專利名稱：立方MgZnO晶體薄膜光波導器件及制備工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于氧化物光波導的領域，具體涉及一種以折射率隨薄膜組分連續(xù)可調(diào)的氧化物薄膜為光波導芯層的脊形光波導的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
自從上世紀60年代早期首次觀察到光波導現(xiàn)象以來，隨著光波導理論的迅速發(fā)展，各種各樣的光波導裝置相繼問世，并被應用于眾多領域。半導體光波導以其有可能在同一塊基片上制造出集成光學所需要的各種元件，包括激光器、探測器、光電開關(guān)和調(diào)制器、波導元件以及電子線路的特殊性引起人們的研究熱情。現(xiàn)代集成光學器件所采用的材料主要分為三類，第一類是以III-V族半導體為基礎形成的光電子材料，包括GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP等，它們是制作有源光電子器件所采用的材料。第二類材料是以LiNbO3為代表的具有特殊光電性質(zhì)的單晶材料。第三類則包括各種多晶和非晶態(tài)的物質(zhì)，如氧化物、玻璃以及聚合物等?，F(xiàn)有的光波導結(jié)構(gòu)大多用SiO2作為基質(zhì)材料，通過摻雜增大芯層的折射率，實現(xiàn)限制光學模的目的，這一類波導結(jié)構(gòu)往往應力和雙折射效應比較大。Heideman等用磁控濺射法在Si襯底上通過改變過程參數(shù)生長兩種不同折射率的ZnO薄膜制作了光波導器件，并測得波導損耗為1-3dB/cm，Horsthuis報導了在SiO2/Si襯底上濺射沉積得到的ZnO光波導損耗為1dB/cm，可見這類波導結(jié)構(gòu)光學模損耗比較大，而且通過引入不同濃度的氧空位，達到改變折射率的目的，其方法既不簡便也不準確，點缺陷的引入可能是器件損耗增大的主要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過在SiO2/Si或玻璃基片上外延折射率隨Mg組分連續(xù)可調(diào)的立方MgxZn1-xO(x＞0.5)晶體薄膜作為芯層，立方MgyZn1-yO(y＞0.5)晶體薄膜或SiO2薄膜作為上、下包層，并用濕法或干法刻蝕獲得新型光波導器件。
本發(fā)明是采用低溫物理沉積的方法，利用不同組分的(MgO)z(ZnO)1-z陶瓷靶源，在SiO2/Si或玻璃襯底上制備立方晶體結(jié)構(gòu)的MgZnO晶體薄膜。將其作為光波導芯層、包層，結(jié)合光刻工藝，即可得到芯層折射率連續(xù)可調(diào)的脊形光波導器件。其原理是利用具有較高能量的聚焦電子束、離子束或脈沖激光束等直接轟擊(MgO)z(ZnO)1-z靶材料，粒子束的動能變成熱能，使得MgZnO分子離開靶表面，散射并沉積到加熱的SiO2/Si或玻璃襯底表面，被吸附的分子或原子通過擴散運動形成核，核連續(xù)生長以形成晶粒均勻，表面平整的晶體薄膜。
本發(fā)明的立方MgZnO晶體薄膜光波導器件及制備工藝，所述光波導器件由襯底、下包層、芯層和上包層構(gòu)成，其特征是光波導的芯層為低溫物理外延生長的立方MgxZn1-xO晶體薄膜，折射率可隨薄膜組分的改變實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，且立方MgZnO波導的雙折射效應小，上、下包層可以是Mg組分比芯層高的MgyZn1-yO薄膜，也可以是SiO2薄膜，上包層還可以是空氣，具體制備步驟如下1)對SiO2/Si或玻璃襯底表面進行清潔處理；2)利用電子束蒸發(fā)反應沉積的低溫制備技術(shù)，在SiO2/Si或玻璃襯底表面生長立方相、寬帶隙的MgxZn1-