Uniformity and repeatability of wafer level ICP-RIE etching for semiconductor lasers

Abstract

This thesis advances fabrication of AlInP laser diodes by demonstrating methods to prepare uniform waveguide structures over large areas. Results provide up to 48 % improvement in waveguide depth uniformity. Moreover, thesis demonstrates strong correlation between efficiency of the laser and waveguide depth correlation highlighting importance of the procedures developed in this work. Methods to improve uniformity, etching profile, uniformity characterization and laser characterization are studied in detail.

Work exploits reactive ion etching (RIE) in inductively coupled (ICP) chamber, a plasma etching technique widely used in microfabrication to prepare precision structures, including semiconductor laser fabrication. Plasma etching technologies have developed as the requirements for devices have become stricter. In RIE, chemical and physical etching are used simultaneously, which results in a higher etch rate than the sum of both mechanisms separately. Even though a uniform etching result over the wafer is expected of RIE, defects such as RIE lag and microloading still exist.

The aim of this thesis was to improve a ICP-RIE etching process for obtaining better uniformity and over a wafer and better repeatability from wafer to wafer. This improves yield of the devices, depressing cost of the devices and thus making them more available to society as whole. The process was developed for 3” AlInP wafers. Three tests were run with a total of five wafers. In the first test, three wafers were processed subsequently, and in the second test, one wafer was processed after stabilizing the conditions of the process chamber by etching four quarters of a wafer. In the third test, one wafer was processed in lower process pressure to obtain better uniformity. In addition, light power-current-voltage (LIV) measurements was done to bars from the edge and the center of the wafer to prove the issue from nonuniform processes. The ridge waveguides (RWG) were also imaged with scanning electron microscope (SEM), and correlations between the LIV results and dimensions measured with SEM were studied.

Significant difference in the operation of the bar from the center and the edge of the wafer was observed. Threshold current had a clear correlation with etch depth and the angle of the RWG. Etch depth was seen to decrease with the three subsequent etchings, and stabilizing the chamber by etching quarters of the wafer resulted in better uniformity within a wafer. The etch depth uniformity improved by decreasing the pressure, but it also affected the profile of the RWG by making it more anisotropic. The results of this thesis can improve performance for existing lasers and enable new type of laser products.

Tässä diplomityössä esitetään AlInP-laserdiodien valmistusta esittämällä menetelmiä, joiden avulla voidaan valmistaa tasalaatuisia aaltojohderakenteita suurempien kiekkojen yli. Tulokset osoittavat jopa 48 % parannuksen aaltojohteiden etsaussyvyyden tasalaatuisuudessa. Lisäksi työssä todetaan selkeä riippuvuussuhde laserin tehokkuuden ja aaltojohteen etsaussyvyyden välillä, mikä korostaa työssä kehitettyjen toimenpiteiden tärkeyttä. Menetelmiä tasalaatuisuuden, etsausprofiilin, tasalaatuisuuden määrittämisen ja laserin karakterisoinnin parantamiseen käsitellään yksityiskohtaisesti.

Työssä hyödynnetään reaktiivista ionietsausta (RIE) induktiivisesti kytketyssä plasmakammiossa (ICP), joka on yleisesti puolijohdeteollisuudessa ja puolijohdelaserien valmistuksessa käytetty plasmaetsaustekniikka. RIE yhdistää kemiallisen ja fysikaalisen etsauksen, joiden yhtäikaisuus tuottaa suuremman etsausnopeuden kuin molempien mekanismien etsausnopeudet yhteensä. Vaikka tasalaatuisuus kiekon yli on vaatimus RIE:n käyttöön, silti yleisiä defektejä prosessissa ovat etsausnopeuserot kuvion koon mukaan (RIE lag) ja etsaussyvyyserot johtuen tiheistä kuvioista (microloading).

Tämän työn tarkoituksena oli parantaa ICP-RIE etsausprosessia paremman tasalaatuisuuden saavuttamiseksi kiekon sisällä sekä toistettavuuden parantamiseksi kiekkojen välillä. Tämä parantaa komponenttien saantoa pienentäen samalla kuluja, minkä ansiosta komponentit ovat paremmin saatavilla yhteiskunnalle. Prosessia kehitettiin 3” AlInP-kiekoille. Kokonaisuudessaan kolmessa testissä etsattiin yhteensä viisi kiekkoa. Ensimmäisellä kerralla etsattiin kolme kiekkoa peräkkäin, toisella kerralla yksi kiekko, jota ennen prosessikammio stabiloitiin etsaamalla neljä neljänneskiekkoa, ja viimeisellä kerralla yksi kiekko, johon testattiin prosessipaineen alentamista paremman tasalaatuisuuden saavuttamiseksi. Tämän lisäksi valoteho-virta-jännite-mittauksia (LIV) tehtiin laserbaareille sekä kiekon keskeltä että reunasta epätasaisen prosessin vaikutuksen tutkimiseksi. Yksi baari kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM), jonka perusteella harjanneaaltojohteen dimensioiden ja LIV-mittausten välistä korrelaatiota tutkittiin.

Kiekon reunalta ja keskeltä otettujen laserbarien toiminnassa nähtiin huomattava ero. Kynnysvirta korreloi selvästi sekä etsaussyvyyden että harjanteen muodon kulman kanssa. Etsaussyvyyden nähtiin laskevan kolmen peräkkäisen etsauksen aikana, ja prosessikammion stabilointi etsaamalla kiekon neljänneksiä auttoi etsaussyvyyden tasalaatuisuudessa. Lisäksi etsaussyvyyden tasalaatuisuus parani prosessipainetta laskemalla, mutta se vaikutti myös harjanteen profiiliin tekemällä siitä anisotrooppisemman. Työn tulokset voivat parantaa valmistettavien laserien toimintakykyä, sekä mahdollistaa uudenlaisten laserien kehittämisen.