專(zhuān)利名稱(chēng)：用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)制備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基二氧化硅光波導(dǎo)的制備方法，并將其應(yīng)用在硅基二氧化硅陣列波導(dǎo)光柵(AWG)型等光波導(dǎo)器件的制備。
背景技術(shù)：
目前，光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)通常由下包層、芯區(qū)和上包層等三部分組成。下包層的制備通常是采用火焰水解(FHD)法或濕氧氧化法。芯區(qū)和上包層的制備通常采用FHD法或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積(PECVD)法等方法。波導(dǎo)材料生長(zhǎng)對(duì)材料的層厚和折射率都有十分嚴(yán)格的要求，工藝非常復(fù)雜。因此，一種實(shí)現(xiàn)平面光波導(dǎo)的簡(jiǎn)便的制備工藝就顯得尤為重要。
目前，光波導(dǎo)的通用制備步驟是先生長(zhǎng)二氧化硅下包層，然后在下包層上生長(zhǎng)具有一定折射率差的二氧化硅芯區(qū)，再根據(jù)器件設(shè)計(jì)進(jìn)行光刻和刻蝕，制備出所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后生長(zhǎng)上包層，完成整個(gè)器件的制備。該工藝較復(fù)雜且芯區(qū)存在較大應(yīng)力，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)器件偏振相關(guān)敏感。采用在硅襯底上生長(zhǎng)多孔硅層，并通過(guò)高溫退火使多孔硅充分氧化為高折射率二氧化硅芯層，再通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趸纬啥趸柘掳鼘樱罱K制備出二氧化硅光波導(dǎo)器件。這種方法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠改進(jìn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振相關(guān)特性，在國(guó)際上還沒(méi)有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)制備的方法，其關(guān)鍵在于先在硅襯底上通過(guò)陽(yáng)極氧化法生成一層多孔硅，利用高溫?zé)嵫趸筛哒凵渎实男緦?，干法刻蝕出設(shè)計(jì)需要的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趸啥趸柘掳鼘?，覆蓋上包層，最終完成整個(gè)波導(dǎo)器件的制備工藝。
本發(fā)明是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，包括如下步驟1)在硅襯底上用陽(yáng)極氧化方法生成一層多孔硅，腐蝕液中加入適量磷酸；2)對(duì)材料進(jìn)行高溫氧化或高溫?fù)诫s氧化，使多孔硅層氧化為高折射率的二氧化硅層；3)通過(guò)掩膜光刻和干法刻蝕等工藝，在高折射率二氧化硅表面形成設(shè)計(jì)需要的波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)；4)對(duì)材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趸苽涑鼍哂幸欢ê穸鹊亩趸柘掳鼘樱?)根據(jù)需要生長(zhǎng)上包層結(jié)構(gòu)，整個(gè)波導(dǎo)制備完畢。
其中步驟1所說(shuō)的通過(guò)陽(yáng)極氧化方法制備出一定厚度的多孔硅層，在腐蝕液中加入適量磷酸，以提高其折射率，也可以加入其他化學(xué)試劑以增強(qiáng)加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率。
其中步驟2所說(shuō)的對(duì)材料進(jìn)行高溫氧化，使多孔硅層氧化為高折射率的二氧化硅層；高溫氧化工藝采用濕氧氧化或濕氧、干氧交替氧化，氧化溫度約為1050℃；在高溫氧化過(guò)程中可以通過(guò)摻雜或不摻雜工藝以調(diào)整二氧化硅層的折射率。
其中步驟3所說(shuō)的刻蝕出所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所刻蝕的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求既可以是直波導(dǎo)也可以是彎曲波導(dǎo)。
其中步驟5所說(shuō)的生長(zhǎng)上包層結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)具體器件設(shè)計(jì)和需要，不生長(zhǎng)上包層，利用空氣的低折射率作為上包層結(jié)構(gòu)。
其中這種光波導(dǎo)材料制備的技術(shù)，可用于實(shí)現(xiàn)硅基二氧化硅陣列波導(dǎo)光柵器件，馬赫—曾德干涉型器件、多模干涉器型器件和其他波導(dǎo)類(lèi)器件。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖1是在硅襯底上結(jié)合多孔硅工藝及高溫?zé)嵫趸に囍苽洳▽?dǎo)材料并刻蝕出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，形成的完整光波導(dǎo)器件的工藝流程圖。
圖2是在硅襯底上結(jié)合多孔硅工藝及高溫?zé)嵫趸に囍苽洳▽?dǎo)材料并刻蝕出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1并結(jié)合參閱圖2，圖1-1是在硅襯底10上利用陽(yáng)極氧化方法生成一層多孔硅11。硅片采用低電阻P型硅片，并在硅片背面通過(guò)離子注入等方法擴(kuò)散硼，形成歐姆接觸層，接電源負(fù)極。應(yīng)用鉑等貴金屬作為陽(yáng)極材料接電源正極。腐蝕液采用去離子水稀釋的氫氟酸以及適量的磷酸。加電壓后硅片表面發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)，腐蝕出多孔化結(jié)構(gòu)的多孔硅層，多孔硅層的空隙度和厚度決定于陽(yáng)極腐蝕所加的電壓、氫氟酸濃度以及腐蝕時(shí)間等參數(shù)，要求精確控制。通過(guò)在腐蝕液中加入適量的磷酸，可以增加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率，磷酸的加入量也要精確控制。
