CN102183817A - 多层脊型光波导的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层脊型光波导的制备方法。本发明方法的刻蚀顺序是先深刻蚀后浅刻蚀。所述深刻蚀在硅片的顶硅层上形成槽和硅台面，填充所述槽并对硅片平坦化后，所述浅刻蚀去除所述硅台面的一部分。窄开口的槽更有利于填充封闭。本发明方法将使用交叉光刻方法降低多次刻蚀步骤中的对准偏移。本发明方法将采用氧化和去氧化方法，以解决波导表面粗糙问题，同时降低波导上硅脊的起始宽度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层脊型光波导的制备方法。
背景技术
现有技术中光波导被应用在平面波导电路(PLC)中。例如，在SOI硅偏上可以制作硅基波导。专利US 5078516，US 7016587，US 7499620，US 7539373，US2009/0252456和US 2010/0055906公开了一些关于波导器件及其制作方法的例子，这些例子在此作为参考。
硅脊平面光波导的现有制造工艺中包括多次光刻步骤以及对应的硅刻蚀步骤。在这些工艺中，多步刻蚀的顺序一般都是按顺序进行，首先在高层或顶层实施，然后在低层上实施。因此，现有工艺中一般是先进行浅刻蚀，然后再深刻蚀，其中浅刻蚀致使硅片表面呈非平面化，致使深刻蚀之前的光刻掩膜图案成型过程在非平面化的硅片表面上进行。除了在非平面化表面进行光刻存在困难以外，多次刻蚀步骤中对准的误差或偏移也会严重影响硅脊平面光波导的光学性能。同时，刻蚀过程会使硅片具有多种表面态的粗糙表面，这种粗糙表面会增加光学散射损失。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多层脊型光波导的制备方法。本发明通过下述技术方案予以实现：
一种多层脊型光波导的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对硅片表面加工成形，即根据第一掩膜图形去除第一部分物质至第一预定深度，从而得到槽和位于所述槽之间的硅台面；
步骤2：用填充物填充所述槽，并对所述硅片表面进行平坦化；
步骤3：对所述硅台面的表面加工成形，即根据第二掩膜图形去除第二部分物质至第二预定深度，所述第二预定深度小于所述第一预定深度。
根据本发明的一个实施例，在对所述硅片进行平坦化前，在所述硅片的表面上覆盖光隔离层，再填充所述槽。所述槽填充后的上表面高度等于或大于所述硅台面的上表面高度。然后，采用化学机械抛光法或回刻法对所述硅片表面进行平坦化。
根据本发明的一个实施例，对所述硅台面的表面加工成形去除第二部分物质，还包括去除所述硅片的非硅台面部分。
根据本发明的一个实施例，所述填充物为抗反射涂层，聚合硅或氧化硅。
根据本发明的一个实施例，本发明还包括去除所述填充物。
根据本发明的一个实施例，所述第一掩模图形与所述第二掩模图形部分重叠，所述重叠部分定义的所述硅台面部分在步骤3中保留而不被刻蚀。
根据本发明的一个实施例，所述第一掩模图形定义侧壁，所述第二掩膜图形定义边界线，所述侧壁与所述边界线互不平行。
根据本发明的一个实施例，所述第一掩模图形定义的侧壁定义了所述硅台面的轮廓，所述第二掩膜图形定义的边界线定义了所述硅台面的锥形前端部位。
根据本发明的一个实施例，还包括对所述硅台面进行氧化和去氧化处理。
根据本发明的一个实施例，还包括在对所述硅台面加工成形后，在所述硅片上覆盖涂层。
根据本发明的一个实施例，所述涂层由氧化硅或氮化硅构成。
本发明公开的技术方案适用性较广，一般的CMOS工厂都可以直接采用。与现有技术相反，本发明公开的技术方案中的刻蚀顺序是先深刻蚀后浅刻蚀。有益效果为：可以使用一种交叉光刻的方法来解决多次刻蚀中的对准问题；表面平坦化步骤可以使硅片表面平面化并有利于随后的光刻过程；增加氧化并去氧化步骤可以解决波导表面的粗糙问题，减少光学散射损失，同时降低波导上硅脊的起始尺寸。
附图说明
图1是本发明中用于制备光波导的硅片示意图。
图2是本发明步骤1中顶硅层被去除一部分的硅片示意图。
图3是本发明步骤1结束后的硅片示意图。
图4是本发明步骤1结束后硅片的立体结构示意图。
图5是本发明步骤2中填充后的硅片示意图。
图6是本发明步骤2中平坦化后的硅片示意图。
图7是本发明步骤3中硅片上覆盖有光刻胶的示意图。
图8是本发明步骤3中经过曝光、显影后的硅片示意图。
图9是本发明步骤3中硅片的立体结构示意图。
图10是本发明步骤3中去除了顶层硅24的物质后硅片20的示意图。
图11是本发明步骤3结束后的硅片示意图。
