CN1159590A - 制造平面光波导的改进方法 - Google Patents

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Abstract

在He2/BCl3环境中烧结充分纯的SiO2层得到一种新颖的平面光波导。结果生成粘度比所沉积的二氧化硅低得多的液相。这种液体的存在改进了粘滞烧结，使固结能在比现有技术所用的温度(如1350-1500℃)低的温度(如1000-1100℃)下发生。大部分B2O3保留下不与SiO2反应，有助于烧结，起着助熔剂作用，并在固结的最后阶段经蒸汽处理除去。这种方法降低了处理温度，形成了不使基片弯曲的玻璃层而改善了平面光波导的结构和处理。

Description

制造平面光波导的改进方法
本发明涉及制造平面光波导的方法。
平面光波导广泛用作光互连系统的无源器件。这种光波导与例如光纤一类的圆柱形介质波导不同，其截面基本上呈矩形。典型的平面光波导包括依次相叠的具有第一折射率的第一包层，具有高于第一折射率的第二折射率的导光芯子，以及覆盖在此芯子上、折射率也低于第二折射率的第二包层。早期的平面光波导是用具有第一折射率的基片作为第一包层来制造的。然而，近来的平面光波导则是把具有第一折射率的第一包层用在芯子和基片之间。这就可以在各种各样的基片上，无论是在经金属镀膜的还是未经金属镀膜的基片上，形成平面光波导。此外，还可以用火焰水解沉积(FHD)工艺来沉积两片包层和芯子形成层。这一工艺涉及，通过对要沉积到一基片上的玻璃微粒进行掺杂调节，使这些玻璃微粒能按不同折射率分层沉积到此基片上。
在FHD工艺中，用氢氧焰喷灯使不同的气态氯化物(主要是SiCl4)的混合物水解而生成玻璃微粒。前述第一和第二这两种包层可以基本上是二氧化硅的沉积层，而芯子形成层则是由二氧化硅经掺杂后沉积成，所用掺杂物是一或多种下述化合物：氧化钛、氧化钽、氧化锡、氧化铌、氧化锆、氧化铝、氧化镧、氧化锗，或是其它适当的折射率修正用掺杂材料。
采用适当装置使一薄片通过火焰就可在此薄的基片上获得均匀的沉积物。在沉积上芯子形成层后，对此芯子层作平版印刷掩模和蚀刻处理，例如用活性离子蚀刻(RIE)处理，就能界定出芯子图案。然后，在此已刻着图案的层上叠置以上包层。将沉积后的基片放入炉内加热，使玻璃微粒固结成透明的玻璃层。这一工艺是在粘滞烧结下进行，通常是在氦气中烧结，氦气很容易从玻璃微粒层的细孔中逸出，从而使细孔塌缩消失。在纯SiO2的情况下，上述加工过程需要有1350-1500℃的烧结温度。此种温度可能会导致无论是硅(熔点为1419℃)还是二氧化硅(软化点为1300℃)这样的基片材料完全变质。因此，最好是在对FHD所生成的各层进行烧结之后，再沉积上下一层。
在火焰水解时可以将掺杂剂加到气态氯化物的混合物中，这样就能降低包层的玻璃沉积物的烧结温度，使烧结能在此基片可承受的温度下进行。但是，要注意必需使形成导光脊的芯子区有稳定的尺寸，因而每一相续沉积层的烧结温度必需低于在它下面那层的烧结温度。这对于芯子层是不成问题的，这是因为芯子层是充分掺杂有能使折射率提高的掺杂剂的，而这类掺杂剂除了TiO2外则都会软化玻璃。但是，对于上包层来说，是不允许来提高折射率的。在沉积这一包层期间，在玻璃微粒中掺杂既能软化玻璃又不会增加折射率的B2O3也是受到限制的，这是因为在氢氧焰中存在大量的水，而 ，则主要产生气态的硼类物质，它们会在沉积过程中从玻璃微粒中逸散出。
