CN102866458B - 刻蚀高深度光波导的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，包括以下步骤：1）用沉积法，在衬底上制备掺杂的芯层，形成平板光波导；2）用光刻工艺，在步骤1）制取的平板光波导上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模；3）用溅射工艺，在步骤2）获取的样品表面制备金属掩模；4）清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模及金属掩模；5）用光刻工艺，在步骤4）制作的金属掩模层上，再增加与金属掩模层具有相同图形的光刻胶层；6）使用RIE设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，制作光波导芯层；7）制作上包层。与标准工艺相比，这种方法可利用普通反应离子刻蚀设备制作高深度光波导，且制作的光波导具有垂直的侧壁，侧壁角度大于87度，小于93度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高深度光波导的制作方法，更确切地说是通过在平板光波导上制作双重掩模的方法制作高深度光波导。属于光器件、集成光学领域。
背景技术
发展高速率大容量的信息高速公路已成为当今世界各国竞相研究和发展的目标，光纤网络是信息网络的主体和骨架。随着我国三网融合工程的推进，基于无源光接入网的光纤到户工程建设，蕴含着巨大的商机和发展前景。其中光功分器是超大容量光通信系统和三网融合平台系统的关键部件，光通信网络的所有分支和接点连接均由PLC型M×N光功分器完成和实现光纤入户。
通常制作玻璃基二氧化硅光波导的过程(图1)为：首先在玻璃基片(11)上制作一层光波导的芯层(12)，在光波导的芯层上面制作光波导的掩模图形(13)，通过反应离子刻蚀工艺(RIE)得到条形或脊型光波导芯层(12)，最后制作光波导的上包层(15)。采用这种工艺可以获得高性能的集成光波导器件，但采用这种方式所能获得的光波导高度一般小于4微米。而目前通常采用的光分路器产品标准高度为8微米。这时一般采用感应耦合离子刻蚀工艺进行刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀设备的成本和维护费用极其昂贵，不仅提高了分路器的成本，也限制了该方法的广泛使用。
采用反应离子刻蚀工艺无法刻蚀高深度光波导的原因在于，目前采用的金属掩模工艺或者光刻胶掩模工艺，均无法保证高深度下光波导侧壁保持在85度以上。采用金属掩模工艺会造成侧壁内陷；而采用光刻胶掩模，会造成漂胶等现象。因此必须新型工艺，完成高深度光波导的刻蚀。
发明内容
技术问题：有鉴于此，本发明的目的是在于提供一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，其实现了利用反应离子刻蚀工艺刻蚀高深度光波导，制作成功的波导侧壁与水平面的交角大于87度，小于93度，从而具有低损耗的光学传输性能，且降低了光波导制作成本。
技术方案：
一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1)用沉积法，在作为光波导结构中的衬底层的二氧化硅隔离层上制备掺杂III-V族元素或稀土元素的二氧化硅层，并以此作为光波导结构中的芯层，形成平板光波导；
步骤2)通过光刻工艺，旋涂光刻胶，一次掩模版曝光后进行二次空曝，在步骤1)制取的平板光波导上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模；
步骤3)通过溅射工艺，在与掩模版图形相反的光刻胶掩模表面上形成金属掩模，同时在平板光波导表面上形成与掩模版图形相同的金属掩模层；
步骤4)清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模及金属掩模；
步骤5)通过光刻工艺，在步骤4)制作的金属掩模层上，再增加与金属掩模层具有相同图形的光刻胶层，且金属掩模层的厚度与光刻胶层的厚度比例为1：2～4；
步骤6)使用反应离子刻蚀设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，SF4、CHF3、O2及He的通入流量比例为3～5：4～7：1：20～35,在1500mTor气压下进行刻蚀，在平板光波导上制作光波导芯层；
步骤7)在光波导芯层的周围制作上包层。
本发明所述的另一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1)用沉积法，在作为光波导结构中的衬底层的二氧化硅隔离层上制备掺杂III-V族元素或稀土元素的二氧化硅层，并以此作为光波导结构中的芯层，形成平板光波导；
