基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法.pdf

本发明公开了一种基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法。1)利用氧化工艺在Si衬底表面上生长一层SiO2薄层作为Si腐蚀的掩膜；2)以SiO2为掩膜腐蚀Si衬底；3)生长较厚的SiO2作为下限制层；4)制作聚合物芯层，并研磨多余部分；5)制作聚合物上限制层。本发明制作工艺简单，只用到一些常规的半导体设备和常规工艺，不需要复杂昂贵的设备和复杂高难的技术，生产成本低、效率高。本方法与IC工艺相容，有利于实现光电器件的集成。

1.  基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1)利用氧化工艺在Si衬底(1)表面上生长一层SiO₂薄层(2)作为Si腐蚀的掩膜：
为了在清洁的Si片上氧化一层SiO₂薄层(2)，在高温氧化炉中，采用氧化条件为温度1100℃-1150℃，氧气流速为800-1500ml/min，干氧氧化15-30分钟，湿氧氧化20-40分钟，水浴温度80-95℃，再次干氧氧化15-30分钟后，得到厚度约为200nm的SiO₂薄层(2)；
2)以SiO₂薄层(2)为掩膜腐蚀Si衬底(1)：
为了在硅片上刻蚀出设计要求形状的波导区域，首先必须把刻蚀区域上的SiO₂薄层(2)除掉，这项工作是由光刻工艺来完成的；
光刻之后，为了除去波导区域的SiO₂薄层(2)需要使用腐蚀工艺；
利用光刻胶作掩膜腐蚀SiO₂的腐蚀液配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶9，在SiO₂上得到波导的图形，腐蚀之后去除光刻胶；
再利用SiO₂薄层(2)作掩膜腐蚀Si，Si的腐蚀剂有很多种，是腐蚀液配比为KOH∶H₂O＝1∶1，腐蚀条件：水浴温度50-70℃，通过实验确定腐蚀速率约为0.1um/分钟，由于通常腐蚀后会残留有腐蚀液在硅表面，会对其表面继续腐蚀，损害硅表面，因此在腐蚀完毕后还要对硅表面进行处理，针对残留腐蚀液的主要成分是氢氧化钾，采用在稀盐酸中浸泡的方法，然后用去离子水冲洗干净；
以上1)、2)两步也可直接在Si衬底(1)上光刻后用光刻胶作掩膜，用RIE或ICP干法刻蚀方法刻蚀出设计要求形状的波导区域；
3)生长较厚的SiO₂下限制层(3)：
为了形成下限制层，抑制泄漏到较高折射率的硅衬底中的光场，所以在刻蚀出设计要求形状的波导区域的硅片上生长一层较厚的SiO₂作为SiO₂下限制层(3)，仍然采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长二氧化硅层，氧化温度保持在1100-1200℃，先干氧氧化20-40分钟，然后湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次，其中湿氧氧化50-70分钟、干氧氧化20-40分钟。最后是50-70分钟的干氧氧化；
4)制作聚合物芯层(4)，并研磨多余部分：
在匀胶机上采用旋甩工艺来获得聚合物波导部分；
首先，对已生长好的二氧化硅层表面要进行处理，目的是增加二氧化硅层表面与有机物层之间的粘附能力，防止有机物在成膜时产生收缩现象，方法是：先在浓H₂SO₄浸泡4～6小时，用去离子水冲洗干净，再在异丙醇中浸泡6～8小时，用去离子水冲洗干净，匀胶时转速高时聚合物膜的缺陷少，但是膜会更薄，转速低时(＜2000rpm)聚合物膜厚不均匀较为明显，所以要进行平衡；
此时芯层聚合物不仅填充了以SiO₂为下限制层的波导凹槽区，也会形成一薄层平板部分，构成倒脊形的结构，为了得到掩埋型的结构，需要将多余的平板部分研磨掉，研磨时的参数依据平板部分的具体情况而确定；
5)制作聚合物上限制层(5)：
为了在芯层聚合物上生成上限制层(5)，需要再次匀胶一层折射率稍低的聚合物材料，无论是芯层还是包层聚合物，匀涂以后都需要在真空中以40-60℃保温干燥约1-2小时去除溶剂，然后取出在烘箱中缓慢升温到90-120℃，保温2小时，再缓慢升温至150-160℃，保温1-1.5小时。

