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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von SiON-Lichtwellenleitern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG,
STAND DER TECHNIK
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Breitbandkommunikation
hängt heute
zunehmend von optischen Fasern und optischen Komponenten für Signalverstärkung, Signalführung, Hinzufügen und
Entfernen von Information ab. Der Bedarf an Hochleistungs-Kommunikationssystemen
hat zur Verwendung von Lichtwellenleitern geführt. Ein Lichtwellenleiter
besteht aus einem Kern, hergestellt aus einem Material mit hohem
Brechungsindex, und einem Mantel aus einem Material mit niedrigem
Brechungsindex, der den Kern umgibt. Bei der üblichen Lichtwellenleitertechnologie sind
der Kern und der Mantel aus dotiertem Quarzglas hergestellt, wobei
der Brechungsindexkontrast, also der Unterschied des Brechungsindexes
der Kernschicht im Verhältnis
zu den Mantelschichten, durch ein Dotierungsprofil erreicht wird,
z.B. unter Anwendung von P-Dotierung oder Ge-Dotierung. Um optische
Komponenten in einer kosteneffizienten Weise in Massenproduktion
herzustellen, ist es wünschenswert,
die Flächendichte
zu erhöhen.
Dies kann mit der SiON-Technologie erreicht werden. Ein Überblick über die
Technologie der planaren Wellenleiter wird z.B. in „Silica-based
optical integrated circuits" von
Y.P. Li und C.H. Henry; IEEE Proc.- Optoelectron., Vol.143, No.5, Oktober
1996, 5.263–280,
gegeben.
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Um
die Flächendichte
im Vergleich zur üblichen
Technologie zu erhöhen,
sind kleinere Biegeradien erforderlich. Kleinere Biegeradien erfordern
aber eine stärkere
Führung
der optischen Moden als in einem geraden Wellenleiter oder einer
Faser. Dies wird durch die Erhöhung
des Brechungsindexkontrastes zwischen Kern und Mantel erreicht.
Ein Beispiel für
ein Verfahren zur Erhöhung
des Brechungsindexes eines Glasmaterials wird in der US-Patentschrift
5 500 031 gegeben, wobei das Material mit Wasserstoff unter Wärmeanwendung behandelt
wird. Jedoch begrenzen die maximalen Dotierungsniveaus mit P, B,
Ge oder anderen Dotierungsmitteln in SiO2 (Siliziumdioxid)
den maximal erreichbaren Indexkontrast, und somit gibt es für Wellenleiter
ainen minimalen erreichbaren Biegeradius. Bei herkömmlichen
Fasern und bei planarem Ge-Siliziumdioxid (SiO2) liegt
der Indexkontrast im Bereich von 0,002 bis 0,006. Dies erlaubt einen
Krümmungsradius
von typischerweise 15 mm. Der Indexkontrast in der SiON-Technologie
beträgt
typischerweise 0,02 (d.h. 3× bis
10× höher) und erlaubt
einen Krümmungsradius
bis herunter zu 1,5 mm. Dies entspricht einer Erhöhung der
Flächendichte
um den Faktor 100. Ein guter Kompromiss zwischen dem minimalen Biegeradius
und Kopplungsverlusten gegenüber
der Standardfaser und dem daraus resultierenden erforderlichen Unterschied
in der Materialzusammensetzung zwischen Kern und Mantel können z.B.
mit einem effektiven Brechungsindexkontrast um 0,02 erreicht werden.
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Wenn
die Hülle
aus Siliziumdioxid, also SiO2, hergestellt
ist, das einen Brechungsindex von 1,45 hat, ist für den Kern
ein Material mit einem Brechungsindex nahe 1,51 erwünscht.
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Wellenleiter
mit so einem hohen Indexkontrast können mit Siliziumoxynitrid
(SiON)-Kernschichten hergestellt werden. Ein Beispiel für die Verwendung
von SiON als Material zur Herstellung von Wellenleitern wird in
der US-Patentschrift 5 416 861 gegeben.
