專利名稱：基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面光波導(dǎo)器件，尤其是涉及一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化 硅光波導(dǎo)器件及制備方法。
背景技術(shù)：
在電子技術(shù)領(lǐng)域，分立器件發(fā)展為集成電路的歷史改變了電子產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式。同 樣，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，目前單一形式的各類(lèi)光學(xué)元件走向未來(lái)集成光學(xué)之路，也將大大改變 當(dāng)前傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀，對(duì)軍事及民用信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。如同IC芯片的 概念，平面光波導(dǎo)(Planar Lightwave Circuits，簡(jiǎn)稱PLCs)就是利用與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝 (Complementary Metal OxideSemiconductor，簡(jiǎn)稱CMOS)兼容的制備技術(shù)，將光學(xué)模塊整 合在晶圓(wafer)上，有助于光通訊組件集成化、縮小體積，并可以減少封裝次數(shù)，這使得 平面光波導(dǎo)器件與諸如透鏡，棱鏡，薄膜濾波器等傳統(tǒng)的分立光學(xué)器件相比，具有大規(guī)模生 產(chǎn)，不僅具有低成本潛力，高穩(wěn)定性，高集成度，器件整合等能力，是組成各種集成光器件的 核心元件。所謂平面光波導(dǎo)，也就是說(shuō)光波導(dǎo)位于一個(gè)平面內(nèi)。最常見(jiàn)的PLC分路器是用二 氧化硅(Si02)做的?；谄矫婀獠▽?dǎo)技術(shù)解決方案的器件包括分路器(Splitter)、星 形耦合器(Star coupler)、可調(diào)光衰減器(Variable Optical Attenuator，V0A)、光開(kāi)關(guān) (Optical switch)、光梳(Interleaver)和陣列波導(dǎo)光柵(ArrayWaveguide Grating,AffG) 等。這些器件的性能?chē)?yán)重依賴于半導(dǎo)體制作工藝水平。下面分別以二氧化硅波導(dǎo)為例，介紹平面光波導(dǎo)工藝，整個(gè)工藝分為八步1)采用火焰水解法(Flame Hydrolysis D印osition，簡(jiǎn)稱FHD)或者化學(xué)氣相淀 積工藝(Chemical Vapor D印osition，簡(jiǎn)稱CVD)，在硅片上生長(zhǎng)一層Si02，作為波導(dǎo)下包 層；2)采用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長(zhǎng)一層Si02，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜 鍺離子，獲得需要的折射率差；3)通過(guò)退火硬化工藝，使前面生長(zhǎng)的兩層Si02變得致密均勻；4)進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來(lái)；5)采用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡(jiǎn)稱RIE)或者感應(yīng)耦合等離子體 刻蝕(Inductively Coupled Plasma，簡(jiǎn)稱ICP)，將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉，形成波導(dǎo)芯層，如圖 1所示；6)去掉光刻膠，采用FHD或者CVD工藝，在波導(dǎo)芯層上再覆蓋一層Si02，作為波導(dǎo) 上包層，如圖2所示；7)通過(guò)退火硬化工藝，使上包層Si02變得致密均勻；8)從硅片晶圓上解理出多個(gè)平面光波導(dǎo)器件芯片，然后根據(jù)各自應(yīng)用封裝。二氧化硅平面光波導(dǎo)工藝中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)1)亥Ij蝕工藝，要得到陡直且光滑的波導(dǎo)側(cè)壁，以降低波導(dǎo)的散射損耗；
