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上海墨石

平面光波导技术发展趋势

 平面光波导技术是在集成电路技术的基础上发展起来的,有其独特的地方。集成电路的基本元件是电阻、电容、电感和晶体管(二极管、三极管),集成电路技术是在硅衬底上通过薄膜沉积、扩散、外延、光刻、刻蚀、退火等工艺制作这些基本的元件,并且用导线互联。平面光波导的基本元件是激光器、光波导和探测器,所用衬底材料各异、如InPGaAsSiO2LiNbO3等,材料各异工艺也不尽相同。集成电路技术对所成薄膜的厚度、折射率和残余应力要求不甚严格,但对于平面光波导技术而言,厚度、折射率和残余应力则要求精细控制,否则不能实现光波信号的产生、控制、传输与探测。

 

  目前平面光波导技术主要性能:

 

  (1)沉积下包层。根据衬底材料的不同,沉积下包层的方法也不一样。选择Si作为衬底,则可用氧化的方式制作下包层(直接氧化Si衬底表面),折射率一般控制在1.457@633nm,厚度1015μm,低残余应力。批量化制造相对较容易,但折射率难以控制。

 

  选择高纯熔融石英玻璃作为衬底,则可用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)来沉积,典型工艺气体为SiH4N2O。薄膜沉积完成之后,然后进行高温退火。折射率一般控制在1.457@633nm,厚度1015μm,低残余应力。工艺模式可以是一腔多片或者是多腔多片,设备可选用NovellusC1SPTSDeltafxP/c2L等。

 

  (2)沉积光波导芯层。沉积方法主要有两种,FHD(火焰水解法)和PECVDFHD是日本NTT发明。典型工艺气体为SiCl4GeCl4H2O2PECVD的典型工艺其他为SiH4GeH4N2O。薄膜沉积完成之后,然后进行HeO2气氛中高温退火。根据平面光波导器件的设计要求,控制芯层折射率与下包层折射率差为0.3%0.45%0.75%1.5%等,均匀性小于0.0005;厚度38μm,均匀性小于0.3μm。工艺模式可以是一腔多片或者是多腔多片,设备可选用NovellusC1SPTSDeltafxP/c2L等。

 

  (3)掩膜。单采用光刻胶作为掩膜层,在刻蚀芯层光波导的时候,光刻胶也被刻蚀了。如此则要求厚的光刻胶,厚光刻胶成膜、均匀性等难控制,通常采用复合掩膜的方式。可采用金属掩膜,如CrAl,也可采用晶体掩膜,如Si3N4等。金属掩膜可采用PVD(物理气相沉积)溅射的方式沉积。晶体掩膜可采用LPCVD(低气压化学气相沉积)法进行。

 

  (4)光刻。光刻是把设计好的版图转移到芯层光波导上。包括涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘等。工厂批量化过程中,只需两台设备即可完成,一台Track完成除曝光以外的工艺,一台光刻机完成曝光工艺。Track可选用日本TEL、沈阳芯源KS-L150,效率高,控制可控。光刻机可选用步进扫描式或接触式,接触式如SUSSMA-150,生产效率略低,需要经常清洗光刻版。步进扫描式生产效率高,设备价格也高,可选用NikonNSR系列或上海微电子装备的200系列。

 

  (5)刻蚀。刻蚀金属或晶体掩膜和光波导芯层,残留光刻胶、掩膜可采用湿法化学腐蚀除去。为了保证掩膜精度,通常采用RIE(反应离子刻蚀法)刻蚀掩膜层,速率慢、刻蚀精度高。采用ICP(感应耦合等离子刻蚀)刻蚀光波导芯层,速率快,方向性好,要求光波导侧壁刻蚀粗糙度小于200nm,否则过大的侧边粗糙度将会引起大的传输损耗。刻蚀机台可采用单机多腔室组合,如SPTSfxP/c2L平台、AMATCENTURA平台等。

 

  (6)沉积上包层。刻蚀完成后,经过清洗,然后可进行上包层沉积。可采用FHD法和PECVD法。PECVD法典型工艺气体为SiH4N2O,需要进行多次沉积多次退火,不能一次完成,否则过厚的薄膜在退火中易析出晶体或在表面产生龟裂,尽管可在包层中掺杂少量的B2O3P2O5来提高SiO2的热膨胀系数,同时降低SiO2的软化温度,但仍然难控制其中的残余应力。多次沉积、多次退火工艺难控制。采用FHD法,优化退火工艺,可一次性成膜一次性退火完成。