多層脊型光波導的製備方法

2023-06-13 23:51:36

專利名稱：多層脊型光波導的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種多層脊型光波導的製備方法。
背景技術：
現有技術中光波導被應用在平面波導電路(PLC)中。例如，在SOI矽偏上可以製作矽基波導。專利 US 5078516，US 7016587，US 7499620，US 7539373，US2009/0252456 和 US 2010/0055906公開了一些關于波導器件及其製作方法的例子，這些例子在此作為參考。矽脊平面光波導的現有製造工藝中包括多次光刻步驟以及對應的矽刻蝕步驟。在這些工藝中，多步刻蝕的順序一般都是按順序進行，首先在高層或頂層實施，然後在低層上實施。因此，現有工藝中一般是先進行淺刻蝕，然後再深刻蝕，其中淺刻蝕致使矽片表面呈非平面化，致使深刻蝕之前的光刻掩膜圖案成型過程在非平面化的矽片表面上進行。除了在非平面化表面進行光刻存在困難以外，多次刻蝕步驟中對準的誤差或偏移也會嚴重影響矽脊平面光波導的光學性能。同時，刻蝕過程會使矽片具有多種表面態的粗糙表面，這種粗糙表面會增加光學散射損失。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種多層脊型光波導的製備方法。 本發明通過下述技術方案予以實現一種多層脊型光波導的製備方法，包括以下步驟步驟1 對矽片表面加工成形，即根據第一掩膜圖形去除第一部分物質至第一預定深度，從而得到槽和位於所述槽之間的矽臺面；步驟2 用填充物填充所述槽，並對所述矽片表面進行平坦化；步驟3 對所述矽臺面的表面加工成形，即根據第二掩膜圖形去除第二部分物質至第二預定深度，所述第二預定深度小於所述第一預定深度。根據本發明的一個實施例，在對所述矽片進行平坦化前，在所述矽片的表面上覆蓋光隔離層，再填充所述槽。所述槽填充後的上表面高度等於或大於所述矽臺面的上表面高度。然後，採用化學機械拋光法或回刻法對所述矽片表面進行平坦化。根據本發明的一個實施例，對所述矽臺面的表面加工成形去除第二部分物質，還包括去除所述矽片的非矽臺面部分。根據本發明的一個實施例，所述填充物為抗反射塗層，聚合矽或氧化矽。根據本發明的一個實施例，本發明還包括去除所述填充物。根據本發明的一個實施例，所述第一掩模圖形與所述第二掩模圖形部分重疊，所述重疊部分定義的所述矽臺面部分在步驟3中保留而不被刻蝕。根據本發明的一個實施例，所述第一掩模圖形定義側壁，所述第二掩膜圖形定義邊界線，所述側壁與所述邊界線互不平行。根據本發明的一個實施例，所述第一掩模圖形定義的側壁定義了所述矽臺面的輪廓，所述第二掩膜圖形定義的邊界線定義了所述矽臺面的錐形前端部位。根據本發明的一個實施例，還包括對所述矽臺面進行氧化和去氧化處理。根據本發明的一個實施例，還包括在對所述矽臺面加工成形後，在所述矽片上覆
蓋塗層ο根據本發明的一個實施例，所述塗層由氧化矽或氮化矽構成。本發明公開的技術方案適用性較廣，一般的CMOS工廠都可以直接採用。與現有技術相反，本發明公開的技術方案中的刻蝕順序是先深刻蝕後淺刻蝕。有益效果為可以使用一種交叉光刻的方法來解決多次刻蝕中的對準問題；表面平坦化步驟可以使矽片表面平面化並有利於隨後的光刻過程；增加氧化並去氧化步驟可以解決波導表面的粗糙問題，減少光學散射損失，同時降低波導上矽脊的起始尺寸。


