CN104977655A - 提高plc光波导性能的晶圆加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高PLC光波导性能的晶圆加工方法，包括以下制备步骤：在硅晶圆材料上生长沉积二氧化硅衬底层后，或是直接以石英玻璃或耐热的光学玻璃材料制得的晶圆为衬底层，通过光刻和干蚀工艺将波导芯的图案刻蚀在衬底层中形成凹槽；而后再在衬底层上沉积波导芯层；将衬底层上面波导芯层材料去掉，使得衬底层嵌有波导芯，再沉积覆盖层。本发明在降低波导的内应力(残余应力)的同时，简化了加工工艺，不增加成本，降低获得高性能PLC波导的晶圆加工难度。

Description

提高PLC光波导性能的晶圆加工方法
技术领域
本发明涉及PLC波导晶圆加工工艺。
背景技术
PLC平面波导集成芯片是基于半导体平面加工技术的集成光学器件。与传统的分立器件不同它采用的是半导体工艺来加工制造，能够把不同功用的光学元件集成到一块芯片上。PLC平面波导工艺技术是实现光电器件集成化、规模化、小型化的基础工艺技术。与熔融拉锥技术相比，平面波导技术具有性能稳定、成本低廉、适于规模化生产等显著特点。今后在光纤到户系统中将不再使用光纤融熔拉锥制作的光学分离器件，平面波导技术为高性能、低成本接入网用光器件的生产提供了一条有效途径。
在宽带通信中作为信息传输介质的光导纤维即光纤是根据光在折射率不同的两种介质界面产生全反射的原理来实现的。通常是SiO2介质作芯核的折射率稍大于同样是SiO2材料制作的外包层(相当于平面波导的覆盖层)的折射率。目前普遍采用的工艺如附图1所示，由高温氧化在硅基层上生成衬底层(玻璃SiO2)，然后由PECVD生成芯层(玻璃SiO2)，一般用Ge(锗)或者是P(磷)掺杂，目的是提高芯层的折光指数，该层要进行高温退火，加热到大约1100℃左右，让材料微观组织结构更紧密，性能更稳定，材料折光指数更均匀。经过光刻成形后，沉积覆盖层，由于要使得材料充分覆盖成形芯层的每一道尖角和窄缝，在加工中需要多次沉积回流操作。回流就是在高温下让这一层熔化，以便能流入到缝隙并将其填满。同时还不能让芯层和衬底层熔化，一般在反应气体里掺杂B(硼)，硼能降低材料的熔点，增加流动性，但它同时也会降低材料的折光指数，为了平衡这一效应，掺杂P(磷)使得覆盖层的折光指数与衬底层一致。这一层的玻璃材料也叫BPSG。回流温度一般在850℃-1050℃之间。
目前现有的PLC波导加工工艺技术(参见图1)，通过高温加工处理后容易在波导里产生很大的残余应力，应力在光学材料中会有光弹性效应，从而使得光产生双折射(Birefringenc)而影响器件的工作性能，光的E模和M模产生相位差，从而导致双波峰，也就是输入器件的信号是单波峰，输出的却变成了双波峰，严重时会出现误码错误。这一性能主要用PDL指标来衡量。基于现有工艺技术为解决波导应力问题，在如下几个方面做了工作，1)改变基层材料，用与波导材料线膨胀系数更接近并能耐高温的石英取代硅晶圆材料，但石英价格贵也不利于光电器件在芯片上的集成。2)波导芯层的深度干蚀，该方法可帮助释放波导芯的应力，但增加了覆盖层沉积回流的工艺难度，特别是在尖角处，窄缝会更深了(参见图2)。3)在加工好的波导层边开沟挖槽，释放应力，但这种方法会增加几道工序如光刻，干蚀工艺等，会增加成本，而且也增加了后端工艺难度(如图3所示)。4)覆盖层掺杂，覆盖层BPSG，掺杂B(硼)是降低熔点，P(磷)是提高材料折光指数的，但同时硼和磷的加入又能改变材料的机械性能，材料的线膨胀系数会改变，现有的波导加工技术主要依靠掺杂深度在折光指数和线膨胀系数间找平衡，使得该层材料既满足性能要求同时还能改善波导的应力状况。由于现有工艺本身使得波导层产生较大的内应力(残余应用)，利用覆盖层掺杂来调节难度的确很大。
发明内容
本发明旨在提供一种新的PLC波导晶圆加工工艺，在降低波导的内应力(残余应力)的同时，简化了加工工艺，不增加成本，降低获得高性能PLC波导的晶圆加工难度。
本发明的技术方案是：
一种提高PLC光波导性能的晶圆加工方法，包括以下制备步骤：在硅晶圆材料上沉积生长二氧化硅衬底层或直接以石英玻璃或耐热的光学玻璃材料制得的晶圆为衬底层，通过光刻和干蚀工艺将波导芯的图案刻蚀在衬底层中形成凹槽；而后再在衬底层上沉积波导芯层；将衬底层表面上的波导芯层材料去掉，使得衬底层嵌有波导芯，再沉积覆盖层。
