一种低损耗氮化硅波导的制备方法技术

本发明专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，属于硅基光子器件制备技术领域。本发明专利技术在硅片上生长厚的二氧化硅膜作为下包层；在下包层上通过光刻刻蚀实现目标波导槽的图形转移；进行高温退火实现二氧化硅回流；使用各向异性的沉积方法沉积氮化硅薄膜；使用化学气相沉积生长芯层保护层氧化硅薄膜；使用化学机械平坦化去除高处的氮化硅薄膜，槽内的氮化硅作为波导芯层；进行高温退火改善氮化硅的形貌和光学损耗；生长厚的二氧化硅薄膜作为上包层；完成低损耗氮化硅波导的制备。本发明专利技术使用与CMOS平台兼容的方法，利用各向异性填槽和化学机械研磨方法，避免对波导芯层的刻蚀和直接研磨，从而避免芯层表面粗糙度和损伤带来的损耗。耗。耗。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗氮化硅波导的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种低损耗氮化硅波导的制备方法，属于硅基光子器件制备


技术介绍

[0002]氮化硅材料的折射率高于二氧化硅，且氧化硅和氮化硅的薄膜方法与CMOS平台兼容。在硅基平台上，氮化硅是极为理想的芯层材料；而氧化硅良好的光电特性，以及极低的光损耗，使得其称为包层材料的最佳选择。在硅基光子学快速发展的今天，芯层为氮化硅的低损耗的波导、微腔、光栅等等结构可以为光子学设计提供巨大的方法和技术支撑。
[0003]尽管如此，现有的氮化硅波导方法依然有三个缺点：首先，氮化硅由于其材料特性，其对光的损耗，要高于氧化硅材料；其次，传统的氮化硅波导加工方法步骤，会用到刻蚀方法刻蚀氮化硅芯层，刻蚀会引入很大的侧壁粗糙度，从而导致损耗增加；第三，现有的氮化硅波导大多在300nm
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500nm，不仅由于应力的问题影响加工，同时，更厚的氮化硅波导更容易受到侧壁粗糙度的影响，从而有更大的损耗。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提供一种低损耗氮化硅波导的制备方法，能够实现低损耗氮化硅波导的制备，降低氮化硅波导的损耗。本专利技术所述氮化硅波导包括但不限于条形波导、脊型波导等结构，而是包含任何氮化硅材质的可以实现导引光波功能的结构。本专利技术通过氮化硅芯层定义光波导，使得光的能量主要在氧化硅中传播，从而能够利用氧化硅超低光损耗的特性。通过各向异性薄膜沉积填槽，配合平坦化的方式形成氮化硅芯层，避免对氮化硅芯层的刻蚀和直接研磨，从而避免芯层表面粗糙度和损伤带来的损耗。通过较薄的氮化硅芯层在实现对光的弱束缚的同时，也使得氮化硅的侧壁本身较小，从而进一步降低侧壁粗糙度对光损耗的影响。所述较薄的氮化硅芯层指比现有技术氮化硅波导薄。本专利技术可以兼容弱束缚光波导结构，实现进一步低损耗的氮化硅光波导制备。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：准备晶圆衬底，并对衬底进行清洗；
[0008]步骤二：在衬底上进行厚的氧化硅下包层生长；
[0009]步骤三：使用光刻和刻蚀的方法完成图形转移，在下包层上形成槽，完成波导的图形定义；
[0010]步骤四：对波导进行高温退火，实现氧化硅的回流；
[0011]步骤五：使用各向异性沉积方法进行各项异性的氮化硅薄膜生长；
[0012]步骤六：使用化学气相沉积方法进行芯层保护层氧化硅薄膜生长；
[0013]步骤七：使用化学机械平坦化方法进行化学机械研磨平坦化晶圆，去除高处的氮化硅薄膜；
[0014]步骤八：进行高温退火改善氮化硅的形貌和光学损耗；
[0015]步骤九：生长厚的氧化硅薄膜，完成上包层，完成低损耗的氮化硅波导的制备。
[0016]本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，还包含薄膜沉积和刻蚀前后改善薄膜表面的干法湿法处理方法。
[0017]本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，通过氮化硅芯层定义光波导，使得光的能量主要在氧化硅中传播，从而能够利用氧化硅超低光损耗的特性。通过各向异性薄膜沉积填槽，配合平坦化的方式形成氮化硅芯层，避免对氮化硅芯层的刻蚀和直接研磨，从而避免芯层表面粗糙度和损伤带来的损耗。通过较薄的氮化硅芯层在实现对光的弱束缚的同时，也使得氮化硅的侧壁本身较小，从而进一步降低侧壁粗糙度对光损耗的影响。所述较薄的氮化硅芯层指比现有技术氮化硅波导薄。本专利技术能够兼容弱束缚光波导结构，实现进一步低损耗的氮化硅光波导制备。
[0018]本专利技术还包含薄膜沉积和刻蚀前后改善薄膜表面的干法湿法处理方法。
[0019]所述的下包层、上包层不限于二氧化硅薄膜，或为其他折射率相对较低的材料，所述折射率相对较低的材料不限于二氧化硅薄膜、石英、玻璃。所述下包层、上包层成膜手段生长包括使用干氧或湿氧热氧化、化学气相沉积、溅射、蒸发。
[0020]所述的芯层不限于氮化硅，或为其他折射率相对较高的材料，所述折射率相对较高的材料包括氮化硅、氮化铝、铝镓砷、碳化硅，所述的芯层成膜手段生长包括化学气相沉积、分子束外延、溅射、蒸发。
[0021]所述下包层、上包层的氧化硅薄膜，其厚度较厚；所述芯层氮化硅薄膜，其典型厚度为百纳米级。
[0022]所述衬底不限于硅衬底，还包括但不限于SOI、蓝宝石的其他衬底。