通过在He2/BCl3的气体环境下烧结充分纯的SiO2层已形成了一种新颖的平面光波导结构。这种加工方法产生出粘度比沉积成的二氧化硅本身的粘度低得多的液相。由于存在这种液体改善了粘滞烧结，因此固结可在比先有技术所采用的(例如1350-1500℃)温度为低的温度例如是1000-1100℃下发生。大部分B2O3保留下不与二氧化硅微粒起反应而有助于烧结，起着助熔剂的作用来促进固结。这些保留下的B2O3在固结工序结束时通过在900-1100℃的温度下的蒸汽处理除去。有此硼会结合到二氧化硅层中，改变此二氧化硅层的热膨胀系数(CTE)，但不会显著提高二氧化硅层的折射率。因此，这种方法通过降低处理温度和形成不会使基片弯曲的玻璃层而能改善平面光波导的结构和加工，且基本上消除了产生与偏振有关的损耗的双折射。
在本说明书的附图中：
图1为一种典型平面光波导的示意性顶视图；
图2为图1所示平面光波导的示意性剖视图；
图3为用FHD在适当基片上沉积玻璃微粒的设备的示意图；
图4为用来将玻璃微粒层烧结成玻璃的的设备的示意图；
图5为 反应中各气态物质的浓度与温度关系的曲线图。
图1为示意性地表明一典型平面光波导器件10的顶视图，此器件具有一上包层11以及一波导脊12(图中以虚线示出)。虽然在本例中示出的只是单个波导脊，但如所周知，这种波导脊可以是单个或多个，是平行或是交叉的。图2为沿图1中2-2线截取的波导器件10的剖视图。如图2所示，器件10还包括下包层13和基片14。
基片14通常是硅质或二氧化硅质的。但并不排除可采用其他材料，这是众所周知的。此外，基片可以是不镀金属膜或镀金属膜的，即可使基片上具有一种金属化图案。下包层13通常是二氧化硅。下包层13可以通过对基片14的表面进行氧化来形成，也可以在用化学汽相沉积(CVD)法或火焰水解法在基片上沉积一层二氧化硅层后再经烧结而形成。波导脊12也是二氧化硅材料的，但掺有使波导脊的折射率高于上包层11和下包层13二者折射率的掺杂剂。上包层11也是二氧化硅材料的，其折射率低于波导脊的折射率，最好是等于下包层的折射率。这两个包层和波导脊一起形成了一个光波导，光信号由上包层和下包层限制在波导脊内，通过波导脊传播。
上述三层(11、12、13)最好用FHD工艺沉积在基片14上。FHD工艺是一种较为快速的工艺，可以在几分钟内沉积起厚度通常为20-40微米的玻璃微粒层，而这在用CVD工艺时却需要以日为单位计算。用于FHD工艺中所用的一种典型装置示意于图3中。这种装置包括同心管石英喷灯15和机械装置16，此机械装置16支承基片并使此基片依适当方式通过此喷灯的火焰，使沉积均匀。这种方式可以是直线的，例如从右至左或从左至右，沿沉积线步进。或者，可以将一系列基片设在一个转台(未示出)的周边上，逐片送到此喷灯之下。用一气体供给系统提供硅的氯化物和至少一种掺杂剂，例如锗、硼、钛和磷等的氯化物，但如果是磷，则经常需用氯氧化物。BCl3是气体，因此可用质流控制器直接计量。其他源在室温下为液体，是用鼓泡的氦在受控流量下通过此液源，同时仔细调整液体的温度来进行计量的。燃烧气体，氢和氧以及附加的氦气也都借助于质流控制器调整其流率。
同心管喷灯仿照汽相轴向沉积(VAD)喷灯制成，用几个同心的石英管在一端熔合在一起，而在另一端形成一些同心环状的气体出口。在一个示范性的实施例中，喷灯15有三个同心的石英管17、18和19。入口21、22、23用来将相应气体馈入各自的管中。入口21接到最外面的管17，引入氧气；入口22接到下一个内管18，引入氢气和附加的氦气；而入口23接到最里面的管19，引入混有附加氢气的反应物。这样，喷出的环状火焰24导致其中的气态反应物转变为氧化物微粒。罩筒25用石英管制成，套在喷灯外面，伸出喷灯端约30毫米。罩筒25罩住火焰，减小了外部空气气流的影响。