CN109298484A - 一种氮化硅光波导及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种氮化硅光波导及其制造方法。该方法在第二条形沟槽内填充氮化硅，从而形成氮化硅光波导。其中，在第二条形沟槽内填充氮化硅时，氮化硅会沿着沟槽底部以及沟槽侧壁向不同方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导内部应力减小，因而，相较于由向一个方向生长形成的氮化硅光波导，该氮化硅光波导从硅基集成光学器件中剥离时的厚度较厚，因此，相较于向一个方向生长形成氮化硅光波导的方法，该方法能够形成厚度较厚的氮化硅光波导。该较厚的氮化硅光波导能够增强光约束效果，形成较小光斑，从而有利于光学器件的小型化。
Description
技术领域
本申请涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种氮化硅光波导及其制造方法。
背景技术
光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。
用于形成集成光波导的材料种类很多，氮化硅就是其中一种光波导材料。
目前，应用于硅基集成光学器件中的氮化硅光波导的厚度较薄，否则，氮化硅光波导会从硅基集成光学器件中剥离下来，这主要是因为氮化硅与硅基材料之间的晶格失配较大，导致生长于硅基材料上的氮化硅内具有较高的应力，由于较高应力的存在，使得氮化硅光波导的厚度达到一定厚度后，氮化硅光波导会从硅基集成光学器件中剥离下来，导致器件失效。
因而，现有的应用于硅基集成光学领域的氮化硅光波导的厚度较薄，使得光约束效果较弱，出射光形成的光斑较大，不利于光学器件的小型化。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种氮化硅光波导及其制造方法，以提高氮化硅光波导的厚度，进而实现光学器件的小型化。
为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：
一种氮化硅光波导的制造方法，包括：
在硅基衬底上依次形成第一包覆层和非晶硅层；
刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽；
向所述第一条形沟槽内填充绝缘介质材料，以形成第二包覆层；
去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽；
向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导；
在所述条形氮化硅光波导和所述第二包覆层上方形成第三包覆层。
可选地，所述非晶硅层的厚度在400nm至1μm之间。
可选地，所述刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽之后，向所述第一条形沟槽内填充二氧化硅材料之前，还包括：
采用氢气退火和/或热氧化处理工艺处理所述第一条形沟槽的侧壁，以降低所述第一条形沟槽侧壁的表面粗糙度。
可选地，所述刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽，具体包括：
在所述非晶硅层上方形成硬掩膜层；
根据所述硬掩膜层刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽。
可选地，所述向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导，具体包括：
采用低压化学气相沉积工艺向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导。
可选地，所述去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽，具体包括：
通过湿法腐蚀方法去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽。
一种氮化硅光波导，包括：
位于硅基衬底上的第一包覆层；
位于所述第一包覆层之上的条形氮化硅光波导；所述条形氮化硅光波导的侧壁被第二包覆层包裹；
位于所述条形氮化硅光波导和所述第二包覆层之上的第三包覆层。
可选地，所述条形氮化硅光波导的厚度在400nm至1μm之间。
可选地，所述第一包覆层、所述第二包覆层或所述第三包覆层中的至少一层采用二氧化硅材料制成。
可选地，所述第一包覆层或所述第二包覆层的层厚在4-10μm之间。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
