專利名稱：形成取樣光柵的方法以及制作激光二極管的方法
技術領域：
本發明涉及一種形成取樣光柵的方法以及制作激光二極管的方法。
背景技術：
日本未審查專利申請公開No. 2009-53271 (專利文獻I)描述了一種使用納米壓印技術制作分布式反饋激光二極管的方法。在該方法中，通過納米壓印技術在半導體層中形成衍射光柵的圖案。另外，非專利文獻I (V. Jayaraman等人，"Widely tunablecontinuous-wave InGaAsP/InP sampled grating lasers'Electronics letters,Vol. 30,No. 18，pp. 1492-1494，(1994年9月I日))描述了一種包括取樣光柵(SG)的分布式反饋激光二極管
發明內容
作為形成包括在激光二極管中的衍射光柵的方法，正在考慮使用納米壓印技術的方法。通過在形成衍射光柵中使用納米壓印技術，能夠減少諸如激光二極管的器件的制作成本。當通過納米壓印技術形成衍射光柵時，首先在其上將要形成衍射光柵的半導體層上形成樹脂層。然后將包括具有與衍射光柵的形狀對應的周期性凸起和凹陷的圖案的模具推靠到樹脂層，并且在該狀態下硬化樹脂層。這使得模具的具有凸起和凹陷的圖案轉移到樹脂層。之后，通過將樹脂層的形狀轉印到半導體層，在半導體層上形成精細結構。然而，在制作包括取樣光柵的分布式反饋激光二極管時，當使用納米壓印技術形成取樣光柵時存在下述問題。S卩，取樣光柵具有形成衍射光柵的部分以及沒有形成衍射光柵的部分周期性交替的結構。例如，取樣光柵的濾波特性和耦合效率取決于取樣光柵的結構特征而變化，諸如取決于形成衍射光柵的部分的周期方向長度(形成衍射光柵的部分中的凹陷的數目)、沒有形成衍射光柵的部分的周期方向長度以及在諧振器的方向上的形成衍射光柵的部分的位置而變化。然而，當通過納米壓印技術形成多個取樣光柵時，使用一個模具形成的多個取樣光柵都包括相同的圖案，從而它們都具有相同的結構。因此，為了形成具有各種結構的取樣光柵，需要制備包括具有與各種結構對應的凸起和凹陷的圖案的多種模具。一般來說，模具例如由石英制成。另外，例如通過電子束光刻在模具的表面上形成具有高精度的精細圖案。因此，制作成本相對高并且制造時間長。根據本發明的方面的形成取樣光柵的方法包括下述步驟制備襯底；制備納米壓印模具，該納米壓印模具包括其上周期性地形成有凸起和凹陷的圖案表面；制備掩模，該掩模包括交替地設置在第一方向上的光遮擋部分和光透射部分；將光致抗蝕劑層和樹脂部按序形成在襯底上；通過按壓模具的圖案表面使其與樹脂部接觸并且在保持接觸的同時硬化樹脂部來形成具有凸起和凹陷的圖案化樹脂部，在樹脂部上形成的凸起和凹陷被設置在第二方向上；通過利用通過掩模和圖案化樹脂部的曝光光來照射光致抗蝕劑層而曝光光致抗蝕劑層的一部分；通過顯影光致抗蝕劑層來形成圖案化光致抗蝕劑層，該圖案化光致抗蝕劑層包括形成在光致抗蝕劑層的該部分上的具有凸起和凹陷的圖案；并且使用該圖案化光致抗蝕劑層來蝕刻襯底以形成不具有帶有凸起和凹陷的圖案的第一部分和具有帶有凸起和凹陷的圖案的第二部分。另外，在曝光光致抗蝕劑層的該部分的步驟中，光致抗蝕劑層包括曝光光被掩模的光遮擋部分遮擋的第一區域和曝光光透射通過掩模的光透射部分的第二區域，并且光致抗蝕劑層的第二區域暴露于透射通過樹脂部中的凹陷的曝光光。此外，在蝕刻襯底的步驟中，交替地形成第一部分和第二部分，第一部分對應于光致抗蝕劑層的第一區域的形狀，第二部分對應于光致抗蝕劑層的第二區域的形狀。在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，在制備掩模的步驟中，可以制備多個掩模，每個掩模包括具有交替地設置在第一方向上的光遮擋部分和光透射部分的圖案，多個掩模具有彼此不同的圖案。另外，在曝光光致抗蝕劑層的該部分的步驟中，從多個掩模中選擇的掩模中的一個可以用于曝光光致抗蝕劑層的該部分。此外，每個掩模可以包括沿著第 一方向的長度與其它掩模中的每一個的光遮擋部分的長度不同的光遮擋部分，或者包括沿著第一方向的長度與其它掩模中的每一個的光透射部分的長度不同的光透射部分。在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，能夠基于掩模的光透射部分和光遮擋部分的形狀來控制將要形成的取樣光柵中沿著波導方向的每個衍射光柵部分的長度以及將要形成的取樣光柵中沿著波導方向的每個無衍射光柵部分的長度。更具體地，基于例如掩模中每個光透射部分的長度以及從一個光透射部分到與其相鄰的另一光透射部分的長度，能夠控制取樣光柵中其對應的衍射光柵部分的長度以及取樣光柵中其對應的無衍射光柵部分的長度。因此，如果制備具有彼此不同的圖案的多個掩模，能夠使用一種類型的模具形成具有多個不同結構的取樣光柵。更具體地，如果制備每個均包括長度與其它掩模中的每一個的光遮擋部分的長度不同的光遮擋部分或者包括長度與其它掩模中的每一個的光透射部分的長度不同的光透射部分的多個掩模，能夠使用一種類型的模具形成具有多個不同結構的取樣光柵。掩模的制作成本通常大致小于或等于模具的制作成本的十分之一。因此，根據本發明的形成取樣光柵的方法，能夠以低成本形成各種形式的取樣光柵。