厚二氧化硅光波导薄膜的制备
收稿日期:2004-12-20;收到修改稿日期:2005-01-04摘要随着光通信的飞速发展,Si 基SiO 2平面光波导集成器件的应用更加重要和广泛。在Si 基上制备高质量的厚SiO 2薄膜,是制作SiO 2光波导及其集成器件的基础。本文介绍了Si 基厚SiO 2薄膜的几种制备方法。
关键词
光波导
硅基
二氧化硅
溶胶凝胶法
火焰水解法
等离子体增强化学气相沉积
Fabrication of Thick Silica Film for Optical Waveguides
BAO Hongtao DAI Jizhi YANG Yapei
ZHAO Tianzhuo TONG Hui
LUO Hui
(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054)Abstract
With the development of optical communications integrated devices on silicon-based silica planar optical
waveguides have been widely used and play an important role in optical communications.Depositing high quality
thick SiO 2film on Si substrate is the basis for fabricating waveguides and integrated devices.
Some fabrication
methods of thick SiO 2film are described.Kew words
optical waveguides
silicon substrate
SiO 2
Sol-Gel
FHD(Flame Hydrolysis Deposition)
PECVD
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
厚二氧化硅光波导薄膜的制备
包洪涛戴基智杨亚培赵天卓佟会罗辉
(电子科技大学光电信息学院,成都610054)
1引言
近年来,由于光通信的飞速发展,人们对Si 基SiO 2光波导的研究也不断深入。SiO 2光波导具有结构简单、传输损耗低、易于集成、性能稳定等优点,并且能有效地与光纤耦合,是较理想的波导元件,成为光通信领域研究的热点。
随着平面波导制作工艺的不断成熟和成本持续下降,Si 基SiO 2光波导集成器件在光通信领域的应用变得更加重要和广泛。这些平面光波导集成器件可分为单一成分器件(Single -Component De 原vices),如激光器,半导体光放大器和相位调制器等,和平面光波回路(Planar Lightwave Circuits)[1],即由一定数量的光元器件单片集成。
此外,SiO 2平面光波导还可以作为平台或主板进行光电混合集成[2]。2厚SiO 2薄膜的制备
在Si 基上制备厚SiO 2薄膜的方法很多,人们已发展了溶胶凝胶法(Sol-Gel )、火焰水解法(FHD)、等离子体增强化学气相沉积
(PECVD)、高温热氧化(Thermal Oxidation )等多种制备方法。2.1溶胶凝胶法(Sol-Gel)
溶胶凝胶法是将各种添加剂
与硅酸乙酯TEOS[Si(OC 2H 5)4]和溶
剂(通常为乙醇)在一定条件下混合,经过水解、缩聚等反应,形成稳定的溶胶,然后将其涂在Si 基底上,随着溶剂的蒸发和缩聚反应的进行,胶体的结构强度增加,溶胶逐渐固化为凝胶,经过干燥和烧结后,在Si 基底上形成SiO 2膜。
硅酸乙酯的水解包括两个过程:水解反应和聚缩反应,反应方程如下[3]:
Si(OR)4+nH 2O →Si(OH)n (OR)4-n +
n ROH
(1)Si(OH)n (OR)4-n +m H 2O →Si(OH)n +m (OR)4-n-m +m ROH
(2)
≡Si-OR+HO-Si ≡→≡Si-O-Si ≡
+ROH (3)≡Si-OH+HO-Si ≡→≡Si-O-Si ≡+H 2O
(4)
式中R 为乙基-C 2H 5;n =1,2,3,4;
m+n =1,2,3,4。
反应中,常以盐酸作催化剂。
在溶胶到凝胶的转变过程中,温度、组分和浓度等各参数对凝胶的结构和性质有较大影响。
溶胶凝胶法成膜的方式有多
种[4],包括提拉(dip-coating)、旋涂(spin-coating)和电泳(electroph-oresis)等,在Si 基上制备SiO 2膜
时,常采用旋涂的方式。溶胶-凝胶法在制作厚度微米级的厚膜时,一
