一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法技术

本发明专利技术公开了一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法

【技术实现步骤摘要】
一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法


[0001]本专利技术属于集成光路中硅光波导器件领域，尤其涉及一种可兼容
CMOS
工艺并通过协同作用在硅光波导的表面光滑化方法，该方法进而实现器件传输损耗降低
。

技术介绍

[0002]随着信息时代对计算能力和数据传输的需求依然在日益增长，电子芯片发展逐渐突破物理极限，迎来能耗危机和成本压力
。
而硅光芯片突破摩尔定律限制，在不改变二进制架构和计算体系的基础上实现对信息的巨大吞吐量
。
直接利用
CMOS
设施
(
包括设计工具
、
材料
、
设备和晶圆厂在内的完整价值链
)
实现硅光芯片的直接
、
快速商业化
、
大规模生产
。
[0003]光波导器件是一种无源光子器件，是光学系统中基本的信号传输通道
。
进行基于中国标准
CMOS
代工厂的硅波导和相关光子元件的制造相关研究具有深远意义
。
光波导器件的关键参数主要包括：传播损耗
、
弯曲损耗
、
吸收损耗和散射损耗
。
硅材料是一种间接带隙半导体材料，其本征吸收小，因此吸收损耗较小
。
此外，由于硅波导器件的传输层与埋氧层的折射率差较大，传输层对光的约束能力强，辐射损耗也较小
。
而弯曲损耗由硅光波导器件的曲率半径决定
。
因此，在考虑降低硅光波导传输时，可以聚焦于减小散射损耗这一参数
。
散射损耗与粗糙度存在均方差关系，即：
[0004][0005]其中，
k
为真空中的波数；
σ
为粗糙度均方根差；
n
为波导有效折射率；
d
为波导宽度的一半；因此可以通过改进工艺改善硅光波导器件表面粗糙度进而减小器件工作工程的散射损耗
。
在实际中，大多数硅波导的损耗为3～
30d B/cm
，随着器件微缩
、
波导尺寸逐渐减小，散射损耗受表面粗糙度的影响更大，对其表面光滑度的要求越来越高
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对硅波导材料在制备过程中表面粗糙度较大而造成的该波导器件存在较大的传输损耗的问题，提供一种协同作用在硅光波导表面的光滑化方法
。
通过三种工艺步骤协同优化作用实现硅光波导器件线边缘粗糙度下降，从而达到降低其传输损耗的作用
。
[0007]本专利技术的目的是通过以下三步技术方案来实现的：
[0008]步骤
(1)、
对集成光电子器件硅片进行整体湿氧氧化，然后去除表面的氧化层；
[0009]步骤
(2)、
对步骤
(1)
处理后的集成光电子器件硅片的硅光波导区域采取氢退火工艺；
[0010]步骤
(3)、
利用准分子高能脉冲激光束对硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值
a
的区域实行熔融自修复
。
[0011]作为优选，步骤
(1)
中湿氧氧化法过程是
950
‑
1100℃
下在氧气和氢气以分子数之比
2:1
比例混合的密闭反应腔室中生成
H2O
气体，此时将氧气和反应生成的
H2O
气体泵入到放
置集成光电子器件硅片的反应腔室中发生如下反应：
[0012]Si+2H2O
＝
SiO2+2H2。
[0014]作为优选，步骤
(1)
中湿氧氧化法的反应时间为
1.5
‑
3h。
[0015]作为优选，步骤
(2)
中氢退火工艺具体是氢气气氛
、950
‑
1100℃
退火3‑
5min
，更为优选为
1050℃
下，压强
40torr
条件下在氢气气氛下退火
3min。
[0016]作为优选，步骤
(3)
中准分子激光器的波长为
308nm、
脉宽为
20ns。
[0017]作为优选，步骤
(3)
中准分子激光器采用稀有气体卤化物，更为优选为氯化氙
。
[0018]作为优选，步骤
(3)
中准分子激光器发出的激光束垂直照射到硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值
a
的区域，硅片表面波导区域与水平面间的夹角
α
满足0＜
α
＜
90
°
。
为了将熔融
Si
拉向波导脊，应尽量选择较大的基板倾斜角度
。
[0019]作为优选，步骤
(3)
中阈值
a
取值
10nm。
[0020]步骤
(1)
中，本专利技术首先采用湿氧氧化法
。
氧化剂分子首先通过扩散的方式进入气
‑
固相交界界面，获得更大的能量后穿过固相包层向包层
‑
芯层的固
‑
固界面扩散并与硅芯层反应，随着反应时间的延长，氧化层增厚，扩散运动速度下降
。
[0021]随着氧化过程不断进行，尖峰位置凸起的硅相对表面较大，在该氧化过程中消耗更多的硅，将凸起的尖峰逐渐拉平
。
此后，再去除
SiO2覆盖层，重新获得的硅表面粗糙度将会下降
。
[0022]步骤
(2)
中，对局部光路区域采取氢退火工艺，在氢气气氛的
950
‑
1100℃
退火过程中，此高温
、
真空条件下在
SOI(
绝缘衬底上的硅
)
表面形成
Si
‑
H
键，并且高温下硅波导表面原子活性增强
、
迁移速率提高
。
步骤
(1)
对整体进行湿氧氧化法并去除氧化层之后，由于
Si
悬空键的存在，将更利于步骤
(2)
中
Si
‑
H
键的构筑，并且步骤
(1)
对
Si
材料整体的平滑使生成
Si
‑
H
键分布均匀将更利于其进行迁移运动
。
在步骤
(2)
中，硅氢键的形成是硅表面形貌
、
结构变化的重要因素，基于表面能最小化原理，此时氢由侧壁尖峰处的高能态向低能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法，其特征在于该方法的步骤如下：步骤
(1)、
对集成光电子器件硅片进行整体湿氧氧化，然后去除表面的氧化层，消除残余应力；步骤
(2)、
对步骤
(1)
处理后的集成光电子器件硅片的硅光波导区域采取氢退火工艺，降低散射损耗；步骤
(3)、
利用准分子高能脉冲激光束对硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值
a
的区域实行熔融自修复
。2.
根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤
(1)
中湿氧氧化法过程是
950
‑
1100℃
下在氧气和氢气以分子数之比
2:1
比例混合的密闭反应腔室中生成
H2O
气体，此时将氧气和反应生成的
H2O
气体泵入到放置集成光电子器件硅片的反应腔室中发生如下反应：
Si+2H2O
＝
SiO2+2H2。3.
根据权利要求2所述方法，其特征在于步骤
(1)
中湿氧氧化法的反应时间为
1.5
‑
3h。4.
根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤
(2)
中氢退火工艺具体是氢气气氛
...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌婉怡，任堃，高大为，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：