此外，在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，曝光光致抗蝕劑層的該部分的步驟優選地包括下述步驟調整掩模和樹脂部之間的相對位置，從而在使光致抗蝕劑層和掩模彼此相對之后，掩模的第一方向平行于樹脂部的第二方向。在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，分別抑制了實際衍射光柵周期以及取樣光柵的每個衍射光柵部分中的凹陷的數目與想要的值的偏差。此外，在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，樹脂部可以由熱塑性樹脂或者熱固性樹脂形成。在形成圖案化樹脂部的步驟中，模具的具有凸起和凹陷的圖案可以通過熱納米壓印方法轉印到樹脂部。此外，在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，樹脂部可以由紫外線固化樹脂形成。在形成光致抗蝕劑層和樹脂部的步驟中，可以在光致抗蝕劑層和樹脂部之間進一步形成遮光層。此外，在形成圖案化樹脂部的步驟中，模具的具有凸起和凹陷的圖案通過光學納米壓印方法轉印到樹脂部。該方法可以進一步包括通過利用圖案化樹脂部用作掩模來蝕刻遮光層而形成具有凸起和凹陷的圖案化遮光層。在曝光光致抗蝕劑層的該部分的步驟中，可以通過利用通過掩模、圖案化樹脂部和圖案化遮光層的曝光光照射光致抗蝕劑層來曝光光致抗蝕劑層的該部分。在光致抗蝕劑層上形成的遮光層反射和/或吸收紫外(UV)射線。因此，當在樹脂部上形成具有凸起和凹陷的圖案時，能夠防止光致抗蝕劑層暴露于紫外射線。因此，能夠通過光學納米壓印方法在樹脂部上適當地形成具有凸起和凹陷的圖案。另外，能夠通過利用圖案化樹脂部用作掩模來蝕刻遮光層以形成圖案化遮光層并且然后通過利用通過掩模、圖案化樹脂部和圖案化遮光層的曝光光照射光致抗蝕劑層來適當地曝光光致抗蝕劑層的一部分。此外，在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，在于襯底上形成光致抗蝕劑層和樹脂部的步驟中，可以在襯底和光致抗蝕劑層之間形成轉印層，該轉印層由電介質膜形成。 該方法可以進一步包括通過利用圖案化光致抗蝕劑層用作掩模來蝕刻該轉印層而形成具有凸起和凹陷的圖案化轉印層的步驟。另外，在蝕刻襯底的步驟中，可以使用圖案化轉印層來蝕刻襯底。此外，在根據本發明的形成取樣光柵的方法中，制備襯底的步驟可以包括在襯底上形成堆疊半導體層的步驟，該堆疊半導體層包括其上形成取樣光柵的半導體層。根據本發明的另一方面的制作激光二極管的方法包括下述步驟在襯底上形成堆疊半導體層，該堆疊半導體層包括有源層和用于在其上形成取樣光柵的半導體層；在半導體層上形成取樣光柵，在取樣光柵上形成嵌入層；以及形成用于將電流注入到有源層中的電極。形成取樣光柵的步驟包括下述步驟制備納米壓印模具，該納米壓印模具包括其上周期性地形成有凸起和凹陷的圖案表面；制備掩模，該掩模包括交替地設置在第一方向上的光遮擋部分和光透射部分；將光致抗蝕劑層和樹脂部按序形成在襯底上；通過按壓模具的圖案表面使其與樹脂部接觸并且在保持接觸的同時硬化樹脂部來形成具有凸起和凹陷的圖案化樹脂部，在樹脂部上形成的凸起和凹陷被設置在第二方向上；通過利用通過掩模和圖案化樹脂部的曝光光來照射光致抗蝕劑層而曝光光致抗蝕劑層的一部分；通過顯影光致抗蝕劑層來形成圖案化光致抗蝕劑層，該圖案化光致抗蝕劑層包括形成在光致抗蝕劑層的該部分上的具有凸起和凹陷的圖案，并且使用該圖案化光致抗蝕劑層來蝕刻襯底以形成不具有帶有凸起和凹陷的圖案的第一部分和具有帶有凸起和凹陷的圖案的第二部分。另外，在曝光光致抗蝕劑層的該部分的步驟中，光致抗蝕劑層包括曝光光被掩模的光遮擋部分遮擋的第一區域和曝光光透射通過掩模的光透射部分的第二區域，并且光致抗蝕劑層的第二區域暴露于透射通過樹脂部中的凹陷的曝光光。在蝕刻襯底的步驟中，交替地形成第一部分和第二部分，第一部分對應于光致抗蝕劑層的第一區域的形狀，第二部分對應于光致抗蝕劑層的第二區域的形狀。在根據本發明的制作激光二極管的方法中，由于通過上述形成方法形成取樣光柵，因此能夠以低成本形成具有各種結構的取樣光柵。因此，根據本發明的制作激光二極管的方法，能夠以低成本制作包括具有各種結構的取樣光柵的激光二極管。
圖I是在模具制備步驟中制備的模具的平面圖。圖2是圖I中所示的模具區域的放大平面圖。
圖3是沿著圖2中所示的模具的線III-III截取的截面圖。圖4是在掩模制備步驟中制備的掩模的平面圖。圖5是圖4中所示的掩模區域的放大平面圖。圖6是示出堆疊半導體層形成步驟和樹脂部形成步驟的截面圖。圖7是示出納米壓印步驟的截面圖。圖8是示出納米壓印步驟的截面圖。圖9是示出納米壓印步驟的截面圖。
