DE60213038T2

DE60213038T2 - Verfahren zur Herstellung optischer Schichten

Info

Publication number: DE60213038T2
Application number: DE60213038T
Authority: DE
Inventors: Luc Granby Ouellet; Jonathan Granby Lachance; Manuel Granby Grondin; Stephane Sherbrooke BLAIN
Original assignee: Dalsa Semiconductor Inc
Current assignee: Teledyne Digital Imaging Inc
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: US20020192393A1; US6887514B2; EP1273677B1; JP2003156646A; EP1273677A2; DE60213038D1; EP1273677A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft optische Filme und genauer ein Verfahren zum Abscheiden von Siliciumoxidfilmen optischer Qualität zum Beispiel bei der Herstellung von Wellenleitern für optische Mux/Dmux-Vorrichtungen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Optische Vorrichtungen, so wie optische Multiplexer (Mux) und Demultiplexer (Dmux) erfordern extrem transparente Wellenleiter aus Siliciumoxid optischer Qualität in dem bidirektionalen optischen Schmalband 1.30 und/oder in dem 1.55 μm Band für optische Videosignale, welche die International Telecommunications Union (ITU) für ein Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Transportnetzwerk und für optische Zugangsnetzwerke für Fiber-To-The-Home (FTTH) empfiehlt.
Solche Wellenleiter sind beispielsweise in Uchida N., Passively aligned hybrid WDM module integrated with spot-size converter integrated laser diode for fibre-to-the home (Passiv ausgerichtetes hybrides WDM-Modul, integriert mit punktgroßem Wandler und integrierter Laserdiode für Fiber-to-the-home), Electronic Letters, 32 (18), 1996; Inoue Y., Silica-based planar lightwave circuits for WDM systems (Auf Siliciumoxid basierende planare Lichtwellenschaltungen für WDM-Systeme), IEICE Trans. Electron., E80C (5), 1997; Inoue Y., PLC hybrid integrated WDM transceiver module for access networks (PLC hybrides integriertes WDM-Transceiver Modul für Zugangsnetzwerke), NTT Review, 9 (6) 1997, und Takahashi H., Arrayed-waveguide grating wavelength multiplexers for WDM systems (Gitterwellenlängen Multiplexer mit Wellenleiteranordnung mit Beugungsgitterfunktion für WDM-Systeme), NTT Review 10 (1), 1998 diskutiert.
Diese Siliciumoxid-Wellenleiter sind grundsätzlich aus drei Filmen zusammengesetzt: einem Puffer, einem Kern und einem Mantel. Aus Gründen der Einfachheit haben der Puffer und der Mantel typischerweise dieselbe Zusammensetzung und haben typischerweise dieselben Eigenschaften, d. h. denselben Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 1.55 (oder Wellenlänge von 1.30 μm). Um den Laserstrahl mit Wellenlänge 1.55 μm (und/oder Wellenlänge 1.30 μm) einzugrenzen, muß der Kern bei Wellenlänge 1.55 (und/oder 1.30 μm) einen höheren Brechungsindex haben als der Puffer (Mantel). Die erforderliche Differenz im Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Puffer (Mantel) bei Wellenlänge 1.55 (und/oder Wellenlänge 1.30 μm) wird das 'delta-n' genannt. Dieses 'delta-n' ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Wellenleitern aus Siliciumoxid. Es ist sehr schwierig, einen optisch transparenten Puffer (Mantel) und Kern in dem optischen Bereich mit Wellenlänge 1.55 μm (und/oder Wellenlänge 1.30) mit einem geeigneten 'delta-n' herzustellen.
Verschiedene technische Ansätze, um diese hochleistungsfähigen optisch transparenten Siliciumoxid-Wellenleiter zu erhalten, sind im Stand der Technik versucht worden. Ein erster Ansatz ist es, die Flammenhydrolyseabscheidung (FHD – Flame Hydrolysis Deposition) einzusetzen. Diese Technik umfaßt das Schmelzen feiner Glasteilchen in Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Gasen, gefolgt von einem Tempern nach einer Ablagerung bei 1200-1350 °C. Ein zweiter Ansatz ist die Hochdruckdampf (HPS – High Pressure Steam)-Technik. Diese Technik umfaßt das direkte Wachstum von Siliciumoxidfilmen aus Silicium in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung bei sehr hoher Temperatur, gefolgt von einem Tempern bei sehr hoher Temperatur bei ungefähr 1000°C. Ein dritter Ansatz ist die Elektronenstrahl-Gasphasenabscheide (EBVD – Electron Beam Vapor Deposition)-Technik von Quarz oder Siliciumoxid bei ungefähr 350°C, gefolgt von Tempern bei sehr hoher Temperatur bei 1200°C.
Ein weiterer Ansatz ist es, plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) einzusetzen. Eine solche Technik ist in den folgenden Dokumenten beschrieben: Low temperature plasma chemical vapor deposition on silicon oxynitride thin-film waveguides (Chemische Gasphasenabscheidung im Niedertemperaturplasma von Siliciumoxynitrid-Dünnfilmwellenleitern), Applied Optics, 23 (16) 27 44, 1984; Valette S., New integrated optical multiplexer-demultiplexer realized on silicon substrate (Neuer integrierter optischer Multiplexer-Demultiplexer, ausgeführt auf Siliciumsubstrat), ECIO'87, 145, 1987; Grand G., Low-loss PECVD silica channel waveguides for optical communications (Niederverlustige PECVD-Siliciumoxid-Kanalwellenleiter für optische Kommunikation), Electron. Lett., 26 (25), 2135, 1990; Bruno F., Plasma-enhanced chemical vapor deposition of low-loss SiON optical waveguides at 1.5 μm wavelength (Plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung von optischen SiON-Wellenleitern mit niedrigen Verlusten bei 1.5 μm Wellenlänge), Applied Optics 30 (31), 4560, 1991; Kasper K., Rapid deposition of high-quality silicon-oxynitride waveguides (Schnelle Ablagerung von Siliciumoxynitrid-Wellenleitern hoher Qualität), IEEE Trans. Photonics Tech. Lett., 3 (12), 1096, 1991; Lai Q., Simple technologies for fabrication of low-loss silica waveguides (Einfache Technologien für die Herstellung niederverlustiger Siliciumoxid-Wellenleiter), Elec. Lett., 28 (11), 1000, 1992; Bulat E.S., Fabrication of waveguides using low-temperature plasma processing techniques (Herstellung von Wellenleitern unter Verwendung von Verarbeitungstechniken in Niedertemperaturplasma), J. Vac. Sci. Technol. A 11 (4) 1268, 1993; Imoto K., High refractive index difference and low loss optical waveguide fabricated by low temperature processes (Optischer Wellenleiter mit hohem Unterschied im Brechungsindex und mit geringen Verlusten, hergestellt durch Niedertemperaturprozesse), Electron. Lett., 29 (12), 1123, 1993; Bazylenko M.V., Fabrication of low-temperature PECVD channel waveguides with significantly improved loss in the 1.50–1.55 μm wavelength range (Herstellung von Niedertemperatur-PECVD-Kanalwellenleitern mit beträchtlich verbessertem Verlust im Wellenlängenbereich 1.50–1.55 μm), IEEE Photonics Tech. Lett., 7 (7), 774, 1995; Liu K., Hybrid optoelectronic digitally tunable receiver (Hybrider optoelektronischer digital abstimmbarer Empfänger), SPIE, Band 2402, 104, 1995; Yokohama S., Optical waveguides on silicon chips (Optischer Wellenleiter auf Siliciumchips), J. Vac. Sci. Technol. A, 13 (3), 629, 1995; Hoffmann M., Low temperature, nitrogen doped waveguide on silicon with small core dimensions fabricated by PECVD/RIE (Niedertemperaturige, mit Stickstoff dotierte Wellenleiter auf Silicium mit kleinen Kernabmessungen, hergestellt durch PECVD/RIE), ECIO'95, 299, 1995; Bazylenko M.V., Pure and fluoride-doped silica films deposited in a hollow cathode reactor for integrated optic applications (Reine und mit Fluor dotierte Siliciumoxidfilme, abgelagert in einem Hohlkathodenreaktor, für Anwendungen integrierter Optik), J. Vac. Sci. Technol. A 14 (2), 336, 1996; Durandet A., Silica burried channel waveguides fabricated at low temperature using PECVD (In Siliciumoxid vergrabene Kanalwellenleiter, hergestellt bei niedriger Temperatur unter Verwendung von PECVD), Electronics Letters, 32 (4), 326, 1996; Poenar D., Optical properties of thin film silicon-compatible materials (Optische Eigenschaften von mit Silicium kompatiblen Dünnfilmmaterialien), Appl. Opt. 