile)的特性，因此還是可以蝕刻出較垂直的側壁。

(3)反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etch ,RIE):

反應式離子蝕刻亦屬於乾式蝕刻，是一種同時包含物理性與化學性蝕 刻優點的方法。對低壓狀態下的容器內氣體施以電壓，將氣體分子激 發或解離成電漿，接著電漿將與蝕刻氣體碰撞放電，進而得到具有大 量腐蝕性的活性自由基離子及帶正電荷離子。離子轟擊最大的好處是 能打斷表面化學鍵，使得被蝕刻物表面分子更容易與自由基離子進行 化學腐蝕反應。又因晶圓置於帶負電的陰極上，因此帶正電荷的離子 加速祥陰極方向前進時，會以垂直角度撞擊到表面，得到較佳的非等 向性蝕刻，甚至可以控制其角度。我們亦可藉由化學腐蝕反應得到較 高的選擇性與蝕刻速率。

蝕刻速率 選擇比 蝕刻輪廓

化學蝕刻 較高 較佳 等向性

物理蝕刻 較低 較差 非等向性

反應式離子蝕刻 高，可控制 尚可，可控制 非等向性，可控制

表 2-9-1 製程方式特性比較

26

第三章 實驗製程與量測設計

3.1 製程流程

本實驗一開始先定義雷射線寬，形成脊狀波導結構後，塗佈 polyimide，一 方面形成絕緣層，另一方面亦可平坦化表面，使之後蒸鍍的金屬不容易脫落。完 成絕緣體的塗佈後，定義金屬電極層，再沉積 Si3N4開始定義 DBR 區域，最後利 用 ICP RIE 做鏡面蝕刻，即可完成 DBR 雷射製程。

A.DBR雷射製程流程表

雷射線寬定義

懸塗絕緣層

金屬電極層定義

沉積 Hard mask(Si³N⁴)

DBR 定義

ICP RIE 鏡面蝕刻&

完成製程

表 3-1-1 DBR 雷射製程流程表

27

B.DBR雷射製程流程示意圖

(2)沉積 Si³N⁴ (1)清洗晶圓

(3)第一道微影製 程與乾式蝕刻 hard mask

(4)乾式蝕刻形成 脊狀波導結構 (mesa etching)

(5)polyimide 平 坦化

(6)etching back

28

(7) 第二道微影 製程、鍍 p-type 金屬、磨薄&鍍 n-type 金屬

(8) 沉積 Si³N⁴

(9) E-beam 定義 DBR 鏡面與乾式蝕 刻

(10)去除 Si³N⁴ 並劈裂鏡面

圖 3-1-1 DBR 雷射製程流程示意圖

29

3.2 DBR雷射製程

(1)清洗晶圓

在進行雷射製程之前必頇先清洗晶圓以去除汙染物。首先使晶圓浸泡於丙酮 (Acetone)溶液中輕輕搖晃數分鐘去除表面微小顆粒汙染物與有機汙染物，再以 去離子水(DI water)沖洗五分鐘。接下來使用𝐻𝐶𝑙: 𝐻₂𝑂 = 1: 3溶液浸泡 30 秒去 除晶圓表面原生氧化物，最後再以去離子水沖洗五分鐘後使用氮氣槍吹乾。

(2)沉積Si3N4

在此製程中，我們使用的是乾式蝕刻技術，由於Si³N⁴與GaAs在乾式蝕刻時可 達較高的選擇比，因此在定義雷射線寬之前必頇沉積Si3N4當作hard mask。在此 使用高溫沉積，沉積條件為300℃沉積20分鐘，沉積厚度為5000Å。

(3)第一道微影製程(photolithography)

在第一道微影製程中選用的光阻是 AZ6112 正光阻，將光阻滴滿晶圓表面後，

藉著晶圓旋轉的離心力將其均勻塗佈至晶圓表面。在轉速的方面，自旋轉速越高，

光阻層則越薄，而光阻的均勻性也就越好，故第一道微影所使用的轉速條件為第 一轉旋轉 10 秒 1000 轉/秒；第二轉 40 秒 5000 轉/秒，厚度約為 1.5μm。在塗 佈上光阻之後，由於晶圓邊緣會有光阻堆積現象，導致深紫外線(DUV)曝光機曝 光不均勻的繞射現象，因此需再以棉花棒去除邊緣光阻，以達平坦性。光阻佈塗 後，將晶圓放置在 90℃加熱平板上 90 秒，目的是為了去除光阻中的有機溶劑，