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次旋涂的厚度不宜过大,否则干燥后会产生裂纹现象,因此要采用多次旋涂的方式,一次旋涂、干燥之后,再次进行旋涂和干燥,经过多次反复,便可以制得一定厚度SiO 2膜。在每次旋涂成膜之后和再次旋涂之前,应以适当的温度进行热处理,这一点是非常重要的,可以起到防止裂化和致密结构的作用。用溶胶凝胶法制备SiO 2膜时,可以通过掺杂或者紫外线照射[5]的方式改变其折射率,使其折射率比上下包层稍大,从而形成波导层。例如,若掺杂为
Ti 时,则可在SiO 2的先驱体中掺入TiO 2的先驱体TPOT [Ti (OC 3H 7)4],若要掺Ge ,则可在SiO 2的先驱体中掺入TEOG [Ge
(OC 2H 5)4]作为GeO 2的先驱体[6]。Orignac X 等用溶胶-凝胶法
制备了同时掺杂Ti 和Nd 的平面
光波导[4],此波导可作为制备激光
器和放大器的基础。为了制备掺杂层,在制备胶体时,用乙醇作为溶剂,以TEOS 和TPOT 分别作为SiO 2和TiO 2的先驱体。因为TPOT 比TEOS 的水解速度快,所以先将TEOS 进行预水解并加入P 2O 5(P
的来源),持续搅动,并将TPOT 和Nd 的异丙醇盐(neodymium iso -
propoxide ,Nd 的来源)加入溶液,制备出溶胶。其中,加入P 的作用是为了消除波导中Nd 离子的聚集(clustering)效应。在进行旋涂时,时间设置为30s ,速率为2500rpm ,然后在900°C 条件下进行干燥烧结,时间为5min ,得到厚度约为200nm 的膜层,经过多次反复后便得到掺杂的厚SiO 2膜。利用溶胶-凝胶法,先制备出了厚度约3μm 的SiO 2下包层,并在其上制备出厚度约为2μm 的SiO 2-TiO 2-P 2O 3-
Nd 2O 3波导层。经测量,波导层的损耗可低于1dB/cm 。
2.2火焰水解法(Flame Hydrol 原
ysis Deposition)
火焰水解法(FHD)是一种光纤制备工艺,它具有沉积速度快,容易实现掺杂等特点
[7]
。早在1983
年,Kawachi 等人就利用火焰水解法在Si 基上制备出了低损耗的
SiO 2-TiO 2波导[8]。
利用FHD 技术制作光波导
时,可结合反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)技术。以制备SiO 2-GeO 2光波导为例,其典型制
作程序如下,首先用FHD 在Si 基
片上沉积SiO 2层和SiO 2-GeO 2掺杂层,分别作为下包层和波导层。制备过程中可加入少量PCl 3和
BCl 3,以降低玻璃化温度。然后将沉积SiO 2后的Si 基片进行高温处
理,得到致密化的SiO 2层。利用
RIE 刻蚀出波导图形,然后再沉积一层SiO 2,经高温处理后,形成波导的上包层[1]。
火焰水解法的原理为,在H 2
和O 2的燃烧气氛中,通过SiCl 4的水解作用,生成的SiO 2细微颗粒沉积在Si 基的表面上。此反应的化学原理可用如下的反应式表示:SiCl 4+2H 2O+O 2→SiO 2+4HCl
(5)
经火焰水解沉积后,将Si 片送
入高温炉中进行烧结,这需要很高的温度,大约1100至1300℃[9],烧
结后得到致密化的厚SiO 2膜。为了
得到高折射率的波导层,可以采取掺Ge 的方式。将SiCl 4和GeCl 4等源气体经充分混合后,同样在H 2和O 2的燃烧气氛中发生水解反应。GeCl 4水解的反应式可表示如下:
GeCl 4+2H 2+O 2→GeO 2+4HCl
(6)
SiCl 4和GeCl 4水解产生的微
细粉末沉积到Si 基表面,形成一层均匀、疏松的粉末层。将沉积后的Si 片放入高温炉中烧结,可采用分阶段升温的方法,先升温至900℃
保温30min ,再升温至1380℃并保温3h ,最后降至室温,这样得到的SiO 2膜,与直接升温至1380℃烧结相比,表面更加平整光滑。这可能是由于直接升温时烧结反应进行过快,致使GeO 2-SiO 2内部的应力和闭气孔等来不及排除,产生龟裂。而在烧结过程中,先经过900℃的低温预烧结阶段,既可以有效地避免闭气孔的形成,也有利于应力的及时释放,使SiO 2膜表面更加平整光滑[10]。
2.3等离子体增强化学气相沉积
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )
等离子体增强化学气相沉积
(PECVD)利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获
得能量,可在较低温度下实现SiO 2薄膜的沉积。1986年,利用PECVD 法制备的SiO 2波导器件首次被用于光通信领域[11],后来,Grand 等将
此工艺进一步完善,制作了SiO 2波导器件,并提出了沟道损耗再生的
