基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法

2023-04-28 17:40:31

專利名稱：基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法
技術領域：
本發明涉及一種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，屬於集成光通信領域。
背景技術：
現代光通信技術的發展對光通信器件的材料與結構提出了很高的要求。矽基器件作為新型光子器件具有高速、低功耗、微型化的特點，中國科學院北京半導體所餘金中課題組在2012年的Optical Express雜誌上報導研製出了具有40G/s的超高速矽基馬赫曾德爾調製器；IBM公司的J.C.Rosenberg等人在2011年的OFC會議上發布了功耗僅僅只有
1.8pJ/bit的矽基調製器；由於矽材料具有較高的折射率(3.46)，與周圍的空氣以及作為基底的二氧化矽材料形成了高折射率差，所以可以將光信號限制在很小的空間內，從而實現了器件的微型化，目前的矽波導尺寸都在亞微米級別；由於矽工藝集成技術與現在非常成熟的集成電路CMOS工藝集成技術完全兼容，從而易於實現大規模集成。所以，使用矽材料來實現現代光通信器件是未來發展的一個方向。矽基光通信器件的性能很大程度上是由矽波導決定的。粗糙的矽波導側壁將對在其中傳輸的光信號產生很大的散射作用，信號功率大大減弱，增加了傳輸損耗，誤碼率變大。由於刻蝕造成的矽波導的高度、寬度改變，將改變光傳播常數，影響器件性能。目前製備矽基波導的辦法主要分為兩種，包括幹法刻蝕法和氧化法。幹法刻蝕法是指即利用光刻膠掩膜來對矽進行刻蝕形成光波導。如果是反應離子刻蝕(RIE)，則矽材料的側壁會與等離子發生物理化學反應，造成側壁粗糙；如果是離子束刻蝕(IBE)，則離子的物理轟擊會使矽材料底部不平整，刻蝕深度不易控制；採用感應耦合等離子(ICP)刻蝕，可以使側壁粗糙度降低，同時提高側壁陡直度。另外一種製備矽波導的方法是氧化法，即在矽上先形成能阻擋氧氣分子向下擴散的硬掩膜圖形，這樣氧氣只能與暴露的矽材料進行反應形成氧化矽，去除硬掩膜後可獲得矽波導。對於通過氧化形成矽波導的辦法，當前主要是採用氮化矽、氧化矽、氮氧化矽作為硬掩膜。對於氮化矽硬掩膜，由於氮化矽與矽界面存在較大應力，當氧化發生在矽波導的側頂部時，在氮化矽與矽的交界面生成的氧化矽將造成波導局部變形，從而影響矽波導中光信號的傳播模式。對於氧化娃作為硬掩膜的情況，由於使用CVD (化學氣相沉積)生成的氧化矽膜層疏鬆，對氧氣的阻擋作用較差，所以只能製備高度差較小的矽波導，而且波導的側壁比較傾斜，增大了實際結構和設計間的誤差。對於氮氧化矽作為硬掩膜的情況，則是同時具有以上兩種硬掩膜的缺點。為了提高氧化矽波導的質量，結合現有集成工藝，提出了本發明。

發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提供一種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，製備的光波導具有側壁光滑、垂直度較好、底部與頂部平整、工藝簡單、成本較低、與CMOS工藝兼容等優點。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下:—種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟:步驟一，對潔淨的絕緣體上娃(SOI)片進行幹氧氧化處理，氧化溫度850 950° C，O2流量15 20sccm (標準狀態氣體毫升每分鐘)，N2流量45 60sccm，氧化時間10 25min,形成20 30nm厚的二氧化娃膜；步驟二，利用感應耦合等離子增強化學氣相澱積(ICP-PECVD)在二氧化矽膜上形成一層100 400nm厚的多晶娃；步驟三，旋塗I 3 μ m厚的光刻膠使其覆蓋多晶矽；步驟四，用步進式光刻機進行光刻，焦距-1 0.5，曝光時間120ms 160ms，形成光刻膠圖像；步驟五，用深矽感應耦合等離子(ICP)刻蝕去除沒有被光刻膠圖像覆蓋的多晶矽，SF6流量40 80sccm，C4F8流量40 60sccm，等離子功率700 800W，刻蝕時間30 35s，然後，先後用丙酮和酒精洗去殘餘的光刻膠圖像，形成多晶矽掩膜；步驟六,進行再次幹氧氧化處理,氧化溫度1000 1100° (:,02流量15 20sccm,N2流量45 60sccm,氧化時間30 45min,形成氧化層與剩餘多晶娃掩膜；步驟七，在室溫25° C下利用氟化銨腐蝕液(BOE)去除氧化層，利用鹼性溶液去除殘餘多晶矽，得到180 350nm厚的矽波導。