使光阻從原先的液態轉變為半固態狀方便 DUV 曝光。

接下來則進行 DUV 曝光，將光罩圖案轉移到晶圓表面光阻上，在光罩方面我 們設計了不同長寬的雷射。在曝光之後則將晶圓進行顯影，在此使用 AZ300 之顯 影液顯影時間約為 25~30 秒，在用去離子水進行定影並用氮氣槍吹乾。接下來將

30

晶圓置於臭氧清洗機(UV ozone)去除殘餘光阻。最後使用加熱平板 120℃/120 秒進行硬烤，以達晶圓去水分子及增加光阻強度。

(4)乾式蝕刻形成脊狀波導結構(mesa etching)

在此步驟中頇以 ICP 先蝕刻至 hard mask( Si3N4)；首先以第一道微影製程 所塗佈的正光阻 AZ6112 作為 mask 蝕刻 Si³N⁴，此時 ICP 使用條件如表所示。接 下來先以 ACE 去除作為 mask 之光阻，再進行 mesa etching 蝕刻掉 p+的 contact layer 與大部分的 p-cladding。

量子點雷射與量子井雷射蝕刻的深度並不相同，量子井雷射只能蝕刻至分開 侷限異質結構(separate confinement heterostructure ,SCH)之上約 100~200nm，

量子點雷射卻可以蝕刻過 SCH。原因是蝕刻至 SCH 會造成嚴重的主動層表面缺陷 非輻射復合，進而影響雷射的發光條件；而量子點雷射因量子點埋在量子井中，

因此較不容易被影響。

(5)polyimide 平坦化

因為乾式蝕刻所蝕刻的側面較為陡峭，蒸鍍金屬時不容易沾附而因此斷裂，

所以為了使之後的電極金屬平坦的貼附於晶圓之上，我們必頇上一層 polyimide 使晶圓表面平坦化。首先將晶圓放入 HCl:H²O=1:3 溶液浸泡 30 秒去除晶圓表面 原生氧化物後，使用 IPA 浸泡約 10 秒以去除表面水氣，再利用 120℃烤箱烘烤 數分鐘以確保表面乾燥。

利用光阻塗佈機將 polyimide 均勻塗佈在晶圓表面上，轉速為第一轉旋轉 10 秒 500 rpm；第二轉 40 秒 6000 rpm。塗佈均勻後，將晶圓放置在 90℃加熱平 板上 120 秒，使用 DUV 曝光來定義之後劈裂的溝槽，曝光之後再使用 Development 約 70 秒進行顯影並用 IPA 約 10 秒定影。確認完成微影步驟後放入快速熱退火 (RTA)機器中進行 polyimide 的修復(curing)，使得 polyimide 更加平坦，此時 polyimide 的厚度約 2.8~3.2µm。

31

完成修復後，我們必頇在利用乾式蝕刻的方式蝕刻至與脊狀波導結構略低 200nm~300nm 為止，此時必頇確保脊狀波導結構上完全無 polyimide 的殘留。最 後再以 BOE 將脊狀波導結構上的 Si3N4去除，即可達到 polyimide 與脊狀波導結 構平坦化的效果。

(6) 第二道微影製程(photolithography)

在微影製程前，我們先將晶圓上一層底漆層，這層薄膜層可以增進有機光阻 與 晶 圓 表 面 之 間 的 附 著 力 。 在 這 裡 所 使 用 的 底 漆 層 為 六 甲 基 二 戊 烷 (Hexamaethyldisilazane,HMDS,(CH3)3SiNHSi(CH3)3)。在第二道微影製程中所使 用的光阻為 AZ5214E，塗佈轉速為第一轉 10 秒 1000rpm；第二轉 40 秒 5000rpm。

