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引言

磷化铟基光电子集成芯片的制造遵循一套成熟的通用工艺流程，使多种光学功能能够在单个芯片上高效集成。该工艺始于磷化铟衬底上的外延生长，并涉及多次生长和刻蚀步骤来定义波导结构。

图1：通用磷化铟基光电子集成芯片的波导结构示意图，展示了不同的组件，包括半导体光放大器（SOA）、相位调制器（PHM）和不同深度（2 μm和1.5 μm）的波导。该图展示了单一平台上集成的不同功能模块的横截面视图。

制造过程始于磷化铟衬底，作为整个器件的基础。衬底可以是n型掺杂或半绝缘型（SI），取决于特定应用需求。第一步是将衬底装入金属有机气相外延（MOVPE）反应器中，生长所需的层叠结构。这种层叠结构通常包含多量子阱（MQWs）作为有源介质，单独限制异质结构（SCHs），以及p掺杂和n掺杂的包层。

为了实现有源-无源对接集成，需要应用外延再生长工艺。关键思想是保持激光器和放大器区域内的多量子阱不变，同时从晶片上的其他区域移除多量子阱。然后，为相位调制器和波导再生长无源层叠结构。再生长的层叠结构与原始有源层叠具有相同的厚度，形成所谓的对接界面。

图2：外延再生长过程，展示了逐步的操作程序：(a) 磷化铟衬底，(b) 生长带有多量子阱的有源层叠，(c) 沉积SiNx硬掩模，(d) 有源区域的图形化，(e) 有源层叠的刻蚀，(f) 无源层叠的再生长，(g) p掺杂接触层的生长。

再生长过程首先在晶片上沉积一层介电硬掩模层（氮化硅SiNx和/或氧化硅SiOx）。通过光刻步骤将有源台面的掩模图形转移到光刻胶层，随后通过反应离子刻蚀（RIE）转移到SiNx层。然后通过湿法刻蚀将图形转移到有源层叠。

在SiNx硬掩模边缘下方故意创建一个下切，以补偿再生长过程中掩模边缘附近发生的生长速率增强效应，有助于实现平整的对接界面。这种下切的大小对获得光滑的对接界面非常重要。如果下切太小，再生长会发生在掩模上方（形成"兔耳"），如果太大，掩模下会形成空洞。

图3：(a) 为适当形成对接界面创建的下切剖面的扫描电子显微照片。(b) 下切太小导致掩模上的再生长。(c) 下切太大导致掩模下形成空洞。这些图例展示了在实现最佳对接界面中适当控制下切的重要性。

刻蚀有源层叠后，将晶片重新装入MOVPE反应器进行无源层叠的再生长。最后，第三次生长步骤实现p掺杂磷化铟包层，InGaAs接触层和薄磷化铟保护层。

图4：前三个波导RIE步骤：(h) SiNx硬掩模和光刻胶沉积，(i) 通过RIE进行SiNx掩模图形化，(j-l) 第一次ICP刻蚀步骤，使用厚光刻胶创建深波导，(m) 第二次ICP刻蚀步骤定义隔离部分深度，(n-q) 使用光刻胶掩模和湿法刻蚀定义电气隔离部分。

为了创建深波导和浅波导的不同刻蚀深度，进行额外的光刻以覆盖浅波导，只刻蚀深波导。这通过使用厚光刻胶实现。使用光刻胶和暴露的SiNx作为刻蚀掩模，进行感应耦合等离子体RIE（ICP-RIE）以定义深波导和浅波导之间的深度差异。

此刻蚀后，去除光刻胶层，第二次ICP刻蚀定义浅波导底部和隔离部分之间的深度差异。电气隔离部分的定义通过光刻胶掩模完成，随后使用缓冲氢氟酸（BHF）湿法刻蚀去除隔离波导顶部的SiNx掩模。