xO晶體薄膜光波導芯層和MgyZn1-yO包層，上包層也可以是SiO2薄膜或空氣；用電子束蒸發(fā)或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法沉積SiO2薄膜光波導上包層；3)對MgyZn1-yO/MgxZn1-xO/SiO2/襯底或SiO2/MgyZn1-yO/SiO2/襯底的等光波導結(jié)構(gòu)表面清潔后，均勻涂上一層光刻膠，并在120℃下烘干；4)利用不同設計要求制作的波導模版進行光刻；5)對光刻曝光后的MgZnO光波導結(jié)構(gòu)進行刻蝕，刻蝕方法可以是干法或濕法腐蝕，也可以是干法和濕法腐蝕的結(jié)合；6)用有機溶液去MgZnO波導表面的光刻膠。
其中提到的襯底材料可以為SiO2/Si或玻璃，SiO2/Si的獲得是先對Si片表面進行高溫氧化，即在高溫下通干燥的高純氧氣，形成一層厚度均勻的薄SiO2薄膜后，再通過高溫濕法氧化方法形成厚膜SiO2層，氧化溫度為950～1150℃，SiO2層的厚度為2μm。
其中提到的襯底清洗，不同襯底的清洗步驟如下SiO2/Si將SiO2/Si襯底置于去離子水中超聲清洗三次，每次3分鐘；將SiO2/Si襯底置于熱去離子水中水浴15分鐘；最后在層流潔凈工作臺中用氮氣將硅片吹干。
玻璃將玻璃襯底置于去離子水中超聲清洗三次，每次3分鐘；然后將玻璃襯底置于碳酸鈉溶液中水浴15分鐘，去除表面有機物，取出后用去離子水反復沖洗；最后在層流潔凈工作臺中用氮氣將硅片吹干。
其中提到的MgxZn1-xO晶體薄膜的制備可采用不同組分的陶瓷靶材料，由純度＞99.9％的MgO和ZnO粉末按照一定的質(zhì)量比混合、壓制并在高溫(1000～1250℃)下燒結(jié)8小時以上得到，所得靶材料的直徑范圍為1cm～5cm。
其中提到的電子束蒸發(fā)反應沉積技術(shù)，是利用電子槍發(fā)射的具有較高能量的聚焦電子束直接轟擊(MgO)z(ZnO)1-z靶材料，電子束的動能變成熱能，使得熱蒸發(fā)的MgZnO分子離開表面，散射并沉積到已加熱的襯底表面，被吸附的分子或原子通過擴散運動形成核，核連續(xù)生長以形成晶粒均勻，表面平整的晶體薄膜。具體制備工藝步驟如下(a)清洗襯底并裝入低溫沉積立方MgZnO晶體薄膜的生長室中，置(MgO)z(ZnO)1-z靶材于坩鍋中，用擋板隔離靶材料和襯底；(b)用高真空泵抽反應室至≤3×10-3Pa的真空度；(c)加熱襯底至100℃的生長溫度，用高能量電子束加熱(MgO)z(ZnO)1-z靶材，對其除氣；(d)加電子束束流至(MgO)z(ZnO)1-z靶材開始蒸發(fā)，充入高純氧氣(O2)，通過調(diào)節(jié)電子束束斑面積、位置以及束流大小使MgZnO均勻、穩(wěn)定地蒸發(fā)，生長室的真空度根據(jù)生長速率的需要控制在4.0～7.0×10-2Pa，打開擋板生長MgZnO晶體薄膜；(e)當MgZnO晶體薄膜達到設計的厚度，結(jié)束生長，其中提到的MgxZn1-xO芯層晶體薄膜的厚度為3.5μm。
其中提到的光刻膠類型為正膠，光刻膠厚度為0.7μm。
其中提到的脊形光波導的脊寬為5～15μm，脊的高度可隨波導傳輸模式調(diào)整。
其中提到的對MgZnO晶體薄膜的腐蝕方法，可以是干法或濕法腐蝕，也可以是干法和濕法腐蝕的結(jié)合，其中濕法腐蝕采用的腐蝕液為濃磷酸，水浴溫度為30～60℃。
其中提到的對SiO2包層的腐蝕方法，可以是干法或濕法腐蝕，也可以是干法和濕法腐蝕的結(jié)合，其中濕法腐蝕采用的腐蝕液為氫氟酸+氟化氨+水(30ml∶60g∶100ml)，水浴溫度為30～40℃。
其中提到的光刻膠的去除，具體可先用丙酮腐蝕光刻膠，再用異丙醇、酒精，最后用去離子水沖洗。
