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平面光波導技術發展趨勢

 平面光波導技术是在集成电路技术的基础上永乐高起来的,有其奇特的地方。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,而且用导线互联。平面光波導的基本元件是激光器、光波导和探测器,所用衬底质料各异、如InPGaAsSiO2LiNbO3等,质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,但对于平面光波導技术而言,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发生、控制、传输与探测。

 

  目前平面光波導技术主要性能:

 

  (1)沈積下包層。根據襯底质料的差异,沈積下包層的要领也纷歧樣。選擇Si作爲襯底,則可用氧化的方式制作下包層(直接氧化Si襯底外貌),折射率一般控制在1.457@633nm,厚度1015μm,低殘余應力。批量化制造相對較容易,但折射率難以控制。

 

  選擇高純熔融石英玻璃作爲襯底,則可用PECVD(等離子體增強化學氣相沈積法)來沈積,典型工藝氣體爲SiH4N2O。薄膜沈積完成之後,然後進行高溫退火。折射率一般控制在1.457@633nm,厚度1015μm,低殘余應力。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片,設備可選用NovellusC1SPTSDeltafxP/c2L等。

 

  (2)沈積光波導芯層。沈積要领主要有兩種,FHD(火焰水解法)和PECVDFHD是日本NTT發明。典型工藝氣體爲SiCl4GeCl4H2O2PECVD的典型工藝其他爲SiH4GeH4N2O。薄膜沈積完成之後,然後進行HeO2气氛中高温退火。凭据平面光波導器件的设计要求,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,均勻性小于0.0005;厚度38μm,均勻性小于0.3μm。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片,設備可選用NovellusC1SPTSDeltafxP/c2L等。

 

  (3)掩膜。單接纳光刻膠作爲掩膜層,在刻蝕芯層光波導的時候,光刻膠也被刻蝕了。如此則要求厚的光刻膠,厚光刻膠成膜、均勻性等難控制,通常接纳複合掩膜的方式。可接纳金屬掩膜,如CrAl,也可接纳晶體掩膜,如Si3N4等。金屬掩膜可接纳PVD(物理氣相沈積)濺射的方式沈積。晶體掩膜可接纳LPCVD(低氣壓化學氣相沈積)法進行。

 

  (4)光刻。光刻是把設計好的版圖轉移到芯層光波導上。包罗塗膠、前烘、曝光、堅膜、顯影、後烘等。工廠批量化過程中,只需兩台設備即可完成,一台Track完成除曝光以外的工藝,一台光刻機完成曝光工藝。Track可選用日本TEL、沈陽芯源KS-L150,效率高,控制可控。光刻機可選用步進掃描式或接觸式,接觸式如SUSSMA-150,生産效率略低,需要經常清洗光刻版。步進掃描式生産效率高,設備價格也高,可選用NikonNSR系列或上海微電子裝備的200系列。

 

  (5)刻蝕。刻蝕金屬或晶體掩膜和光波導芯層,殘留光刻膠、掩膜可接纳濕法化學腐蝕除去。爲了保證掩膜精度,通常接纳RIE(反應離子刻蝕法)刻蝕掩膜層,速率慢、刻蝕精度高。接纳ICP(感應耦合等離子刻蝕)刻蝕光波導芯層,速率快,偏向性好,要求光波導側壁刻蝕粗拙度小于200nm,否則過大的側邊粗拙度將會引起大的傳輸損耗。刻蝕機台可接纳單機多腔室組合,如SPTSfxP/c2L平台、AMATCENTURA平台等。

 

  (6)沈積上包層。刻蝕完成後,經過清洗,然後可進行上包層沈積。可接纳FHD法和PECVD法。PECVD法典型工藝氣體爲SiH4N2O,需要進行多次沈積多次退火,不能一次完成,否則過厚的薄膜在退火中易析出晶體或在外貌産生龜裂,盡管可在包層中摻雜少量的B2O3P2O5來提高SiO2的熱膨脹系數,同時降低SiO2的軟化溫度,但仍然難控制其中的殘余應力。多次沈積、多次退火工藝難控制。接纳FHD法,優化退火工藝,可一次性成膜一次性退火完成。