36 (21), 5122, 1997; Agnihotri O. P., Silicon oxynitride waveguides for optoelectronic integrated circuits (Siliciumoxynitrid-Wellenleiter für optoelektronische integrierte Schaltungen), Jpn. J. Appl. Phys., 36, 6711, 1997; Boswell R. W., Deposition of silicon dioxide films using the helicon diffusion reactor for integrated optics applications (Ablagerung von Siliciumdioxidfilmen unter Verwendung des Helicon-Diffusionsreaktors für Anwendungen integrierter Optik), Plasma Processing of Semiconductors, Klumer Academic Publishers, 433, 1997; Hoffmann M., Low-loss fibermatched low-temperature PECVD waveguides with small-core dimensions for optical communication systems (Niederverlustige, über faserangepaßte Niedertemperatur-PECVD-Wellenleiter mit kleinen Kernabmessungen für optische Kommunikationssysteme), IEEE Photonics Tech. Lett., 9 (9), 1238, 1997; Pereyra I., High quality low temperature DPECVD silicon dioxide (Niedertemperatur-DPECVD-Siliciumdioxid hoher Qualität), J. Non-Crystalline Solids, 212, 225, 1997; Kenyon T., A luminescence study of silicon-rich silica and rare-earth doped silicon-rich silica (Eine Lumineszenzstudie an siliciumreichem Siliciumoxid und mit Seltenerden dotiertem siliciumreichem Siliciumoxid), Fourth Int. Symp. Quantum Confinement Electrochemical Society, 97-11, 304, 1997; Alayo M., Thick SiO_xN_y and SiO₂ films obtained by PECVD technique at low temperatures (Dicke SiO_xN_y- und SiO₂-Filme, erhalten durch PECVD-Technik bei niedrigen Temperaturen), Thin Solid Films, 332, 40, 1998; Bulla D., Deposition of thick TEOS PECVD silicon oxide layers for integrated optical waveguide applications (Ablagerung dicker TEOS PECVD-Siliciumoxidschichten für Anwendungen integrierter optischer Wellenleiter), Thin Solid Films, 334, 60, 1998; Canning J., Negative index gratings in germanosilica planar waveguides (Beugungsgitter mit negativem Index in planaren Wellenleitern aus Germanosiliziumoxid), Electron. Lett., 34 (4), 366, 1988; Valette S., State of the an of integrated optics technology at LETI for achieving passive optical components (Stand der Technik der Technologie integrierter Optik bei LETI zum Erhalten passiver optischer Komponente), J. of Modern Optics, 35 (6), 993, 1988; Ojha S., Simple method of fabricating polarization-insensitive and very low crosstalk AWG grating devices (Einfaches Verfahren zum Herstellen von polarisationsunempfindlichen AWG-Gittervorrichtungen mit sehr niedrigem Übersprechen), Electron. Lett., 34 (1), 78, 1998; Johnson C., Thermal annealing of waveguides formed by ion implantation of silica-on-Si (Thermisches Tempern von Wellenleitern, gebildet durch Ionenimplantation von Siliciumoxid auf Si), Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B141, 670, 1998; Ridder R., Silicon oxynitride planar waveguiding structures for application in optical communication (Planare Wellenleiterstrukturen mit Siliciumoxynitrid für die Anwendung in der optischen Kommunikation), IEEE J. of Sel. Top. In Quantum Electron., 4 (6), 930, 1998; Germann R., Silicon-oxynitride layers for optical waveguide applications (Siliciumoxynitridschichten für Anwendungen mit optischen Wellenleiten), 195^th meeting of the Electrochemical Society, 99-1, Mai 1999, Abstract 137, 1999; Worhoff K., Plasma enhanced chemical vapour deposition silicon oxynitride optimized for application in integrated optics (Siliciumoxinitrid, hergestellt durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, optimiert für die Anwendung in der integrierten Optik), Sensors and Actuators, 74, 9, 1999; und Offrein B., Wavelength tunable optical add-after-drop filter with flat passband for WDM networks (Bezüglich der Wellenlänge abstimmbarer optischer Add-after-drop-Filter mit flachem Durchlaßband für WDM-Netzwerke), IEEE Photonics Tech. Lett., 11 (2), 239, 1999.
Ein Vergleich dieser verschiedenen PECVD-Techniken ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Diese Tabelle vergleicht Verfahren, die versucht worden sind, um den Brechungsindex des Puffers (Mantels) und Kerns zu modifizieren, während versucht wurde, ihre optische Absorption zu verringern. Die verschiedenen Techniken können in die folgenden Hauptkategorien gruppiert werden: PECVD, wobei unbekannte Chemikalien verwendet werden, gekoppelt mit unbekannten Bor (B)- und/oder Phosphor (P)-Chemikalien, um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen; PECVD unter Verwendung von TEOS, gekoppelt mit unbekannten Mitteln zum Einstellen des Brechungsindex der Siliciumoxidfilme; PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit O₂, gekoppelt mit unbekannten Mitteln zum Einstellen des Brechungsindex der Siliciumoxidfilme; PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit O₂, gekoppelt mit CF₄ (Durchflußverhältnis SiH₄/O₂/CF₄), um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen; PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit N₂O, gekoppelt mit N₂O (Durchflußverhältnis SiH₄/N₂O), um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen; PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit N₂O, gekoppelt mit N₂O und N₂ (Durchflußverhältnis SiH₄/N₂O/N₂), um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen; PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit N₂O, gekoppelt mit N₂O und Ar (Durchflußverhältnis SiH₄/N₂O/Ar), um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen; und PECVD unter Verwendung der Oxidation von SiH₄ mit N₂O, gekoppelt mit N₂O und NH₃ (Durchflußverhältnis SiH₄/N₂O/NH₃), um den Brechungsindex der Siliciumoxidfilme einzustellen.
Keine dieser vorbekannten Techniken spricht in befriedigender Weise das Problem des erhaltens von Filmen hoher Qualität mit der Möglichkeit, die gewünschte Differenz im Brechungsindex zwischen benachbarten Filmen zu erzeugen, an, die zum Beispiel den Kern und die Mantelschichten eines optischen Wellenleiters bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Siliciumoxid-Wellenleitern zur Verfügung gestellt, das aufweist:
Aufgingen von optischen Filmen durch PECVD (plasmagestützte chemische Dampfabscheidung) in Gegenwart eines siliziumhaltigen Gases, eines Oxidationsgases, eines Trägergases und eines Dotierungsgases, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PH₃, B₂H₆, AsH₃, TiH₄, GeH₄, SiF₄ und CF₄ besteht, wobei die optischen Filme Brechungsindizes aufweisen, die sich um einen Betrag delta-n unterscheiden;
Einstellen eines Gesamtdrucks der Gase und von Durchflußmengen des siliziumhaltigen Gases, des Oxidationsgases und des Trägergases als konstante Werte, um Absorptionsmaxima in FTIR-Spektren zu minimieren; und
Einstellen der Durchflußmenge des Dotierungsgases, während der Gesamtdruck und die Durchflußmengen konstant gehalten werden, um einen Zielwert für das delta-n zu erreichen.
Typischerweise sind die optischen Filme Siliciumoxidfilme. Das Reaktionsgas ist normalerweise PH₃, es kann jedoch auch zum Beispiel Diboran, B₂H₆, Arsin (AsH₃), Titanhydrid, TiH₄ oder German, GeH₄, Siliciumtetrafluorid, SiF₄ oder Kohlenstofftetrafluorid, CF₄ sein.
Unabhängige Steuerung der Reaktionsgase, so wie SiH₄, N₂O, N₂ und PH₃, ebenso wie des Gesamtablagerungsdruckes können von einer automatischen Steuerung der Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpe in einem sechsdimensionalen Raum durchgeführt werden. Dieser umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform als eine erste unabhängige Variable den Durchfluß des SiH₄; als zweite unabhängige Variable den Durchfluß des N₂O; als eine dritte unabhängige Variable den Durchfluß des N₂; als eine vierte unabhängige Variable den Durchfluß des PH₃, als eine fünfte unabhängige Variable den Gesamtablagerungsdruck (gesteuert durch eine automatische Einstellung der Pumpgeschwindigkeit); und als eine sechste unabhängige Variable die beobachteten Wellenleitereigenschaften.
