CN105739013A - 一种制造平面光波导器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造平面光波导器件的方法。该制造平面光波导器件的方法包括：在晶圆衬底上沉积光波导芯层；退火硬化，使得所述芯层致密均匀；采用物理气相沉积法形成金属掩膜层；涂光刻胶，并进行曝光显影；去光刻胶，反应离子刻蚀金属掩膜；感应耦合刻蚀芯层；采用火焰水解沉积光波导上包层；退火硬化，使得上包层致密均匀；其中，所述晶圆衬底的氢氧根离子小于200PPM，表面残余应力小于1MPa。本发明提供的制造平面光波导器件的方法，无需制做下包层，直接在符合要求的晶圆衬底上沉积光波导芯层，减少了制造步骤及工序环节。

Description

一种制造平面光波导器件的方法
技术领域
本发明涉及光波导器件技术领域，具体涉及一种制造平面光波导器件的方法。
背景技术
随着全球经济一体化进程的加速，全社会对音频、视频、数据、多媒体及电子商务等业务的需求急剧膨胀，建设具有大容量、高柔性、高可靠性的全光通信网络(AllOpticalNetwork，AON)已成为顺应这一潮流的必然趋势。作为AON的重要组成部分，光纤到户(Fibertothehome,FTTH)工程的建设使得光波导器件的需求急剧增加。光纤到户是一种光纤通讯的传输方法，是直接把光纤接到用户的家中(用户所需的地方)。2015年是中国FTTH发展最火爆的一年，用户的发展速度不断超过预期，最终用户达到1.2亿。2016-2017年中国FTTH市场依然前景可期，2017年中国FTTH用户将达到2亿，届时FTTH的普及率高达46.5％左右。
平面光波导器件综合了波导光学、材料学和微细加工技术的前沿成果，采用平面光波导回路工艺(PlanarLightwaveCircuit，PLC)制造光回路，将常规分立光学元件的各种功能集成到同一光学衬底上，实现光波信号分束/合波、开关、复用/解复用等功能，典型器件主要有平面光波导分路器、阵列波导光栅、波导光开关、可调光衰减器等。平面光波导器件是目前全光无源网络、光纤传感网络的关键器件之一。
平面光波导回路工艺主要包括高品质光学薄膜沉积、湿法氧化、光刻、刻蚀等工艺。平面光波导回路工艺是在集成电路工艺(IntegratedCircuit，IC)基础上发展而来，有其独特的优势，对残余应力、刻蚀精度、材料纯度等要求更高。因光波导材料的不同，制造工艺也不同，InP(磷化铟)波导、二氧化硅波导、SOI(绝缘衬底上的硅波导)和聚合物波导以刻蚀工艺制造，铌酸锂波导和玻璃波导采用离子扩散工艺制造，本发明专利指的是以刻蚀工艺制造的平面光波导回路工艺。
典型平面光波导回路工艺步骤如下：
1)采用火焰水解法(FHD)或化学气相沉积法(CVD)在衬底上生长一层SiO2作为下包层，该下包层可掺杂磷、硼离子；
2)退火硬化，使得下包层致密均匀；
3)采用FHD或CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2作为波导芯层，其中掺杂锗离子，以获得所需的折射率；
4)退火硬化，使得芯层致密均匀；
5)制作光掩膜，可以是单层光刻胶掩膜，可以是光刻胶和多晶硅复合掩膜，可以是光刻胶和金属复合掩膜。然后光刻；
6)采用离子刻蚀工艺，将非波导区域刻蚀掉；
7)去光掩膜、然后采用FHD或CVD工艺，在波导芯层上覆盖一层SiO2作为上包层，该上包层可掺杂磷、硼离子；
8)退火硬化，使得上包层致密均匀。
现有的一种平面光波导器件制作方法，直接采用光刻胶作为二氧化硅芯层的掩膜，无需制作多晶硅层或金属层。该发明公开的掩膜层的光刻胶为厚膜且需烘烤，光刻胶是通过旋涂的方式涂覆在晶圆上，厚度超过5微米以上的光刻胶难以成形，且膜厚均匀性较差；另外采用干法刻蚀二氧化硅芯层的同时也在刻蚀光刻胶，光刻胶和二氧化硅的刻蚀比可达3:1，对于芯层厚度为6微米的光波导来说，其光刻胶的厚度至少需要18微米。光波导芯层刻蚀通常采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，ICP刻蚀光刻胶的边缘质量较差，垂直度差，光波导侧壁刻蚀精度难以保证。该平面光波导器件的制作方法工艺复杂，且等离子体的刻蚀导致光波导刻蚀精度低。
现有的另外一种平面光波导及其制备方法公开了一种平面光波导及其制备方法，所述平面光波导包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层。该发明在典型工艺基础上增加了制作隔离层，也即增加了沉积工艺和退火工艺，易导致光波导芯层残余应力难以控制，增加器件的偏振相关损耗。