图5：第四个也是最后的波导RIE步骤：(r) 用光刻胶保护有源器件区域，(s) 通过BHF湿法刻蚀去除未保护区域的SiNx，(t) 去除光刻胶，(u) 最终ICP刻蚀步骤去除无源波导上的InGaAs并完成波导定义，(v) 完全去除SiNx。

最后的ICP刻蚀步骤去除无源波导顶部的重掺杂p型InGaAs层，这对低光学损耗非常重要。一层新的光刻胶保护需要InGaAs层进行接触金属化的有源器件（放大器、探测器和相位调制器）中的SiNx硬掩模。刻蚀过程后，所有波导结构都已实现，可以完全去除剩余的SiNx。

光刻过程的质量对波导形成非常重要。表面污染物如颗粒或有源-无源结处的不规则性可能导致波导结构中的显著缺陷。

图6：由光刻胶厚度变化引起的波导缺陷，可能发生在颗粒周围（左）或有源与无源区域之间的不完美结合处（右）。这些图像说明了污染物和界面不规则性如何中断波导的形成。

在沉积金属接触和互连之前，需要对晶片表面进行平坦化。这通过在晶片上旋涂多层聚酰亚胺（PI）实现。PI具有良好的平坦化特性，并在固化后保持稳定。

图7：接触开窗程序：(w) 旋涂多层聚酰亚胺进行平坦化，(x) RIE回刻接近p-InGaAs接触层，(y) 光刻和RIE刻蚀在聚酰亚胺中开窗，(z) PECVD沉积薄SiOx层以改善金属附着力。

为了接触p-InGaAs接触层，使用O2和CHF3混合气体的RIE过程对平坦化表面进行回刻，直到距离p-InGaAs层约100 nm。接下来，使用正性光刻胶进行光刻，开放InGaAs接触上方的区域。RIE刻蚀步骤去除InGaAs上方的PI材料。为了改善PI与金属之间的附着力，使用PECVD沉积一层薄的氧化硅（SiOx，50 nm）。

下一步是接触和互连金属化。通过使用与开窗相同的掩模进行光刻和RIE刻蚀步骤，去除InGaAs上方的SiOx。对于金属化过程，使用负性光刻胶暴露需要金属电极或互连的区域。

图8：接触和互连金属化：(aa) 从InGaAs接触区域去除SiOx，(bb) 金属化的负性光刻胶图形化，(cc) 在光刻胶剖面中创建负斜坡用于剥离，(dd) 金属化前InGaAs表面清洁，(ee) 通过电子束蒸发沉积Ti/Pt/Au，(ff) 金属剥离形成最终接触图案。

通过仔细控制曝光剂量，可以在光刻胶图案中实现负斜坡，这对后续的剥离过程非常重要。在金属沉积前，使用H2SO4:H2O2的高度稀释溶液进行清洁步骤，刻蚀掉顶部InGaAs材料的薄层，去除之前处理过程中积累的任何缺陷，产生新鲜的InGaAs表面。

使用电子束蒸发在晶片上沉积Ti/Pt/Au金属堆栈。由于光刻胶剖面中的负斜坡，光刻胶边缘处的金属是断开的，通过将晶片浸泡在如丙酮等有机溶剂中更容易去除光刻胶上的金属。这样就得到了所需的金属接触和互连图案。

使用RIE步骤去除暴露在空气中的SiOx，并在衬底背面沉积金属堆栈（Ti/Pt/Au）作为n接触。为了获得金属和半导体之间的最佳接触电阻，在高温（约400°C）下进行快速热退火（RTA）工艺，时间非常短（几十秒）。

图9：电镀过程：(gg) 初始金属化完成，(hh) 溅射沉积薄Ti/Au种子层，(ii) 光刻胶图形化定义电镀区域，(jj) 金电镀创建厚接触，(kk) 去除光刻胶，(ll) 种子层刻蚀完成制造过程。