2)材料生長(zhǎng)和退火硬化工藝，要使每層材料的厚度和折射率均勻且準(zhǔn)確，以達(dá)到設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量減少材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力，以降低波導(dǎo)的雙折射效應(yīng)；3)包層覆蓋工藝，要完全填充波導(dǎo)芯層之間的間隔。眾所周知的AWG制作困難就 是波導(dǎo)芯層間的空隙填充。上文提到的第三個(gè)工藝難點(diǎn)，對(duì)于高縱橫比的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尤為重要，如陣列波導(dǎo)光 柵，光分路器等，否則空隙的存在會(huì)增加這些波導(dǎo)器件的散射損耗及影響相位信息。下面將 說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。圖1是高縱橫比的平面光波導(dǎo)器件的芯層結(jié)構(gòu)截面示意圖，1是二氧化硅 下包層，2表示波導(dǎo)芯層(如16通道AWG)。圖2描述了平面光波導(dǎo)器件的完整結(jié)構(gòu)，波導(dǎo) 芯層2被二氧化硅上包層3覆蓋，也顯示了上包層沉積所存在的問(wèn)題，芯層間的空隙被部分 填充，仍然有波導(dǎo)間空洞4形成。當(dāng)沉積二氧化硅波導(dǎo)上包層時(shí)，如果波導(dǎo)間距較小，會(huì)出 現(xiàn)懸垂物(overhangs)增強(qiáng)遮蔽效應(yīng)(shadowing effect)使上包層提早封閉而產(chǎn)生無(wú)法 填充的空隙。如陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界處的波導(dǎo)間距一般僅為 1-2 μ m，此時(shí)波導(dǎo)間空洞4的存在會(huì)極大地影響AWG的各項(xiàng)性能，特別是損耗。而且對(duì)于高 縱橫比的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，間隔的縱橫比越大，空隙填充越難。GC Schwartz 等人在 “Gap-Fill with PECVD Si02 Using Deposition/ SputterEtch Cycles,，，Journal of the Electrochemical Society, vol. 139, no. 3, pp. 927-932，1992中提出一個(gè)解決方法，通過(guò)周期性沉積及氬氣濺射刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)PECVD沉 積導(dǎo)致空隙的填充。先沉積比較薄的上包層材料，再氬氣物理刻蝕，將間隙上部的近封閉包 層刻掉，然后再沉積薄的包層膜，如此反復(fù)避免空洞形成，直到上包層達(dá)到合適的厚度。不 過(guò)大量的沉積/刻蝕周期增加了制備工備的復(fù)雜性及制作時(shí)間，降低了生產(chǎn)能力，而且芯 層間隔區(qū)域的密度比較低。另一種比較少見(jiàn)的方法是日本人S. Kashimura等人提出來(lái)，如“Lossreduction of Ge02_doped silica waveguide with high refractive index difference byhigh-temperature annealing, ” Jpn. J. App 1. Phys.，vol. 39, pp. 521-523, 2000 中所描 述，在芯層刻蝕去光刻膠之后，用接近1400°C的高溫軟化芯層，使得原先方形的芯層波導(dǎo)變 成圓弧形，這樣有利于下一步上包層沉積。雖然這個(gè)方法避免了空洞的產(chǎn)生，完全有效得填 充了波導(dǎo)間的空隙，但是由于芯層結(jié)構(gòu)的改變降低了波導(dǎo)的光學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)外常用的一種解決方法是使用摻硼和磷的上包層 (Boro-phospho-silicate Glass，BPSG)。摻雜后上包層的熔點(diǎn)低于芯層和下包層，因此可 以通過(guò)高溫?zé)嵬嘶?，使近似液態(tài)的上包層回流填充空隙。不過(guò)這個(gè)方法額外使用了一種劇 毒氣體磷烷，而且磷比較容易受潮，這增加了工藝的危險(xiǎn)性與產(chǎn)品的不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化 硅光波導(dǎo)器件及制備方法，上包層通過(guò)摻雜硼鍺實(shí)現(xiàn)相鄰芯層波導(dǎo)間的高縱橫比空隙的填 充，同時(shí)滿足與波導(dǎo)芯層折射率差的要求。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一、一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件在基底上沉積二氧化硅下包層，在下包層上表面沉積摻雜鍺的二氧化硅薄膜后，通過(guò)光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導(dǎo)芯層；其特征在于在二氧化硅下包層與波導(dǎo) 芯層上面沉積一層摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層，上包層和芯層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間不 存在空隙。