喷灯与水平成60°角向下指向水平放置的基片，燃烧气体的高流量投射到基片上。在一些典型的实验结果中，基片26用的是硅片或石英片，借真空吸附保持在铝板27上的凹圆内。在这一示范性的实施例中，铝板在x方向来回直线运动，每分钟大约移动20毫米，每次走到头后在y方向移动1毫米，直到此基片的整个表面都被盖住。这种运动是用由计算机控制的xyz定位系统16来实现的。第三个轴控制铝板的转动。经一整个循环后，也就是整个基片上已盖满了z形图案后，此基片转过180°，再进行一个循环。这样就改善了沉积的均匀性。
铝板27的温度通常用一个电加热器(未示出)保持在200℃左右。在加热器与铝板和带必需的电子控制电路的K型热电偶之间装有一个附加的冷却装置(未示出)，用铜管吹出高压冷风。取决于火焰温度铝板温度可以升到240℃，甚至更高，然而这对沉积并没有任何明显影响。
排气装置28的摄入口安装在火焰24附近，离喷灯16约25毫米而高于沉积表面约10毫米。排气装置28只在沉积芯子层期间才启用。这保证了于芯子层沉积期间来自火焰外周温度较低区的玻璃微粒在沉积到基片上以前就被摄走。排气装置28排走这部分玻璃微粒，使得只有来自火焰里面那部分的玻璃微粒才沉积到基片上作为芯子层，否则的话，以后芯子层的烧结就会受到影响，这是因为此种类型的玻璃微粒会固结成块而造成较大空隙。在沉积包层时不需用上述排气装置。由于不排气的沉积效率高得多，因此，排气装置28在制备包层时就不使用。从整个火焰(包括火焰外周温度较低的区域)喷出的玻璃微粒导致在包层中由于玻璃微粒结块而有较大的孔隙度，使得在烧结期间气体可以透过沉积物。
图4示出了用于活性气氛下烧结的烧结炉29。这是一种竖式Mosi2加热炉，加热速度为每小时2000℃。需要烧结的薄基片30盛放在盘31内，后者置入炉筒32中。此薄基片可以保持成水平，或者最好是垂直。烧结期间所使用的气体都从炉筒32的顶部注入，通过基片后流过炉筒32和炉膛33之间的间隙，在炉膛盖34的顶部排出。烧结气体包括氦和BCl3或BF3。干燥的N2在炉壁35和炉膛33之间流过。石英炉膛33保证了完全排除空气。否则的话，BCl3或BF3会与潮气或在高温时的O2发生反应。控制烧结速度的粘度由于添加BCl3或BF3气体而降低，足以使玻璃微粒在温度低至1000℃的条件下烧结成均匀一致的玻璃。为了使烧结温度这样显著地下降，在适当条件下于氦气体中加入百分之一至五的BCl3就足够了。
按照本发明提出的烧结工艺包括用氦气吹洗烧结炉1.5至2.5小时，最好是2小时。吹洗是在基片已在炉内就位的情况下于低温，最好是室温下进行。在吹洗的最后阶段，例如吹洗结束前15-20分钟，将BCl3或BF3引入氦气流。然后逐渐升高炉温，在1.5至2.5小时，最好是2小时这段时间内，从原来的低温升到800-900℃。在升温的最后阶段，断掉BCl3或BF3气流，而仍然保持氦气流。15至20分钟后，再将炉温在大约2小时的这段时间内升到1000-1100℃，然后在这个温度状态下保持1小时左右。断掉氦气流后，经烧结的基片在炉内的1000-1150℃的蒸汽和氧气环境中接受5-7小时，最好是6小时的退火处理。然后可将炉温降到室温。基片在1000-1150℃的蒸汽中经几个小时的退火处理后，除去了表面上剩余的B2O3，使之成为易挥发的HBO或HBO2物质，从而消除了此种膜片的吸湿性。
用这种方式已制备了适合用作包层的厚达10-25微米的玻璃层。这些玻璃层具有从1.457至1.461(取决于磷含量)的均匀的折射率，正如从它们的波型图所确定的那样。它表明这种玻璃层具有相当好的均匀结构，因而双折射极低。在上述活性气氛下进行烧结的反应式为：
Figure A9610860000121