电镀过程首先在晶片表面溅射沉积薄Ti/Au种子层（约50 nm）。此步骤使用溅射而非蒸发，因为溅射具有更好的台阶覆盖性。接下来，应用光刻步骤覆盖整个晶片表面，除了放大器和激光器区域。同时，衬底背面也用光刻胶保护。

晶片放置在金电镀槽中，连接到DC电源的阴极。因此，金在晶片表面的开放区域积累。通常，电镀金膜厚度为2-3 μm。应仔细选择电镀过程的参数，以避免电镀层中的大应力，这可能导致金从下层脱离。

最后，去除用于电镀的光刻胶，并通过湿化学方法刻蚀去除剩余的种子层。此时，晶片制造已经完成，可以进行后端处理，如裸片分割、抛光和涂层。

图10：五种基本功能模块的横截面扫描电子显微照片，显示不同功能组件：光放大器、相位调制器、浅波导和深波导。每个功能模块都有专为其特定光学功能优化的独特结构。

图11：功能性构建模块，展示了集成光子线路的完整横截面视图，包含不同组件：激光器、调制器、光电二极管以及各种波导类型（E200、E600、E1700）及加热器和电接触。这说明了最终器件中如何组合不同元素。

这些功能模块包括光放大器、相位调制器、浅波导和深波导，每种都有自己优化的结构。放大器和激光器包含用于光生成的有源多量子阱区域，而相位调制器利用半导体材料中的电光效应。浅波导和深波导作为有源组件之间的互连，其深度定制以提供特定的光学特性。

衬底和外延层的质量对磷化铟基光电子集成芯片的性能非常重要。高质量的单晶晶片是必不可少的，它们必须能承受非常高的光功率密度（>10 GW/cm²）和电流密度（>10 kA/cm²）。

衬底生长：磷化铟衬底使用布里奇曼法或捷克劳斯基法等技术生长为大型单晶。这些方法从多晶材料开始，将其熔化然后小心地凝固，形成单晶锭。

图12：衬底生产流程：1) 单晶生长，2) 圆柱形研磨，3) 切片，4) 边缘圆化，5) 激光标记，6) 抛光，7) 表征与检验。这一序列展示了从晶体锭到准备好用于器件制造的成品晶片的转变。

在生长单晶（晶锭）后，进行圆柱形研磨以获得圆形形状。然后将晶锭切片成晶片，接着进行边缘圆化处理，以防止处理过程中破裂。每个衬底接收唯一的激光标记序列号，并进行抛光以获得原子级平滑的表面。最后，在包装前对衬底进行表征和检验。

外延生长技术：对于磷化铟基光电子集成芯片，金属有机气相外延（MOVPE）是最广泛使用的生长技术。在MOVPE中，III族元素通过室温稳定的金属有机化合物如三甲基镓和三甲基铟提供，而V族元素则通过砷烷（AsH3）或磷烷（PH3）等氢化物提供。

图13：MOVPE反应器示意图，显示气体混合系统、前驱体源（AsH3、PH3、H2、TMI、TMG）、带有感应加热器和热电偶的反应室，以及废气处理系统。该图说明了从输入气体到生长衬底的材料完整流程。

在MOVPE反应器中，V族气体前驱体直接注入反应器。对于室温下为液体的III族前驱体，通过含有液体的鼓泡器通入H2气流产生蒸气。所有气体流在混合并注入反应室之前通过质量流量控制器（MFCs）精确控制。前驱体在晶片上方热区的溶解导致生长材料的沉积，形成新的外延层。

MOVPE过程可能根据生长温度在不同机制下运行。在质量传输限制（扩散限制）机制下，生长速率几乎不受温度影响，且在界面处达到热力学平衡。这种机制提供高度可控和可重现的生长条件。