[0023]所述的光刻刻蚀包含波导版图的制备；晶圆涂胶；图形转移；反应离子刻蚀；所述图形转移包含但不限于接近式、接触式、步进式曝光、纳米压印、自组装。
[0024]侧壁氮化硅生长速率缓慢，几乎能够忽略，所述各向异性的氮化硅沉积方法实现方法包括衬底偏压、沉积
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刻蚀循环方法，或基于侧壁与平面薄膜生长速率不同、结合湿法腐蚀回刻实现。
[0025]所述平坦化方法，去除高处的氮化硅薄膜，停在氧化硅下包层上面，槽底部的氮化硅不受平坦化的影响。
[0026]1、本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，通过使用氧化硅回流方法将槽侧壁粗糙度降低到亚纳米量级，再引入各向异性薄膜沉积技术填槽，配合化学机械平坦化，规避了对波导芯层的刻蚀。从而减小芯层等离子体损伤和侧壁粗糙度。
[0027]2、本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，在没有增加方法复杂度的情况下，避免芯层刻蚀引入的波导侧壁粗糙度损耗。同时，使用弱束缚波导，在通过氮化硅定义波导芯层的同时，光的大部分能量在氧化硅中传播，同样能够显著降低波导损耗，有效地实现与CMOS方法平台兼容的低损耗氮化硅波导的制备。
[0028]3、本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，使用与CMOS平台兼容的方法，利用各向异性填槽和化学机械研磨方法，避免对波导芯层的刻蚀和直接研磨，从而避免芯层表面粗糙度和损伤带来的损耗。本专利技术能够兼容弱束缚光波导结构，实现进一步低损耗的氮化硅光波导制备。
[0029]4、本专利技术公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，通过行高温退火改善氮化硅的形貌和光学损耗。
附图说明
[0030]图1为低损耗氮化硅波导的制备方法的具体实施方法流程示意图及方法步骤说明；
[0031]图2为本专利技术的一个实例，波导结构示意。图中标号：1
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衬底，2
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氧化硅下包层，3
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氧化硅上包层，4
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氮化硅芯层，5
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定义波导的凹槽。
具体实施方式
[0032]下面结合附图2对本专利技术做进一步说明。
[0033]实施例1：
[0034]如图1和图2所示，本实施例公开的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，包括：
[0035]步骤1，首先进行衬底准备，对应图2衬底1，对衬底进行炉前清洗。步骤2，在衬底上进行15μm氧化硅薄膜生长，使用湿氧氧化方法，对应图2氧化硅下包层2。步骤3，使用设计好的版图进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损耗氮化硅波导的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：准备晶圆衬底，并对衬底进行清洗；步骤二：在衬底上进行厚的氧化硅下包层生长；步骤三：使用光刻和刻蚀的方法完成图形转移，在下包层上形成槽，完成波导的图形定义；步骤四：对波导进行高温退火，实现氧化硅的回流；步骤五：使用各向异性沉积方法进行各项异性的氮化硅薄膜生长；步骤六：使用化学气相沉积方法进行芯层保护层氧化硅薄膜生长；步骤七：使用化学机械平坦化方法进行化学机械研磨平坦化晶圆，去除高处的氮化硅薄膜；步骤八：进行高温退火改善氮化硅的形貌和光学损耗；步骤九：生长厚的氧化硅薄膜，完成上包层，完成低损耗的氮化硅波导的制备。2.如权利要求1所述的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，其特征在于：还包含薄膜沉积和刻蚀前后改善薄膜表面的干法湿法处理方法。3.如权利要求1或2所述的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，其特征在于：通过氮化硅芯层定义光波导，使得光的能量主要在氧化硅中传播，从而能够利用氧化硅超低光损耗的特性；通过各向异性薄膜沉积填槽，配合平坦化的方式形成氮化硅芯层，避免对氮化硅芯层的刻蚀和直接研磨，从而避免芯层表面粗糙度和损伤带来的损耗；通过较薄的氮化硅芯层在实现对光的弱束缚的同时，也使得氮化硅的侧壁本身较小，从而进一步降低侧壁粗糙度对光损耗的影响；所述较薄的氮化硅芯层指比现有技术氮化硅波导薄；本发明能够兼容弱束缚光波导结构，实现进一步低损耗的氮化硅光波导制备。4.如权利要求1或2所述的一种低损耗氮化硅波导的制备方法，其特征在于：所述的下包层、上包层不限于二氧化硅薄膜，或为其他折射率相对较低的材料，所述折射率相对较...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昱东，李维，冯梁森，李小宽，刘雅丽，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：