现有的制造平面光波导器件的方法大多分为6大步骤共25个工序。依次为：生长下包层(含退火、关键尺寸测量)、芯层生长(含退火、关键尺寸测量)、生长硬掩膜、光刻(增粘处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘)、刻蚀(刻蚀硬掩膜、去光刻胶、刻蚀芯层、去硬掩膜、关键尺寸测量、清洗)、生长上包层(退火，重复多次)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的制造平面光波导器件的工艺复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种制造平面光波导器件的方法，该制造平面光波导器件的方法包括：
在晶圆衬底上沉积光波导芯层；
退火硬化，使得所述芯层致密均匀；
采用物理气相沉积法形成金属掩膜层；
涂光刻胶，并进行曝光显影；
去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜；
感应耦合ICP刻蚀芯层；
采用火焰水解FHD沉积光波导上包层；
退火硬化，使得上包层致密均匀；
其中，所述晶圆衬底的氢氧根离子小于200PPM，表面残余应力小于1MPa。
可选地，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层；
相应地，所述退火硬化，使得所述芯层致密均匀包括：
直接将晶圆放置在退火炉中进行退火，最高退火温度为1050℃。
可选地，所述采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层，包括：
反应气体为SiH4、H2、GeH4、N2O、CF4和N2；其中，SiH4与H2的体积比为5:95，CF4为清洁腔室用气体，N2为稀释性气体。
可选地，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用火焰水解FHD沉积光波导芯层。
可选地，所述采用物理气相沉积法形成金属掩膜层包括：
采用物理气相沉积法沉积Cr或Al形成金属掩膜层。
可选地，在所述涂光刻胶，并进行曝光显影之前，还包括：
在所述金属掩膜层上沉积氧化物掩膜层；
相应地，在所述去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜之前，还包括：
反应离子RIE刻蚀氧化物掩膜。
可选地，所述感应耦合ICP刻蚀芯层的刻蚀气体为C4F8、He、O2、N2和SF6。
可选地，所述采用火焰水解FHD沉积光波导上包层包括：
反应气体为SiCl4、GeCl4、BCl3、POCl3、H2、O2和He；SiCl4、POCl3和GeCl4为液体，加热至45℃，导入He带出，进入反应腔；BCl3装在钢瓶中，直接加热，通过管道输送到反应腔，沉积光波导上包层。
可选地，所述退火硬化，使得上包层致密均匀，包括：
将晶圆放置在充满He和O2的退火炉中进行退火，最高退火温度1200℃，使得上包层致密均匀。
本发明提供的制造平面光波导器件的方法，无需制做下包层，直接在符合要求的晶圆衬底上沉积光波导芯层，减少了制造步骤及工序环节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的制造平面光波导器件的方法的流程示意图；
图2是本发明一个实施例的6寸及6寸以下平面光波导器件的制造方法原理图；
图3是本发明一个实施例的8寸及8寸以上平面光波导器件的制造方法原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一个实施例的制造平面光波导器件的方法的流程示意图。如图1所示，本实施例的制造平面光波导器件的方法包括：
S11：在晶圆衬底上沉积光波导芯层；
S12：退火硬化，使得所述芯层致密均匀；
S13：采用物理气相沉积法形成金属掩膜层；
S14：涂光刻胶，并进行曝光显影；
S15：去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜；
S16：感应耦合ICP刻蚀芯层；
S17：采用火焰水解FHD沉积光波导上包层；
S18：退火硬化，使得上包层致密均匀；
其中，所述晶圆衬底的氢氧根离子小于200PPM，表面残余应力小于1MPa。
本实施例的制造平面光波导器件的方法，无需制做下包层，直接在符合要求的晶圆衬底上沉积光波导芯层，减少了制造步骤及工序环节。
在实际应用中，也可以采用APOX晶圆衬底，即在硅片表面进行常气压湿法氧化的晶圆的衬底。
在一种可选的实施方式中，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层；
相应地，所述退火硬化，使得所述芯层致密均匀包括：
直接将晶圆放置在退火炉中进行退火，最高退火温度为1050℃。
可选地，所述采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层，包括：
反应气体为SiH4、H2、GeH4、N2O、CF4和N2；其中，SiH4与H2的体积比为5:95，CF4为清洁腔室用气体，N2为稀释性气体。