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Dank
der Stickstoff- „dotierten" Siliziumoxidverbindung
kann der Brechungsindex in sehr flexibler Weise angepasst werden,
um andere Gestaltungskriterien wie z.B. erzielbare Dimensionen zu
erfüllen.
Ein relativ hochwirksamer seitlicher Kontrast im Brechungsindex
kann genutzt werden, der etwa 10× höher ist als der in Ge-dotieerten
SiO2-Wellenleitern genutzte. Dies erlaubt
es, bei Schaltungs-Layouts einen 10× kleineren Krümmungsradius
(1,5 mm) zu verwenden.
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Eine
typische Herstellungstechnik ist es, Siliziumoxynitrid über einen
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)-Prozess unter Verwendung
von Silan (SiH4), Distickstoffmonoxid (N2O) und Ammoniak (NH3)
als gasförmige
Vorprodukte abzuscheiden. Das resultierende Material besitzt aber
eine hohe Wasserstoffkonzentration. Wasserstoff ist in Form von
Hydroxygruppen, Si-H-Gruppen und NH- und NH2-Fragmenten
eingebaut. Diese Gruppen und Fragmente führen zusätzliche Absorption in die optische
Durchlasscharakteristik des Siliziumoxynitrids ein. Die erste Oberschwingung
der NH-induzierten
Absorption liegt bei 1510 nm und überlappt mit dem Spektralfenster,
das für
optische Signalübertragung
benutzt wird, und das sich von 1540 nm bis 1570 nm erstreckt, im
Folgenden einfach als das optische Übertragungsfenster bezeichnet.
Dieses Fenster hat man für
optische Übertragung
aufgrund der Tatsache ausgewählt,
dass die optischen Durchlässigkeitsverluste
um 1550 nm herum minimal sind (aufgrund der Herstellungsreinheit),
und dass für
volloptische Verstärker
in Fasernetzwerken (zur Vermeidung von elektrisch-optischen Umwandlungen)
die einzigen derzeit erhältlichen
Verstärker
auf Er (Erbium)-Dotierung von SiO2-Fasern basieren,
und das resultierende Verstärkungsfenster
auf 1540–1570
nm begrenzt ist. Deswegen ist der akzeptierte Standard für die optischen
Telekommunikationsfrequenzen auf dieses Fenster festgelegt worden
(vgl. „Review
of Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers" von P.Urquhart; IEEE Proc., Band. 135,
Pt.J, Nr. 6, Dezember 1988, S. 385–407).
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Die
oben erwähnte
NH-Absorption führt
zu oft inakzeptabel hohen Verlusten für anwendbare Produkte. Die
Wasserstoffkonzentration und damit die resultierenden Absorptionsverluste
werden daher derzeit durch ein Hochtemperatur-Temperverfahren verringert,
wie z.B. beschrieben im MRS Proceedings-Buch der Frühjahrstagung
1999 der MRS Materials Research Society, „Materials Research Society
(MRS) Spring Meeting 1999, 5 bis 8 April 1999, Paper BB.8.3, Symposium
BB on Multicomponent Oxides",
MRS Proceedings Band 574, S. 255 bis 260, 1999 (ISBN 1-55899-481-5). Das Verfahren
verfestigt das SiON-Material und entfernt Wasserstoff aus der N-H-Bindung
in Form von H2 und H2O.
In herkömmlichem
SiON-Material (SiON:H) werden die Verluste durch höhere Temperaturen
oder längere
Temperzeiten auf niedrigere Werte verringert, aber beide Wege beinhalten
das Risiko, ungewollte Fehlstellenstreuung oder Kristallisation
einzuführen.
Ein weiterer negativer Nebeneffekt des Hochtemperatur-Temperns ist
die Einführung
von anisotropischer Spannung, verursacht durch den Unterschied der
Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Siliciumsubstrat und dem Material des Wellenleiters.
Die Spannung korreliert mit dem Temperaturunterschied zwischen Raumtemperatur
und der höchsten
Tempertemperatur oder einer materialspezifischen Temperatur nahe
dessen oberem Kühlpunkt,
je nachdem, welche niedriger ist. Die Spannung begünstigt Doppelbrechung
und polarisierungsabhängige
Durchlasscharakteristiken und ist für die meisten Anwendungen nicht
erwünscht.