圖1-2是在已經(jīng)腐蝕出的具有一定厚度和孔隙度的多孔硅11上通過(guò)摻雜或不摻雜的高溫氧化使多孔硅層變?yōu)橐欢ㄕ凵渎实闹旅芏趸栊緦?2，該層將作為最終的光波導(dǎo)器件的芯區(qū)。高溫氧化為濕氧氧化或濕氧、干氧交替氧化過(guò)程中進(jìn)行，氧化溫度大約為1000～1200攝氏度。氧化工藝的不同也會(huì)對(duì)高溫退火后形成的二氧化硅芯層的折射率產(chǎn)生影響。
圖1-3是在已氧化形成的二氧化硅芯層12上覆蓋一層掩膜材料，并根據(jù)設(shè)計(jì)，得到所需的波導(dǎo)掩膜圖形13。
圖1-4是對(duì)已制備好掩膜的波導(dǎo)芯層12進(jìn)行刻蝕，得到符合設(shè)計(jì)要求的波導(dǎo)芯區(qū)14。根據(jù)器件的設(shè)計(jì)和需要，可以通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體(ICP)等干法刻蝕工藝刻蝕出所需波導(dǎo)芯區(qū)14，波導(dǎo)芯區(qū)14的形狀可以是直波導(dǎo)也可以是彎曲波導(dǎo)或者其他波導(dǎo)器件形式?？涛g過(guò)程中要根據(jù)器件設(shè)計(jì)及波導(dǎo)層折射率分布情況對(duì)刻蝕深度進(jìn)行精確控制，以制備出符合性能要求的光波導(dǎo)器件。
圖1-5是去掉掩膜材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫氧化工藝，氧化硅襯底，形成二氧化硅下包層結(jié)構(gòu)15。氧化過(guò)程同樣可以采用濕氧氧化或濕氧、干氧交替氧化過(guò)程中進(jìn)行，氧化溫度大約為1000～1200攝氏度。氧化溫度要求精確控制，使下包層材料的折射率保持均勻、穩(wěn)定。
圖1-6是根據(jù)設(shè)計(jì)和需要在刻蝕好的波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)層上生長(zhǎng)上包層16。生長(zhǎng)上包層可以通過(guò)火焰水解法、PECVD法或者其他方法生長(zhǎng)，當(dāng)然，也可以根據(jù)需要不生長(zhǎng)上包層16，直接利用空氣的低折射率作為器件的上包層，但這樣不利于器件的保護(hù)和后續(xù)工藝的處理。
權(quán)利要求
1.一種用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，包括如下步驟1)在硅襯底上用陽(yáng)極氧化方法生成一層多孔硅，腐蝕液中加入適量磷酸；2)對(duì)材料進(jìn)行高溫氧化或高溫?fù)诫s氧化，使多孔硅層氧化為高折射率的二氧化硅層；3)通過(guò)掩膜光刻和干法刻蝕等工藝，在高折射率二氧化硅表面形成設(shè)計(jì)需要的波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)；4)對(duì)材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趸?，制備出具有一定厚度的二氧化硅下包層?)根據(jù)需要生長(zhǎng)上包層結(jié)構(gòu)，整個(gè)波導(dǎo)制備完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，其中步驟1所說(shuō)的通過(guò)陽(yáng)極氧化方法制備出一定厚度的多孔硅層，在腐蝕液中加入適量磷酸，以提高其折射率，也可以加入其他化學(xué)試劑以增強(qiáng)加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，其中步驟2所說(shuō)的對(duì)材料進(jìn)行高溫氧化，使多孔硅層氧化為高折射率的二氧化硅層；高溫氧化工藝采用濕氧氧化或濕氧、干氧交替氧化，氧化溫度約為1050℃；在高溫氧化過(guò)程中可以通過(guò)摻雜或不摻雜工藝以調(diào)整二氧化硅層的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，其中步驟3所說(shuō)的刻蝕出所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所刻蝕的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求既可以是直波導(dǎo)也可以是彎曲波導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，其中步驟5所說(shuō)的生長(zhǎng)上包層結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)具體器件設(shè)計(jì)和需要，不生長(zhǎng)上包層，利用空氣的低折射率作為上包層結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，其中這種光波導(dǎo)材料制備的技術(shù)，可用于實(shí)現(xiàn)硅基二氧化硅陣列波導(dǎo)光柵器件，馬赫—曾德干涉型器件、多模干涉器型器件和其他波導(dǎo)類(lèi)器件。
全文摘要
一種用于實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)材料制備的方法，其特征在于，包括如下步驟1)在硅襯底上用陽(yáng)極氧化方法生成一層多孔硅，腐蝕液中加入適量磷酸；2)對(duì)材料進(jìn)行高溫氧化或高溫?fù)诫s氧化，使多孔硅層氧化為高折射率的二氧化硅層；3)通過(guò)掩膜光刻和干法刻蝕等工藝，在高折射率二氧化硅表面形成設(shè)計(jì)需要的波導(dǎo)芯區(qū)結(jié)構(gòu)；4)對(duì)材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)嵫趸?，制備出具有一定厚度的二氧化硅下包層?)根據(jù)需要生長(zhǎng)上包層結(jié)構(gòu)，整個(gè)波導(dǎo)制備完畢。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1664632SQ200410007340
公開(kāi)日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者李健, 安俊明, 郜定山, 王紅杰, 李建光, 胡雄偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所