CN109143465A - 一种光学波导器件的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学波导器的形成方法，在衬底上形成二氧化硅下包层，在所述下包层上生长Si3N4芯层；生长所述芯层的方法采用多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积，从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度作为下一沉积工艺的第一温度；下一沉积工艺重复上一沉积工艺，经过多次沉积工艺后Si3N4厚度达到预期设定厚度的芯层，并进行芯层的图案化；形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层。该方法利用多次升降温沉积Si3N4芯层，可以在每一次沉积过程中释放掉Si3N4芯层中的应力，避免由于芯层厚度增加应力变大产生裂痕，从而可以生成质量较好、需要厚度的Si3N4芯层，提高光学波导器的性能。

Description

一种光学波导器件的形成方法
技术领域
本发明涉及光纤及半导体制造技术领域，特别涉及一种光学波导器件的形成方法。
背景技术
目前，氮化硅(Si3N4)材料在光电子领域有着极为迅速的发展，而Si3N4凭借其各种优点，例如禁带宽度大、折射率高、光传输损耗低、与CMOS器件兼容且成本低廉等优点，被广泛应用于硅基光电子器件中。
在Si3N4的光学波导器件中，Si3N4被包裹在氧化硅(SiO2)中，Si3N4作为芯层进行光的传输，由于Si3N4/SiO2之间的折射率之差较小，为了保证传输光被限制在芯层之内，以降低传输光的损耗，往往需要厚度大于400nm的Si3N4作为芯层，而Si3N4与SiO2之间的拉应力较大，一般在厚度超过300nm时，会由于应力太大而产生裂纹甚至断裂，这会导致波导传输损耗大幅增加，降低光学波导器的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学波导器件的形成方法，释放Si3N4芯层与第一氧化硅层之间的应力，避免芯层的断裂，提高光学波导器的性能。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种光学波导器的形成方法，包括：
在衬底上形成二氧化硅下包层；
在所述下包层上生长Si3N4芯层，所述生长Si3N4芯层的方法包括多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积；从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度为下一沉积工艺的第一温度；
图案化所述芯层；
形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层。
可选地，所述沉积工艺为低压力化学气相沉积法。
可选地，所述芯层的厚度范围为400-800nm。
可选地，在所述下包层上生长Si3N4芯层之后，图案化所述芯层之前，还包括：
进行所述Si3N4芯层的平坦化，平坦化后的所述芯层的表面光滑度为原子级光滑度。
可选地，在图案化所述芯层之后，形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层之前，或者生长Si3N4芯层之后，还包括：
进行热退火工艺。
可选地，所述衬底为硅衬底，在衬底上形成二氧化硅上包层，包括：采用多次热氧化工艺，在衬底上形成二氧化硅上包层，每一所述热氧化工艺包括：工艺温度从第四温度上升至第五温度，并在所述第五温度保持预设时间。
可选地，每一所述热氧化工艺还包括：从所述第五温度下降至第六温度。
可选地，所述下包层的厚度为2-4um。
可选地，形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层，包括：
采用低压力化学气相沉积法形成包裹所述芯层的高温热氧化物的上包层。
可选地，所述上包层的厚度为2-4um。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本发明实施例提供的光学波导器件的形成方法，在衬底上形成二氧化硅下包层，在所述下包层上生长Si3N4芯层；所述生长芯层的方法采用多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积，从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度作为下一沉积工艺的第一温度；下一沉积工艺重复上一沉积工艺，经过多次沉积工艺后Si3N4厚度达到预期设定厚度的芯层，并进行芯层的图案化；形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层。该方法利用多次升降温沉积Si3N4芯层，可以在每一次沉积过程中释放掉Si3N4芯层中的应力，避免由于芯层厚度增加应力变大产生裂痕，从而可以生成质量较好、需要厚度的Si3N4芯层，提高光学波导器的性能。
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示出了根据本发明实施例光学波导器件的形成方法流程图；
图2-5示出了根据本发明实施例的方法形成波导器件的过程中的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，在Si3N4的光学波导器件中，Si3N4被包裹在氧化硅(SiO2)中，Si3N4作为芯层进行光的传输，由于Si3N4/SiO2之间的折射率之差较小，为了保证传输光被限制在芯层之内，以降低传输光的损耗，往往需要厚度大于400nm的Si3N4作为芯层，而Si3N4与SiO2之间的拉应力较大，一般在厚度超过300nm时，会由于应力太大而产生裂纹甚至断裂，这会导致波导传输损耗大幅增加，降低光学波导器的性能。
