COD 發生機制及改善方法介紹 3.1 雷射在高功率操作的限制
4.7 晶粒製程
圖 4-7 完成磊晶成長後的樣品#2 晶片的 SEM 圖
4.7 晶粒製程
4.7.1 硬式罩幕製程
為製作二氧化矽(silicon dioxide,SiOx)硬式罩幕，因此使用電漿增強型 化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)法來沉
積 SiOx絕緣膜。使用 PECVD 來沉積 SiOx絕緣膜有諸多好處[4.13]，因此 本實驗將採用 PECVD 沉積 SiOx並經由下列步驟循序進行：
(1) 丙酮 100°C/5 分鐘 (2) 異丙酮 100°C /5 分鐘 (3) H2O：HCl (10：1)/1 分鐘
(4) PECVD 沉積 SiOx膜 300°C/5000Å
4.7.2 黃光製程
為增加 SiOx膜與光阻之間附著力，使用 HMDS(hexamethyldisilazane) 塗佈來達成[4.14]。由於製程中偶爾會使用到 Lift-off 法，因此本論文實驗 採用影像反轉型光阻(image reversal photoresist)；AZ 5214 E 作為製程用光 阻[4.15]。顯影方式則採用傳統的沉浸法(immersion)達成[4.16]，其中顯影 劑是使用含 2%TMAH(tretramethyl-ammonium hydroxide)的 AZ 300
MIF[4.17]。曝光方式為接觸式，曝光源為 i-line 並由下列步驟循序進行：
(1) HMDS 塗佈 5000 rpm/30 秒鐘
(2) AZ 5214 E 光阻塗佈 5000 rpm/30 秒鐘/光阻厚度約 1.2μm (3) 軟烤 100°C /1 分鐘
(4) 定位及曝光 (開出 50μm 寬的圖案) (5) AZ 300 MIF 顯影 30 秒鐘
(6) 去離子水沖洗 (7) 氮氣吹乾
(8) 硬烤 110°C /1 分 30 秒鐘 (9) UV/O3 照射 50°C/10 分鐘
4.7.3 RIE 蝕刻及去除光阻製程
將晶片以活性離子蝕刻 (reactive ion etching,RIE)設備進行乾蝕刻製 程，於製程 時通以三氟甲烷(trifluoromethane,CHF3)作為為蝕刻 SiOx膜反應 氣體，因此並不與 GaAs 形成反應[4.2],[4.7]，並由下列步驟循序進行：
(1) RIE 蝕刻 SiOx膜 (蝕刻區域寬度 2.5μm/深度 5000Å) (2) 丙酮 100°C/泡 10 分鐘
(3) 使用加壓噴灑設備清除光阻 (4) 丙酮 100°C/10 分鐘
(5) 異丙酮 100°C/5 分鐘 (6) UV/O3照射 130 °C/30 分鐘 (7) 丙酮 100°C/泡 10 分鐘 (8) 異丙酮 100 °C/5 分鐘
4.7.4 ICP 蝕刻脊狀波導製程
為確保雷射脊狀波導為筆直輪廓，因此本實驗採用具等向性蝕刻 (anisotropic etching)的電感耦合式電漿 (inductively coupled plama,ICP)設 備進行乾蝕刻製程，在進行蝕刻的過程中晶片加溫到約 200℃並通以氯為 基礎(chlorine based)的 Cl2及四氯化矽(silicon tetrachloride,SiCl4)作為蝕刻 反應氣體[4.2],[4.18]。
樣品#1 晶片從 GaAs cap 層到 AlGaAs 披覆層(蝕刻深度約 1.3μm)，剩 下約 2000 Å 到 AlGaAs 活性層形成脊狀波導結構，而樣品#2 晶片則從 GaAs cap 層到 AlGaAs 披覆層(蝕刻深度約 2.4μm)，剩下約 2000 Å 到 AlGaAs 活性層[4.19]。
4.7.5 去除硬式罩幕製程
以緩衝二氧化矽蝕刻(buffer oxide etching,BOE)液蝕刻 SiOx膜[4.14]，
約 1 分 10 秒鐘可將脊狀波導上的 SiOx完全蝕刻乾淨。
4.7.6 自行對準蝕刻製程