Die jetzigen Erfinder haben gezeigt, daß die Variation der Durchflußrate des PH₃, während die anderen Variablen konstant gehalten werden, ein Schlüsselfaktor beim Erreichen der erforderlichen Differenz im Berechungsindex, 'delta-n', ist, wobei weiter unerwünschte restliche Si:N-H-Oszillatoren (als FTIR-Peak, zentriert bei 3380 cm^–1, beobachtet) nach der thermischen Behandlung bei einer geringen Temperatur nach der Abscheidung beseitigt werden. Die Erfindung erlaubt die Erzeugung verbesserter Siliciumoxid-Wellenleiter mit verringerter optischer Absorption in dem optischen Bereich mit Wellenlänge 1.55 μm (und/oder Wellenlänge 1.30) und erlaubt die Herstellung von hochleistungsfähigen Multiplexern (Mux) und Demultiplexern (Dmux) optischer Qualität mit verbesserter Leistungsfähigkeit in dem 1.55 μm Wellenlängenband für optische Videosignale (und/oder in dem bidirektionalen optischen Schmalband mit 1.30 μm Wellenlänge).
Die Erfindung kann implementiert werden, indem ein kommerziell verfügbares PECVD-System verwendet wird, das System „Concept One", hergestellt von Novellus Systems, Kalifornien, USA.
Unsere ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung, angemeldet am 13. April 2001, zeigt die überraschende Wirkung der vierten unabhängigen Variablen, dem Gesamtablagerungsdruck, bei der Optimierung der optischen Eigenschaften verschiedener Puffer (Mäntel) in einem fünfdimensionalen Raum. In diesem Fall besteht der fünfdimensionale Raum aus einer ersten unabhängigen Variable, dem Gasdurchfluß des SiH₄, typischerweise festgelegt auf 0.20 Standardliter/min; einer zweiten unabhängigen Variablen, dem Gasdurchfluß des N₂O, typischerweise festgelegt auf 6.00 Standardliter/min; einer dritten unabhängigen Variablen, dem Gasdurchfluß des N₂, typischerweise festgelegt auf 3.15 Standardliter/min; einer vierten unabhängigen Variablen, dem Gesamtablagerungsdruck, der geändert wird, und einer fünften Dimension, die durch die beobachteten FTIR-Kennlinien verschiedener Puffer (Mäntel) gebildet wird, wie es in: 1a, 2a, 4a, 5a, 6a und 7a berichtet ist. Wie es in dieser Anmeldung berichtet ist, kann der Gesamtablagerungsdruck auf 2.00 Torr; 2.10 Torr; 2.20 Torr; 2.30 Torr; 2.40 Torr; 2.50 Torr; oder 2.60 Torr eingestellt werden. 1 Torr = 133 Pa.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der überraschenden Wirkung, die die fünfte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß des Phosphins, PH₃, auf die gleichzeitige Optimierung der optischen Eigenschaften der verschiedenen Puffer (Mäntel und Kerne) in einem sechsdimensionalen Raum hat.
Gemäß den Grundsätzen der Erfindung wird typischerweise die erste unabhängige Variable, der Gasdruckfluß des SiH₄, auf 0.20 Standardliter/min festgelegt; die zweite unabhängige Variable, der Gasdurchfluß des N₂O, wird auf 6.00 Standardliter/min festgelegt; und die dritte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß des N₂, wird auf 3.15 Standardliter/min festgelegt.
Die vierte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß des PH₃, wird variiert und kann einen der folgenden Werte annehmen: 0.00 Standardliter/min; 0.12 Standardliter/min; 0.25 Standardliter/min; 0.35 Standardliter/min; 0.50 Standardliter/min; 0.65 Standardliter/min.
Die fünfte unabhängige Variable, der Gesamtablagerungsdruck, wird typischerweise bei 2.60 Torr festgehalten; und die sechste Dimension wird durch die beobachteten FTIR-Kennlinien verschiedener Kerne geliefert, wie es veranschaulicht ist in: 1b, 2b, 3, 4b, Figur 5b, 6b und 7b.
Diese neue Technik ist der Schlüssel zum Erreichen des erforderlichen 'delta-n', wobei weiter unerwünschte restliche Si:N-H-Oszillatoren (als FTIR-Peak, zentriert bei 3380 cm^–1, beobachtet) nach der thermischen Behandlung bei einer geringen Temperatur nach der Abscheidung beseitigt werden. Die Erfindung erlaubt die Erzeugung verbesserter Siliciumoxid-Wellenleiter mit verringerter optischer Absorption in dem optischen Bereich mit Wellenlänge 1.55 μm (und oder Wellenlänge 1.30) und erlaubt die Herstellung von hochleistungsfähigen Multiplexern (Mux) und Demultiplexern (Dmux) optischer Qualität mit verbesserter Leistungsfähigkeit in dem 1.55 μm Wellenlängenband für optische Videosignale (und/oder in dem bidirektionalen optischen Schmalband bei 1.30 μm Wellenlänge).
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Abscheiden von Filmen optischer Qualität mittels PECVD (Plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung) zur Verfügung, welches das Erzeugen eines sechsdimensionalen Raumes aufweist, bei dem fünf Dimensionen fünf jeweils unabhängigen Variablen entsprechen, von denen ein Satz von vier unabhängigen Variablen sich auf die Durchflußrate jeweiliger Gase beziehen, eine fünfte unabhängige Variable sich auf den Gesamtdruck bezieht und eine sechste Dimension sich auf beobachtete FTIR-Kennlinien bezieht; und das Ablagern eines optischen Filmes, während drei aus dem Satz der vier unabhängigen Variablen im wesentlichen konstant gehalten werden, ebenso wie die fünfte unabhängige Variable, und Variieren einer vierten aus dem Satz der vier unabhängigen Variablen, um gewünschte Eigenschaften in der sechsten Dimension zu erhalten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1a die grundlegenden FTIR-Spektren von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, welche mit der PECVD-Abscheidetechnik erhalten worden sind, die in unserer anhängigen Patentanmeldung beschrieben worden ist, nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
1b die grundlegenden FTIR-Spektren verschiedener Kerne zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
2a die grundlegenden FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, die mit der PECVD-Abscheidetechnik erhalten wurden, welche in unserer anderen anhängigen Patentanmeldung beschrieben wurde, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
2b die grundlegenden FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
3 die grundlegenden FTIR-Spektren von 1260 bis 1500 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
4a die grundlegenden FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
4b die grundlegenden FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
5a die grundlegenden FTIR-Spektren von 1700 bis 2200 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer anderen anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
5b die grundlegenden FTIR-Spektren von 1700 bis 2200 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
6a die grundlegenden FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer anderen anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
6b die grundlegenden FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
7a die grundlegenden FTIR-Spektren von 3200 bis 3900 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) zeigt, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer anderen anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
7b die grundlegenden FTIR-Spektren von 3200 bis 3900 cm^–1 von verschiedenen Kernen zeigt, erhalten bei 2.60 Torr mit der neuen PECVD-Abscheidetechnik nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C;
8a die Wirkung des Gesamtablagerungsdruckes auf den Brechungsindex bei 1.55 μm im TE-Modus von verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen zeigt, abgeschieden bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardlitern/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardlitern/min und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C;
8b die Wirkung der Durchflußrate von PH₃ auf den Brechungsindex des 1.55 μm TE-Modus von verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen zeigt, abgeschieden bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardlitern/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardlitern/min, einem festen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C;
9a die Wirkung des Gesamtablagerungsdruckes auf die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 der Si:N-H-Oszillatoren verschiedener Puffer (Mäntel) und Kerne zeigt, abgeschieden bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C;
9b die Wirkung der Durchflußrate von PH₃ auf die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 der Si:N-H-Oszillatoren verschiedener Puffer (Mäntel und Kerne) zeigt, abgeschieden bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardlitern/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardlitern/min, einem festen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C;
10a die optischen Infrarot-Absorptionsspektren von PECVD-Siliciumoxid-Wellenleitern zeigt, erhalten mit: dem optimierten Puffer (Mantel) (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min; PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr) und dem nicht optimierten Kern (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min; PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.20 Torr), anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C; und
10b die optischen Infrarot-Absorptionsspektren von PECVD-Siliciumoxid-Wellenleitern zeigt, erhalten mit: dem optimierten Puffer (Mantel) (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min; PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr) und dem optimierten Kern SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min; PH₃ = 0.57 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr), anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Wirkung des Gasdurchflusses von PH₃ auf die FTIR-Kennlinien verschiedener Kerne
Die grundlegenden FTIR-Spektren von verschiedenen Puffern (Mänteln) erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C sind in 1a gezeigt. Diese zeigt einen schrittweise intensiveren und kleineren FWHM-Absorptionspeak des „Rocking-Modus von Si-O-Si (zwischen 410 und 510 cm^–1), wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr bis auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann einen nach und nach weniger intensiveren und größeren FWHM- Absorptionspeak des „Rocking-Modus" von Si-O-Si, wenn der Druck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird; einen nach und nach intensiveren und kleineren FWHM-Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" (zwischen 1000 und 1160 cm^–1), welcher viel stöchiometrischere Siliciumoxidfilme mit der optimalen Dichte und dem optimalen Si-O-Si Bindungswinkel von 144° anzeigt, wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann einen nach und nach weniger intensiven FWHM-Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" von Si-O-Si, wenn der Druck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird; und eine nach und nach offensichtlichere Trennung zwischen dem Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" von Si-O-Si (1080 cm^–1) und dem Absorptionspeak des „Biegemodus" von Si-O-Si (810 cm^–1) mit einem nach und nach tieferen Tal zwischen 850 und 1000 cm', wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann eine nach und nach weniger offensichtliche Trennung und ein nach und nach weniger tiefes Tal zwischen 850 und 1000 cm^–1, wenn der Druck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird.