圖10是示出納米壓印步驟的平面圖。圖11是示出部分曝光步驟的截面圖。圖12是示出調整步驟的平面圖。圖13是示出調整步驟的平面圖。圖14是示出部分曝光步驟的截面圖。圖15是示出顯影步驟的截面圖。圖16是示出光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖17是示出光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖18是示出光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖19是示出臺面部分形成步驟和電極形成步驟的部分剖視透視圖。圖20是示出根據第二實施例的樹脂部形成步驟的截面圖。圖21是示出根據第二實施例的納米壓印步驟的截面圖。圖22是示出根據第二實施例的納米壓印步驟的截面圖。圖23是示出根據第二實施例的遮光層蝕刻步驟的截面圖。圖24是示出根據第二實施例的部分曝光步驟的截面圖。圖25是示出根據第二實施例的顯影步驟的截面圖。圖26是示出根據第二實施例的光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖27是示出根據第二實施例的光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖28是示出根據第二實施例的光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。
具體實施例方式將在下面參考附圖詳細描述根據實施例的形成取樣光柵的方法和制作激光二極管的方法。在附圖中，盡可能地將相同的附圖標記給予對應的組件。為了使得附圖的查看更加容易，附圖中的結構組件中以及結構組件之間的尺寸比例是任意設定的。第一實施例根據第一實施例的制作激光二極管的方法包括在半導體襯底上沉積堆疊半導體層的步驟(堆疊半導體層形成步驟)、在堆疊半導體層中的半導體層上形成取樣光柵的步驟(取樣光柵形成步驟)、臺面部分形成步驟以及電極形成步驟。在形成取樣光柵的步驟中，通過根據第一實施例的形成取樣光柵的方法形成取樣光柵。根據第一實施例的形成取樣光柵的方法包括模具制備步驟、掩模制備步驟、樹脂部形成步驟、納米壓印步驟、部分曝光步驟、顯影步驟和光致抗蝕劑層轉印步驟。將在下面詳細描述這些步驟中的每一個。模具制備步驟
首先，執行制備模具I的步驟(模具制備步驟)。圖I是在模具制備步驟中制備的模具I的平面圖。圖2是圖I中所示的模具區域IA的放大平面圖。圖3是沿著圖2中所示的模具I的線III-III截取的截面圖。如圖I中所示，在該步驟中制備的用于納米壓印的模具I是具有基本上平坦圖案表面IP的平板。用于納米壓印的模具I由例如石英或者硅酮樹脂形成。在圖I中，示出了矩形坐標系2。在該矩形坐標系2中，Z軸設定在模具I的厚度方向上，并且X軸和Y軸設定為與圖案表面IP平行。在圖2以及下面的附圖中，如果必要的話，則示出該矩形坐標系2。如圖I中所示,多個線和間隔(line-and-space)圖案(具有周期性凸起和凹陷的圖案)3P形成在根據第一實施例的模具I的圖案表面IP上。該多個線和間隔圖案3P形成為例如四行九列，如圖I中所示。如圖2和圖3中所示，在Z軸的負方向上凹陷的并且沿著X軸延伸的多個凹陷3設置在圖案表面IP中。這些多個凹陷3限定了各個線和間隔圖案3P。在圖案表面IP中，沿著Y軸周期性地設置該多個凹陷3。即，在圖案表面IP中，沿著與 Y軸平行的方向3C周期性地設置多個凹陷3。每個線和間隔圖案3P的多個線部分具有基本上相同的形狀并且沿著X軸延伸。沿著YZ平面的每個線部分的橫截面形狀基本上為矩形。成為每個線和間隔圖案3P的多個間隔的多個凹陷3基本上具有相同的形狀，并且沿著X軸延伸。沿著YZ平面的每個凹陷3的橫截面形狀基本上為矩形。每個線和間隔圖案3P的形狀與取樣光柵21P (下面描述)(參見圖18)的每個衍射光柵部分21B中的多個凹陷21D的形狀對應。多個凹陷3被設置的周期基本上等于取樣光柵21P (下面描述)(參見圖18)的每個衍射光柵部分21B中的多個凹陷21D被設置的周期。這里，多個凹陷3的一個周期等于沿著Y軸方向的每個線和間隔圖案3P的一個線部分的寬度與沿著Y軸方向的一個凹陷3的寬度之和。掩模制備步驟接下來，執行掩模制備步驟。圖4是在掩模制備步驟中制備的掩模7的平面圖。圖5是圖4中所示的掩模7的區域7A的放大平面圖。如圖4和圖5中所示，在該步驟中制備的掩模7是具有基本上平坦表面的平板。在圖4和圖5中，Z軸設定在掩模7的厚度方向上。X軸和Y軸被設定為平行于掩模7的表面。掩模7包括光遮擋部分7S和設置在光遮擋部分7S處的多個光透射部分7T。光遮擋部分7S是用于遮擋沿著Z軸方向傳播的光的區域。光透射部分7T是用于使沿著Z軸方向傳播的光透射通過的區域。多個光透射部分7T沿著平行于Y軸的方向周期性地設置在掩模7的表面中。SP，多個光透射部分7T沿著平行于Y軸的方向7C周期性地設置在掩模7的表面中。沿著方向7C的光透射部分7T的寬度W7T小于沿著方向3C的模具I的線和間隔圖案3P的長度。另夕卜，光透射部分7T的寬度W7T大于方向3C上的模具I的凹陷3的寬度(參見圖I和圖2)。一個光透射部分7T和與其相鄰的另一光透射部分7T之間沿著方向7C的長度B7T小于沿著方向3C的模具I的線和間隔圖案3P的長度。此外，長度B7T大于沿著方向3C的模具I的凹陷3的寬度(參見圖I和圖2)。方向7C上的多個光透射部分7T的周期大于方向3C上的模具I的多個凹陷3的周期(參見圖2)。此外，光遮擋部分7S和光透射部分7T沿著方向7C以下述周期交替地布置在掩模7的表面處，所述周期等于相鄰的光透射部分7T之間的長度B7T與對應的光透射部分7T的寬度W7T之和(B7T+W7T)。在第一實施例中，每個光透射部分7T的寬度W7T對應于沿著Y軸方向的取樣光柵21P (下面描述)的每個衍射光柵部分21B的長度。另一方面，長度B7T對應于沿著Y軸方向的取樣光柵21P (下面描述)的每個無衍射光柵部分21A的長度。沿著X軸方向的每個光透射部分7T的長度比沿著X軸方向的模具I的每個凹陷3的長度長。