將晶片以 RIE 設備進行乾蝕刻製程，於製程中通以四氟化炭(carbon tetrafluoride,CF4)作為蝕刻 SiNx膜的反應氣體，另外通以 O2作為為蝕刻光 阻的反應氣體並由下列步驟循序進行：
(1) PECVD 沉積 SiNx膜 300°C/1000Å
(2) AZ 5214 E 光阻塗佈 4000 rpm/30 秒鐘/光阻厚度約 1μm
(3) 軟烤 110°C/3 分鐘 (4) 定位及曝光
(5) PECVD 沉積 SiNx膜 100°C/1000Å
(6) AZ 5214 E 光阻塗佈 4000 rpm/30 秒鐘/光阻厚度約 1μm (7) 軟烤 100°C/1 分鐘
(8) 曝光 (開出 10μm 寬的圖案) (9) AZ 300 MIF 顯影 1 分鐘 (10) 去離子水沖洗
(11) 氮氣吹乾
(12) RIE 蝕刻 SiNx 膜 (13) RIE 蝕刻光阻 (14) RIE 蝕刻 SiNx 膜
圖 4-8 完成自行對準製程後的顯微鏡圖
圖 4-8 顯示為經自行對準製程後的顯微鏡觀察，其中顯示白色部分為 2.5μm 寬的脊狀波導的 GaAs Cap 層。
4.7.7 去除光阻製程
同 4.5 節的步驟實施製程。
4.7.8 電流阻障層製程
如同 3.3.5 節之介紹，為有效降低鏡面溫度，因此必須有效阻止電流 由接觸區域散佈到鏡面處造成非輻射復合[4.20]。本論文實驗設計在前、
後鏡面處製作出一個 50μm 寬的電流阻障層並使用 H2O：H2SO4：H2O2配 方蝕刻 GaAs cap 層[4.7][4.18]，經由下列步驟循序進行：
(1) 丙酮 100 °C/5 分鐘 (2) 異丙酮 100 °C/5 分鐘 (3) 去水烘烤 100 °C/1 分鐘 (4) 冷卻 10 分鐘
(5) HMDS 塗佈 4000 rpm/30 秒鐘
(6) AZ 5214 E 4000 rpm/30 秒鐘/光阻厚度約 1μm (7) 軟烤 100 °C/1 分鐘
(8) 定位及曝光(開出 50μm 寬的圖案) (9) AZ 300 MIF 顯影 1 分 30 秒鐘 (10) 去離子水沖洗
(11) 硬烤 110°C/1 分 30 秒鐘
(12) H2O：H2SO4：H2O2 1 分 30 秒鐘(蝕刻 GaAs Cap 層)
4.7.9 SiN
x絕緣層沉積
當 50μm 寬的電流阻障層區域內的 GaAs cap 層蝕刻完畢後，再使用 PECVD 進行 SiNx絕緣層沉積[4.19]以形成絕緣作用，其中沉積溫度為 100°C，厚度為 1000 Å。
4.7.10 剝離製程
為去除 50μm 電流阻障層以外之 SiNx絕緣層，將使用廣泛應用於 III-V 化合物半導體製程的 lift-off 製程[4.2],[4.21]。當 SiNx1000 Å 絕緣層沉積完 畢後，即進行 lift-off 製程。將樣品#1 晶片及樣品#2 晶片放置入有丙酮的
超音波振盪器中振盪，約 10 分鐘後將兩樣品晶片取出。
圖 4-9 所示為完成電流阻障層製程後的情況，圖中標示有 current blocking layer 為 50μm，在此區域內的 GaAs cap 層已被蝕刻，並以 SiNx
絕緣層覆蓋住以阻止電流由接觸區域散佈到鏡面處復合。因此 在此區域外 的地方則沒有被 SiNx絕緣層覆蓋住，以利後續的金屬化(metalization)製程 作業。
圖 4-9 完成電流阻障層製程後的顯微鏡圖
4.7.11 p-side 電極製程
將樣品#1 晶片及樣品#2 晶片依照如同 4.7.1 節中(1)及(2)項的程序將 晶片清洗乾淨，再將晶片以 AZ 5214 E 光阻塗佈，並利用影像反轉(image reversal)技術，經兩次曝光後將光阻極性改變[4.7],[4.15]，再經如同 4.7.6 節中(9)~(11)項的程序處理。
接著利用電子束蒸鍍機在 p-side 分別依序蒸鍍上 Ti/Pt/Au 多重金屬層 作為電極[4.7],[4.22],[4.23]。其中 Ti 金屬層約數百 Å 厚，主要作用如同為 黏著層(adhesion layer)，Pt 金屬層約數千 Å 厚，主要作用為擴散阻礙
Current blocking layer
