刻蝕高深度光波導的製備工藝的製作方法
2023-05-01 19:42:21 3
專利名稱：刻蝕高深度光波導的製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高深度光波導的製作方法，更確切地說是通過在平板光波導上製作雙重掩模的方法製作高深度光波導。屬於光器件、集成光學領域。
背景技術：
發展高速率大容量的信息高速公路已成為當今世界各國競相研究和發展的目標，光纖網絡是信息網絡的主體和骨架。隨著我國三網融合工程的推進，基於無源光接入網的光纖到戶工程建設，蘊含著巨大的商機和發展前景。其中光功分器是超大容量光通信系統和三網融合平臺系統的關鍵部件，光通信網絡的所有分支和接點連接均由PLC型MX N光功分器完成和實現光纖入戶。通常製作玻璃基二氧化矽光波導的過程(圖I)為首先在玻璃基片(11)上製作一層光波導的芯層(12)，在光波導的芯層上面製作光波導的掩模圖形(13)，通過反應離子刻蝕工藝(RIE)得到條形或脊型光波導芯層(12)，最後製作光波導的上包層(15)。採用這種工藝可以獲得高性能的集成光波導器件，但採用這種方式所能獲得的光波導高度一般小於4微米。而目前通常採用的光分路器產品標準高度為8微米。這時一般採用感應耦合離子刻蝕工藝進行刻蝕，採用感應耦合離子刻蝕設備的成本和維護費用極其昂貴，不僅提高了分路器的成本，也限制了該方法的廣泛使用。採用反應離子刻蝕工藝無法刻蝕高深度光波導的原因在於，目前採用的金屬掩模工藝或者光刻膠掩模工藝，均無法保證高深度下光波導側壁保持在85度以上。採用金屬掩模工藝會造成側壁內陷；而採用光刻膠掩模，會造成漂膠等現象。因此必須新型工藝，完成高深度光波導的刻蝕。
發明內容
技術問題有鑑於此，本發明的目的是在於提供一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，其實現了利用反應離子刻蝕工藝刻蝕高深度光波導，製作成功的波導側壁與水平面的交角大於87度，小於93度，從而具有低損耗的光學傳輸性能，且降低了光波導製作成本。技術方案一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，包括以下步驟步驟I)用沉積法，在作為光波導結構中的襯底層的二氧化矽隔離層上製備摻雜III-V族元素或稀土元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導；步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I)製取的平板光波導上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模；步驟3)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模表面上形成金屬掩模，同時在平板光波導表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層；步驟4)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模及金屬掩模；
步驟5)通過光刻工藝，在步驟4)製作的金屬掩模層上，再增加與金屬掩模層具有相同圖形的光刻膠層，且金屬掩模層的厚度與光刻膠層的厚度比例為I :2 4 ；步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為3飛=O 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導上製作光波導芯層；步驟7)在光波導芯層的周圍製作上包層。本發明所述的另一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，包括以下步驟步驟I)用沉積法，在作為光波導結構中的襯底層的二氧化矽隔離層上製備摻雜III-V族元素或稀土元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導；步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I) 製取的平板光波導上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模；步驟3)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模表面上形成金屬掩模，同時在平板光波導表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層；步驟4)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相同的金屬掩模層及金屬掩模表面形成與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模，且與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模的刻蝕選擇比不同於與掩模版圖形相同的金屬掩模層及金屬掩模的刻蝕選擇比；步驟5)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模、金屬掩模及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模；步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為3飛=O 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導上製作光波導芯層；步驟7)在光波導芯層的周圍製作上包層。本發明原理為對於高深度波導，單獨利用金屬掩模工藝進行反應離子刻蝕時，由於金屬掩模層較厚，刻蝕時金屬掩模形成大物柵現象，造成刻蝕的波導將形成內陷形；而單獨利用光刻膠工藝進行反應離子刻蝕時，當刻蝕深度過大時，將會出現漂膠現象，無法完成高深度波導刻蝕。在金屬掩模層上方覆蓋一層光刻膠，通過選取合適的金屬層厚度和光刻膠厚度。首先利用光刻膠掩模進行刻蝕，進行到一定深度時，光刻膠刻蝕完畢，此時，可以利用金屬掩模進行刻蝕，所需的金屬掩模厚度較小，有效降低了大物柵效應，使得刻蝕成功的波導側壁垂直。有益效果採用本發明所述的雙掩模方法，利用反應離子刻蝕工藝，對於高深度二氧化矽波導(波導高度大於6微米)，可以使得側壁與水平面的交角大於87度，小於93度，從而具有低損耗的光學傳輸性能，且降低了光波導製作成本。
