在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法，即將石英基底置于載物臺(tái)，利用氫氧焰高溫水解反應(yīng)在石英基底表面分別依次生長(zhǎng)下包層、芯層和上包層，各層生長(zhǎng)時(shí)氫氧槍選擇通入SiCl4、H2、O2、GeCl4、BCl3、POCl3氣體，并控制各氣體的通氣量、載物臺(tái)溫度和生長(zhǎng)速度，得到不同厚度的下包層、芯層和上包層，各層生長(zhǎng)完畢后分別在真空快速退火爐中進(jìn)行退火處理，并控制退火爐的升降溫速度及保溫時(shí)間，得到石英基底表面的二氧化硅膜。本方法克服了傳統(tǒng)制備方法的缺陷，實(shí)現(xiàn)二氧化硅膜折射率的可調(diào)，避免退火過程中二氧化硅晶體的析出，提高了制膜效率和質(zhì)量。
【專利說明】在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化硅膜具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如電子集成器件、薄膜材料、光通信器件等。在光通信器件中，其主要用于平面光波導(dǎo)材料。
[0003]平面光波導(dǎo)技術(shù)是最近十年來興起的一種新型集成光學(xué)技術(shù)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有集成電路工藝兼容，集成度高，產(chǎn)量大等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于無源光器件中，如陣列波導(dǎo)光柵、光分路器、星形耦合器等。用于實(shí)現(xiàn)平面光波導(dǎo)的材料也多種，如二氧化硅、銦鎵砷磷、氮氧化硅及聚合物等，但二氧化硅與其它材料相比有許多優(yōu)越性，如傳輸損耗低、易于制備、性能穩(wěn)定等，并且其與光纖具有相同的折射率，易于與光纖封裝，其是平面光波導(dǎo)材料的良好選擇。
[0004]在石英基底上制備二氧化硅膜是平面光波導(dǎo)中的核心技術(shù)，直接決定了光信號(hào)傳輸質(zhì)量的好壞。目前大多數(shù)基底材料均米用娃，其缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn):第一，由于娃與之后生長(zhǎng)的二氧化硅膜的晶鍵有較大失配，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和缺陷；第二，由于硅與之后生長(zhǎng)的二氧化硅膜的熱膨脹系數(shù)不一樣，在退火時(shí)容易導(dǎo)致膜的龜裂。而石英基底的成分與二氧化硅膜的成分極為接近，所以使用石英基底就可以避免以上問題。目前用于二氧化硅膜制備的方法主要有化學(xué)氣相沉積法、熱氧化法、濺射法和溶膠凝膠法等；其中化學(xué)氣相沉積法成膜質(zhì)量較致密，成膜較薄，應(yīng)力較大，需要多次退火；熱氧化法速率過慢，且不能在石英基底上制備；濺射法可控性差，且成膜質(zhì)量不好；溶膠凝膠法操作繁瑣，折射率可調(diào)范圍較小，容易龜裂。
[0005]而與以上幾種方法相比，火焰水解法成膜質(zhì)量好，沉積速率快，階梯覆蓋性好，應(yīng)力小，成本低，性能穩(wěn)定。因此，使用火焰水解法來生長(zhǎng)二氧化硅膜，特別是厚膜生長(zhǎng)是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法，本方法克服了傳統(tǒng)制備方法的缺陷，實(shí)現(xiàn)二氧化硅膜折射率的可調(diào)，避免退火過程中二氧化硅晶體的析出，提高了制膜效率和質(zhì)量。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法包括如下步驟:
步驟一、將石英基底置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰2500-3000 V的高溫在石英基底表面發(fā)生水解反應(yīng)生長(zhǎng)下包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體，通氣量分別為 SiCl4 8-15sccm、H2 2 5_35sccm、02 12_20sccm，控制載物臺(tái)溫度 450_500°C，生長(zhǎng)速度5_6um/m,下包層生長(zhǎng)厚度15_20um ；步驟二、下包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1380-1430°C，保持
4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗下包層表面，采用化學(xué)機(jī)械法對(duì)下包層表面拋光，將粗糙度降到5-10nm以下；
步驟三、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在下包層表面生長(zhǎng)芯層,水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、O2氣體和含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4混合氣體，通氣量分別為SiCl4 8_15sccm，含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4混合氣體 8-25sccm，H2 25_35sccm，O2 12_20sccm，控制載物臺(tái)溫度 450_500°C，生長(zhǎng)速度 5_6um/m,芯層生長(zhǎng)厚度4_6um ；
