（光学工程专业论文）si基光通信器件制作的湿法工艺研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 对于半导体材料来说，一些腐蚀试剂对其某一晶面的刻蚀速率要比其它 晶面快得多，依据的这种各向异性腐蚀特性所发展起来的湿法腐蚀工艺在制 作光通信器件的过程中发挥了巨大的作用。与干法刻蚀相比较，湿法刻蚀技术的 加工成本更为低廉，且工艺制作过程也相对简单。本文对硅材料的各向异性腐蚀 特性进行了深入分析，并以此为基础进行了硅v 型槽光纤阵列的制作及基于s o i 材料的波导湿法工艺研究。 本文围绕着硅v 型槽的设计和制作过程，从理论上详细分析了单模光纤与 脊型波导的模式特点，得出了最佳的耦合条件，并在此基础上设计出了最合适的 硅v 型槽结构。实验过程中，我们尝试了干湿法相结合的掩膜制备方案，并对 影响光刻质量的因素进行了深入分析，提出了利用i c p 刻蚀去除底胶的新工艺。 刻蚀过程中，我们摸索出了适用于v 型槽制作的各向异性湿法腐蚀液配方，独 立优化了整个过程的相关工艺，最终完成了基于硅v 槽结构的光纤阵列制作。 并进行了对光损耗测试，对所制得的光纤阵列质量进行了初步评估。 湿法刻蚀技术具有成本低廉，加工工艺简单等优点，因此在光通信器件的制 作过程中有着广泛的应用。利用湿法刻蚀工艺，我们可以制作出诸如m m i ( 多 模波导干涉器) ，y 分支，m - z 干涉器等多种光通信产品：且同干法刻蚀技术相 结合并采用套刻技术，还可以用来进行光波导的加工制作。本文在实验室的前期 工作基础上尝试了利用湿法刻蚀技术进行基于s o i 材料a w g 器件的波导制作。 研究了刻蚀速率与反应温度及腐蚀液浓度之间的关系，寻找到了使刻蚀表面趋于 光滑的最佳反应条件，解决了由于现有干法刻蚀设备不完善所导致的刻蚀表面过 度粗糙问题。这项工作为进一步的实验奠定了坚实的基础。 关键字：d w d m ( d e n s ew j v e l e n g t hd i “s i o nm l l l t i p l e x i n g ) ，湿法刻蚀，各向 异性腐蚀，阵列波导光栅，s 0 i ( s i l i c o no ni n s m a t o r ) ，罗兰圆，自由传播区域。 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es e m i c o n d u c t o r 所，t 1 1 ee t c h i l l gr a t eo fs o m ec r y s t a l l o g r 印l l i c p l a n e si sh i 曲e rt l l a i lo t h e r si nt h es p e c i a le t c h a n t s b a s e do nt h i sp h e n o m 锄o n ， 柚i s o t r o p i cw e te t c h i n gm e t h o dh a sg o t t e ng r e a td e v e l o p i i l e mi nt h ef a b r i c 娟o n p m c e s so f t l l eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa i l do c c u p i e da 1 1i 玎印1 a c e a b l ep o s i t i o n i nt 1 1 i sf i e l d c o m p a r e dw i mt 1 1 ed r ye t c h i n gm e m o d ，m e w e to n ec o s t sl e s sa n di s m o r ec o n v e l l i e n t t h i sp 印e rd e m o n s t r a t e st h o m u 曲l yt h em e o r c t i ca n a l y s i sa b o u tt h e a i l i s o 订o p i c 、v e te t c h i n gp m p e r 哆o ft h es i l i c o nm a t e r i a la 1 1 dg i v e sd e t a i l so nt h e f a l m c a t i o nw o r ko fv g r 0 0 v e sa sw e l la sw a v e g u i d e so ns o ib a s i n go nt l l ew e t e t c l l i n gt e c h n i q u e a ne i i l p h a s i si sp u to nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no f t h ev - g r o o v es 劬尬t w ei nm i s p a p e lm e a n ，h i l e ，a st 1 1 eb a s i cp r i n c i p l e s ，血ec o u p l e dm o d cn l e o r yo fs i n g l e