本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种si3n4/sion复合膜、激光器芯片及制备方法。
背景技术：
半导体激光器具有体积小、重量轻以及光电转换效率高等特点，因而在材料加工、医疗美容、军工和通信等领域得到广泛应用。半导体激光器经过组装和封装后形成激光器芯片，以形成不同的集成电路。
目前，半导体激光器封装形成激光器芯片的方法主要包括气密性封装和非气密性封装。相对于气密性封装，非气密性封装具有较低的制备成本。为降低激光器芯片的生产成本，非气密性封装得到迅速发展。非气密性封装较为常用的方式为形成钝化膜层，即在半导体激光器的表面沉积抗水性较好的钝化膜层。目前，最常见的钝化膜层沉积方法为pecvd(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，等离子体化学气相沉积)。
pecvd具有基片温度低、成膜质量好以及针孔较少等优点，且形成的钝化膜层厚度越厚，抗水汽性能越好。但pecvd形成的钝化膜层具有一定的膜层应力，且钝化膜层的厚度越大，其膜层应力越大。当钝化膜层的厚度较厚时，钝化膜层容易开裂、脱落，导致钝化膜层无法满足激光器芯片的性能要求，进而导致激光器芯片失效。由此可见，钝化膜层的抗水汽性能和膜层应力性能均与钝化膜层的厚度有关，且钝化膜层的厚度越大，抗水汽性能越好，膜层应力越大。对于高速激光器芯片，其非气密性封装要求同时具有较好的抗水汽性能和较低的膜层应力，但由于钝化膜层自身存在的膜层应力，导致目前使用的钝化膜层并不同时兼备较好的抗水汽性能及低膜层应力两个性能要求，即目前使用的钝化膜层不能满足高速激光器芯片的性能要求。
技术实现要素：
本发明提供一种si3n4/sion复合膜、激光器芯片及制备方法，以解决目前使用的钝化膜层不能满足高速激光器芯片性能要求的问题。
第一方面，本发明提供一种si3n4/sion复合膜，包括沉积反应形成的sion膜层以及沉积在所述sion膜层上的si3n4膜层。
第二方面，本发明提供一种si3n4/sion复合膜的制备方法，包括：
将pecvd腔室抽真空，并设定温度为280℃；
所述pecvd腔室温度达到设定温度后，向所述pecvd腔室内通入ar、n2、he和n2o，以使所述pecvd腔室内压力达到预设工作压力；
所述pecvd腔室内压力稳定后，向所述pecvd腔室内通入sih4和nh3；
在射频电源功率为50w的条件下，反应生成sion膜层；
停止通入n2o、sih4和nh3，保持ar、n2和he的体积流量不变；
在功率为80w的射频电源作用下，向所述pecvd腔室内再次通入sih4和nh3，反应生成si3n4膜层，得到si3n4/sion复合膜。
第三方面，本发明提供一种激光器芯片，包括晶圆以及沉积在所述晶圆上的si3n4/sion复合膜，所述si3n4/sion复合膜为第一方面的复合膜，或所述si3n4/sion复合膜按照第二方面的方法制备而成。
第四方面，本发明提供激光器芯片的制备方法，包括：
将晶圆用硫酸清洗、甩干，置于pecvd腔室内；
将pecvd腔室抽真空，并设定温度为280℃；
所述pecvd腔室温度达到设定温度后，向所述pecvd腔室内通入ar、n2、he和n2o，以使所述pecvd腔室内压力达到预设工作压力；
所述pecvd腔室内压力稳定后，采用功率为50w的射频电源去除所述晶圆表面的氧化层；
向所述pecvd腔室内通入sih4和nh3，在所述晶圆表面沉积生成sion膜层；
停止通入n2o、sih4和nh3，保持ar、n2和he的体积流量不变；