本發明的原理是多晶矽在幹氧氧化條件下生成緻密的氧化矽薄膜，阻擋大部分的氧氣分子進入掩膜層正下方的矽層。沒有多晶矽覆蓋的部分，氧氣分子直接與矽反應形成氧化娃，這部分的娃被消耗掉；而有多晶娃層覆蓋的部分，其下層的娃與氧氣反應非常少，因而形成脊型矽波導。本發明的特點是:1、本發明使用了多晶矽來轉移圖形。2、對於在氧化娃層中朝著娃波導側部與頂部橫向擴散的氧氣，由於多晶娃相對於矽更容易與氧氣反應，使得多晶矽覆蓋的基底矽不易被氧化，從而保證了矽波導側壁的陡直性跟矽波導頂部的平整性。3、本發明使用的幹氧氧化法可以使氧化反應非常緩慢，所以反應後剩餘的矽表面光滑均勻。4、第一次幹氧氧化形成薄氧化矽，其目的在於:一是隔離基底矽與之後生長的多晶矽，從而可以作為刻蝕多晶矽時的停止層；二是作為波導形成後，腐蝕去除多晶矽時的阻擋層5、本發明使用的感應耦合等離子體增強化學氣相澱積製備的多晶矽質量好、可控性強。6、本發明使用的製備方法簡單方便，完全與CMOS工藝兼容。7、本發明使用的製備方法成本較低，由於多晶矽本身的製備成本很低，並且容易大規模均勻澱積，故在膜層製備過程只需要使用SiH4與H2氣體源，從而降低了設備的運營與維護成本。


圖1為本發明基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不應限制本發明的保護範圍。實施例1—種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，包括如下步驟步驟一，準備潔淨的SOI片1，放入氧化爐進行一次幹氧氧化，氧化溫度900° C，O2流量20sccm, N2流量60sccm,氧化時間12min,生成20nm厚的二氧化娃膜2。步驟二，使用感應耦合等離子體增強化學氣相澱積在二氧化矽膜上形成一層300nm的多晶娃3,託盤溫度350° C, SiH4 (用Ar氣體稀釋)流量IOsccm, H2流量22sccm,ICP 功率 2100W, RF 功率 170W。步驟三，旋塗1.1 μ m厚的AZ6112光刻膠4。步驟四，使用步進式光刻機進行光刻，焦距0.4，曝光時間140ms，得到線寬為I μπι的光刻膠圖形5。步驟五，使用深矽感應耦合等離子刻蝕去除沒有光刻膠圖形5覆蓋的多晶矽，SF6流量40SCCm，C4F8流量60SCCm，ICP功率800W，刻蝕時間32s，刻蝕後使用丙酮、酒精洗去殘餘的光刻膠，得到多晶矽掩膜6。步驟六,幹氧氧化,氧化溫度1100° C, O2流量20sccm, N2流量60sccm,氧化時間33min,得到氧化層7與剩餘多晶娃掩膜8。步驟七,在室溫(25° C)下使用BOE溶液(氫氟酸:氟化氨=1:20)去除氧化層,分兩次浸泡樣品，第一次浸泡時間150s，取出樣品，使用丙酮、乙醇和水清洗樣品，第二次浸泡時間90s，取出樣品，使用丙酮、乙醇和去離子水清洗樣品。再使用濃度為5%的氫氧化鈉溶液浸泡樣品30s，取出樣品，使用去離子水清洗樣品，得到寬為Iym,高為220nm矽波導9。實施例2一種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，包括如下步驟:步驟一，對潔淨的絕緣體上矽片I進行幹氧氧化處理，氧化溫度850° C，O2流量15sccm, N2流量45sccm,氧化時間25min,形成30nm厚的二氧化娃膜2 ；步驟二，利用感應耦合等離子增強化學氣相澱積在二氧化矽膜上形成一層IOOnm厚的多晶矽3，託盤溫度350° C，5丨比流量lOsccm，H2流量15sccm，等離子功率2000W，射頻功率200W ；步驟三，旋塗3 μ m厚的光刻膠4使其覆蓋多晶矽3 ；步驟四，用步進式光刻機進行光刻，焦距-1，曝光時間120msms，形成光刻膠圖像5 ；步驟五，用深矽感應耦合等離子刻蝕去除沒有被光刻膠圖像5覆蓋的多晶矽，SF6流量80SCCm，C4F8流量60SCCm，等離子功率700W，刻蝕時間30s，然後，先後用丙酮和酒精洗去殘餘的光刻膠圖像，形成多晶矽掩膜6 ;步驟六，進行再次幹氧氧化處理，氧化溫度1100° C, O2流量20sccm, N2流量60sccm,氧化時間30min,形成氧化層7與剩餘多晶娃掩膜8 ；步驟七,在室溫25° C下利用氟化銨腐蝕液(氫氟酸:氟化氨=1:20)去除氧化層，利用鹼性溶液去除殘餘多晶矽，得到180nm厚的矽波導9。