半导体晶圆的刻蚀方法及微纳光学器件与流程

1.本发明属于光学器件制造技术领域，具体涉及一种半导体晶圆的刻蚀方法及微纳光学器件。


背景技术：

2.干法刻蚀和湿法腐蚀当前已被广泛应用于微纳光学器件的制造领域中。就半导体激光器与探测器、波带片、光波导和光栅等微纳光学器件而言，不仅对微纳米结构的侧壁深宽比和陡峭度有着严格的加工标准，而且对其表面及侧壁的粗糙度也有着极高的要求。为了得到相应的深宽比和陡峭度，通常会采用icp进行干法刻蚀微纳结构，但干法刻蚀过程中的等离子体损伤会导致侧壁和表面粗糙度增大，这会导致器件散射消耗增大，出光率降低和光传输损耗过大等一系列问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种半导体晶圆的刻蚀方法及微纳光学器件，以克服现有技术中存在的不足。
4.为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：
5.本发明实施例提供了一种半导体晶圆的刻蚀方法，包括：
6.在晶圆上形成具有原始光刻版图的光刻胶抗蚀层；
7.对晶圆依次进行干法刻蚀和湿法腐蚀，得到具有陡直且光滑的微纳结构的半导体晶圆。进一步地，所述微纳结构的深度为h，宽度为d，原始光刻版图的宽度为d1，且d1＞d。
8.进一步地，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：采用icp设备，以cl2和bcl3的混合气体为刻蚀气体，对晶圆进行干法刻蚀，使刻蚀结构深度为h1，宽度为d1，且h1＜h。
9.进一步地，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：通过腐蚀溶液对经干法刻蚀后的晶圆进行湿法腐蚀，使腐蚀结构深度达到h，宽度为d。
10.进一步地，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：将光刻胶旋涂于晶圆表面，通过光刻、显影工艺将光刻版上的图形转移至晶圆表面，形成具有原始光刻版图的光刻胶抗蚀层。
11.本发明实施例还提供了前述刻蚀方法制得的半导体晶圆，其具有陡直且光滑的微纳结构，所述微纳结构的最小宽度的直径＞1μm。
12.本发明实施例还提供了一种微纳光学器件，包括由前述刻蚀方法制得的半导体晶圆。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
14.(1)本发明半导体晶圆的刻蚀方法，通过对光刻版图图形的补偿，经过慢速湿法腐蚀液对干法刻蚀后的粗糙表面及侧壁进行修正，进而得到光滑的侧壁及表面，可以被广泛应用于微纳光学器件的加工制作流程中。
15.(2)本发明半导体晶圆的刻蚀方法，采用干湿法混合刻蚀同一种材料，干法刻蚀提
高结构陡直度，而在湿法刻蚀过程中，腐蚀液会不断对干法刻蚀的侧壁上的凸起进行修饰，以降低侧壁粗糙度，进而得到陡直且光滑的微纳结构。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术一实施方式中目标图形的结构示意图。
18.图2是本技术一实施方式中干法刻蚀后的实际图形。
19.图3是本技术一实施方式中湿法刻蚀后的实际图形。
20.图4是本技术实施例1中半导体晶圆的微纳结构sem图。
21.图5是本技术对比例1中半导体晶圆的微纳结构sem图。
22.图6是本技术对比例2中半导体晶圆的微纳结构sem图。
23.附图标记说明：1.目标图形，2.原始光刻版图，3.微纳结构。
具体实施方式
24.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
25.鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是通过对光刻版图图形的补偿，经过慢速湿法腐蚀液对干法刻蚀后的粗糙表面及侧壁进行修正，进而得到的微纳结构具有光滑的侧壁及表面。如下将对该技术方案、其实施过程及原理作进一步的解释说明。