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Es
ist in der Technik der Faserherstellung bekannt, Deuterium an Stelle
von Wasserstoff zu benutzen, um Glas zu produzieren, das einen niedrigen
Hydroxygruppen (-OH) -Gehalt hat. Die Hydroxygruppe, die normalerweise
in Glas vorhanden ist, das in Gegenwart von Wasserstoff produziert
wurde, wird durch das Deuterium enthaltende Ion OD– ersetzt.
Absorptions-Spitzenwerte,
die normalerweise durch die Gegenwart der Hydroxy-Ionen verursacht
werden, werden nach höheren
Wellenlängen
hin verschoben, wo die Absorptionen nicht lästig sind, wenn der Wellenleiter
benutzt wird, um Licht im Bereich von etwa 7000 Å zu übertragen. Daher offenbart
die US-Patentschrift
3 791 714 die Herstellung eines SiO2-Wellenleiters über ein
Flammenhydrolyseverfahren unter Verwendung von Deuteriumgas oder
eines Deuteriumverbindungsgases, das durch eine Flüssigkeit
geführt
wird, die eine Siliziumverbindung wie Siliziumtetrachlorid enthält. Der
resultierende Dampf wird bei hohen Temperaturen (etwa 1800°C) verbrannt,
um einen Film von Siliziumdioxid auf einem sich drehenden Dorn abzuscheiden,
was zu einem „Ruß"-Niederschlag führt, der OD-Bindungen anstatt
der normalen OH-Gruppen
enthält.
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US-Patentschrift
5 872 387 offenbart Halbleiterelemente, darunter MOS-Elemente, die
mit Deuterium behandelt werden, um ihre Betriebseigenschaften zu
verbessern. Das Verfahren umfasst einen Schritt der Passivierung
des Elements mit Deuterium durch Einleitung von molekularem, atomarem
oder ionischem Deuterium in die Bereiche des Elements, in denen
Schutz gegen Hot-Carrier-Effekte erwünscht ist. Das Deuterium ist
mit Atomen in diesem Bereich kovalent gebunden, also stabil eingebaut.
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Ein
flacher Lichtwellenleiter aus Kunststoff wird in der US-Patentschrift 5 062
680 beschrieben, der einen Kernbereich enthält, der aus einem Polymer besteht,
das ein Deuteriumatom oder ein Halogenatom enthält, und einen den Kernbereich
umgebenden Mantelbereich, der aus einem Polymer besteht, das einen
niedrigeren Brechungsindex als der des Kernbereichs hat.
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Während die
US-Patentschrift 5 872 387 nur eine im Anschluss an die Herstellung
erfolgende Passivierung in einer erhitzten, mit Deuteriumgas angereicherten
Atmosphäre
beschreibt, und die US-Patentschrift 5 062 680 ein Deuterium enthaltendes
Polymer verwendet, um den Lichtwellenleiter herzustellen, ist der Hauptnachteil
der US-Patentschrift 3 791 714 die Tatsache, dass der nach dem dort
beschriebenen Verfahren hergestellte Wellenleiter immer noch Hydroxygruppen
enthält,
und das Verfahren nur anwendbar ist, um Wellenleiter in der Form
von Fasern herzustellen. Demnach besteht immer noch ein Bedarfs
an Platten-Lichtwellenleitern auf der Basis von SiON-Material, die äußerst geringe
optische Verluste und sehr niedrige mechanische Spannung haben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Siliziumoxynitrid (SiON)-Schichten
für Anwendungen als
planare Lichtwellenleiter zur Verfügung zu stellen, die äußerst niedrige
optische Verluste im Betriebsbereich haben.
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Es
ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Niedrigtemperaturverfahren
zur Verfügung zu
stellen, um solche planaren Lichtwellenleiter herzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik
zur Herstellung solcher Wellenleiter in einer kostengünstigen
Massenfabrikationstechnologie vorzuschlagen.