圖1是本發明中用於製備光波導的矽片示意圖。圖2是本發明步驟1中頂矽層被去除一部分的矽片示意圖。圖3是本發明步驟1結束後的矽片示意圖。圖4是本發明步驟1結束後矽片的立體結構示意圖。圖5是本發明步驟2中填充後的矽片示意圖。圖6是本發明步驟2中平坦化後的矽片示意圖。圖7是本發明步驟3中矽片上覆蓋有光刻膠的示意圖。圖8是本發明步驟3中經過曝光、顯影后的矽片示意圖。圖9是本發明步驟3中矽片的立體結構示意圖。圖10是本發明步驟3中去除了頂層矽M的物質後矽片20的示意圖。圖11是本發明步驟3結束後的矽片示意圖。圖12是本發明步驟3中矽臺面的俯視圖，以及第一掩膜圖形和第二掩模圖形的交叉示意圖。圖13是本發明步驟3結束後矽片的立體結構示意圖。圖14和圖15是氧化和去氧化矽臺面的示意圖。圖16是本發明中矽片的頂矽層上覆有覆蓋層的示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例並結合附圖對本發明進行詳細地說明。本申請公開了一種多層脊型光波導10的製備方法，包括一個矽脊31，其含有一個錐形前端部位50，如圖13所示。圖1為用於製備光波導10的矽片20示意圖。如圖1所示，矽片20為一個包含埋氧層22和頂矽層M的SOI矽片。雖然接下來的描述都是在SOI矽片上製備光波導，但是本發明也可以被應用到其他襯底上，例如矽基二氧化矽，矽石英，NiNbO3和InP晶圓等類似的襯底。矽片20可以用任何適用的方法製造，例如在氧化矽或其他襯底上沉積頂矽層對。 專利 US 5888297, US 5417180、US 5061642 和 US 4771016 公開了一些製作 SOI 矽片的方法，在此作為參考。本發明公開了一種多層脊型光波導的製備方法，其主要包括以下步驟步驟1 對矽片20表面加工成形，即根據第一掩膜圖形61去除頂矽層M的一部分至第一預定深度，從而得到槽和位於所述槽之間的矽臺面。任何適用的方法都可以用來實現步驟1，例如刻蝕方法。圖1給出了可用於刻蝕步驟中的光刻膠16的示意圖。可以用旋塗法覆蓋光刻膠16。經過曝光和顯影，實施刻蝕。 去除剩下的光刻膠16，並對矽片20進行清洗。圖2為頂矽層對被去除了一部分後矽片20的示意圖。如果在步驟1中使用了光刻膠16，則光刻膠16也可以被去除。圖3為實施步驟1後矽片20的結構示意圖，頂矽層M被去除一部分後，頂矽層M 上至少形成了一個槽觀，槽觀的深度為所述第一預定深度。步驟1在頂矽層M上形成了多個槽觀。槽觀可以具有任意合適的形狀、寬度和深度。頂矽層M上形成了位於槽28a和28b之間的矽臺面30，矽臺面30的形狀由第一掩膜圖形61定義。在一些實施例中，槽28a和^b的深度一樣。在一些實施例中，槽洲的位置和形狀可以在步驟1中通過掩模板的圖案，即第二掩膜圖形6來定義。在一些實施例中，步驟1形成了多個槽觀，這些槽具有不同的深度。在一些實施例中，多個槽觀互相平行。在一些實施中，槽28a可以和其他槽不平行。圖4為頂層矽M的立體結構示意圖，其中，槽^a，28b是在步驟1形成的。在一些實施例中，槽^a，28b是不平行的，矽臺面30的錐形結構沿著槽^aJSb的長度方向。矽臺面30包括側壁34和側壁35。在一些實施例中，步驟1形成的槽觀具有一個窄開口。槽觀的深度可以大於寬度。在一些實施例中，槽觀的深度為其寬度的2倍。在不同的實施例中，槽觀的深度為其寬度的2倍、4倍或者8倍，乃至更多倍數。相對於其寬度，槽觀可以具有任何合適的深度。 越窄的槽觀越容易封閉，使矽片20的平坦化更易實施。步驟2 用填充物44填充槽觀，並對矽片20表面進行平坦化。 如圖5所示，在一些實施例中，在填充槽28前，頂矽層M上覆蓋有光隔離層32。 光隔離層32的存在是選擇性的，但在一些實施例中最好存在。光隔離層32可以位於矽片 20的任何位置，例如在槽28的底部，矽臺面30或槽28的側壁34上，和/或矽臺面30的上表面或頂矽層M的非矽臺面部位上。