1b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren verschiedener Kerne, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik gemäß den Grundsätzen der Erfindung und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß des SiH₄, des Gasdurchflusses von N₂O und des Gasdurchflusses von N₂ keine Wirkung auf die grundlegenden FTIR-Spektren der behandelten Siliciumoxidfilme.
Der intensive und kleine FWHM-Absorptionspeak des „Rocking-Modus" von Si-O-Si (zwischen 410 und 510 cm^–1) des festen Ablagerungsdruckes von 2.60 Torr der 1a wird in 1b beibehalten, wenn die Durchflußrate des PH₃ schrittweise von 0.0 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Der intensive und kleine FWHM-Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" (zwischen 1000 und 1160 cm^–1) mit dem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr der 1a wird in 1b beibehalten, wenn die Durchflußrate des PH₃ nach und nach von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Die Trennung zwischen dem Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" von Si-O-Si (1080 cm^–1) und dem Absorptionspeak des „Biegemodus" von Si-O-Si (810 cm^–1) mit einem tiefen Tal zwischen 850 und 1000 cm^–1 beim festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr der 1a wird in 1b beibehalten, wenn die Durchflußrate des PH₃ nach und nach von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Die FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1
2a zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1 verschiedener Puffer (Mäntel), erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Dies zeigt eine schrittweise bessere Beseitigung der restlichen Si-OH-Oszillatoren (zentriert bei 885 cm^–1), wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann einen nach und nach schlechtere Beseitigung, wenn der Druck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird; eine schrittweise bessere Beseitigung der Si-ON-Oszillatoren (zentriert bei 950 cm^–1) der restlichen SiONH- und/oder SiON₂-Verbindungen nach der Behandlung, wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann eine nach und nach schlechtere Beseitigung, wenn der Ablagerungsdruck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird; und ein nach und nach tieferes Tal zwischen dem Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" von Si-O-Si (1080 cm^–1) und dem Absorptionspeak des „Biegemodus" von Si-O-Si (810 cm^–1), wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.40 Torr erhöht wird, und dann ein nach und nach weniger tiefes Tal, wenn der Ablagerungsdruck weiter von 2.40 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird.
2b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1 von verschiedenen Kernen, erhalten mit der folgenden neuen PECVD-Abscheidetechnik und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hatte die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄, des Gasdurchflusses von N₂O und des Gasdurchflusses von N₂ eine leicht positive Wirkung auf die FTIR-Spektren von 810 bis 1000 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen:
Die Beseitigung der restlichen Si-OH-Oszillatoren (zentriert bei 885 cm^–1) bei festgehaltenem Ablagerungsdruck von 2.60 Torr nach 2b wird beibehalten und tatsächlich leicht verbessert, wenn die Durchflußrate von PH₃ nach und nach von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Die Beseitigung der Si-ON-Oszillatoren (zentriert bei 950 cm^–1) der restlichen SiONH und/oder SiON₂-Verbindungen nach der Behandlung bei festem Ablagerungsdruck von 2.60 Torr der 2b wird beibehalten und tatsächlich leicht verbessert, wenn die Durchflußrate des PH₃ nach und nach von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Das tiefe Tal zwischen dem Absorptionspeak des „phasengleichen Streckmodus" von Si-O-Si (1080 cm^–1) und dem Absorptionspeak des „Biegemodus" von Si-O-Si (810 cm^–1) bei festgehaltenem Ablagerungsdruck von 2.60 Torr der 2b wird beibehalten und tatsächlich leicht verbessert, wenn die Durchflußrate des PH₃ nach und nach von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird.
Die FTIR-Spektren von 1200 bis 1500 cm^–1
3 zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 1200 bis 1500 cm^–1 verschiedener Kerne, erhalten mit der folgenden neuen PECVD-Abscheidetechnik und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄, des Gasdurchflusses von N₂O und des Gasdurchflusses von N₂ eine direkte Wirkung auf die FTIR-Spektren von 1200 bis 1500 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen.
Die P = O-Oszillatoren (zentriert bei 1330 cm^–1 und die keine höheren Harmonische haben, welche optische Absorption in den optischen Bändern 1.30 bis 1.50 μm hervorrufen könnten) nehmen effektiv zu, wenn die Durchflußrate des PH₃ von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min erhöht wird. Dieser FTIR-Absorptionspeak kann benutzt werden, um den Phosphoreinbau in den Kern zu kalibrieren.
Die FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1
4a zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1 verschiedener Puffer (Mäntel), erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C.
Diese zeigt, daß die N = N-Oszillatoren für alle Ablagerungsdrücke von 2.00 Torr bis 2.60 Torr beseitigt werden.
4b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1 von verschiedenen Kernen, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik gemäß den Grundsätzen der Erfindung und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄ und dem Gasdurchfluß von N₂O und von dem Gasdurchfluß von N₂ keine Wirkung auf die FTIR-Spektren von 1500 bis 1600 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen.
Die N = N-Oszillatoren werden auch für alle Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beseitigt.
Die FTIR-Spektren von 1700 bis 2200 cm^–1
5a zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren mit 1700 bis 2200 cm^–1 verschiedener Puffer (Mäntel), erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer anderen anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstuffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C.
Die Si = O-Oszillatoren (zentriert bei 1875 cm^–1 und deren vierte Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.282 und 1.389 μm hervorrufen könnten) und der unbekannte Oszillator (zentriert bei 2010 cm^–1 und der keine höhere Harmonische hat, welche optische Absorption in dem optischen Band von 1.30 bis 1.55 μm hervorrufen könnte) werden von keinem der Ablagerungsdrücke von 2.00 Torr bis 2.60 Torr beeinflußt. Diese Beschränkung ist nicht so wichtig, da nur die vierte Harmonische der Si = O-Oszillatoren in den optischen Bändern 1.30 bis 1.50 μm absorbieren kann.
5b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 1700 bis 2200 cm^–1 von verschiedenen Kernen, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik gemäß den Grundsätzen der Erfindung, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festgehaltenen Ablage rungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄, von dem Gasdurchfluß von N₂O und von dem Gasdurchfluß von N₂ keine Wirkung auf die FTIR-Spektren von 1700 bis 2200 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen.
Die Si = O-Oszillatoren (zentriert bei 1875 cm^–1 und deren vierte Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.282 und 1.389 μm hervorrufen könnten) und der unbekannte Oszillator (zentriert bei 2010 cm^–1 und der keine höhere Harmonische hat, welche optische Absorption in dem optischen Band von 1.30 bis 1.55 μm hervorrufen könnte) werden nicht durch irgendeine der Durchflußraten des PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beeinflußt. Diese Beschränkung ist nicht so wichtig, da nur die vierte Harmonische der Si = O-Oszillatoren in dem optischen Band von 1.30 bis 1.55 μm absorbieren kann.