m o d e 丘b e ra sw e l la sr i bw a v e g u i d e sh a sb e e nd e s c r i b e da i l da n a l y z e d ，a n dt l l eb e s t c o u p l i n gc o n d i t i o ni sc o n c l u d e ds e n ，i n gf o rt l l ep r o p e rd e s i g no fm ev - g r o o v e s t r i 】c t u r e d 嘶n gm ew h o l ee x p e r i m e n t a lw o r k ，w et r i e dt h ed r y w e tm a s k - m a k i n g t e c l l i l o l o g y ，a 1 1 a l y z c dt i l o r o u g h l yt h en e g a t i v ee l e m e n t sf o rt h ep h o t o l i m o g r a p h y ， p r o p o s e dn e o t e c l l i l i q u e f o re l i i n i m t m gr e s i d u eo fp h o t o s e n s i t i v er e s i s t b yi c p e t c l l i n ga t l df o u n do u tt h em o s t 印p r o p r i a t ec o m p o s i t i o n so f t l l ea i l i s o t r o p i ce t c h 肌tf o r v _ g m o v ef 曲r i c a t i n g f i i l a l l y ，w em a d eo u tt h e 舶e ra r r a y sb a s e do nt 1 1 ev - g r o o v e s ， t e s t e dt h ee n e r g yl o s sa n de v a l u a t e dt 1 1 eq u a l i t yf o rt h i sd e v i c e i nl i g h to ft h el o wc o s ta sw e l la st 1 1 ee a s yp f o c e s s i n gt e c h n i q u ef o rt 1 1 ew e t e t c l l i n gm e m o d ，i th a sb e e n 印p l i e dw i d e l yi nf 曲r i c a t m go p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e v i c e ss u c ha sm m i ( m l l l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ) ，y b r a n c h c sa 玎dm - zi n t e r f c r e n c e d c v i c e f l l n h e h n o r e ，c o m b i n e d 州t hm ed r ye t c h i n gm e m o da 1 1 dr e l y i n go nt 1 1 e m u l t i p l ee t c h i n gt e c h i l i q u e s ，m ew e to n ec a nb eu s e dt of a b r i c a t e 、v a v e g l l i d e s b a s e d t l l i sp r i n c i p l ea n d 也ep r e v i o u s e x p e r i m e n t a lw o r ko fo u rl a b o r a t o 吼m i sp a p e r a t t e m p t st of a b r i c a t et h ea w gd e v i c e so ns o ib yw e te t c l l i n gm e t h o d t l d u g ht i m e 】l 浙江大学硕士论文 a f c e ft i i n ce x p e r i m e n t s ，w ef o u n do u tt h cr e l a t i o n s h i p sa m o n gm ee t c h 访gr a t e ， t 锄p e r a t l 】r e ，a i l dr e a g e n tc o n c e n _ t r a t i o na n da l s ot h eb e s tr e a c t i n gc o n d i t i o nl e a d i n gt o 也es m o o t l l n e s so ft h ee t c h i n gs u r f h c e s t h i sw o r km d k e sg r e a tc o n 由r i b u