(diffusion barrier)介於 Ti 金屬層與銲料(soler)之間，Au 金屬層約數千 Å 厚，
主 要 作 用 為 防 止 Pt 金 屬 層 氧 化 及 作 為 銲 接 時 的 潤 濕 層 (wetting layer)[4.7][4.23]。
待 Ti/Pt/Au 多重金屬層蒸鍍完畢後，使用前述的 Lift-off 法將 50μm 電流阻障層上的 Ti/Pt/Au 多重金屬層剝離掉。為確保最小的熱預算(thermal budget)，因此本實驗將採用快速加熱退火(ripid thermal annealing,RTA)設備 進行 400°C 以上，約數秒的退火製程以形成合金歐姆接觸(alloy ohmic contact)[4.2],[4.24]，最後再蒸鍍數千 Å 厚的 Ti/Au 金屬層。
4.7.12 鍍厚金製程
由於雙通道(DC)型脊狀波導結構有高低落差及後續封裝打線製程需 要銲墊(bond pad)[4.25]，因此將晶粒的 p 面電鍍約 3μm~5μm 的厚金使其 平坦化。除此之外，鍍厚金還有一個很重要的好處是可以有效降低熱阻抗 (thermal resistance)， 因為 p 面金屬的功能就 如同一個熱分散 器 (heat spreader)般，將活性層所產出的熱迅速抽離及將熱分配到整個寬度，因此 厚 的 金 可 以 顯 著 增 加 熱 流 (heat flow) 面 積 ， 因 而 降 低 熱 阻 抗 ， 根 據 Xingsheng 等人報告，當金的厚度為 3μm~5μm 時可以降低 21%~24%的熱 阻抗，但當金的厚度超過 3μm 以後，降低熱阻抗的效果就越來越少並且 趨近平緩[4.26]。
有鑑於以上諸多考量，因此本論文實驗亦將採用厚金電鍍(thick plated) 製程。將晶片依照 4.7.1 節中(1)及(2)項的程序將晶片清洗乾淨，再經由 4.3 節中(4)~(9)項的程序處理。接著利用電鍍機將晶片鍍上數 μm 厚的金，最 後再使用 Lift-off 法將兩旁切割道上的金剝離掉。
圖 4-10 為完成厚金電鍍製程的 SEM 照片。由照片中明顯可看出兩個 通道已被金填滿，在最頂端的落差起伏比較小，後續封裝製程中可作為打 金線製程時的銲墊(bonding pad)。整個電流路徑只有在脊狀波導部份，因 為在 4.7.6 節自行對準製程中有開出接觸口如圖 4-6 所示，其餘部份皆被 3000Å 的 SiNx絕緣層覆蓋住以保持絕緣防止形成電流路徑。
圖 4-10 完成厚金電鍍製程後的 SEM 圖
4.7.13 切割道製程
為使雷射晶粒於後續切割時能增進切割良率，有必要將 4.7.11 中最後 蒸鍍數千 Å 厚的 Ti/Au 金屬從切割道上去除掉。將晶片依照 4.7.1 中(1) 及(2)項的程序將晶片清洗乾淨，再經由 4.3 中(1)~(10)項的程序處理，不 同的是光阻是使用 AZ 5214 E，顯影液是使用 AZ 300 MIF。另外 4.3 中的 (5)項程序所使用的光罩也不相同，在此使用 40μm 寬的切割道光罩。待 40μm 寬的切割道經顯影後圖案顯露出來後即開始利用 KI 去金液以 30 秒 鐘將金去除[4.7],[4.18]，再將晶片以 DI 水沖洗乾淨並吹乾。當 Au 金屬去 除完畢後，再使用 H2O：NH4OH：H2O2 蝕刻液配方以 2 分 30 秒鐘將 Ti 金屬去除。最後將光阻去除，如同 4.5 的步驟實施。當切割道製程完成後，
後續只需切割 SiNx絕緣層及晶片部分。
4.7.14 基板磨薄製程
由於磊晶及晶粒製程的關係，GaAs 基板厚度約為 350μm 左右[4.4]，
如果使用太薄的基板則會在上述製程中很容易損傷或造成破裂。因此為確 保製程的順利進行，一般會先使用 350μm 厚度的基板進行製程並且一直 到切割道製程結束，在 n-side 電極製作前必須將基板磨薄到約 100~150μm 厚左右，如此好處是有利於後續劈 Bar 製程[4.27]。而較薄的基板亦有利 後續封裝時的熱消散並可減少熱阻抗效應而改善元件特性[4.28]。