Die FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1
6a zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln), erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C.
Die Si-H-Oszillatoren (zentriert bei 2260 cm^–1 und deren dritte Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.443 und 1.508 μm hervorrufen könnten) werden für alle Ablagerungsdrücke von 2.00 Torr bis 2.60 Torr vollständig beseitigt.
6b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1 von verschiedenen Kernen, erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik gemäß den Grundsätzen der Erfindung, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄, von dem Gasdurchfluß von N₂O und von dem Gasdurchfluß von N₂ keine Wirkung auf die FTIR-Spektren von 2200 bis 2400 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen.
Die Si-H-Oszillatoren (zentriert bei 2260 cm^–1 und deren dritte Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.443 und 1.508 μm hervorrufen könnten) werden weiter bei irgendeiner aller Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min vollständig beseitigt.
Die FTIR-Spektren von 3200 bis 3900 cm^–1
7a zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren von 3200 bis 3900 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln), erhalten mit der PECVD-Abscheidetechnik, die in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C.
Die HO-H-Oszillatoren (zentriert bei 3650 cm^–1, was eingefangenen Wasserdampf in den Mikroporen der Siliciumoxidfilme zeigt und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.333 und 1.408 μm hervorrufen könnte) werden vollständig für alle Ablagerungsdrücke von 2.00 Torr bis 2.60 Torr beseitigt.
Die SiO-H-Oszillatoren (zentriert bei 3510 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.408 und 1.441 μm hervorrufen könnte) werden für alle Ablagerungsdrücke von 2.00 Torr bis 2.60 Torr beseitigt.
Die SiN-H-Oszillatoren (zentriert bei 3420 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.479 μm hervorrufen könnte) werden nach und nach beseitigt, wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird.
Die Si:N-H-Oszillatoren (zentriert bei 3380 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorrufen könnte) werden nach und nach beseitigt, wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird. Diese spektakuläre vollständige Beseitigung bei einer solchen niedrigen Temperatur der thermischen Behandlung von nur 800°C ist wirklich signifikant, da sie das thermische Aufbrechen zweier kovalenter Bindungen erfordert, welche das Stickstoffatom an das Siliciumatom des SiO₂-Netzwerks bindet. Es muß geschlossen werden, daß die Zunahme des Ablagerungsdruckes von 2.00 Torr auf 2.60 Torr die Bildung solcher restlichen Si:N-H-Oszillatoren mit zwei kovalenten Bindungen minimiert.
7b zeigt die grundlegenden FTIR-Spektren mit 3200 bis 3900 cm^–1 verschiedener Kerne, erhalten mit der folgenden neuen PECVD-Abscheidetechnik und nach einer drei Stunden langen thermischen Hochtemperaturbehandlung in einer Stickstoffumgebung bei einer niedrigen Temperatur von 800°C. Bei einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr hat die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃ unabhängig von dem Gasdurchfluß von SiH₄, dem Gasdurchfluß von N₂O und dem Gasdurchfluß von N₂ keine Wirkung auf die FTIR-Spektren von 3200 bis 3900 cm^–1 bei den behandelten Siliciumoxidfilmen.
Die HO-H-Oszillatoren (zentriert bei 3650 cm^–1, welche eingefangenen Wasserdampf in den Mikroporen der Siliciumoxidfilme zeigen und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.333 und 1.408 μm hervorrufen könnte) werden weiter vollständig durch irgendeine der Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beseitigt.
Die SiO-H-Oszillatoren (zentriert bei 3510 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.408 und 1.441 μm hervorrufen könnte) werden weiter vollständig durch irgendeine aller Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beseitigt.
Die SiN-H-Oszillatoren (zentriert bei 3420 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.479 μm hervorrufen könnte) werden weiterhin durch irgendeinen aller Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beseitigt.
Die Si:N-H-Oszillatoren (zentriert bei 3380 cm^–1 und deren zweite Harmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorrufen könnte) werden weiterhin vollständig durch irgendeine aller Durchflußraten von PH₃ von 0.00 Standardliter/min bis 0.65 Standardliter/min beseitigt. Diese vollständige Beseitigung bei einer solch niedrigen Temperatur bei der thermischen Behandlung von nur 800°C ist wirklich spektakulär, da die das thermische Aufbrechen zweier kovalenter Bindungen erfordert, welche das Stickstoffatom an das Siliciumatom des SiO₂-Netzwerkes binden. Es muß geschlossen werden, daß bei diesem Ablage rungsdruck von 2.60 Torr die Zunahme der Durchflußrate von PH₃ von 0.00 Standardliter/min auf 0.65 Standardliter/min weiter die Bildung solcher restlichen Si:N-H-Oszillatoren mit zwei kovalenten Bindungen minimiert.
Die potentielle Wirkung des Gasdurchflusses von PH₃ auf die optische Absorption in dem optischen Band von 1.30 bis 1.55 μm
Die verschiedenen FTIR-Spektren zeigen, daß, bei einem festgehaltenen Druck von 2.60 Torr, die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃, unabhängig von den anderen Abscheidevariablen in diesem sechsdimensionalen Raum, keine Wirkung auf die optische Absorption in dem optischen Bereich von 1.55 μm Wellenlänge (und/oder 1.30 Wellenlänge) haben sollte.
1b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ keine Wirkung hat auf: den „Rocking-Modus" (460 cm^–1) der Si-O-Si- und dem „phasengleichen Streckmodus" (1080 cm^–1) der Si-O-Si-Oszillatoren.
2b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ eine leicht positive Wirkung hat auf: den „Biegemodus" des Si-O-Si-Oszillators (810 cm^–1); auf den Si-OH-Oszillator (zentriert bei 885 cm^–1); auf den Si-ON-Oszillator (zentriert bei 950 cm^–1) und auf den „phasengleichen Modus" des Si-O-Si-Oszillators (1080 cm^–1). Die beobachteten positiven Wirkungen auf diese vier Oszillatoren sollten keine Wirkung auf die optische Absorption der verschiedenen Kerne in dem optischen Bereich von 1.55 μm Wellenlänge (und/oder 1.30 Wellenlänge) haben, da optische Absorption in dem optischen Band 1.30–1.55 μm nur durch die sehr hohen Harmonischen dieser Oszillatoren möglich ist: die 8. Schwingungsharmonische des „Biegemodus" des Si-O-Si-Oszillators; die 8. Schwingungsharmonische des Si-OH-Oszillators; die 7. Schwingungsharmonische des Si-ON-Oszillators und die 6. Schwingungsharmonische des „phasengleichen Streckmodus" des Si-O-Si-Oszillators.
3 zeigt daß der Gasdurchfluß von PH₃ eine sehr direkte Wirkung auf den P = O-Oszillator (1330 cm^–1) hat, der keine höhere Harmonische hat, welche optische Absorption in dem optischen Band von 1.30–1.55 μm hervorrufen könnte.
4b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ keine Wirkung auf den N = N-Oszillator (1555 cm^–1) hat.
5b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ keine Wirkung auf den Si = O-Oszillator (1875 cm^–1) oder auf den unbekannten Oszillator (2010 cm^–1) hat.
6b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ keine Wirkung auf den Si-H-Oszillator (2260 cm^–1) hat.
7b zeigt, daß der Gasdurchfluß von PH₃ keine Wirkung hat auf: den HO-H-Oszillator (3650 cm^–1); den SiO-H-Oszillator (3510 cm^–1); den SiN-H-Oszillator (3420 cm^–1) und den Si:N-H-Oszillator (3380 cm^–1).
Die Wirkung des Gesamtablagerungsdruckes und des Gasdurchflusses von PH₃ auf den Brechungsindex im TE-Modus bei 1.55 μm.