图12是本发明步骤3中硅台面的俯视图，以及第一掩膜图形和第二掩模图形的交叉示意图。
图13是本发明步骤3结束后硅片的立体结构示意图。
图14和图15是氧化和去氧化硅台面的示意图。
图16是本发明中硅片的顶硅层上覆有覆盖层的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明。
本申请公开了一种多层脊型光波导10的制备方法，包括一个硅脊31，其含有一个锥形前端部位50，如图13所示。
图1为用于制备光波导10的硅片20示意图。如图1所示，硅片20为一个包含埋氧层22和顶硅层24的SOI硅片。
虽然接下来的描述都是在SOI硅片上制备光波导，但是本发明也可以被应用到其他衬底上，例如硅基二氧化硅，硅石英，NiNbO3和InP晶圆等类似的衬底。
硅片20可以用任何适用的方法制造，例如在氧化硅或其他衬底上沉积顶硅层24。专利US 5888297、US 5417180、US 5061642和US 4771016公开了一些制作SOI硅片的方法，在此作为参考。
本发明公开了一种多层脊型光波导的制备方法，其主要包括以下步骤：
步骤1：对硅片20表面加工成形，即根据第一掩膜图形61去除顶硅层24的一部分至第一预定深度，从而得到槽和位于所述槽之间的硅台面。
任何适用的方法都可以用来实现步骤1，例如刻蚀方法。图1给出了可用于刻蚀步骤中的光刻胶16的示意图。可以用旋涂法覆盖光刻胶16。经过曝光和显影，实施刻蚀。去除剩下的光刻胶16，并对硅片20进行清洗。
图2为顶硅层24被去除了一部分后硅片20的示意图。如果在步骤1中使用了光刻胶16，则光刻胶16也可以被去除。
图3为实施步骤1后硅片20的结构示意图，顶硅层24被去除一部分后，顶硅层24上至少形成了一个槽28，槽28的深度为所述第一预定深度。
步骤1在顶硅层24上形成了多个槽28。槽28可以具有任意合适的形状、宽度和深度。顶硅层24上形成了位于槽28a和28b之间的硅台面30，硅台面30的形状由第一掩膜图形61定义。在一些实施例中，槽28a和28b的深度一样。在一些实施例中，槽28的位置和形状可以在步骤1中通过掩模板的图案，即第二掩膜图形6来定义。
在一些实施例中，步骤1形成了多个槽28，这些槽具有不同的深度。
在一些实施例中，多个槽28互相平行。在一些实施中，槽28a可以和其他槽不平行。
图4为顶层硅24的立体结构示意图，其中，槽28a，28b是在步骤1形成的。在一些实施例中，槽28a，28b是不平行的，硅台面30的锥形结构沿着槽28a，28b的长度方向。硅台面30包括侧壁34和侧壁35。
在一些实施例中，步骤1形成的槽28具有一个窄开口。槽28的深度可以大于宽度。在一些实施例中，槽28的深度为其宽度的2倍。在不同的实施例中，槽28的深度为其宽度的2倍、4倍或者8倍，乃至更多倍数。相对于其宽度，槽28可以具有任何合适的深度。越窄的槽28越容易封闭，使硅片20的平坦化更易实施。
步骤2：用填充物44填充槽28，并对硅片20表面进行平坦化。
如图5所示，在一些实施例中，在填充槽28前，顶硅层24上覆盖有光隔离层32。光隔离层32的存在是选择性的，但在一些实施例中最好存在。光隔离层32可以位于硅片20的任何位置，例如在槽28的底部，硅台面30或槽28的侧壁34上，和/或硅台面30的上表面或顶硅层24的非硅台面部位上。
光隔离层32最好由低κ物质构成，例如氧化物薄膜，氧化硅，氮化硅或合适的聚合物。任何适用的方法都可以用来制作光隔离层32。例如，低κ物质可以用热氧化或气相沉积得到，后者可以是LPCVD或PECVD。氮化硅也可以用LPCVD或PECVD得到。聚合物构成的光隔离层可以用旋涂法得到。
在下次刻蚀步骤之前，对硅片20进行平坦化。可以通过任何适用的方法实现硅片20的平坦化。图5给出了在平坦化过程中的硅片20的示意图。填充物44可以沉积在顶硅层24上和槽28内。
窄开口的填充物44更有利于封闭。例如，在填充过程中，填充物44沉积在硅片20暴露的表面上，包括槽28的底部和侧壁。理想地是，槽28被沉积在其侧壁的填充物44完全填充/封闭。如图5所示，槽28被填充物44完全填充。填充层的表面在槽28上方处出现沉降，可以预见到，当槽28变宽时，沉降缺口会抵达槽28内。理想的情况是，填充物44完全封闭槽28，槽28内的填充物高度等于或大于顶硅层24的高度。槽28的宽度最好窄到可以使其被完全封闭。在一些实施例中，槽28的宽度是2微米或更小。在一些实施例中，槽28的宽度为4微米或更小。槽28的宽度可以根据特定填充方法和设备性能来决定。