下面結合附圖對本發明作進一步的闡述。圖I是標準半導體工藝在玻璃基上製作二氧化矽光波導的工藝流程圖；圖2是採用本發明所述方法製作光波導的途徑之一示意圖3是採用本發明所述方法製作光波導的途徑之二示意圖；圖4是採用本發明所述方法製作光波導的途徑之三示意圖；圖5是單獨採用金屬掩模，利用反應離子刻蝕形成的波導端面示意圖；圖6是單獨採用金屬掩模，利用反應離子刻蝕形成的波導端面實物圖；圖7是單獨採用光刻膠，利用反應離子刻蝕形成的波導實物圖；圖8是採用本發明所述方法製作成功的波導端面示意圖；圖9是採用本發明所述方法製作成功的波導端面實物圖；圖10是採用本發明所述方法，但金屬掩模厚度與光刻膠厚度比例不恰當，製作的 波導端面實物具體實施例方式實施方式一，參照圖2，利用以下幾個步驟製作玻璃基高深度二氧化矽光波導一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，包括以下步驟步驟I)用化學氣相沉積法，通入SiH4、GeH4、Ar、N20、N2氣體，氣體流量比例為17
I10 2000 :340，在作為光波導結構中的襯底層11的二氧化矽隔離層上製備摻雜Ge元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導12 ；步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I)製取的平板光波導12上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b ；步驟3)通過濺射工藝，在壓強4mTorr，功率300W時，濺射金屬Cr，時間600秒，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b表面上形成金屬掩模14b,同時在平板光波導12表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層14a ；步驟4)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b及金屬掩模14b ；步驟5)通過光刻工藝，在步驟4)製作的金屬掩模層14a上，再增加與金屬掩模層具有相同圖形的光刻膠層13a，且金屬掩模層14a的厚度與光刻膠層13a的厚度比例為I :2 4;步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為3飛4 7 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導12上製作光波導芯層12a ；步驟7)在光波導芯層12a的周圍製作上包層15。在本實施例中，參照圖3，二氧化矽隔離層製作於矽片01上；步驟I)中的二氧化矽層中摻雜的元素為硼、磷或鍺。實施方式二，參照圖4，利用以下幾個步驟製作玻璃基高深度二氧化矽光波導步驟I)用化學氣相沉積法，通入SiH4、N2O, N2氣體，氣體流量比例為17 :1 :10 :2000 :340，在作為光波導結構中的襯底層11的二氧化矽隔離層上製備摻雜Ge元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導12 ；步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠AZ5214，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I)製取的平板光波導12上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b ；步驟3)通過濺射工藝，在壓強4mTorr，功率300W時，濺射金屬Cr，時間400秒，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b表面上形成金屬掩模14b,同時在平板光波導12表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層14a ；步驟4)通過濺射工藝，在壓強4mTorr，功率300W時，濺射金屬Al，時間200秒，在與掩模版圖形相同的金屬掩模層14a及金屬掩模14b表面形成與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層16a及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模16b,且與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層16a及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模16b的刻蝕選擇比不同於與掩模版圖形相同的金屬掩模層14a及金屬掩模14b的刻蝕選擇比；步驟5)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模13b、金屬掩模14b及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模16b ；步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為3飛4 7 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導12上製作光波導芯層12a ； 步驟7)在光波導芯層12a的周圍製作上包層15。圖5給出了採用單獨金屬掩模，利用反應離子刻蝕形成的波導端面示意圖；圖6給出了單獨採用金屬掩模，厚度為350nm時，利用反應離子刻蝕形成的波導端面實物圖，可以看出，刻蝕的波導端面具有內陷分布，為倒梯形端面，該種端面結構的波導傳輸損耗很大，不適合作為傳輸用光波導。