t i o nf o rt h e e x t e n s i v er o u g h n e s sp r o b l e mr e s u l t e df r o mm el 砌t a t i o no fi c pm a c h i n e si no u r1 a b a 1 1 d p a v e s t l l e w a y f o r t l l e f h r c h e r w o r k k e y w o r d s ：d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t l ld i “s i o nm u l t i p l c x i i l g ) ，w e te t c l l i n a 1 1 i s o t r o p i ce t c h i l l g ，a h 科e dw a v e g u i d eg r a t 吨，s o i ( s i l i c o n0 ni n s u l a t o r ) ， r 0 w l a n d c i r c l e ，f r e ep r o p a g a t i o nr e g i o n i i i 浙江大学硕士论文 浙江大学硕士论文 1 1 光通信的发展 第一章绪论 1 1 1 光通信发展的几个重要阶段 在人类步入信息社会的重要历史时期，发展信息产业已经成为各发达国家着 眼于2 1 世纪综合国力竞争的一个焦点，信息产业将是下个世纪用以衡量和表现 一个民族创造能力，发展能力，生存能力的重要领域。它的飞速发展将会成为人 类文明进步的标志，关系到人类生活的方方面面。 以光子作为信息载体，是2 0 世纪科技发展中的一个划时代变化，它利用光 纤通信代替电缆和微波通信使信息的传输发生了本质性的变革f i 】。光纤通信产业 在国际上已有上百亿美元的年产值【2 】。在信息高速公路浪潮的推动下、高速公用 通信网和数字数据网也拥有了更为广阔的拓展空间，从而加快了发展前进的步 伐，如今，巨大的信息流量已经达到并超过了1 0 0 0 g 6 s ，由此对光纤通讯在速 度和容量上的要求也有了进一步的提升。 随着光纤通信技术的发展以及新型光纤产品的开发，光纤通信领域的应用范 围也变得越加广泛并且在尖端的科技领域产生了十分重大的影响。西欧和北美国 家走在此项技术的发展前沿，它们先后经历了陆路干线，海缆，局域网，信息 高速公路和光纤用户网的发展过程；亚太，东欧和中东地区随着经济的崛起，也 都加快了光纤通讯的步伐。1 9 9 6 年，世界光纤用量已经达到了2 6 1 5 1 0 4 砌，比 1 9 9 3 年增长尽一倍多，这相当于1 9 9 0 年底以前光纤用量的总和。1 9 9 5 年底，世界 人均占有光纤的数量已经达到了1 5 5 向竹。发展速度之快应用潜力之大令世人为之 惊叹。 光纤通信技术之所以能够取得如此迅速的发展与其所经历的几次重大的飞 跃p 堤分不开的。在此期间所产生的一些科研成果和技术产品为整个光纤产业奠 定了良好的基础也为未来光通信发展开辟了道路： 1 ) 2 0 世纪7 0 年代初，低损耗熔石英光纤和长寿命半导体激光器的成功研制使光 通信成为可能。1 9 7 8 年建成了l o 公里长的光纤，最高传输率达到了lg 6 j 。这被 浙江大学硕士论文 称为第一代光纤通信； 2 )三年以后，第二代光纤通信由于应用了单模光纤和处于熔石英光纤最低色散 波长( 1 3 i 删) 的半导体激光器和探测器，使得光信号可以在光纤内以均匀的速度 传播，传输容量增加了近1 0 倍； 3 )第三代光纤通信由于应用了熔石英光纤的最低损耗波长( 1 5 5 朋z ) ，配上该 波长的半导体激光器，使无中继传输距离和传输容量再次提高了好多倍。 4 )到了2 0 本世纪末期，由于光子学技术的发展，产生了光学放大器，特别1 9 8 9 年掺饵光纤放大器( e d f a ) 的成功研制促成了光信号的赢接放大，其放大率达到 3 0 d b 以上，且不受信号偏振方向的影响，具有很好的保真度。这种光学放大器 很快进入了实用化阶段。另外，波分复用技术( 即同一路光纤中传输若干个不同 波长的光信号) 的成功研制也为光纤通信带来了突破性的进展。用外调制的分布 反馈激光器( d f b ) 达到高的信号传输率，用光纤宽带耦合器将 r 种波长的激光信 号耦合入一条公用传输光纤中并在信号终端用光纤栅滤器分离出个波长的载 波激光，经检波器将信息解出这种波分复用技术，使信息传输率增加了_ 倍。如果在光子集成回路中再加入宽增益频带的掺铒光纤放大器，就可以达到很 高传输率容量( 1 0 0 g 6 j ) 和无中继长距离( 1 0 0j b ，2 ) 的光纤通信系统，这可以被 称为第四代光纤通信。 5 ) 从传统的以光强度调制方式和直接检测方式的非相干光光纤通信改换成以 相位调制方式和差分检测方式的相干光光纤通信，可以使信号传递得更远。在相 干光通信中需要有频率和相位稳定的激光光源。成功的相干光通信可使信息传递 距离迈入1 0 0 0 公里的纪元。在一条理想的光纤内，“孤立子”( 勋z 打f d ”) 可以无限 远地传播。在光纤中孤立子的形状是由克尔效应和色散效应的补偿来保持。孤立 子的强度衰减用光纤放大器来进行补偿。用皮秒激光脉冲，使孤立子彼此间不相 互重叠。