在功率为80w的射频电源作用下，向所述pecvd腔室内再次通入sih4和nh3，在所述sion膜层表面沉积生成si3n4膜层，得到si3n4/sion复合膜封装的激光器芯片。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供一种si3n4/sion复合膜、激光器芯片及制备方法。pecvd方法制备的si3n4膜层具有压应力，即负应力，pecvd方法制备的sion膜层具有张应力，即正应力。本发明将具有负应力的si3n4膜层和具有正应力的sion膜层进行复合，通过控制si3n4膜层和sion膜层的厚度，形成较低应力的si3n4/sion复合膜，从而降低芯片制备过程中的应力叠加效应。另外，si3n4膜层和sion膜层均具有较好的抗水汽性能，因而制备的si3n4/sion复合膜能够同时具备抗水汽性能及低膜层应力性能，满足高速激光器芯片的性能要求。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的si3n4/sion复合膜的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的激光器芯片的制备方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的sem(scanningelectronmicroscope，扫描电子显微镜)检测图；
图4为本发明实施例提供的不同浸泡时间下sio2膜层水化后反射率变化图；
图5为本发明实施例提供的图4中a处的局部放大图；
图6为本发明实施例提供的不同浸泡时间下sion膜层水化后反射率变化图；
图7为本发明实施例提供的图6中b处的局部放大图；
图8为本发明实施例提供的不同浸泡时间下si3n4/sion复合膜水化后反射率变化图；
图9为本发明实施例提供的图8中c处的局部放大图；
图10为本发明实施例提供的sion膜层和si3n4膜层的厚度比例-si3n4/sion复合膜的膜层应力关系图。
具体实施方式
pecvd虽然具有基片温度低、成膜质量好以及针孔较少等优点，但pecvd形成的钝化膜层具有一定的膜层应力，且钝化膜层的厚度越大，其膜层应力越大。当钝化膜层的厚度较厚时，钝化膜层容易开裂、脱落，导致钝化膜层无法满足激光器芯片的性能要求，进而导致激光器芯片失效。但若pecvd形成的钝化膜层越薄，其抗水汽性能越差，导致激光器芯片内部容易浸入水分，进而导致其失效。由此可见，钝化膜层的抗水汽性能和膜层应力性能均与钝化膜层的厚度有关，且钝化膜层的厚度越大，抗水汽性能越好，膜层应力越大。对于高速激光器芯片，其非气密性封装要求同时具有较好的抗水汽性能和较低的膜层应力，但由于钝化膜层自身存在的膜层应力，导致目前使用的钝化膜层并不同时兼备较好的抗水汽性能及低膜层应力两个性能要求，即目前使用的钝化膜层不能满足高速激光器芯片的性能要求。
针对上述问题，本申请提出一种si3n4/sion复合膜，以同时满足较好的抗水汽性能及低膜层应力性能的要求。本申请提供的si3n4/sion复合膜的核心思想为：选取两种同时具有较好抗水汽性能的单层膜，如sion膜层和si3n4膜层。选取的两种单层膜还必须具有相反的膜层应力，如sion膜层具有张应力，即正应力；si3n4膜层具有压应力，即负应力。通过将两种具有不同膜层应力方向的单层膜进行复合，能够使叠加后的膜层应力大大降低，由此制备的si3n4/sion复合膜具有较低的膜层应力。由于sion膜层和si3n4膜层均具有较好抗水汽性能，因此，制备得到的si3n4/sion复合膜能够同时具有较好抗水汽性能和较低的膜层应力。
具体地，pecvd形成的膜层常用的有sio2、si3n4、sion三种，其中，sion膜层是目前主要的应用材料。一般情况下，pecvd方法制备的sio2膜层和si3n4膜层的膜层压力均为压应力，即负应力，pecvd方法制备的sion膜层的膜层压力为张应力，即正应力。为制备膜层应力较低的复合膜，本申请优先选用具有负应力的sion作为复合膜之一。由于si3n4的抗水汽性能介于sio2和sion之间，因此，为使制备的复合膜具有较好的抗水汽性能，本申请选用具有正应力、抗水汽性能良好的si3n4作为复合膜之一。