立方MgZnO晶體薄膜光波導器件，具體結(jié)構(gòu)可為下列的一種a)MgyZn1-yO(上包層)/MgxZn1-xO(芯層)/MgyZn1-yO(下包層)/襯底b)SiO2(上包層)/MgxZn1-xO(芯層)/MgyZn1-yO(下包層)/襯底c)MgyZn1-yO(上包層)/MgxZn1-xO(芯層)/SiO2(下包層)/襯底d)SiO2(上包層)/MgxZn1-xO(芯層)/SiO2(下包層)/襯底e)空氣/MgxZn1-xO(芯層)/SiO2(下包層)/襯底f)空氣/MgxZn1-xO(芯層)/MgyZn1-yO(下包層)/襯底。
本發(fā)明的立方MgxZn1-xO晶體薄膜光波導芯層，與III-V族AlGaAs系列材料相似，立方MgxZn1-xO可以通過調(diào)節(jié)薄膜中的Mg含量來控制禁帶寬度大小，折射率隨Mg組分變化連續(xù)可調(diào)，用以獲得水平方向上最大的光限制，且該晶體薄膜從可見光到波長大于5微米的中紅外波段均具有很高的透過率，因此光波導的損耗低，并能改善光波導的各項性能。
本發(fā)明特征在于采用玻璃或SiO2/Si襯底，成本低，且芯層折射率可根據(jù)器件設計要求連續(xù)可調(diào)。脊形光波導芯層和包層的厚度、脊背的寬度、深度以及導波模式可以由工藝參數(shù)控制。本發(fā)明與硅基二氧化硅波導相比，可有效減小光學模的損耗，由于立方MgxZn1-xO晶體薄膜空間對稱性高，因此雙折射效應??；和傳統(tǒng)擴散波導相比，由于采用了刻蝕的脊形波導，對光的限制更好。采用本發(fā)明的新型材料制作而成的脊形光波導，可以制作光開關(guān)、功分器、光調(diào)制器等器件。


圖1為本發(fā)明實施例1、2脊形光波導器件示意圖圖2為本發(fā)明實施例3脊形光波導器件示意圖圖中1襯底(SiO2/Si或玻璃)，2下包層，3芯層，4上包層。
具體實施例方式
實施例1參見附圖1(1)采用標準清洗方法清洗Si(100)基片，并利用高溫氧化工藝，在Si片表面熱生長一層均勻的SiO2薄膜---襯底1，厚度為2μm；(2)將SiO2/Si(100)襯底1置于低溫沉積立方MgZnO晶體薄膜的生長室中，加熱SiO2/Si(100)襯底1至100℃，用高能量電子束轟擊(MgO)0.10(ZnO)0.90靶材，電子槍高壓為5000V，束流為30mA，充入O2作為反應氣體，充O2后生長室的氣壓保持在3×10-2Pa，當氣壓達5×10-2Pa時，開始生長，調(diào)束流及束斑大小和位置以保持穩(wěn)定的氣壓條件，制備得到晶粒均勻，表面平整度高的立方Mg0.83Zn0.17O晶體薄膜---芯層3，厚度為3.5μm；(3)采用電子束蒸發(fā)或PECVD方法在芯層3表面生長一層均勻的SiO2薄膜---上包層4，厚度為2.0μm；(4)在清潔的上包層4表面均勻涂上一層光刻膠，光刻膠類型為正膠，光刻膠厚度為0.7μm，每隔一定的脊寬進行光刻，并對上包層4和芯層3進行濕法腐蝕。上包層4用氫氟酸+氟化氨+水(30ml∶60g∶100ml)的腐蝕液腐蝕，腐蝕溫度為35℃；而芯層3用濃磷酸腐蝕，腐蝕溫度為40℃，之后用去離子水漂洗干凈，并用氮氣吹干；(5)用有機溶液去除上包層4表面的光刻膠，用去離子水漂洗干凈，用氮氣吹干，獲得脊形光波導器件，脊形光波導的脊寬為15μm，脊高度可隨波導傳輸模式調(diào)整。
實施例2參見附圖1和參照實施例1(1)清洗玻璃襯底---襯底1將玻璃襯底1置于去離子水中超聲清洗三次，每次3分鐘，然后將玻璃襯底置于碳酸鈉溶液中水浴15分鐘，去除表面有機物，取出后用去離子水反復沖洗，最后在層流潔凈工作臺中用氮氣將硅片吹干；(2)將玻璃襯底1置于低溫沉積立方MgZnO晶體薄膜的生長室中，加熱玻璃襯底1至100℃，用高能量電子束轟擊(MgO)0.10(ZnO)0.90靶材，電子槍高壓為5000V，束流為30mA，充入O2作為反應氣體，充O2后生長室的氣壓保持在3×10-2Pa，當氣壓達5×10-2Pa時，開始生長，調(diào)束流及束斑大小和位置以保持穩(wěn)定的氣壓條件，制備得到晶粒均勻，表面平整度高的立方Mg0.83Zn0.17O晶體薄膜，厚度為2.0μm---芯層3；(3)采用電子束蒸發(fā)或PECVD方法在芯層3表面生長一層均勻的SiO2薄膜---上包層4，厚度為2.0μm；(4)在清潔的上包層4表面均勻涂上一層光刻膠，每隔一定的脊寬進行光刻，并對上包層4和芯層3進行濕法腐蝕。