引言

p-i-n光電探測器封裝中最具挑戰性的任務之一是將光纖耦合到探測器。由于探測器和光纖的尺寸都非常小，精確和準確的對準非常關鍵。如今，在大多數情況下，這是通過耗時且成本高昂的主動對準技術來實現的，該技術涉及在二極管工作時單獨調整每根光纖，以獲得最大響應并進行固定。因此，需要開發無源自對準技術，其時間消耗更少、成本更低，并且同時可靠且合理有效。眾所周知，半導體材料的微機械加工是精確的，具有極好的尺寸控制，它非常適合于實現精確的微結構，然后可以用于無源光纖自對準。因其晶面蝕刻速率不同而產生的單晶硅各向異性濕法化學蝕刻是一種成熟且受歡迎的技術。1該技術已用于制造各種高精度無源微結構，然后用于固定光纖和引導光線。然而，由于大多數光學器件是由直接帶隙化合物半導體材料如InGaAs和InP制成的，所以這些器件必須通過倒裝芯片技術安裝在微機械加工的硅晶片上以進行光纖對準。

為了使光電子器件更容易單片集成，在像InP本身這樣的襯底材料中實現精密微結構更方便。在過去的幾年里，人們一直在積極研究開發各種技術，用于在InP(100)晶片中制造高度精確的對準溝槽。然而，InP的蝕刻在底切和由此產生的側壁輪廓方面帶來了許多問題。閃鋅礦晶體如InP和GaAs具有兩種不同類型的{111}面，它們可能在蝕刻時出現。其中，{111}A表面終止于III族原子，而{111}B表面終止于V族原子。{111}B表面具有更高的反應性，因為在該表面上每個原子有五個成鍵電子，相比之下，在{ 111 } B表面上每個原子有三個成鍵電子{ 111 }一個曲面。在蝕刻時，當掩模邊緣沿[01-1]方向取向時，預期會出現具有{111}A刻面的V形槽。在[0-1-1]方向上，應該形成幾乎垂直的側壁。已經嘗試了多種蝕刻掩模和蝕刻溶液實驗證實這一點。2-5在一些情況下，然而，而不是當在HCl:H3PO4溶液中使用SiO2或Ti作為蝕刻掩模時，會出現{111}面、{211}面和{311}面。2-4此外，據報道，在HCl:H3PO4 (5:1)溶液中使用光刻膠掩模時會出現嚴重的底切。5另一方面，使用SiO2和Ti掩模的HBr基蝕刻系統會產生具有{ 111 }面的V形槽。

如上所述，有許多關于在InP中實現V形槽的公開文獻。然而，大多數實驗數據都是針對蝕刻深度小于25 m的情況公布的。Klocken- brink等人2討論了蝕刻深度為120 m的V形槽，但他們的工作僅限于HCl:H3PO4蝕刻劑。在目前的工作中

V-針對要求蝕刻深度大于350 μm的特定應用進行凹槽蝕刻。這要求蝕刻更長的時間。蝕刻掩?，F在起著更重要的作用，因為蝕刻劑與掩模材料的相互作用可能導致嚴重的底切。為了優化工藝，因此必須選擇適合于這種長時間蝕刻的蝕刻劑和蝕刻掩模的最佳組合。為此，我們使用Ti、Cr和等離子體沉積的氮化硅蝕刻掩模對InP(100)襯底進行了濕法化學取向相關蝕刻(ODE)。還研究了這些掩模材料對底切程度的影響。HCl:H3PO4以及HBr:CH3COOH蝕刻系統已經用于研究蝕刻后的側壁角度以及表面光潔度。然后根據底切的程度、表面光滑度和V形槽的角度來確定蝕刻劑和蝕刻掩模的最佳組合。

