環形共振腔元件製作流程

1.晶片切割及清洗

先將兩吋的紅光雷射晶片以晶片切割機沿著與(100)晶面方向(圖 3.2[1])平行 或是垂直方向切割成適中的大小以及形狀，完成後再將晶片依照程序使用以下步 驟清洗:

(1)將切割完成的晶片進入丙酮 1 分鐘後，再置於超音波震盪機中震盪 3 分 鐘，以達到清除晶片上的油脂、灰塵和細小微粒及髒污之目的。

(2)將晶片進入甲醇 1 分鐘後，再置於超音波震盪機中震盪 3 分鐘，用以清除 在步驟(1)中晶片上多餘的丙酮。

(3)將晶片浸泡 DI water 中 1 分鐘，再置於超音波震盪機中震盪 3 分鐘，用 以清除在步驟(2)中晶片上多餘的甲醇，之後再使用氮氣槍吹掉晶片表面上之水 珠。

(4)由於晶片表面會產生氧化層，因此將晶片浸泡入混合溶液 HCl：H₂O＝1:10 中 30 秒去除氧化層。

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(5)將晶片浸泡 NH4 OH:DI water=1:8 之混合溶液中浸泡 30 秒，目的為去除 晶片上殘留之金屬顆粒或雜質

(6)最後以去離子水清洗乾淨，再以氮氣槍將表面吹乾。

圖3.2 晶粒切割方向

2. 成長 SiO2

我們使用 ULVAC 電子束蒸鍍機(圖 3.3)，再切割好的晶片上蒸鍍一層約 200nm 之 SiO2，此 SiO2目的為當作之後 ICP 的阻擋層，製程示意圖(圖 3.4)。

圖3.3 電子束蒸鍍機

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圖3.4 成長SiO2製程圖

3. 光阻塗佈

(1)我們採用正光阻 AZP4210 塗佈，STEP1 的轉速為 6000rpm，STEP2 的轉 速為 6200rpm，塗佈後正光阻的厚度為 2.0。

圖3.5 塗佈機

(2)為去除光阻的溶劑成分，故光阻放入烤箱軟烤為 100 °C 1 分鐘，製程示 意圖如下(圖 3.6)。

圖3.6 光阻塗佈製程圖

SiO₂ 200nm

Substrate

Substrate SiO2

2.2um PR

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4. 曝光

使用 Karrsuss-MA45 曝光機(圖 3.7)，汞燈的波長為 365nm，250W，實際曝 光強度為8𝑚𝑤 𝑐𝑚⁄ ²，曝光時間為 13 秒，光罩圖形即為環形雙輸出圖形，其中需 要將直線波導部分平行多重量子井的發光方向，製程示意圖如下(圖 3.8)

圖3.7 karrSuss-MA45曝光機

圖3.8 曝光製程圖 PR

SiO2

Substrate

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5. 顯影

利用安智公司製造正顯影液 400K：DI water=1：4，顯影後入放去離子水內，

將殘餘的顯影射洗乾淨，然後用氮氣槍吹乾，用顯影射觀察圖形是否良好，製程 如圖(圖 3.9)。

圖3.9 顯影製程圖

圖3.10 Y型耦合器 6. BOE 蝕刻

利用 BOE 去除 SiO2，並利用正光組當作遮罩，保護 SiO2下的波導結構。完 成後以丙酮、甲醇、去離子水將正光組移除。製程如圖 3.11 。

PR SiO2

Substrate

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圖3.11 BOE蝕刻及去光阻製程圖 7. ICP 蝕刻波導

我們採用乾式蝕刻來進行雷射波導結構的蝕刻，因為 SiO2較不會與 ICP 蝕 刻氣體反應顧可以當作蝕刻時的光罩，將晶片取出再利用丙酮、甲醇、去離子水、

HCl：H₂O＝1：10 混合溶液、NH₄ OH:DI water=1：8 之混合溶液中將晶片表面得 蝕刻殘餘物清洗乾淨，最後將晶片置於 HF：DI water＝1：10 之混合溶液中約一 分鐘，即可去除 SiO₂，製程如下圖 3.12。蝕刻後的形狀如圖 3.13[1]。

圖3.12 ICP蝕刻波導與去SiO2製程圖 SiO2

Substrate

SiO2

Substrate Substrate

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圖3.13 ICP蝕刻與去SiO₂後之截面圖 8. 二次對準

如同上述步驟 3.~5.我們同樣需使用正光組 AZP4210 塗佈和軟烤 100 °C 1 分 鐘，接著再進行第二次的曝光與顯影，光照圖形跟第一次的環形一樣，曝光顯影 完成後，即將環形波導披覆起來。製程如圖 3.14。

圖3.14 二次對準製程圖 PR

Substrate

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圖3.15 二次對準顯影結果

9. 成長 SiNx

為了達到保護與絕緣雷射環形波導結構，我們選擇高絕緣性材料 SiNx。因 為具有低折射率且具有抗反射特性，折射率(Refractive index)為 2.03。濺鍍 SiNx 約 5 分鐘，厚度為 150nm，最後再利用丙酮、甲醇、去離子水將光阻去除，達到 類似 Lift off 的方式將環形波導上方絕緣層掀離。製程如下圖 3.16。

圖3.16 成長SiNx製程圖 10. n-type 基板研磨

為了要降低環形雷射的內電阻及使操作特性更完善，我們需要將 n-type 基板 磨薄以降低元件的電阻。首先我們要依照欲研磨的調整研磨台的高低落差，然後 將抬作用烤盤加熱至 90°C 將石蠟融化，將晶片圖形面跟石蠟黏勺好，使用研磨

SiNx Substrate 150um

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機並加入氧化鋁粉的溶液研磨基板背面研磨約 150μm。完畢後，將晶片泡入 HCl：

H

2

O

2

：H

₂

O=1：1：10 溶液中清洗殘餘的 GaAs 的顆粒。製程如下圖 3.17。

圖3.17 n-type基板研磨

圖3.18 研磨機

11. 電極金屬蒸鍍與退火

完成研磨晶片後，接著是背電極的蒸鍍，使用電子束蒸鍍機，蒸鍍的金屬為

AuGe/Ni/Au

合金，厚度個別為

AuGe-1000/Ni-300/Au-4000=5300 Å

；緊接著是將 晶片波導面上蒸鍍

Ti/Pt/Au，蒸鍍的順序以及個別所使用的厚度分別為：

Ti-1000/Pt-500/Au-3000/Ti-500/Au-5500=10500 Å 。

蒸鍍完畢後為了讓

Ti/Pt/Au

電極和

AuGe/Ni/Au 背電極與能夠與晶片有良好

的歐姆接觸，使用 ULVAC MILA-3000 快速退火機(圖 3.20)，退火溫度為

450°C。

製程如下圖 3.19。

SiNx Substrate

150um

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圖3.19 電極金屬蒸鍍

圖3.20 ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機

12. 晶粒切割

將完成的環形雷射做劈裂，利用 Karl SUSS-RA120 晶圓切割機(圖 3.21)從雙 園行中間的波導節切割、劈裂，讓環形共振腔的輸出端為一完整鏡面，即完成環 型雷射。

圖3.21 Karl SUSS-RA120晶圓切割機 SiNx

Substrate AuGe/Ni/Au

Ti/Pt/Au

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在文檔中 半導體環形雷射二極體共軛光共振腔輸出特性研究 (頁 39-49)