專利名稱：紫外激光寫入制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于制作二氧化硅光波導(dǎo)器件，特別涉及通過紫外激光寫入的方法實(shí)現(xiàn)了高折射率差波導(dǎo)及波導(dǎo)器件。
背景技術(shù)：
目前二氧化硅波導(dǎo)通常是采用刻蝕的方法制備的，這種工藝要經(jīng)過下包層的生長，波導(dǎo)層生長，掩膜板制作，光刻，顯影，刻蝕，上包層生長等一系列的工序，不僅工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且需要十分昂貴的設(shè)備，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。自從K.O.Hill發(fā)現(xiàn)紫外激光曝光能使摻鍺的二氧化硅材料折射率改變，便產(chǎn)生了一種新的二氧化硅波導(dǎo)制作方法——紫外寫入法。紫外寫入法有兩種方式一是通過對欲形成波導(dǎo)的區(qū)域進(jìn)行紫外激光曝光，使該區(qū)域的折射率上升，形成導(dǎo)光結(jié)構(gòu)；另一種方法是對欲形成波導(dǎo)區(qū)以外的區(qū)域進(jìn)行高能量密度和高累積能量的曝光，使曝光區(qū)域的折射率下降，也形成了導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。但是目前這兩種方式所能實(shí)現(xiàn)的折射率變化都為10-4～10-3量級，這就限制了該方法不能制備高折射率差波導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種紫外激光寫入制備高折射率差波導(dǎo)和波導(dǎo)器件的方法，根據(jù)摻雜光敏劑的二氧化硅會因?yàn)樽贤饧す馄毓饽芰棵芏群屠鄯e能量不同而產(chǎn)生正的或負(fù)的折射率變化，通過控制波導(dǎo)芯和周圍區(qū)域的曝光條件，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)芯的折射率變化為正，其他區(qū)域的折射率變化為負(fù)，實(shí)現(xiàn)了一種高折射率差的波導(dǎo)或波導(dǎo)器件。
本發(fā)明通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一種通過紫外寫入制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在硅或二氧化硅襯底上依次生長二氧化硅下包層、波導(dǎo)層和上包層；(2)對上述基片進(jìn)行載氫；(3)用紫外激光對整個(gè)基片進(jìn)行均勻曝光，使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率均勻升高；(4)制作掩膜，即將掩膜的非波導(dǎo)區(qū)域鏤空；(5)掩膜將欲形成波導(dǎo)區(qū)域遮擋，對基片進(jìn)行第二次紫外激光曝光，使掩膜未遮擋區(qū)域的波導(dǎo)層折射率較未曝光時(shí)還低；(6)退火，穩(wěn)定折射率變化，則形成了高折射率差的二氧化硅波導(dǎo)。
其中下包層、波導(dǎo)層和上包層的形成方法是火焰水解法或等離子氣相沉積法或熱氧化法或陽極氧化法或以上方法的組合。
其中上包層、波導(dǎo)層和下包層均為摻雜或未摻雜的二氧化硅玻璃，其中波導(dǎo)層摻雜了適量的光敏劑鍺或錫和折射率降低劑硼或氟，下包層是純的二氧化硅玻璃或是摻雜了折射率降低劑硼或氟的二氧化硅玻璃，上包層的摻雜劑為硼或氟或磷或其組合。
其中載氫的方法包括以下三種1)將基片放入一定壓力和溫度的充滿氫氣的容器中保持一段時(shí)間、或2)在氫氣氣氛下對基片加熱、或3)用氫氣火焰均勻掃描基片。
其中紫外激光的波長范圍為100-400nm。
其中第二次曝光的激光能量密度不低于第一次曝光。
其中第一次曝光使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率升高，第二次曝光使曝光區(qū)的折射率小于未曝光時(shí)的折射率。
其中掩膜為紫外不能透過的金屬或介質(zhì)薄膜或薄片，該薄膜或薄片可以直接在基片上形成，或是獨(dú)立的元件，在掩膜上形成波導(dǎo)圖形，波導(dǎo)圖形外的區(qū)域被刻蝕掉，曝光時(shí)使掩膜緊貼在基片的上包層，使波導(dǎo)層中欲形成波導(dǎo)的區(qū)域不被二次曝光。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1是生長下包層、波導(dǎo)層和上包層形成三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖；圖2是對整個(gè)基片進(jìn)行載氫；圖3是對整個(gè)基片進(jìn)行均勻紫外激光曝光；圖4是覆蓋掩膜后對基片進(jìn)行第二次曝光；
