（微电子学与固体电子学专业论文）soi光波导器件及其增透膜的研究.pdf

s 0 1 光波导器件及其增逢膜的研究 s 0i 光波导器件及其增透膜的研究 王永进 微电子学与固体电子学 指导老师 邹世昌院士张峰研究员 摘要 由于其特殊的结构 s o l s i l i c o n o n i n s u l a t o r 材料具有优良的光学和电学性能 为超大规模集成电路 v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波导技术提供了一个 共同的平台 s 0 1 光波导制作工艺与成熟的硅基c m o s 工艺相兼容 s o l 材料不仅 可以制备无源和有源光电子器件 而且还可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光 电器件的单片集成是光电子产业的发展方向 本论文对s o l 大截面脊形波导器件及 其相关的增透膜进行了研究 为减少s o i 波导端面菲涅耳反射损耗 寻找合适的增透膜 分别采用p e c v d 方 法制备了s i n o h 薄膜 i b a d 方法制备了氨氧化硅薄膜和电子束蒸发的方法制备了 h f 0 2 薄膜 通过椭圆偏振仪 x r a y 光电子能谱 分光计等设备 对制备薄膜的光学 性能 成分进行了表征 相关的光学试验结果表明这三种薄膜都是适合硅基光器件的 良好的单层增透膜 其中 在光通信窗口1 5 5 0 n m 处 通过镀厚度为1 8 5 n m 的h f 0 2 单层薄膜 双面抛光硅片的菲涅耳损耗降至o 0 2 2 d b 对于s o l 脊形波导器件 从工 艺的实际实现条件上 p e c v d 方法制备s i n o h 薄膜受到设备结构的限制 不适用 波导的端面镀膜 i b a d 方法制各氮氧化硅薄膜对于抛光后的s o l 端面沉积薄膜不受 影响 但是对于集成的波导器件 沉积过程受到限制 电子柬蒸发的方法制备h f 0 2 薄膜由于其特殊的沉积方式 只要有特殊的夹具夹持波导器件 使波导端面垂直于蒸 发方向 即可获得高度均匀的h f 0 2 薄膜 对于集成的波导器件依然可行 这是一种 方便简易的镀膜方法 根据s o l 脊形波导单模理论 采用电感耦合反应离子刻蚀制备了高垂直度的s o l 脊形波导 为了更好的和光纤耦合 摸索了集成光波导器件的制备工艺 通过对v 型槽 u 型槽阵列和波导集成的研究 进一步优化了集成s o l 波导器件的制备工艺 采用u 型槽阵列制备了集成的光波导器件 成功地实现了在集成波导端面的沉 积h i d 2 增透膜 在此基础上 对于集成的y 分支和t 分支器件进行了研究 对于这 些基本器件的研究为后续工作的开展打下了一定的基础 对这些集成器件的光学性能 中圆科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 摘要 基本测试表明 这些器件工作良好 由于实验室条件所限 只能对波导器件进行一些 简单的插入损耗测试 获得的y 分支器件平均插入损耗为4 4 d b t 分支器件两个分 支的损耗分别为5 0 d b 和5 2 d b 分光比为5 2 4 8 分析了应用于s o i 侧壁散射损耗的通用的公式 并结合实际情况 把这些公式 应用到目前的研究上面去 具体采用t i e n 的理论公式计算和分析了s o i 脊形波导侧 壁表面和上下表面造成的散射损耗 采用原子力显微镜直接测试了s o l 脊形波导端面和侧壁的表面形貌 并对不同 方法获得的端面以及沉积增透膜后的端面进行了测量 通过获得的表面均方根粗糙度 估计了端面损耗 通过侧壁表面的粗糙度估计了相应的散射损耗 并比较了模版质量 对侧壁粗糙度的影响 采用原予力显微镜直接测量了转弯微镜的表面形貌 并估计了 相关的散射损耗 通过氢气退火 真空退火 i c p r i e 单步刻蚀工艺和氧化清洗工艺一系列的方法 探索研究了降低侧壁和转弯微镜表面粗糙度的方法 在不改变波导结构参数的情况 下 可以结合氢气退火或真空退火和i c p r i e 单步刻蚀工艺降低表面的粗糙度 这种 方法对于结构参数比较敏感的s o i 基量子器件比较适用 如果能设计合适的清洗余 量 采用氧化清洗工艺是一种优良的方法降低刻蚀表面的粗糙度 可以获得高质量的 镜面 这种方法适用于大截面的s o l 波导器件 关键词 s o i 脊形波导 增透膜 电感耦合反应离子刻蚀 散射损耗 原子力显 微镜 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 i i s 0 l 光波导器件及其增透膜的研究 o p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sa n dt h e i ra n t i r e f l e c t i o n c o a t i n g si ns i l i c o n o n i n s u l a t o r y o n nw a n g m i c r o e l e c t r o n i e sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s s u p e r v i s o rb y f e l l o ws h i c h o n gz o u p r o f e s s o rf e n gz h a n g a b s t r a c t s o i s i l i c o n o n i n s u l a t o r c o n s i s t so fat h i ns i l i c o nl a y e ro nt o po fo a io x i d ec l a d d i n g l a y e rc a r r i e do nab a r es i l i c o nw a f e r w i t hi t ss i l i c o nc o r e n 3 4 5 a n di t so x i d ec l a d d i n g m 1 4 5 i th a sah i g hv e r t i c a lr e f r a c t i v