在“零误码”的情况下，孤立子可以在光纤中传递万里之远。孤立子传 输的过程中同样可以使用“波分复用”技术来增大传递信息的容量。相干光通信 和孤立子光通信是第五代光通信，是跨入下世纪的光纤通信。 1 1 2 光通信技术的优点 光纤通讯技术h 1 如此迅猛的发展与它如下的优点紧密相关 浙江大学硕士论文 1 )它的传输频带极宽通信容量很大 光纤的一个低损耗窗口可以容纳上百万个6 删带宽的电视频道或是几千 万条数字话路的电话信号，如果使用波分复用或是时分复用技术，一根光纤就可 以容纳几亿路数字电话。 2 ) 光纤的传输损耗很低，可以做到几十公里之内无中继站。 3 ) 在光的传输过程中无电磁辐射，也不会受到电磁干扰，因而不易被窃听，保 密性很好，而且可以在强电磁环境下进行工作。 4 ) 光纤的尺寸很小，重量很轻，便于传输和铺设。 5 ) 光纤具有很好的耐化学腐蚀的特性。 除此之外，光纤是由石英玻璃拉制成型的，原材料的来源十分的丰富，利用 光纤代替电缆能够节省大量的金属。1 0 0 0 砌光纤可以节省铜1 5 0 ，铅5 0 0 f ， 而且光纤的抗腐蚀特性明显的优于金属。 1 2 全光网络和w d m 技术 尽管光纤通信存在着以上诸多的好处，但在目前的通信系统中仍然存在着较 多的光电、电光变换过程，这些转换过程中存在着时钟偏移，严重串话，高损耗 等很多缺点，容易引起通信中的“信息瓶颈”现象。为了能够解决这一问题，充 分发挥光纤通信频带宽、抗电磁干扰能力强，保密性好，传输损耗低等优点，人 们发展了全光网络技术。 全光网络技【5 】术也是一种光通信技术，它主要是针对普通光纤系统中存的较 多电子转换设备而设计的，该技术能够确保用户与用户之间的信号传输与交换全 部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都是在光域内进行的， 而其在各网络节点之间的交换则是采用全光网络交换技术。 器件是构成系统和网络的基础，全光网络作为未来信息网络技术发展的核心 也必须要依赖一些新型光电子器件的支持。因此对光电器件的研制和开发将是促 进光通信发展的必由之路。对于光电器件的开发和研制而言，材料问题是其根本， 不同材料的光电特性将是影响器件性能的最主要因素。如果想要在器件的制作上 取得突破，就必须在材料的制作上取得突破。也就是说，只有对材料的特性进行 了全方位的分析和把握，人们才能够更加方便灵活地设计制作出各种光电器件。 浙江大学硕士论文 对于全光网络，在相当长的波长范围内都要以d w d m ( 密集型波分复用) 作为基 础，这对光电子器件的性能提出了更为苛刻的要求。下图1 1 给出了d w d m 系统的结构示意图： 图1 1d w d m 系统的结构示意图 从上图我们可以看到d w d m 系统”】中，各信道分别占用不同的光波长频 率，因此d w d m 系统的核心器件是光波分复用解复用器件嘲( 简称d w d m 器 件) ，其功能是将密集间隔的各波长( 信道) 复用至一根光纤( 合波器0 m u ) ，或将 已复用的各波长( 信道) 分开( 分波器o d u ) ，或是实现光波长( 信道) 的上下复用 ( 光分插复用器o a d m ) 。 与光耦合器的光功率分配不同，d w d m 器件所使用的原理是将各个信道按 照波长的不同来进行分波和合波。由光路可逆的原理可知，光合波和分波器一般 是可以互换使用的。 我们可以使用一系列的参数对d w d m 器件进行性能表征，这些参数中最重 要的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的带通，小而均匀的插入损耗以及小的相 邻或非相邻通道之间的间隔串扰。 1 )中心波长与偏差： d w d m 器件的中心波长是器件特定信道的标称工作波长，而中心波长偏差 浙江大学硕士论文 的定义为标称工作波长与实际中心波长之间的差值。对d w d m 系统来说，由于 信道之间的间隔较小，所以一个极小的信道偏移，就有可能造成极大的影响。 2 ) 信道带宽： 信道带宽为单个信道的通带宽度。按照g 6 9 2 ( 带有光放大器的多信道系统 的光接口) 建议，各信道所用激光器光波长频率的偏差应小于信道间隔的l 5 ( 我 国标准为l 1 0 ) 。而d w d m 器件的信道带宽必须大于信道间隔的1 5 ( 我国为 1 l0 ) 。当然，较宽的信道带宽更有利于系统应用。 3 ) 信道插入损耗： 插入损耗是指穿过d w d m 器件的某一个特定光通道所引起的功率损耗，其 数值为无源器件输入光功率( 叹) 和输出光功率( 气) 之间的比值，单位是加。 ( 1 2 1 ) 插入损耗是d w d m 器件衰减特性的重要指标，对8 通道的d w d m 器件而言该 值应小于l ld 8 ，另外，均匀的信道插入损耗分布更有利于光纤放大器的设计和 应用。 4 ) 信道隔离度： 信道隔离度是在某一特定信道上输出该信道的光功率与接收到的其他某相 邻或非相邻信道的光功率的比值，通常用如来表示。信道隔离度是d w d m 器件 的一个关键性指标。隔离度越大，信道间的串扰越小。 1 3 硅材料在集成光学中的发展和应用 集成光学发展的初期，田炳耕曾对集成光学作了三条定义： 1 )光波导能限制光束在其中传播； 2 ) 利用光波导可制成各种光波导器件； 3 ) 将光波导和光波导器件集成起来可构成有特定功能的集成光路。 