为此，本申请实施例提供了一种光学波导器件的形成方法，包括:
在衬底上形成二氧化硅下包层；
在所述下包层上生长Si3N4芯层，所述生长Si3N4芯层的方法包括多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积；从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度为下一沉积工艺的第一温度；
图案化所述芯层；
形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层。
在该方法中，采用多次升降温的方法生长Si3N4芯层，在每一次生长过程中释放掉芯层中的应力，避免生长芯层中的应力随厚度的增加变大致使出现裂纹，从而提高芯层的质量，降低Si3N4芯层波导的光传输损耗。
为了更好地理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的说明。
参考图1所示，S01在衬底100上形成二氧化硅下包层101，参见图2所示。
在本申请实施例中，衬底起支撑芯层和Si3N4芯层的作用，衬底可以为Si、Ge、SiO2、GaAs等无机材料，也可以为塑料、有机玻璃等有机材料。
在本实施例中，所述衬底100可以为Si衬底，如图2所示。
二氧化硅下包层对芯层起到下包裹的作用，增加氧化硅层的厚度可以减少光泄露，在选择不同的材料作为光波导的芯层时，可以根据需要设置氧化层的厚度。
在本申请实施例中，所述二氧化硅下包层101的厚度可以为2-4um。
衬底100材料不同，可以选择不同的下包层生长方法，在本申请实施例中，选择Si作为衬底，则可以利用热氧化Si衬底的方法制备下包层。
在衬底上形成二氧化硅下包层101可以采用多次热氧化的工艺，可以理解的是，本申请实施例中的各热氧化工艺，是指衬底进入反应腔室之后进行的工艺步骤，在每次热氧化过程中，将工艺温度从第四温度上升至第五温度，并在第五温度保持预设时间，再从第五温度降至第六温度。需要说明的是，第四温度是热氧化反应前反应腔室内的初始温度，第五温度为进行热氧化的优选生长温度，例如热氧化硅的生长温度约在700～1000℃之间，第六温度为一次热氧化结束后下降至的温度并可以作为下一次热氧化的初始温度，第六温度可以和第四温度相同也可以不同，也就是每次热氧化工艺的初始温度可以不同，具体不做限制。通过热氧化工艺形成的氧化硅层均匀性及致密性都更好，具有更好的质量，利用多次升降温的方法生长第一氧化硅层101，可以解决生长设备对氧化层生长厚度的限制。
在S02中，在所述下包层101上生长Si3N4芯层102，参见图3，所述生长Si3N4芯层102的方法包括多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积；从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度为下一沉积工艺的第一温度。这样在经过重复多次沉积工艺后，Si3N4厚度达到预期设定厚度，从而形成所需厚度的芯层。
可以知道，Si3N4芯层102折射率n＝2.0，大于氧化硅的折射率n≈1.4，其作为波导器的中间层进行光传输的应用中，由于Si3N4/SiO2之间的折射率之差远小于Si/SiO2，为了防止光泄露，需要将波导器中Si3N4芯层102设置得较厚，在一些应用中，Si3N4芯层102厚度可以为400-800nm。
具体的，生长Si3N4芯层102的沉积方法可以为化学气相沉积法如等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、常压化学沉积法等，也可以为物理气相沉积法如离子束增强沉积、磁控溅射等。
优选的，在本申请实施例中生长Si3N4芯层102的工艺可以为低压化学气相沉积法(LPCVD,Low Pressure Chemical Vapor Deposition)。低压环境下，分子扩散更加均匀，也更容易控制沉积过程，生长的Si3N4芯层102更加均匀、缺陷少，从而可以获得质量较好的Si3N4芯层102。
在优选的实施例中，所述生长Si3N4层102的方法包括多次沉积工艺，可以理解的是，本实施例中生长Si3N4芯层中各沉积工艺，是指衬底进入反应腔室之后进行的工艺步骤，在每次沉积工艺中，反应腔室内的温度从第一温度上升至第二温度，第二温度为进行沉积的工艺温度，在本次沉积结束后，从第二温度下降至第三温度，重复进行多次沉积工艺，从而完成Si3N4层的生长，其中，所述第一温度为进行沉积过程前的初始温度，所述第二温度为衬底Si3N4层的沉积的优选温度，沉积过程中将在第二温度保持预设时间，所述第三温度为一次沉积结束后下降至的温度，可作为下一次沉积的初始温度。需要说明的是，第三温度可以和第一温度相同也可以不同。在该优选的实施例中，各沉积工艺可以为LPCVD的方法，生长的Si3N4芯层的总厚度可以为400-800nm。由于每次沉积中都经历了升温及降温的过程，在该升、降温过程中，可以将之前沉积中累积的应力进行释放，通过多次升降温沉积的方法，可以生长出厚度较厚，且应力较小的Si3N4芯层，避免由于应力太大而产生裂纹甚至断裂。