所述的沉積摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層，與二氧化硅下包層折射率一 致，且二氧化硅上包層熔點(diǎn)及折射率均低于波導(dǎo)芯層。二、一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件的制備方法在基底上沉積二氧化硅下包層，在下包層上沉積摻雜二氧化硅波導(dǎo)芯層后通過(guò)光 亥IJ、刻蝕工藝形成波導(dǎo)芯層；(1)通過(guò)摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導(dǎo)芯層結(jié)構(gòu)的一層二氧化硅上包層；(2)進(jìn)行氮?dú)饣蜓鯕饣驓鍤猸h(huán)境900°C -1100°C高溫?zé)嵬嘶鹛幚?。升溫時(shí)間為 15-30分鐘，恒溫15-30分鐘，然后在退火爐里自然降溫，懸垂物軟化流入相鄰芯層的間隔 部位并形成坡面；(3)進(jìn)行以上多次硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫?zé)嵬嘶鹛幚硌h(huán)，之后達(dá) 到相鄰波導(dǎo)間空隙的完全填充及滿足光學(xué)要求的包層厚度12-15 μ m。所述二氧化硅上包層通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。所述二氧化硅上包層沉積氣體包含B2H6、GeH4, SiH4, N2O,其中B2H6 SiH4流量比 例大于1 2。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是1、消除了空隙的存在，降低了波導(dǎo)器件的散射損耗。2、既然沉積波導(dǎo)芯層膜的普遍方法都是使用鍺烷硅烷笑氣等，以鍺摻雜來(lái)提高芯 層的折射率，那么相比于BPSG，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的制備避免了額外的劇毒氣體磷烷的使用，降低 了工藝成本也提高了穩(wěn)定性。3、與GC Schwartz的方法相比較，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的制備分別降低了工藝的復(fù)雜度，提 高了工藝的穩(wěn)定性。而相對(duì)于S. Kashimura提出的方法，本發(fā)明不會(huì)影響波導(dǎo)芯層本身性 能，所以不存在副作用。4、由于上包層摻雜了硼鍺——光敏物質(zhì)，所以基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的布拉格光柵器件 具有增強(qiáng)光敏性等潛在優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)，具有低成本、高性能和 多功能的特點(diǎn)，在平面光波導(dǎo)等領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景，如可廣泛應(yīng)用于分路器(Splitter)、 耦合器(Coupler)和陣列波導(dǎo)光柵(Array Waveguide Grating,AffG)等高縱橫比波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 的器件。


圖1是背景技術(shù)中刻蝕后波導(dǎo)芯層的結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖2是背景技術(shù)中上包層存在空洞的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖3是本發(fā)明初始沉積硼鍺共摻二氧化硅薄膜后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖4是本發(fā)明初始沉積硼鍺共摻二氧化硅薄膜后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)經(jīng)高溫?zé)嵬嘶鹛幚?后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖5是本發(fā)明基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)相鄰芯層波導(dǎo)間隙填充的結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖中1、二氧化硅下包層，2、波導(dǎo)芯層，3、二氧化硅上包層，4、波導(dǎo)間空洞，5、懸垂 ^J (overhangs),(angled surfaces)。
具體實(shí)施方式
