第四章 實驗設計
4.2 製作流程與光罩設計
如圖 4.2所示，在實驗一開始，我們先定義出雷射的脊狀波導結構，之後沉 積氮化矽當保護層，之後再定義出金屬電極，接著再蝕刻出布拉格反射鏡，最後 劈裂出雷射鏡面並在劈裂面鍍上高反射膜即可進行量測及分析。
圖 4.2 元件製作流程
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元件製程步驟
(A)第一道微影
如圖 4.3所示，首先先用丙酮將晶圓表面清洗乾淨，之後再晶圓浸泡於稀釋鹽酸 (HCl:H2O=1:3)之中，藉此去除表面的氧化物，之後在晶圓上旋塗正光阻 AZ6112，
塗佈的條件為第一轉 1000rpm(10 秒) /第二轉 5000rpm(40 秒)，之後在 90℃的 烤盤上軟烤 90 秒，並使用深紫外光(DUV)曝光機定義出脊狀波導形狀與 DBR 預留 區域的圖形，曝光時間大約為 1.8 秒，之後再用顯影劑 FHD-5 顯影約 30 秒，並 用光學顯微鏡檢查寬度是否正確。
(B)脊狀波導蝕刻(Mesa Etching)
如圖 4.4所示，以光阻當作蝕刻遮罩，使用硫酸蝕刻液將晶圓蝕刻成脊狀波導結 構，蝕刻溶液的比例為 H2SO4:H2O2:H2O=1:8:80，其蝕刻的深度與磊晶的結構有關，
量子井結構通常蝕刻到主動層上方約 100nm ~200nm，以免因主動層的缺陷產生 非輻射復合；而量子點結構則可以蝕刻到主動層以下，藉此增加光場侷限的效果。
蝕刻完成後不先把光阻移除，留到步驟(E)再將 Si3N4移除。
圖 4.3 第一道微影-Mesa 圖 4.4 脊狀波導蝕刻
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(C)氮化矽保護層沉積
如圖 4.5所示，將蝕刻完成的晶圓用稀釋鹽酸去除表面氧化後，使用電漿輔助化 學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)在 80℃的 條件下沉積一層厚度約 300nm 的 Si3N4當保護層與絕緣層，藉此保護蝕刻完後裸 露的表面。
(D)移除波導上方氮化矽
如圖 4.6所示，沉積氮化矽的同時，脊狀波導上方也會沉積到氮化矽，因此在步 驟(B)完成時先將光阻留著藉此保護波導上方，等到沉積完氮化矽之後再使用丙 酮將光阻連同氮化矽一併移除。
圖 4.5 氮化矽保護層沉積 圖 4.6 光阻移除
(E)第二道微影
如圖 4.7所示，在鍍金屬之前先需在晶圓上旋塗上光阻 AZ5214E 以定義絕緣位置，
此次塗佈的條件為第一轉 1000rpm(10 秒) /第二轉 4500rpm(40 秒) ，並軟烤 90
℃， 烤 90 秒，再用 DUV 曝光約 2.8 秒，曝完後在 120℃的烤盤上反轉烤 120 秒，
反轉烤完再做一次反轉曝光 13 秒，最後再用顯影劑 FHD-5 顯影約 40 秒，並用光
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學顯微鏡檢查是否顯影完全。
(F)P-type 金屬蒸鍍
如圖 4.8所示，在蒸鍍金屬前先用釋鹽酸去除晶圓表面氧化物，並使用電子鎗蒸 鍍機(E-Gun)依序蒸鍍上 Ti/Pd/Au，蒸鍍的厚度分別為 30/30/200nm，蒸鍍完後 再將晶圓泡在丙酮中，並用棉棒輕刷晶圓邊緣光阻以增加光阻 Lift-off 的速 度。
圖 4.7 第二道微影-金屬電極 圖 4.8 P-type 金屬蒸鍍
(G)背面磨薄與 N-type 金屬蒸鍍
如圖 4.9 所示，為了使雷射鏡面的劈裂更為容易，需在背面蒸鍍金屬前先用 NH4OH:H2O2=1:3 的溶液來磨薄晶圓背面，磨薄時間約 17 分鐘，磨完後晶圓厚度約 150 ㎛，磨完後用稀釋鹽酸去除背面氧化物後再使用 E-Gun 鍍上 Ni/Ge/Au，厚度 為 30/50/200nm，最後再使用 RTA 將晶圓加熱到 420℃以增加金屬的附著力。
(H)沉積氮化矽(Si3N4) 遮罩
如圖 4.10所示，使用 PECVD 在 300℃的條件下沉積厚度約 300nm 的 Si3N4當作蝕
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刻 DBR 鏡面的硬遮罩(Hard Mask)。
圖 4.9 N-type 金屬蒸鍍 圖 4.10 氮化矽遮罩沉積
(I)聚焦離子束蝕刻 DBR 鏡面圖案
如圖 4.11所示，鍍完氮化矽之後在 DBR 預留區上使用閎康科技股份有限公司的 聚焦離子束(Focus Ion Beam，FIB)蝕刻出 DBR 的圖樣，此步驟須確定氮化矽被 蝕刻乾淨。
(J)ICP 蝕刻出 DBR 鏡面
如圖 4.12所示，利用 FIB 在氮化矽上蝕刻的 DBR 圖案當硬遮罩，使用感應耦合 電漿離子蝕刻機(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching，ICP-RIE) 將氮化矽上的 DBR 圖形轉換到 GaAs 上，蝕刻所通入的氣體為 Ar 與 SiCl4，其蝕 刻深度大約為 2.5 ㎛-3 ㎛。
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圖 4.11 FIB 蝕刻硬遮罩 圖 4.12 ICP 蝕刻 DBR
(K)移除硬遮罩
如圖 4.13所示，由於覆蓋在金屬電極上方的氮化矽遮罩是不導電的，因此在 DBR 鏡面蝕刻完成後必須再使用 ICP 將金屬電極上方的氮化矽遮罩移除，此步驟必須 確保金屬電極完全露出。
(L)雷射劈裂與出光面鍍膜
如圖 4.14所示，元件做完後，使用雷射切割機(Scriber)劈裂晶圓，將元件劈裂 出反射率約 32%的平整鏡面，即可做元件特性的基本量測。若鏡面損耗依然過高 導致臨界電流太高，則我們可以使用光學鍍膜機在雷射鏡面鍍上高反射膜(HR coating)，藉此提高鏡面反射率。
圖 4.13 移除硬遮罩 圖 4.14 鏡面鍍膜
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光罩設計
整體元件示意圖如圖 4.15所示，劈裂前元件俯視圖如圖 4.16所示，劈裂完 整組元件的尺寸約為750 ㎛ × 3500 ㎛，光罩採用傾斜式設計，此種設計有三樣 優點，第一點為能有效節省空間上的浪費，第二點為一次就能劈出不同長度，因 此不需要每換一種共振腔長度就進行一次劈裂，最後一點為整組元件寬度為 750
㎛，因此比較容易劈裂，也比較容易放入鍍膜夾具中。但是相對的，此設計也有 兩樣缺點，第一點如第一章所提到的，若劈裂位置有所偏移，則共振腔長度也會 產生誤差，而另一缺點為共振腔長度由光罩設計所決定，因此若想調整共振腔長 度就必須重新設計光罩。
圖 4.15 整體元件示意圖
圖 4.16 元件俯視圖
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