一种平面光波导器件及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种平面光波导及其制作方法，所述制作方法包括：在衬底表面形成下包层；在下包层表面形成锗掺杂的二氧化硅层；对所述二氧化硅层进行多次退火处理，相邻两次退火中，后一次退火温度高于前一次退火温度；对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成预设结构的波导芯层；形成覆盖所述波导芯层的保护层。通过多次阶梯状温度退火，在提高波导芯层相对于下包层折射率的同时保证了波导芯层的折射率均匀性。采用所述制作方法制备的平面光波导器件，波导芯层相对于下包层的折射率差值大于或等于1％，且波导芯层的折射率均匀性小于或等于0.02％。
【专利说明】一种平面光波导器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制作工艺【技术领域】，更具体地说，涉及一种平面光波导器件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]平面光波导器件以其体积小、集成度高、可靠性好等优点被广泛应用在光调制器、光开关、光功率分配器、光稱合器、波分复用器、光滤波器、偏振分束器以及微透镜等光学产品中。参考图1，图1为平面光波导器件的结构示意图，包括:衬底11 ;设置在所述衬底I表面下包层12 ;设置在所述下包层表面的波导芯层13 ;覆盖在所述波导芯层13表面的保护层14。
[0003]在平面光波导器件中，所述波导芯层14为掺锗二氧化硅薄膜，为了保证平面光波导器件的光学性能，所述波导芯层14相对于下包层13需要较高的折射率，且需要具有较好的折射率均匀性。
[0004]为了提高波导芯层14相对于下包层13的折射率，需要提高波导芯层14内锗的掺杂量，但是锗的掺杂量提高会使得波导芯层14的折射率均匀性降低。因此，如何在使得波导芯层14相对于下包层13具有较高折射率的同时保证波导芯层14具有较好的折射率均匀性，是平面光波导器件制作领域一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种平面光波导器件及其制作方法，在提高波导芯层相对于下包层折射率的同时保证了波导芯层的折射率均匀性。
[0006]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]一种平面光波导器件的制作方法，该制作方法包括:
[0008]在衬底表面形成下包层；
[0009]在下包层表面形成锗掺杂的二氧化硅层；
[0010]对所述二氧化硅层进行多次退火处理，相邻两次退火中，后一次退火温度高于前一次退火温度；
[0011]对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成预设结构的波导芯层；
[0012]形成覆盖所述波导芯层的保护层。
[0013]优选的，在上述制作方法中，所述二氧化硅层的形成方法包括:
[0014]在设定流量的硅烷、一氧化二氮以及锗烷构成的反应气体中，以设定的压强以及射频功率，采用PECVD镀膜工艺形成所述二氧化硅层。
[0015]优选的，在上述制作方法中，所述娃烧的流量范围是100sccm-175sccm,包括端点值；所述一氧化二氮的流量范围是2500sccm-3000sccm,包括端点值；所述锗烧的流量范围是30sccm-160sccm,包括端点值；所述压强范围是2.lTorr-2.4Torr,包括端点值；所述射频功率是500W-700W，包括端点值。
[0016]优选的，在上述制作方法中，所述波导芯层相对于所述下包层的折射率差是1.5% ；
[0017]其中，所述折射率差为所述波导芯层的折射率减去所述下包层的折射率所得的折射率差值除以所述下包层的折射率。
[0018]优选的，在上述制作方法中，对所述二氧化硅层进行两次退火处理；
[0019]其中，第一次退火处理的退火时间为4h_6h，包括端点值；第一次退火处理的退火温度大于或等于1000°c，且小于1050°C ;第二次退火处理的退火时间为4h-6h，包括端点值；第二次退火处理的退火温度为1050-1100°C，包括端点值。
[0020]本发明还提供了一种平面光波导器件，所述平面光波导器件采用上述任一种实施方式所述的制作方法制备，所述平面光波导器件的波导芯层的折射率均匀性小于或等于
0.02%。
[0021]优选的，在上述平面光波导器件中，所述波导芯层相对于所述下包层的折射率差是 1.5% ;
[0022]其中，所述折射率差为所述波导芯层的折射率减去所述平面光波导器件的下包层的折射率所得的折射率差值除以所述下包层的折射率。
[0023]优选的，在上述平面光波导器件中，所述平面光波导器件的传输损耗小于0.05dB/cm。