圖5是掩膜版示意圖。
具體實(shí)施例方式
請參閱附圖1-5，本發(fā)明一種通過紫外寫入制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，包括如下步驟(1)在硅或二氧化硅襯底4上依次生長二氧化硅下包層3、波導(dǎo)層2和上包層1；其中下包層3、波導(dǎo)層2和上包層1的形成方法是火焰水解法或等離子氣相沉積法或熱氧化法或陽極氧化法或以上方法的組合，該上包層1、波導(dǎo)層2和下包層3均為摻雜或未摻雜的二氧化硅玻璃，其中波導(dǎo)層2摻雜了適量的光敏劑鍺或錫和折射率降低劑硼或氟，下包層3是純的二氧化硅玻璃或是摻雜了折射率降低劑硼或氟的二氧化硅玻璃，上包層1的摻雜劑為硼或氟或磷或其組合；(2)對上述基片進(jìn)行載氫5，該載氫的方法包括以下三種1)將基片放入一定壓力和溫度的充滿氫氣的容器中保持一段時(shí)間、或2)在氫氣氣氛下對基片加熱、或3)用氫氣火焰均勻掃描基片；(3)對整個(gè)基片進(jìn)行紫外激光6均勻曝光，使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率均勻升高，該紫外激光6的波長范圍為100-400nm；(4)制作掩膜8，即將掩膜8的非波導(dǎo)區(qū)域鏤空，該掩膜8為紫外不能透過的金屬或介質(zhì)薄膜或薄片，該薄膜或薄片可以直接在基片上形成，或是獨(dú)立的元件，在掩膜上形成波導(dǎo)圖形，波導(dǎo)圖形外的區(qū)域被刻蝕掉，曝光時(shí)使掩膜8緊貼在基片的上包層1，使波導(dǎo)層2中欲形成波導(dǎo)的區(qū)域不被二次曝光；
(5)掩膜8將欲形成波導(dǎo)區(qū)域遮擋，對基片進(jìn)行第二次紫外激光6曝光，使掩膜8未遮擋區(qū)域的波導(dǎo)層折射率較未曝光時(shí)還低，第二次曝光的激光能量密度不低于第一次曝光是的激光能量密度；其中第一次曝光使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率升高，第二次曝光使曝光區(qū)的折射率小于未曝光時(shí)的折射率；(6)退火，穩(wěn)定折射率變化，則形成了高折射率差的二氧化硅波導(dǎo)。
實(shí)施例1請參閱圖1—圖5。
首先通過火焰水解法在硅襯底上依次生長下包層3，波導(dǎo)層2和上包層1，他們的厚度分別為15μm，6μm，15μm，其中波導(dǎo)層2摻雜了8mol.％的鍺(Ge)和適量的B。然后將該基片放入充滿氫氣5的高壓容器，壓力為12MPa，室溫下放置兩周。用紫外激光6對載氫后的基片進(jìn)行均勻曝光，曝光條件為波長248nm，脈沖頻率20Hz，能量密度100mj/cm2/脈沖，曝光時(shí)間30分鐘。用薄硅片進(jìn)行深刻蝕，將波導(dǎo)外區(qū)域9鏤空，形成掩膜8，并將該掩膜8緊貼在第一次曝光后的基片上包層上，對整個(gè)基片進(jìn)行第二次曝光，形成高折射率差波導(dǎo)7。曝光條件為波長248nm，能量密度300mj/cm2/脈沖，脈沖頻率20Hz，曝光時(shí)間為150分鐘。最后去掉掩膜8后將基片放入80℃的環(huán)境中，放置24小時(shí)。
實(shí)施例2請參閱圖1—圖5。
首先通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅襯底上依次生長下包層3，波導(dǎo)層2和上包層1，他們的厚度分別為15μm，6μm，15μm，其中波導(dǎo)層摻雜了12mol.％的Ge和適量的F。然后將該基片在氫氣氣氛5下，600℃保溫72小時(shí)，進(jìn)行載氫。用紫外激光6對載氫后的基片進(jìn)行均勻曝光，曝光條件為波長244nm，脈沖頻率20Hz，能量密度100mj/cm2/脈沖，曝光時(shí)間30分鐘。在第一次曝光后的基片上鍍一層鋁，然后將該薄膜進(jìn)行光刻，刻蝕(將非波導(dǎo)區(qū)薄膜9腐蝕掉)，形成掩膜8。然后對整個(gè)基片進(jìn)行第二次曝光，形成高折射率差波導(dǎo)7。曝光條件為波長193nm，能量密度300mj/cm2/脈沖，脈沖頻率20Hz，曝光時(shí)間為30分鐘。最后去掉掩膜后將基片放入80℃的環(huán)境中，放置24小時(shí)。