上包層4用氫氟酸+氟化氨+水(30ml∶60g∶100ml)的腐蝕液腐蝕，腐蝕溫度為35℃；芯層3用濃磷酸腐蝕，腐蝕溫度為40℃，之后用去離子水漂洗干凈，并用氮氣吹干；(5)用有機溶液去除上包層4表面的光刻膠，用去離子水漂洗干凈，用氮氣吹干，獲得脊形光波導器件。
實施例3參見附圖2和參照實施例2(1)清洗玻璃襯底---襯底1將玻璃襯底1置于去離子水中超聲清洗三次，每次3分鐘，然后將玻璃襯底置于碳酸鈉溶液中水浴15分鐘，去除表面有機物，取出后用去離子水反復沖洗，最后在層流潔凈工作臺中用氮氣將硅片吹干；(2)將玻璃襯底1置于低溫沉積立方MgZnO晶體薄膜的生長室中，加熱玻璃襯底1至100℃，用高能量電子束轟擊(MgO)0.15(ZnO)0.85靶材，電子槍高壓為5000V，束流為30mA，充入O2作為反應氣體，充O2后生長室的氣壓保持在3×10-2Pa，當氣壓達5×10-2Pa時，開始生長，調(diào)束流及束斑大小和位置以保持穩(wěn)定的氣壓條件，制備得到晶粒均勻，表面平整度高的立方Mg0.87Zn0.13O晶體薄膜，厚度為2.0μm---下包層2；(3)用高能量電子束轟擊(MgO)0.10(ZnO)0.90靶材，在下包層2表面生長立方Mg0.83Zn0.17O晶體薄膜，厚度為3.5μm---芯層3，方法同(2)；(4)用高能量電子束轟擊(MgO)0.15(ZnO)0.85靶材，在芯層3表面生長立方Mg0.87Zn0.13O晶體薄膜，厚度為2.0μm---上包層4，方法同(2)；(5)在清潔的上包層4表面均勻涂上一層光刻膠，用波導模版進行光刻后，用濃磷酸腐蝕芯層3和上、下包層4、2，腐蝕溫度為40℃，之后用去離子水漂洗干凈，并用氮氣吹干；(6)用有機溶液去除上包層4表面的光刻膠，用去離子水漂洗干凈，用氮氣吹干，獲得脊形光波導器件。
權(quán)利要求
1.一種立方MgZnO晶體薄膜光波導器件，其特征是所述光波導器件由襯底、下包層、芯層和上包層構(gòu)成，襯底采用玻璃或SiO2/Si，光波導的芯層為低溫物理外延生長的立方MgxZn1-xO(x＞0.5)晶體薄膜，折射率可隨薄膜中Mg組分的改變實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，上、下包層可以是Mg組分比芯層高的MgyZn1-yO(y＞0.5)薄膜，也可以是SiO2薄膜，上包層還可以是空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立方MgZnO晶體薄膜光波導器件，其特征是所述光波導器件結(jié)構(gòu)為上包層MgyZn1-yO/芯層MgxZn1-xO/下包層MgyZn1-yO/襯底；上包層SiO2/芯層MgxZn1-xO/下包層MgyZn1-yO/襯底；上包層MgyZn1-yO/芯層MgxZn1-xO/下包層SiO2/襯底；上包層SiO2/芯層MgxZn1-xO/下包層SiO2/襯底；空氣/芯層MgxZn1-xO/下包層SiO2/襯底；空氣/芯層MgxZn1-xO/下包層MgyZn1-yO/襯底的一種。
