硅基光波導激光表面光滑化仿真方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光學領域和材料表面工程領域，尤其涉及采用激光以降低波導側 壁粗糙度的方式降低硅基光波導散射損耗的仿真模擬方法，具體為一種硅基光波導激光表 面光滑化仿真方法。
【背景技術】
[0002] 隨著光通信技術的發(fā)展，光子器件和光子集成代替電子器件成為重要發(fā)展方向。 鑒于硅成本低廉，加工工藝技術和集成電路技術發(fā)展已經(jīng)相當成熟，同時在1.3-1.6um的光 通信波段內(nèi)，光吸收損耗非常低等優(yōu)點，將硅從微電子學領域拓展到光電子學領域，開展全 硅(包括絕緣體上硅材料，SOI)光集成有源和無源器件已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢。
[0003] 米用現(xiàn)有光刻技術制作的娃波導的結構如圖1所不，娃波導包括兩棱柱和棱柱之 間的凹槽，光刻技術制作的硅波導不可避免地在波導棱柱側壁留下了較大的表面粗糙度， 同時由于光刻過程的不穩(wěn)定，波導棱柱側壁粗糙度值的大小帶有一定隨機性。相關研究表 明，粗糙側壁引起的散射損耗是光波導損耗的主要部分。采用相應的技術降低波導側壁粗 糙度，從而降低散射損耗成為光波導器件從實驗室走向生產(chǎn)線的關鍵技術，其中使用高能 束激光，利用激光的熱效應加熱波導側壁至熔化再凝固技術成為硅波導表面處理的重要研 究方向。利用激光做硅波導側壁粗糙度處理的技術發(fā)展情況如下：目前，由于硅波導結構微 小，利用激光做硅波導側壁粗糙度處理的實驗條件較苛刻，這一技術僅停留在實驗室階段。 利用激光做硅波導側壁粗糙度處理的仿真僅停留在溫度場的分析上，沒有涉及這一過程的 全過程仿真。
[0004] 現(xiàn)有技術存在的缺陷主要包括以下三個方面：（1)無法確定激光束的精確參數(shù)。廣 泛采用的光刻技術加工的硅波導，由于光的衍射和掩膜版自有的粗糙側邊，制作的硅波導 不可避免地留下了粗糙的側壁，激光參數(shù)的選擇主要依靠經(jīng)驗，實驗效果不佳，成功率低。 (2)無法調(diào)控激光束參數(shù)。由于光刻過程的不穩(wěn)定性，使得粗糙度的分布帶有隨機性。僅對 溫度場的仿真無法根據(jù)表面粗糙度的變化對激光參數(shù)進行精確調(diào)控。（3)缺乏針對硅基光 波導激光表面光滑化這個整個物理過程的仿真模擬系統(tǒng)。目前的仿真僅停留在對溫度場的 分析中，難于指導實驗和生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種硅基光波導激光表面光滑化仿真方 法。
[0006] 本發(fā)明是采用如下的技術方案實現(xiàn)的：硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，包 括以下步驟：
[0007] 第一步:確定激光照射下，娃基光波導的熱源分布，分析娃基光波導與環(huán)境之間的 熱交換，用于設定邊界條件；
[0008] 第二步:分析在激光照射下，硅基光波導在升溫過程中的物理機理并進行簡化，在 有限元分析方法中根據(jù)簡化的物理機理將實際硅基光波導棱柱三維結構建立成硅基光波 導棱柱二維模型；
[0009] 第三步:設置硅基光波導的材料對激光能量的吸收系數(shù)、常壓熱容、密度和熱導系 數(shù)，設置熱源激光照射角度、激光平均能量密度和激光脈沖時長，以及對流傳輸系數(shù)，將設 置的激光參數(shù)作為邊界條件施加在硅基光波導棱柱二維模型上，然后利用二維熱傳導方程 在有限元軟件中對激光照射下的硅基光波導進行瞬態(tài)溫度場分析，得出硅基光波導在激光 作用下的各區(qū)域溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，為分析硅基光波導的相變?nèi)刍瘏^(qū)流體流動情況奠 定基礎；
[0010] 第四步:溫度場獲得的各區(qū)域溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)用于在硅基光波導棱柱二維 模型上得到區(qū)分硅基光波導受熱熔化區(qū)域和未熔化區(qū)域的等溫線，然后根據(jù)真實硅基光波 導制造后留下的粗糙側壁數(shù)據(jù)，在有限元分析方法中重構側壁粗糙表面；