實(shí)施例3請參閱圖1—圖5。首先通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在二氧化硅襯底上依次生長下包層3，波導(dǎo)層2，他們的厚度分別為15μm，8μm，其中波導(dǎo)層2摻雜了8mol.％的Ge和適量的B。波導(dǎo)的上包層1為空氣。然后將該基片用氫火焰5均勻掃描20分鐘進(jìn)行載氫。用紫外激光6對載氫后的基片進(jìn)行均勻曝光，曝光條件為波長193nm，脈沖頻率20Hz，能量密度100mj/cm2/脈沖，曝光時(shí)間30分鐘。在第一次曝光后的基片上生長一層多晶硅薄膜，然后將該薄膜進(jìn)行光刻，刻蝕(將非波導(dǎo)區(qū)薄膜9腐蝕掉)，形成掩膜8。然后對整個(gè)基片進(jìn)行第二次曝光，形成高折射率差波導(dǎo)7。曝光條件為波長193nm，能量密度300mj/cm2/脈沖，脈沖頻率20Hz，曝光時(shí)間為40分鐘。最后去掉掩膜后將基片放入120℃的環(huán)境中，放置24小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種通過紫外寫入制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在硅或二氧化硅襯底上依次生長二氧化硅下包層、波導(dǎo)層和上包層形成基片；(2)對上述基片進(jìn)行載氫；(3)對整個(gè)基片用紫外激光進(jìn)行均勻曝光，使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率均勻升高；(4)制作掩膜，即將掩膜的非波導(dǎo)區(qū)域鏤空；(5)掩膜將欲形成波導(dǎo)區(qū)域遮擋，用紫外激光對基片進(jìn)行第二次曝光，使掩膜未遮擋區(qū)域的波導(dǎo)層折射率較未曝光時(shí)還低；(6)退火，穩(wěn)定折射率變化，則形成了高折射率差的二氧化硅波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中下包層、波導(dǎo)層和上包層的形成方法是火焰水解法或等離子氣相沉積法或熱氧化法或陽極氧化法或以上方法的組合。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中上包層、波導(dǎo)層和下包層均為摻雜或未摻雜的二氧化硅玻璃，其中波導(dǎo)層摻雜了適量的光敏劑鍺或錫和折射率降低劑硼或氟，下包層是純的二氧化硅玻璃或是摻雜了折射率降低劑硼或氟的二氧化硅玻璃，上包層的摻雜劑為硼或氟或磷或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中載氫的方法包括以下三種1)將基片放入一定壓力和溫度的充滿氫氣的容器中保持一段時(shí)間、或2)在氫氣氣氛下對基片加熱、或3)用氫氣火焰均勻掃描基片。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中紫外激光的波長范圍為100-400nm。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中第二次曝光的激光能量密度不低于第一次曝光。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中第一次曝光使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率升高，第二次曝光使曝光區(qū)的折射率小于未曝光時(shí)的折射率。
8.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外寫入法制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中掩膜為紫外不能透過的金屬或介質(zhì)薄膜或薄片，該薄膜或薄片可以直接在基片上形成，或是獨(dú)立的元件，在掩膜上形成波導(dǎo)圖形，波導(dǎo)圖形外的區(qū)域被刻蝕掉，曝光時(shí)使掩膜緊貼在基片的上包層，使波導(dǎo)層中欲形成波導(dǎo)的區(qū)域不被二次曝光。
全文摘要
一種通過紫外寫入制備高折射率差二氧化硅波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在硅或二氧化硅襯底上依次生長二氧化硅下包層、波導(dǎo)層和上包層形成基片；(2)對上述基片進(jìn)行載氫；(3)對整個(gè)基片用紫外激光進(jìn)行均勻曝光，使整個(gè)波導(dǎo)層的折射率均勻升高；(4)制作掩膜，即將掩膜的非波導(dǎo)區(qū)域鏤空；(5)掩膜將欲形成波導(dǎo)區(qū)域遮擋，用紫外激光對基片進(jìn)行第二次曝光，使掩膜未遮擋區(qū)域的波導(dǎo)層折射率較未曝光時(shí)還低；(6)退火，穩(wěn)定折射率變化，則形成了高折射率差的二氧化硅波導(dǎo)。
文檔編號G03F7/20GK1746705SQ20041007386
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者夏君磊, 吳遠(yuǎn)大, 安俊明, 郜定山, 李健, 龔春娟, 胡雄偉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所