基板磨薄製程是將晶片的 p-side 以白臘黏在玻璃載片上保護，並進行 研磨 n-side 基板。待研磨結束後再接著進行拋光。待拋光完成後以去臘劑 將 白 臘 去 除 ， 最 後 將 晶 片 自 玻 璃 載 片 脫 離 ， 此 時 的 晶 片 厚 度 應 為 100~150μm 左右。
4.7.15 n-side 電極製程
研磨完成後晶片先以異丙酮清洗數分鐘，待完成後接著利用電子束蒸 鍍機在 n-side 分別依序蒸鍍上 AuGe/Ni/Au 多重金屬層，其中 AuGe 金屬 層約數百 Å，主要具有掺雜作用。Ni 金屬層約數百 Å 主要作用為防止 AuGe 金屬層結球(balling up)現象。Au 金屬層約數千 Å 主要作用為增加傳導、
降低共晶(eutectic)溫度及後續封裝製程的配合性等[4.2][4.7][4.21][4.29]，
最後在將晶片以 RTA 400°C 以上約數秒的退火以形成合金歐姆接觸。
4.7.16 劈晶條製程
將整片晶片以自動劈 bar 機沿(110)方向劈開[4.30]，被劈裂(cleaving) 的半導體晶條將沿著原子排列的平整處平整斷裂而形成如同天然的反射 鏡面(facet)，其反射率約為 32%左右，如圖 4-11 所示。
由於有三種不同的非吸收鏡面區域長度(NAM section length)實驗，因 此分別將樣品#1 及樣品#2 的晶片劈成所設定的三種不同規格的長度：共 振腔長 460μm(非吸收鏡面區域長度為 5μm)，共振腔長為 480μm(非吸收鏡 面區域長度為 15μm)，共振腔長為 500μm(非吸收鏡面區域長度為 25μm)。
圖 4-11 完成劈晶條製程後的顯微鏡圖
4.7.17 鏡面鍍膜製程
本論文實驗所採用的鍍膜設計為單層抗反射(single layer AR)及多層 高反射(multilayer HR)的典型高功率雷射的鍍膜形式，如圖4-12所示。
前端發射面的單層抗反射的鍍膜材料為Al2O3(折射率約1.63)，其反射率 設計在10%。後端發射面的多層高反射的鍍膜材料分別為Al2O3/TiO2/SiO2/ TiO2/SiO2…TiO2/SiO2共9層形成如雷射晶粒(AlGaAs)-LHLHLH……LHL-空 氣(Air)的高反射λ/4多層膜，因此其反射率可達95%。如此高的反射率可使 共振腔中向後傳播的光幾乎可以完全再反射回共振腔內放大，因此降低鏡 面損失，其中TiO2具有高折射率(約2.2~2.5)，通常 與具有低折射率的SiO2(折 射率約1.45~1.47)搭配成H-L[4.3],[4.31],[4.32]。
鏡面鍍膜製程是將待鍍膜的雷射bar以特製的夾具固定住，而雷射bar與 雷射bar之間再以Si製成的bar加以隔離開，最後再以上述所設計好的前鏡面 的AR10%及後鏡面的HR95%的鍍膜條件，經由電子束蒸鍍機依序進行前後 發射面之鍍膜程序，如同圖4-12所示。
圖 4-12 本論文實驗採用之鏡面鍍膜設計示意圖
4.7.18 切割製程
鍍膜完畢的雷射 bar 必須要沿著定義好的切割道再進行切割成單顆的 雷射晶粒(chip)，並把已切割好的雷射晶粒放置在膠膜(tape)上以利後續封 裝製程。
圖 4-13 完成切割製程後的樣品#2 晶粒的 SEM 圖
圖 4-13 所示為完成切割製程後的樣品#2 的雷射晶粒 SEM 照片。在照 片中的左側為後發射面(rear facet)的高反射 HR 多層鍍膜，因此從多層鍍 膜層往內部到彎曲波導的距離稱為非吸收鏡面區域長度，即共振腔長為 460μm(非吸收鏡面區域長度為 5μm)，共振腔長為 480μm(非吸收鏡面區域 長度為 15μm)，共振腔長為 500μm(非吸收鏡面區域長度為 25μm)，將是影
圖 4-13 所示為完成切割製程後的樣品#2 的雷射晶粒 SEM 照片。在照 片中的左側為後發射面(rear facet)的高反射 HR 多層鍍膜，因此從多層鍍 膜層往內部到彎曲波導的距離稱為非吸收鏡面區域長度，即共振腔長為 460μm(非吸收鏡面區域長度為 5μm)，共振腔長為 480μm(非吸收鏡面區域 長度為 15μm)，共振腔長為 500μm(非吸收鏡面區域長度為 25μm)，將是影