適當調整窗口尺寸，可以實現U形槽而不是V形槽(如圖1所示)。當在暴露平面相遇之前遇到蝕刻停止層時，會發生這種情況。之后，InGaAs層必須通過選擇性蝕刻劑去除，否則它將部分吸收來自光纖的光。這將導致凹槽的平滑底面，然后可以用抗反射涂層涂覆該底面，以最小化光纖的反射損失。還有n+層(p-i-n結構的)厚度已經增加到大約2 μm，使得當插入凹槽，不會刺穿和損壞探測器。根V形槽的成功實現是(I)襯底的結晶據這一思想，在InP(100)上制作V形槽襯底已被執行。的四個重要方面完美，(ii)掩模圖案在特定方向上的精確對準，(iii)掩模材料的良好粘附和(iv)用于蝕刻InP的特定蝕刻溶液。這些因素影響V形槽的實際形狀、蝕刻時底切的程度以及暴露面的表面光滑度，所有這些因素對于光纖與探測器的實際對準都是至關重要的。在目前的工作中，不同的蝕刻掩模材料以及各種蝕刻溶液已經被用于優化V形槽的制造。

討論?

使用HCl:H3PO4 (5:1)蝕刻系統(編號1)蝕刻剖面?！佔鳛槲g刻掩模。使用鈦作為蝕刻掩模，在[01-1]方向上(沿著524 μm邊緣)形成V形槽。在[0-1-1]方向，形成垂直壁。V形槽壁光滑，并以35.3°的角度傾斜于(100)面，如圖2所示。

2.這表明暴露的小平面不是像

{111}面與{100}面所成的角度應為54.7°。據報道，在InP {111}A中，HCl的作用不會產生表面。4從表面的傾斜角度來看，暴露的平面被推斷為{211}平面。2，6在蝕刻15分鐘后，V形槽平面相交于185 m的深度，對應的蝕刻速率約為12 m/min。掩模邊緣的底切小到可以忽略不計。

鉻作為蝕刻掩模。—鉻不能承受這種蝕刻溶液超過2分鐘，因此不適合用作1號ES的掩模。

因此，窗口不再被很好地定義。蝕刻14分鐘后，窗口的200米邊變寬到375米(幾乎是其尺寸的兩倍)。這可能是由于鉻與InP的粘附性差造成的。先前的研究人員已經觀察到光致抗蝕劑掩模的底切現象，這通常是由于表面天然氧化物和蝕刻劑之間的反應導致涂覆的光致抗蝕劑和InP襯底之間的粘附力損失。6天然氧化物與HCl的反應速率比與HBr的反應速率快。這可能解釋了為什么Cr不能耐受含有HCl的第一蝕刻劑(ES)。使用第二種蝕刻劑(ES no. 2)時，粘附力的損失沒有完全去除掩模那么劇烈。然而，底切仍然是值得考慮的。在ES no. 2中，底切與使用Cr掩模的蝕刻深度之比約為0.6。不同蝕刻時間的底切程度如圖6所示。

為了進一步研究HBr濃度對底切的影響，蝕刻溶液的組成改變為HBr:CH3COOHo1:1。由于該溶液中HBr的濃度較低，蝕刻速率降低至約7.5 m/min。然而，如圖6所示，底切仍然相當高，并且幾乎隨蝕刻時間線性增加。在該溶液中蝕刻35分鐘后，在[0-1-1]方向上每個掩模邊緣處的底切為128 m。在該點處的蝕刻深度為260 m。在這種情況下，底切與蝕刻深度的比率降低至0.49。這證明了我們的論點。

底切的程度與天然氧化物和蝕刻溶液的反應有關，因為發現降低蝕刻溶液中HBr的濃度會減少底切的程度。

結論

發展了一種簡單的自動對準光纖和光電探測器的技術。三種不同的蝕刻掩模材料，即Ti、Cr和SiN用于在InP襯底中蝕刻V形槽，通過該槽可以插入光纖并精確定位。使用兩種不同的蝕刻溶液來蝕刻InP。第一種蝕刻溶液(ES 1號)含有HCl∶h3po 4(5∶1)，另一種(ES 2號)含有HBr∶ch 3c ooh(3∶2)。已經發現，雖然蝕刻溶液的選擇決定了V形槽的角度以及表面光潔度，但是掩模材料和沉積方法決定了底切的量。發現Ti作為掩模材料以最小的底切給出最好的結果。在兩種蝕刻溶液中，編號為2的蝕刻溶液是優選的，因為V形槽與表面的傾斜角較大(54.7°)，因此，對于給定的窗口尺寸，可以蝕刻出相對較深的槽。暴露墻壁的表面光滑度通過以下方式得到改善。