本实施方式的制造平面光波导器件的方法中，采用优化的PECVD工艺，沉积后的薄膜基本不存在气孔等缺陷，光波导芯层沉积后直接退火，因此可不需保护性气，节省原材料。
在另一种可选的实施方式中，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用火焰水解FHD沉积光波导芯层。
进一步地，所述采用物理气相沉积法形成金属掩膜层包括：
采用物理气相沉积法沉积Cr或Al形成金属掩膜层。
在所述涂光刻胶，并进行曝光显影之前，还包括：
在所述金属掩膜层上沉积氧化物掩膜层；
相应地，在所述去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜之前，还包括：
反应离子RIE刻蚀氧化物掩膜。
在实际应用中，8寸及8寸以上晶圆需要沉积氧化物掩膜层和刻蚀氧化物掩膜层的步骤；而对于6寸及6寸以下晶圆不需要沉积氧化物掩膜层和刻蚀氧化物掩膜层的步骤。沉积氧化物掩膜层是提升等离子刻蚀选择比，同时可降低刻蚀后残余应力对光波导通道的影响。
具体地，所述感应耦合ICP刻蚀芯层的刻蚀气体为C4F8、He、O2、N2和SF6。
具体地，所述采用火焰水解FHD沉积光波导上包层包括：
反应气体为SiCl4、GeCl4、BCl3、POCl3、H2、O2和He；SiCl4、POCl3和GeCl4为液体，加热至45℃，导入He带出，进入反应腔；BCl3装在钢瓶中，直接加热，通过管道输送到反应腔，沉积光波导上包层。
进一步地，所述退火硬化，使得上包层致密均匀，包括：
将晶圆放置在充满He和O2的退火炉中进行退火，最高退火温度1200℃，使得上包层致密均匀。
本实施方式的制造平面光波导器件的方法优化了FHD沉积光波导上包层的工艺，使得沉积后的薄膜均匀，致密性好，直接退火不会导致残余应力过大而导致晶圆破碎，同时也不会有石英晶体生产。
图2是本发明一个实施例的6寸及6寸以下平面光波导器件的制造方法原理图；图3是本发明一个实施例的8寸及8寸以上平面光波导器件的制造方法原理图。如图2-图3所示，本发明的制造平面光波导器件的方法包括如下步骤：
1)采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)或FHD沉积光波导芯层，所选择用的晶圆衬底：①为高纯合成石英玻璃，要求低OH(氢氧根离子)含量，小于200PPM(百万分之)；表面残余应力接近0MPa；折射率均匀稳定。②在硅片表面进行常气压湿法氧化的晶圆的衬底(APOX晶圆衬底)。
采用PECVD法，反应气体为SiH4(SiH4和H2的混合气体，SiH4比例为5％)、GeH4、N2O、CF4和N2，前三种气体为反应气体，CF4为清洁腔室用气体，N2为稀释性气体。
SiH4+2N2O→SiO2+2N2+2H2
GeH4+2N2O→GeO2+2N2+2H2
采用FHD法，反应气体为SiCl4、GeCl4、H2、O2和He。SiCl4和GeCl4为液体，加热至45℃，导入He带出，进入反应腔。He同时也作为稀释性气体。
SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
GeCl4+2H2+O2→GeO2+4HCl
2)退火。采用PECVD法，直接将晶圆放置在退火炉中进行退火，无需任何保护气体，最高退火温度为1050℃，使得芯层致密均匀。
采用FHD法，则需要将晶圆放置在充满He和O2的退火炉中进行退火，最高退火温度1150℃，使得芯层致密均匀。
3)采用物理气相沉积法沉积Cr或Al作为金属掩膜层。
4)8寸及8寸以上晶圆，在金属掩膜层上沉积一层Oxide(氧化层)掩膜层，不掺杂离子。6寸及6寸以下晶圆不用沉积Oxide(氧化层)掩膜层。沉积Oxide(氧化层)掩膜层是提升等离子刻蚀选择比，同时可降低刻蚀后残余应力对光波导通道的影响。反应气体为SiH4(SiH4和H2的混合气体，SiH4比例为5％)、N2O、CF4和N2，前三种气体为反应气体，CF4为清洁腔室用气体，N2为稀释性气体。
SiH4+2N2O→SiO2+2N2+2H2
5)光刻，先后进行增粘处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘，同典型平面光波导回路工艺。
6)8寸及8寸以上晶圆，有Oxide(氧化层)掩膜层，采用RIE进行刻蚀，刻蚀气体为C4F8、He、O2、N2和SF6。6寸及6寸以下晶圆无Oxide(氧化层)掩膜层，省略该步。
7)去光刻胶，可采用等离子去光刻胶或采用湿法刻蚀去光刻胶。
8)RIE刻蚀金属掩膜Cr或Al。刻蚀气体为Cl2、N2和O2。
9)ICP刻蚀芯层。刻蚀气体为C4F8、He、O2、N2和SF6。