可见集成光学在一开始就将光纤通信作为其主要应用目标之一。 光通信中最为重要的全光网络是以d w d m 系统作为通信基础的。这对光电 器件【9 】的制作和工艺提出很高的要求。在这样的趋势之下，光集成( o i c ) 和光电 子集成( 0 e i c ) 必将成为光通信全光网络发展的必然趋势。 浙江大学硕士论文 0 i c 和o e i c 的概念是在光纤通信技术的高速发展和计算机广泛普及的前提 下提出的。计算机技术的广泛应用对促进光集成和光电子集成技术的飞速发展起 到了相当大的作用。因为现在的计算机配制当中，中央处理器c p u 几乎都是由s f 材料的超大规模集成电路所构成的。人们很早就提出了光子计算机的概念用以提 高计算机的运行速度和性能。光子计算机的研制所要解决的首要问题是如何以光 子来取代电子。这就需要利用集成光路或是利用集成光电子回路来取代c p u 中 的彤超大规模集成电路。这些技术的应用必须从硅材料的性能研究着手。从而 极大的促进了以材料( 包括s o i 材料) 为基础的光集成有源和无源器件的研 究及开发。 目前0 i c 和o e i c 的研究工作所采用的材料主要集中在铌酸锂( 三册傀) 和 上玎一矿( 或口一玎) 族的半导体化合物上。其中订畅0 ，晶体材料的电光、声光 及非线性光学系数较大，化学性能稳定，晶体生长成本比较低且容易长出大尺寸 的单晶，所以很适合制作各种调制、耦合和传输元件，但它不能用来做光源和探 测器。下图1 2 给出了利用三册0 ，的非线性光学系数较大的特点设计的波长转 换器示意图。这种波长转换器是基于相干非线性过程，即两个或多个波长相互作 用而产生新的波长。“差频混频转换器”产生的输出信号为泵浦光和输入信之间 的差频。 图1 2 基于铌酸锂基底差频混频的波长转换器 浙江大学硕士论文 但随着硅材料光电性质研究的不断深入，硅材料在微光电子学领域中所发挥 的作用也越来越巨大。 七十年代的时候，科学家曾一度因为硅材料不具备电光效应和受激辐射的作 用而排除了在硅片上实现单片集成光路的可能性，但后来的研究表明，在硅的 m 昭一胁助艚 效应，效应和p 鲫m 日d 却p 搿f 0 j 巧醣c f 效应当中，p f 甜卅口 d 卸e r s i 0 j 巧珞c 效应足以实现电光调制。1 3 1 6 删波长的硅集成光路制作的 可行性已经得到初步的论证。 除此之外，硅材料还拥有其自身的一些独特性质，这使得它的应用范围变得 更加广泛。 1 )首先，硅的加工工艺以及c m o s 电路的工艺已经极其成熟，且制作成本也 非常低廉。因此硅基集成光学逐渐变成了人们研究的重点和热点。 2 )其次，单模光纤( s z 馏把 如出凡6 9 r ) 只能传输一种模式的光波，因此它不存 在模间色散效应，适合远程通讯，但由于同时存在材料色散和波导色散，单模光 纤对光源的谱宽和稳定性具有很高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来发现 在1 3 l 脚z 波长处，单模光纤的材料色散和波导色散正一负，大小相等，也就 是说在1 3 1 朋z 波长处，单模光纤的总色散为零。而从光纤的损耗特性来看， 1 3 1 ，聊处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1 3 1 ，翮的波长区域就成为了 光纤通信的一个理想工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。后 来经过研究发现，在1 3 1 6 ，删的波长范围内，硅材料是透明的，这就为硅材 料在光通信领域尤其是光集成方面的应用进一步拓宽了道路。 现在以硅材料作为衬底的集成光学器件种类已经非常丰富了。例如各种各样 的光调制器件，光开关，波长可调制谐衰减器，0 a d m ( 印比d ，彳耐d 唧 胁蚴一蹦啦g ) 和波长路由器等等。这些器件的大小仅为所脚量级，具有很高的集 成度。与此同时，如果将十分微小的硅片作为光学平台，我们还可以在上面制作 出可连接光学元件的光波导，也同样能够制作出连接电子元件的电路和供焊接的 浙江大学硕士论文 金属头，从而使在硅的单片上集成或是混合集成l d ，探测器，滤波器，w d m 等 器件成为可能。这些技术当中也包括目前研究最为热门的a w g 器件儿1 ( 阵列 波导光栅) 。 1 4 光纤定位硅矿型槽的发展状况 集成光学器件已经在许多领域得到了广泛的应用。在器件制作的整个过程 中，尾纤与芯片之间的耦合是一项关键的技术，其工艺质量的高低在很大程度上 决定了器件的性能和损耗。 光纤的芯径是非常细小的，所以在其和芯片进行耦合的过程中必须有能够起 到夹持作用的夹具用以进行准确有效的定位。这样就可以实现光纤和波导端面的 精确对准从而最大限度地实现高效率的耦合。在耦合过程中，如果将夹具与光纤 作为一个整体和芯片进行粘接，还可以增加粘接的面积，提高器件的稳定性和可 靠性。在这种情况之下，我们所使用的夹具必须满足尺寸小，精度高的特点，通 常它的精度要求要达到i 腑量级。 硅单晶材料因特殊的微观结构性能，以及便于利用半导体工艺技术进行微细 加工的特点而被广泛采用进行这种定位装置的设计。