[0011] 第五步:采用間接法，在流場中使用溫度場獲得的等溫線數(shù)據(jù)控制重構的側壁粗 糙表面受熱后的熔化區(qū)域和未熔化區(qū)域，采用不可壓縮流體條件下的納維-斯托克斯方程 在有限元軟件中計算熔化區(qū)域的流體流動，獲得流體流動特性；
[0012] 第六步:根據(jù)流體流動特性，通過有限元分析方法求解計算，得到娃基光波導受熱 熔化凝固后的表面圖，表面圖用于檢驗激光參數(shù)的設定是否合理，若表面圖粗糙度低可直 接指導實際加工，若表面圖粗糙度高，需要重新調(diào)整激光參數(shù)。
[0013] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，硅基光波導的對激光能量的吸收系 數(shù)、常壓熱容、密度和熱導系數(shù)均設置為溫度的函數(shù)?？紤]到物理過程涉及硅材料的吸熱升 溫、熔化相變、液體硅流動、凝固相變過程，因此材料參數(shù)均設為溫度的函數(shù)。
[0014] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，真實硅基光波導制造后留下的粗糙 側壁數(shù)據(jù)的測量使用原子力顯微鏡(AFM)或者掃描隧道顯微鏡(STM)進行測量。
[0015] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，硅基光波導熱源包括棱柱上表面照 射激光和棱柱側壁照射激光，熱源的設置采用以下公式：I*cos(0i)*g(t)*Ttop*ftop(x， y)*AO(T)*eXp(AO(T)*C〇S(0t)，式中：1為激光平均能量密度，單位為J/cnf2;0i為激光的照 射角度，單位為度;為激光的折射角度，單位為度;g(t)為高斯分布函數(shù);Ttop為強吸收條 件下的菲涅耳熱產(chǎn)生函數(shù);ftop(x，y)為與模型相關的能量分布函數(shù);Α0(Τ)為硅的吸收系 數(shù)，單位為1 /cm; exp (AO (T) *cos (Θ t)為倏逝場的指數(shù)衰減項。
[0016] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，溫度場的瞬態(tài)分析，使用二維熱傳 導方程進行計算，基本方程如下：
[0017]
[0018]
[0019]式中：p為材料密度，單位Kg/m3;Cp為常壓熱容，單位J/(Kg · K) ;T為材料的溫度， 單位Κ; %為對流速度場的張量寫法；f為熱流強度，單位W/m2; k為熱傳導系數(shù)，單位W/ (m2 · K) ;Q為外部熱源，單位Lq*3為瞬態(tài)熱源，單位J;Qted為輻射傳熱項，單位J。
[0020]上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，相變?nèi)刍^程采用熱焓分析法，熱 洽分析法等效熱容如下：熱洽法對娃材料比熱容的修正公式為：Cp ' = Cp_a + 5AH，
-式中：Cp'為發(fā)生相變過程中的等效熱容，單位J/(Kg · K);Cp_a % 為相變前的材料熱容值，單位J/(Kg · κ);δ為熱焓法熱容修正系數(shù)，單位l/κ; ΔΗ為硅材料 熔化潛熱，單位J/g; Τ為波導材料各區(qū)域瞬時溫度，單位Κ，Tm為硅的熔點溫度，單位Κ，△ Τ為 硅的相變半徑，單位K。
[0021] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，流體的計算采用不可壓縮流體的納 維-斯托克斯方程：
[0022]
[0023]
[0024] 式中：P為液體硅的密度，單位Kg/m3; u為流體流動速度矢量，單位m/s ;μ為粘滯系 數(shù)，單位N*s/m2; i為重力加速度，單位m/s2; Fst為界面張力項，單位N/m; F為力源項，單位Ν/ m〇