光隔離層32最好由低κ物質構成，例如氧化物薄膜，氧化矽，氮化矽或合適的聚合物。任何適用的方法都可以用來製作光隔離層32。例如，低κ物質可以用熱氧化或氣相沉積得到，後者可以是LPCVD或PECVD。氮化矽也可以用LPCVD或PECVD得到。聚合物構成的光隔離層可以用旋塗法得到。在下次刻蝕步驟之前，對矽片20進行平坦化。可以通過任何適用的方法實現矽片 20的平坦化。圖5給出了在平坦化過程中的矽片20的示意圖。填充物44可以沉積在頂矽層M上和槽28內。窄開口的填充物44更有利於封閉。例如，在填充過程中，填充物44沉積在矽片20 暴露的表面上，包括槽28的底部和側壁。理想地是，槽觀被沉積在其側壁的填充物44完全填充/封閉。如圖5所示，槽觀被填充物44完全填充。填充層的表面在槽觀上方處出現沉降，可以預見到，當槽觀變寬時，沉降缺口會抵達槽觀內。理想的情況是，填充物44 完全封閉槽觀，槽觀內的填充物高度等於或大於頂矽層M的高度。槽觀的寬度最好窄到可以使其被完全封閉。在一些實施例中，槽觀的寬度是2微米或更小。在一些實施例中， 槽觀的寬度為4微米或更小。槽觀的寬度可以根據特定填充方法和設備性能來決定。填充物44可以是任何合適的物質，在一些實施例中，填充物44是抗反射塗層(如碳氫化合物)，聚合矽或者氧化矽。矽片20的平坦化可以通過任何適用的方法實現，例如化學機械拋光法(CMP)或回刻法(如幹法回刻)。專利US5814564中公開了關於回刻的一個例子。填充物44的種類和槽觀的形狀不影響化學機械拋光法的使用。回刻方法在一些情況下更加適用，例如當槽觀的深寬比大於2(更窄更深的槽)時。一般來說，槽觀的深寬比越大，採用回刻法平坦化的矽片表面越趨於平坦，同時，在回刻時，槽內刻蝕速率與表面刻蝕速率的差別也越大(槽內刻蝕速率低)，有利於回刻時將填充物44保留在槽觀內，實現平坦化。圖6為平坦化後矽片20的示意圖。矽片20的表面沈是平坦的。槽28中仍保留光隔離層32和填充物44。理想的情況是，頂矽層M的上表面沒有隔離層32和填充物44。步驟3 對矽臺面30的表面加工成形，即根據第二掩膜圖形62去除第二部分物質至第二預定深度，所述第二預定深度小於所述第一預定深度。在矽片20上實施步驟3，其中，頂矽層M的一個或多個部分被去除。在一些實施例中矽臺面30的一部分被去除。步驟2可以通過任何適用的方法實現，例如刻蝕。圖7是用化學刻蝕法實現步驟3的矽片20的示意圖。在矽片20的表面沈上覆蓋光刻膠17，可以用旋塗法覆蓋光刻膠17。。在一些實施例中，如果矽片20的槽觀內之前沒有用填充物44填充，光刻膠17可以填充槽觀。在一些實施例中，光刻膠17和光刻膠16 相同，二者也可以不同。圖8是如圖7所示的矽片20經過曝光、顯影后的示意圖。掩模板上的圖案，即第二掩膜圖形62，轉移到光刻膠17上。步驟3去除了頂層矽M的部分物質。在一些實施例中，步驟3去除了構成矽臺面 30的部分物質，這些物質是在步驟1中形成的。因此，矽臺面30的一部分被去除了。圖8 表明，光刻膠17的一部分覆蓋在矽臺面30的一部分上，矽臺面30被覆蓋的部分得到了保護而不在步驟3中被去除。圖9給出了矽片20上有矽臺面30的立體示意圖，在步驟3中將被去除的部分用陰影表示。此處，為更清楚地說明步驟3，填充物44並沒有畫出來。矽臺面30上的非陰影部分38被光刻膠17覆蓋/保護起來(如圖8所示)。矽臺面30上的陰影部分39將在步驟3中被去除。在一些實施例中，步驟3從頂層矽M上去除的物質40還包括其上的非矽臺面部分。圖10為步驟3去除了頂層矽M的物質後矽片20的示意圖。理想的情況是，步驟 3去除物質的深度(第二預定深度)比步驟1去除物質的深度(第一預定深度)小。如圖 10所示，步驟1形成的槽觀的深度Cl1大於步驟3去除物質的深度d2。圖11是去除了光刻膠17和填充物44以後的矽片20示意圖。
