基于硅氫鍵流密度法的硅波導(dǎo)表面光滑工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微光機電制造領(lǐng)域，具體是一種基于硅氫鍵流密度法的硅波導(dǎo)表面光滑工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基納米光波導(dǎo)是微光機電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其具有較強光場局域性、高集成度且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容的特點，在光傳感、光網(wǎng)絡(luò)及芯片光源等方面有突出的潛在應(yīng)用優(yōu)勢。目前，納米光波導(dǎo)制造多采用干法刻蝕，加工出的波導(dǎo)一般具有幾至十幾納米的表面粗糙度，該粗糙度分布使波導(dǎo)光損耗較大，嚴(yán)重制約了其在諸多高性能微光學(xué)器件中的應(yīng)用。因此，研究硅基納米光波導(dǎo)表面光滑工藝具有重要的理論與應(yīng)用價值。
[0003]常用的表面光滑化方法有化學(xué)拋光和氣體離化團(tuán)束工藝。但是這兩種方式只能對平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，而納米光波導(dǎo)主要需處理兩側(cè)側(cè)壁粗糙度，因此這兩種工藝方法都無法使用。目前，可用于硅基納米波導(dǎo)表面光滑處理的工藝主要有高能束和熱氧化。高能束法利用紅外激光的瞬間高能量，使光波導(dǎo)表面在極短的時間內(nèi)溫度急劇升高，形成局部熔融，達(dá)到波導(dǎo)局部表面光滑處理的目的。這種方式雖然能在一定程度上降低波導(dǎo)表面粗糙度，但是工藝過程對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響較大(如波導(dǎo)直角邊角鈍化成圓角)，而且難以在批量生產(chǎn)中應(yīng)用。熱氧化法處理工藝首先會在波導(dǎo)表面生成氧化物薄膜，然后再采用一定工藝去除以達(dá)到表面光滑的目的。這種工藝不僅會消耗一定厚度的硅，改變了波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；同時也難以實現(xiàn)較高的光滑度。
[0004]基于以上硅基納米光波導(dǎo)表面處理工藝存在的問題，有必要發(fā)明一種可實現(xiàn)亞納米光滑度，并適合于規(guī)模生產(chǎn)的光波導(dǎo)表面光滑化工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有硅波導(dǎo)退火工藝存在的效果差、對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響大、無法批量處理等問題，提出了一種基于硅氫鍵流密度法的波導(dǎo)表面光滑工藝。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種基于硅氫鍵流密度法的硅波導(dǎo)表面光滑工藝，包括如下步驟:
(1)、使用真空泵將退火爐爐腔抽成真空，真空度至毫托量級；
(2)、通過供氣裝置向退火爐腔內(nèi)通入純度在99.99%以上的氫氣，利用流量計使供氣流量穩(wěn)定在500sccm,同時控制退火爐腔內(nèi)的壓力穩(wěn)定在50torr ；
(3)、在保持上述氫氣流量及爐腔壓力條件下，對硅波導(dǎo)進(jìn)行氫退火處理；具體退火溫度設(shè)置為:在第Imin內(nèi)，將退火溫度勻速升溫至1000°C,在第Imin至第Ilmin之間,保持退火溫度1000°C ；
(4)、第Ilmin至第13min之間,停止對爐腔內(nèi)通入氫氣,通入100sccm流量気氣并保持爐腔壓力穩(wěn)定在50ton.，將退火溫度勻速降溫至450°C，
(5)、最后自然降溫。
[0007]利用高溫退火設(shè)備，在純氫氛圍、一定壓力條件下對硅波導(dǎo)進(jìn)行高溫退火處理、以期實現(xiàn)波導(dǎo)表面光滑化。在冷卻過程中通入氬氣，以帶走退火過程中微量氣態(tài)生成物，同時作為退火爐降溫過程的保護(hù)氣體。該工藝的理論原理如圖1所示，硅波導(dǎo)表面光滑化是表面自由能減小的過程，隨表面原子遷移速率加快，表面流密度矢量由高能態(tài)向低能態(tài)遷移，驅(qū)使硅表面趨于光滑化。其理論研究表明波導(dǎo)表面原子遷移率由材料特性、表面擴(kuò)散系數(shù)、表面曲率梯度決定。在高溫退火條件下，氫氣會與娃波導(dǎo)表面相鄰二聚體上的懸空鍵相互作用，促進(jìn)硅氫鍵的形成。由于硅氫鍵的存在，硅氫鍵流密度矢量由高能態(tài)向低能態(tài)遷移趨向使波導(dǎo)表面硅原子活性增強，原子遷移率增大，從而更好的實現(xiàn)波導(dǎo)表面光滑化處理。發(fā)明人經(jīng)過多次試驗優(yōu)選的溫度、壓力條件下，通過控制好退火溫度的快速升降時間節(jié)點(如圖3所示)，實現(xiàn)表面光滑化處理。