根據第一實施例的每個光透射部分7T是開口。每個光透射部分7T可以由諸如石英的、允許用于曝光(下面描述)的光LE (參見圖14)透射通過的材料形成。另一方面，光遮擋部分7S由諸如氧化鉻的、基本上不能透射用于曝光(下面描述)的光LE (參見圖14)的材料形成。在掩模制備步驟中，制備形狀彼此不同的多個掩模7，每個掩模7包括光透射部分7T和光遮擋部分7S。即，制備具有不同類型的結構的多個掩模7。例如，不同類型的結構的 沿著方向7C的光透射部分7T的寬度W7T、從一個光透射部分7T到與其相鄰的另一光透射部分7T的長度B7T以及方向7C上的光透射部分7T的周期彼此不同。堆疊半導體層形成步驟接下來，執行堆疊半導體層形成步驟。圖6是示出堆疊半導體層形成步驟以及是接下來步驟的樹脂部形成步驟的截面圖。在堆疊半導體層形成步驟中，首先，在半導體襯底11的主表面上沉積用于形成激光二極管的堆疊半導體層23。更具體地，如圖6中所示，通過例如諸如金屬有機氣相沉積(MOVPE)的外延生長方法將下披覆層13、下光限制層15、有源層17、上光限制層19和半導體層21按序沉積在半導體襯底11上。半導體襯底11、下披覆層13、下光限制層15、有源層17、上光限制層19和半導體層21構成堆疊半導體層23。如圖6和之后的附圖中所示，矩形坐標系2的Z軸被設定在半導體襯底11的厚度方向上。另一方面，X軸和Y軸被設定在與半導體襯底11的主表面平行的方向上。半導體襯底11的主表面和后表面是基本上平行于XY平面的平面表面。下披覆層13、下光限制層15、有源層17、上光限制層19和半導體層21堆疊的方向沿著Z軸。半導體襯底11是第一導電類型(諸如η型)半導體襯底。半導體襯底11由例如包含例如銦磷(InP)的III-V族化合物半導體形成。下披覆層13由包含例如InP的第一導電類型的III-V族化合物半導體形成。下光限制層15由包含例如鎵銦砷磷(GaInAsP)的第一導電類型的III-V族化合物半導體形成。有源層17可以具有例如多量子阱(MQW)結構或單量子阱(SQW)結構。有源層17由包含例如GaInAsP或者鋁鎵銦砷(AlGaInAs)的III-V族化合物半導體形成。上光限制層19由包含例如GaInAsP的第二導電類型的III-V族化合物半導體形成。(如果第一導電類型為η型，則第二導電類型是P型)。半導體層21由包含例如GaInAsP的第二導電類型的III-V族化合物半導體形成。取樣光柵21Ρ (參見圖18)形成在半導體層21上。堆疊半導體層23不需要包括下光限制層15和上光限制層19。樹脂部形成步驟接下來，執行樹脂部形成步驟。如圖6中所示，將轉印層25、光致抗蝕劑層27和樹脂部29按序形成在半導體層21上。轉印層25由例如諸如氮化硅(SiN)或氧氮化硅(SiON)的電介質膜形成。通過例如化學氣相沉積(CVD)方法形成轉印層25。在第一實施例中，光致抗蝕劑層27是正性光致抗蝕劑。樹脂部29由諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的熱塑性樹脂或者諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的熱固性樹脂形成。光致抗蝕劑層27和樹脂部29可以通過例如涂覆形成。在本步驟中，不需要形成轉印層25。納米壓印步驟接下來，執行納米壓印步驟。圖7至圖9每個均是示出納米壓印步驟的截面圖。圖10是示出納米壓印步驟的平面圖。在該步驟中，通過熱納米壓印方法將模具I的多個凹陷3的形狀轉印到樹脂部29。更具體地，首先，當樹脂部29由熱塑性樹脂形成時，將樹脂部29加熱到大于或等于其熔點或者其玻璃化轉變溫度的溫度，以軟化樹脂部29。當樹脂部29由熱固性樹脂形成時，不需要執行加熱。接下來,如圖7中所示,模具I的圖案表面IP被壓靠樹脂部29，以使圖案表面IP與樹脂部29接觸。在保持模具I的圖案表面IP被推靠到樹脂部29并且與樹脂部29接觸 的同時，硬化樹脂部29。當樹脂部29由熱塑性樹脂形成時，通過將樹脂部29冷卻到小于或等于其熔點或者其玻璃化轉變溫度的溫度來硬化樹脂部29。另一方面，當樹脂部29由熱固性樹脂形成時，可以通過將樹脂部29加熱到大于或等于其聚合溫度的溫度來硬化樹脂部29。接下來，如圖8中所示，從樹脂部29分離模具I。這使得模具I的圖案表面IP的反轉形狀轉印到樹脂部29。即，多個凹陷29D形成在樹脂部29中。通過多個凹陷29D限定具有模具I的圖案表面IP的反轉形狀的線和間隔圖案。接下來，如圖9中所示，通過例如使用氧氣(O2)的反應離子蝕刻(RIE)方法，蝕刻樹脂部29使得多個凹陷29D到達光致抗蝕劑層27。這時，在多個凹陷29D處暴露光致抗蝕劑層27的表面。圖10是在例如圖9中所示的狀態的樹脂部的平面圖。如圖10中所示，多個凹陷29D限定具有模具I的圖案表面IP的反轉形狀的線和間隔圖案。因此，多個凹陷29D朝向Z軸凹陷并且沿著X軸延伸。多個凹陷29D沿著Y軸周期性地設置在樹脂部29的表面中。即，多個凹陷29D沿著平行于Y軸的方向29C周期性地設置在樹脂部29的表面中。部分曝光步驟接下來，執行部分曝光步驟。圖11和圖14是示出部分曝光步驟的截面圖。圖12和圖13是示出可以在部分曝光步驟中執行的調整步驟的平面圖。在部分曝光步驟中，首先，如圖11中所示，使光致抗蝕劑層27和掩模7的表面通過樹脂部29彼此相對。