[0024]从上述技术方案可以看出，本发明所提供的平面光波导器件的制作方法包括:在衬底表面形成下包层；在下包层表面形成锗掺杂的二氧化硅层；对所述二氧化硅层进行多次退火处理，相邻两次退火中，后一次退火温度高于前一次退火温度；对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成预设结构的波导芯层；形成覆盖所述波导芯层的保护层。通过多次阶梯状温度退火，在提高波导芯层相对于下包层折射率的同时保证了波导芯层的折射率均匀性。采用所述制作方法制备的平面光波导器件，波导芯层相对于下包层的折射率差值大于或等于I %，且波导芯层的折射率均匀性小于或等于0.02 %。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0026]图1为平面光波导器件的结构示意图；
[0027]图2为本申请实施例提供的一种平面光波导器件的制作方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]本申请一个实施例提供了一种平面光波导器件的制作方法，参考图2，所述制作方法包括:
[0030]步骤Sll:在衬底表面形成下包层。
[0031]为了提高所述波导芯层与所述衬底的接触稳定性，防止波导芯层脱落，所述下包层为二氧化硅层，由于所述波导芯层为掺锗的二氧化硅层，当所述下包层为二氧化硅层时，所述下包层与所述波导芯层具有相同的晶体结构，可以使得二者接触紧密。
[0032]所述衬底为硅晶圆衬底，可以通过氧化工艺对所述硅晶圆衬底表面进行氧化形成二氧化硅层，将该二氧化硅成作为所述下包层。
[0033]步骤S12:在下包层表面形成锗掺杂的二氧化硅层。
[0034]在设定流量的硅烷、一氧化二氮以及锗烷构成的反应气体中，以设定的压强以及射频功率，采用PECVD镀膜工艺形成所述锗掺杂的二氧化硅层。
[0035]在本实施例中，所述娃烧的流量范围是100sccm-175sccm,包括端点值；所述一氧化二氮的流量范围是2500sccm-3000sccm,包括端点值；所述锗烧的流量范围是30sccm-160sccm,包括端点值；所述压强范围是2.lTorr-2.4Torr,包括端点值；所述射频功率是500W-700W，包括端点值。
[0036]通过调整反应气体中各气体的流量，能够调整最终形成的二氧化硅层中锗元素的含量。在上述参数范围内可以制备折射率差为0.75%与1.5%两种常见规格要求的光波导器件。其中，所述折射率差为所述波导芯层的折射率减去所述平面光波导器件的下包层的折射率所得的折射率差值除以所述下包层的折射率。
[0037]对于折射率差规格为0.75%的平面光波导器件，作为波导芯层的二氧化硅层锗元素的含量较低，可以采用一次退火即可使得所述二氧化硅层中锗元素均匀分布，使得其折射率均匀性较好。对于折射率差规格为1.5%的平面光波导器件，由于作为波导芯层的二氧化硅层的锗元素含量较高，直接采用较高温度对其进行退火，所述二氧化硅层骤然在高温下会出现应力不均匀，会导致所述二氧化硅层撕裂甚至是脱落，因此需要采用下述步骤的退火方式进行退火。
[0038]步骤S13:对所述二氧化硅层进行多次退火处理，相邻两次退火中，后一次退火温度高于前一次退火温度。
[0039]采用温度逐渐升高的阶梯状温度退火，这样，首先在较低温度下对所述锗掺杂的二氧化硅层进行退火，在提高所述二氧化硅层内锗元素分布均匀性，进而提高所述二氧化硅层折射率均匀性的同时，能够防止所述二氧化硅层在骤然高温下由于表面应力过大导致薄膜撕裂甚至是脱落的问题。当经过所述较低温度退火后，所述二氧化硅层中的锗元素相对于第一次退火前均匀性提升，薄膜的耐应力能力也提高，此时，在设定范围内提高退火温度，在较高温度下对所述二氧化硅层进行再一次退火，能够进一步提高锗元素的均匀性，并提高所述二氧化硅层的加热耐应力能力。
[0040]可见，通过该步骤的温度逐渐升高的阶梯状温度退火处理方式，多次退火后，能够使得所述二氧化硅层承受较高的退火温度，使得内部二氧化硅层均匀分布，提高其折射率均匀性。
[0041]采用本实施例所述退火处理方式，能够使得作为波导芯层的二氧化硅层的折射率均匀性以及耐张力能力逐渐提高，在提高波导芯层折射率的同时，保证了波导芯层的折射率均匀性。
[0042]在本实施例中，可以对作为波导芯层的二氧化硅层进行两次退火处理。第一次退火处理的退火时间为4h-6h，包括端点值；第一次退火处理的退火温度大于或等于1000°C，且小于1050°C ;第二次退火处理的退火时间为4h-6h，包括端点值；第二次退火处理的退火温度为1050-1100°C，包括端点值。
[0043]优选的，在本实施例中，所述第一次退火处理的退火温度为1030°C，所述第二次退火处理的退火温度为1080°C，两次退火处理的退火时间均为5h。
[0044]步骤S14:对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成预设结构的波导芯层。
[0045]对所述二氧化硅层进行刻蚀时，可首先在所述二氧化硅层表面形成一层金属层，所述金属层可以为金属铬。
[0046]然后在所述金属层表面形成光刻胶层，根据将要形成的波导芯层的结构，对所述光刻胶层进行曝光显影，图案化所述光刻胶层。
