CN1170175C - 双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导及制备方法 - Google Patents

双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有双绝缘埋层SOI基的二维光子晶体波导及制备方法,属于光电子技术领域。特征在于顶层硅上形成具有线缺陷的二维周期结构,介质为Si或为硅和能与Si构成折射率差大于2的介质材料;周期常数a:0.18~0.5μm,介质孔径d:0.225~0.9μm;线缺陷宽度w=1.5~3a。双绝缘埋层为SiO2/Si3N4,或SiO2/Al2O3,或SiO2/AlN,或Al2O3/AlN,或Al2O3/Si3N4,或AlN/Si3N4中的一种,双绝缘埋层厚度0.2-3μm。其制作方法是采用改进智能剥离法H+、He+离子共注入然后结合电子束光刻和深反应离子刻蚀。本波导的优势是在大角度转弯时能量损失非常小,几乎为零,从而解决了光学集成电路中由于传统波导造成的瓶颈难题,使光子晶体在制备高集成、且与传统微电子平面加工工艺相匹配的光学集成电路中具有现实意义。

Description

双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导及制备方法
技术领域
本发明涉及具有不同于SiO2的绝缘埋层的二维光子晶体波导及制备方法。更确切地说,涉及一种采用改进智能剥离(Smart-Cut)技术先制备具有双绝缘埋层的绝缘埋层上的硅(SOI)基底;然后结合传统的微细加工技术制备二维光子晶体波导,属于光电子技术领域。
背景技术
近年来,随着光通讯的迅速发展,尤其是波分复用(WDM)系统的推广应用,对于高密度、高性能的光集成电路的需求越发迫切。相对于微电子电路的集成度,光集成电路的集成度远远达不到微电子电路的集成度,这主要是因为传统介质波导的尺寸只能小到几毫米,并且转弯角度不能太大。传统的介质波导虽然可以支持直线传播的光,但在拐弯处会导致极大的能量损失,从而成为在光集成电路中光传播的瓶颈。理想波导的材料应该具有电介质那样低的本征损耗,又要有金属的反射特性,光子晶体恰好满足上述两个条件。
光子晶体这一新概念是在1987年Yablonovitch提出的(Phys.Rev.Lett.58,2059-2062,1987)。John在讨论光子局域时发表的文章中(Phys.Rev.Lett.58,2486-2489,1987)几乎同时提出的。
他们两人提出,如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构,电磁波在其中传播时由于布拉格散射,电磁波会受到调制而形成能带结构,这种能带结构叫做光子能带(photonic band)。光子能带中往往具有光子带隙,具有光子带隙的晶体称为光子晶体。具有完全带隙的光子晶体中,落在光子带隙频率范围内的光子是被禁止传播的。
目前制备二维光子晶体主要有微细加工法和自组织生长方法。H.Miguez等人通过将介质微粒均匀混入特殊溶液自组织制备光子晶体,缺点是介电常数比较小而且光子带隙窄小(H.Miguez et al.Appl.Phys.Lett.1997,71:1148-1150)。自组织生长方法的另一个缺点是重复性差。
另外,也有以空气桥结构为基底的光子晶体波导,这种波导虽然可以提高空气的填充比,但是难以实现大规模的器件或和其他功能部件集成。因为目前高质量的SOI材料已商业化,因此在SOI基底上制备光子晶体将有望成为大规模光波集成电路的平台(Electron Letters,37,293-295,2001)。该文献中使用的SOI基底是传统的SiO2埋层;另外,Masatoshi Tokushima等人制备的适用于1.55μm波长的120°弯角的SOI基的二维光子晶体波导也是采用传统的SiO2埋层。众所周知,埋层氧化硅的热导率低1.4W/m℃,而且Si和SiO2的热膨胀系数相差很大,分别为2.6×106/℃和0.5×106/℃。而Si3N4薄膜由于具有比普通SOI片的SiO2绝缘薄膜更高的热导率(30W/m℃比1.4W/m℃),而且可以通过控制Si3N4薄膜厚度来条件应力匹配情况(物理,2002,31:214-218)。
发明内容
