将激光微细加工“直接写入”、“低温处理”的优势,应用于单片光电集成电路(OEIC)的制作,有利于解决其中的光电兼容问题。详细介绍了本课题组多年来在激光微细加工制作领域方面所取得的进展,完善了实验系统,包括硬件平台的搭建和改进、软件的设计,并最终形成了以计算机为核心的集光机电为一体的自动控制系统,减少了由于人为因素的影响而带来的实验误差,为激光微细加工制作出性能优越的器件创造了前提条件。同时对激光微细加工中的温度这一关键工艺参数进行了大量的理论分析和实验研究,主要包括温度的测量、温度变化规律的分析以及由此对温度参数进行控制的理论分析和研究,取得了进展,提高了激光微细加工的精度并已实际应用于InGaAs/InP平面型PIN光探测器的制作。

用连续波激光诱导扩散制作单片集成光接收机中的探测器时,激光照射形成的高温区面积很小。当入射激光焦斑光强为高斯分布甚至“平顶帽形”分布时,微小扩散区温度分布的均匀性都不能达到实验的要求。提出了用掩模对入射高斯光束进行空间调制的方法来实现扩散区温度的均匀化。该方法的关键是计算出实现均匀的温度分布所需要的焦斑光强分布参数。给出了计算方法和计算实例。结果表明,均匀化后,在扩散区平均温度上升值为500 K时,扩散区内的最大温度差为3.9 K,并且高温区的温度分布接近“平顶帽形”。

采用激光微细加工技术来制作单片集成光接收机的探测器,在制作过程中,用固态杂质源10.6 μm激光诱导Zn扩散工艺来进行探测器的p 区掺杂.制作出平面型顶部入射的InGaAs/InP PIN光探测器, 响应度为0.21A/W.分析了激光诱导扩散中影响探测器性能的因素,因此提出了扩散温度自动控制、扩散区温度分布均匀化及激光焦斑与扩散区精确对准等相应的改进方法.

在半导体激光诱导扩散实验中,用连续波CO2 10.6 μm激光聚焦后照射基片表面。为实现局部区域的选择扩散,激光光斑半径仅数十微米。要使曝光区温度达到扩散实验要求,必须使曝光区功率密度很高。另一方面,Si、InP等半导体材料对10.6 μm波长激光的吸收系数随温度的升高而增大,这导致实验时容易产生热致破坏,损伤基片。在分析热致破坏的产生机理后,提出了在聚焦激光束照射下,曝光区温度的数值计算方法。计算结果表明,在半导体基片初始温度为室温时,以恒定功率的激光束照射基片,曝光区温度不能稳定在扩散试验需要的温度范围。在此基础上,提出了预热基片及对曝光区温度进行实时控制等抑制热致破坏的方法,有效地克服了这一困难。这对于用激光微细加工制作出高性能的单片光电集成电路(OEICs)器件有重要意义。

在激光诱导扩散等激光微细加工技术中,需要用聚焦激光束照射基片表面,以形成局部高温区。为使局部高温区的温度分布满足实验要求,对10.6 μm聚焦连续波CO2激光束照射下半导体基片的温度上升进行了数值计算。计算中考虑了基片材料对10.6 μm激光的吸收系数随温度的变化。计算得到了温度上升与基片预热温度、入射激光束功率及曝光面积等参数的关系。结果表明,基片初始温度为室温及激光焦斑直径小于100 μm时,激光照射形成稳定高温区的最高温度不超过600 K。增加基片初始温度,可以在建立满足要求的温度上升的同时,减小基片上高温区分布的面积。在同一初始温度下,在基片高温区分布的面积符合实验要求的前提下,应尽量使用较大的光斑尺寸和激光功率,从而使基片表面热斑的温度分布更易控制。

在半导体的激光微细加工技术里,微小曝光区域的温度分布是关键的工艺参数,必须得到精确的测量.而为了使温度测量不影响曝光区的温度分布,需采用不接触测量方法.研制了计算机温度测量系统,实现了微小激光曝光区温度的实时不接触测量.系统中,InGaAs/InP光探测器将微小高温区的温度信号转换为光电流,再经信号放大及模/数转换后输入计算机.结合温度定标实验,对测得的温度数据进行插值运算,在实验中可以实时显示出曝光区的温度值.系统的温度分辨率可达到0.2℃, 测量区域的最小直径可达到18 μm.同时设计了搜索算法,使温度数据采集和精密位移平台的移动相配合,实现了温度分布的测量和最高温度区的准确定位.