[0047]再以图案化后的所述光刻胶层为掩膜，对所述金属层进行刻蚀，图案化所述金属层，将所述金属层形成设置为的图案结构。可以采用湿法刻蚀对所述金属层进行刻蚀。
[0048]当所述金属层图案化完成后，去除其表面的光刻胶层，清洗干燥后，以图案化后的金属层为掩膜层，对所述锗掺杂的二氧化硅层进行刻蚀，形成预设形状的波导芯层。
[0049]最后，去除所述波导芯层表面的金属层，进行清洗干燥。
[0050]步骤S15:形成覆盖所述波导芯层的保护层。
[0051]同样可以采用PECVD镀膜工艺子在所述波导芯层表面形成所述保护层。
[0052]本实施例所述制作方法可以在制备具有高折射率波导芯层的平面光波导器件的同时，保证所述波导芯层具有较好的折射率均匀性。
[0053]本申请另一实施例还提供了一种平面光波导器件，所述平面光波导器件的结构可以参见图1所示，包括:衬底U、下包层12、波导芯层13以及保护层I。
[0054]在本实施例所述的平面光波导器件中，所述波导芯层14的尺寸为的厚度时4 μ m，宽度是4 μ m。所述平面光波导器件的具有较小的传输损耗，其传输损耗小于0.05dB/cm。
[0055]所述平面光波导器件的最小弯曲半径为2mm,光线稱合损耗大于ldB/point。
[0056]本实施例所述平面光波导采用上述实施例所述制作方式制备，因此，可以增加作为波导芯层的二氧化硅层内锗元素的含量，最终制备的波导芯层的折射率差为1.5%，提高波导芯层14相对于下包层13的折射率。
[0057]同时，由于所述在制备所述波导芯层的过程中，采用多次退火处理，且退火温度逐次升高，在使得作为波导芯层的二氧化硅层中的锗元素均匀分布的同时，避免了所述二氧化硅层由于骤然高温退火导致的撕裂或是脱落问题。本实施例所述平面光波导器件的折射率均匀性小于或等于0.02%。
[0058]需要说明的是，本申请实施例中所述的折射率差是以热氧化的二氧化硅层(下包层)的折射率1.4580为参考折射率，并以155Inm光波长为参考光波长。具体的:
[0059]对于折射率差0.75%的平面光波导，作为波导芯层的二氧化硅层的折射率为1.4689 ；
[0060]对于折射率差为1.5%的平面光波导，作为波导芯层的二氧化硅层的折射率为1.4802。
[0061]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种平面光波导器件的制作方法，其特征在于，包括: 在衬底表面形成下包层； 在下包层表面形成锗掺杂的二氧化硅层； 对所述二氧化硅层进行多次退火处理，相邻两次退火中，后一次退火温度高于前一次退火温度； 对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成预设结构的波导芯层； 形成覆盖所述波导芯层的保护层。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述二氧化硅层的形成方法包括: 在设定流量的硅烷、一氧化二氮以及锗烷构成的反应气体中，以设定的压强以及射频功率，采用PECVD镀膜工艺形成所述二氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述硅烷的流量范围是100sccm-175sccm,包括端点值；所述一氧化二氮的流量范围是2500sccm-3000sccm,包括端点值；所述锗烧的流量范围是30sccm-160sccm,包括端点值；所述压强范围是2.lTorr-2.4Torr，包括端点值；所述射频功率是500W-700W，包括端点值。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述波导芯层相对于所述下包层的折射率差是1.5% ； 其中，所述折射率差为所述波导芯层的折射率减去所述下包层的折射率所得的折射率差值除以所述下包层的折射率。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，对所述二氧化硅层进行两次退火处理； 其中，第一次退火处理的退火时间为4h-6h，包括端点值；第一次退火处理的退火温度大于或等于1000°C，且小于1050°C ;第二次退火处理的退火时间为4h-6h，包括端点值；第二次退火处理的退火温度为1050-1100°C，包括端点值。
6.一种平面光波导器件，其特征在于，所述平面光波导器件采用如权利要求1-5任一项所述的制作方法制备，所述平面光波导器件的波导芯层的折射率均匀性小于或等于0.02%。
7.根据权利要求6所述的平面光波导器件，其特征在于，所述波导芯层相对于所述下包层的折射率差是1.5% ； 其中，所述折射率差为所述波导芯层的折射率减去所述平面光波导器件的下包层的折射率所得的折射率差值除以所述下包层的折射率。
8.根据权利要求7所述的平面光波导器件，其特征在于，所述平面光波导器件的传输损耗小于0.05dB/cm。
【文档编号】G02B6/136GK104360442SQ201410658073
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】刘春梅, 李朝阳 申请人:四川飞阳科技有限公司