3.權(quán)利要求1所述的立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是工藝步驟如下1)對SiO2/Si或玻璃襯底表面進行清潔處理；2)利用電子束蒸發(fā)反應沉積等低溫制備技術(shù)，在SiO2/Si或玻璃襯底表面生長立方相、寬帶隙的立方MgxZn1-xO晶體薄膜光波導芯層和立方MgyZn1-yO晶體薄膜光波導包層，并用電子束蒸發(fā)或等離子體增強化學氣相沉積方法沉積SiO2薄膜光波導上包層；3)對上述2)光波導結(jié)構(gòu)表面清潔后，均勻涂上一層光刻膠，并在120℃下烘干；4)利用不同設計要求制作的波導模版進行光刻；5)對光刻曝光后的MgZnO光波導結(jié)構(gòu)進行刻蝕，刻蝕方法可以是干法或濕法腐蝕，也可以是干法和濕法腐蝕的結(jié)合；6)用有機溶液去除MgZnO波導表面上的光刻膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是所述的光波導的芯層MgxZn1-xO晶體薄膜的制備工藝步驟如下a)清洗襯底并裝入低溫沉積立方MgZnO晶體薄膜的生長室中，置(MgO)z(ZnO)1-z靶材于坩鍋中，用擋板隔離靶材料和襯底；b)用高真空泵抽反應室至≤3×10-3pa的真空度；c)加熱襯底至100℃的生長溫度，用高能量電子束加熱(MgO)z(ZnO)1-z靶材，對其除氣；d)加電子束束流至(MgO)z(ZnO)1-z靶材開始蒸發(fā)，充入高純氧氣(O2)，通過調(diào)節(jié)電子束束斑面積、位置以及束流大小使MgZnO均勻、穩(wěn)定地蒸發(fā)，生長室的真空度根據(jù)生長速率的需要控制在4.0～7.0×10-2Pa，打開擋板生長MgZnO晶體薄膜；e)當MgZnO晶體薄膜達到設計的厚度，結(jié)束生長，其中提到的MgxZn1-xO芯層晶體薄膜的厚度為3.5μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是所述的MgZnO靶材料(MgO)z(ZnO)1-z是由純度＞99.9％的MgO和ZnO粉末按照一定的質(zhì)量比混合、壓制并在高溫1000～1250℃下燒結(jié)8小時以上得到的，所得靶材料的直徑范圍為1cm～5cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述立方MgZnO晶體薄膜光波導器件及制備工藝，其特征是所述的SiO2/Si的獲得是對干凈的Si片表面進行高溫氧化方法獲得的，其厚度為2μm，氧化溫度為950～1150℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是所述的濕法腐蝕，是用濃磷酸腐蝕芯層MgxZn1-xO、包層MgyZn1-yO，腐蝕溫度為30～60℃，腐蝕時間由腐蝕溫度和薄膜厚度決定，然后用去離子水漂洗干凈，最后用氮氣吹干。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是所述SiO2包層用氫氟酸+氟化氨的水溶液腐蝕，腐蝕溫度為30～40℃，然后用去離子水漂洗干凈，最后用氮氣吹干。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是所述光刻膠的去除，先用丙酮腐蝕光刻膠，再用異丙醇、酒精，最后用去離子水沖洗。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述立方MgZnO晶體薄膜光波導器件的制備工藝，其特征是利用條形波導模版刻蝕形成的脊形光波導結(jié)構(gòu)的器件，脊寬為5～15μm，脊的高度可隨波導傳輸模式調(diào)整。
全文摘要
一種MgZnO晶體薄膜光波導器件，由襯底、下包層、芯層和上包層構(gòu)成，襯底采用玻璃或SiO
文檔編號G02F1/035GK1603870SQ200410067858
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者吳惠楨, 陳乃波, 徐天寧, 余萍, 邱東江 申請人:浙江大學