由于这种反应只发生在玻璃微粒表面，因此BCl3必需通过玻璃微粒层扩散。为了避免浓度中出现梯度效应，玻璃微粒的透过性应尽量好，使得B2O3的形成量可以由反应速度限定。
在图5中示出了1摩尔的BCl3和1摩尔的SiO2反应到达平衡状态时各成分与温度关系的曲线图。由图可见，按反应
3SiO2＋4BCl3_3SiCl4＋2B2O3生成的B2O3的浓度(以摩尔小数表示)随着温度的升高而降低。
在下面的一些实例中介绍了各个层的典型制备和典型烧结情况。在所有涉及用FED沉积玻璃微粒层的实例中，氧以20公升/分通过外管17，氢和氦分别以2公升/分和4.5公升/分通过中管18，而氢和(按照需要)所混合的反应物则分别以1.2公升/分和1.0公升/分通过内管19。实例1
用FHD工艺将玻璃微粒沉积到保持在200℃左右的基片上，形成典型的下包层13。反应物由鼓泡通过相应液体源的附加氦气(对于SiCl4流量为150毫升/分。对于POCl3流量为250毫升/分)提供，同时以40毫升/分馈送气态BCl3，所有反应物源均保持在35℃。玻璃微粒沉积一直继续到基片上的这种微粒层厚度达到20-40微米为止。实施例2
然后，将附有例1中沉积在基片上的二氧化硅微粒层的基片放入烧结炉29。烧结过程开始时，是在室温下以300毫升/分的氦进行2小时的炉内吹洗。邻近吹洗快结束时，例如在这两小时结束前的15-20分，在氦气流中加入3.5毫升/分的气态BCl3。然后，在2小时内将温度升高到800℃，此时停止供BCl3而继续供氦气流。15-20分钟后，在2小时内将温度从800℃升高到1100℃，再在这个温度下保持1小时。此后，停止氦气流，将烧结的基片在1150℃的蒸汽和氧气氛下经6小时退火。然后，将烧结炉冷却到室温。实施例3
通过在下包层上沉积玻璃微粒形成芯子层。反应物由鼓泡通过保持在350℃的相应液体源的氦气(对于SiCl4流量为100毫升/分，对于GeCl4流量为50毫升/分，和对于POCl3流量为100毫升/分)提供。实施例4
然后，将实例3中沉积成的玻璃微粒通过在炉内烧结加以固结。烧结过程开始时是用300毫升/分的氦气进行2小时的炉内吹洗。吹洗快结束时，鼓泡通过GeCl4液体源的200毫升/分的氦加入GeCl4，并在这氦气流中加入0.5毫升/分的气态BCl3。然后，将炉温升高到1300℃，在氧气氛下烧结此玻璃微粒层2小时。烧结后，采用标准的平版印刷技术在烧结好的芯子玻璃层的上面形成铬掩模。铬用来在活性离子蚀刻(RIE)中掩蔽芯子玻璃层，以便得到所要求的波导图案。通过RIE在芯子玻璃层上刻出图案、除去铬掩模后，就可以在留下的芯子玻璃图案上覆盖上包层了。实施例5
按例4所述方法，刻有图案的芯子波导上和已暴露的下包层上通过沉积玻璃微粒形成上包层。反应物由鼓泡通过相应液体源的氦气(对于SiCl4流量为150毫升/分，对于POCl3的流量为200毫升/分)提供，同时提供流量为30毫升/分的气态BCl3。这种微粒沉积一直继续到沉积成厚达20-40微米的玻璃微粒层为止。实施例6
按照实例5的程序沉积上氧化硅微粒层后，将基片放入炉内进行烧结。烧结过程开始时是在室温下用300毫升/分的氦气进行2小时的炉内吹洗。邻近吹洗快结束时，在氦气流中加入5毫升/分的气态BCl3。BCl3气体继续流入2.5小时，同时将炉温升高到800℃，此时断开BCl3气流而继续供应氦气流。在15-20分钟后，炉温于2小时内升高到1100℃，在此温度下保持1小时。此后，断掉氦气流，将基片在1000℃的蒸汽和氧气气氛下退火6小时。然后，使烧结炉冷却到室温。实例7