填充物44可以是任何合适的物质，在一些实施例中，填充物44是抗反射涂层(如碳氢化合物)，聚合硅或者氧化硅。
硅片20的平坦化可以通过任何适用的方法实现，例如化学机械抛光法(CMP)或回刻法(如干法回刻)。专利US5814564中公开了关于回刻的一个例子。填充物44的种类和槽28的形状不影响化学机械抛光法的使用。回刻方法在一些情况下更加适用，例如当槽28的深宽比大于2(更窄更深的槽)时。一般来说，槽28的深宽比越大，采用回刻法平坦化的硅片表面越趋于平坦，同时，在回刻时，槽内刻蚀速率与表面刻蚀速率的差别也越大(槽内刻蚀速率低)，有利于回刻时将填充物44保留在槽28内，实现平坦化。
图6为平坦化后硅片20的示意图。硅片20的表面26是平坦的。槽28中仍保留光隔离层32和填充物44。理想的情况是，顶硅层24的上表面没有隔离层32和填充物44。
步骤3：对硅台面30的表面加工成形，即根据第二掩膜图形62去除第二部分物质至第二预定深度，所述第二预定深度小于所述第一预定深度。
在硅片20上实施步骤3，其中，顶硅层24的一个或多个部分被去除。在一些实施例中硅台面30的一部分被去除。步骤2可以通过任何适用的方法实现，例如刻蚀。
图7是用化学刻蚀法实现步骤3的硅片20的示意图。在硅片20的表面26上覆盖光刻胶17，可以用旋涂法覆盖光刻胶17。。在一些实施例中，如果硅片20的槽28内之前没有用填充物44填充，光刻胶17可以填充槽28。在一些实施例中，光刻胶17和光刻胶16相同，二者也可以不同。
图8是如图7所示的硅片20经过曝光、显影后的示意图。掩模板上的图案，即第二掩膜图形62，转移到光刻胶17上。
步骤3去除了顶层硅24的部分物质。在一些实施例中，步骤3去除了构成硅台面30的部分物质，这些物质是在步骤1中形成的。因此，硅台面30的一部分被去除了。图8表明，光刻胶17的一部分覆盖在硅台面30的一部分上，硅台面30被覆盖的部分得到了保护而不在步骤3中被去除。
图9给出了硅片20上有硅台面30的立体示意图，在步骤3中将被去除的部分用阴影表示。此处，为更清楚地说明步骤3，填充物44并没有画出来。硅台面30上的非阴影部分38被光刻胶17覆盖/保护起来(如图8所示)。硅台面30上的阴影部分39将在步骤3中被去除。
在一些实施例中，步骤3从顶层硅24上去除的物质40还包括其上的非硅台面部分。
图10为步骤3去除了顶层硅24的物质后硅片20的示意图。理想的情况是，步骤3去除物质的深度(第二预定深度)比步骤1去除物质的深度(第一预定深度)小。如图10所示，步骤1形成的槽28的深度d1大于步骤3去除物质的深度d2。
图11是去除了光刻胶17和填充物44以后的硅片20示意图。
在一些实施例中，填充物44保留在槽28中，没有被去除。在一些实施例中，填充物44被去除了。当填充物44为氧化物或聚合硅时，可以腐蚀去除，例如用氢氟酸。当填充物44为抗氧化涂层时(如碳氢化合物)，可以用有机溶剂去除。
在一些实施例中，如果用到了光隔离层32，步骤3及随后的清洗结束后，光隔离层32可以保留在硅片20上。在一些实施例中，光隔离层32可以被去除，例如和光刻胶17一起被去除。
图12是硅台面30的俯视图，说明了在步骤1和步骤3中的交叉光刻/成形过程。如图12所示，硅台面30的侧壁34和侧壁35可以和图9所示的侧壁34、35类似。因此，硅台面30的侧壁34和侧壁35可以在步骤1形成槽28的同时得到，即第一掩膜图形61也定义了侧壁34和侧壁35。
图12中也显示了在步骤3中的光刻胶17的形状，即第二掩膜图形62。在一些实施例中，硅台面30上方的第二掩膜图形62含有边界线46和边界线47。理想的情况是，边界线46与硅台面30的侧壁34不平行，边界线47和硅台面30的侧壁35不平行。因此，步骤1中的掩膜、刻蚀与步骤3中的掩膜、刻蚀可视为交叉定义。图12中的阴影部分为步骤1中的第一掩膜图形61和步骤3中的第二掩膜图形62的重叠部分。由此得到的硅台面30的形状是由所述重叠部分定义的。
在一些实施例中，边界线46和侧壁34之间的角度等于边界线47和侧壁35之间的角度。在一些实施例中，硅台面30是横向对称的。
在一些实施例中，第二掩膜图形包括一个或多个位于槽28上方的部位48。在一些实施例中，部位48的悬伸宽度54大于其下方槽28的宽度。
本发明公开的交叉光刻方法解决了现有多步刻蚀工艺中难以解决的对准问题。因为硅台面30的前端部分是在第二次刻蚀步骤中形成的，而非多个刻蚀步骤的组合。第一次刻蚀与第二次刻蚀的对准问题就显得不那么重要。而且，如图12中所示的两个掩膜图形重叠部分的三角形状和对称性使得两次刻蚀步骤的对准更容易。
