CN110045460A - 一种光波导的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导的制造方法，包括：在半导体衬底上依次形成第一包覆层，芯层以及牺牲层；刻蚀所述牺牲层和所述芯层，形成包层槽；向所述包层槽填充绝缘介质材料，并进行表面平坦化，形成第二包覆层；去除所述牺牲层，形成芯层槽；生长所述芯层，填充满所述芯层槽并进行表面平坦化；在所述芯层和所述第二包覆层上方形成第三包覆层。该方案通过调节牺牲层的厚度可以实现对氮化硅光波导厚度的调节，满足不同的设计需要，更加的方便灵活。

Description

一种光波导的制造方法

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种光波导的制造方法。

背景技术

介质波导是集成光学系统及其元件的基本结构单元。介质波导主要起限制、传输、耦合光波的作用。介质波导按截面形状可分圆柱波导(光纤)、薄膜（平面）波导、矩形（条形）波导和脊形波导四大类。集成光学中常用的是薄膜波导和矩形波导。用于形成光波导的材料种类很多，氮化硅就是目前常用的一种制作光波导材料。

目前，氮化硅薄膜生长制备方法主要有PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）和LPCVD（低压化学气相沉积）等。采用PECVD方法制备的氮化硅薄膜应力低，能够制备较厚的薄膜，但由于生长温度较低，杂质含量较高。而用LPCVD制备的薄膜通常均匀性更好，但薄膜的残余应力很高，当厚度超过300纳米时，会出现龟裂脱落现象。现有生产工艺中，通常采用多次沉积或者干法刻蚀工艺在二氧化硅包裹层中开槽，然后在槽中填充氮化硅的方式获得厚膜氮化硅光波导。但是采用多次沉积氮化硅薄膜方法得到的硅晶圆上无裂纹区域面积较小；在二氧化硅上直接挖槽得到的侧壁不够陡直，底部不够平整，而且对槽的宽度有要求。此外，当需要改变氮化硅光波导厚度时，需要重新调整生产制备工艺，花费的时间较多，非常的不方便。

发明内容

为了克服现有技术中氮化硅沉积厚膜出现龟裂和光波导厚度调整不方便的技术问题，进而提供一种光波导的制造方法，可以较为灵活的调整氮化硅光波导的厚度，从而满足不同的设计需要。

本发明提供一种光波导的制造方法，包括：

在半导体衬底上依次形成第一包覆层，芯层以及牺牲层；

刻蚀牺牲层和芯层，形成包层槽；

沉积绝缘介质材料，一部分沉积在包层槽内，一部分覆盖在牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成第二包覆层；

去除牺牲层，形成芯层槽；

生长芯层，一部分填充满芯层槽，一部分覆盖在第二包覆层上，然后进行表面平坦化；

在芯层和第二包覆层上方形成第三包覆层。

进一步地，半导体衬底包括硅衬底，石英，多组分玻璃。

进一步地，第一包覆层厚度在2微米至15微米之间，并包含2微米及15微米在内。

进一步地，芯层是通过低压化学气相沉积制备。

进一步地，芯层厚度在100纳米至300纳米之间，并包含100纳米及300纳米在内。

进一步地，芯层材料包括氮化硅。

进一步地，牺牲层材料包括非晶硅，多晶硅。

进一步地，牺牲层是通过低压化学气相沉积或溅射制备。

进一步地，牺牲层厚度在100纳米至700纳米，并包含100纳米及700纳米在内。

进一步地，刻蚀牺牲层和芯层采用反应离子刻蚀工艺。

进一步地，去除牺牲层，形成芯层槽具体包括：

利用湿法化学腐蚀去除牺牲层，形成芯层槽。

进一步地，生长芯层包括：

利用低压化学气相沉积工艺使芯层生长，填充满芯层槽。

进一步地，在芯层和第二包覆层上方形成第三包覆层具体包括：

在氮气氛围中进行退火处理，第三包覆层通过沉积或溅射制备。

进一步地，第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层材料包括二氧化硅。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）通过沉积或溅射制备的牺牲层的厚度比较容易调节，通过控制牺牲层的厚度来确定最终需要的氮化硅光波导的厚度，从而实现对氮化硅光波导厚度的控制，满足不同的设计需要，更加的方便灵活；

（2）预先沉积一层芯层，降低了后续需要填槽的厚度，从而保证厚膜氮化硅光波导的制备；

（3）先刻蚀牺牲层和芯层形成包层槽，然后利用湿法腐蚀去除牺牲层可得到陡直的芯层槽，可以保证芯层槽侧壁的垂直性。

附图说明

图1是本发明实施例一种光波导的制造方法流程示意图；

图2(1)至图2(8)为本发明实施例提供的一种光波导的制造方法制程对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施方式中一种光波导的制造方法，包括：