之后，可以執行調整步驟。圖12和圖13是示出光致抗蝕劑層和掩模彼此相對的狀態的平面圖。如圖12中所示，在光致抗蝕劑層27和掩模7的表面彼此相對的狀態下，掩模7的光透射部分7T的方向7C與樹脂部29的多個凹陷29D的方向29C可能彼此不平行。在該情況下，如圖13中所示，可以調整掩模7和樹脂部29之間的相對位置使得掩模7的光透射部分7T的方向7C與平行于樹脂部29的多個凹陷29D的方向29C平行或接近。如圖13中所示，在從Z軸方向看時光致抗蝕劑層27和掩模7的表面彼此相對的狀態中，掩模7的每個光透射部分7T與凹陷29D中的至少一個(在第一實施例中為3個)重疊。如圖11中所示，這使得光致抗蝕劑層27的第一區域27A被掩模7覆蓋。相反地，光致抗蝕劑層27的第二區域27B沒有被掩模7覆蓋。即，在該步驟中，光致抗蝕劑層27包括第一區域27A和第二區域27B。這時，第一區域27A對應于掩模7的光遮擋部分7S的部分并且第二區域27B對應于掩模7的光透射部分7T。接下來,如圖14中所示,利用通過掩模7的曝光光(exposing light)LE照射光致抗蝕劑層27。曝光光LE透射通過多個凹陷29D并且到達光致抗蝕劑層27。結果，在光致抗蝕劑層27的第二區域27B中，在樹脂部29的多個凹陷29D下面的區域27E被曝光。這里，在光致抗蝕劑層27中，由于光被掩模7的光遮擋部分7S阻擋，因此第一區域27A沒有被曝光。在第二區域27B中，由于光被樹脂部29阻擋，因此被樹脂部29覆蓋的區域沒有被曝光。顯影步驟
接下來，執行顯影步驟。圖15是示出顯影步驟的截面圖。在該步驟中，如圖15中所示，通過堿顯影劑顯影光致抗蝕劑層27。這使得多個凹陷27D形成在光致抗蝕劑層27的第二區域27B中。結果，樹脂部29的具有非反轉形狀的圖案被轉印到光致抗蝕劑層27的第二區域27B。此時，多個凹陷27D形成在第二區域27B中。多個凹陷27D限定第二區域27B中的線和間隔圖案。由凹陷限定的圖案沒有形成在光致抗蝕劑層27的第一區域27A中。光致抗蝕劑層轉印步驟接下來，執行光致抗蝕劑層轉印步驟。圖16至圖18是示出光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。在該步驟中，光致抗蝕劑層27的第一區域27A和第二區域27B的形狀被轉印到半導體層21。更具體地，首先，如圖16中所示，通過例如使用四氟化碳(CF4)氣體作為蝕刻氣體的反應離子蝕刻(RIE)方法選擇性地蝕刻轉印層25。在該蝕刻工藝中，使用圖案化的光致抗蝕劑層27作為蝕刻掩模。這使得光致抗蝕劑層27的形狀轉印到轉印層25。限定線和間隔圖案的多個凹陷2 形成在轉印層25中。接下來，如圖17中所示，例如，通過使用氧氣(O2)的等離子體灰化，移除光致抗蝕劑層27和樹脂部29。然后，如圖18中所示，通過例如使用甲烷(CH4)和氫氣(H2)的混合氣體作為蝕刻氣體的反應離子蝕刻(RIE)方法來蝕刻半導體層21。在該蝕刻工藝中，使用轉印層25作為蝕刻掩模。在半導體層21中形成多個凹陷21D。之后，例如通過使用氫氟酸的濕法蝕刻技術移除轉印層25。在光致抗蝕劑層轉印步驟中，在半導體層21中形成具有與光致抗蝕劑層27的第一區域27A(參見圖15)的形狀對應的形狀的無衍射光柵部分21A。此外，在半導體層21中形成了具有與光致抗蝕劑層27的第二區域27B (參見圖15)的形狀對應的形狀的衍射光柵部分21B。結果，在半導體層21中形成了取樣光柵21P。這時，取樣光柵21P包括沿著Y軸交替地設置的無衍射光柵部分21A和衍射光柵部分21B。在第一實施例中，由取樣光柵21P的每個衍射光柵部分21B中的多個凹陷21D限定的線和間隔圖案對應于由模具I的圖案表面IP中多個凹陷3限定的線和間隔圖案3P的反轉形狀。當在樹脂部形成步驟中沒有形成轉印層25時，例如，在圖15中所示的光致抗蝕劑層27用作掩模的情況下，通過使用甲烷(CH4)和氫氣(H2)的混合氣體的反應離子蝕刻(RIE)方法蝕刻半導體層21。之后，例如，通過使用氧氣(O2)的等離子體灰化，移除光致抗蝕劑層27和樹脂部29。如圖18中所示，在半導體層21上形成取樣光柵21P。在執行了上述步驟之后，根據第一實施例的形成取樣光柵的方法結束。臺面部分形成步驟和電極形成步驟接下來，執行臺面部分形成步驟和電極形成步驟。在這些步驟中，首先，如圖19中所示，在其上形成有取樣光柵21P的半導體層21上通過MOVPE形成嵌入層31。取樣光柵21P嵌入在嵌入層31中。嵌入層31由包含例如InP的第二導電類型的III-V族化合物半導體形成。嵌入層31由與半導體層21的材料不同的材料形成。因此，嵌入層31和半導體層21的折射率彼此不同。嵌入層31用作第一上披覆層。之后，通過例如濕法蝕刻技術蝕刻嵌入層31、半導體層21、上光限制層19、有源層17、下光限制層15和下披覆層13。然后，形成半導體臺面。半導體臺面具有沿著Z軸方向突出并且沿著Y軸方向延伸的形式。此外，形成其中嵌入半導體臺面的掩埋層33。然后，第二上披覆層35形成在掩埋層33和嵌入層31上。掩埋層33由包含例如鐵(Fe)摻雜的InP 的半絕緣III-V族化合物半導體層形成。掩埋層33可以具有其中包含例如InP的第二導電類型的III-V族化合物半導體層(第一阻擋層)以及包含例如InP的第一導電類型的III-V族化合物半導體層(第二阻擋層)按序堆疊的掩埋結構。