圖7給出了單獨採用光刻膠(AZ5214)，其厚度為2微米時，利用反應離子刻蝕，刻蝕深度達到4微米時，晶片表面出現的漂膠現象，無法再進行刻蝕。圖8給出了利用該方法製作的光波導端面示意圖。圖9是採用本發明所述方法，金屬掩模(Cr)厚度170nm，光刻膠(AZ5214)厚度I微米，刻蝕氣體為SF4、CHF3、02、He，氣體流量為20sccm :30sccm :5sccm : 150sccm,氣壓1500mTor時,製作成功的波導端面實物圖。可以看出，利用本發明製作的波導，其端面側壁與水平面交角接近垂直，具有較低的損耗。圖10是採用本發明所述方法，金屬掩模厚度250nm，光刻膠厚度400nm時，其餘條件與圖9刻蝕條件相同時，刻蝕出的波導圖形，可見金屬掩模厚度與光刻膠厚度必須合適才能刻蝕出符合要求的波導圖形。
權利要求
1.一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，其特徵在於，包括以下步驟 步驟1)，用沉積法，在作為光波導結構中的襯底層(11)的二氧化矽隔離層上製備摻雜III-V族元素或稀土元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導(12)； 步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I)製取的平板光波導(12)上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)； 步驟3)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)表面上形成金屬掩模(14b),同時在平板光波導(12)表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層(14a)； 步驟4)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)及金屬掩模(14b)； 步驟5)通過光刻工藝，在步驟4)製作的金屬掩模層(14a)上，再增加與金屬掩模層具有相同圖形的光刻膠層(13a)，且金屬掩模層(14a)的厚度與光刻膠層(13a)的厚度比例為I:2 4 ； 步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為:Γ5 =O 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導(12)上製作光波導芯層(12a)； 步驟7)在光波導芯層(12a)的周圍製作上包層(15)。
2.根據權利要求I所述的刻蝕高深度光波導的製備工藝，其特徵在於，二氧化矽隔離層製作於娃片(01)上。
3.根據權利要求I所述的刻蝕高深度光波導的製備工藝，其特徵在於，步驟I)中的二氧化矽層中摻雜的元素為硼、磷或鍺。
4.一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，其特徵在於，包括以下步驟 步驟I)用沉積法，在作為光波導結構中的襯底層(11)的二氧化矽隔離層上製備摻雜III-V族元素或稀土元素的二氧化矽層，並以此作為光波導結構中的芯層，形成平板光波導(12)； 步驟2)通過光刻工藝，旋塗光刻膠，一次掩模版曝光後進行二次空曝，在步驟I)製取的平板光波導(12)上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)； 步驟3)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)表面上形成金屬掩模(14b),同時在平板光波導(12)表面上形成與掩模版圖形相同的金屬掩模層(14a)； 步驟4)通過濺射工藝，在與掩模版圖形相同的金屬掩模層(14a)及金屬掩模(14b)表面形成與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層(16a)及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模(16b),且與掩模版圖形相同的第二層金屬掩模層(16a)及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模(16b)的刻蝕選擇比不同於與掩模版圖形相同的金屬掩模層(14a)及金屬掩模(14b)的刻蝕選擇比； 步驟5)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模(13b)、金屬掩模(14b)及與掩模版圖形相反的第二層金屬掩模(16b)； 步驟6)使用反應離子刻蝕設備，通入SF4、CHF3> 02、He氣體，SF4, CHF3> O2及He的通入流量比例為:Γ5 =O 1 :20^35,在1500mTor氣壓下進行刻蝕，在平板光波導(12)上製作光波導芯層(12a)； 步驟7)在光波導芯層(12a)的周圍製作上包層(15)。
全文摘要
一種刻蝕高深度光波導的製備工藝，包括以下步驟1)用沉積法，在襯底上製備摻雜的芯層，形成平板光波導；2)用光刻工藝，在步驟1)製取的平板光波導上獲得與掩模版圖形相反的光刻膠掩模；3)用濺射工藝，在步驟2)獲取的樣品表面製備金屬掩模；4)清洗去除與掩模版圖形相反的光刻膠掩模及金屬掩模；5)用光刻工藝，在步驟4)製作的金屬掩模層上，再增加與金屬掩模層具有相同圖形的光刻膠層，6)使用RIE設備，通入SF4、CHF3、O2、He氣體，製作光波導芯層；7)製作上包層。與標準工藝相比，這種方法可利用普通反應離子刻蝕設備製作高深度光波導，且製作的光波導具有垂直的側壁，側壁角度大於87度，小於93度。
文檔編號G02B6/136GK102866458SQ201210296470
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者柏寧豐, 許正英, 孫小菡, 蔣衛鋒, 劉旭, 胥愛民, 吳體榮 申請人:東南大學, 南京華脈科技有限公司