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Es
ist darüber
hinaus eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lichtwellenleiter
bereitzustellen, die niedrige mechanische Spannung und eine deutlich
verringerte spannungsbezogene Doppelbrechung aufweisen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
von Lichtwellenleitern auf der Basis von Siliziumoxid, die in herkömmliche
CMOS-Technologie integriert werden könnten.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile werden durch das in Anspruch 1
beanspruchte verfahren gelöst
bzw. erreicht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird im folgenden detaillierter beschrieben in Verbindung
mit den Zeichnungen, in denen
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1 ein
Infrarotspektrum ist, das die NH-Absorptionsbande
von herkömmlichem
SiON:H-Material zeigt, verglichen mit dem SiON:D-Material, das nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde;
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2 den
Plattenausbreitungsverlust von SiON:D zeigt, verglichen mit dem
SiON:H-Material, das dem Stand der Technik entsprechend getempert
wurde;
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3 die
Druckspannung als Funktion der Temperatur für dem Stand der Technik entsprechendes Material
zeigt, verglichen mit dem Material, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde;
und
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4 eine
grafische Darstellung der vermuteten Doppelbrechung in Abhängigkeit
von der Druckspannung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Siliziumoxynitrid
(SiON)-Schichten können
als planare Dichtwellenleiter im Wellenlängenbereich von 1550 nm fungieren.
Die optisch leitende SiON-Wellenleiter-Kernschicht hat einen relativ
hohen Brechungsindex von 1,500 und ist zwischen zwei Siliziumoxid-Mantelschichten
mit einem niedrigeren Brechungsindex von 1,450 eingebettet. Die
SiON-Schicht wird
durch PECVD unter Verwendung von Silan, Distickstoffmonoxid und Ammoniak
als gasförmige
Vorprodukte abgeschieden. Biegungen der Wellenleiter mit einem Krümmungsradius
von nur 1,5 mm können
aufgrund des hohen Brechungsindex-Unterschiedes realisiert werden,
der zwischen Kern- und Mantelschichten erreichbar ist. Dies erlaubt
die Herstellung von kompakten, relativ komplexen integrierten Lichtwellenleiter-Einheiten.
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Aufgrund
der hydrierten Vorprodukte enthalten die herkömmlichen, dem Stand der Technik
entsprechenden SiON-Schichten
(im folgenden als SiON:H bezeichnet) eine hohe Zahl an N-H-Bindungen
mit deren Infrarot-Eigenabsorption bei einer Wellenzahl von 3350
cm–1.
Die erste Oberschwingung dieser Frequenz findet sich bei einer Wellenlänge von
1510 nm, und deren Niedrigenergie-Ende führt zu einem unerwünschten Absorptionsverlust
im interessierenden Wellenlängenbereich
(1545 bis 1565 nm). 1 zeigt ein typisches Absorptionsspektrum
einer dem Stand der Technik entsprechenden planaren Wellenleiterplatten-Struktur
mit einer abscheidungsbedingten SiON-Kernschicht (SiON:H, untere
Kurve). Ein typischer Verlust für
ungetempertes SiON:H-Material ist 10 dB/cm bei 1510 nm und 1,0 bis
1,2 dB/cm bei 1550 nm (10× höher als
bei getempertem Material). Die N-H-Bindungen können durch Tempern der SiON-Schichten
in einem atmosphärischen Stickstoffstrom
bei einer Temperatur von etwa 1140 °C zum größten Teil entfernt werden.
Die Spitzenverluste bei 1510 nm verringern sich dann auf einen Wert
von 1,0 dB/cm, und die Verluste zwischen 1545 und 1565 nm verringern
sich auf typische Werte von 0,15 ± 0,05 dB/cm, was in 2 gezeigt
wird.
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Dieses
Hochtemperatur-Temperverfahren ist jedoch ein teurer Produktionsschritt,
der zusätzlich
die Verfahrenszeit für
den Wafer verlängert.