利用硅单晶材料的特殊微观 机理，我们可以设计并制造出质量很好的且具有高精度定位功能的硅矿型槽及阵 列。并以它为基础开发研制具有良好工艺性能的光纤阵列。现今，光纤阵列已经 成为一种非常重要的光无源器件，可以和a w g 器件进行耦合，还能够实现与半 导体激光器阵列，半导体光探测器阵列之间的耦合。可见y 型槽光纤阵列已经成 为光学集成器件和光信号多通道传输中不可或缺的耦合器件。 从以上的概述中我们可以看到，光纤阵列有着十分广阔的应用前景和市场前 景。它可以被应用于集成光电子、光波导器件，密集型波分复用器件，探测器阵 列，光开关，光隔离器等等各种各样的光学器件当中去。在这些器件的制作过程 中，我们将光纤阵列的尾端接上活动连接器或者法兰盘，这样就可以使集成光器 件通过与光纤阵列的耦合连接来实现与光纤传输网络的连接。从而提高耦合效 率，降低回波损耗和插入损耗低，实现了多波长、多通道的网络传输模式。 目前，国内尚无光纤阵列及其同类产品，只能从国外进行高价购买。而且国 外专门把光纤阵列作为产品出售的公司也不是很多，很多公司研究出来的光纤阵 浙江大学硕士论文 列产品都被应用于自己公司研制的集成光器件的产品封装，并不会单独出售。现 在光纤阵列的价格较高，数量也很少。在这种情况下，本实验室提出对硅矿槽及 光纤阵列的整个制作工艺流程进行研究是具有一定意义的。 下图1 3 给出了一种光纤阵列的产品。它是利用单晶硅的各向异性腐蚀特 性来进行矿型槽的制作；然后以此作为基础进行产品封装。成品主要应用于平面 波导及光纤之间的连接，也可被应用于光交换，集成光学，a w g 等光电器件中。 图1 3 光纤阵列产品 综上所述，如果能够在单模光纤与波导之间的耦合容差范围内研制出满足波 导模式深度方向上定位精度要求的高质量硅y 型槽，那么我们就可以有效的提高 光纤耦合效率从而降低损耗。 1 5 s o i 光电器件的应用及发展状况 s o i 是指将一薄层硅置于一绝缘衬底上。基于s o i 结构而制成的光电器件将 在本质上减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速、低功耗的 运行。作为下一代硅基集成电路的主要应用材料，s o i 被广泛运用于微电子技术 的大多数领域：同时还在光电子、m e m s 等其它领域得到了应用。 s o i 材料具有以下的突出优点 1 ) 这种材料的功耗很低，可以减少能量的损失 浙江大学硕士论文 2 )其开启电压比较低； 3 )够有效的提高集成度并且与现有的集成电路完全兼容，工艺程序比较成熟。 4 )它具有耐高温的物理性能并且抗辐照因而可以减少软件误差。 这些优点都使得s o i 材料具有广阔的应用前景。下表卜l 给出了s o i 材料 的一些基本特性及其应用领域。 表1 一ls o i 材料的特性及应用领域 s 0 i 高速特性微处理器，高速通信，三维图象处理，先进多媒体 s o i 低压低功耗移动计算机，移动电话，便携式电子设备，射频集成，灵巧功 特点 率器件以及其它要求功耗低、散热快的领域，如单芯片系统 s 0 c ，微小卫星等 s o i 应用于恶劣高温器件，高压器件，卫星或其它空间应用，武器控制系统等 环境 s 0 i 光通信和作为一种结构材料，可制作硅基集成光电器件，应用于高速宽 m e m s 应用带互联网和其它光网络的接口。此外，s o i 圆片还广泛应用于 制作微机电系统( m e m s ) 器件，如传感器等 通讯领域信息量的不断增大需要更高传输速率的光传输系统。在时分复用系 统中为了控制数据的流量，需要克服电子电路方面的障碍；而采用密集型波分复 用( d w d m ) 系统可以减少电子电路中的障碍，使容量增大，提高光网络系统的 灵活性。阵列波导光栅( a w g ) 作为能够合并和分离波长信道的“复用解复用 器”，是密集型波分复用【l2 l ( d w d m ) 网络中的关键器件之一。 a w g 具有优异的波长特性，因而能够满足每个i t u 信道所要求的密集波长 信道间隔，信道的数目很大，而且其可靠性能几乎不受信道数目影响；并且它具 有很好的可重复制作性，同时稳定的性能还使其具有优异的抗“串扰”特性；插 入损耗也比较小而且非常均匀；更为主要的是，它的完全对称结构能够为未来的 网络升级提供很大方便。a w g 还可以通过使用为信道间隔倍的自由光谱区范 围( f s r ) 而实现互连，这种独特性能是其他复用解复用滤波器所无法比 拟的。采用a w g 结构不仅可以设计制作出各种信道间隔的复用解复用滤波器， 浙江大学硕士论文 也可以实现高度结成化的光学部件。由于a w g 具有以上诸多的优越性能，它得 到了很广泛的应用。 采用s o i 材料制成的光波导器件很容易与其他基光电器件实现单片集成， 且制作的工艺也非常成熟，所以近年来，基于s o i 材料a w g 器件的研究也逐渐 兴起，并取得了良好的研究成果。s o i 材料也迸一步被应用到了光电领域当中用 以集成新的器件。国内由于工艺上的限制，虽然也已涉及了基于s 0 i 材料的a w g 研究，但还是没有取得实质性的成果，本论文对该器件制作的湿法工艺过程进行 了深入的探讨，并在利用湿法刻蚀技术制作a w g 光波导方面取得了一些研究进 展。 1 6 本论文的主要内容 1 )简要概述了光纤通信技术 2 )简要概述了硅基光通信器件在通信技术发展过程中所起到的意义及其应用。 