本发明的目的是寻求一种透光率高,工作频率范围宽、大角度转弯时能量损失小的,以具有双绝缘埋层的智能剥离的绝缘层上的硅(Smart-Cut SOI)为基底的新型光子晶体波导。
本发明的目的是基于下述原理:
如果在光子晶体中引入线缺陷,当入射光的频率处在光子带隙范围内,那么入射光线被限域,只能沿线缺陷传播。而且即使光线传播转弯角度很大时,能量损失也相当小,这在理论(Phys.Rev.Lett.77,3787,1996)和实验(Appl.Phys.Lett.76,952-954,2000)中都已得到验证。
所以在制作方法上拟采用改进的Smart-Cut SOI作二维光子晶体的基底,然后采用电子束光刻和深反应离子刻蚀方法在SOI的顶层硅上形成二维周期结构,介质分别为Si和能与Si构成折射率比大的背景介质材料,如Si(ε=11.7)和空气(ε=1),或Si与SiO2(ε=3.9),或Si与TiO2(ε=30-40,100),或Si与Ta2O5(ε=15-30)等。
这种光子晶体波导由于允许光波以任意角度转弯,并且能量损失很小,几乎为零。因此其可以做成很小的波导器件,尺寸为传统介质波导的干分之一。从而有利于光学电路的高度集成化。
本发明的具体制备过程分为二大步:首先采用H+、He+共注入的改进Smart-Cut法制作具有双绝缘埋层的二维光子晶体的SOI基底;第二步结合传统微细加工工艺,即电子束光刻和深反应离子刻蚀制备SOI基底上的二维周期结构的光子晶体波导。
其制备过程如图所示,图1~图4是制备具有双绝缘埋层的二维光子晶体的SOI基底;具体是:
(1)往单晶硅片中共注入H+和He+,其剂量为1×1016~5×1016/cm2,注入时离子束偏离样品法线5-10°,同时在注入过程中保持靶的温度低于200℃。H+和He+共注入可降低总注入剂量,并且更容易在高温退火时产生剥离。因为氦不会因与硅原子反应而被化学键束缚,在一定温度下,可在硅晶体中自由移动,能更多地移动到裂缝中去;而且,氦是单原子分子,而氢是双原子分子,在相同的注入剂量下,氦产生的压力是氢的2倍。
(2)支撑片采用双埋层,如SiO2/Si3N4,或SiO2/Al2O3,或SiO2/AlN,或Al2O3/AlN,或Al2O3/Si3N4,或AlN/Si3N4等,SiO2采用热氧化或超高真空电子束蒸发法制备(UHV-EBE),衬底温度200-400℃,AlN可采用离子束增强沉积法(IBAD),靶室真空2-8×10-7Torr,衬底温度650-750℃,或采用低压化学气相沉积(LPCVD),衬底温度900-1100℃;Si3N4采用LPCVD法,衬底温度900-1100℃。双绝缘埋层表面均方根粗糙度(RMS)小于3nm,双绝缘埋层厚度0.2-3μm。
(3)将注入片和支撑片在常温下键合,对键合好的片子进行500-550℃热处理,片子从H、He离子注入形成的气泡层和小平面处裂开:在1100℃下退火加强键合,接着进行化学机械抛光(CMP),使表面粗糙度在10数量级,从而构成SOI基底(图2-4)。制备的SOI基底具有高单晶质量的顶层Si,其厚度0.5-3μm,高质量的埋层,厚度0.2-2μm以及界面陡直的SOI。顶层硅厚度不到1μm时,则可采用CVD方法外延一层单晶硅,使其厚达2-6μm(图5)。
第二步在SOI基底上制备出具有线缺陷的二维周期结构的光子晶体波导。
在经化学机械抛光后或经外延生长的SOI基底上涂正胶,厚度在亚微米到2微米之间(图6);然后经电子束曝光、显影(图7);接着采用深反应离子刻蚀,反应气体为SF6和CF4(图8);然后在浓H2SO4+H2O2溶液中去胶,形成如图9所示的SOI波导结构。其中孔径d:0.225~0.9μm之间;周期常数a介于0.18~0.5μm之间,线缺陷宽度w为1.5~3a。两个线缺陷之间的夹角为任意角度,通常为30°,60°,90°和120°等;其周期点阵可以是三角、四方、六角结构等。
为了得到不同光子带隙的二维光子晶体波导,也可以在形成的二维光子晶体波导的空气孔中,淀积其他能与Si形成折射率差大于2的介质材料,如SiO2(ε=3.9),TiO2(ε=30-40,100),Ta2O5(ε=15-30),通常采用UHV-EBE方法生长厚度为0.5-2μm,靶室本底真空度达10-8-10-9Torr,衬底温度200℃,生长速率0.5-1.5/s;然后表面经CMP抛光。
