CN114280726B - 一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：S1：在基底上生长下SiO2包层；S2：在下包层上生长SiN波导芯层；S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层；S4：直接在波导芯层上生长带有空气隙的SiO2上包层。本发明在波导上包层中通过控制生长工艺参数，引入了空气隙结构，降低有效折射率，从而提高跟波导芯层的折射率差，有利于提高上包层对芯层内传输光的限制作用，降低波导损耗。
Description
技术领域：
本发明涉及光波导制造技术领域，具体涉及一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法。
背景技术：
波导技术作为光集成技术最基本的和核心的技术，对光开关、光耦合、功率分配器、调制解调器、滤波器、波分复用器等众多光学器件有着至关重要的影响。其中低损耗SiN单模波导是光学相控阵(OPA)全固态激光雷达芯片的核心结构，传统结构中，波导核心层(SiN层)上下包层一般采用SiO2材料，与SiN材料折射率差较小，导致光传输过程中泄露较大，因而对波导侧壁粗糙度要求高，一般来讲，波导侧壁粗糙度>10nm则已经不满足OPA芯片的要求。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，以有效降低波导损耗。
根据本发明的发明目的之一，本发明提供了一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：
S1：在基底上生长下SiO2包层；
S2：在下包层上生长SiN波导芯层；
S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层；
S4：直接在波导芯层上生长带有空气隙的SiO2上包层。
作为一种优选的实施方式，上包层与下包层的厚度>1μm。
作为一种优选的实施方式，所述上包层的生长方式为PECVD、LPCVD或者热氧化方法。
作为一种优选的实施方式，所述波导芯层的厚度范围是0.5-1.5μm，生长方式为PECVD、LPCVD或ICPCVD。
作为一种优选的实施方式，所述波导芯层的横截面为下宽上窄的梯形。
作为一种优选的实施方式，所述波导芯层的厚度为700-900nm。
作为一种优选的实施方式，所述上包层的生长方式是PECVD，生长气体是SiH4，NH3和N2O，生长温度为200℃-350℃，压力为50-200Pa，射频功率为100-200W。
作为一种优选的实施方式，S3中所述刻蚀气体为SF6和CHF3，SF6和CHF3的体积比为1：(2-3)，控制RF功率为15W，ICP功率为300W。
作为一种优选的实施方式，在进行上包层PECVD生长之前，采用等离子体设备，在Ar环境，射频功率300W，等离子体处理5分钟，接着送入PECVD腔体内，先通入生长气体，不加射频功率，持续2分钟；然后再进行上包层的生长。
本发明在波导上包层中通过控制生长工艺参数，引入了空气隙结构，降低有效折射率，从而提高跟波导芯层的折射率差，有利于提高上包层对芯层内传输光的限制作用，降低波导损耗。
附图说明：
图1是本发明实施例1的微观形貌图。
具体实施方式：
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例1
一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：
S1：在基底上生长下SiO2下包层；下包层的厚度为1.96μm。
S2：在下包层上生长SiN波导芯层；具体工艺步骤为：
LPCVD，条件：温度785℃，压强160mT，NH3＝150sccm；SiH2Cl2＝150sccm；分三次生长，单次80分钟，总厚度800nm。
S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层，具体步骤为：
ICP刻蚀方法，刻蚀条件为：刻蚀气体SF6 5sccm，CHF3 15sccm，RF功率30W，ICP功率300W，压力4.5mTorr，刻蚀时间9分钟。
S4：直接在波导芯层上生长带有空气隙的SiO2上包层，具体步骤为：
在Ar环境，射频功率300W，等离子体处理5分钟，接着送入PECVD腔体内，先通入生长气体SiH4 4sccm，N2 180sccm，N2O 710sccm，不加射频功率，持续2分钟，再加射频功率200W，生长温度320℃，生长时间28分钟。
上包层的厚度为2μm。
采用上述方法制备的氮化硅波导如图1所示。测试结果如表1。
实施例2
一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：
S1：在基底上生长下SiO2下包层；下包层的厚度为2.1μm。
S2：在下包层上生长SiN波导芯层；具体工艺步骤为：
LPCVD，条件：温度780℃，压强160mT，NH3＝150sccm；SiH2Cl2＝150sccm；分三次生长，单次80分钟，总厚度750nm。
S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层，具体步骤为：
ICP刻蚀方法，刻蚀条件为：刻蚀气体SF6 6sccm，CHF3 12sccm，RF功率30W，ICP功率300W，压力4.5mTorr，刻蚀时间9分钟。
S4：直接在波导芯层上生长带有空气隙的SiO2上包层，具体步骤为：
在Ar环境，射频功率300W，等离子体处理5分钟，接着送入PECVD腔体内，先通入生长气体SiH4 3sccm，N2 160sccm，N2O 780sccm，不加射频功率，持续2分钟，再加射频功率200W，生长温度300℃，生长时间23分钟。
上包层的厚度为1.6μm。
测试结果如表1。
对比例1
一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：
S1：在基底上生长下SiO2下包层；下包层的厚度为1.96μm。
S2：在下包层上生长SiN波导芯层；具体工艺步骤为：
LPCVD，条件：温度785℃，压强160mT，NH3＝150sccm；SiH2Cl2＝150sccm；分三次生长，单次80分钟，总厚度800nm。
S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层，具体步骤为：
ICP刻蚀方法，刻蚀条件为：刻蚀气体SF6 5sccm，CHF3 15sccm，RF功率30W，ICP功率300W，压力4.5mTorr，刻蚀时间9分钟。
S4：直接在波导芯层上生长SiO2上包层，具体步骤为：
通入生长气体SiH4 4sccm，N2 180sccm，N2O 710sccm，加射频功率200W，生长温度320℃，生长时间28分钟。
测试结果如表1。
试验例
实验以实施例1-2和对比例1提供的光波导器件为研究对象，对比研究光波导器件的偏振相关损耗(PDL)和插损(IL)这两种性能。
表1：各实施例与对比例固态电解质参数
| 序号 | 偏振相关损耗(PDL) | 插损(IL) |
| 实施例1 | 0.06 | 2.3 |
| 实施例2 | 0.07 | 2.8 |
| 对比例 | 0.1 | 3.1 |
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种含有空气隙的氮化硅波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在基底上生长下SiO2包层；
S2：在下包层上生长SiN波导芯层；
S3：以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成波导芯层；
S4：直接在波导芯层上生长带有空气隙的SiO2上包层；
上包层与下包层的厚度>1μm；
所述波导芯层的厚度范围是0.5-1.5μm，生长方式为PECVD、LPCVD或ICPCVD；
所述上包层的生长方式是PECVD，生长气体是SiH4，NH3和N2O，生长温度为200℃-350℃，压力为50-200Pa，射频功率为100-200W；
S3中所述刻蚀气体为SF6和CHF3，SF6和CHF3的体积比为1:（2-3），控制RF功率为15W，ICP功率为300W。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述波导芯层的横截面为下宽上窄的梯形。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述波导芯层的厚度为700-900nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行上包层PECVD生长之前，采用等离子体设备，在Ar环境，射频功率300W，等离子体处理5分钟，接着送入PECVD腔体内，先通入生长气体，不加射频功率，持续2分钟；然后再进行上包层的生长。
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