光刻是磷化铟基光电子集成芯片制造的关键步骤，它将几何形状从掩模转移到半导体晶片表面。使用各种光刻技术，每种都有其优势和局限性。

接触和近距离光刻：在接触光刻中，掩模直接与晶片接触以进行曝光。近距离光刻在掩模和晶片之间保持小间隙。两种方法都使用1:1曝光，这意味着晶片上的图案与掩模上的图案大小相同。

图14：(a) 接触和近距离光刻示意图，展示紫外光如何通过掩模曝光晶片上的光刻胶。(b) 1:1曝光系统中近场衍射的示意图，展示衍射如何影响图案分辨率。

这些系统的分辨率受到衍射效应的限制，这取决于光的波长、掩模与晶片之间的间隙以及光刻胶厚度。实际上，使用i线紫外光（365 nm波长）时，分辨率限制在约500 nm。

投影光刻：投影光刻通过将掩模远离晶片并使用投影镜头将掩模图案投射到晶片上，解决了接触光刻的局限性。这减少了掩模损坏并提高了产量。

图15：(a) 投影光刻示意图，显示从光源经掩模和投影镜头到晶片的光路。(b) 投影光刻中远场成像的示意图，展示镜头如何捕获衍射图案重建图像。

投影光刻可达到的临界尺寸（CD）或最小特征尺寸由瑞利判据确定：CD = k1 × λ/NA，其中λ是波长，NA是投影镜头的数值孔径，k1表示特定工艺条件。这个方程表明，减小波长和增加NA可以提高分辨率，解释了行业向更短波长光源和更高NA光学系统发展的趋势。

刻蚀工艺用于从晶片上选择性地去除材料，为波导和其他组件创建所需结构。

湿法刻蚀：湿法刻蚀使用液体化学溶液去除材料。该过程可以是扩散限制或反应速率限制的，导致不同的刻蚀特性。扩散限制刻蚀剂倾向于更加各向同性，而反应限制刻蚀可以高度各向异性。

图16：(a) 带掩模的各向异性刻蚀行为，展示晶体取向如何影响刻蚀剖面。(b) 晶格中两种不同的(111)方向示意图，解释为什么{111}A平面（In原子暴露）比{111}B平面（P原子暴露）刻蚀得更慢。

磷化铟的晶体性质导致各向异性刻蚀行为。刻蚀特性主要受{111}A平面影响，具有最慢的刻蚀速率，而{111}B平面具有最高的刻蚀速率。这种各向异性可以通过控制掩模相对于晶体平面的取向，用来创建特定剖面，如V形槽或燕尾形结构。

反应离子刻蚀：反应离子刻蚀（RIE）结合了活性物种（自由基）的化学刻蚀和离子轰击的物理刻蚀。这种组合可以实现比单独使用任一机制更高的刻蚀速率和对刻蚀剖面更好的控制。

图17：反应离子刻蚀原理，展示关键机制：通过电场加速离子，扩散自由基与目标材料反应的化学刻蚀，离子轰击的物理分子剥离，以及目标层被吸附电子极化。

在许多RIE工艺中，刻蚀表面的钝化对于实现接近垂直的剖面非常重要。例如，使用CH4/H2气体混合物刻蚀磷化铟时，聚合物会沉积在侧壁上，保护它们免受横向刻蚀。刻蚀和钝化之间的适当平衡对于获得垂直侧壁是必不可少的。

两种常见的RIE配置是标准RIE和感应耦合等离子体RIE（ICP-RIE）。ICP-RIE提供更高的等离子体密度，同时保持较低的离子能量，适用于深刻蚀和高纵横比结构。

磷化铟基光电子集成芯片的制造涉及一系列复杂的工艺，从衬底准备和外延生长到光刻、刻蚀、金属化和后端处理。必须精确控制每个步骤以实现高性能器件。

通用磷化铟工艺为在单个芯片上集成各种光学功能提供了多功能平台。通过理解基本制造技术及其能力和局限性，设计人员可以创建充分利用磷化铟材料系统潜力的光电子集成芯片，使其适用于光通信、传感等应用。

参考文献