步骤2)通过光刻工艺，旋涂光刻胶，一次掩模版曝光后进行二次空曝，在步骤1)制取的平板光波导上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模；
步骤3)通过溅射工艺，在与掩模版图形相反的光刻胶掩模表面上形成金属掩模，同时在平板光波导表面上形成与掩模版图形相同的金属掩模层；
步骤4)通过溅射工艺，在与掩模版图形相同的金属掩模层及金属掩模表面形成与掩模版图形相同的第二层金属掩模层及与掩模版图形相反的第二层金属掩模，且与掩模版图形相同的第二层金属掩模层及与掩模版图形相反的第二层金属掩模的刻蚀选择比不同于与掩模版图形相同的金属掩模层及金属掩模的刻蚀选择比；
步骤5)清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模、金属掩模及与掩模版图形相反的第二层金属掩模；
步骤6)使用反应离子刻蚀设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，SF4、CHF3、O2及He的通入流量比例为3～5：4～7：1：20～35,在1500mTor气压下进行刻蚀，在平板光波导上制作光波导芯层；
步骤7)在光波导芯层的周围制作上包层。
本发明原理为：对于高深度波导，单独利用金属掩模工艺进行反应离子刻蚀时，由于金属掩模层较厚，刻蚀时金属掩模形成大物栅现象，造成刻蚀的波导将形成内陷形；而单独利用光刻胶工艺进行反应离子刻蚀时，当刻蚀深度过大时，将会出现漂胶现象，无法完成高深度波导刻蚀。在金属掩模层上方覆盖一层光刻胶，通过选取合适的金属层厚度和光刻胶厚度。首先利用光刻胶掩模进行刻蚀，进行到一定深度时，光刻胶刻蚀完毕，此时，可以利用金属掩模进行刻蚀，所需的金属掩模厚度较小，有效降低了大物栅效应，使得刻蚀成功的波导侧壁垂直。
有益效果：采用本发明所述的双掩模方法，利用反应离子刻蚀工艺，对于高深度二氧化硅波导(波导高度大于6微米)，可以使得侧壁与水平面的交角大于87度，小于93度，从而具有低损耗的光学传输性能，且降低了光波导制作成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的阐述。
图1是标准半导体工艺在玻璃基上制作二氧化硅光波导的工艺流程图；
图2是采用本发明所述方法制作光波导的途径之一示意图；
图3是采用本发明所述方法制作光波导的途径之二示意图；
图4是采用本发明所述方法制作光波导的途径之三示意图；
图5是单独采用金属掩模，利用反应离子刻蚀形成的波导端面示意图；
图6是单独采用金属掩模，利用反应离子刻蚀形成的波导端面实物图；
图7是单独采用光刻胶，利用反应离子刻蚀形成的波导实物图；
图8是采用本发明所述方法制作成功的波导端面示意图；
图9是采用本发明所述方法制作成功的波导端面实物图；
图10是采用本发明所述方法，但金属掩模厚度与光刻胶厚度比例不恰当，制作的波导端面实物图；
具体实施方式
实施方式一，参照图2，利用以下几个步骤制作玻璃基高深度二氧化硅光波导：
一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1)用化学气相沉积法，通入SiH4、GeH4、Ar、N2O、N2气体，气体流量比例为17：1：10：2000：340，在作为光波导结构中的衬底层11的二氧化硅隔离层上制备掺杂Ge元素的二氧化硅层，并以此作为光波导结构中的芯层，形成平板光波导12；
步骤2)通过光刻工艺，旋涂光刻胶，一次掩模版曝光后进行二次空曝，在步骤1)制取的平板光波导12上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b；
步骤3)通过溅射工艺，在压强4mTorr，功率300W时，溅射金属Cr,时间600秒，在与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b表面上形成金属掩模14b，同时在平板光波导12表面上形成与掩模版图形相同的金属掩模层14a；
步骤4)清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b及金属掩模14b；
步骤5)通过光刻工艺，在步骤4)制作的金属掩模层14a上，再增加与金属掩模层具有相同图形的光刻胶层13a，且金属掩模层14a的厚度与光刻胶层13a的厚度比例为1：2～4；
步骤6)使用反应离子刻蚀设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，SF4、CHF3、O2及He的通入流量比例为3～5：4～7：1：20～35,在1500mTor气压下进行刻蚀，在平板光波导12上制作光波导芯层12a；
步骤7)在光波导芯层12a的周围制作上包层15。
在本实施例中，
参照图3，二氧化硅隔离层制作于硅片01上；步骤1)中的二氧化硅层中掺杂的元素为硼、磷或锗。