ei n d e xc o n t r a s t a l s o b o t hs i l i c o na n dt h eo x i d e a r et r a n s p a r e n ta tt h et e l e c o mw a v e l e n g t ho f1 3 哪a n d1 5 p m d u et oi t s s p e c i a l s t r u c t u r e s o im a t e r i a ls y s t e m w h i c hh a sv e r yg o o do p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s p r o v i d e sac o m m o np l a t f o r mf o rv l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n a n dp l c p l a n a r l i g h t w a v ec i r c u i t f a b r i c a t i o np r o c e s so fs o io p t i c a lw a v e g u i d ei sv e r yc o m p a t i b l ew i t h s t a n d a r dc m o sf a b r i c a t i o np r o c e s s e s p a s s i v ea n da c t i v eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sc a nb e f a b r i c a t e do nt h es 0 1w a f e r a n dm e m sd e v i c e sa l s oc o nb ei n t e g r a t e do nt h es 0 1w a f e r m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e so nt h es o lw a f e ri st h em a i nt r e n df o r f u t u r eo p t o e l e c t r o n i ci n d u s t r y o u rw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h eo p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c e sa n dt h e i ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g si ns o im a t e r i a l s f o rs o i b a s e do p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s t h er e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i t t a n c eo f u n c o a t e dw a v e g u i d i n gs i l i c o nl a y e ri sa l m o s tc o n s t a n ta b o u t3l a n d5 5 r e s p e c t i v e l y a tt h ea i r w a v e g u i d eo rw a v e g u i d e c o u p l i n gf i b e ri n t e r f a c e sf r e s n e lr e f l e c t i o no c c u r s f r e s n e lr e f l e c t i o nl o s so ft h et w ow a v e g u i d ee n d f a c e sw a sc a l c u l a t e dt ob e3 2 2 d b a s s u m i n gan o r m a l l yi n c i d e n tb e a m as o i b a s e dw a v e g u i d ed e v i c en e e d sah i g h q u a l i t y a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n go nb o t hf a c e so ft h ed e v i c et om i n i m i z et h ef r e s n e lr e f l e c t i o n t o f i n dp r o p e ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g s v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e ne x p l o r e dt od e p o s i t h i g h q u a l i t ya n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g s i n c l u d i n gs i n o hf i l m sd e p o s i t e db yp l a s m a e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n p e v c v d s i l i c o no x y n i t r i d ef i l m sp r e p a r e db yi o n b e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n i b a d a n dh f 0 2f i l m sf a b r i c a t e db ye l e c t r o nb e