本发明采用的Smart-Cut法制备的SOI作为光波导的基底,其优势是:(1)顶层硅单晶质量好;(2)埋层是由不同于传统SiO2的SiO2/Si3N4或SiO2/AlN、或Al2O3/AlN、或Al2O3/Si3N4或AlN/Si3N4等双埋层构成,质量好,(3)顶层Si/埋层以及埋层间界面陡直。故用Smart-Cut SOI制备二维光子晶体,更有利于发挥光子晶体波导的优势。
埋层SiO2的热导率低,且Si和SiO2的热膨胀系数相差很大。而Si3N4、AlN、Al2O3薄膜由于具有比普通SOI片的SiO2绝缘薄膜更高的热导率,同时可以通过控制它们的薄膜厚度来调节应力匹配情况。因此采用双埋层的SOI基底优于传统的单埋层SOI。
本发明提出一种全新的、不同于传统介质波导的二维光子晶体及制备方法。本发明基于光子晶体波导理论,采用改进Smart-Cut法制备的具有双绝缘埋层的SOI为基底,结合传统微细加工工艺,即电子束光刻和深反应离子刻蚀,制备SOI基底上二维周期结构的光子晶体波导。这种波导的突出优势在于,在大角度转弯时能量损失非常小,几乎为零,从而解决了光学集成电路中由于传统波导造成的瓶颈难题,使光子晶体在制备高集成、且与传统微电子平面加工工艺相匹配的光学集成电路中具有现实意义。
附图说明
图1 往Si片中H、He离子共注入,获得注入片
图2 将注入片和支撑片键合
图3 对键合好的片子进行热处理
图4 对顶层硅进行化学机械抛光
图5 在SOI顶层硅上外延单晶硅
图6 在SOI片上涂胶
图7 电子束曝光和显影后形成的图形
图8 深反应离子刻蚀在顶层硅中腐蚀成圆柱状孔
图9 电子束光刻和深反应离子刻蚀后形成的二维光子晶体波导:a正面图;b俯视图
图10 LPCVD生长能与Si的折射率大于2的介质材料
图11 CMP抛光
图中1、单晶硅  2、氢、氦共注入形成的气泡层  3、双绝缘埋层  4、光刻胶  5、能与Si的折射率大于2的介质材料
具体实施方式
实施例1
采用改进Smart-Cut法制备的高质量SOI作二维光子晶体的基底。先往单晶硅片1中注入能量为30KeV,剂量为1×1016/cm2的H+,再注入能量为33KeV,剂量为1×1016/cm2的He+;注入时离子束偏离样品法线7°,同时在注入过程中保持靶的温度低于200℃ ;支撑片采用双埋层(SiO2/Si3N4),SiO2采用超高真空电子束蒸发法(UHV-EBE)制备,衬底温度200℃,Si3N4采用低压化学气相沉积(LPCVD),衬底温度1000℃。然后键合,接着对键合好的片子于520℃进行热处理,片子从H、He注入形成的气泡层2和小平面处裂开:在1100℃下退火加强键合,形成高质量的SOI基底。其具有高单晶质量的1顶层Si(厚度:1.5μm),高质量的埋层3(厚度:1.0+1.0μm)和界面陡直的SOI。(过程和图1-图4类似,但是埋层是SiO2/Si3N4双埋层)。
其中顶层硅经CMP抛光后,表面粗糙度在10数量级。若顶层硅1厚度不到1μm,则可采用CVD方法外延一层单晶硅,使其厚达2-6μm(图5)。然后在外延后的SOI片上涂胶,光刻胶采用正胶4,厚度在0.5微米(图6);然后经电子束曝光、显影(图7);接着采用深反应离子刻蚀,反应气体为SF6和CF4(图8);然后在浓H2SO4+H2O2溶液中去胶,形成如图9所示的SOI波导结构。其中d:0.45μm;a:0.25μm,w=2a。所形成的点阵是四方的,两个线缺陷的夹角为90°。
实施例2
为了得到不同光子带隙的二维光子晶体波导,在实施方法1中形成的二维光子晶体波导的空气孔中,淀积其它能与Si形成折射率差大于2的介质材料(SiO2,TiO2,Ta2O5等),如采用UHV-EBE方法生长1μm厚的TiO2(图10)5,靶室本底真空达10-8~10-9Torr,衬底温度200℃,生长速率1/s;然后表面经CMP,形成具有与实施例1不同光子带隙的二维光子晶体波导(图11)。
实施例3
支撑片采用的双埋层为SiO2/AlN,SiO2采用热氧化形成0.8μmSiO2层,AlN采用低压化学气相沉积(LPCVD),衬底温度900℃,厚度1.2μm,双绝缘埋层总厚2μm,所形成的点阵是三角结构,其余同实施方法1。
实施例4
在形成SiO2/Si3N4双绝缘埋层的SOI基二维光子晶体波导的空气孔中淀积Ta2O5,厚度1.5μm,其余同实施方法1。