实施方式二，参照图3，利用以下几个步骤制作玻璃基高深度二氧化硅光波导：
步骤1)用化学气相沉积法，通入SiH4、N2O、N2气体，气体流量比例为17：1：10：2000：340，在作为光波导结构中的衬底层11的二氧化硅隔离层上制备掺杂Ge元素的二氧化硅层，并以此作为光波导结构中的芯层，形成平板光波导12；
步骤2)通过光刻工艺，旋涂光刻胶AZ5214，一次掩模版曝光后进行二次空曝，在步骤1)制取的平板光波导12上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b；
步骤3)通过溅射工艺，在压强4mTorr，功率300W时，溅射金属Cr，时间400秒，在与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b表面上形成金属掩模14b，同时在平板光波导12表面上形成与掩模版图形相同的金属掩模层14a；
步骤4)通过溅射工艺，在压强4mTorr，功率300W时，溅射金属Al，时间200秒，在与掩模版图形相同的金属掩模层14a及金属掩模14b表面形成与掩模版图形相同的第二层金属掩模层16a及与掩模版图形相反的第二层金属掩模16b，且与掩模版图形相同的第二层金属掩模层16a及与掩模版图形相反的第二层金属掩模16b的刻蚀选择比不同于与掩模版图形相同的金属掩模层14a及金属掩模14b的刻蚀选择比；
步骤5)清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模13b、金属掩模14b及与掩模版图形相反的第二层金属掩模16b；
步骤6)使用反应离子刻蚀设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，SF4、CHF3、O2及He的通入流量比例为3～5：4～7：1：20～35,在1500mTor气压下进行刻蚀，在平板光波导12上制作光波导芯层12a；
步骤7)在光波导芯层12a的周围制作上包层15。
图5给出了采用单独金属掩模，利用反应离子刻蚀形成的波导端面示意图；图6给出了单独采用金属掩模，厚度为350nm时，利用反应离子刻蚀形成的波导端面实物图，可以看出，刻蚀的波导端面具有内陷分布，为倒梯形端面，该种端面结构的波导传输损耗很大，不适合作为传输用光波导。图7给出了单独采用光刻胶(AZ5214)，其厚度为2微米时，利用反应离子刻蚀，刻蚀深度达到4微米时，芯片表面出现的漂胶现象，无法再进行刻蚀。
图8给出了利用该方法制作的光波导端面示意图。图9是采用本发明所述方法，金属掩模(Cr)厚度170nm，光刻胶(AZ5214)厚度1微米，刻蚀气体为SF4、CHF3、O2、He，气体流量为20sccm：30sccm：5sccm：150sccm，气压1500mTor时，制作成功的波导端面实物图。可以看出，利用本发明制作的波导，其端面侧壁与水平面交角接近垂直，具有较低的损耗。图10是采用本发明所述方法，金属掩模厚度250nm，光刻胶厚度400nm时，其余条件与图9刻蚀条件相同时，刻蚀出的波导图形，可见金属掩模厚度与光刻胶厚度必须合适才能刻蚀出符合要求的波导图形。
Claims (1)
1.一种刻蚀高深度光波导的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）用沉积法，在作为光波导结构中的衬底层（11）的二氧化硅隔离层上制备掺杂III-V族元素或稀土元素的二氧化硅层，并以此作为光波导结构中的芯层，形成平板光波导（12）；
步骤2）通过光刻工艺，旋涂光刻胶，一次掩模版曝光后进行二次空曝，在步骤1）制取的平板光波导（12）上获得与掩模版图形相反的光刻胶掩模（13b）；
步骤3）通过溅射工艺，在与掩模版图形相反的光刻胶掩模（13b）表面上形成金属掩模（14b），同时在平板光波导（12）表面上形成与掩模版图形相同的金属掩模层（14a）；
步骤4）通过溅射工艺，在与掩模版图形相同的金属掩模层（14a）及金属掩模（14b）表面形成与掩模版图形相同的第二层金属掩模层（16a）及与掩模版图形相反的第二层金属掩模（16b），且与掩模版图形相同的第二层金属掩模层（16a）及与掩模版图形相反的第二层金属掩模（16b）的刻蚀选择比不同于与掩模版图形相同的金属掩模层（14a）及金属掩模（14b）的刻蚀选择比；
步骤5）清洗去除与掩模版图形相反的光刻胶掩模（13b）、金属掩模（14b）及与掩模版图形相反的第二层金属掩模（16b）；
步骤6）使用反应离子刻蚀设备，通入SF4、CHF3、O2、He气体，SF4、CHF3、O2及He的通入流量比例为3～5：4～7：1：20～35,在1500mTor气压下进行刻蚀，在平板光波导（12）上制作光波导芯层（12a）；
步骤7）在光波导芯层（12a）的周围制作上包层（15）。
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