步驟四、芯層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50°C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40-50°C /s升至1380_1430°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗芯層表面；
步驟五、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在芯層表面生長(zhǎng)上包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體和含1%(體積)BClJ^Ar/BCl3混合氣體、含1%(體積)POCl3的Ar/ POCl3混合氣體，通氣量分別為SiCl4 8_15sccm，含1% (體積)BClJ^Ar/ BCl3-合氣體 5-10sccm，含 1% (體積)P0C13 的 Ar/ POCl3 混合氣體0.8-1.5sccm ，H2 25_35sccm, O2 12_20sccm,控制載物臺(tái)溫度 450-500°C，生長(zhǎng)速度 5_6um/m，上包層生長(zhǎng)厚度15-20um ；
步驟六、上包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1250_1350°C，保持
4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗上包層表面，得到石英基底表面的二氧化硅膜。
由于本發(fā)明在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法及裝置采用了上述技術(shù)方案，即將石英基底置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰高溫水解反應(yīng)在石英基底表面分別依次生長(zhǎng)下包層、芯層和上包層，各層生長(zhǎng)時(shí)氫氧槍通入不同氣體，并控制各氣體的通氣量、載物臺(tái)溫度和生長(zhǎng)速度，得到不同厚度的下包層、芯層和上包層，各層生長(zhǎng)完畢后分別在真空快速退火爐中進(jìn)行退火處理，并控制退火爐的升溫和降溫速度及樣品在爐內(nèi)保溫時(shí)間，得到石英基底表面的二氧化硅膜。本方法克服了傳統(tǒng)制備方法的缺陷，實(shí)現(xiàn)二氧化硅膜折射率的可調(diào)，避免退火過程中二氧化硅晶體的析出，提高了制膜效率和質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
圖1為本方法制備得到二氧化硅膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為制備二氧化硅膜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法包括如下步驟:
步驟一、將石英基底置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰2500-3000 V的高溫在石英基底表面發(fā)生水解反應(yīng)生長(zhǎng)下包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體，通氣量分別為 SiCl4 8-15sccm、H2 25_35sccm、02 12_20sccm，控制載物臺(tái)溫度 450_500°C，生長(zhǎng)速度5_6um/m,下包層生長(zhǎng)厚度15_20um ；
步驟二、下包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1380-1430°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗下包層表面，采用化學(xué)機(jī)械法對(duì)下包層表面拋光，將粗糙度降到5-10nm以下；
步驟三、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在下包層表面生長(zhǎng)芯層,水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、O2氣體和含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4混合氣體，通氣量分別為SiCl4 8_15sccm，含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4混合氣體 8-25sccm，H2 25_35sccm，O2 12_20sccm，控制載物臺(tái)溫度 450_500°C，生長(zhǎng)速度 5_6um/m,芯層生長(zhǎng)厚度4_6um ；
步驟四、芯層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50°C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40-50°C /s升至1380_1430°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗芯層表面；
