專利名稱：基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導器件及制備方法
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，在光學技術(shù)領(lǐng)域，目前單一形式的各類光學元件走向未來集成光學之路，也將大大改變 當前傳統(tǒng)光學技術(shù)的現(xiàn)狀，對軍事及民用信息系統(tǒng)的開發(fā)產(chǎn)生深遠影響。如同IC芯片的 概念，平面光波導(Planar Lightwave Circuits，簡稱PLCs)就是利用與傳統(tǒng)半導體工藝 (Complementary Metal OxideSemiconductor，簡稱CMOS)兼容的制備技術(shù)，將光學模塊整 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 平面光波導器件與諸如透鏡，棱鏡，薄膜濾波器等傳統(tǒng)的分立光學器件相比，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，也就是說光波導位于一個平面內(nèi)。最常見的PLC分路器是用二 氧化硅(Si02)做的。基于平面光波導技術(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)、光開關(guān) (Optical switch)、光梳(Interleaver)和陣列波導光柵(ArrayWaveguide Grating,AffG) 等。這些器件的性能嚴重依賴于半導體制作工藝水平。下面分別以二氧化硅波導為例，介紹平面光波導工藝，整個工藝分為八步1)采用火焰水解法(Flame Hydrolysis D印osition，簡稱FHD)或者化學氣相淀 積工藝(Chemical Vapor D印osition，簡稱CVD)，在硅片上生長一層Si02，作為波導下包 層；2)采用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長一層Si02，作為波導芯層，其中摻雜 鍺離子，獲得需要的折射率差；3)通過退火硬化工藝，使前面生長的兩層Si02變得致密均勻；4)進行光刻，將需要的波導圖形用光刻膠保護起來；5)采用反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡稱RIE)或者感應耦合等離子體 刻蝕(Inductively Coupled Plasma，簡稱ICP)，將非波導區(qū)域刻蝕掉，形成波導芯層，如圖 1所示；6)去掉光刻膠，采用FHD或者CVD工藝，在波導芯層上再覆蓋一層Si02，作為波導 上包層，如圖2所示；7)通過退火硬化工藝，使上包層Si02變得致密均勻；8)從硅片晶圓上解理出多個平面光波導器件芯片，然后根據(jù)各自應用封裝。二氧化硅平面光波導工藝中的幾個關(guān)鍵點1)亥Ij蝕工藝，要得到陡直且光滑的波導側(cè)壁，以降低波導的散射損耗；
2)材料生長和退火硬化工藝，要使每層材料的厚度和折射率均勻且準確，以達到設計的波導結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量減少材料內(nèi)部的殘留應力，以降低波導的雙折射效應；3)包層覆蓋工藝，要完全填充波導芯層之間的間隔。眾所周知的AWG制作困難就 是波導芯層間的空隙填充。上文提到的第三個工藝難點，對于高縱橫比的波導結(jié)構(gòu)尤為重要，如陣列波導光 柵，光分路器等，否則空隙的存在會增加這些波導器件的散射損耗及影響相位信息。下面將 說明這個問題。圖1是高縱橫比的平面光波導器件的芯層結(jié)構(gòu)截面示意圖，1是二氧化硅 下包層，2表示波導芯層(如16通道AWG)。圖2描述了平面光波導器件的完整結(jié)構(gòu)，波導 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題，芯層間的空隙被部分 填充，仍然有波導間空洞4形成。當沉積二氧化硅波導上包層時，如果波導間距較小，會出 現(xiàn)懸垂物(overhangs)增強遮蔽效應(shadowing effect)使上包層提早封閉而產(chǎn)生無法 填充的空隙。如陣列波導光柵的陣列波導與輸入平板波導區(qū)交界處的波導間距一般僅為 1-2 μ m，此時波導間空洞4的存在會極大地影響AWG的各項性能，特別是損耗。而且對于高 縱橫比的波導結(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中提出一個解決方法，通過周期性沉積及氬氣濺射刻蝕來實現(xiàn)PECVD沉 積導致空隙的填充。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，如此反復避免空洞形成，直到上包層達到合適的厚度。不 過大量的沉積/刻蝕周期增加了制備工備的復雜性及制作時間，降低了生產(chǎn)能力，而且芯 層間隔區(qū)域的密度比較低。另一種比較少見的方法是日本人S. Kashimura等人提出來，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變 成圓弧形，這樣有利于下一步上包層沉積。雖然這個方法避免了空洞的產(chǎn)生，完全有效得填 充了波導間的空隙，但是由于芯層結(jié)構(gòu)的改變降低了波導的光學性能。目前，國內(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低于芯層和下包層，因此可 以通過高溫熱退火，使近似液態(tài)的上包層回流填充空隙。不過這個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性與產(chǎn)品的不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(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 硅光波導器件及制備方法，上包層通過摻雜硼鍺實現(xiàn)相鄰芯層波導間的高縱橫比空隙的填 充，同時滿足與波導芯層折射率差的要求。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一、一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導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，通過光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導芯層；其特征在于在二氧化硅下包層與波導 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及折射率均低于波導芯層。二、一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導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芯層后通過光 亥IJ、刻蝕工藝形成波導芯層；(1)通過摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導芯層結(jié)構(gòu)的一層二氧化硅上包層；(2)進行氮氣或氧氣或氬氣環(huán)境900°C -1100°C高溫熱退火處理。升溫時間為 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)進行以上多次硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫熱退火處理循環(huán)，之后達 到相鄰波導間空隙的完全填充及滿足光學要求的包層厚度12-15 μ m。所述二氧化硅上包層通過等離子體增強化學氣相沉積。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，降低了波導器件的散射損耗。2、既然沉積波導芯層膜的普遍方法都是使用鍺烷硅烷笑氣等，以鍺摻雜來提高芯 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雜度，提 高了工藝的穩(wěn)定性。而相對于S. Kashimura提出的方法，本發(fā)明不會影響波導芯層本身性 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 具有增強光敏性等潛在優(yōu)勢。本發(fā)明的基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅波導器件結(jié)構(gòu)，具有低成本、高性能和 多功能的特點，在平面光波導等領(lǐng)域有很大應用前景，如可廣泛應用于分路器(Splitter)、 耦合器(Coupler)和陣列波導光柵(Array Waveguide Grating,AffG)等高縱橫比波導結(jié)構(gòu) 的器件。