[0025] 上述的硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，對于流體計算過程的計算機可視 化，采用水平集方法追蹤熔融區(qū)域的流體情況，水平集基本方程如下：
[0026]
[0027] 式中：φ為描述兩相流界面的標量函數(shù)；?為流體流動速度矢量；γ為重新初始化 參數(shù)，單位m/s; εls為界面厚度控制參數(shù)，單位m。
[0028] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0029] 1)本發(fā)明將激光作用下的硅基光波導作為一個整體進行熱特性流體數(shù)值仿真，獨 創(chuàng)性地對兩個場進行耦合，比僅考慮溫度場更加接近真實激光作用下的硅波導物理過程。 更準確的預測了在一定能量密度和照射角度下的硅波導溫度分布和側壁粗糙度下降情況， 可為控制激光能量對光波導側壁進行表面處理提供可靠的技術數(shù)據(jù)。
[0030] 2)本發(fā)明針對激光作用下的硅波導溫度場仿真分析時，充分考慮了硅波導受熱的 熱源情況，采用數(shù)值方法將其處理為體熱源，避免了理論分析中不合理簡化熱源為線熱源 對結果分析的影響，提高了采用激光表面光滑技術降低硅或絕緣體上硅材料光波導損耗的 仿真模擬的準確性。
[0031] 3)本發(fā)明在處理硅波導表面粗糙度數(shù)據(jù)時，采用直接測量和導入仿真模擬系統(tǒng)的 方法，可以完全重現(xiàn)所要加工的硅波導側壁粗糙情況，針對不同的粗糙度情況獲得相應的 激光能量密度和照射角度等數(shù)據(jù)，為這一技術的自適應加工提供了軟件基礎。
【附圖說明】
[0032]圖1為現(xiàn)有光波導的結構不意圖。
[0033]圖2為光波導棱柱的二維結構示意圖。
[0034] 圖中：1_棱柱，2-凹槽。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，本發(fā)明的實施方式包括但不局限于下 列實施例。本發(fā)明提供了一種硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，該方法將激光作用下 的硅基光波導表面物理衍化過程作為一個整體進行熱流體數(shù)值仿真，再結合運算獲得的數(shù) 據(jù)可以對激光相關參數(shù)進行優(yōu)化，獲得的數(shù)據(jù)結果準確性好精度高。
[0036] 下面以SOI光波導為例進行詳解，波導材料為硅，絕緣體襯底材料為二氧化硅，波 導棱柱上表面寬度200nm，側壁深度200nm，側壁均方根粗糙度值約為15nm。
[0037] 硅基光波導激光表面光滑化仿真方法，包括以下步驟：
[0038] 第一步:先進行溫度場的仿真，確定激光照射下，硅基光波導的熱源分布，如圖2所 示，硅基光波導熱源包括上表面照射激光和側壁照射激光，分析硅基光波導與環(huán)境之間的 熱交換，用于設定邊界條件，所用激光為單脈沖納秒量級，實驗條件在真空腔中進行；
[0039] 熱源的設置采用以下公式，需要利用以下公式對頂部和側壁設置熱源：
[0040] I*cos(9i)*g(t)*Ttop*ftop(x，y)*A0(T)*exp(A0(T)*cos(9t)
[0041 ]式中：I為平均激光能量密度，單位為J/Cm~2; 0i為激光的入射角度，單位為度;0t 為激光的折射角度，單位為度;g(t)為高斯分布函數(shù);Ttop為強吸收條件下的菲涅耳熱產(chǎn)生 函數(shù);ftop(x，y)為與模型相關的能量分布函數(shù);Α0(Τ)為娃的吸收系數(shù)，單位為l/cm;exp (AO(T)*cos(0t)為倏逝場的指數(shù)衰減項。
[0042]第二步:分析在激光照射下，硅基光波導在升溫過程中的物理機理并進行簡化，在 有限元分析方法中根據(jù)簡化的物理機理將實際硅基光波導棱柱三維結構建立成硅基光波 導棱柱二維模型，簡化內(nèi)容包括：1、采用光波導棱柱的正向切面圖作為仿真使用的波導側 壁二維模型；2、溫度場的仿真忽略表面粗糙度對溫升的影響；3、激光的能量分布近似看做 高斯分布;4、溫度場的熱源設置忽略側壁受熱熔化的塌陷過程;5、流體模型僅研究棱柱側 壁上的單個凸起的吸熱恪化流動過程，側壁上其他的凸起和