a m e v a p o r a t i o n t h eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p o n e n t so ft h ef i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db y s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p ya n d p e r k i n e l m e rl a m b d a 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 i l l a b s t r a c t 9 0 0s p e c t r o p h o t o m e t e r e t c t h eo p t i c a le x p e r i m e n tr e s u l t ss u g g e s t e dt h a ta l lt h ef i l m s w e r ev e r ya t t r a c t i v es i n g l el a y e ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g sf o rt h es o i b a s e do p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s a n df o rac o a t e dd o u b l e s i d ep o l i s h e ds i l i c o nw a f e r f r e s n e ll o s s e sa tt h e t e l e c o mw a v e l e n g t ho f15 5 0 n mh a v eb e e nr e d u c e dt o0 0 2 2 d bb yd e p o s i t i n gh f 0 2f i l m 18 5 n m a ss i n g l el a y e ra n t i r e f i e c t i o nc o a t i n g f o rp r a c t i c a lf a b r i c a t i o np r o c e s s i ti sv e r y d i f f i c u l tt od e p o s i ts i n x o y hf i l m so n t ot h es o lr i bw a v e g u i d ee n d f a c e sd u et ot h es i z eo f s o lw a v e g u i d ed e v i c e s s i l i c o no x y n i t r i d ef i l m sc a nb ed e p o s i t e do n t ot h es 0 1r i b w a v e g u i d ee n d f a c e sa f t e rc m p c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g b u ts i l i c o no x y n i t r i d e f i l m sc a n n o td e p o s i t e do n t ot h ee n d f a c e so ft h ei n t e g r a t e ds 0 1w a v e g u i d ed e v i c e su s i n g i b a d ac l a m pf i x e dt h es o ir i bw a v e g u i d e a n dt h ew a v e g u i d ee n d f a c e sw e r e p e r p e n d i c u l a rt ot h ee v a p o r a t i o nd i r e c t i o ns ot h a th f 0 2c o u l db ee a s i l yd e p o s i t e do n t ot h e i n t e g r a t e ds 0 1w a v e g u i d ee n d f a c e su s i n ge l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o n b a s e do nt h es i n g l e m o d ew a v e g u i d et h e o r y s o ir i bw a v e g u i d e sw e r ef a b r i c a t e db y i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m ar e a c t i v ei o ne t c h i n gw i t hv e r t i c a ls i d e w a l l t o a c h i e v et h e i n t e g r a t i o no fs e l f a l i g n m e n tc o n n e c t i o nb e t w e e ns i n g l em o d ef i b e ra n dr i bw a v e g u i d ei n s i l i c o n o n i n s u l a t o r s o i w a f e r at h r e e m a s kl i t h o g r a p h yp r o c e s sw a su s e d u n i f o r m i t y v g r o o v e sa n du g r o o v e sw e r ee t c h e db yw e te t c h i n ga n dd r ye t c h i n g r e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et