圖1是背景技術(shù)中刻蝕后波導芯層的結(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結(jié)構(gòu)經(jīng)高溫熱退火處理 后的波導結(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器件實現(xiàn)相鄰芯層波導間隙填充的結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖中1、二氧化硅下包層，2、波導芯層，3、二氧化硅上包層，4、波導間空洞，5、懸垂 ^J (overhangs),(angled surfaces)。
具體實施方式
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，通過光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導芯層2 ；在二氧化硅下包 層1與波導芯層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熔點及折射率均低于波導芯層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器件結(jié)構(gòu)，通過沉積硼 鍺共摻的上包層及高溫熱退火，實現(xiàn)相鄰波導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，詳細說明本發(fā)明，圖1，圖3，圖4，圖5是本發(fā)明以PECVD制備為例 的一個實施方式。圖1所示為刻蝕形成的波導芯層結(jié)構(gòu)截面示意圖。首先采用等離子體增強化學 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，作為波導芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要 的折射率差；再進行光刻、刻蝕等工藝形成波導芯層2。其中波導側(cè)壁要求陡直且光滑，否 則將引起波導的散射損耗，降低波導的傳輸特性。然后去掉波導上殘留光刻膠，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覆蓋覆蓋波導芯層2，如圖2所示，那么位于相鄰波導芯層2的間隔處 的上包層材料會由于遮蔽效應而出現(xiàn)上包層懸垂物提前封閉而下層無法填充出現(xiàn)波導間 空洞4。尤其對于高縱橫比的波導結(jié)構(gòu)，相鄰波導間隔較小，而芯層凸起高度較高的情況，則 空隙填充越困難。例如，陣列波導光柵的陣列波導與輸入平板波導區(qū)交界處的波導間距一 般僅為1-2 μ m,而波導芯層高度一般為6 μ m,即縱橫比為3_6 (屬于高縱橫比)，此時波導間 空洞的存在會極大地影響AWG的各項性能，特別是損耗。所以為了改進二氧化硅上包層覆蓋所存在的上述問題，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 芯層后通過光刻、刻蝕等工藝形成芯層波導結(jié)構(gòu)2 ；通過摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導芯層 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，但摻雜的硼、鍺對折射率 的影響能力是不同的，而對材料熔點的影響能力基本上差別沒有那么大，所以采用重摻硼 元素來降低熔點，然后適當摻雜鍺元素就可以調(diào)整折射率了，其中沉積波導芯層2時鍺烷、 硅烷、一氧化二氮氣體流量分別是3sccm、17sccm、2000sccm，沉積二氧化硅上包層3時鍺 烷、硼烷、硅烷、一氧化二氮氣體流量分別為0. 6sccm、7. 5sccm、10sccm、2000sccm，其合適厚 度大約為3 μ m。由于遮蔽效應會出現(xiàn)上包層懸垂物5。
之后，進行氮氣或者氧氣等其他氣體環(huán)境90(TC -iiocrc高溫熱退火處理。升溫時 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 沉積減輕遮蔽效應的影響，從而能更好的填充波導間的空隙。退火會同時影響波導的下包 層和芯層，引起它們的折射率變化，所以在下包層、芯層沉積時就必須考慮二者在退火后的 折射率變化。往往需要進行多次循環(huán)的硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫熱退火處理， 才能達到相鄰波導間空隙的完全填充及滿足光學要求的包層厚度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器件結(jié)構(gòu)的具體實施方式
，上包層通 過摻雜硼鍺實現(xiàn)了相鄰芯層波導間的高縱橫比空隙的填充，波導芯層的間距小于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 波導器件結(jié)構(gòu)完全適用于陣列波導光柵(AWG)及分路器(Splitter)等器件。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
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，通過光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導芯層；其特征在于在二氧化硅下包層與波導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及折射率均低于波導芯層。
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芯層后通過光刻、刻 蝕工藝形成波導芯層；其特征在于(1)通過摻雜硼鍺沉積形成覆蓋波導芯層結(jié)構(gòu)的一層二氧化硅上包層；(2)進行氮氣或氧氣或氬氣環(huán)境900°C-110(TC高溫熱退火處理。升溫時間為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)進行以上多次硼鍺共摻的二氧化硅薄膜沉積與高溫熱退火處理循環(huán)，之后達到相 鄰波導間空隙的完全填充及滿足光學要求的包層厚度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器件，其特征在 于所述二氧化硅上包層通過等離子體增強化學氣相沉積。
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)明公開了一種基于硼鍺共摻上包層的二氧化硅光波導器件及制備方法。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，通過光刻、刻蝕工藝形成截面為方形的波導芯層；在二氧化硅下包層與波導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行高溫熱退火工藝，低熔點的上包層薄膜會回流進入相鄰波導芯層中的間隙，這樣就能在后續(xù)沉積膜層中減少遮蔽效應的作用，實現(xiàn)波導間空隙的完全填充，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器件結(jié)構(gòu)，可廣泛應用于分路器、耦合器和陣列波導光柵等高縱橫比波導結(jié)構(gòu)的器件。
文檔編號G02B6/122GK101859001SQ20101019594
公開日2010年10月13日 申請日期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 申請人:浙江大學