實施例3一種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，包括如下步驟步驟一,對潔淨的絕緣體上娃片I進行幹氧氧化處理,氧化溫度950° C, O2流量20sccm, N2流量60sccm,氧化時間IOmin,形成20厚的二氧化娃膜2 ；步驟二，利用感應耦合等離子增強化學氣相澱積在二氧化矽膜上形成一層400nm厚的多晶矽3，託盤溫度350° C，SiH4流量5sccm，H2流量25sccm，等離子功率2500W，射頻功率200W ；步驟三，旋塗I μ m厚的光刻膠4使其覆蓋多晶矽3 ；步驟四，用步進式光刻機進行光刻，焦距0.5，曝光時間160ms，形成光刻膠圖像5 ;步驟五，用深矽感應耦合等離子刻蝕去除沒有被光刻膠圖像5覆蓋的多晶矽，SF6流量40SCCm，C4F8流量40SCCm，等離子功率800W，刻蝕時間35s，然後，先後用丙酮和酒精洗去殘餘的光刻膠圖像，形成多晶矽掩膜6 ;步驟六，進行再次幹氧氧化處理，氧化溫度1000° C, O2流量15sccm, N2流量45sccm,氧化時間45min,形成氧化層7與剩餘多晶娃掩膜8 ；步驟七，在室溫25。C下利用氟化銨腐蝕液去除氧化層，利用鹼性溶液去除殘餘多晶矽，得到350nm厚的矽波導9。
權利要求
1.一種基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 步驟一，對潔淨的絕緣體上娃片(I)進行幹氧氧化處理，氧化溫度850 950° C, O2流量15 20sccm, N2流量45 60sccm,氧化時間10 25min,形成20 30nm厚的二氧化矽膜(2)； 步驟二，利用感應耦合等離子增強化學氣相澱積在二氧化矽膜上形成一層100 400nm厚的多晶娃(3)； 步驟三，旋塗I 3μπι厚的光刻膠(4)使其覆蓋多晶矽(3)； 步驟四，用步進式光刻機進行光刻，焦距-1 0.5，曝光時間120ms 160ms，形成光刻膠圖像(5)； 步驟五，用深矽感應耦合等離子刻蝕去除沒有被光刻膠圖像(5)覆蓋的多晶矽，SF6流量40 80sccm，C4F8流量40 60sccm，等離子功率700 800W，刻蝕時間30 35s，然後，先後用丙酮和酒精洗去殘餘的光刻膠圖像，形成多晶矽掩膜(6)； 步驟六，進行再次幹氧氧化處理，氧化溫度1000 1100° C, O2流量15 20sccm, N2流量45 60sccm,氧化時間30 45min,形成氧化層(7)與剩餘多晶娃掩膜(8)； 步驟七，在室溫25。C下利用氟化銨腐蝕液去除氧化層，利用鹼性溶液去除殘餘多晶矽，得到180 350nm厚的矽波導(9)。
2.根據權利要求1所述的基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，其特徵在於，所述的氟化銨腐蝕液體積比為氫氟酸:氟化氨=I:20o
3.根據權利要求1所述的基於多晶矽掩膜的矽波導製備方法，其特徵在於，所述的感應耦合等離子增強化學氣相澱積是使託盤溫度350° (:^!14流量5 108(^111，!12流量15 25sccm，等離子功率2000 2500W，射頻功率150 200W。
全文摘要
本發明公開了一種基於多晶矽掩膜的矽波導膜製備方法，包括如下步驟準備好潔淨的絕緣體上矽(SOI)基底，進行一次幹氧氧化生成薄二氧化矽膜，在二氧化矽膜上生長一層較厚的多晶矽膜，對多晶矽膜進行塗膠、光刻、刻蝕得到多晶矽掩膜，對樣品進行氧化，去除氧化矽與多晶矽，得到矽波導。本發明中的矽波導側壁光滑、陡直度較好、底部與頂部平整，整個工藝流程簡單方便，工藝成本較低。
文檔編號G02B6/13GK103197376SQ20131004705
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者朱海柯, 謝靜雅, 孫曉萌, 周林傑, 陳建平 申請人:上海交通大學