h r e e m a s kl i t h o g r a p h yi c p r i ep r o c e s si se a s y c o s t e f f e c t i v ea n da c c e p t a b l ei nam a s sp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t a n dh f 0 2f i l m sc a l lb e d e p o s i t e do n t ot h ee n d f a c e so f t h ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ed e v i c e st h r o u g hu g r o o v e b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fy b r a n c ha n dt b r a n c h d e v i c e sw e r ef a b r i c a t e di nt h es 0 1w a f e r r e s p e c t i v e l y w e m e a s u r e dt h e f i b e r w a v e g u i d e f i b e ri n s e r t i o nl o s s e sa st h er a t i ob e t w e e nt h eo u t p u ta n di n p u tp o w e r s u s i n ga g i l e n t8 1 6 4 al i g h t w a v em e a s u r e m e n ts y s t e m f o rt h es y m m e t r i c1x 2y b r a n c h w i t hb r a n c ha n g l e2 0o f 0 8 0 t h ef i b e r w a v e g u i d e f i b e rl o s sw a sm e a s u r e dt ob e4 4 d ba t 持1 5 5 t m a n dt h er e s u l t sa t 扣1 5 5p ma r e5 0 士0 5d ba n d5 2 0 5d b r e s p e c t i v e l y i n t h et w oo u t p u tw a v e g u i d e so ft h elx 2s i n g l e m o d et b r a n c h t h es p l i tr a t i oi sn e a r l y 5 2 4 8 e n d f a c er o u g h n e s s s u r f a c er o u g h n e s sa n ds i d e w a l lr o u g h n e s sr e s u l ti ni n c r e a s i n g s c a t t e r i n gl o s s e sf o rw a v e g u i d e s a c c o r d i n g t os c a l a rs c a t t e r i n gt h e o r y t i e n st h e o r ya n d m a r c u s e st h e o r y s c a t t e r i n gl o s si n d u c e db yt h er m s r o o t m e a n s q u a r e r o u g h n e s sw a s 中圆科学院上海微系统与信息技术研兜所博士学位论文 s o l 光波导器件及其增透膜的研究 s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y a n dt h es c a t t e r i n gl o s si sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo ft h es i d e w a l l r m sr o u g h n e s s as e r i e so fa t o m i cf o r c em i c r o s c o p em e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u tt od e m o n s t r a t e t h er m sr o u g h n e s so fs o lr i bw a v e g u i d ee t c h e db yi c p r i em e t h o d t os m o o t ht h e s i d e w a l ls u r f a c ea n dc o m e rm i r r o rs u r f a c e v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e ne x p l o r e d i no r d e r n o tt oc h a n g et h ew a v e g u i d ec o n f i g u r a t i o n l o w t e m p e r a t u r eu l t r a h i g hv a c u u ma n n e a l i n g h y d r o g e na n n e a l i n ga n dm i x e di c p r i ew e r eu s e dt or e d u c et h er m sr o u g h n e s so ft h e r o u g hs u r f a c e s a f t e rs u c ht r e a t m e n t s t h er i p p l e so ft h es u r f a c e sd i s a p p e a r e d a n dt h er i l l s r o u