通过本发明的制备方法所制得材料的结构与现有工艺有本质的区别，本发明是在衬底层中嵌有波导芯层，在制备过程中不是采用在直接在平面衬底层上堆一层波导芯层后再用光刻干蚀的方法刻蚀出凸起波导芯层后，沉积覆盖层，而是采用光刻和干蚀法，通过衬底层上形成凹槽将波导芯所需的形状加工出来后，再沉积波导芯层，去除多余的波导芯层后，只需要在一整平面上沉积覆盖层。本发明工艺的优势在于这一处理过程，由于衬底层是通过高温氧化方法获得的，那么衬底层在室温条件下的残余应力大小就会是由高温氧化的温度以及衬底层材料(SiO2)与基层材料(譬如Si)的线膨胀系数差决定；在衬底层进行刻蚀形成波导芯图形凹槽时，应力可以得到巧妙的释放的同时，也有利于后续的波导芯层、及覆盖层的沉积工艺，波导芯层的沉积可用PECVD或者ICP－CVD，其加工温度比较低，PECVD温度可在400℃以下，而ICP－CVD可在150℃以下，由于沉积温度不高，当降温到室温时芯层产生的残余应力不会太大；且当芯层上面多余的部分被用干蚀或其他方法去掉后，应力又得到释放。相对而言，现有工艺是先沉积波导芯层，再对波导芯层进行刻蚀，在此基础上沉积覆盖层；这一过程中应力不能得到及时的释放；沉积覆盖层，由于要使得材料充分覆盖成形后的芯层的每一道尖角，窄缝，在加工中需要多次沉积回流操作更是增加操作工序；回流的控制要求是在高温下让这一层熔化，以便能流入到缝隙将其填满，同时还不能让芯层和衬底层熔化，回流温度一般在850℃到1050℃之间，回流的过程材料在一千度左右的高温熔化，该温度点就变成自由温度点，再降到室温会在材料中产生很大的残余应力。而本发明则不存在以上问题，本发明的波导覆盖层的沉积可以多种方法譬如PECVD，ICP－CVD或者普通LPCVD等，因为沉积温度的高低决定产生应力的大小，本发明工艺方法却可以选择低温沉积方法，然后退火，因为只需要在平面上覆盖，结构简单无需高温回流的操作。
本发明的优势还体现在PLC光波导器件中很常见的“Y”型结构(Y-junction)的制备过程中，若用现有技术加工在两条凸起的波导芯之间就会形成一个尖角，这为覆盖层的沉积加大了难度，现有技术就必须用高温回流才能覆盖，就是沉积覆盖层(BPSG)然后回流让BPSG材料熔化流入尖角处；有时要经过好几次沉积后回流才能填好；若留下气孔就会影响光波导传输性能，加工难度很大。本发明采用的方法，由于凹槽的宽度有5微米到6微米宽，容易沉积，大大降低了加工难度(参见图5)。
本发明中所述的生长沉积二氧化硅衬底层可以是高温氧化法，可以是PECVD方法沉积，ICP－CVD方法，LPCVD方法，或者FHD(flame hydrolysis deposition)即火焰法沉积获得。
本发明中所述的沉积波导芯层可以用多种方法如PECVD方法，ICP－CVD方法，LPCVD方法，或者FHD(flame hydrolysis deposition)即火焰法沉积获得。
本发明中覆盖层的沉积也可以用多种方法获得，可以是PECVD方法沉积，ICP－CVD方法，LPCVD方法，或者FHD(flame hydrolysis deposition)即火焰法沉积获得。
本发明的加工方法中，为了提高波导芯层材料的折光指数，需要用Ge(鍺)或者P(磷)掺杂；但不局限这两种元素，也可为其他的。
本发明中所述的将衬底层上面的多余的波导芯层材料去掉可用干蚀法，也可用别的方法，譬如CMP(chemical mechanical polishing)等。
将波导芯的图案刻入衬底层采用光刻干蚀工艺，步骤如下：
1)涂敷光刻胶(Photoresist spin coat)；
2)曝光，(mask alignment and exposure，将带有波导芯图案的掩模板与晶圆对准，然后曝光)；
3)显影冲洗(Develop，光刻胶冲洗显影，光刻胶层波导芯图案处被去掉)；
4)光刻胶高温烘干固化(hard curing)；
5)干蚀(Dry etching时间等参数控制干蚀深度)
6)去除光刻胶(Photoresist stripping)。
将衬底层上面的波导芯层材料去掉可采用干蚀法，也可用别的方法，譬如CMP(chemicalmechanical polishing)等。
所述的耐热的光学玻璃材料是指可以承受本发明的加工温度的耐热的光学琉璃材料。
综上所述，本发明的方法在降低波导的内应力(残余应力)的同时，简化了加工工艺，不增加成本，降低获得高性能PLC波导的晶圆加工难度。