8a zeigt die Wirkung des Gesamtablagerungsdruckes auf den Brechungsindex im transversalen elektrischen (TE)-Modus bei 1.55 μm bei verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen, die bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min abgeschieden worden sind und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C. Wie es in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung angemerkt worden ist, ist es klar, daß die Einführung der vierten unabhängigen Variablen, dem Gesamtablagerungsdruck, kritisch für die Entwicklung optimierter optischer Puffer (Mäntel) und Kerne ist und daß die Steuerung dieses Parameters von äußerster Wichtigkeit für das wiederholbarer Erhalten optischer Puffer (Mäntel) und Kerne hoher Qualität ist. An diesem Punkt soll wiederholt werden, daß typische Vakuumpumpsysteme, die bei PECVD-Geräten (z.B. mechanische Drehschaufelpumpen, Roots-Gebläse, Turbomolekularpumpen und andere) eingesetzt werden aus vielen Quellen an der Änderung der Pumpgeschwindigkeit über der Zeit leiden (Änderung der elektrischen Wechselstrom-Energiequelle, Variation der Pumpenleitfähigkeit aufgrund von Ansammlung von Resten in der Schutzdichtung oder Pumpenleitungen usw.).
Es könnte somit erwartet werden, daß ein Zustand der PECVD-Abscheidung, welcher einen festgelegten Satz von Gasdurchflußparametern umfaßt, an einer Nichtwiederholbarkeit des Brechungsindex im TE-Modus bei 1.55 μm leiden würde. Um das erforderliche 'delta-n' von 0.015 zu erreichen, zeigt 8a, daß ein möglicher Weg, das erforderliche 'delta-n' zu erreichen, darin besteht, einen transparenten optimierten Puffer mit einem Brechungsindex 1.440, abgeschieden bei 2.60 Torr ohne Gasdurchfluß von PH₃ einem Kern mit Brechungsindex 1.455 zuzuordnen, abgeschieden bei ungefähr 2.20 Torr ohne Gasdurchfluß von PH₃.
8b zeigt die Wirkung des Gasdurchflusses von PH₃ auf den Brechungsindex des TE-Modus bei 1.55 μm von verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen, die bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr abgeschieden worden sind und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C.
Um das erforderliche 'delta-n' von 0.015 zu erhalten, zeigt diese 8b, daß ein weiterer möglicher Weg, das erforderliche 'delta-n' zu erreichen, darin besteht, dem optisch transparent optimierten Puffer mit Brechungsindex 1.440, abgeschieden bei 2.60 Torr ohne Gasdurchfluß von PH₃, einen Kern mit Brechungsindex 1.455 zuzuordnen, abgeschieden bei 2.60 Torr mit Gasdurchfluß von PH₃ von ungefähr 0.57 Standardliter/min.
Die integrierte Fläche unter dem Si:N-H-Oszillator bei 3380 cm^–1 der FTIR-Spektren
9a zeigt die spektakuläre Wirkung des Gesamtablagerungsdruckes auf die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak der Si:N-H-Oszillatoren bei 3380 cm^–1 bei verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen, abgeschieden bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standarliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C. Die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 ist eine nicht kalibrierte relative Messung der Anzahl der restlichen Si:N-H-Oszillatoren, die an das SiO₂-Netzwerk mittels zweier kovalenter Si-N-Bindungen gebunden ist.
Es wird deutlich, daß die Beseitigung der Si:N-H-Oszillatoren, deren zweite Schwingungsharmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorruft, nach und nach vollständiger ist, wenn der Ablagerungsdruck von 2.00 Torr auf 2.60 Torr erhöht wird (nach einer thermischen Niedertemperaturbehandlung bei nur 800°C). Es wird deutlich, daß der mögliche Kern der 9a (Brechungsindex 1.455, abgeschieden bei ungefähr 2.20 Torr ohne Gasdurchfluß von PH₃) mit einer übermäßigen Anzahl unerwünschter restlicher Si:N-H-Oszillatoren verbunden ist, deren zweite Schwingungsharmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorruft.
9b zeigt die Wirkung des Gasdurchflusses von PH₃ auf die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak der Si:N-H-Oszillatoren bei 3380 cm^–1 von verschiedenen Puffern (Mänteln) und Kernen, abgeschieden bei einem festen Gasdurchfluß von SiH₂ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, bei einem festen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Ablagerungsdruck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C. Die integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 ist fast unabhängig von dem Gasdurchfluß von PH₃, was bedeutet, daß die Beseitigung der restlichen Si:N-H-Oszillatoren, deren zweite Schwingungsharmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm verursacht, unabhängig von dem Gasdurchfluß von PH₃ ist (nach einer thermischen Niedertemperaturbehandlung von nur 800°C).
Es wird deutlich, daß der Kern der 8b (Brechungsindex 1.455, abgeschieden bei 2.60 Torr mit Gasdurchfluß von PH₃ von ungefähr 0.57 Standardliter/min) mit einer vernachlässigbaren Anzahl unerwünschter restlicher Si:N-H-Oszillatoren verbunden ist, deren zweite Schwingungsharmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorruft.
Die Wirkung des Gasdurchflussesvon PH₃ auf die optische Absorption verschiedener Wellenleiter
10a zeigt die optischen Infrarot-Absorptionsspektren von PECVD-Siliciumoxid-Wellenleitern, erhalten mit: dem optimierten Puffer (Mantel) (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min;, PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr) und dem nicht optimierten Kern (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min;, PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.20 Torr), anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C. Wie es durch die oben diskutierten FTIR-Spektren vorhergesagt ist, wird deutlich, daß dieser Wellenleiter mit 'delta-n' von 0.015 mit vielen restli cher Si:N-H-Oszillatoren (und den restlichen SiN-H-Oszillatoren) verbunden ist, welche übermäßige optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm verursachen.
10b zeigt die optischen Infrarot-Absorptionsspektren von PECVD-Siliciumoxid-Wellenleitern, erhalten mit: dem optimierten Puffer (Mantel) (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min;, PH₃ = 0.00 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr) und dem optimierten Kern (SiH₄ = 0.20 Standardliter/min; N₂O = 6.00 Standardliter/min; N₂ = 3.15 Standardliter/min;, PH₃ = 0.57 Standardliter/min; Ablagerungsdruck = 2.60 Torr), anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 800°C. Wie es durch die oben diskutierten FTIR-Spektren vorhergesagt ist, wird deutlich, daß dieser zweite Wellenleiter mit 'delta-n' von 0.015 mit einer vernachlässigbaren Anzahl restlicher Si:N-H-Oszillatoren (und den restlichen SiN-H-Oszillatoren) verbunden ist, welche vernachlässigbare optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm verursachen.
Zusammengefaßt zeigen die obigen Beispiele die wichtige Rolle, die die fünfte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von Phosphin, PH₃, bei der gleichzeitigen Optimierung der optischen Eigenschaften verschiedener Puffer (Mäntel) und Kerne in einem sechsdimensionalen Raum spielt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von SiH₄, bei 0.20 Standarliter/min festgehalten; die zweite unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von N₂O ist bei 6.00 Standardliter/min festgehalten; die dritte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von N₂, ist bei 3.15 Standardliter/min festgehalten; und die vierte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von PH₃, wird variiert und aus den folgenden Werten ausgewählt: 0.00 Standardliter/min; 0.12 Standardliter/min; 0.25 Standardliter/min; 0.35 Standardliter/min; 0.50 Standardliter/min; 0.65 Standardliter/min.
Die fünfte unabhängige Variable, der Gesamtablagerungsdruck, wird bei 2.60 Torr festgehalten. Die sechste Dimension ist die beobachtete FTIR-Kennlinie verschiedener Kerne, wie es berichtet ist in: 1b, 2b, 3, 4b, 6b, 6b und 7b.
Wie gezeigt erlaubt es die oben beschriebene Technik, daß das erforderliche 'delta-n' erreicht wird, während die unerwünschten restlichen Si:N-H-Oszillatoren (beobachtet als ein FTIR-Peak zentriert bei 3380 cm^–1) nach einer thermischen Behandlung bei einer niedrigen Temperatur nach der Ablagerung beseitigt werden, um verbesserte Siliciumoxid-Wellenleiter zur Verfügung zu stellen, mit verringerter optischer Absorption in dem optischen Bereich von 1.55 μm Wellenlänge (und oder 1.30 Wellenlänge), und um das Herstellen von hochleistungsfähigen Multiplexern (Mux) und Demultiplexern (Dmux) optischer Qualität mit verbesserter Leistungsfähigkeit in dem 1.55 μm-Band für optische Videosignale (und/oder in dem bidirektionalen optischen Schmalband 1.30 μm Wellenlänge zu ermöglichen).