在一些實施例中，填充物44保留在槽觀中，沒有被去除。在一些實施例中，填充物44被去除了。當填充物44為氧化物或聚合矽時，可以腐蝕去除，例如用氫氟酸。當填充物44為抗氧化塗層時(如碳氫化合物)，可以用有機溶劑去除。在一些實施例中，如果用到了光隔離層32，步驟3及隨後的清洗結束後，光隔離層 32可以保留在矽片20上。在一些實施例中，光隔離層32可以被去除，例如和光刻膠17 — 起被去除。圖12是矽臺面30的俯視圖，說明了在步驟1和步驟3中的交叉光刻/成形過程。 如圖12所示，矽臺面30的側壁34和側壁35可以和圖9所示的側壁34、35類似。因此，矽臺面30的側壁34和側壁35可以在步驟1形成槽觀的同時得到，即第一掩膜圖形61也定義了側壁34和側壁35。圖12中也顯示了在步驟3中的光刻膠17的形狀，即第二掩膜圖形62。在一些實施例中，矽臺面30上方的第二掩膜圖形62含有邊界線46和邊界線47。理想的情況是，邊界線46與矽臺面30的側壁34不平行，邊界線47和矽臺面30的側壁35不平行。因此，步驟1中的掩膜、刻蝕與步驟3中的掩膜、刻蝕可視為交叉定義。圖12中的陰影部分為步驟 1中的第一掩膜圖形61和步驟3中的第二掩膜圖形62的重疊部分。由此得到的矽臺面30 的形狀是由所述重疊部分定義的。在一些實施例中，邊界線46和側壁34之間的角度等於邊界線47和側壁35之間的角度。在一些實施例中，矽臺面30是橫向對稱的。在一些實施例中，第二掩膜圖形包括一個或多個位於槽觀上方的部位48。在一些實施例中，部位48的懸伸寬度M大於其下方槽28的寬度。本發明公開的交叉光刻方法解決了現有多步刻蝕工藝中難以解決的對準問題。因為矽臺面30的前端部分是在第二次刻蝕步驟中形成的，而非多個刻蝕步驟的組合。第一次刻蝕與第二次刻蝕的對準問題就顯得不那麼重要。而且，如圖12中所示的兩個掩膜圖形重疊部分的三角形狀和對稱性使得兩次刻蝕步驟的對準更容易。圖13是在步驟3之後矽片20的示意圖。其中，所得到的矽臺面30含有一個錐形前端部位50，所述錐形前端部位50含有側壁51和側壁52。在一些實施例中，矽臺面30包含了光波導10的矽脊31。在步驟3之後，矽臺面30的表面可能會變粗糙。在一些實施例中，將實施一道或多道平滑化工序。在一些實施例中，平滑化工序包括在矽臺面30表面形成氧化物，例如用熱氧化或氣相沉積法形成氧化物，然後將氧化物剝離，例如用HF腐蝕法。在一些實施例中，平滑化工序可以減小矽臺面30的尖端寬度。在一些實施例中， 將實施多次氧化和去氧化步驟，以減小矽臺面30的起始寬度。圖14是矽臺面30和氧化層56的俯視圖。圖15是圖14中的矽臺面30在氧化層56去除後的示意圖。氧化和去氧化步驟減小矽臺面30的起始寬度60。在一些實施例中，在頂層矽M上覆有一個或多個覆蓋層58，如圖16所示。理想的情況是，附加塗層58由比頂矽層M反射指數更低的物質構成。在一些實施例中，附加塗層 58由氧化矽，氮化矽等構成。以上內容僅在於闡述說明，而非窮盡。本發明提供了在本技術領域中現有技術的變化和替代方案。所有這些替代方案和變化都落在權利要求的範圍內，其中「包括」表示 「包含」，但不是僅限於。本領域的技術人員可能根據此處描述的具體實施例找到其他等同方案，這些等同方案也落在權利要求範圍內。
權利要求