g h n e s sc o u l db er e d u c e dt oa p p r o x i m a t e l y9 n m w i t hs l i g h ts h a p ec h a n g e d o x i d a t i o n a n dw e te t c h i n gi sag r e a tw a yt or e d u c er o u g h n e s s t h es o ir i bw a v e g u i d ed e v i c e sw e n t t h r o u g had r yo x i d a t i o n a f t e rt h eo x i d a t i o ns t e p t h es i 0 2l a y e r sw i t ht h et h i c k n e s so f 1 0 0 n mw e r er e m o v e db yb y4 0 w t k o hs o l u t i o n sa t7 0 0 c t h er i p p l e so ft h es u r f a c e s d i s a p p e a r e d a n dt h er m sr o u g h n e s sc o u l db el o w e dd o w nt oa p p r o x i m a t e l yo 5 r i m t h i si s t oo u rk n o w l e d g et h es m a l l e s tr e p o r t e dr m sr o u g h n e s sf o rah i g h i n d e x d i f f e r e n c es y s t e m s u c ha sa ss o lr i bw a v e g u i d e k e yw o r d s s o ir i bw a v e g u i d e a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a r e a c t i v ei o ne t c h i n g s c a t t e r i n gl o s s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e 中国科学院上海徽系统与信息技术研究所博士学位论文 v s 0 l 光波光波导器件及其增透膜的研究 第一章绪论 1 1 集成平面波导器件常用的材料 平面光波导技术 p l c p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t 是采用集成光学工艺根据功能 要求制成各种平面光波导 然后光波导与光纤或光纤阵列耦合 1 6 1 无论是在耦合器 的宽带化 还是在波分复用器的密集化以及光开关的矩阵化中 平面光波导技术都是 一条重要的途径 此外 建立在平面光波导技术上的器件具有成本低 体积小 便于 批量生产 稳定性好及易于与其它器件集成等优点 所以平面光波导技术是许多无源 有源器件的发展方向 平面光波导技术中使用的材料及工艺应满足下列要求 易于制各 精确控制波导 结构 同微电子技术及光纤技术中使用的材料工艺相容 物理 化学 机械 电学及 热的高度稳定性 电光系数或热光系数大 有源波导器件具有高的光损伤阈值 价格 合理等 目前还没有一种材料能够完全满足上述所有要求 各种材料具有其独特的制 备和加工工艺 有着各自的优越性 因此 在平面光波导器件领域 形成了多种材料 体系并存 共同发展的局面 人们对多种材料体系的平面光波导器件进行了广泛的研究 目前主要集中在铌酸 锂光波导 硅基沉积二氧化硅光波导 i i i v 族化合物半导体光波导 聚合物光波导 绝缘体上的硅 s 0 1 s i l i c o n o n i n s u l a t o r 光波导等上 1 1 1 铌酸锂 l i n b o 材料 铌酸锂 l i n b 0 3 晶体是一种重要的多功能晶体 具有大的热电 压电 电光 等系数 由于其优良的线性电光效应和光传输特性 铌酸锂已成为导波光学的重要材 料 7 用铌酸锂晶体制作光波导器件已有很长历史 技术最成熟 铌酸锂晶体制作 高速相位调制器生产工艺成熟 其它如光开关 光分束器 偏振器等一系列光波导器 件已经研制成功 并正式进入产品 另外用铌酸锂晶体制作集成光学器件可用于光纤 陀螺 其特点是精度高和稳定性好 成本低 铌酸锂光波导器件的特点 曲 电光效应大 m 制作波导的方法简单易行 性能再现性良好 c 1 光吸收小 d 损耗低 对波长依赖性小 中国科学晓上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章绪论 e 基片尺寸大 但是基于铌酸锂材料的平面光波导器件也存在光损伤阈值太低 低温下性能不稳 定 器件抗辐射能力较差等问题 限制了其在光电子集成方面的某些应用 1 1 2 硅基沉积二氧化硅 s i i c a o n s i c o n 材料 硅基二氧化硅光波技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术 1 2 1 7 i 雾 1 己比较成 熟 一般波导是在硅基底上沉积一层二氧化硅 接着在其上以半导体的制备工艺制作 出所需要的光波导器件 其制造工艺有化学气相淀积法 等离子c v d 法 多孔硅氧 化法等 由于硅晶片成本价格便宜及二氧化硅与光纤是同一材料 因此有传输损耗小 且折射率相互匹配等优点 硅基二氧化硅波导与其他类型的波导相比具有传输损耗 小 折射率和光纤相互匹配 耦合损耗低 机械强度高 化学物理性能稳定 此外 波导制作工艺和半导体工艺流程兼容 使其还具有具有工艺简单 稳定性佳 可量产 等优点 目前 国外利用这种波导已研制出6 0 路 1 3 2 路的a w g 被公认为是d w d m 光通信系统产业的明日之星 但是由于硅衬底和二氧化硅膜的热膨胀系数相差较大 二氧化硅薄膜受到的应力较大 而且二氧化硅波导在两个正交方向所受到的应力大小 不同 由光弹性效应引起各个方向的折射率不同 形成快轴与慢轴 从而产生双折射 效应 