重点介绍了两类可用湿法刻蚀技术进行制作和研究的硅基光通信器件( 硅y 型槽 和a w g 器件) ，并概括阐述了它们的应用前景和发展状况 3 ) 从理论上分析硅的各向异性腐蚀特性 4 ) 讨论单模光纤与脊型波导的耦合模式，研究了模式中的适配情况，并求出了 最佳的耦合条件，从而为设计出理想的硅y 型槽打下良好的理论基础。利用湿法 刻蚀的工艺方法进行硅y 型槽的制作，铺设光纤形成光纤阵列并进行对光测试。 5 ) 简单介绍阵列波导光栅a 、g 的基本原理，并在此基础上总结了a w g 器件 的设计过程。研究湿法刻蚀条件下制作s 0 i 光波导器件的优化条件。确定了刻 蚀深度与时间，温度，腐蚀液浓度之间的条件关系为进一步的实验工作打下良好 的基础。 浙江大学硕士论文 参考文献 1 d j a 姗k m y n b v ，l o w e l l l s c h c i n e r ，光纤通信技术，科学出版社，2 0 0 2 ， p p 1 1 0 2 史忠植，高级计算机网络，北京：电子工业出版社 3 高速光纤通信i t u - t 规范与系统设计，北京：机械工业出版社，2 0 0 2 ，p p 2 5 3 5 4 张煦，光纤通信技术，北京：中国科学技术出版社，1 9 9 2 5 解奕鹏，解金山光纤通信网向全光网络的演进 j 】世界网络与多媒体，2 0 0 2 ， 1 0 ( 2 ) ：4 9 - 51 6 纪越峰，光波分复用系统( 修订舨) ，北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 1 7 h u e t s u k a ，a w gt e c h n o l o g i e sf o rd e n s ew d ma p p u c a t i o n s 【j 】，i e e ej s e l e c t t 0 p q u a l l t e l e c 仃0 1 1 ，2 0 0 4 ，1o ( 2 ) 8 刘颂豪光纤通信技术的新发展。光电技术与信息【j 】，2 0 0 2 ，1 5 ( 2 ) ：l 一8 9 明海，王安廷，蔡定平，蔡明峻光纤通信系统中d w d m 技术的近期发展【j 】 光电子技术与信息，2 0 0 1 ，1 4 ( 1 ) ：1 1 0 1 0 m k s m i t ，a 1 1 dc v a nd 眦p h s 扑b a s e dw d m - d e v i c e s ：附n c i p l e s ，d e s i g l l ，a n d a p p l i c a t i o n j 】i e e ej s e l e c t t o p i c sq u a n n l me 1 e c t r c l n ，l9 9 6 ，2 ( 2 ) 1 1 j 一j h e ，b l a m o m a g n e ，a d e l a g e ，e ta 1 m o n 0 1 i 也i ci n t c g r a l 甜w a v e l e n g t h d e m u l 邱l e x e rb a s e do naw a v e 9 1 l i d er o w l a n dc i r c l eg r a t i n gi ni n g a a s p 1 1 1 p 【j i e e ej l i g l i t w a v et e c h n 0 1 ，1 9 9 8 ，1 6 ( 4 ) ：6 3 1 6 3 8 1 2 h u e t s u k a a r gt e c h n o l o g i e sf o rd e n s ew d m a p p h c a t i o n s j 】i e e ej s e l e c t t o p q u a m e 1 e c t m n ，2 0 0 4 ，1 0 ( 2 ) ：3 9 3 4 0 2 浙江大学硕士论文 第二章硅的晶体结构及其各向异性腐蚀特性 2 1 的晶体结构 利用硅材料制作的各种电子器件和集成电路早已被广泛的应用在国民经济 和人民生活的各个领域之中。从信息高速公路的建设到每家每户的家用电器，都 是以电子器件作为基础的产品，而这其中8 0 以上的元件都离不开半导体硅材料 1 o 硅是的第，矿族的元素，有四个共价键，当形成晶体的时候，它的结构图如 图2 1 所示，在一个硅原子周围等角的四个方向上，有四个相邻最近的原予， 这种形式的晶格结构被称为金刚石结构 2 1 。金刚石结构可以看成是把两个面心立 方晶格沿其空间对角线平移四分之一的长度后套构而成的。从以下的立体结构图 中，我们可以清晰直观的看到这种金刚石结构的空间原子排布特征。 2 1 金刚石晶体结构示意图 晶体的内在结构排布是非常有规则的，所以晶体的各种性质也会随着其晶向 和晶面的不同而有所不同，这不光是指其电气性质，腐蚀、晶体生长、扩散、氧 化等v l s i 制造工艺特性也是如此。 晶向和晶面可以用密勒指数( 埘耽，如如x ) 【2 】来进行表示。删把，觑d 缸可以 浙江大学硕士论文 按照以下的步骤进行确定。 1 ) 以任意一个原子为原点，在基本矢量( 、6 、c ) 的方向上设定坐标。 2 ) 然后以基本的矢量长度为单位，用整数表示的所考虑的晶面与这些坐标轴的 交点。 