10)采用FHD沉积光波导上包层。反应气体为SiCl4、GeCl4、BCl3、POCl3、H2、O2和He。SiCl4、POCl3和GeCl4为液体，加热至45℃，导入He带出，进入反应腔；BCl3装在钢瓶中，直接加热，通过管道输送到反应腔。He同时也作为稀释性气体。B和P的掺杂，可降低退火温度，增加沟槽填充能力，同时避免析出SiO2晶体。掺杂B，薄膜的折射率下降；掺杂P，薄膜的折射率上降；由此可调精密整薄膜的折射率。
SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
GeCl4+2H2+O2→GeO2+4HCl
4BCl3+6H2+3O2→2B2O3+12HCl
4POCl3+6H2+3O2→2P2O5+12HCl
11)退火。将晶圆放置在充满He和O2的退火炉中进行退火，最高退火温度1200℃，使得上包层致密均匀。
图2和图3所示的制造平面光波导器件的方法可达到如下的技术效果：
1)无需制做下包层，直接在晶圆衬底上沉积光波导芯层。
2)采用PECVD沉积光波导芯层后，退火不需要保护性气体，直接退火处理即可。
3)8寸及8寸以上晶圆，在2)所述金属掩膜上沉积一层Oxide(氧化层)掩膜层，提升等离子刻蚀选择比，同时可降低刻蚀后残余应力对光波导通道的影响；6寸及6寸以下晶圆不用沉积Oxide(氧化层)掩膜层。
4)采用FHD法一次沉积光波导上包层，一次退火即成，无需多次沉积多次退火；便于控制晶圆残余应力，提高了器件的光学性能和可靠性。
5)平面光波导器件短流程制造工艺，6寸及6寸以上晶圆，从原来的6大步骤共25个工序减少到5大步骤共15个工序；8寸及8寸以上晶圆，从原来的6大步骤共30个工序减少到5大步骤共16个工序。
本发明提供的制造平面光波导器件的方法，无需制做下包层，直接在符合要求的晶圆衬底上沉积光波导芯层，减少了制造步骤及工序环节。
需要说明的是术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种制造平面光波导器件的方法，其特征在于，包括：
在晶圆衬底上沉积光波导芯层；
退火硬化，使得所述芯层致密均匀；
采用物理气相沉积法形成金属掩膜层；
涂光刻胶，并进行曝光显影；
去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜；
感应耦合ICP刻蚀芯层；
采用火焰水解FHD沉积光波导上包层；
退火硬化，使得上包层致密均匀；
其中，所述晶圆衬底的氢氧根离子小于200PPM，表面残余应力小于1MPa。
2.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层；
相应地，所述退火硬化，使得所述芯层致密均匀包括：
直接将晶圆放置在退火炉中进行退火，最高退火温度为1050℃。
3.根据权利要求2所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述采用等离子体增强化学气相沉积PECVD沉积光波导芯层，包括：
反应气体为SiH4、H2、GeH4、N2O、CF4和N2；其中，SiH4与H2的体积比为5:95，CF4为清洁腔室用气体，N2为稀释性气体。
4.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述在晶圆衬底上沉积光波导芯层包括：
采用火焰水解FHD沉积光波导芯层。
5.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述采用物理气相沉积法形成金属掩膜层包括：
采用物理气相沉积法沉积Cr或Al形成金属掩膜层。
6.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，在所述涂光刻胶，并进行曝光显影之前，还包括：
在所述金属掩膜层上沉积氧化物掩膜层；
相应地，在所述去光刻胶，反应离子RIE刻蚀金属掩膜之前，还包括：
反应离子RIE刻蚀氧化物掩膜。
7.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述感应耦合ICP刻蚀芯层的刻蚀气体为C4F8、He、O2、N2和SF6。
8.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述采用火焰水解FHD沉积光波导上包层包括：
反应气体为SiCl4、GeCl4、BCl3、POCl3、H2、O2和He；SiCl4、POCl3和GeCl4为液体，加热至45℃，导入He带出，进入反应腔；BCl3装在钢瓶中，直接加热，通过管道输送到反应腔，沉积光波导上包层。
9.根据权利要求1所述的制造平面光波导器件的方法，其特征在于，所述退火硬化，使得上包层致密均匀，包括：
将晶圆放置在充满He和O2的退火炉中进行退火，最高退火温度1200℃，使得上包层致密均匀。
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