Außerdem
folgt auf das Herunterkühlen
der entspannten Schichten von der Hochtemperatur aufgrund fehlangepasster
Wärmeausdehnung
der Aufbau von Spannung. Die induzierten Spannungseffekte führen zu
spannungsbezogener Polarisationsabhängigkeit (Doppelbrechung).
Zusätzlich
dazu, da die Wellenleiterproduktion ein „Hochtemperatur"-Prozess ist, können nur
spezielle Trägermaterialien
genutzt werden, die in der Lage sind, diesen hohen Temperaturen
standzuhalten.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
daher ein „Niedrigtemperatur"-Verfahren zur Herstellung
planarer Lichtwellenleiterplatten auf der Basis von SiON-Material
unter Verwendung von deuteriertem SiON-Material (im folgenden SiON:D
genannt) vor. „Niedrigtemperatur" bedeutet hier, dass
die vorgesehene Maximaltemperatur aller Verfahrensschritte im Bereich
von 550 bis 850 °C
liegt, einschließlich
Verdichtungsschritten und Abstimmung mechanischer Spannung. Ein „Verdichtungsfenster" von 550 bis 850 °C kann auch
nützlich
sein, um die SiON:D-Eigenschaften zu stabilisieren. Durch Verwendung
von SiON:D-Material wird der oben erwähnte Temperaturzyklus bei 1400 °C, der 22
Stunden dauert, vermieden. Somit wird der Arbeitsablauf vereinfacht, und
eine größere Verfahrensbreite
wird erreicht, da ein breiteres Temperaturfenster erlaubt ist. Außerdem bietet
das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit, die Lichtwellenleiter
in herkömmliches
CMOS-Verfahren für eine
weitere Hybridintegration. Zusätzlich
dazu kann niedrige mechanische Spannung im Oxidschichtstapel erreicht
werden, die geschätzte
Absenkung der Druckspannung im SiON:D-Material liegt bei einem Faktor
von 3,5, von etwa –270
auf –80
MPa (vgl. 3). Der typische Wert für SiON:H-Material
liegt bei –120
MPa (so wie abgeschieden) und –270
MPa (nach Tempern bei 1145 °C).
Im Gegensatz dazu liegt der Wert für erfindungsgemäßes SiON:D-Material
bei –115
MPa (abscheidungsbedingt) kein Tempern ist notwendig. Der berechnete
ungetemperte SiON:D-Wert von –80
MPa aus 3 beruht auf den bestmöglichen
Schätzungen
zu der Zeit, in der die Erfindung gemacht wurde, der gegenwärtig zitierte
Wert basiert auf drei SiON:D-Wafern mit einem Wert von –115 ±10 MPa.
Die genannten Spannungswerte betreffen planare SiON:D- und planare SiON:H-Schichten
auf SiO2-Trägerschichten (untere Mantelschicht).
Für ein
vollständiges
Wellenleiterelement werden diese SiON:X-Schichten (X = H,D) bedeckt
mit einer oberen SiO2-Mantelschicht, um
eine oxidische Dreifachschicht zu formen. Dieses Überwachsen
des SiON:X hat den Effekt, das oxidische Sandwich mechanisch symmetrischer
zu machen, und verringert daher Eigenspannung und somit die spannungsbezogene Doppelbrechung.
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Eine
Schätzung
dieser Doppelbrechung wird in 4 gezeigt,
vermutend, dass die SiON:X-Dreifachschicht-Wellenleiterelemente der vorliegenden
Erfindung bei einer Druckspannung von –80 bis –100 MPa einen Doppelbrechungswert
von null (oder einen von der Polarisation unabhängigen Wert) haben werden.
Es wird auch bemerkt, dass eine äußerst geringfügige Druckspannung
(etwa –50
MPa) für
ein Mehrschichtelement möglicherweise
vorteilhaft ist, um mechanisch intakt zu bleiben, weil ein niedrigerer
Spannungswert oder Zugspannung leicht zu Schichtablösung, Abblättern und
strukturellen Unzulänglichkeiten
führen
kann. Daher bietet das erfindungsgemäße SiON:D weit bessere mechanische
Einstellungsmöglichkeiten
als getempertes SiON:H, bei dem das verlustreduzierende Verfahren
die Temperaturgeschichte und damit die Eigenspannung bestimmt.