步驟五、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在芯層表面生長(zhǎng)上包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體和含1%(體積)BClJ^Ar/BCl3混合氣體、含1%(體積)POCl3的Ar/ POCl3混合氣體，通氣量分別為SiCl4 8_15sccm，含1% (體積)BClJ^Ar/ BCl3-合氣體 5-10sccm，含 1% (體積)P0C13 的 Ar/ POCl3 混合氣體0.8-1.5sccm ，H2 25_35sccm, O2 12_20sccm,控制載物臺(tái)溫度 450-500°C，生長(zhǎng)速度 5_6um/m，上包層生長(zhǎng)厚度15-20um ；
步驟六、上包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1250_1350°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗上包層表面，得到石英基底表面的二氧化硅膜。
[0010]上述步驟中，通氣量單位sccm表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體毫升每分鐘(standard-statecubic centimeter per minute),生長(zhǎng)下包層、芯層、上包層的水解反應(yīng)中氫氧焰的溫度均設(shè)定為 2500-3000°C。
[0011]如圖1所示，通過本方法制備得到的二氧化硅膜為在石英基底I表面生長(zhǎng)行成的下包層2、芯層3和上包層4。
[0012]如圖2所示，本二氧化硅膜可通過如下的制備裝置獲得，該裝置包括壓力源5、H2氣罐 11、O2 氣罐 12、SiCl4 氣罐 13、Ar/GeCl4 氣罐 14、Ar/BCl3 氣罐 15、Ar/P0Cl3 氣罐 16、流量控制系統(tǒng)7、可控閥控制系統(tǒng)8、可移動(dòng)的氫氧槍9和旋轉(zhuǎn)溫控的載物臺(tái)10，所述壓力源5分別通過若干可控閥6連接所述H2氣罐11、02氣罐12、SiCl4氣罐13、Ar/GeCl4氣罐14、Ar/BCl3 氣罐 15 和 Ar/POCl3 氣罐 16，所述 H2 氣罐 11、O2 氣罐 12、SiCl4 氣罐 13、Ar/GeCl4氣罐14、Ar/BCl3氣罐15和Ar/POCl3氣罐16通過所述流量控制系統(tǒng)7分別連接所述可移動(dòng)的氫氧槍9，所述可控閥控制系統(tǒng)8分別控制所述若干可控閥6的開閉和開度，所述旋轉(zhuǎn)溫控的載物臺(tái)10設(shè)于所述可移動(dòng)的氫氧槍9下方，石英基底17置于載物臺(tái)10上。上述的壓力源5可以采用壓力泵。
[0013]本方法基于火焰水解法進(jìn)行，首先在石英基底上進(jìn)行高溫水解反應(yīng)得到包括下包層、芯層和上包層的一層疏松多孔的二氧化硅厚膜，然后在真空條件下進(jìn)行快速退火固化回流，從而得到透明均勻的二氧化硅厚膜。在水解反應(yīng)時(shí)通入GeCl4氣體，生成的GeO2可使得制備的摻雜二氧化硅膜折射率提高1.5%，可用于制作波導(dǎo)的材料。在水解反應(yīng)時(shí)加入BC13>P0C13氣體，生成的B2O3和P2O5可以在保證摻雜二氧化硅膜折射率與普通二氧化硅膜折射率匹配的情況下，降低固化溫度，防止二氧化硅退火時(shí)析晶反應(yīng)，得到高質(zhì)量厚膜。
[0014]本發(fā)明的原理是SiCl4氣體在氫氧焰的條件下發(fā)生水解反應(yīng)生成非晶態(tài)的二氧化硅顆粒，在高溫下退火，使得二氧化硅顆粒熔融固化，形成玻璃態(tài)的二氧化硅膜。GeO2的折射率高于SiO2,故通入GeCl4氣體反應(yīng)后可提高摻雜二氧化硅膜的折射率。B2O3可以有效防止退火過程中二氧化硅晶體的析出，降低固化溫度，并且B2O3的折射率低于SiO2 ,P2O5的折射率高于Si02。故可以通過同時(shí)摻入的BC13、POCl3氣體可以防止二氧化硅晶體析出，降低固化溫度，同時(shí)保證摻雜二氧化硅膜折射率與普通二氧化硅折射率保持一致。
[0015]利用上述裝置制備二氧化硅膜時(shí)，壓力源通過可控閥選擇反應(yīng)氣體種類，可控閥通過可控閥控制系統(tǒng)控制開閉。生長(zhǎng)下包層，即普通二氧化硅時(shí)，選擇h2、02、SiCl4三種氣體；生長(zhǎng)芯層，即摻鍺二氧化硅時(shí)，選擇H2、02、SiCl4 ,GeCl4四種氣體；生長(zhǎng)上包層，即固化溫度降低、退火時(shí)無晶體析出的二氧化硅時(shí)，除了選擇H2、02、SiCl4三種氣體外，還需要加入BC13、POCl3氣體。選好反應(yīng)氣體以后，通過可控閥控制系統(tǒng)控制每種參與反應(yīng)氣體的可控閥開度，通過流量控制系統(tǒng)控制每種參與反應(yīng)氣體的實(shí)時(shí)流量，并及時(shí)反饋至可控閥控制系統(tǒng)，與設(shè)定值對(duì)比，進(jìn)行氣體流量調(diào)整。當(dāng)參與反應(yīng)氣體的流量穩(wěn)定以后，將H2、02兩路氣體供給至氫氧槍一側(cè)，其余氣體供給至氫氧槍另一側(cè)。待氣體充分混合后，點(diǎn)燃?xì)溲鯓尩臍溲跹?，在載物臺(tái)上高溫下的石英基底表面將發(fā)生如下水解反應(yīng):
2 H2 (V) + O2 (V) → 2H20 (V)
SiCl4 (V) +2H20 (V) → SiO2 (s) +4HC1 (v)
GeCl4 (V) +2H20 (v) → GeO2 (s) +4HC1 (v)
2BC13 (V) +3H20 (V) → B2O3 (s) +6HC1 (v)