基于以上技术方案可知，本申请提供的氮化硅光波导的制造方法中，在第二条形沟槽内填充氮化硅，从而形成氮化硅光波导。其中，在第二条形沟槽内填充氮化硅时，氮化硅会沿着沟槽底部以及沟槽侧壁向不同方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导内部应力减小，因而，相较于由向一个方向生长形成的氮化硅光波导，该氮化硅光波导从硅基集成光学器件中剥离时的厚度较厚，因此，相较于向一个方向生长形成氮化硅光波导的方法，该方法能够形成厚度较厚的氮化硅光波导。该较厚的氮化硅光波导能够增强光约束效果，形成较小光斑，从而有利于光学器件的小型化。
附图说明
为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将描述本申请具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本申请的部分实施例。
图1是本申请实施例提供的氮化硅光波导的制造方法流程示意图；
图2(1)至图2(8)为本申请实施例提供的氮化硅光波导制造方法一系列制程对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
现有的氮化硅光波导在形成过程中，是沿着硅基衬底向一个方向生长得到，因而，由于氮化硅与硅基材料之间的晶格失配，导致氮化硅光波导内部的应力较大，从而导致氮化硅光波导的临界厚度较薄，该厚度较薄的氮化硅光波导对光信号的约束效果较弱，出射光形成的光斑较大，不利于光学器件的小型化。
需要说明，氮化硅光波导的临界厚度是指形成于硅基衬底上的氮化硅光波导从硅基衬底上剥离下来时的厚度。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种氮化硅光波导的制造方法。在该制造方法中，在第二条形沟槽内填充氮化硅，从而形成氮化硅光波导。其中，在第二条形沟槽内填充氮化硅时，氮化硅会沿着沟槽底部以及沟槽侧壁向不同方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导内部应力减小，因而，相较于由向一个方向生长形成的氮化硅光波导，该氮化硅光波导从硅基集成光学器件中剥离时的厚度较厚，因此，相较于向一个方向生长形成氮化硅光波导的方法，该方法能够形成厚度较厚的氮化硅光波导。该较厚的氮化硅光波导能够增强光约束效果，形成较小光斑，从而有利于光学器件的小型化。
为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将结合附图对本申请的具体实施方式进行详细描述。
请参见图1至图2(8)，本申请实施例提供的氮化硅光波导的制造方法包括以下步骤：
S101：在硅基衬底上依次形成第一包覆层和非晶硅层。
如图2(1)所示，本步骤可以具体为：采用本领域惯用的薄膜沉积工艺在硅基衬底200上依次形成第一包覆层201和非晶硅层202。
作为示例，为了提高形成的第一包覆层201的薄膜质量，第一包覆层201可以采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)生长在硅基衬底200上。非晶硅层202可以采用LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积法)工艺生长在第一包覆层201上。
作为另一示例，第一包覆层201可以为SiO2层，该第一包覆层201的厚度可以为4-10μm之间。
需要说明，该非晶硅层202的厚度由最终形成的氮化硅光波导的厚度确定。作为示例，该非晶硅层202的厚度可以在400nm至1μm之间。
需要说明，在本申请实施例中，用于形成氮化硅光波导的沟槽由刻蚀非晶硅层202形成。因此，本申请实施例，通过非晶硅层202的厚度来确定用于形成氮化硅光波导的沟槽的深度，因而，相较于同种介质层内采用反应等离子体刻蚀技术控制沟槽深度的方式，该确定用于形成氮化硅光波导的沟槽的深度的方式降低了控制沟槽深度的难度。
作为示例，硅基衬底200可以为体硅衬底，例如可以为P型硅衬底，也可以为N型硅衬底。
S102：刻蚀非晶硅层，以在非晶硅层内形成第一条形沟槽。
作为示例，本步骤可以具体为：首先，如图2(2)所示，在非晶硅层201的上方沉积一层硬掩膜层203。
作为示例，该硬掩膜层203的厚度可以为10nm，作为另一示例，该硬掩膜层203可以为SiO2层，并且该SiO2层可以采用PECVD工艺沉积形成。
然后，如图2(3)所示，以硬掩膜层203为掩模板，刻蚀非晶硅层202，从而在非晶硅层201内形成第一条形沟槽204。