如圖5所示，本發(fā)明在基底上沉積二氧化硅下包層1，在下包層1上表面沉積摻雜 鍺的二氧化硅薄膜后，通過(guò)光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導(dǎo)芯層2 ；在二氧化硅下包 層1與波導(dǎo)芯層2上面沉積一層摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層3，上包層3和芯層 波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)之間不存在空隙。所述的沉積摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層3，與二氧化硅下包層1折射 率一致，且二氧化硅上包層3熔點(diǎn)及折射率均低于波導(dǎo)芯層2。本發(fā)明描述了一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)沉積硼 鍺共摻的上包層及高溫?zé)嵬嘶?，?shí)現(xiàn)相鄰波導(dǎo)凸起的芯層之間的間隙填充，避免空洞形成。下面根據(jù)附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，圖1，圖3，圖4，圖5是本發(fā)明以PECVD制備為例 的一個(gè)實(shí)施方式。圖1所示為刻蝕形成的波導(dǎo)芯層結(jié)構(gòu)截面示意圖。首先采用等離子體增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積工藝(PECVD)，在基底上沉積二氧化硅薄膜，作為二氧化硅下包層1 ；然后再采用 PECVD工藝，在下包層上沉積摻雜二氧化硅薄膜，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要 的折射率差；再進(jìn)行光刻、刻蝕等工藝形成波導(dǎo)芯層2。其中波導(dǎo)側(cè)壁要求陡直且光滑，否 則將引起波導(dǎo)的散射損耗，降低波導(dǎo)的傳輸特性。然后去掉波導(dǎo)上殘留光刻膠，倘若直接采用PECVD工藝沉積一層約9-15 μ m厚的 純二氧化硅上包層3覆蓋覆蓋波導(dǎo)芯層2，如圖2所示，那么位于相鄰波導(dǎo)芯層2的間隔處 的上包層材料會(huì)由于遮蔽效應(yīng)而出現(xiàn)上包層懸垂物提前封閉而下層無(wú)法填充出現(xiàn)波導(dǎo)間 空洞4。尤其對(duì)于高縱橫比的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，相鄰波導(dǎo)間隔較小，而芯層凸起高度較高的情況，則 空隙填充越困難。例如，陣列波導(dǎo)光柵的陣列波導(dǎo)與輸入平板波導(dǎo)區(qū)交界處的波導(dǎo)間距一 般僅為1-2 μ m,而波導(dǎo)芯層高度一般為6 μ m,即縱橫比為3_6 (屬于高縱橫比)，此時(shí)波導(dǎo)間 空洞的存在會(huì)極大地影響AWG的各項(xiàng)性能，特別是損耗。所以為了改進(jìn)二氧化硅上包層覆蓋所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于硼鍺 共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在基底上沉積二氧化硅下包層1 ；在下包層上沉積摻雜二氧化硅波導(dǎo) 芯層后通過(guò)光刻、刻蝕等工藝形成芯層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2 ；通過(guò)摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導(dǎo)芯層 結(jié)構(gòu)的一層二氧化硅上包層3 (GeBSG)，所述的硼鍺共摻的二氧化硅上包層3要滿足熔點(diǎn)低 于芯層且與芯層折射率差的要求。調(diào)整沉積氣體比例，可改變此合成玻璃的折射率及熔點(diǎn)，但摻雜的硼、鍺對(duì)折射率 的影響能力是不同的，而對(duì)材料熔點(diǎn)的影響能力基本上差別沒(méi)有那么大，所以采用重?fù)脚?元素來(lái)降低熔點(diǎn)，然后適當(dāng)摻雜鍺元素就可以調(diào)整折射率了，其中沉積波導(dǎo)芯層2時(shí)鍺烷、 硅烷、一氧化二氮?dú)怏w流量分別是3sccm、17sccm、2000sccm，沉積二氧化硅上包層3時(shí)鍺 烷、硼烷、硅烷、一氧化二氮?dú)怏w流量分別為0. 6sccm、7. 5sccm、10sccm、2000sccm，其合適厚 度大約為3 μ m。由于遮蔽效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)上包層懸垂物5。
之后，進(jìn)行氮?dú)饣蛘哐鯕獾绕渌麣怏w環(huán)境90(TC -iiocrc高溫?zé)嵬嘶鹛幚?。升溫時(shí) 間為15-30分鐘，恒溫15-30分鐘，然后在退火爐里自然降溫。結(jié)果如圖4所示，原先圖3 中的懸垂物5軟化流入相鄰芯層的間隔部位并形成圖4中的坡面6。這樣就為下一步包層 沉積減輕遮蔽效應(yīng)的影響，從而能更好的填充波導(dǎo)間的空隙。退火會(huì)同時(shí)影響波導(dǎo)的下包 層和芯層，引起它們的折射率變化，所以在下包層、芯層沉積時(shí)就必須考慮二者在退火后的 折射率變化。往往需要進(jìn)行多次循環(huán)的硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫?zé)嵬嘶鹛幚恚?才能達(dá)到相鄰波導(dǎo)間空隙的完全填充及滿足光學(xué)要求的包層厚度12-15 μ m，如圖5所示。