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Es
muss erwähnt
werden, dass das neue Verfahren auch die Vorteile bietet, die schon
bei Nutzung von getempertem SiON:H-Material vorliegen, nämlich Vermeidung
des N-H-Verlustes (siehe 2, untere Kurve), somit Öffnung eines
breiteren Wellenlängenfensters
für photonische
SiON-ICs, Realisierung eines Krümmungsradius
von nur 1,5 mm usw., was mit dem hohen Brechungsindex von SiON zusammenhängt.
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Wie
beim Vergleich mit dem Verfahren des Standes der Technik bereits
erwähnt
wurde, verändert
das erfindungsgemäße Verfahren
durch Ersetzen des Wasserstoffs mit Deuterium nicht die Ausgangsmaterialien, sondern
beginnt schon mit der Verwendung deuterierter gasförmiger Vorprodukte,
nämlich
SiD4 und/oder ND3. Die
durchgeführte
Arbeit beweist, dass der größte Anteil
des konventionellen N-H-Verlustes bei 1510 nm vom N-H-Vorprodukt herrührt. Das
Verfahren mit ND3 als Vorprodukt zu beginnen,
verringert den Verlust auf den getemperten herkömmlichen Wert des SiON:H. Die
Verwendung beider deuterierter Vorprodukte, SiD4 und ND3, verringert den Verlust um mehr als 5× im Vergleich
zum auf herkömmliche
Weise getemperten SiON:H-Material. Es muss erwähnt werden, dass nur geringe
deuterierte Gasvolumina verbraucht werden und das Verfahren daher
sehr kosteneffizient ist. Das vorliegende Plasmaabscheidungsverfahren
verbraucht pro vollständigem
SiON:D-Kern-Wafer von 4 Zoll Durchmesser drei Liter ND3 und
30 Liter 2-prozentiges SiD4 (verdünnt mit
He), so dass 330 vollständige
4-Zoll-SiON:D-Wafer aus einem Standard-Gaszylinder gefertigt werden können.
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Der
Einbau von Stickstoff, „N-Dotierung", hat einen weit
stärkeren
Effekt auf den Brechungsindex als B-, P- oder Ge-Dotierung, weil die N-Dotierung das
Wirtsmaterial durchgehend verändert,
im Gegensatz zu leichten Additiven wie B, P oder Ge. Der Effekt
des Stickstoffs auf den Brechungsindex ist etwa 1ox stärker, und
daher wird bei einem Stickstoffgehalt von 8,0 ± 1 Atom-% N und einem Brechungsindex
von 1,510 ein angemessenes optisches „Biegen" mit einem 1,5 mm-Radius erreicht. Der
bevorzugte Bereich für
Stickstoff liegt bei etwa 3 bis etwa 15 Atom-%; die untere Grenze
von 3 % führt
zu einigen Vorteilen beim Wellenleiterradius, gegenüber herkömmlichem
Ge:SiO2 und ist leicht nachzuweisen, die
15 % als obere Grenze führen
zu einem Radius von etwa 0,5 mm.
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Die
bevorzugte Zusammensetzung in relativen Atomanteilen [%] des SiON:D-Materials
stellt sich wie folgt dar, wobei z.B. der „N-Atomanteil" die Menge der N-Atome
dividiert durch die Gesamtsumme der Si-, O- und N-Atome bedeutet.
Element | Anteil |
Si | 10 |
O | 19 |
N | 0,05 – 0,10 |
D | 0,05 – 0,15 |
H | < 0,01 |
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Wie
oben erwähnt,
können
entweder ein oder beide Vorprodukte für die Herstellung der SiON-Wellenleiter,
nämlich
NH3 und SiH4, deuteriert
werden. Fünf
Vorprodukt-Zusammensetzungen wurden für die Auswertung der Infrarotabsorption
und der optischen Verluste verwendet. Die folgende Tabelle zeigt
die Verbesserungsfaktoren verglichen mit dem nach Standard getemperten
hydrierten SiON:H-Material (M1).