需要说明，由于波导对沟槽垂直性的要求，在本申请实施例中，需要采用干法等离子体刻蚀工艺刻蚀非晶硅层202。但是，由于等离子体刻蚀的特性，刻蚀后第一条形沟槽204的侧壁存在竖直方向的条纹，在本申请中，把这种具有条纹的侧壁称为“粗糙侧壁”，以“侧壁粗糙度”评价这种条纹的严重程度，这种工艺应用到光器件的光波导形成过程中，会在波导侧壁形成这种竖直方向的条纹，增加波导内传输光的散热损耗，进而导致光波导的传输损耗增加。
因而，为了降低这种“粗糙侧壁”对光波导传输损耗的影响，本申请实施例提供的制造方法还可以包括S103。
S103：采用氢气退火和/或热氧化处理工艺处理所述第一条形沟槽的侧壁，以降低所述第一条形沟槽侧壁的表面粗糙度。
作为示例，当采用氢气退火的方式处理第一条形沟槽的侧壁，以降低所述第一条形沟槽侧壁的表面粗糙度时，本步骤可以具体为：在温度1000～1300℃以及氩气与氢气氛围下退火5～10min，使沟槽侧壁的粗糙尖锐点圆滑，能有效降低侧壁的粗糙度。
通过S103，降低了第一条形沟槽204侧壁的表面粗糙度，从而大幅度提高了最终形成的条形氮化硅光波导侧壁的光滑程度，从而降低了“粗糙侧壁”光光信号的散射损耗。
S104：向第一条形沟槽内填充绝缘介质材料，以形成第二包覆层。
作为示例，填充在第一条形沟槽204内的绝缘介质材料可以为SiO2。
本步骤可以具体为：首先，如图2(4)所示，采用本领域惯用的薄膜沉积工艺，向S103处理后的结构表面上沉积SiO2，该SiO2填满第一条形沟槽204，并且沉积在硬掩膜层203的上方。
然后，如图2(5)所示，采用化学机械平坦化工艺将第一条形沟槽上方多余的SiO2磨掉，从而得到表面平整的结构，进而得到填充在第一条形沟槽204内的第二包覆层205。
S105：去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽。
本步骤可以采用湿法腐蚀方法去除残留的非晶硅层201，从而形成第二条形沟槽206。该步骤执行完对应的剖面结构示意图如图2(6)所示。
作为具体示例，湿法腐蚀方法采用的湿法腐蚀溶液可以根据Si和SiO2的选择比来选择。具体地，选择的湿法腐蚀溶液对Si的腐蚀速率大于对SiO2的腐蚀速率，从而实现在去除残留的非晶硅层的同时，不会去除掉SiO2，或者仅去除很少量的SiO2。
需要说明，因在S103中，已经对第一条形沟槽204的侧壁进行了处理，侧壁较为平滑，而在本申请实施例中，第一条形沟槽204和第二条形沟槽205共用侧壁，所以，第二条形沟槽205的侧壁也为较为平滑的侧壁。
S106：向第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导。
本步骤可以具体为:采用低压化学气相沉积工艺向所述第二条形沟槽205内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导206。该步骤执行完对应的剖面结构示意图如图2(7)所示。需要说明，在本申请实施例中，可以先在S105形成的结构表面沉积一层氮化硅材料，然后通过化学机械平坦化工艺磨平，从而形成填充在第二条形沟槽205内的条形氮化硅光波导206。
另外，本申请实施例采用低压化学气相沉积形成条形氮化硅光波导206，在该工艺过程中，沉积温度可以达到800℃以上，生长时间长，形成的条形氮化硅光波导206的材料均匀致密，极大减少了材料生长中造成的杂质和空洞散射损耗。
因第二条形沟槽205是形成于非晶硅层201上的沟槽，所以，非晶硅层201的厚度决定了第二条形沟槽205的深度，第二条形沟槽205的深度决定了条形氮化硅光波导206的厚度。因非晶硅层202的厚度可以在400nm至1μm之间，所以，本申请实施例提供的条形氮化硅光波导206的厚度也可以在400nm至1μm之间。
需要说明，在本申请实施例中，氮化硅光波直接生长第二条形沟槽内，如此在氮化硅生长过程中，氮化硅会沿着第二条形沟槽的底部以及侧壁从多个方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导内部应力减小。
S107：在条形氮化硅光波导和第二包覆层上方形成第三包覆层。
本步骤可以具体为：如图2(8)所示，采用外延生长工艺，在条形氮化硅光波导206和第二包覆层205上方形成第三包覆层207。
作为示例，该第三包覆层207可以为SiO2层，该第三包覆层207的厚度可以在4-10μm之间。
以上为本申请实施例提供的氮化硅光波导的制造方法的具体实现方式。在该具体实现方式中，，在第二条形沟槽205内填充氮化硅，从而形成氮化硅光波导206。其中，在第二条形沟槽205内填充氮化硅时，氮化硅会沿着沟槽底部以及沟槽侧壁向不同方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导206内部应力减小，因而，相较于由向一个方向生长形成的氮化硅光波导，该氮化硅光波导206从硅基集成光学器件中剥离时的厚度较厚，因此，相较于向一个方向生长形成氮化硅光波导的方法，该方法能够形成厚度较厚的氮化硅光波导。该较厚的氮化硅光波导能够增强光约束效果，形成较小光斑，从而有利于光学器件的小型化。