无论烧结哪一层都可以在烧结气氛中用BF3来代替BCl3。为此，在沉积包层玻璃微粒层时，用鼓泡通过相应液体源的氦气(对于SiCl4流量为150毫升/分，对于POCl3流量为125毫升/分)提供反应物，同时以30毫升/分馈送气态BCl3。烧结包层玻璃微粒层开始时是在室温下以300毫升/分的氦气流进行2小时的炉内吹洗。吹洗快结束时，在氦气流中加入15毫升/分的气态BF3。由于BF3不如BCl3活泼，因此在炉内处理期间要求BF3有较大的流量。炉温在2小时内升高到900℃，此时停供BF3而继续供应氦气流。15-20分钟后，炉温在2小时内升高到1100℃，再这一温度下保持1小时。此后，切断氦气流，将基片在蒸汽和氧气的气氛下退火6小时。然后，使烧结炉冷却到室温。实例8
或者，可以通过在HiPox设备(高温、高压)内生长一层厚达15-20微米的二氧化硅物层的方式在硅片上生成出下包层。采用这种工艺就不需要对这下包层进行烧结。在这包层上以例3所介绍的方式沉积一层形成芯子层的玻璃微粒层后，在空气中对此微粒层进行1300℃的烧结处理。烧结后，采用标准的平版印刷技术在烧结成的芯子玻璃层的上面形成一个铬掩模。在对芯子玻璃层进行活性离子蚀刻(RIE)中，用铬作为掩模。通过RIE在芯子玻璃层上蚀刻出图案后，除掉铬掩模，在形成的芯子玻璃图案上用实例5和6或7中所介绍的工序覆以上包层。
光学测量的结果表明，采用本发明所提出的方法形成的层具有良好的均匀性，损耗也小，可以与用标准方法制造的层比美。
用这种在活性气氛下进行烧结得到高掺杂玻璃还有其他一些优点。最广泛采用的基片材料是硅，它的热膨胀系数(35×10-6/K)远大于二氧化硅的热膨胀系数(5×10-6/K)。在基片和沉积层之间的这种热膨胀系数的不匹配会导致一系列由于应力而引起的问题，从而丧失了用玻璃作为波导材料由于玻璃的非晶性质而不存在双折射的固有优点。应变双折射会引起诸如附加损耗和对偏振敏感的那种不希望有的效应。在FHD的情况下，材料通常只沉积在基片的一侧表面上。所引起的应变会使基片卷曲到不能进行平版印刷的程度。然而，通过增加掺杂剂的含量会加大石英的热膨胀系数。于是，可以形成厚达20-25微米的玻璃层而不会使基片发生明显的卷曲。事实上，基片弯曲相当小，曲率半径可高达60米。这样就减小了双折射。

Claims (18)

1.一种包括下列步骤的制造平面光波导的方法：
在从包括硅和二氧化硅材料组中选出的基片(14)上，形成一层由具有第一折射率的二氧化硅构成的下包层(13)；
在所述下包层(13)上形成至少一条由具有比所述第一折射率大的第二折射率的二氧化硅构成的波导脊(12)；以及
在所述波导脊(12)和所述下包层(13)的暴露区域上形成一层由折射率比所述第二折射率小的二氧化硅微粒构成的上包层(11)，所述上包层(11)是通过沉积一层由二氧化硅构成的微粒层再将此微粒在含氦的气氛下烧结成玻璃层而形成的，其中所述烧结步骤包括：
将所述玻璃微粒层在含有从包括BCl3和BF3的组中选出的一种气态添加剂的氦气气氛下加热到900℃或较低的温度；
在没有所述气态添加剂的情况下，则于1000℃至1100℃的温度下烧结经加热的玻璃微粒层；
在蒸汽和氧气的气氛下，于1000至1150℃的温度下对此已烧结的构件进行退火处理；以及
将此经退火的层冷却到室温。
2.权利要求1所述的方法，特征在于：
所述烧结步骤是在用氦气流低温吹洗的烧结炉(29)内进行；
所述气态添加剂在氦吹洗快结束时加入到氦气流中，然后使炉温在1.5至2.5小时内升高到800至900℃的加热温度；
在达到所述加热温度后15-20分钟，停止供给所述气态添加剂，并使炉温在1.5至2.5小时内升高到1000至1100℃的烧结温度，再在此烧结温度下保持1小时左右；