基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法
技术领域
本发明涉及基于硅衬底的掩埋型聚合物光波导器件的制作方法，尤其涉及一种基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法。
背景技术
目前光波导器件如：光源/接收器(探测器)、调制/解调器、波分复用/解复用器、光开关/光功分器、光放大器/衰减器、光滤波器、干涉器等在光网络中都占有重要地位。所使用的材料有很多，它们以不同结构和原理实现一种或多种上述器件。这些材料主要包括III-V族化合物半导体材料、LiNbO₃材料、SOI(silicon on isolator)、Si、SiO₂、有机聚合物等。
其中利用Si作为衬底材料具有工艺成熟、容易集成等优点，并且易于利用氧化工艺在Si上制作一层SiO₂作下限制层材料。有机聚合物作为光波导器件材料具有结构灵活、工艺简单、成本低等优点，以及具有较大的负热光系数、较低的热传导系数和吸收损耗等特点。而且，利用Si为衬底材料，制作掩埋型的聚合物光波导器件的工艺与微电子工艺兼容，材料成本低，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法，是基于Si衬底材料，以SiO₂为下限制层，聚合物为芯层材料的波导器件制作方法工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括如下步骤：
1.基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1)利用氧化工艺在Si衬底表面上生长一层SiO₂薄层作为Si腐蚀的掩膜：
为了在清洁的Si片上氧化一层SiO₂薄层，在高温氧化炉中，采用氧化条件为温度1100℃-1150℃，氧气流速为800-1500ml/min，干氧氧化15-30分钟，湿氧氧化20-40分钟，水浴温度80-95℃，再次干氧氧化15-30分钟后，得到厚度约为200nm的SiO₂薄层；
2)以SiO₂薄层为掩膜腐蚀Si衬底：
为了在硅片上刻蚀出设计要求形状的波导区域，首先必须把刻蚀区域上的SiO₂薄层除掉，这项工作是由光刻工艺来完成的；
光刻之后，为了除去波导区域的SiO₂薄层需要使用腐蚀工艺；
利用光刻胶作掩膜腐蚀SiO₂的腐蚀液配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶9，在SiO₂上得到波导的图形，腐蚀之后去除光刻胶；
再利用SiO₂薄层作掩膜腐蚀Si，Si的腐蚀剂有很多种，是腐蚀液配比为KOH∶H₂O＝1∶1，腐蚀条件：水浴温度50-70℃，通过实验确定腐蚀速率约为0.1um/分钟，由于通常腐蚀后会残留有腐蚀液在硅表面，会对其表面继续腐蚀，损害硅表面，因此在腐蚀完毕后还要对硅表面进行处理，针对残留腐蚀液的主要成分是氢氧化钾，采用在稀盐酸中浸泡的方法，然后用去离子水冲洗干净；
以上1)、2)两步也可直接在Si衬底上光刻后用光刻胶作掩膜，用RIE或ICP干法刻蚀方法刻蚀出设计要求形状的波导区域；
3)生长较厚的SiO₂下限制层：
为了形成下限制层，抑制泄漏到较高折射率的硅衬底中的光场，所以在刻蚀出设计要求形状的波导区域的硅片上生长一层较厚的SiO₂作为SiO₂下限制层，仍然采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长二氧化硅层，氧化温度保持在1100-1200℃，先干氧氧化20-40分钟，然后湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次，其中湿氧氧化50-70分钟、干氧氧化20-40分钟。最后是50-70分钟的干氧氧化；
4)制作聚合物芯层，并研磨多余部分：
在匀胶机上采用旋甩工艺来获得聚合物波导部分；