图13是在步骤3之后硅片20的示意图。其中，所得到的硅台面30含有一个锥形前端部位50，所述锥形前端部位50含有侧壁51和侧壁52。在一些实施例中，硅台面30包含了光波导10的硅脊31。
在步骤3之后，硅台面30的表面可能会变粗糙。在一些实施例中，将实施一道或多道平滑化工序。在一些实施例中，平滑化工序包括在硅台面30表面形成氧化物，例如用热氧化或气相沉积法形成氧化物，然后将氧化物剥离，例如用HF腐蚀法。
在一些实施例中，平滑化工序可以减小硅台面30的尖端宽度。在一些实施例中，将实施多次氧化和去氧化步骤，以减小硅台面30的起始宽度。
图14是硅台面30和氧化层56的俯视图。
图15是图14中的硅台面30在氧化层56去除后的示意图。氧化和去氧化步骤减小硅台面30的起始宽度60。
在一些实施例中，在顶层硅24上覆有一个或多个覆盖层58，如图16所示。理想的情况是，附加涂层58由比顶硅层24反射指数更低的物质构成。在一些实施例中，附加涂层58由氧化硅，氮化硅等构成。
以上内容仅在于阐述说明，而非穷尽。本发明提供了在本技术领域中现有技术的变化和替代方案。所有这些替代方案和变化都落在权利要求的范围内，其中“包括”表示“包含”，但不是仅限于。本领域的技术人员可能根据此处描述的具体实施例找到其他等同方案，这些等同方案也落在权利要求范围内。
Claims (14)
1.一种多层脊型光波导的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：对硅片表面加工成形，即根据第一掩膜图形去除第一部分物质至第一预定深度，从而得到槽和位于所述槽之间的硅台面；
步骤2：用填充物填充所述槽，并对所述硅片表面进行平坦化；
步骤3：对所述硅台面的表面加工成形，即根据第二掩膜图形去除第二部分物质至第二预定深度，所述第二预定深度小于所述第一预定深度。
2.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，在实施所述平坦化前，所述槽填充后的上表面高度等于或大于所述硅台面的上表面高度。
3.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，对所述硅台面的表面加工成形去除第二部分物质，还包括去除所述硅片的非硅台面部分。
4.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，所述填充物为抗反射涂层，聚合硅或氧化硅。
5.根据权利要求4所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，还包括去除所述填充物。
6.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，所述第一掩模图形与所述第二掩模图形部分重叠，所述重叠部分定义的所述硅台面部分在所述步骤3中保留而不被刻蚀。
7.根据权利要求6所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，所述第一掩模图形定义侧壁，所述第二掩膜图形定义边界线，所述侧壁与所述边界线互不平行。
8.根据权利要求7所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，所述第一掩模图形定义的侧壁定义了所述硅台面的轮廓，所述第二掩膜图形定义的边界线定义了所述硅台面的锥形前端部位。
9.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，所述平坦化采用化学机械抛光法或回刻法。
10.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，还包括在所述硅片的表面上覆盖光隔离层。
11.根据权利要求10所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，在实施所述填充前，所述光隔离层覆盖在所述槽的表面。
12.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，还包括对所述硅台面进行氧化和去氧化处理。
13.根据权利要求1所述的多层脊型光波导的制备方法，其特征在于，还包括在对所述硅台面加工成形后，在所述硅片上覆盖涂层。
14.根据权利要求14所述的多层脊型光波导的制备方法，其中，所述涂层由氧化硅或氮化硅构成。
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