在半导体衬底上依次形成第一包覆层，芯层以及牺牲层；

刻蚀牺牲层和芯层，形成包层槽；

沉积绝缘介质材料，一部分沉积在包层槽内，一部分覆盖在牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成第二包覆层；

去除牺牲层，形成芯层槽；

生长芯层，一部分填充满芯层槽，一部分覆盖在所述第二包覆层上，然后进行表面平坦化；

在芯层和第二包覆层上方形成第三包覆层。

在本实施方式中，沉积包括以下方法：物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积包括溅射、蒸发、分子束外延等；化学气相沉积包括常压化学气相沉积(APCVD)，低压化学气相沉积(LPCVD)以及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等。

在上述方案基础上进一步地，半导体衬底包括硅衬底，石英，多组分玻璃。在本实施方式中半导体衬底为硅衬底，在其他实施方式中，可以为石英或多组分玻璃。

在上述方案基础上进一步地，第一包覆层厚度在2微米至15微米之间，并包含2微米及15微米在内。第一包覆层材料可以从一下材料中选出：二氧化硅，氟化镁，金刚石型玻璃，聚合物（丙烯酸酯，聚酰亚胺），氧氮化硅或者硼掺杂或氟掺杂的二氧化硅。在本实施方式中第一包覆层材料为二氧化硅。

在上述方案基础上进一步地，芯层是通过低压化学气相沉积制备。

在上述方案基础上进一步地，芯层厚度在100纳米至300纳米之间，并包含100纳米及300纳米在内，可以包括在氮气氛围中进行退火处理。本实施例中通过预先沉积一层芯层，降低了后续需要填槽的厚度。

在上述方案基础上进一步地，芯层材料包括氮化硅。在其他实施方式中，芯层材料还可以是氮氧化硅。在上述方案基础上进一步地，牺牲层材料包括非晶硅，多晶硅。在本实施方式中，牺牲层材料为非晶硅，在其他实施方式中，牺牲层材料还可以是多晶硅。

在上述方案基础上进一步地，牺牲层是通过低压化学气相沉积或溅射制备。

在上述方案基础上进一步地，牺牲层厚度在100纳米至700纳米，并包含100纳米及700纳米在内。在本申请中，芯层的最终的厚度是由芯层厚度和牺牲层的厚度确定的，所以调节芯层厚度或牺牲层的厚度可以实现对氮化硅光波导的厚度调节。

在上述方案基础上进一步地，刻蚀牺牲层和芯层采用反应离子刻蚀工艺在本实施方式中，沉积绝缘介质材料具体包括如下沉积工艺：高密度等离子体增强气相沉积（HDP-PECVD）、LPCVD、PECVD等。

在上述方案基础上进一步地，去除牺牲层，形成芯层槽具体包括：利用湿法化学腐蚀去除牺牲层，形成芯层槽。在本实施方式中，采用四甲基氢氧化铵溶液进行湿法化学腐蚀。

在上述方案基础上进一步地，生长芯层包括：利用低压化学气相沉积工艺使芯层生长，一部分填充满所述芯层槽，一部分覆盖在所述第二包覆层上，然后进行表面平坦化。

在上述方案基础上进一步地，在芯层和第二包覆层上方形成第三包覆层具体包括：在氮气氛围中进行退火处理，第三包覆层通过沉积或溅射制备。

在上述方案基础上进一步地，第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层材料包括二氧化硅。

下面通过实施例对该申请的技术方案进行详细说明。

实施例1：

一种光波导的制造方法流程图如图1所示。

S101、在半导体衬底上依次形成第一包覆层，芯层以及牺牲层。

如图2（1）所示，本领域技术人员可以采用热氧、LPCVD、PECVD等沉积工艺在半导体衬底200上形成上述第一包覆层201，芯层202以及牺牲层203。

其中，半导体衬底200为8寸硅衬底，第一包覆层201为二氧化硅层，厚度为3微米；芯层202为氮化硅层，厚度为250纳米；牺牲层203为非晶硅层，厚度为300纳米。

S102，刻蚀牺牲层和芯层，形成包层槽。

如图2（2）所示，依次通过涂胶、曝光、显影、刻蚀、干法去胶工艺，上述工艺为本领域的通用工艺，刻蚀牺牲层203和芯层202，形成包层槽。

在进行刻蚀后，包层槽的侧壁会存在竖直方向的条纹，如果不进行处理，在光波导形成过程中，会在波导侧壁形成竖直方向的条纹，增加光波导内传输光的散射损耗，进而导致光波导的传输损耗的增加。

