[发明专利]基于多晶硅掩膜的硅波导制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多晶硅掩膜的硅波导制备方法,属于集成光通信领域。

背景技术

现代光通信技术的发展对光通信器件的材料与结构提出了很高的要求。硅基器件作为新型光子器件具有高速、低功耗、微型化的特点，中国科学院北京半导体所余金中课题组在2012年的Optical Express杂志上报道研制出了具有40G/s的超高速硅基马赫曾德尔调制器；IBM公司的J.C.Rosenberg等人在2011年的OFC会议上发布了功耗仅仅只有1.8pJ/bit的硅基调制器；由于硅材料具有较高的折射率（3.46），与周围的空气以及作为基底的二氧化硅材料形成了高折射率差，所以可以将光信号限制在很小的空间内，从而实现了器件的微型化，目前的硅波导尺寸都在亚微米级别；由于硅工艺集成技术与现在非常成熟的集成电路CMOS工艺集成技术完全兼容，从而易于实现大规模集成。所以，使用硅材料来实现现代光通信器件是未来发展的一个方向。

硅基光通信器件的性能很大程度上是由硅波导决定的。粗糙的硅波导侧壁将对在其中传输的光信号产生很大的散射作用，信号功率大大减弱，增加了传输损耗，误码率变大。由于刻蚀造成的硅波导的高度、宽度改变，将改变光传播常数，影响器件性能。目前制备硅基波导的办法主要分为两种，包括干法刻蚀法和氧化法。干法刻蚀法是指即利用光刻胶掩膜来对硅进行刻蚀形成光波导。如果是反应离子刻蚀（RIE），则硅材料的侧壁会与等离子发生物理化学反应，造成侧壁粗糙；如果是离子束刻蚀（IBE），则离子的物理轰击会使硅材料底部不平整，刻蚀深度不易控制；采用感应耦合等离子（ICP）刻蚀，可以使侧壁粗糙度降低，同时提高侧壁陡直度。另外一种制备硅波导的方法是氧化法，即在硅上先形成能阻挡氧气分子向下扩散的硬掩膜图形，这样氧气只能与暴露的硅材料进行反应形成氧化硅，去除硬掩膜后可获得硅波导。

对于通过氧化形成硅波导的办法，当前主要是采用氮化硅、氧化硅、氮氧化硅作为硬掩膜。对于氮化硅硬掩膜，由于氮化硅与硅界面存在较大应力，当氧化发生在硅波导的侧顶部时，在氮化硅与硅的交界面生成的氧化硅将造成波导局部变形，从而影响硅波导中光信号的传播模式。对于氧化硅作为硬掩膜的情况，由于使用CVD（化学气相沉积）生成的氧化硅膜层疏松，对氧气的阻挡作用较差，所以只能制备高度差较小的硅波导，而且波导的侧壁比较倾斜，增大了实际结构和设计间的误差。对于氮氧化硅作为硬掩膜的情况，则是同时具有以上两种硬掩膜的缺点。为了提高氧化硅波导的质量，结合现有集成工艺，提出了本发明。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于多晶硅掩膜的硅波导制备方法，制备的光波导具有侧壁光滑、垂直度较好、底部与顶部平整、工艺简单、成本较低、与CMOS工艺兼容等优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于多晶硅掩膜的硅波导制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，对洁净的绝缘体上硅（SOI）片进行干氧氧化处理，氧化温度850～950°C，O₂流量15～20sccm（标准状态气体毫升每分钟），N₂流量45～60sccm，氧化时间10～25min，形成20～30nm厚的二氧化硅膜；

步骤二，利用感应耦合等离子增强化学气相淀积（ICP-PECVD）在二氧化硅膜上形成一层100～400nm厚的多晶硅；

步骤三，旋涂1～3μm厚的光刻胶使其覆盖多晶硅；

步骤四，用步进式光刻机进行光刻，焦距-1～0.5，曝光时间120ms～160ms，形成光刻胶图像；

步骤五，用深硅感应耦合等离子（ICP）刻蚀去除没有被光刻胶图像覆盖的多晶硅，SF₆流量40～80sccm，C₄F₈流量40～60sccm，等离子功率700～800W，刻蚀时间30～35s，然后，先后用丙酮和酒精洗去残余的光刻胶图像，形成多晶硅掩膜；

步骤六，进行再次干氧氧化处理，氧化温度1000～1100°C，O₂流量15～20sccm，N₂流量45～60sccm，氧化时间30～45min，形成氧化层与剩余多晶硅掩膜；

步骤七，在室温25°C下利用氟化铵腐蚀液（BOE）去除氧化层，利用碱性溶液去除残余多晶硅，得到180～350nm厚的硅波导。