附图说明
图1为现有技术中PLC芯片的制造工艺流程；图1的工艺步骤完成后，就是常规的退火处理，以及晶圆切割,芯片端面打磨抛光，光学测试；
其中图1a为利用高温氧化炉设备在硅或石英基板上面生长一层二氧化硅，作为芯片的衬底层，；
图1b为利用PECVD设备在衬底层上生长芯层(二氧化硅)；芯层材料的折射率要求与光纤纤芯的折射率匹配；
图1c为刻蚀出波导芯的图形；步骤包括光刻/Reactive Ion Etch(干刻蚀)
1)涂光刻胶，在芯层上面用均胶机，均匀地涂上一层光刻胶。
2)将掩膜板放在光刻胶上面。
3)利用曝光机进行曝光。
4)湿化显影，正胶，曝光部分在显影液中被溶解，没有曝光的胶层留下。
5)RIE干刻蚀出波导芯的图形；
图1d为覆盖层生长；覆盖层的材料同样为二氧化硅，其折射率要与衬底层的折射率完全匹配。
图2为芯层深度干蚀，减残余应力方法；W为波导芯的宽度，h为波导芯的高度；d为被挖去的衬底的深度，并在上面填充覆盖有覆盖层。
图3为本发明的实施例1加工流程图；包括图3a、图3b、图3c、图3d、图3e，5个步骤。
图4为本发明的实施例2加工流程图；包括图4a、图4b、图4c、图4d，4个步骤。
图5为在PLC光波导器件设计中是很常见的“Y”型结构(Y-junction)器件制备对比图；
其中图5a为常见波导芯结构(平面图)；
图5b为本发明的加工过程中在衬底层中形成凹槽时剖面图；
图5c为现有技术的加工过程中在衬底层上沉积刻蚀凸起的波导芯层的剖面图。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
具体实施包括以下步骤：
步骤1，在Si晶圆上用高温(大约1000℃)氧化炉生长一层SiO2衬底层大约为22微米厚；参见图3a；
步骤2，用光刻工艺(涂敷光刻胶，曝光，显影热固化)和干蚀工艺将波导芯的设计图案刻入SiO2衬底层，深度为5至6微米(干蚀深度可由波导光学设计而定)；参见图3b；
步骤3，用PECVD工艺锗掺杂沉积SiO2波导芯层材料；参见图3c；
步骤4，用干蚀法去除波导衬底层表面上的波导芯层沉积材料；参见图3d；
步骤5，用PECVD工艺沉积覆盖层SiO2材料大约15微米的厚度。参见图3e；
用本发明的加工方法，波导芯的最大残余应力与用传统工艺(附图1所示)加工的波导相比减少60％左右。
实施例2
步骤1，用光刻工艺(涂敷感光胶，曝光，显影热固化)和干腐工艺将波导芯的设计图案刻入石英玻璃，深度为5至6微米(干蚀深度由波导光学设计而定)；参见图4a
步骤2，用PECVD工艺锗掺杂沉积SiO2波导芯层材料；参见图4b
步骤3，用干蚀法去除晶圆表面上的波导芯层沉积材料；参见图4c
步骤4，用PECVD工艺沉积覆盖层SiO2材料大约15微米的厚度；参见图4d。
与用石英晶圆用附图1所示的传统工艺流程加工的波导芯片相比，用本发明的方法加工的波导芯片，没有衬底层波导芯的最大残余应力减少了大约80％。

Claims (7)

1.一种提高PLC光波导性能的晶圆加工方法，包括以下制备步骤：在硅晶圆材料上生长沉积二氧化硅衬底层后，或是直接以石英玻璃或耐热的光学玻璃材料制得的晶圆为衬底层，通过光刻和干蚀工艺将波导芯的图案刻蚀在衬底层中形成凹槽；而后再在衬底层上沉积波导芯层；将衬底层上面波导芯层材料去掉，使得衬底层嵌有波导芯，再沉积覆盖层。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的生长沉积二氧化硅衬底层是高温氧化法，或是PECVD法沉积，ICP－CV方法，LPCVD法，或火焰法沉积获得。
3.根据权利要求1所述的方法，所述的沉积波导芯层采用PECVD法沉积、ICP－CVD法、LPCVD法、或者火焰法沉积获得。
4.根据权利要求1所述的方法，覆盖层的沉积是PECVD方法沉积，ICP－CVD方法，LPCVD方法，或者火焰法沉积获得。
5.根据权利要求1所述的方法，波导芯层材料用Ge或者P掺杂。
6.根据权利要求1所述的方法，所述的将衬底层上面的波导芯层材料去掉采用干蚀法。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，所述的耐热的光学玻璃材料是指可承受加工温度的光学琉璃材料。
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