基于选定的单层钝化膜层，本申请通过pecvd方法沉积形成si3n4/sion复合膜。即本申请提供的si3n4/sion复合膜包括沉积反应形成的sion膜层以及沉积在sion膜层上的si3n4膜层，或沉积反应形成的si3n4膜层以及沉积在si3n4膜层上的sion膜层。其中，sion膜层由n2o、sih4和nh3沉积反应生成，si3n4膜层由sih4和nh3沉积反应生成。
由于si-o键的稳定性好于si-n键的稳定性，因此，为提高si3n4/sion复合膜的稳定性，优先沉积形成稳定性良好的sion膜层，进而在sion膜层的表面沉积形成si3n4膜层。另外，sion膜层的膜层应力为正应力，si3n4膜层的膜层应力为负应力，因此，si3n4膜层沉积在sion膜层后，在负应力和正应力的叠加作用下能够使得复合膜的膜层应力大大降低。由此，本申请提供的si3n4/sion复合膜优选为沉积反应形成的sion膜层以及沉积在sion膜层上的si3n4膜层。
请参考附图1，附图1示出了本申请提供的一种si3n4/sion复合膜的制备方法的流程示意图。由附图1所示的制备方法能够制备出先沉积sion膜层后沉积si3n4膜层而形成的si3n4/sion复合膜。
具体地，由附图1可知，本申请提供的si3n4/sion复合膜的制备方法具体包括：
s01：将pecvd腔室抽真空，并设定温度为280℃。
pecvd为等离子体激活反应气体，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应而生成固态膜的方法。基于此，为防止等离子体激活其他反应气体，pecvd腔室需要抽至真空状态，以除去pecvd腔室内及基体表面的空气。通常情况下，pecvd腔室抽真空至真空度为0.7mtorr。
由于单层膜膜层质量、膜层之间的过渡性以及膜层与膜层之间的厚度匹配是影响复合膜层综合性能的最主要三因素，因此，为制备性能优良的si3n4/sion复合膜，必须注意单层膜膜层质量、膜层与膜层之间的过渡以及膜层厚度。而在pecvd方法沉积形成单层钝化膜层的过程中，影响膜层应力的主要因素包括沉积温度、沉积速率、工作气压、功率源和气体通入比例等。因此，为使pecvd方法沉积形成的sion膜层具备均匀的膜层应力，pecvd腔室内需要设定沉积反应的温度。
在较低温度条件下，ch4+、c、ch4和sih2等活性基团在基体表面的活跃性较低，形成的sion膜层的致密性较差，导致膜层应力不均、抗水汽性能不良。在较高温度条件下，ch4+、c、ch4和sih2等活性基团在基体表面的活跃性得到提高，形成的sion膜层的致密性提高。但当pecvd腔室内温度较高时，则对反应设备的要求较高，导致si3n4/sion复合膜的制备成本较高。为此，经过多次试验，选定pecvd腔室内的温度为280℃，以控制形成膜层的沉积温度。此时，pecvd方法沉积形成的sion膜层具有较好的致密性。为使pecvd腔室内的温度稳定，当pecvd腔室内温度达到280℃后，保持该温度3min后通入气体。
s02：pecvd腔室温度达到设定温度后，向pecvd腔室内通入ar、n2、he和n2o，以使pecvd腔室内压力达到预设工作压力。
当pecvd腔室温度达到设定温度后，向pecvd腔室内通入ar、n2、he和n2o，以使pecvd腔室内压力达到预设工作压力，进而使得pecvd腔室处于稳定的气压，等离子体气体处于稳定状态。为在280℃的沉积温度下，形成致密性较好的sion膜层，预设工作压力为1300mtorr。
在通入的ar、n2、he和n2o中，ar易电离，为起辉气体；n2和he为稀释气体，n2o为反应气体之一。为使pecvd腔室内的压力稳定，并达到反应所需压力，通入pecvd腔室内的ar、n2、he和n2o的体积流量比为1:15:1:4，如，ar的体积流量为150sccm；n2的体积流量为3000sccm；he的体积流量为100sccm；n2o的体积流量为800sccm。为使pecvd腔室内压力稳定，当pecvd腔室内压力到达预设工作压力后，保持该工作压力3min后再通入其他气体。
s03：pecvd腔室内压力稳定后，向pecvd腔室内通入sih4和nh3。