1.一種多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟1 對矽片表面加工成形，即根據第一掩膜圖形去除第一部分物質至第一預定深度，從而得到槽和位於所述槽之間的矽臺面；步驟2 用填充物填充所述槽，並對所述矽片表面進行平坦化；步驟3 對所述矽臺面的表面加工成形，即根據第二掩膜圖形去除第二部分物質至第二預定深度，所述第二預定深度小於所述第一預定深度。
2.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，在實施所述平坦化前，所述槽填充後的上表面高度等於或大於所述矽臺面的上表面高度。
3.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，對所述矽臺面的表面加工成形去除第二部分物質，還包括去除所述矽片的非矽臺面部分。
4.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，所述填充物為抗反射塗層，聚合矽或氧化矽。
5.根據權利要求4所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，還包括去除所述填充物。
6.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，所述第一掩模圖形與所述第二掩模圖形部分重疊，所述重疊部分定義的所述矽臺面部分在所述步驟3中保留而不被刻蝕。
7.根據權利要求6所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，所述第一掩模圖形定義側壁，所述第二掩膜圖形定義邊界線，所述側壁與所述邊界線互不平行。
8.根據權利要求7所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，所述第一掩模圖形定義的側壁定義了所述矽臺面的輪廓，所述第二掩膜圖形定義的邊界線定義了所述矽臺面的錐形前端部位。
9.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，所述平坦化採用化學機械拋光法或回刻法。
10.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，還包括在所述矽片的表面上覆蓋光隔離層。
11.根據權利要求10所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，在實施所述填充前，所述光隔離層覆蓋在所述槽的表面。
12.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，還包括對所述矽臺面進行氧化和去氧化處理。
13.根據權利要求1所述的多層脊型光波導的製備方法，其特徵在於，還包括在對所述矽臺面加工成形後，在所述矽片上覆蓋塗層。
14.根據權利要求14所述的多層脊型光波導的製備方法，其中，所述塗層由氧化矽或氮化矽構成。
全文摘要
本發明公開了一種多層脊型光波導的製備方法。本發明方法的刻蝕順序是先深刻蝕後淺刻蝕。所述深刻蝕在矽片的頂矽層上形成槽和矽臺面，填充所述槽並對矽片平坦化後，所述淺刻蝕去除所述矽臺面的一部分。窄開口的槽更有利於填充封閉。本發明方法將使用交叉光刻方法降低多次刻蝕步驟中的對準偏移。本發明方法將採用氧化和去氧化方法，以解決波導表面粗糙問題，同時降低波導上矽脊的起始寬度。
文檔編號G02B6/136GK102183817SQ20111011056
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者李冰, 李小剛, 王浙輝 申請人:上海圭光科技有限公司