根據(jù)本發(fā)明描述的硼鍺共摻的二氧化硅波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式
，上包層通 過(guò)摻雜硼鍺實(shí)現(xiàn)了相鄰芯層波導(dǎo)間的高縱橫比空隙的填充，波導(dǎo)芯層的間距小于2微米， 相鄰芯層的間隙縱橫比大于3。因此本發(fā)明提出的一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光 波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)完全適用于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)及分路器(Splitter)等器件。上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件，在基底上沉積二氧化硅下包層，在下包層上表面沉積摻雜鍺的二氧化硅薄膜后，通過(guò)光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導(dǎo)芯層；其特征在于在二氧化硅下包層與波導(dǎo)芯層上面沉積一層摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層，上包層和芯層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間不存在空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件，其特征在 于所述的沉積摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層，與二氧化硅下包層折射率一致，且 二氧化硅上包層熔點(diǎn)及折射率均低于波導(dǎo)芯層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件的制備方 法，在基底上沉積二氧化硅下包層，在下包層上沉積摻雜二氧化硅波導(dǎo)芯層后通過(guò)光刻、刻 蝕工藝形成波導(dǎo)芯層；其特征在于(1)通過(guò)摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導(dǎo)芯層結(jié)構(gòu)的一層二氧化硅上包層；(2)進(jìn)行氮?dú)饣蜓鯕饣驓鍤猸h(huán)境900°C-110(TC高溫?zé)嵬嘶鹛幚?。升溫時(shí)間為15-30分 鐘，恒溫15-30分鐘，然后在退火爐里自然降溫，懸垂物軟化流入相鄰芯層的間隔部位并形 成坡面；(3)進(jìn)行以上多次硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫?zé)嵬嘶鹛幚硌h(huán)，之后達(dá)到相 鄰波導(dǎo)間空隙的完全填充及滿足光學(xué)要求的包層厚度12-15 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件，其特征在 于所述二氧化硅上包層通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件， 其特征在于所述二氧化硅上包層沉積氣體流量比為B2H6 GeH4 SiH4 N20 = 6-8 0.6 10 2000。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導(dǎo)器件及制備方法。在基底上沉積二氧化硅下包層，在下包層上表面沉積摻雜鍺的二氧化硅薄膜后，通過(guò)光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導(dǎo)芯層；在二氧化硅下包層與波導(dǎo)芯層上面沉積一層摻有硼和鍺兩種元素的二氧化硅上包層，上包層和芯層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間不存在空隙。在硼鍺共摻的二氧化硅上包層沉積后進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鸸に?，低熔點(diǎn)的上包層薄膜會(huì)回流進(jìn)入相鄰波導(dǎo)芯層中的間隙，這樣就能在后續(xù)沉積膜層中減少遮蔽效應(yīng)的作用，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)間空隙的完全填充，降低器件損耗。本發(fā)明的基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于分路器、耦合器和陣列波導(dǎo)光柵等高縱橫比波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的器件。
文檔編號(hào)G02B6/122GK101859001SQ20101019594
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者何建軍, 林旭峰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)