第二上披覆層35例如由包含例如InP的第二導電類型的III-V族化合物半導體形成。第二上披覆層35不必須形成。之后，將接觸層37和上電極39按序形成在第二上披覆層35上。接觸層37例如由包含例如鎵銦砷(GaInAs)的第二導電類型的III-V族化合物半導體形成。上電極39具有由例如鈦(Ti)/鉬(Pt)/金(Au)形成的堆疊結構。下電極41形成在半導體襯底11的后表面上。下電極41由例如金鍺鎳(AuGeNi)合金形成。通過執行上述步驟中的每一個，制作了包括取樣光柵21P的分布式反饋激光二極管50。在實施例中，使用在掩模制備步驟中制備的并且具有不同結構的掩模7。使用掩模7，能夠通過執行上述步驟中的每一個而在半導體層21上形成具有不同結構的取樣光柵21P。另外，能夠制作包括具有不同結構的取樣光柵21P的分布式反饋激光二極管50。在根據上述第一實施例的形成取樣光柵的方法中，能夠基于掩模7的結構來控制沿著周期性地設置取樣光柵21P的方向(S卩，Y軸)的每個衍射光柵部分21B的長度以及每個無衍射光柵部分21A的長度。更具體地，基于掩模7的每個光透射部分7T的沿著方向7C的寬度W7T和從一個光透射部分7T到與其相鄰的另一光透射部分7T的長度B7T來控制取樣光柵21P的結構(參見圖5和圖18)。因此，如果制備了具有多個結構的多個掩模7，則能夠使用一種類型的模具I形成具有多個結構的取樣光柵21P。掩模7的多個光透射部分7T在方向7C上的周期大于模具I的多個凹陷3在方向3C上的周期。因此，能夠使得掩模7的制作成本低于模具I的制作成本。因此，根據第一實施例的形成取樣光柵的方法，能夠以低成本形成具有各種結構的取樣光柵21P。此外，在根據第一實施例的形成取樣光柵的方法的部分曝光步驟中，首先，使得掩模7和光致抗蝕劑層27彼此相對。之后，執行調整步驟。在調整步驟中，將掩模7和樹脂部29之間的相對位置調整為掩模7的方向7C與平行于樹脂部29的方向29C的方向平行或接近(參見圖12和圖13)。這里，方向7C是周期性地設置掩模7的光透射部分7T的方向。方向29C是周期性地設置樹脂部29的多個凹陷29D的方向。該部分曝光步驟抑制了取樣光柵21P的每個衍射光柵部分21B中的凹陷21D的數目和實際衍射光柵周期與想要的數目和值的偏差。在根據第一實施例的制作激光二極管的方法中，能夠以低成本形成具有各種結構的取樣光柵21P。因此，根據第一實施例的制作激光二極管的方法，能夠以低成本制作包括具有各種結構的取樣光柵21P的多個分布式反饋激光二極管50 (參見圖19)。第二實施例接下來，將描述根據第二實施例的形成取樣光柵的方法和制作激光二極管的方法。根據第二實施例的形成取樣光柵的方法和制作激光二極管的方法與根據第一實施例的對應方法的不同之處在于根據第二實施例的方法每個均進一步包括遮光層蝕刻步驟。此夕卜，根據第二實施例的形成取樣光柵的方法和制作激光二極管的方法與根據第一實施例的對應方法的不同之處在于樹脂部形成步驟、納米壓印步驟、部分曝光步驟和光致抗蝕劑層轉印步驟。下面將主要描述第一和第二實施例之間的區別。沒有特別描述的內容與第一實施例中相同。 樹脂部形成步驟圖20是示出根據第二實施例的樹脂部形成步驟的截面圖。圖20對應于示出第一實施例的圖6。如圖20中所示，在根據第二實施例的樹脂部形成步驟中，將轉印層25、光致抗蝕劑層27、遮光層28和樹脂部29按序形成在半導體層21上。根據第二實施例的轉印層25和光致抗蝕劑層27由與根據第一實施例的轉印層25和光致抗蝕劑層27相同的材料形成。遮光層28由反射和/或吸收紫外(UV)射線的材料(下面描述)形成。例如，遮光層28由諸如鋁(Al)、鎳(Ni)或者鉻(Cr)的金屬材料或者諸如二氧化鈦(TiO2)的金屬氧化物材料形成。根據第二實施例的樹脂部29由包括例如預聚物、單體、光聚合劑以及添加劑的、通過利用使用紫外能量的光聚合硬化的樹脂(紫外線(UV)固化樹脂)形成。紫外線固化樹脂的代表性類型是丙烯酸樹脂和環氧樹脂。納米壓印步驟圖21和圖22每個均是示出根據第二實施例的納米壓印步驟的截面圖。圖21和圖22分別對應于示出第一實施例的圖7和圖9。在根據第二實施例的納米壓印步驟中，通過光學納米壓印方法將模具I的多個凹陷3的形狀轉印到樹脂部29。更具體地，首先，如圖21中所示，在模具I的圖案表面IP壓靠樹脂部29的情況下，利用從模具I上方通過模具I的紫外(UV)射線照射樹脂部29。然后，通過利用UV射線的照射硬化樹脂部29。在硬化過程中，由于遮光層28反射和/或吸收紫外(UV)射線，因此布置在遮光層28下面的光致抗蝕劑層27沒有被曝光。接下來，如圖22中所示，從樹脂部29分離模具I。之后，通過例如使用氧氣(02)的反應離子蝕刻(RIE)方法，蝕刻樹脂部29，從而多個凹陷29D到達遮光層28。然后，在多個凹陷29D處暴露遮光層28的表面。因此，如在第一實施例中，在樹脂部29中形成多個凹陷29D。遮光層蝕刻步驟接下來，執行遮光層蝕刻步驟。圖23是示出根據第二實施例的遮光層蝕刻步驟的截面圖。在該步驟中，如圖23中所示，通過例如使用氯氣(Cl2)的反應離子蝕刻(RIE)方法，在樹脂部29用作掩模的情況下蝕刻遮光層28。結果，樹脂部29的形狀被轉印到遮光部分28。通過該步驟，在遮光層28中形成多個凹陷28D。