26.本发明实施例的一个方面提供了一种半导体晶圆的刻蚀方法，包括：
27.在晶圆上形成具有原始光刻版图的光刻胶抗蚀层；
28.对晶圆依次进行干法刻蚀和湿法腐蚀，得到具有陡直且光滑的微纳结构的半导体晶圆。
29.在一些优选实施例中，所述微纳结构的深度为h，宽度为d，原始光刻版图的宽度为d1，且d1＞d。
30.在一些优选实施例中，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：采用icp设备，以cl2和bcl3的混合气体为刻蚀气体，对晶圆进行干法刻蚀，使刻蚀结构深度为h1，宽度为d1，且h1＜h。
31.在一些优选实施例，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：通过腐蚀溶液对经干法刻蚀后的晶圆进行湿法腐蚀，使腐蚀结构深度达到h，宽度为d。
32.在一些更为优选的实施例中，所述腐蚀溶液采用体积比为1∶1∶8的磷酸、双氧水和纯水的混合溶液，且所述腐蚀溶液的腐蚀速率为0.7～0.9μm/min。
33.在一些优选实施例中，所述晶圆的材质可以包括砷化镓，但不局限于此。
34.在一些优选实施例中，所述的半导体晶圆的刻蚀方法，包括：将光刻胶旋涂于晶圆表面，通过光刻、显影工艺将光刻版上的图形转移至晶圆表面，形成具有原始光刻版图的光刻胶抗蚀层。
35.在一些更为优选的实施例中，所述旋涂的预转速度为300～800r/min，预转时间为4～8s，旋转速度为2000～5000r/min，旋转时间为20～50s。
36.本发明实施例的另一个方面提供了由前述刻蚀方法制得的半导体晶圆，其具有陡直且光滑的微纳结构，所述微纳结构的最小宽度的直径＞1μm。
37.本发明实施例还提供了一种微纳光学器件，包括由前述刻蚀方法制得的半导体晶圆。
38.本发明实施例提供的半导体晶圆的刻蚀方法，采用干湿法混合刻蚀同一种材料，干法刻蚀提高结构陡直度，而在湿法刻蚀过程中，腐蚀液会不断对干法刻蚀的侧壁上的凸起进行修饰，以降低侧壁粗糙度，进而得到陡直且光滑的微纳结构。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例将做出了详细的说明。
40.实施例
41.一种半导体晶圆的刻蚀方法，包括如下步骤：
42.(1)如图1所示，根据结构深度为12μm，宽度为5μm的目标图形1，在光刻版上形成宽度大于目标图形1宽度的原始光刻版图2；
43.(2)将光刻胶旋涂于砷化镓材质的晶圆表面，通过光刻、显影工艺将光刻版上的图形转移至晶圆表面，形成具有原始光刻版图的光刻胶抗蚀层；其中，旋涂的预转速度为600r/min，预转时间为5s，旋转速度为3000r/min，旋转时间为30s；
44.(3)采用icp设备，以cl2和bcl3的混合气体为刻蚀气体，对晶圆进行干法刻蚀，如图2所示，使刻蚀结构深度为8μm，宽度与原始光刻版图2的宽度一致；
45.(4)采用体积比为1∶1∶8的磷酸、双氧水和纯水的混合溶液对干法刻蚀后的晶圆进行湿法刻蚀，继续刻蚀8um的深度，使刻蚀结构深度达到12μm，且磷酸、双氧水和纯水的混合溶液会不断对干法刻蚀的侧壁上的凸起进行修饰，如图3所示，以达到与目标图形1深度及宽度一致的微纳结构3，其sem图，如图4所示，所得微纳结构3的侧壁陡直度高，且更为平整光滑，无毛边现象。
46.对比例1
47.本对比例提供的半导体晶圆的刻蚀方法，与实施例相比，步骤大致相同，区别点在于，仅采用干法刻蚀，所得的微纳结构的sem图，如图5所示，所得微纳结构的侧壁毛边现象严重，且粗糙度较大。
48.对比例2
49.本对比例提供的半导体晶圆的刻蚀方法，与实施例相比，步骤大致相同，区别点在于，仅采用湿法刻蚀，所得的微纳结构的sem图，如图6所示，所得微纳结构，虽然侧壁较为光滑，但陡直度较低，会影响产品性能。
50.此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
51.尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。