提高plc光波導性能的晶圓加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及PLC波導晶圓加工工藝。
【背景技術】
[0002]PLC平面波導集成芯片是基于半導體平面加工技術的集成光學器件。與傳統(tǒng)的分立器件不同它采用的是半導體工藝來加工制造，能夠把不同功用的光學元件集成到一塊芯片上。PLC平面波導工藝技術是實現(xiàn)光電器件集成化、規(guī)?；⑿⌒突幕A工藝技術。與熔融拉錐技術相比，平面波導技術具有性能穩(wěn)定、成本低廉、適于規(guī)?；a(chǎn)等顯著特點。今后在光纖到戶系統(tǒng)中將不再使用光纖融熔拉錐制作的光學分離器件，平面波導技術為高性能、低成本接入網(wǎng)用光器件的生產(chǎn)提供了一條有效途徑。
[0003]在寬帶通信中作為信息傳輸介質的光導纖維即光纖是根據(jù)光在折射率不同的兩種介質界面產(chǎn)生全反射的原理來實現(xiàn)的。通常是Si02介質作芯核的折射率稍大于同樣是Si02材料制作的外包層(相當于平面波導的覆蓋層)的折射率。目前普遍采用的工藝如附圖1所示，由高溫氧化在硅基層上生成襯底層(玻璃Si02)，然后由PECVD生成芯層(玻璃Si02)，一般用Ge (鍺)或者是P (磷)摻雜，目的是提高芯層的折光指數(shù)，該層要進行高溫退火，加熱到大約1100°C左右，讓材料微觀組織結構更緊密，性能更穩(wěn)定，材料折光指數(shù)更均勻。經(jīng)過光刻成形后，沉積覆蓋層，由于要使得材料充分覆蓋成形芯層的每一道尖角和窄縫，在加工中需要多次沉積回流操作?；亓骶褪窃诟邷叵伦屵@一層熔化，以便能流入到縫隙并將其填滿。同時還不能讓芯層和襯底層熔化，一般在反應氣體里摻雜B (硼)，硼能降低材料的熔點，增加流動性，但它同時也會降低材料的折光指數(shù)，為了平衡這一效應，摻雜P(磷)使得覆蓋層的折光指數(shù)與襯底層一致。這一層的玻璃材料也叫BPSG?；亓鳒囟纫话阍?850°C -1050°C之間。
[0004]目前現(xiàn)有的PLC波導加工工藝技術(參見圖1)，通過高溫加工處理后容易在波導里產(chǎn)生很大的殘余應力，應力在光學材料中會有光彈性效應，從而使得光產(chǎn)生雙折射(Birefringenc)而影響器件的工作性能，光的E模和M模產(chǎn)生相位差，從而導致雙波峰，也就是輸入器件的信號是單波峰，輸出的卻變成了雙波峰，嚴重時會出現(xiàn)誤碼錯誤。這一性能主要用PDL指標來衡量?；诂F(xiàn)有工藝技術為解決波導應力問題，在如下幾個方面做了工作，D改變基層材料，用與波導材料線膨脹系數(shù)更接近并能耐高溫的石英取代硅晶圓材料，但石英價格貴也不利于光電器件在芯片上的集成。2)波導芯層的深度干蝕，該方法可幫助釋放波導芯的應力，但增加了覆蓋層沉積回流的工藝難度，特別是在尖角處，窄縫會更深了(參見圖2)。3)在加工好的波導層邊開溝挖槽，釋放應力，但這種方法會增加幾道工序如光亥IJ，干蝕工藝等，會增加成本，而且也增加了后端工藝難度(如圖3所示)。4)覆蓋層摻雜，覆蓋層BPSG，摻雜B(硼)是降低熔點，P(磷)是提高材料折光指數(shù)的，但同時硼和磷的加入又能改變材料的機械性能，材料的線膨脹系數(shù)會改變，現(xiàn)有的波導加工技術主要依靠摻雜深度在折光指數(shù)和線膨脹系數(shù)間找平衡，使得該層材料既滿足性能要求同時還能改善波導的應力狀況。由于現(xiàn)有工藝本身使得波導層產(chǎn)生較大的內應力(殘余應用)，利用覆蓋層摻雜來調節(jié)難度的確很大。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種新的PLC波導晶圓加工工藝，在降低波導的內應力(殘余應力)的同時，簡化了加工工藝，不增加成本，降低獲得高性能PLC波導的晶圓加工難度。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]—種提尚PLC光波導性能的晶圓加工方法，包括以下制備步驟:在娃晶圓材料上沉積生長二氧化硅襯底層或直接以石英玻璃或耐熱的光學玻璃材料制得的晶圓為襯底層，通過光刻和干蝕工藝將波導芯的圖案刻蝕在襯底層中形成凹槽；而后再在襯底層上沉積波導芯層；將襯底層表面上的波導芯層材料去掉，使得襯底層嵌有波導芯，再沉積覆蓋層。