另外波导的几何因素也会产生双折射效应 双折射效应对各种光波导器件会产 生偏振色散和偏振噪音等不利影响 影响到其实际应用 1 1 3 ii v 半导体化合物材料 常用的i i i v 族半导体化合物波导也研究的比较成熟 1 8 2 2 它们可以与i n p 基的 有源与无源光子器件及i n p 基微电子回路集成在同一基片上 其优点是光波导器件与 电子器件集成在一起 调制电场与光场相速失配减少 使用电吸收调制光 缺点是很 难使用电折射 因接近于吸收边缘 光损耗较大 与石英光纤的模场不匹配 与光纤 的耦合损耗较大 通常采用液相外延 分子束外延 m b e 金属有机化合物气相 淀积 m o c v d 用于淀积调制器结构 能精确控制组分和膜层厚度 光刻形成调制 器通道 i l i v 族材料的平面波导温度系数小 抗辐射能力强 压电效应小 可以实 现激光器 探测器及其它有源光电器件的集成 适合环境条件恶劣 集成度高的场合 下使用 在航天 军事领域有着明显的优势 中圆科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 s o t 光波光波导器件噩其增逢膜的研究 1 1 4 聚台物材料 聚合物 p o l y m e r 光波导是近年研究的热点 2 3 2 8 聚合物材料 如聚甲基丙烯 酸甲酯p m m a p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e 环氧树腊e p o x yr e s i n s 等等 可以在任何 材料e 的衬底上大而积旋涂成型 不需要高温处理 易于波导器件制备 目前用于制 作聚合物光波导的工艺主要有刻蚀工艺 光聚合 选择性聚合等等 聚合物光波导的 热光系数和电光系数都比较大 很适合于研制高速光波导开关 a w g 等 德国h i l l 公司利用这种波导研制成功a w g 在2 5 6 5 的波长漂移仅为 o 0 5 r i m 聚合物波导及 器件制作工岂简单 价廉 很有发展前景 但是聚合物材料有较大的取折射特性和对 环境的抵抗力差 加上它的稳定性比半导体无机材料差 因此聚合物光波导还有很大 的改良空间 1 1 5 绝缘体上的硅材料 s o l s i l i c o n o n l n s u l a t o r 材料指的是绝缘体上的硅 硅材料在半导体和微电子 领域占有主导地位 而且硅材料的制各和加工工艺也是各种半导体中最为成熟的 由 于硅在光通信窗口是透明的 而且光损耗很少 s o l 材料为超大规模集成电路 v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波导技术提供了一个共同的平台0 9 3 q 和其他材 料相比 s o i 材料具有很多优势 s o l 圆片的价格在不断的下降 s o l 光波导制作工 艺与i c 加工工艺以相兼容 有成熟的工艺和设备司以利用 s o i 材料不仅可以制备 无源和有源光电子器件 而且还可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光电器件的 单片集成是光电子产业的发展方向 目前成熟的s o i 材料制备技术主要包括注氧隔离技术 s i m o x s e p a r a t i o nb y i m p l a n t e do x y g e n 阱3 8 1 键合面背面减薄技术 b e s o i b o n d i n ga n de t c h b a c ks o o n 智能剥离技术rs m a r t c u t 驯 s i m o x 的基本原理是将高能量的氧注入到体硅表层以下几十到几百个纳米 经 过1 3 0 0 0 2 高温退火形成埋氧隔离层 从而形成s o l 结构 用s i m o x 技术获得的s o i 圆片 顶层硅厚度均匀 平整度高 通过外延技术可以获得所需的顶层硅厚度 a g r i c k m a n 等人研究了s i m o xs 0 1 的平板波导的传输损耗 在平板波导厚度为6 3 u m 波长为1 5 9 i n 左右时的t e 模的最小损耗为0 1 4 d b 0 5 d b h b e s o i 技术是先将两片硅圆片进行热氧化 在表面形成氧化层后进行键台 退 火后将一片硅片进行抛光减薄 达到所需耍的厚度 b e s o i 材料可以获得初始硅片 火后将一片硅片进行抛光减薄 达到所需耍的厚度 b e s o i 材料可以获得初始硅片 中圆科学院上海微系统与信息技术研克所博士学位论文 3 5 0 1 光波光波导器件及其增透膜妁研究 1 1 4 聚合物材料 聚合物 p o l y m e r 光波导是近年研究的热点 2 3 2 8 聚合物材料 如聚甲基丙烯 酸甲酯p m m a p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e 环氧树脂e p o x y r e s i n s 等等 可以在任何 材料上的衬底上大面积旋涂成型 不需要高温处理 易于波导器件制备 目前用于制 作聚合物光波导的工艺主要有刻蚀工艺 光聚合 选择性聚合等等 聚合物光波导的 热光系数和电光系数都比较大 很适合于研制高速光波导开关 a w g 等 德国h h l 公司利用这种波导研制成功a w g 在2 5 6 5 c 的波长漂移仅为士0 0 5 n m 聚合物波导及 器件制作工艺简单 价廉 很有发展前景 但是聚合物材料有较大的双折射特性和对 环境的抵抗力差 加上它的稳定性比半导体无机材料差 因此聚合物光波导还有很大 的改良空间 1 1 5 绝缘体上的硅材料 s 0 1 s i l i c o n o n i n s u l a t o r 材料指的是绝缘体上的硅 硅材料在半导体和微电子 领域占有主导地位 而且硅材料的制备和加工工艺也是各种半导体中最为成熟的 由 于硅在光通信窗口是透明的 而且光损耗很少 s 0 1 材料为超大规模集成电路 v l s l v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波导技术提供了一个共同的平台 2 9 3 6 和其他材 料相比 s o l 材料具有很多优势 s o i 