首先，对已生长好的二氧化硅层表面要进行处理，目的是增加二氧化硅层表面与有机物层之间的粘附能力，防止有机物在成膜时产生收缩现象，方法是：先在浓H₂SO₄浸泡4～6小时，用去离子水冲洗干净，再在异丙醇中浸泡6～8小时，用去离子水冲洗干净，匀胶时转速高时聚合物膜的缺陷少，但是膜会更薄，转速低时(＜2000rpm)聚合物膜厚不均匀较为明显，所以要进行平衡；
此时芯层聚合物不仅填充了以SiO₂为下限制层的波导凹槽区，也会形成一薄层平板部分，构成倒脊形的结构，为了得到掩埋型的结构，需要将多余的平板部分研磨掉，研磨时的参数依据平板部分的具体情况而确定；
5)制作聚合物上限制层：
为了在芯层聚合物上生成上限制层，需要再次匀胶一层折射率稍低的聚合物材料，无论是芯层还是包层聚合物，匀涂以后都需要在真空中以40-60℃保温干燥约1-2小时去除溶剂，然后取出在烘箱中缓慢升温到90-120℃，保温2小时，再缓慢升温至150-160℃，保温1-1.5小时。
本发明具有的有益的效果是：本发明制作工艺简单，只用到一些常规的半导体设备和常规工艺，不需要复杂昂贵的设备和复杂高难的技术，生产成本低、效率高。本方法与IC工艺相容，有利于实现光电器件的集成。
附图说明
附图是本发明的制作工艺流程图。
附图中：1是Si衬底，2 SiO₂薄层，3是SiO₂下限制层，4是聚合物芯层，5是聚合物上限制层。
具体实施方式
如图1所示，为了制作一个以Si为衬底、SiO₂为下限制层的聚合物掩埋型的1×2功分器，波导尺寸为5μm×5μm，上包层厚度为10μm，制作工艺步骤如下：
1)利用氧化工艺在Si衬底1表面上生长一层SiO₂薄层2作为Si衬底1腐蚀的掩膜：
为了在清洁的Si衬底1氧化一层较薄的SiO₂薄层2，在高温氧化炉中，采用氧化条件为温度1150℃，氧气流速为1100ml/min，干氧氧化20分钟，湿氧氧化30分钟(水浴温度90℃)，再次干氧氧化20分钟后，得到厚度约为200nm的薄SiO₂层；
2)以SiO₂薄层2为掩膜腐蚀Si衬底1：
为了在硅片上刻蚀出Y分支形状的波导区域，首先必须把刻蚀区域上的SiO₂薄层2除掉，这项工作是由光刻工艺来完成的；
光刻之后，为了除去波导区域的SiO₂薄层2需要使用腐蚀工艺；
利用光刻胶作掩膜腐蚀SiO₂的腐蚀液配比为HF∶NH₄F∶H₂O＝3∶6∶9，在SiO₂薄层2上得到波导的图形，腐蚀之后去除光刻胶；
再利用SiO₂薄层2作掩膜腐蚀Si衬底1，Si的腐蚀剂有很多种，是腐蚀液配比为KOH∶H₂O＝1∶1，腐蚀条件：水浴温度60℃，通过实验确定腐蚀速率约为0.1μm/分钟，由于通常腐蚀后会残留有腐蚀液在硅表面，会对其表面继续腐蚀，损害硅表面，因此在腐蚀完毕后还要对硅衬底1表面进行处理，针对残留腐蚀液地主要成分是氢氧化钾，采用在稀盐酸中浸泡的方法，然后用去离子水冲洗干净；
3)生长较厚的SiO₂下限制层3：
为了形成下限制层，抑制泄漏到较高折射率的硅衬底中的光场，所以在刻蚀出Y分支的波导区域的硅衬底1上生长一层较厚的SiO₂下限制层3，仍然采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长二氧化硅层，氧化温度保持在1150℃，先干氧氧化30分钟，然后湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次，其中湿氧氧化60分钟、干氧氧化30分钟。最后是60分钟的干氧氧化；
4)制作聚合物芯层4，并研磨多余部分：
在匀胶机上采用旋甩工艺来获得聚合物波导部分；
首先，对已生长好的SiO₂下限制层3表面要进行处理，目的是增加SiO₂下限制层3表面与有机聚合物层之间的粘附能力，防止有机物在成膜时产生收缩现象，方法是：先在浓H₂SO₄浸泡4～6小时，用去离子水冲洗干净，再在异丙醇中浸泡6～8小时，用去离子水冲洗干净。采用旋甩工艺来获得聚合物波导部分，根据聚合物粘稠度等性质的不同，选择匀胶转速。一般保持在2000rpm以上。并使用研磨工艺去掉多余的芯层结构，得到5μm深度的芯层。
5)制作聚合物上限制层5：
最后用旋甩工艺来获得聚合物上限制层5，选择匀胶转速，控制聚合物上限制层5厚度在10μm。