3 ) 最后取这些整数的倒数，再将它们乘以最小公倍数，换算成最简单的整数比 即 ：i ：，则( 肼) 就是该晶面的埘船，如缸。 密勒指数代表了一族互相平行的点阵平面，该指数用于表征相应的晶面，也 被称为晶面指数。 在一个大晶体之中，与某一个晶面平行的晶面都具有相同的性质。我们用 ) 来表示由对称性所关联起来的一组具有相同性质的晶面，如 1 0 0 。 在晶体的空间点阵中穿过若干阵点的直线方向被称为晶体的晶向，其指数被 记成 材、卅的形式。晶向指数代表的是一族平行的直线。我们可以通过以下的方 法来进行晶向指数的确定。 1 ) 通过原点作一条平行于该晶向的直线。 2 ) 求出该直线上任一点的坐标( “。，v l ，w 1 ) ； 3 ) 最后取，v 。，的互质整数即“，v ，w 则 删】为该晶向的晶向指数。 如下图2 2 所示，其中o h 的晶向指数为 1 l o ，倒为 1 1 0 。 图2 2 图2 3 浙江大学硕士论文 晶面指数( 矗肼) 和晶向指数 “w 】之间是有区别的，它们的差异可以通过上图 ( 2 3 ) 进行很好的阐释，从图中我们可以观察到晶向指数和晶面指数所代表的方 向是完全不同的。 对于硅晶体来说，一般取立方体晶格作为它的单位晶胞【2 】。基本矢量d 、6 、c 长度相等，并组成直角坐标系。v l s i 加工工艺中，腐蚀、扩散、氧化等工艺特 性都会因为晶面的不同而存在明显差异，即( 1 l o ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 等面的工艺特性 各不相同，所以，对于v l s i 工艺而言，必须注意不同晶面之间的的区别。单晶 材料的定向有光图定向法，激光定向法和工光定向法。如下两图2 4 和2 5 中分别给出了立方晶胞的( 1 1 1 ) 晶面，和 1 1 1 、 1 1 0 晶向，在硅的湿法腐蚀 工艺过程中，硅材料不同的晶面之间的刻蚀速率不尽相同，这也是硅矿型槽刻蚀 制作的基础，我们将在后续的文章之中进行阐述。 图2 4 2 2 彤的各向异性腐蚀特性 图2 5 对很多半导体材料来说，一些腐蚀试剂对其某一晶面的腐蚀速率要比其它的 晶面快得多，这种现象被称作各向异性腐蚀。硅属于金刚石立方晶体结构，其腐 蚀的各向异性特性取决于不同方向上的原子面密度和键合的强度。在金剐石的晶 格结构之中，( 1 1 1 ) 晶面的原子比( 1 0 0 ) 晶面的原子排列的更为严密。因此硅的三 浙江大学硕士论文 个低指数晶面之间的腐蚀速率关系一般可以表示为下式矿( o o ) y ( 1 lo ) y ( 1 1 1 ) ，依 据这种原理，若是在( 1 0 0 ) 晶面的方向上沿着( 0 1 1 ) 方向开一个矩形窗口，然后用 腐蚀液进行湿法腐蚀操作，则由于腐蚀具有各向异性，腐蚀方向将主要沿着 方向进行，而作为侧壁的( 1 1 1 ) 面则几乎没有被腐蚀。于是，我们将会得到一个 以( 1 1 1 ) 面为侧壁的倒角锥体，而( 1 0 0 ) 面将最终缩为一条线。这种现象被称为“自 停止”现象。如果采用 晶向的硅片。则会产生基本上成直壁的槽，侧壁为 ( 1 1 1 ) 面。当然这种简单的理论也不能够涵盖单晶硅在各向异性腐蚀过程中所表 现出的种种现象。对于具体的情况需要进行具体的分析，同时需要进行实验方面 的验证才能得到正确的结论。其实，硅的各向异性刻蚀特性是与很多因素是相互 关联的，其中腐蚀液的影响就是最为重要的一环，因为不同配方和浓度配比的腐 蚀液将在很大程度上影响不同晶面之间的刻蚀速率比。因此，湿法腐蚀液的配制 具有很多相关理论，配方也有很多种，并且各有优缺点。通常情况之下，我们选 取含有k + 的腐蚀液来进行硅的湿法刻蚀。这套腐蚀液体系已经有了比较成熟的 理论，我们将在下一个小节中进行详细的论述。 2 3 硅在k + 溶液当中的各向异性腐蚀特性 ，p n 口和历6 p z 等人列的文章对单晶硅在含有k + 的腐蚀液中所表现出的各向 异性腐蚀特性进行了很好的阐述。实验过程中所用的型( 1 0 0 ) 单晶硅片具有 4 6 qc 埘的电阻率。硅片通过干氧氧化的方法来进行d ，膜层的制备，厚度是 1 ，删左右。然后在硅片上进行掩膜的刻画，图样如2 5 所示。从图中我们可以 看到，所设计的掩膜由到c 分别是沿着 1 1 0 晶向的正方形，与 “o 晶向成4 5 。 的正方形，和一个圆形图样。这样的设计可以使我们很好的观察出各个晶面之间 的刻蚀速率比。 实验过程中所选取的腐蚀液配制是m h 和上黝【4 】( 异丙醇) 的混合液，其中 魁) _ h 的浓度范日是5 1 0 肌d z ，矗w 3 ，腐蚀温度设定在7 0 到8 0 。c ，因为异丙醇的 沸点是8 2 。c ，所以选定8 0 作为反应温度的上限。 浙江大学硕士论文 厂_1 1 1 、 j 翻 。l l 毒 ( 鱼) 1 1 1 0 j 即爪，一 赂喇 i k 巾f t 1 1 、q足 裂 (蚺 图2 5 刻蚀掩膜图样 厂 m _ 岫凡，石、，h 影 从刻蚀的实验结果中我们可以看到，在各种反应条件之下即不同的浓度、温 度条件，( a ) 图最终都将产生被( 1 1 1 ) 晶面族所限制的正方形凹槽图样；( b ) ，( c ) 图 样则最终形成两种刻蚀结构，包含( 1 1 1 ) 和( 1