圆片的价格在不断的下降 s o l 光波导制作工 艺与i c 加工工艺以相兼容 有成熟的工艺和设备可以利用 s o l 材料不仅可以制备 无源和有源光电子器件 而且还可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光电器件的 单片集成是光电子产业的发展方向 目前成熟的s o l 材料制各技术主要包括注氧隔离技术 s i m o x s e p a r a t i o nb y i m p l a n t e do x y g e n 3 7 瑚 键合面背面减薄技术 b e s 0 i b o n d i n ga n de t c h b a c ks 0 1 和 智能剥离技术 s m a r t c u t t 3 s i m o x 的基本原理是将高能量的氧注入到体硅表层以下几十到几百个纳米 经 过1 3 0 0 0 2 高温退火形成埋氧隔离层 从而形成s o l 结构 用s i m o x 技术获得的s o l 圆片 顶层硅厚度均匀 平整度高 通过外延技术可以获得所需的顶层硅厚度 a g r i c k m a n 等人研究了s i m o xs o i 的平板波导的传输损耗 在平板波导厚度为6 3 m 波长为1 5 r t m 左右时的t e 模的最小损耗为0 1 4 d b a 0 5 d b 4 0 b e s o i 技术是先将两片硅圆片进行热氧化 在表面形成氧化层后进行键合 退 火后将一片硅片进行抛光减薄 达到所需要的厚度 b e s o i 材料可以获得初始硅片 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 3 第一章绪论 质量的顶层硅和热氧化的s i 0 2 埋层 但是受减薄技术的限制 顶层硅的平整度不高 目前商用的键合片的平整度只能达至t j o 5 p m u f i s c h e r 等人在b e s o is o l 材料上 制备了大截面脊形波导在1 3 m 波长下的最小的插入损耗为o 1 d b c m 4 1 1 0 s m a r t c u t 技术主要包括氢离子注入 键合 两步热处理 化学机械抛光 c m p c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 四个步骤 硅表面经氧化形成氧化层后 注入氢 离子 与另一哞 用硅片键合在 起 退火处理时 硅片在注氢处发生剥离 达到减薄 的目的 最后通过化学机械抛光对顶层硅进行处理使之达到使用要求 s m a r t c u t 技 术能够精确控制顶层硅的厚度 并且能够随意调节埋氧层的厚度 但是其工艺复杂 影响最终产品质量的因素很多 t w a n g 等人采用s m a r tc u t 技术制作的u n i b o n d s o i 材料的1 1 4 1 a m 厚的平板波导在1 3 i t m 的波长下的最小传输损耗为0 1 5 士0 0 5 d b 4 2 1 1 2s o i 光波导技术 s o l 是未来集成电路的一种关键材料 被誉为 2 l 世纪的硅基集成电路技术 制 备在s o i 材料上的c m o s 电路可以减少寄生效应和消除闩锁效应 从而可以在低功 耗的情况下获得高的运行速度 这些代表了现代通信和计算系统中的关键需求 此外 由于硅 n 3 4 5 a n 氧化硅 n 1 4 5 之间存在着巨大的折射率差 这种特殊的结 构使s o l 材料具有特有的光学性能 尽管也有其他方法诸如蓝宝石上的硅 s o s s i l i c o n o n s a p p h i r e 和玻璃波导 g l a s sw a v e g u i d e 来实现硅基波导 s i l i c o n b a s e d w a v e g u i d e 但只有s o i 才能真正和v l s i 工艺兼容 基于s o i 材料上的硅基光波导 目前主要有大截面的脊形波导器件和光子集成波导技术 p i c p h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s 两种发展方向 1 2 1 大截面的s o l 脊形波导器件 单模条件下的低损耗传输是平面波导技术的前提 传统上认为由于s o i 材料大 的折射率差 除非波导截面在亚微米尺寸内 s o i 波导才能获得单模的传输 但是这 种情况下 和光纤的耦合效率将会变得很差 但是s o r e f 等人提出在大截面的脊形波 导结构中 s o l 波导可以获得单模传输 此时单模脊形波导的尺寸可以大到与单模光 纤纤芯相当的水平 从而获得高的耦合效率1 4 3 1 尽管s o r e r 论模型预计的结果和实 验结果还有一定的误差 但是在这个基础上 大截面的s o l 脊形波导器件迅速发展 起来 同时许多研究小组不断发展了大截面s o l 脊形波导单模传输理论 4 5 o 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 4 s o l 光波光波导器件及其增透膜的研究 在大截面s 0 1 脊形波导的基础上 人们研制了各种类型的s o l 基的无源 有源 光器件 其中的一部分已经转化为商用产品 各种结构的光波导耦合器已经成功地制作在s o l 圆片上 4 6 5 t r i n h 等人制作了 第一个5 x 9 的s o i 星形耦合器 其片内额外损耗为1 3 d b 均匀性为1 4 d b 3 d b 的 方向耦合器的额外损耗为1 9 d b 1 8 的多模干涉器 m m i m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e 的片内额外损耗为o 9 8 d b t 5 4 基于s 0 1 平面波导器件的a s o c t a p p l i c a t i o ns p e c i f i c o p t i c a lc i r c u bt e c h n o l o g y 技术 英国的b o o k h a m 公司于2 0 0 1 年即推出了商用的 l x 4 0 的s o i 基a w g 器件 器件封装后的插入损耗小于5 5 d b 串扰小