CN104651946B - 基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅基纳米光波导表面光滑化工艺。通过在氢氛围下快速高温退火处理，硅波导表面将形成Si‑H键，然后利用氢离子表面流密度矢量有高能态至低能态迁移趋向，实现波导侧壁亚纳米级光滑化处理。本发明与已有表面处理方法相比不仅效果更好，而且方便、高效；同时还可实现批量化处理，具有重要的理论与应用价值。

Description

基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺
技术领域
本发明涉及微光机电制造领域，具体是一种基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺。
背景技术
硅基纳米光波导是微光机电系统中的关键部件，其具有较强光场局域性、高集成度且与传统CMOS工艺兼容的特点，在光传感、光网络及芯片光源等方面有突出的潜在应用优势。目前，纳米光波导制造多采用干法刻蚀，加工出的波导一般具有几至十几纳米的表面粗糙度，该粗糙度分布使波导光损耗较大，严重制约了其在诸多高性能微光学器件中的应用。因此，研究硅基纳米光波导表面光滑工艺具有重要的理论与应用价值。
常用的表面光滑化方法有化学抛光和气体离化团束工艺。但是这两种方式只能对平面结构进行处理，而纳米光波导主要需处理两侧侧壁粗糙度，因此这两种工艺方法都无法使用。目前，可用于硅基纳米波导表面光滑处理的工艺主要有高能束和热氧化。高能束法利用红外激光的瞬间高能量，使光波导表面在极短的时间内温度急剧升高，形成局部熔融，达到波导局部表面光滑处理的目的。这种方式虽然能在一定程度上降低波导表面粗糙度，但是工艺过程对波导结构影响较大（如波导直角边角钝化成圆角），而且难以在批量生产中应用。热氧化法处理工艺首先会在波导表面生成氧化物薄膜，然后再采用一定工艺去除以达到表面光滑的目的。这种工艺不仅会消耗一定厚度的硅，改变了波导的结构参数；同时也难以实现较高的光滑度。
基于以上硅基纳米光波导表面处理工艺存在的问题，有必要发明一种可实现亚纳米光滑度，并适合于规模生产的光波导表面光滑化工艺。
发明内容
本发明为了解决现有硅波导退火工艺存在的效果差、对波导结构影响大、无法批量处理等问题，提出了一种基于硅氢键流密度法的波导表面光滑工艺。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺，包括如下步骤：
（1）、使用真空泵将退火炉炉腔抽成真空，真空度至毫托量级；
（2）、通过供气装置向退火炉腔内通入纯度在99.99％以上的氢气，利用流量计使供气流量稳定在500sccm，同时控制退火炉腔内的压力稳定在50torr；
（3）、在保持上述氢气流量及炉腔压力条件下，对硅波导进行氢退火处理；具体退火温度设置为：在第1min内，将退火温度匀速升温至1000℃，在第1min至第11min之间，保持退火温度1000℃；
（4）、第11min至第13min之间，停止对炉腔内通入氢气，通入1000sccm流量氩气并保持炉腔压力稳定在50torr，将退火温度匀速降温至450℃，
（5）、最后自然降温。
利用高温退火设备，在纯氢氛围、一定压力条件下对硅波导进行高温退火处理、以期实现波导表面光滑化。在冷却过程中通入氩气，以带走退火过程中微量气态生成物，同时作为退火炉降温过程的保护气体。该工艺的理论原理如图1所示，硅波导表面光滑化是表面自由能减小的过程，随表面原子迁移速率加快，表面流密度矢量由高能态向低能态迁移，驱使硅表面趋于光滑化。其理论研究表明波导表面原子迁移率由材料特性、表面扩散系数、表面曲率梯度决定。在高温退火条件下，氢气会与硅波导表面相邻二聚体上的悬空键相互作用，促进硅氢键的形成。由于硅氢键的存在，硅氢键流密度矢量由高能态向低能态迁移趋向使波导表面硅原子活性增强，原子迁移率增大，从而更好的实现波导表面光滑化处理。发明人经过多次试验优选的温度、压力条件下，通过控制好退火温度的快速升降时间节点（如图3所示），实现表面光滑化处理。
该工艺所使用氢退火装置如图2所示，主要由退火炉、供气装置、真空装置和水冷系统组成。首先利用真空装置将炉腔抽成高真空（真空度达毫托量级），然后由供气系统给炉腔提供高纯度氢气（纯度在99.99％以上）。通过供气系统流量控制器、真空装置及与其连接的挡板阀使炉腔在一定氢气流量下保持压力稳定（50torr）。然后由退火炉结合水冷系统按照如图3所述的的温控曲线对硅波导进行退火处理。退火完成后，降温过程中停止对炉腔通入氢气，以1000sccm流量给炉腔通入氩气，同样保持炉腔压力稳定在50torr，直到炉腔温度降低到常温。目前，在保持该优化参数条件下进行退火实验，已实现波导表面形貌的明显改善，如图4和5对比可以看出。
本发明设计合理，该表面光滑工艺效果好，操作简单，可用于批量生产，同时解决了现有纳米光波导表面处理工艺的不足，具有重要的理论与应用价值。
附图说明
图1 表示硅氢键流密度法光滑工艺原理示意图。
图3表示退火炉温控曲线示意图。
图2表示氢退火装置示意图。
图4 表示退火前硅波导表面形貌AFM测试图。
图5表示退火后硅波导表面形貌AFM测试图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺，包括如下步骤：
（1）、使用真空泵将退火炉腔抽真空，真空度至毫托量级。
（2）、通过供气装置向退火炉腔内通入纯度在99.99％以上的氢气，供气装置以可控的恒定流量给炉腔提供氢气，利用流量计使供气流量稳定在500sccm，同时真空泵结合挡板阀，实现炉腔内压力可控，控制退火炉腔内的压力稳定在50torr。
（3）、设定退火炉退火温度，进行硅波导氢退火处理；快速退火炉结合水冷系统可实现确定的温控曲线及快速升降温。如图3所示，具体为，在第1min内，将退火温度匀速升温至1000℃，在第1min至第11min之间，保持退火温度1000℃。
（4）、第11min至第13min之间，退火结束。停止对炉腔通入氢气，以1000sccm流量给炉腔通入氩气，同样保持炉腔压力稳定在50torr，退火炉温度匀速降温至450℃；
（5）、最后自然降温。

Claims (1)

1.一种基于硅氢键流密度法的硅波导表面光滑工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、使用真空泵将退火炉腔抽真空，真空度至毫托量级；
（2）、通过供气装置向退火炉腔内通入纯度在99.99％以上的氢气，利用流量计使供气流量稳定在500sccm，同时控制退火炉腔内的压力稳定在10torr；
（3）、设定退火炉退火温度，进行硅波导氢退火处理；具体为，在第1min内，将退火温度匀速升温至1000℃，在第1min至第11min之间，保持退火温度1000℃；
（4）、第11min至第13min之间，停止对炉腔通入氢气，以1000sccm流量给炉腔通入氩气，同样保持炉腔压力稳定在50torr，将退火温度匀速降温至450℃；
（5）、最后自然降温。
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