2P0C13 (V) +3H20 (V) → P2O5 (s) +6HC1 (v)
其中V表氣態(tài)，s表固態(tài)。
[0016]水解反應(yīng)發(fā)生時(shí)將在石英基底表面生成顆粒狀二氧化硅，通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)溫度、氫氧焰溫度控制膜生長(zhǎng)為非晶態(tài)二氧化硅，通過快速旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，以及通過移動(dòng)氫氧槍來控制膜生長(zhǎng)的均勻性。水解反應(yīng)完成后，將會(huì)在石英基底上得到一層疏松多孔的粉末態(tài)二氧化硅膜。然后將產(chǎn)物放入真空快速退火爐中進(jìn)行固化回流。退火時(shí)采用快速的升溫與降溫，以避免晶體析出，造成二氧化硅膜的缺陷。退火在真空中進(jìn)行，以避免引入其他雜質(zhì)，同時(shí)還能提高升溫和降溫速度。在退火爐溫度升到850-950° C時(shí)，將停留一段時(shí)間，作為預(yù)固化處理，以除去在生長(zhǎng)過程中引入的氣孔。之后再快速升溫到1400° C左右，保持3至5小時(shí)。最后快速降溫至室溫。在加入BC13、P0C13，生成Β203、Ρ205后，可使回流溫度降低到1300° C以下，同時(shí)避免晶體析出，提聞了成品率。
【權(quán)利要求】
1.一種在石英基底表面制備二氧化硅膜的方法，其特征在于本方法包括如下步驟:步驟一、將石英基底置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰2500-3000 V的高溫在石英基底表面發(fā)生水解反應(yīng)生長(zhǎng)下包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體，通氣量分別為 SiCl4 8-15sccm、H2 25_35sccm、02 12_20sccm，控制載物臺(tái)溫度 450_500°C，生長(zhǎng)速度5_6um/m,下包層生長(zhǎng)厚度15_20um ；步驟二、下包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1380-1430°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C/s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗下包層表面，采用化學(xué)機(jī)械法對(duì)下包層表面拋光，將粗糙度降到5-10nm以下；步驟三、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在下包層表面生長(zhǎng)芯層,水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、O2氣體和含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4-合氣體，通氣量分別為SiCl4 8-15sccm，含10% (體積)GeCl4的Ar/ GeCl4混合氣體 8_25sccm, H2 25_35sccm sccm, O2 12_20sccm,控制載物臺(tái)溫度 450~500°C，生長(zhǎng)速度5-6um/m,芯層生長(zhǎng)厚度4_6um； 步驟四、芯層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50°C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40-50°C /s升至1380_1430°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗芯層表面； 步驟五、將樣品置于旋轉(zhuǎn)和溫控的載物臺(tái)，利用氫氧焰的高溫水解反應(yīng)在芯層表面生長(zhǎng)上包層，水解反應(yīng)的可移動(dòng)氫氧槍分別通入SiCl4、H2、02氣體和含1%(體積)BClJ^Ar/BCl3混合氣體、含1% (體積)P0C13的Ar/ POCl3混合氣體，通氣量分別為SiCl4 8_15sccm，含1% (體積)BCl3的Ar/ BCl3混合氣體5-lOsccm，含1% (體積)POCl3的Ar/ POCl3混合氣體0.8-1.5sccm ，H2 25_35sccm, O2 12_20sccm,控制載物臺(tái)溫度 450-500°C，生長(zhǎng)速度 5_6um/m，上包層生長(zhǎng) 厚度15-20um ； 步驟六、上包層生長(zhǎng)完成后，將樣品放入真空快速退火爐中，退火爐升溫速度40-50 0C /s，升至900°C時(shí)，保持25-35分鐘，之后再以40_50°C /s升至1250_1350°C，保持4-5小時(shí)，接著以40-50°C /s降溫到25°C，取出樣品，依次使用丙酮、乙醇、水清洗上包層表面，得到石英基底表面的二氧化硅膜。
【文檔編號(hào)】C23C16/40GK103882407SQ201210558161
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】顧皛, 葉劍鋒, 沈偉星, 陸志英, 陳子勇, 陳益新, 李雪峰, 管玉成, 張淼, 周林杰, 張效衡, 李新碗, 陳建平 申請(qǐng)人:上海信電通通信建設(shè)服務(wù)有限公司, 上海鴻輝光通科技股份有限公司, 上海交通大學(xué)