更优地，在生长Si3N4芯层102之后，可以进行步骤S03，进行所述Si3N4芯层102的平坦化。在具体应用中，所述平坦化的方法可以是化学机械研磨(CMP，Chemical MechanicalPlanarization)，研磨之后，Si3N4芯层表面达到原子级光滑度，原子级光滑度是指Si3N4层102表面起伏程度约在平坦化后的Si3N4芯层102，厚度更加均匀，更利于光的传输。
S04中，图案化所述Si3N4芯层102，参见图4。
所述图案化所述Si3N4芯层102，可以是利用光刻技术，将预先设计好的图案转移到Si3N4芯层102，利用光化学反应在Si3N4芯层102上得到与图案相同的抗腐蚀区域，再利用刻蚀技术选择性的将Si3N4芯层上抗腐蚀图案以外的区域刻蚀掉，从而获得图案化后芯层103。在具体应用中，刻蚀方法可以采用反应离子刻蚀法或感应耦合等离子刻蚀法等。
所述芯层为光波导的传输层，引导光束在其中传播。
更优地，或者生长Si3N4层之后，或者在图案化所述Si3N4芯层102之后，还可以进行步骤S05，进行热退火工艺。可以热退火工艺可以选择合适的温度进行，可以是高温热退火，热退火的温度范围例如可以为800-1000℃，保持预先设定的一段时间后，以合适的速度进行冷却。退火工艺可以去除薄膜内-H键、Si-H键、N-H键等杂质，修复并减少光波导各层材料中的缺陷，进而提高芯层质量，有效改善了光学波导器的性能。
S06中，形成包裹所述芯层103的二氧化硅上包层104，参见图5。
二氧化硅上包层104位于芯层103之上，是芯层的上包层，用于包裹所述芯层的上表面及侧面，阻止光泄露。根据不同的需求可以设置二氧化硅上包层104的厚度，在具体应用中，上包层104的厚度可以为2-4um。
形成二氧化硅上包层104，可以利用化学气相沉积法或PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)等沉积工艺制备。优选的，在本申请实施例中，采用低压化学气相沉积法形成包裹所述芯层的高温热氧化物(HTO，HighTemperature Oxide)的上包层104，通常地，HTO高温热氧化物的生长温度大约为900℃。低压环境下沉积，可以得到结构致密、质量较好的二氧化硅上包层104，更有益于阻挡光泄露，以及部分光在其中的传播。
至此，就形成了本发明实施例的光学波导器，该实施例中，采用多次升降温工艺可以形成厚度较厚且高质量的氧化硅作为下包层，采用多次沉积工艺进行Si3N4芯层的生长，可以形成厚度较厚且无裂纹的高质量芯层，以及低压力化学气相沉积法形成的较厚的高温热氧化物，作为芯层的上包层。厚的热氧化物下包层和高温热氧化物上包层可以更好地将传输光限制在芯层中，大大降低了传输光的损耗，提高芯层中光传输的效率，此外，高质量的包层也有助于部分进入其中的光的传输，进一步提高光传输的效率。而高质量无裂纹的芯层，可以保证光学波导器的低传输损耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

Claims (10)

1.一种光学波导器的形成方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成二氧化硅下包层；
在所述下包层上生长Si3N4芯层，所述生长Si3N4芯层的方法包括多次沉积工艺，每一所述沉积工艺包括：从第一温度上升至第二温度；在所述第二温度下进行Si3N4的沉积；从所述第二温度下降至第三温度；所述第三温度为下一沉积工艺的第一温度；
图案化所述芯层；
形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层。
2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述沉积工艺为低压力化学气相沉积法。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述芯层的厚度范围为400-800nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述下包层上生长Si3N4芯层之后，图案化所述芯层之前，还包括：
进行所述Si3N4芯层的平坦化，平坦化后的所述芯层的表面光滑度为原子级光滑度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在图案化所述芯层之后，形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层之前，或者生长Si3N4芯层之后，还包括：
进行热退火工艺。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底，在衬底上形成二氧化硅上包层，包括：采用多次热氧化工艺，在衬底上形成二氧化硅上包层，每一所述热氧化工艺包括：工艺温度从第四温度上升至第五温度，并在所述第五温度保持预设时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，每一所述热氧化工艺还包括：从所述第五温度下降至第六温度。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述下包层的厚度为2-4um。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成包裹所述芯层的二氧化硅上包层，包括：
采用低压力化学气相沉积法形成包裹所述芯层的高温热氧化物的上包层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述上包层的厚度为2-4um。
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