第三章 半導體西格馬型環型雷射元件製作
3.2 西格馬型環型共振腔元件製作流程
將兩吋的紅光雷射晶片以晶片切割機型號Karl Suss RA120需沿著(100)晶面方 向(圖3.2[1] )平行或垂直晶面切割成大小適中的形狀，再將晶片依照程序使用以下 步驟清洗：
(1) 將已切割好的晶片浸泡於丙酮1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，
此步驟之目的為清除晶片上的油脂和有機物質。
(2) 將晶片浸泡於甲醇1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此步驟 之目的為清除晶片上殘留的丙酮。
(3) 將晶片浸泡於去離子水中1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此 步驟之目的為清除殘餘的甲醇，之後再以氮氣吹乾。
(4) 將晶片浸泡於混合溶液HCl：H2O = 1：10中30秒，此步驟之目的為清除 晶片表面產生的氧化層。
(5) 將晶片浸泡於NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中浸泡30秒，此步驟之
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目的為去除晶片上殘存之金屬顆粒或雜質。
(6) 最後以離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。
圖3.2 晶面切割方向
2. 成長SiO2
我們使用ULVAC電子束蒸鍍機(圖3.3)，在切割好的晶片上蒸鍍一層約200nm 之SiO2，此SiO2主要目的為當作之後ICP的阻擋層，製程示意(圖3.4)。
圖3.3 電子束蒸鍍機
Quantum well illuminative
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圖3.4 成長SiO2製程圖
3. 光阻塗佈
(1) 採用正光阻AZ P4210塗佈，STEP1的轉速為2500rpm，STEP2的轉速為 7200rpm，塗佈後正光阻的厚度約為2.0μm。
圖3.5 塗佈機
(2) 為了去除光阻的溶劑成分，故光阻放入烤箱軟烤為110℃1分鐘，製程示意 圖如下(圖3.6)。
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圖3.6 光阻塗佈製程圖 4. 曝光
使用Suss-MA45曝光機(圖3.7)，汞燈的波長為365nm，250W，實際曝光強度為
，曝光時間為13秒，光罩圖形即為西格馬型環型雙輸出圖形，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 Suss-MA45曝光機
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圖3.8 曝光製程圖 5. 顯影
利用安智公司製造正顯影液400K：DI water = 1：4，顯影後浸泡於去離子水中，
將殘餘的顯影液清洗乾淨，再以氮氣槍將其吹乾，透過顯微鏡觀察圖形是否良好，
製程如圖3.9。Y型耦合器俯視圖如(圖3.10)。
圖3.9 顯影製程圖
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圖3.10 Y型耦合器 6. BOE蝕刻
利用BOE去除SiO2，並利用正光阻當作遮罩，保護SiO2下的波導結構。完成後 以丙酮、甲醇、去離子水將正光阻移除。製程如圖3.11。
圖3.11 BOE蝕刻與去光阻製程圖
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，故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、NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中將晶片表面的 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１分 鐘，即可處去除SiO2。製程如下圖3.12。蝕刻後的波導形狀如圖3.13[1]。
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圖3.12 ICP蝕刻波導與去SiO2製程圖
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.，我們在同樣必須使用正光阻AZ P4210塗佈和軟烤110℃1 分鐘，接著再進行第二次的曝光與顯影，光罩圖形跟第一次的圖型一樣，曝光顯 影完成後，即將西格馬型環型波導披覆起來。製程如圖3.14。
圖3.14 二次對準製程圖
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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，我們選擇低折射率且具有抗反射的 高絕緣性材料SiNx，折射率(Refractive index)為2.03。濺鍍SiNx約5min，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 西格馬型環型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
為了要降低西格馬型環型雷射的操作及特性更好，我們需要將n-type基板磨薄 藉此降低元件的電阻。首先要依我們欲研磨的厚度來調整研磨台的高低落差，然 後將台座用烤盤加熱至90℃使石蠟溶化，將晶片圖形面跟石蠟沾黏好，使用研磨
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機(圖3.18)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:H2O2:H2O=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，厚度為5300Å；緊接著是將晶片波導面上蒸鍍Ti/Pt/Au合金，厚 度為為10500 Å。蒸鍍完畢後為了使AuGe/Ni/Au合金與Ti/Pt/Au能夠與晶片有良好 的歐姆接觸，使用ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機(圖3.20)，退火溫度為450
℃。製程如下圖(3.19)
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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.晶圓切割
將完成的西格馬型環型雷射做劈裂，利用Karl SUSS-RA120晶圓切割機(圖3.21) 從雙圓形中間的波導結構切割、劈裂，讓西格馬型環型共振腔的輸出端為一完整 鏡面，即完成西格馬型環型雷射。
圖3.21 Karl SUSS-RA120晶圓切割機
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