[0008]通過本發(fā)明的制備方法所制得材料的結構與現(xiàn)有工藝有本質的區(qū)別，本發(fā)明是在襯底層中嵌有波導芯層，在制備過程中不是采用在直接在平面襯底層上堆一層波導芯層后再用光刻干蝕的方法刻蝕出凸起波導芯層后，沉積覆蓋層，而是采用光刻和干蝕法，通過襯底層上形成凹槽將波導芯所需的形狀加工出來后，再沉積波導芯層，去除多余的波導芯層后，只需要在一整平面上沉積覆蓋層。本發(fā)明工藝的優(yōu)勢在于這一處理過程，由于襯底層是通過高溫氧化方法獲得的，那么襯底層在室溫條件下的殘余應力大小就會是由高溫氧化的溫度以及襯底層材料(Si02)與基層材料(譬如Si)的線膨脹系數(shù)差決定；在襯底層進行刻蝕形成波導芯圖形凹槽時，應力可以得到巧妙的釋放的同時，也有利于后續(xù)的波導芯層、及覆蓋層的沉積工藝，波導芯層的沉積可用PECVD或者ICP - CVD，其加工溫度比較低，PECVD溫度可在400°C以下，而ICP - CVD可在150°C以下，由于沉積溫度不高，當降溫到室溫時芯層產(chǎn)生的殘余應力不會太大；且當芯層上面多余的部分被用干蝕或其他方法去掉后，應力又得到釋放。相對而言，現(xiàn)有工藝是先沉積波導芯層，再對波導芯層進行刻蝕，在此基礎上沉積覆蓋層；這一過程中應力不能得到及時的釋放；沉積覆蓋層，由于要使得材料充分覆蓋成形后的芯層的每一道尖角，窄縫，在加工中需要多次沉積回流操作更是增加操作工序；回流的控制要求是在高溫下讓這一層熔化，以便能流入到縫隙將其填滿，同時還不能讓芯層和襯底層熔化，回流溫度一般在850°C到1050°C之間，回流的過程材料在一千度左右的高溫熔化，該溫度點就變成自由溫度點，再降到室溫會在材料中產(chǎn)生很大的殘余應力。而本發(fā)明則不存在以上問題，本發(fā)明的波導覆蓋層的沉積可以多種方法譬如PECVD，ICP - CVD或者普通LPCVD等，因為沉積溫度的高低決定產(chǎn)生應力的大小，本發(fā)明工藝方法卻可以選擇低溫沉積方法，然后退火，因為只需要在平面上覆蓋，結構簡單無需高溫回流的操作。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)勢還體現(xiàn)在PLC光波導器件中很常見的“Y”型結構(Y-junct1n)的制備過程中，若用現(xiàn)有技術加工在兩條凸起的波導芯之間就會形成一個尖角，這為覆蓋層的沉積加大了難度，現(xiàn)有技術就必須用高溫回流才能覆蓋，就是沉積覆蓋層(BPSG)然后回流讓BPSG材料熔化流入尖角處；有時要經(jīng)過好幾次沉積后回流才能填好；若留下氣孔就會影響光波導傳輸性能，加工難度很大。本發(fā)明采用的方法，由于凹槽的寬度有5微米到6微米寬，容易沉積，大大降低了加工難度(參見圖5)。
[0010]本發(fā)明中所述的生長沉積二氧化硅襯底層可以是高溫氧化法，可以是PECVD方法沉積，ICP — CVD 方法，LPCVD 方法，或者 FHD (flame hydrolysis deposit1n)即火焰法沉積獲得。
[0011]本發(fā)明中所述的沉積波導芯層可以用多種方法如PECVD方法，ICP 一 CVD方法，LPCVD 方法，或者 FHD (flame hydrolysis deposit1n)即火焰法沉積獲得。
[0012]本發(fā)明中覆蓋層的沉積也可以用多種方法獲得，可以是PECVD方法沉積，ICP —CVD方法，LPCVD方法，或者FHD (flame hydrolysis deposit1n)即火焰法沉積獲得。
[0013]本發(fā)明的加工方法中，為了提高波導芯層材料的折光指數(shù)，需要用Ge (鍺)或者P(磷)摻雜；但不局限這兩種元素