Der Vergleich der verschiedenen PECVD-Ansätze, zusammengefaßt in 1, und unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung zeigt, daß der vorgeschlagene PECVD-Ansatz für das Erhalten der Puffer (Mäntel) einmalig dahingehend ist, daß er eine unabhängige Steuerung der SiH₄-, N₂O- und N₂-Gase ebenso wie des Gesamtablagerungsdruckes über eine automatische Steuerung der Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpe in einem fünfdimensionalen Raum verwendet, um das Beseitigen der unerwünschten Si-O_XH_y-N_z Verbindungen zu verbessern, aufgrund einer verbesserten Beseitigung von gasförmigen Komponenten N₂, O₂, HNO, NH₃, H₂O und H₂, die aus den Mikroporen der wachsenden Siliciumoxidfilme bis hinauf in ihre Oberfläche und von ihrer Oberfläche durch die gasförmige Grenzschicht, die nahe ihrer Oberfläche vorliegt, beseitigt werden müssen. Diese Wirkung wird der Tatsache zugeschrieben, daß das Gleichgewicht durch eine Modifikation der Anzahl gasförmiger Komponenten beeinflußt wird; d.h. die Anzahl von Verbindungsmolekülen gasförmiger Produkte ist von drei unterschiedlich, der Anzahl der Verbindungsmoleküle gasförmiger Reaktanten: SiH₄(g) + 2N₂O(g) → Verschiedene Produkte
Die verschiedenen Referenzen, die in der obigen Tabelle zitiert sind, verwenden: Gasdurchflußverhältnisse SiH₄/N₂O in einem zweidimensionalen Raum (eine eindeutige unabhängige Variable, das Verhältnis SiH₄/N₂O, und die beobachtete Variable, die beobachtete Kennlinie); Gasdurchflußverhältnisse SiH₄/N₂O/N₂ in einem dreidimensionalen Raum (eine erste unabhängige Variable, das Verhältnis SiH₄/N₂O, eine zweite unabhängige Variable, das Verhältnis N₂O/N₂, und die beobachtete Variable, die beobachtete Kennlinie); Gasdurchflüsse SiH₄, N₂O, N₂ in einem vierdimensionalen Raum (eine erste unabhängige Variable, der SiH₄-Durchfluß, eine zweite unabhängige Variable, der N₂O-Durchfluß, eine dritte unabhängige Variable, der N₂-Durchfluß, und die beobachtete Variable, die beobachtete Kennlinie).
Gemäß den Grundsätze der vorliegenden Erfindung wird die spektakuläre Wirkung einer fünften unabhängigen Variablen, dem Gasdurchfluß von Phosphin, PH₃, auf die gleichzeitige Optimierung der optischen Eigenschaften der verschiedenen Größen deutlich durch die FTIR-Spektren von verschiedenen abgeschiedenen Kernen in einem sechsdimensionalen Raum gezeigt.
Bei einem bestimmten Beispiel wird die erste unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von SiH₄, auf 0.20 Standardliter/min festgehalten; die zweite unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von N₂O, wird auf 6.00 Standardliter/min festgehalten; die dritte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von N₂, wird auf 3.15 Standardliter/min festgehalten; die vierte unabhängige Variable, der Gasdurchfluß von PH₃, wird unter den folgenden Werten variiert: 0.00 Standardliter/min, 0.12 Standardliter/min, 0.25 Standardliter/min, 0.35 Standardliter/min, 0.50 Standardliter/min und 0.65 Standardliter/min; die fünfte unabhängige Variable, der Gesamtablagerungsdruck, wird bei 2.60 Torr festgehalten; und die sechste Dimension, die Teil des sechsdimensionalen Raumes bildet, ist die beoabachtete FTIR-Kennlinie verschiedener Kerne, wie es berichtet wird in: 1b, 2b, 3, 4b, 5b, 6b und 7b, die zeigen, daß bei einem festgehaltenen Druck von 2.60 Torr die Steuerung des Gasdurchflusses von PH₃, unabhängig von den anderen Abscheidevariablen in diesem sechsdimensionalen Raum, keine Wirkung auf die optische Absorption in dem optischen Bereich von 1.55 μm Wellenlänge (und/oder 1.30 Wellenlänge) haben sollte.
Um das erforderliche 'delta-n' von 0.015 (TE-Modus bei 1.55 μm) zwischen dem Puffer (Mantel) und dem Kern der Wellenleiter zu erreichen, zeigt 8a, daß eine erste Option für den Wellenleiter die Zuordnung des optisch transparenten optimierten Puffers mit Brechungsindex 1.440 (abgeschieden bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von PH₃ von 0.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Druck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C) zu einem Kern mit Brechungsindex 1.455, abgeschieden bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von PH₃ von 0.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Druck von 2.20 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C sein würde.
Unglücklicherweise zeigt 9a, daß diese erste Option für den Kern mit einer bedeutenden integrierten Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 des Si:N-H-Oszillators, der an das SiO₂-Netzwerk durch zwei kovalente Si-N-Bindungen gebunden sind, verbunden ist, und, da die zweite Schwingungsharmonische dieser Si:N-H-Oszillatoren eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorrufen wird, sagt 9a voraus, daß die optischen Eigenschaften der Wellenleiter, die sich aus dieser ersten Option für den Kern ergeben, nicht befriedigend sein würden. 10a bestätigt, daß diese erste Option für den Kern mit übermäßiger optischer Infrarotabsorption verbunden ist, die einer übermäßigen Anzahl von restlichen Si:N-H-Oszillatoren (und restlichen SiN-H-Oszillatoren) verbunden ist, welche übermäßige optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorrufen.
Eine alternative Option, das erforderliche 'delta-n' von 0.015 (TE-Modus bei 1.55 μm) zwischen dem Puffer (Mantel) und dem Kern der Wellenleiter zu bekommen, ist in 9b gezeigt. Diese Figur zeigt, daß es möglich ist, weiter dem optischen transparenten optimierten Puffer mit Brechungsindex 1.440 (abgeschieden bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von PH₃ von 0.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Druck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C) einen optimierten Kern mit Brechungsindex 1.455 zuzuordnen, abgeschieden bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Gasdurchfluß von PH₃ von 0.57 Standardliter/min, bei einem festgehaltenen Druck von 2.60 Torr und anschließend an eine thermische Behandlung in einer Stickstoffumgebung bei 800°C. In diesem Fall zeigt 9b, daß dieser optimierten Option für den Kern eine viel verringerte integrierte Fläche unter dem FTIR-Peak bei 3380 cm^–1 der restlichen Si:N-H-Oszillatoren zugeordnet ist, deren zweite Schwingungsharmonische eine optische Absorption zwischen 1.445 und 1.515 μm hervorruft, und daß diese integrierte Fläche nahezu unabhängig von dem Gasdurchfluß des PH₃ ist (nach einer thermischen Niedertemperaturbehandlung von nur 800°C). 9b sagt dann voraus, daß die optischen Eigenschaften der Wellenleiter, die sich aus dieser optimierten Option für den Kern ergeben, ausgezeichnet sein würden. 10b bestätigt, daß diese optimierte Option für den Kern mit einer ausgezeichneten optischen Durchlässigkeit verbunden ist, die sich aus einer vernachlässigbaren Anzahl restlicher Si:H-N-Oszillatoren (und restlicher SiN-H-Oszillatoren) ergibt.
Diese neue Technik erlaubt es, daß das erforderliche 'delta-n' erreicht wird, wobei die unerwünschten restlichen Si:N-H-Oszillatoren nach thermischen Behandlungen bei einer niedrigen Temperatur nach der Ablagerung beseitigt werden, um verbesserte Siliciumoxid-Wellenleiter zur Verfügung zu stellen, mit reduzierter optischer Absorption in dem optischen Bereich bei 1.55 μm Wellenlänge (und/oder 1.30 Wellenlänge), und um die Herstellung hochleistungsfähiger Multiplexer (Mux) und Demultiplexer (Dmux) optischer Qualität mit verbessertem Leistungsvermögen in dem 1.55 μm-Band für optische Videosignale (und/oder in dem bidirektionalen optischen Schmalband 1.30 μm Wellenlänge) zu erlauben.