然后，在蒸汽和氧气的气氛下，将此经烧结的构件于1000至1150℃的温度下退火5至7个小时；以及
将此经烧结的构件冷却到室温。
3.如权利要求1所述的方法，特征在于：所述加热温度为800℃。
4.权利要求1所述的方法，特征在于：所述加热温度是经2小时升高达到的。
5.如权利要求1所述的方法，特征在于：所述通过烧结炉(29)的氦气流保持为300毫升/分。
6.如权利要求1所述的方法，特征在于：所述BCl3流保持为3.5至5毫升/分。
7.权利要求1所述的方法，特征在于：所述炉温是经2小时升高到所述烧结温度。
8.如权利要求1所述的方法，特征在于：所述BF3流保持为15毫升/分。
9.权利要求8所述的方法，特征在于：所述加热温度为900℃。
10.一种在由从包括硅和二氧化硅的材料组中选出的基片(14)构成的构件上形成二氧化硅包层(11，13)的方法，此方法包括下列步骤：
通过火焰水解沉积工艺在所述基片(14)上形成一层二氧化硅微粒层；
将所述构件放入烧结炉(29)内；
用氦气流低温吹洗烧结炉(29)；
在所述氦气流中加入从包括BCl3和BF3的组中选出的一种气态添加剂；
将温度在1.5至2.5小时内升高到900℃或较低的加热温度；
在没有所述气态添加剂的情况下，通过在1.5至2.5小时内将温度升高到1000至1100℃的烧结温度后再在所述烧结温度保持1小时左右，对经加热的此微粒层进行烧结；
在蒸汽和氧气的气氛下，将此经烧结的构件在1000至1150℃的温度下退火5至7个小时；以及
将此经退火的构件冷却到室温。
11.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：
所述烧结步骤是在用氦气流低温吹洗的烧结炉(29)内进行；
所述气态添加剂是在氦气流吹洗快结束时加入到此氦气流中，然后使炉温在1.5至2.5小时内升高到800至900℃的所述加热温度；
在达到所述加热温度后15-20分钟，停止供给所述气态添加剂，而炉温在1.5至2.5小时内升高到1000至1100℃的烧结温度，再在此烧结温度下保持1小时左右；
然后，在蒸汽和氧气的气氛下，将此经烧结的构件在1000至1150℃的温度下退火5至7个小时；以及
将此已烧结的构件冷却到室温。
12.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述加热温度为800℃。
13.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述加热温度是经2小时升高达到的。
14.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述通过烧结炉(29)的氦气流保持为300毫升/分。
15.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述BCl3流保持为3.5至5毫升/分。
16.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述炉温是经2小时升高到所述烧结温度的。
17.如权利要求10所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述BF3流保持为15毫升/分。
18.如权利要求18所述的形成二氧化硅包层(11，13)的方法，其特征在于：所述加热温度为900℃。
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