为了降低包层槽侧壁的表面粗糙度，可以采用热氧化处理工艺处理包层槽的侧壁。S103，沉积绝缘介质材料，一部分沉积在包层槽内，一部分覆盖在牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成第二包覆层。

如图2（3）所示，本领域技术人员可以采用LPCVD、PECVD等沉积工艺沉积绝缘介质材料，一部分沉积在包层槽内，一部分覆盖在牺牲层203上，本实例中选取二氧化硅作为绝缘介质材料，形成第二包覆层204。

如图2（4）所示，采用表面平坦化工艺将多余的绝缘介质材料去除，使得牺牲层203的上表面与第二包覆层204的上表面齐平。

S104，去除牺牲层，形成芯层槽。

如图2（5）所示，利用湿法化学腐蚀去除包层槽内的牺牲层203，得到芯层槽205。

湿法腐蚀方法采用的湿法腐蚀溶液可以根据硅和二氧化硅的选择比来选择。具体地，采用稀释的TMAH溶液湿法腐蚀。选择的湿法腐蚀溶液对非晶硅的腐蚀速率大于对二氧化硅、氮化硅的腐蚀速率，从而实现在去除残留的牺牲层203的同时，不会去除掉或者仅去除很少量的第二包覆层204和芯层202。

S105，生长芯层，一部分填充满芯层槽，一部分覆盖在所述第二包覆层上，然后进行表面平坦化。

如图2（6）所示，采用LPCVD工艺向芯层槽内填充氮化硅，一部分填充满芯层槽，一部分覆盖在所述第二包覆层上。使芯层202填充满芯层槽205。然后通过表面平坦化工艺磨平，去除多余的氮化硅，形成最终的芯层202，如图2（7）所示。此时芯层202的厚度等于步骤101中芯层202与牺牲层203的厚度之和，为最终氮化硅光波导的厚度，在本实施例中最终氮化硅光波导厚度为550纳米。

氮化硅在芯层槽中，由于各个方向之间的应力相互抵消，氮化硅膜厚度超过300纳米时也不会出现龟裂现象。

S106，在芯层和第二包覆层上方形成第三包覆层。

如图2（8）所示，本领域技术人员可以采用LPCVD、PECVD等沉积工艺在第二包覆层204上方形成第三包覆层206，本实施例中第三包覆层206的材料为二氧化硅，厚度为3微米。

在此之前，先在氮气或氩气氛围进行退火处理，工艺参数为1000-1200℃，时间3-4小时。通过退火，使得薄膜中氢键断裂，氢原子被释放。

以上为本申请实施例提供的一种光波导的制造方法。在该申请中，通过调节牺牲层203的厚度来调节最终氮化硅光波导的厚度，预先沉积一层氮化硅降低了后续需要填槽的厚度，调节氮化硅光波导的厚度更加容易，还降低了成本。

上面的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (14)

1.一种光波导的制造方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上依次形成第一包覆层，芯层以及牺牲层；

刻蚀所述牺牲层和所述芯层，形成包层槽；

沉积绝缘介质材料，一部分沉积在所述包层槽内，一部分覆盖在牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成第二包覆层；

去除所述牺牲层，形成芯层槽；

生长所述芯层，一部分填充满所述芯层槽，一部分覆盖在所述第二包覆层上，然后进行表面平坦化；

在所述芯层和所述第二包覆层上方形成第三包覆层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体衬底包括硅衬底，石英，多组分玻璃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一包覆层厚度在2微米至15微米之间，并包含2微米及15微米在内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯层是通过低压化学气相沉积制备。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芯层厚度在100纳米至300纳米之间，并包含100纳米及300纳米在内。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芯层材料包括氮化硅。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层材料包括非晶硅，多晶硅。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层是通过化学气相沉积或溅射制备。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述牺牲层厚度在100纳米至700纳米，并包含100纳米及700纳米在内。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲层和所述芯层采用反应离子刻蚀工艺。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，去除所述牺牲层，形成芯层槽具体包括：

利用湿法化学腐蚀去除牺牲层，形成芯层槽。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长所述芯层包括：

利用低压化学气相沉积工艺使所述芯层生长，填充满所述芯层槽。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述芯层和所述第二包覆层上方形成第三包覆层具体包括：

在氮气氛围中进行退火处理，第三包覆层通过沉积或溅射制备。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层材料包括二氧化硅。