[0008]該工藝所使用氫退火裝置如圖3所示，主要由退火爐、供氣裝置、真空裝置和水冷系統(tǒng)組成。首先利用真空裝置將爐腔抽成高真空(真空度達(dá)毫托量級)，然后由供氣系統(tǒng)給爐腔提供高純度氫氣(純度在99.99%以上)。通過供氣系統(tǒng)流量控制器、真空裝置及與其連接的擋板閥使?fàn)t腔在一定氫氣流量下保持壓力穩(wěn)定(50torr)。然后由退火爐結(jié)合水冷系統(tǒng)按照如圖2所述的的溫控曲線對硅波導(dǎo)進(jìn)行退火處理。退火完成后，降溫過程中停止對爐腔通入氫氣，以lOOOsccm流量給爐腔通入氬氣，同樣保持爐腔壓力穩(wěn)定在50torr，直到爐腔溫度降低到常溫。目前，在保持該優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行退火實驗，已實現(xiàn)波導(dǎo)表面形貌的明顯改善，如圖4和5對比可以看出。
[0009]本發(fā)明設(shè)計合理，該表面光滑工藝效果好，操作簡單，可用于批量生產(chǎn)，同時解決了現(xiàn)有納米光波導(dǎo)表面處理工藝的不足，具有重要的理論與應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0010]圖1表示硅氫鍵流密度法光滑工藝原理示意圖。
[0011]圖2表示退火爐溫控曲線示意圖。
[0012]圖3表示氫退火裝置示意圖。
[0013]圖4表不退火前娃波導(dǎo)表面形貌AFM測試圖。
[0014]圖5表不退火后娃波導(dǎo)表面形貌AFM測試圖。
【具體實施方式】
[0015]下面對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0016]一種基于硅氫鍵流密度法的硅波導(dǎo)表面光滑工藝，包括如下步驟:
(I)、使用真空泵將退火爐腔抽真空，真空度至毫托量級。
[0017](2)、通過供氣裝置向退火爐腔內(nèi)通入純度在99.99%以上的氫氣，供氣裝置以可控的恒定流量給爐腔提供氫氣，利用流量計使供氣流量穩(wěn)定在500Sccm，同時真空泵結(jié)合擋板閥，實現(xiàn)爐腔內(nèi)壓力可控，控制退火爐腔內(nèi)的壓力穩(wěn)定在50torr。
[0018](3)、設(shè)定退火爐退火溫度，進(jìn)行硅波導(dǎo)氫退火處理；快速退火爐結(jié)合水冷系統(tǒng)可實現(xiàn)確定的溫控曲線及快速升降溫。如圖2所示，具體為，在第Imin內(nèi)，將退火溫度勻速升溫至1000°C,在第Imin至第Ilmin之間,保持退火溫度1000°C。
[0019](4)、第Ilmin至第13min之間,退火結(jié)束。停止對爐腔通入氫氣，以100sccm流量給爐腔通入氬氣，同樣保持爐腔壓力穩(wěn)定在50ton.，退火爐溫度勻速降溫至450°C ；
(5)、最后自然降溫。
【主權(quán)項】
1.一種基于硅氫鍵流密度法的硅波導(dǎo)表面光滑工藝，其特征在于:包括如下步驟: (1)、使用真空泵將退火爐腔抽真空，真空度至毫托量級； (2)、通過供氣裝置向退火爐腔內(nèi)通入純度在99.99%以上的氫氣，利用流量計使供氣流量穩(wěn)定在500sccm,同時控制退火爐腔內(nèi)的壓力穩(wěn)定在1torr ； (3)、設(shè)定退火爐退火溫度，進(jìn)行硅波導(dǎo)氫退火處理；具體為，在第Imin內(nèi)，將退火溫度勻速升溫至1000°c,在第Imin至第Ilmin之間，保持退火溫度1000°C ； (4)、第Ilmin至第13min之間，停止對爐腔通入氫氣，以100sccm流量給爐腔通入気氣，同樣保持爐腔壓力穩(wěn)定在50ton.，將退火溫度勻速降溫至450°C ； (5)、最后自然降溫。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硅基納米光波導(dǎo)表面光滑化工藝。通過在氫氛圍下快速高溫退火處理，硅波導(dǎo)表面將形成Si-H鍵，然后利用氫離子表面流密度矢量有高能態(tài)至低能態(tài)遷移趨向，實現(xiàn)波導(dǎo)側(cè)壁亞納米級光滑化處理。本發(fā)明與已有表面處理方法相比不僅效果更好，而且方便、高效；同時還可實現(xiàn)批量化處理，具有重要的理論與應(yīng)用價值。
【IPC分類】C30B33-02
【公開號】CN104651946
【申請?zhí)枴緾N201510120698
【發(fā)明人】桑勝波, 張輝, 張文棟, 菅傲群, 段倩倩, 冀建龍, 鄧麗莉, 任馨宇
【申請人】太原理工大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年3月19日