当pecvd腔室内压力稳定后，向pecvd腔室内通入sih4和nh3，其中，sih4和nh3均为反应气体。为生成膜层应力较低的sion膜层，n2o、sih4和nh3的体积流量比为40:1:2，如n2o的体积流量为800sccm，sih4的体积流量为20sccm，nh3的体积流量为40sccm。
s04：在射频电源功率为50w的条件下，反应生成sion膜层。
开启射频电源，其中，射频电源的功率为50w。根据沉积厚度与沉积速率设定沉积时间，以使n2o、sih4和nh3在ar、n2和he氛围下沉积反应生成一定厚度的sion膜层。n2o、sih4和nh3反应生成sion膜层的反应方程式为：2n2o+2sih4+2nh3＝2sion+2n2+7h2。
s05：停止通入n2o、sih4和nh3，保持ar、n2和he的体积流量不变。
当沉积时间达到设定时间后，停止通入n2o、sih4和nh3，并保持ar、n2和he的体积流量不变，以使pecvd腔室内残留的n2o、sih4和nh3完全反应，进而在sion膜层表面沉积si3n4膜层时，不会同时存在两个沉积反应。由于不会同时存在两个沉积反应，因而sion膜层和si3n4膜层之间具备鲜明的界面，进而sion膜层和si3n4膜层根据其各自的厚度能够确定膜层应力，进而确定sion膜层和si3n4膜层复合后形成的si3n4/sion复合膜的膜层应力。
s06：在功率为80w的射频电源作用下，向pecvd腔室内再次通入sih4和nh3，反应生成si3n4膜层，得到si3n4/sion复合膜。
提高射频电源的功率至80w，以使起辉气体ar离子轰击沉积形成的sion膜层，以达到清洗sion膜层的目的。同时，起辉气体ar离子轰击sion膜层还能够使得sion膜层表面的h发生氢解吸附，以使si3n4膜层沉积在sion膜层表面时，sion膜层和si3n4膜层之间具有良好的结合性。
在ar、n2和he的体积流量不变的条件下，向pecvd腔室内再次通入sih4和nh3。其中，sih4和nh3的体积流量比为1:2，如sih4的体积流量为20sccm，nh3的体积流量为40sccm。根据沉积厚度与沉积速率设定沉积时间，sih4和nh3在ar、n2和he氛围下沉积反应生成si3n4膜层。sih4和nh3反应生成si3n4膜层的反应方程式为3sih4+4nh3＝si3n4+12h2。
进一步，本申请提供的si3n4/sion复合膜的制备方法还包括：
s07：停止通入sih4和nh3，保持ar、n2和he的体积流量不变；
当沉积时间达到设定时间后，停止通入sih4和nh3，并保持ar、n2和he的体积流量不变，以使pecvd腔室内残留的sih4和nh3完全反应。
s08：停止通入n2和he，保持ar的体积流量不变；最后停止通入ar。
sih4和nh3停止通入3min后，停止通入n2和he，并保持ar的体积流量不变，以使剩余残余气体在ar离子轰击下继续反应，直至反应完全。最后停止通入ar，破真空取出制备样品。
先沉积形成si3n4膜层后沉积形成sion膜层的制备方法大致同上述si3n4/sion复合膜的具体制备流程，仅是n2o、sih4和nh3的通入顺序与sih4和nh3的通入互换，其余沉积温度、沉积速率、工作气压、功率源和气体通入比例等的设置均不变。此处不在阐述先沉积形成si3n4膜层后沉积形成sion膜层的具体制备流程。
基于本申请提供的si3n4/sion复合膜以及si3n4/sion复合膜的制备方法，本申请还提供一种激光器芯片。本申请提供的激光器芯片包括晶圆以及沉积在晶圆上的si3n4/sion复合膜，其中，si3n4/sion复合膜采用上述提及的si3n4/sion复合膜，或采用上述si3n4/sion复合膜的制备方法制备的si3n4/sion复合膜。
基于本申请提供的激光器芯片，本申请还提供了激光器芯片的制备方法，具体请参考附图2。由附图2可知，本申请提供的激光器芯片的制备方法具体包括：
s11：将晶圆用硫酸清洗、甩干，置于pecvd腔室内。