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„Andere
Chemie" in M4 gibt
an, dass es sich nicht um die gewöhnliche Plasmachemie unter
Verwendung von SiH/NH/NO (oder deren D-Isotope) handelt, sondern
vielmehr von SiH/NO ohne NH, somit sind die chemischen Reaktionen
oder Synthesewege unterschiedlich.
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Dies
zeigt, dass der bei weitem größte Beitrag
zu N-H im SiON:H vom NH3-Gas der derzeitigen SiH4/NH3/N2O-Mischung
zuzuschreiben ist.
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Eine
Verbesserung beim optischen Verlust bei 1510 nm um den Faktor 5
bis 7 wird mit der Zusammensetzung M2 ohne Tempern erreicht, verglichen
mit den Ergebnissen des hydrierten Standard-SiON:H nach dem Tempern.
Verlustraten in dB/cm werden in der folgenden Tabelle verglichen
(vgl. auch 2).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die folgenden Schritte
- A) Oxidation
eines Silizium-Wafer auf eine definierte Dicke durch Sauerstoffdiffusion
bei hoher Temperatur;
- B) Abscheiden der SiON-Wellenleiterschicht durch Plasma-CVD
(Chemical Vapor Deposition);
- C) Definition der Kantenstruktur durch Lithographie und Ätzen in
der SiON-Kernschicht;
- D) Überwachsen
der Kern/Kanten-Struktur mit SiO2 durch
Plasma-CVD oder thermischer CVD;
- E) Verdichtung der Überwachsungsschicht,
um die Doppelbrechung zu justieren; und
- F) Stanzen des Wafer zu individuellen Chips und Polieren der
optischen Einlass/Auslass-Flächen
der einzelnen Elemente.
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3 zeigt
die Druckspannung als Funktion der Temperatur. Man sieht, dass das
erfindungsgemäße Material
(SiON:D) einen deutlich niedrigeren Spannungswert hat als das herkömmlich hergestellte
Material (SiON:H).
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In 4 wird
eine grafische Darstellung der geschätzten Abhängigkeit der Doppelbrechung
von der Druckspannung in einem Wellenleiter gezeigt. Bei einem gegebenen
Wert von etwa –80
MPa für
das erfindungsgemäße Material
ist klar feststellbar, dass die resultierende Doppelbrechung drastisch
abgenommen hat.
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Der
herausragende Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist die vollständige Beseitigung
der N-H-bezogenen Absorption im SiON, die zu Material mit extrem
niedrigem Verlust und mit einer großen optischen Bandbreite führt. Wenn
das vorgeschlagene Verfahren mittels PECVD ausgeführt wird,
ist es aus zwei Gründen
für eine
preiswerte Massenfabrikation geeignet: (i) geringe deuterierte Gasvolumina
werden verbraucht und (ii) teure Fertigungsprozessschritte wie Hochtemperatur-Tempern
entfallen. Somit wird eine kürzere
Verfahrenszeit für
den Wafer erreicht.
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Die
Vermeidung des Temperzyklus vereinfacht den Arbeitsablauf des Verfahrens
und bringt eine größere Verfahrensbreite,
da sie die Verwendung eines breiteren Temperaturfensters erlaubt,
was die Gestaltung anderer Ummantelungs-/Sinterbehandlungen (Verdichtung)
ermöglicht,
um die spannungsbezogenen Effekte noch weiter zu vermindern. Die
neue Verfahrensbreite wird genutzt, um einen gemäßigten Temperaturverlauf zur
Spannungsabstimmung bewusst zu optimieren, und bietet zum ersten
Mal die Möglichkeit,
die Lichtwellenleiter in ein herkömmliches CMOS-Verfahren für eine weitere
Hybridintegration einzubeziehen. Anwendungen könnten optische Taktverteilung,
optische Empfänger
oder Leistungstreiber für
thermisches Tuning sein.