此外，在本申请实施例中，非晶硅层201通过沉积形成，其厚度可以通过沉积时间等工艺条件进行控制。而且，可以通过对非晶硅层201进行正向刻蚀一定厚度，从而形成用于生长氮化硅光波导的沟槽。因此，在本申请实施例中，氮化硅光波导的厚度可以通过刻蚀沟槽的深度来实现，因而，该调控氮化硅光波导的厚度的方式较为容易，生产成本较低。
基于以上实施例提供的氮化硅光波导的制造方法，本申请实施例还提供了一种氮化硅光波导。如图2(8)所示，该氮化硅光波导包括：
位于硅基衬底200上的第一包覆层201；
位于所述第一包覆层201之上的条形氮化硅光波导206；所述条形氮化硅光波导的侧壁被第二包覆层205包裹；
位于所述条形氮化硅光波导206和所述第二包覆层205之上的第三包覆层207。
作为一示例，该条形氮化硅光波导206的厚度可以在400nm至1μm之间。该条形氮化硅光波导206的厚度较厚，高于本领域常规的条形氮化硅光波导的邻近厚度，因而，该光波导对光信号的约束能力较强，出射光的光斑较小，有利于光器件的小型化。
作为本申请的一可选示例，所述第一包覆层201、所述第二包覆层205或所述第三包覆层207中的至少一层可以采用二氧化硅材料制成。
作为本申请的另一可选示例，所述第一包覆层201或所述第二包覆层205的层厚可以在4-10μm之间。
以上为本申请实施例提供的氮化硅光波导的具体实现方式。在该具体实现方式中，条形氮化硅光波导206直接生长在条形沟槽内，如此，在氮化硅光波导生长过程中，氮化硅可以沿着条形沟槽的底部以及侧壁从多个方向生长，该向不同方向生长形成的氮化硅之间的应力会相互消减，从而使得形成的氮化硅光波导内部应力减小，从而能够形成厚度较厚的氮化硅光波导。
以上为本申请实施例提供的氮化硅光波导及其制造方法的具体实现方式。
Claims (10)
1.一种氮化硅光波导的制造方法，其特征在于，包括：
在硅基衬底上依次形成第一包覆层和非晶硅层；
刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽；
向所述第一条形沟槽内填充绝缘介质材料，以形成第二包覆层；
去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽；
向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导；
在所述条形氮化硅光波导和所述第二包覆层上方形成第三包覆层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非晶硅层的厚度在400nm至1μm之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽之后，向所述第一条形沟槽内填充二氧化硅材料之前，还包括：
采用氢气退火和/或热氧化处理工艺处理所述第一条形沟槽的侧壁，以降低所述第一条形沟槽侧壁的表面粗糙度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽，具体包括：
在所述非晶硅层上方形成硬掩膜层；
根据所述硬掩膜层刻蚀所述非晶硅层，以在所述非晶硅层内形成第一条形沟槽。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导，具体包括：
采用低压化学气相沉积工艺向所述第二条形沟槽内填充氮化硅材料，以形成条形氮化硅光波导。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽，具体包括：
通过湿法腐蚀方法去除残留的非晶硅层，以形成第二条形沟槽。
7.一种氮化硅光波导，其特征在于，包括：
位于硅基衬底上的第一包覆层；
位于所述第一包覆层之上的条形氮化硅光波导；所述条形氮化硅光波导的侧壁被第二包覆层包裹；
位于所述条形氮化硅光波导和所述第二包覆层之上的第三包覆层。
8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述条形氮化硅光波导的厚度在400nm至1μm之间。
9.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述第一包覆层、所述第二包覆层或所述第三包覆层中的至少一层采用二氧化硅材料制成。
10.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述第一包覆层或所述第二包覆层的层厚在4-10μm之间。
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