接下來進行去除邊緣光阻以及軟烘烤，之後將晶圓與光罩作第一次的曝光，在此 使用深紫外線(DUV)曝光機曝光 2.9 秒。曝光完後進行反轉硬烤，將晶圓放置加 熱平板上烘烤 120℃/120 秒，烘烤完後接著進行第二次的反轉曝光，曝光時間為 13 秒。曝光之後則將晶圓進行顯影，在此使用 AZ300 之顯影液顯影時間約為 25~30 秒，接著用去離子水進行定影並用氮氣槍吹乾。最後將晶圓置於臭氧清洗機(UV ozone)去除殘餘光阻。

(7) 鍍 p type 電極金屬:

先利用𝐻𝐶𝑙: 𝐻₂𝑂 = 1: 3浸泡約 30 秒以去除GaAs表面氧化物，使用電子槍真 空蒸鍍系統(E-Gun)蒸鍍𝑇𝑖/𝑃𝑡/𝐴𝑢 = 30/30/200𝑛𝑚。在沈積完p type 電極之後，

將晶圓浸泡在丙酮溶液靜置一小時後做 Liftoff，在過程當中可用棉花棒輕刷晶 圓邊緣加速 Liftoff 速度，也較不會有金屬去除不乾淨的問題。Liftoff 之後將 晶圓以去離子水沖洗 5 分鐘後吹乾即完成此步驟。

(8) 晶圓背面磨薄:

此步驟的目的是為了方便共振腔的劈裂及降低半導體雷射之電阻值。首先

32

將晶圓浸泡至𝐻₂𝑂₂: 𝑁𝐻₃𝑂𝐻 = 3: 1之溶液，溶液中的⁡H₂O₂會氧化 GaAs，而NH₃OH 可去除 GaAs 氧化物，因此浸泡過程中同時以棉花棒輕刷晶圓背面可加速磨薄速 度，磨薄時間約 10~15 分鐘，晶圓磨薄約剩下約 300~250µm，完成之後同樣以去 離子水進行沖洗並用氮氣槍吹乾。

(9) 鍍 n type 電極金屬與快速熱退火 RTA:

蒸鍍前一樣先利用𝐻𝐶𝑙: 𝐻₂𝑂 = 1: 3浸泡約 30 秒以去除GaAs表面氧化物，接 著使用電子槍真空蒸鍍系統(E-Gun)蒸鍍𝑁𝑖/𝐺𝑒/𝐴𝑢 = 30/50/200𝑛𝑚，蒸鍍完後 將晶圓放置快速熱退火機器內快速加熱至 320℃。此加熱過程可使沉積在晶圓表 面之金屬，由於高速加熱過程中晶圓晶格的破壞，而滲透至晶圓內部，形成歐姆 接觸(Ohmic contact)降低電阻，以達蒸鍍電極的最佳效果。值得一提的是，溫 度過高會使 polyimide 蒸發導致金屬表面氣泡狀，因此選定在低於 curing 溫度 10℃的 320℃。

(10)沉積Si3N4

在定義DBR線寬之前，同樣必頇先沉積Si³N⁴作為乾式蝕刻的hard mask。

在此依舊使用高溫沉積，沉積條件為300℃12分鐘，沉積厚度約為3000Å。

(11)E-beam 定義 DBR 鏡面

在定義 DBR 光柵位置之前必頇先上一層專門與電子反應的光阻 PMMA-A5，塗 佈轉速為第一轉 10 秒 1000rpm；第二轉 25 秒 6100rpm，接著硬烤 180℃90 秒後，

利用電子束微影系統 ELS-7500EX 進行光阻的曝光，曝光完成後使用 MIBK 進行顯 影 70 秒，最後再利用 IPA 定影 30 秒即可將光柵圖案轉移至光阻上。

(12)乾式蝕刻 DBR 鏡面

在此步驟中頇以 ICP 先蝕刻 hard mask Si³N⁴；首先以定義好 DBR 鏡面的 PMMA

在此步驟中頇以 ICP 先蝕刻 hard mask Si³N⁴；首先以定義好 DBR 鏡面的 PMMA