部分曝光步驟在遮光層蝕刻步驟之后，執行部分曝光步驟。圖24是示出根據第二實施例的部分曝光步驟的截面圖。圖24對應于示出第一實施例的圖14。在根據第二實施例的部分曝光步驟中，首先，如圖24中所示，使得光致抗蝕劑層27和掩模7的表面通過樹脂部29和遮光層28彼此相對。之后，能夠如在第一實施例中執行調整步驟。如圖24中所不,如在第一實施例中，利用通過掩模7的曝光光LE照射光致抗蝕劑層27。曝光光LE透射通過多個凹陷29D和多個凹陷28D，并且到達光致抗蝕劑層27。在光致抗蝕劑層27的第二區域27B當中，在樹脂部29的多個凹陷29D下面的區域27E被曝光。這里，在光致抗蝕劑層27中，第一區域27A沒有被曝光。在第二區域27B中，由樹脂部29覆蓋的區域沒有被曝光。顯影步驟接下來，執行顯影步驟。圖25是示出根據第二實施例的顯影步驟的截面圖。圖25 對應于示出第一實施例的圖15。根據第二實施例的顯影步驟與根據第一實施例的顯影步驟相同。即，通過堿顯影劑顯影光致抗蝕劑層27，以在光致抗蝕劑層27的第二區域27B中形成多個凹陷27D。光致抗蝕劑層轉印步驟接下來，執行光致抗蝕劑層轉印步驟。圖26至圖28是每個均示出根據第二實施例的光致抗蝕劑層轉印步驟的截面圖。圖26至圖28分別對應于示出第一實施例的圖16至圖18。在該步驟中，光致抗蝕劑層27的第一區域27A和第二區域27B的形狀被轉印到半導體層21。更具體地，首先，如圖26中所示，如在第一實施例中，利用光致抗蝕劑層27用作掩模而選擇性地蝕刻轉印層25。然后，將光致抗蝕劑層27的形狀轉印到轉印層25。結果，在轉印層25中形成了多個凹陷25D。接下來，如圖27中所示，例如，通過使用氧氣(O2)的等離子體灰化，移除光致抗蝕劑層27、遮光層28和樹脂部29。然后，如圖28中所示，如在第一實施例中，利用轉印層25用作掩模來蝕刻半導體層21。然后，在半導體層21中形成多個凹陷21D。之后，通過使用例如氫氟酸的濕法蝕刻技術，移除轉印層25。通過該步驟，在半導體層21上形成與第一實施例中類似的取樣光柵21P。之后，如在第一實施例中，執行臺面部分形成步驟和電極形成步驟。然后，制作了包括取樣光柵21P的分布式反饋激光二極管50 (參見圖19)。在根據第二實施例的形成取樣光柵的方法中，由于與根據第一實施例的形成取樣光柵的方法中相同的原因，能夠以低成本形成具有各種形式的取樣光柵21P。在根據第二實施例的制作激光二極管的方法中，由于與根據第一實施例的形成半導體激光器的方法中相同的原因，能夠以低成本形成包括具有各種形式的取樣光柵的分布式反饋激光二極管(參見圖19)。本發明不限于上述實施例，從而能夠進行各種修改。例如，在上述實施例中的每一個中的樹脂部形成步驟中，使用正性光致抗蝕劑作為光致抗蝕劑層27的材料(參見圖6)。然而，可以使用負性光致抗蝕劑作為該材料。在該情況下，通過執行部分曝光步驟和顯影步驟，樹脂部29的形狀的反轉圖案被轉印到光致抗蝕劑層27的第二區域27B (參見圖14和圖15)。這時，由取樣光柵21P的每個衍射光柵部分21B中的多個凹陷21D限定的線和間隔圖案對應于由模具I的圖案表面IP中的多個凹陷3限定的線和間隔圖案3P的非反轉形狀(參見圖18)。在上述實施例中的每一個中，在設置在有源層17上的半導體層21上形成取樣光 柵21P (參見圖18)。然而，可以在設置在有源層17下面的層上形成取樣光柵21P。已經參考附圖基于優選實施例描述了本發明的原理。然而，本領域技術人員將理解的是，在不偏離該原理的情況下能夠在細節方面修改實施例。因此，權利要求的范圍和精神內的所有修改和變化都屬于本發明要求保護的內容。
權利要求
1.一種形成取樣光柵的方法，包括下述步驟 制備襯底； 制備納米壓印模具，所述納米壓印模具包括其上周期性地形成有凸起和凹陷的圖案表面； 制備掩模，所述掩模包括交替地設置在第一方向上的光遮擋部分和光透射部分； 將光致抗蝕劑層和樹脂部按序形成在所述襯底上； 通過按壓所述模具的所述圖案表面使其與所述樹脂部接觸并且在保持接觸的同時硬化所述樹脂部，來形成具有凸起和凹陷的圖案化樹脂部，在所述樹脂部上形成的所述凸起和凹陷被設置在第二方向上； 通過利用通過所述掩模和所述圖案化樹脂部的曝光光照射所述光致抗蝕劑層，來曝光所述光致抗蝕劑層的一部分； 通過顯影所述光致抗蝕劑層來形成圖案化光致抗蝕劑層，所述圖案化光致抗蝕劑層包括形成在所述光致抗蝕劑層的所述部分上的具有凸起和凹陷的圖案；以及 使用所述圖案化光致抗蝕劑層來蝕刻所述襯底，以形成不具有帶有凸起和凹陷的圖案的第一部分和具有帶有凸起和凹陷的圖案的第二部分， 其中，在曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分的步驟中，所述光致抗蝕劑層包括所述曝光光被所述掩模的所述光遮擋部分遮擋的第一區域和所述曝光光透射通過所述掩模的所述光透射部分的第二區域，并且所述光致抗蝕劑層的所述第二區域暴露于透射通過所述樹脂部中的所述凹陷的所述曝光光，并且 其中，在蝕刻所述襯底的步驟中，交替地形成所述第一部分和所述第二部分，所述第一部分對應于所述光致抗蝕劑層的所述第一區域的形狀，所述第二部分對應于所述光致抗蝕劑層的所述第二區域的形狀。