Claims (11)

1.一种双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,包括SOI基底,其特征在于
(1)顶层硅上形成具有线缺陷的二维周期结构,介质为Si或为硅和能与Si构成折射率差大于2的介质材料;
(2)双绝缘埋层为SiO2/Si3N4,或SiO2/Al2O3,或SiO2/AlN,或Al2O3/AlN,或Al2O3/Si3N4,或AlN/Si3N4中的一种,双绝缘埋层厚度0.2-3μm。
2.按权利要求1所述的双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,其特征在于所述的顶层硅上形成的具有线缺陷的二维周期结构,周期常数a为0.18~0.5μm,介质孔径d为0.225~0.9μm;线缺陷宽度w=1.5~3a。
3.按权利要求1所述的双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,其特征在于介质为Si和空气,或Si和TiO2,或Si和Ta2O5
4.按权利要求1所述的双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,其特征在于所述的线缺陷之间的夹角为任意角度。
5.按权利要求1或4所述的双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,其特征在于所述的线缺陷之间的夹角为为30°,60°,90°和120°。
6.按权利要求1所述的双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导,其特征在于所述的周期结构点阵是三角、或四方、或六角。
7.一种具有双绝缘埋层绝缘体上硅基二维光子晶体波导的制作方法,其特征在于采用氢、氦离子共注入的改进智能剥离方法制备硅基底,然后采用电子束光刻和深反应离子刻蚀,制备SOI基底上的具有线缺陷的二维周期结构的光子晶体波导。
8.按权利要求7所述的一种具有双绝缘埋层绝缘体上硅基的二维光子晶体波导的制作方法,其特征在于所述的SOI基底的制作工艺是:
(1)单晶硅片中共注入H+、He+,其剂量为1~5×1016/cm2,靶温度低于200℃形成注入片;
(2)支撑片采用SiO2/Si3N4,或SiO2/Al2O3,或SiO2/AlN,或Al2O3/AlN,或Al2O3/Si3N4,或AlN/Si3N4双埋层,SiO2采用热氧化或超高真空电子束蒸发法制备,衬底温度200-400℃,AlN或Si3N4或Al2O3则可采用离子束增强沉积法,靶室真空2-8×10-7Torr,衬底温度650-750℃,或采用低压化学气相沉积(LPCVD),衬底温度900-1100℃;Si3N4采用LPCVD法,衬底温度900-1100℃;
(3)注入片和支撑片在常温下键合,然后500-550℃热处理;在1100℃退火加强键合,最后化学机械抛光。
9.按权利要求8所述的一种具有双绝缘埋层绝缘体上硅基的二维光子晶体波导的制作方法,其特征在于制作的SOI基底具有双埋层厚度0.2-3μm,顶层硅厚度0.5-2μm以及界面陡直的SOI;顶层硅厚度不到1μm时,则用CVD方法,使厚度达2-6μm;化学抛光处理表面粗糙度在10数量级。
10.按权利要求7所述的一种具有双绝缘埋层绝缘体上硅基的二维光子晶体波导的制作方法,其特征在于所述的在SOI基底上形成具有线缺陷的二维周期结构的光子晶体波导的制作工艺是在经化学机械抛光或外延生长的顶层硅上涂光刻正胶厚度在亚微米和2μm之间,然后采用电子束爆光、显影再深反应离子刻蚀,反应气体为SF6和CF4,然后在浓H2SO4+H2O2溶液中去胶,形成具有线缺陷的二维光子晶体波导。
11.按权利要求7或8或9所述的一种具有双绝缘埋层绝缘体上硅基的二维光子晶体波导的制作方法,其特征在于通过Si3N4、AlN、或Al2O3薄膜的厚度来调节与SiO2层的应力匹配。
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Free format text: FORMER NAME: PROUD OF THE NEW SHANGHAI TECHNOLOGY CO.

CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 201821 Shanghai, Jiading District Pratt & Whitney Road, No. 200

Patentee after: Shanghai Simgui Technology Co., Ltd.

Address before: 201821 Shanghai, Jiading District Pratt & Whitney Road, No. 200

Patentee before: Shanghai Xin'ao Science and Technology Co., Ltd.

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20041006

Termination date: 20130524