Wie es von dem Fachmann verstanden wird, sind viele Abänderungen der Erfindung möglich. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel könnten die PECVD-Siliciumoxidfilme bei einer Temperatur abgeschieden werden, die sich von 400°C unterscheidet, und insbesondere bei irgendeiner Temperatur zwischen 100 und 650°C.
Das PECVD-Gerät könnte von dem Novellus Concept One unterschiedlich sein. Die grundlegende Forderung ist es, die unabhängige Steuerung der vier grundlegenden Steuerparameter zur Verfügung zu stellen: Gasdurchflußrate von SiH₄, Gasdurchflußrate von N₂O, Gasdurchflußrate von N₂ und Gesamtablagerungsdruck.
Das lokale Optimum für den Puffer (Mantel) (Gasdurchflußrate von SiH₄ von 0.2 Standardliter/min, Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min und ein Gesamtablagerungsdruck von 2.60 Torr) ist dieser Raum mit vier unabhängigen Variablen. Man könnte einen unterschiedlichen Satz von Koordinaten haben (SiH₄, N₂O, N₂, Ablagerungsdruck), wenn man dasselbe Gerät Novellus Concept One verwendet.
Das lokale Optimum für den Puffer (Mantel) könnte einen unterschiedlichen Satz von Koordinaten (SiH₄, N₂O, N₂, Ablagerungsdruck) bei einem anderen PECVD-Gerät haben. Das lokale Optimum des Kerns (Gasdurchfluß von SiH₄ von 0.20 Standardliter/min, Gasdurchfluß von N₂O von 6.00 Standardliter/min, Gasdurchfluß von N₂ von 3.15 Standardliter/min, Gasdurchfluß von PH₃ von 0.57 Standardliter/min und ein Gesamtablagerungsdruck von 2.60 Torr) in diesem Raum mit fünf unabhängigen Variablen könnte einen unterschiedlichen Satz von Koordinaten (SiH₄, N₂O, N₂, PH₃, Ablagerungsdruck) haben, wenn dasselbe Gerät Novellus Concept One verwendet wird. Das lokale Optimum des Kern könnte einen unterschiedlichen Satz von Koordinaten (SiH₄, N₂O, N₂, PH₃, Ablagerungsdruck) bei einem anderen PECVD-Gerät haben.
Das 'delta-n' könnte von 0.015 unterschiedlich sein und im Bereich zwischen 0.005 und 0.020 liegen. Das siliziumhaltige Gas SiH₄ könnte durch ein alternatives siliziumhaltiges Gas ersetzt werden, so wie: Siliciumtetrachlorid, SiCl₄, Siliciumtetrafluorid, SiF₄, Disilan, Si₂H₆, Dichlorsilan, SiH₂Cl₂ Chlorfluorsilan, SiCl₂F₂, Difluorsilan, SiH₂F₂, oder irgendein anderes siliziumhaltiges Gas, das die Verwendung von Wasserstoff, H, Chlor, Cl, Fluor, F, Brom, Br, und Jod, J, einschließt.
Das Oxidationsgas N₂O könnte durch ein alternatives sauerstoffhaltiges Gas ersetzt werden, so wie: Sauerstoff, O₂, Stickoxid, NO₂, Wasser, H₂O, Wasserstoffperoxid, H₂O₂, Kohlenmonoxid, CO, oder Kohlendioxid, CO₂.
Das Trägergas N₂ könnte durch ein alternatives Trägergas ersetzt werden, so wie: Helium, He, Neon, Ne, Argon, Ar oder Krypton, Kr.
Das Dotierungsgas PH₃ könnte durch ein alternatives Gas ersetzt werden, so wie: Diboran, B₂H₆, Arsin (AsH₃), Titanhydrid, TiH₄, oder German, GeH₄, Siliciumtetrafluorid, SiF₄ oder Kohlenstofftetrafluorid, CF₄.
Die thermische Hochtemperaturbehandlung in Stickstoff könnte bei einer Temperatur unterschiedlich von 800°C durchgeführt werden. Der bevorzugte Bereich ist von 400 bis 1200°C.
Der interessierende optische Bereich ist nicht auf den optischen Bereich von 1.30 bis 1.55 μm begrenzt, da die höheren Schwingungsharmonischen der beseitigten Oszillatoren andere optische Nutzen bei längeren oder kürzeren Wellenlängen haben. Die Wellenlängen der ersten, zweiten, dritten und vierten Harmonischen dieser Oszillatoren sind auch durch dieses Patent abgedeckt.
Die Erfindung findet Anwendung bei verschiedenen weiteren Herstellungsprozessen, die die Verwendung von Siliciumoxidfilm hoher Qualität umfassen, so wie andere photonische Vorrichtungen als Mux/Dmux-Vorrichtungen; Halbleitervorrichtungen; mikroelektromechanische Systeme (MEMS); Biochips, Lab-on-a-Chip-Vorrichtungen und Mehrchipmodule.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Siliciumoxid-Lichtwellenleitern, das aufweist: Aufbringen von optischen Filmen durch PECVD (plasmagestützte chemische Dampfabscheidung) in Gegenwart eines siliciumhaltigen Gases, eines Oxidationsgases, eines Trägergases und eines Dotierungsgases, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PH₃, B₂H₆, AsH₃, TiH₄, GeH₄, SiF₄ und CF₄ besteht, wobei die optischen Filme Brechungsindizes aufweisen, die sich um einen Betrag Δn unterscheiden; Einstellen eines Gesamtdrucks der Gase und von Durchflußmengen des siliciumhaltigen Gases, des Oxidationsgases und des Trägergases als konstante Werte, um Absorptionsmaxima in FTIR-Spektren zu minimieren; und Einstellen der Durchflußmenge des Dotierungsgases, während der Gesamtdruck und die Durchflußmengen konstant gehalten werden, um einen Zielwert für Δn zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das siliciumhaltige Gas SiH₄ ist, wobei das Oxidationsgas N₂O und das Trägergas N₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der SiH₄-Gasdurchfluß auf etwa 0,20 Standard-Liter/min festgelegt ist, der N₂O-Gasdurchfluß auf etwa 6,00 Standard-Liter/min, der N₂-Gasdurchfluß auf etwa 3,15 Standard-Liter/min festgelegt ist und der Dotierungsgas-Durchfluß zwischen den folgenden Werten variiert: 0,00 Standard-Liter/min, 0,12 Standard-Liter/min, 0,25 Standard-Liter/min. 0,35 Standard-Liter/min, 0,50 Standard-Liter/min und 0,65 Standard-Liter/min.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Gesamt-Abscheidungsdruck auf etwa 347 Pa (2,60 Torr) festgelegt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Filme ferner einer Wärmebehandlung nach der Abscheidung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wärmebehandlung nach der Abscheidung bei einer Temperatur zwischen 400 und 1200°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Wärmebehandlung nach der Abscheidung bei etwa 800°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Wärmebehandlung nach der Abscheidung in Gegenwart von Stickstoff erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Filme bei einer Temperatur zwischen 100 und 650°C aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Filme bei einer Temperatur von etwa 400°C aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dotierungsgas PH₃ ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, das ferner aufweist: Definition eines sechsdimensionalen Raums, wobei fünf Dimensionen davon ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften unabhängigen Variablen entsprechen, von denen sich die erste, zweite, dritte und vierte unabhängige Variable jeweils auf die Durchflußmenge des siliciumhaltigen Gases, des Oxidationsgases, des Trägergases bzw. des Dotierungsgases beziehen und sich die fünfte unabhängige Variable auf den Gesamtdruck bezieht, und wobei eine sechste Dimension davon sich auf die Absorptionsmaxima in den FTIR-Spektren bezieht; Aufbringen der optischen Filme mit Brechungsindizes, während die ersten, zweiten, dritten und fünften unabhängigen Variablen auf Werten konstant gehalten werden, die so ausgewählt sind, daß die Absorptionsmaxima in den beobachteten FTIR-Spektren minimiert werden; und Variieren der vierten unabhängigen Variablen, um das gewünschte Δn zu erhalten, ohne die beobachteten FTIR-Spektren zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die optischen Filme Siliciumoxidfilme sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das siliciumhaltige Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiH₄, SiCl₄, SiF₄, Si₂H₆, SiH₂Cl₂, SiCl₂F₂ und SiH₂F₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei das Oxidationsgas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N₂O, O₂, H₂O, H₂O₂, CO und CO₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, wobei das Trägergas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N₂, He, Ne, Ar oder Kr besteht.