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，在制備所述掩模的步驟中，制備多個掩模，每個掩模包括具有交替地設置在所述第一方向上的所述光遮擋部分和所述光透射部分的圖案，所述多個掩模具有彼此不同的圖案，并且 其中，在曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分的步驟中，從所述多個掩模中選擇的掩模中的一個用于曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，每個掩模包括在所述第一方向上的長度與其它掩模中的各個掩模的光遮擋部分的長度不同的光遮擋部分，或者包括在所述第一方向上的長度與其它掩模中的各個掩模的光透射部分的長度不同的光透射部分。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分的步驟包括下述步驟調整所述掩模和所述樹脂部之間的相對位置，從而在使所述光致抗蝕劑層和所述掩模彼此相對之后，所述掩模的所述第一方向平行于所述樹脂部的所述第二方向。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，所述樹脂部由熱塑性樹脂或者熱固性樹脂形成，并且 其中，在形成所述圖案化樹脂部的步驟中，所述模具的具有凸起和凹陷的圖案通過熱納米壓印方法轉印到所述樹脂部。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，所述樹脂部由紫外線固化樹脂形成， 其中，在形成所述光致抗蝕劑層和所述樹脂部的步驟中，在所述光致抗蝕劑層和所述樹脂部之間進一步形成遮光層， 其中，在形成所述圖案化樹脂部的步驟中，所述模具的具有凸起和凹陷的圖案通過光學納米壓印方法轉印到所述樹脂部， 其中，所述方法進一步包括通過利用所述圖案化樹脂部作為掩模蝕刻所述遮光層，來形成具有凸起和凹陷的圖案化遮光層的步驟，并且 其中，在曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分的步驟中，通過利用通過所述掩模、所述圖案化樹脂部和所述圖案化遮光層的曝光光照射所述光致抗蝕劑層來曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分。
7.如權利要求I所述的方法，其中，在于所述襯底上形成所述光致抗蝕劑層和所述樹脂部的步驟中，在所述襯底和所述光致抗蝕劑層之間形成轉印層，所述轉印層由電介質膜形成， 所述方法進一步包括通過利用所述圖案化光致抗蝕劑層作為掩模蝕刻所述轉印層，來形成具有凸起和凹陷的圖案化轉印層的步驟，并且 其中，在蝕刻所述襯底的步驟中，使用所述圖案化轉印層來蝕刻所述襯底。
8.根據權利要求I所述的方法，其中，制備所述襯底的步驟包括在所述襯底上形成堆疊半導體層的步驟，所述堆疊半導體層包括其上形成有所述取樣光柵的半導體層。
9.一種制作激光二極管的方法，包括下述步驟 在襯底上形成堆疊半導體層，所述堆疊半導體層包括有源層和用于在其上形成取樣光柵的半導體層； 在所述半導體層上形成所述取樣光柵， 在所述取樣光柵上形成嵌入層；以及 形成用于將電流注入到所述有源層中的電極， 其中，形成取樣光柵的步驟包括下述步驟 制備納米壓印模具，所述納米壓印模具包括其上周期性地形成有凸起和凹陷的圖案表面； 制備掩模，所述掩模包括交替地設置在第一方向上的光遮擋部分和光透射部分； 將光致抗蝕劑層和樹脂部按序形成在所述襯底上； 通過按壓所述模具的所述圖案表面使其與所述樹脂部接觸并且在保持接觸的同時硬化所述樹脂部，來形成具有凸起和凹陷的圖案化樹脂部，在所述樹脂部上形成的所述凸起和凹陷被設置在第二方向上； 通過利用通過所述掩模和所述圖案化樹脂部的曝光光照射所述光致抗蝕劑層，來曝光所述光致抗蝕劑層的一部分； 通過顯影所述光致抗蝕劑層來形成圖案化光致抗蝕劑層，所述圖案化光致抗蝕劑層包括形成在所述光致抗蝕劑層的所述部分上的具有凸起和凹陷的圖案；以及 使用所述圖案化光致抗蝕劑層來蝕刻所述襯底以形成不具有帶有凸起和凹陷的圖案的第一部分和具有帶有凸起和凹陷的圖案的第二部分， 其中，在曝光所述光致抗蝕劑層的所述部分的步驟中，所述光致抗蝕劑層包括所述曝光光被所述掩模的所述光遮擋部分遮擋的第一區域和所述曝光光透射通過所述掩模的所述光透射部分的第二區域，并且所述光致抗蝕劑層的所述第二區域暴露于透射通過所述樹脂部中的所述凹陷的曝光光，并且 其中，在蝕刻所述襯底的步驟中，交替地形成所述第一部分和所述第二部分，所述第一部分對應于所述光致抗蝕劑層的所述第一區域的形狀，所述第二部 分對應于所述光致抗蝕劑層的所述第二區域的形狀。
全文摘要
本發明公開了一種形成取樣光柵的方法以及制作激光二極管的方法。形成取樣光柵的方法包括下述步驟制備襯底；制備納米壓印模具，其包括其上周期性地形成有凸起和凹陷的圖案表面；制備掩模，其包括交替地設置的光遮擋部分和光透射部分；將光致抗蝕劑層和樹脂部按序形成在襯底上；通過按壓模具的圖案表面使其與樹脂部接觸并且在保持接觸的同時硬化樹脂部來形成具有凸起和凹陷的圖案化樹脂部；通過利用通過掩模和圖案化樹脂部的曝光光來照射光致抗蝕劑層而曝光光致抗蝕劑層的一部分；通過顯影光致抗蝕劑層來形成圖案化光致抗蝕劑層；以及使用該圖案化光致抗蝕劑層蝕刻襯底。
文檔編號G03F7/20GK102866443SQ20121023006
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者柳沢昌輝 申請人:住友電氣工業株式會社