测量方法[12]。
利用PECVD 方法进行低温沉
积厚SiO 2薄膜,可采用SiH 4和N 2O 作为源气体,其反应式可表示为
SiH 4+2N 2O →SiO 2+2N 2+2H 2(7)利用PECVD 制备SiO 2膜时,
可通过调节反应气体的流量比、反应室中的压力、温度及射频功率等参数,控制SiO 2膜的生长速率。将沉积后的Si 片进行退火[12],消除SiO 2
膜中H 原子的影响,得到高质量的SiO 2膜。波导层可用掺杂的方式获
得,杂质包括磷、锗等,通过掺杂使其折射率较上下包层稍大。制备掺Ge 的SiO 2层时
[13]
,可用GeH 4(以
Ar 气稀释)作为Ge 的先驱体。
在文献[13]中,沉积系统采用平行电极结构。圆平行电极直径为
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250mm ,两极板相距为22mm 。频率为380kHz 的射频信号经匹配网络连接到上极板,下极板接地并装有加热装置。首先利用PECVD 在硅基片上沉积22μm 的SiO 2膜作为下包层,然后制备10μm 的掺Ge SiO 2膜作为波导层。在制备掺杂层时,以硅烷(99.999%SiH 4)、一氧化二氮(99.999%N 2O)和10%的
GeH 4(以Ar 气稀释)分别作为Si 、O 和Ge 的先驱体,用质量流量计分别控制每种气体的流量,使各气体以合适的流量比导入反应腔内,进行沉积。沉积条件:320°C(生长温度),气体流量比20/17/2000sc -cm(10%的GeH 4(以Ar 气稀释)/
SiH 4/N 2O),射频输入功率700W ,反应室内的真空度为40Pa ,退火6h 。将得到的掺Ge 层用ICP(In -ductively Coupled Plasma ,感应耦合等离子体)方法刻蚀出脊形结构,最后用PECVD 技术在上面沉积一层硼磷共掺的SiO 2膜作为上包层,制备出沟道波导,在1.55μm 处得到极低的传输损耗0.05dB/cm 。
Lai Q 等人提出了另外一种不掺杂制备波导层的方法[14]。通过控
制沉积过程中SiH 4和N 2O 的流量比,能制备出折射率不同的SiO 2
层,可分别作为上包层、波导层和下包层,从而形成SiO 2光波导。
近年来,人们又发展了微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积(Electron Cyclotron Reso -nance Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,ECR-PECVD)等Si 基SiO 2膜制备技术[15]。
2.4其他方法
制备厚SiO 2薄膜的方法还有热氧化法、电子束蒸镀、氧化多孔硅法等。
热氧化法是在高温条件下
(900~1200℃)使硅片表面发生氧化而形成SiO 2膜的方法。利用高压水汽氧化(high pressure steam oxi -dation)在硅基上制备SiO 2下包层时,膜层的厚度可以得到极好的控
制[11],但这种方法生长速度非常缓慢,生长厚SiO 2膜所需时间很长。伍晓明利用电子束蒸镀工艺在Si 基上制备出了一定厚度的
SiO 2膜[16]。电子束蒸镀是超高真空的物理蒸镀过程,不需要考虑蒸镀过程中的化学反应,利用快门对蒸镀和中断实行瞬时控制,SiO 2膜的组分可以通过源与氛围成分的变化调整,从而在不掺任何其他元素的情况下,改变和控制SiO 2膜的折射率。蒸镀后的SiO 2膜比较疏松,需要对膜进行高温退火,使其致密。通过多次蒸镀、退火的工艺可以实现厚SiO 2膜的蒸镀。
欧海燕等人提出了用氧化多孔硅制备厚SiO 2膜的方法,制备出的
SiO 2膜可用作光波导的下包层材料
[17]
。实验分为两步,首先用阳极氧化
法在Si 基底上形成多孔Si ,然后将
多孔Si 热氧化为SiO 2。在制备SiO 2波导时,可先用此方法制备出波导的下包层材料,再用其它方法制备层和上包层材料,也可通过改变阳极氧化的条件,获得波导的三层材料[18]。
3总结
在Si 基上制作SiO 2波导的工艺当中,等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和火焰水解法(FHD)是应用最为普遍的。火焰水解法是一种光纤制备工艺,具有成膜速度快、能制作厚膜、设备简单和易于操作等优点,但它需一千多摄氏度的高温,容易造成基底变形和杂质的二次分布。等离子体增强化学汽相沉积是一种低温工艺,可与其他微电子工艺兼容,具有生长速率快,可准确控制沉积速率,生成的薄膜结构致密等优点,但设备相对复杂和昂贵。
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