将制备激光器芯片的晶圆用硫酸进行清洗，以去除晶圆表面的颗粒及有机物等，进而确保晶圆表面洁净，增强晶圆与膜层之间的粘附性。由于盐酸会与晶圆表面的inp(indiumphosphide，磷化铟)发生反应，而硝酸具有氧化性，因此，本申请中采用硫酸对晶圆进行表面清洗。具体地，将晶圆在浓硫酸中浸泡3min，然后用水冲洗10min。
清洗后的晶圆进行甩干处理，以确保晶圆表面干燥。干燥后的晶圆放入pecvd腔室中，以便于通过pecvd方法在晶圆表面沉积si3n4/sion复合膜。
s12：将pecvd腔室抽真空，并设定温度为280℃。
pecvd腔室内抽真空，并达到280℃后，保温3min，以使晶圆表面受热均匀，进而促使si3n4/sion复合膜的成膜材料在晶圆表面具有良好的扩散性，且化学反应更充分，形成的sion复合膜的致密性更好。
s13：pecvd腔室温度达到设定温度后，向pecvd腔室内通入ar、n2、he和n2o，以使pecvd腔室内压力达到预设工作压力。
s14：pecvd腔室内压力稳定后，采用功率为50w的射频电源去除晶圆表面的氧化层。
pecvd腔室内压力稳定后，采用功率为50w的射频电源去除晶圆表面的氧化层。射频电源打开后会产生等离子体，而等离子体那个对晶圆表面进行轰击，以去除晶圆表面的氧化层。轰击掉落的晶圆氧化层随ar、n2、he等气体的流动而带出pecvd腔室，进而防止晶圆氧化层参与到si3n4/sion复合膜的成膜反应中。由于晶圆表面的氧化层已去除，因而pecvd腔室内的晶圆表面具有很强的活性，进而能够更好地与sion膜层的成膜原子结合，提高sion膜层与晶圆之间的粘附性。
s15：向pecvd腔室内通入sih4和nh3，在晶圆表面沉积生成sion膜层。
s16：停止通入n2o、sih4和nh3，保持ar、n2和he的体积流量不变。
s17：在功率为80w的射频电源作用下，向pecvd腔室内再次通入sih4和nh3，在sion膜层表面沉积生成si3n4膜层，得到si3n4/sion复合膜封装的激光器芯片。
为验证本申请提供的激光器芯片具有良好的抗水汽性能和较低的膜层应力，本申请对所制备的si3n4/sion复合膜进行形貌检测、抗水汽性能检测和膜层应力检测。
1、采用sem对背脊结构的芯片上沉积的si3n4/sion复合膜进行检测，检测结果如附图3所示。由附图3可见，si3n4/sion复合膜的膜层界面过渡良好，无明显的分层现象，且膜层致密性好。
2、为体现申请提供的si3n4/sion复合膜的抗水汽性能优于单层sion膜层和单层sio2膜层，采用sion膜层和sio2膜层作为对比例进行抗水汽性能检测。具体地，将sion膜层、sio2膜层和si3n4/sion复合膜同时浸泡在95℃的沸水中，分别检测sion膜层、sio2膜层和si3n4/sion复合膜在浸泡0h、1h、2h、5h和10h后的反射率，检测结果请参考附图4-9。其中，附图5为附图4中a处的局部放大图，附图7为附图6中b处的局部放大图，附图9为附图8中c处的局部放大图。
由附图4-9可见，sio2膜层沸水浸泡后的反射率出现正向偏移2.2％，即水化后，sio2发生吸水现象，抗水汽性能差。sion膜层及si3n4/sion复合膜沸水浸泡后的反射率无变化，未发生吸水现象，抗水汽性能好。
3、sion膜层和si3n4膜层的厚度比例对si3n4/sion复合膜的膜层应力起到关键的作用，因此，本申请还对sion膜层和si3n4膜层的厚度比例以及si3n4/sion复合膜的膜层应力之间的关系进行研究，得到厚度比例-膜层应力关系图，如附图10所示。由附图10可见，随着sion膜层和si3n4膜层的厚度比例的逐渐增大，si3n4/sion复合膜的膜层应力先降低后增加。由此，通过附图10所示的厚度比例-膜层应力关系图能够得知，当sion膜层和si3n4膜层的厚度比例为3.33时，si3n4/sion复合膜的膜层应力最低。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。