第4章光波导的制备技术.ppt

第4章光波导的制备技术 主讲教师 宋贵才 20110913 DISIZHANGGUANGBODAODEZHIBEIJISHU 4 1光波导制作概述 4 2光波导衬底材料及加工 4 3无源材料光波导制备技术 4 4有源材料光波导制备技术 4 5光路几何图形的加工工艺 4 6光刻技术 4 7电子束扫描法 4 8光波导加工技术 4 9条形波导的制作方法 第4章光波导的制备技术 目录 本章教学目的和学习目标 第4章光波导的制备技术 掌握制备光波导薄膜材料 掌握光波导衬底材料的特性 掌握无源材料光波导的制备技术 掌握有源材料光波导的制备技术 掌握光刻技术和工艺 掌握光波导的加工技术 掌握条形波导的制作方法 掌握条形波导电极制作方法 光波导的制备通常需要两个过程 首先是要制作光波导薄膜 然后在光波导薄膜上制作光波导器件最终形成集成光路 光波导薄膜的制作技术主要包括原子掺杂技术 淀积技术 外延生长技术和电光技术 通过这些技术可以制作出光波导薄膜 光路几何图形的微细加工技术主要包括化学腐蚀法刻蚀和离子束刻蚀 进行刻蚀的目的 一是规定光的传输方向 让光在通道上有效通过 二是在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便对光信号进行调制 分束 开关和探测 本章将在介绍光波导材料和衬底材料的基础上 重点讲述有源材料和无源材料光波导的制作技术 光路几何图形的微细加工技术和光波导电极的制作方法 本章引言 第4章光波导的制备技术 第4章光波导的制备技术 4 1光波导制作概述 对于导光薄膜材料的选择应当遵循两个基本原则 一是导光薄膜材料的折射率高于衬底折射率的材料 二是导光薄膜材料能牢固涂敷在衬底上的材料 导光薄膜材料可以是线性光学材料 linearopticalmaterial 也可以是非线性光学材料 nonlinearopticalmaterial 线性材料一般只用于光传输 但通常情况下 要对传输的信号进行处理 使之具有放大 开光 偏转等能力 因此 非线性材料在光波导制造中十分重要 4 1 1光波导导光薄膜材料 4 1光波导制作概述 导波光学有两个目的 一是制造微型薄膜光学元件 二是制造集成光路 制作光波导的材料很多 可以分为衬底材料和导光薄膜材料 4 1 2光波导制作难点 4 1光波导制作概述 1 要求加工精度高 2 图形复杂 3 材料多样 波导的图形与尺寸是由器件所需要达到的设计尺寸决定的 即使在可见光范围内 多数情况下的波导宽度也都3 m以上 因此 图形形成时通常都可以采用光刻技术 集成光路中光波导的横向精度要达到 m数量级以下 而且这个精度不只是在某一个点的精度 而是在沿着光传输轴方向波导宽度都必须达到的精度 4 1 3材料与制作技术 4 1光波导制作概述 材料与制作方法的选择遵循下述原则 波导层厚度和折射率的误差都要小 而且均匀 传输损耗小 通常应在ldB cm以下 换言之 光学透明度好 表面凹凸小 光学散射少 在晶体的情况下 纯度和光轴应符合要求 强度大 与衬底附着性好 工艺重复性好 表4 1汇总了典型的光波导材料以及用它们制作波导的方法 4 1 4波导的结构 制作方法和特性 表4 2表明 通常利用旋转涂敷的方法制作聚氨脂 环氧树脂和光致抗蚀剂波导 利用光聚合法制作PMMA 聚碳酸脂和光聚合物波导 4 1光波导制作概述 表4 2到表4 6列出了不同材料的波导的结构 制作方法和特性 表4 3表明 通常利用离子交换制作玻璃波导 利用镀膜制作硫 硒 碲系波导 4 1 4波导的结构 制作方法和特性 4 1光波导制作概述 表4 4表明 通常利用扩散技术制作铌酸锂波导 4 1 4波导的结构 制作方法和特性 4 1光波导制作概述 表4 5表明 通常利用溅射技术和化学气相沉积技术制作金属氧化物波导 4 1 4波导的结构 制作方法和特性 4 1光波导制作概述 表4 6表明 通常利用液相外延技术和分子束外延技术制作半导体材料波导 4 1 4波导的结构 制作方法和特性 4 1光波导制作概述 第4章光波导的制备技术 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 对光波导衬底材料的总体要求是 1 材料应具有多功能 不仅能传输光信号 而且能制造出光源 接受器及各种调制器 2 性能稳定 均匀性好 容易加工制作 3 成本低 可批量生产 光波导衬底材料可以分成四类 1 无机材料 SiO2 LiNbO3 Ta2O5 Nb2O5 2 有机材料 塑料 有机玻璃 3 半导体 CaAs 4 金属和稀土陶瓷 表4 7给出了常用衬底材料及其常数 表4 7表明 用于LD LED PD的衬底材料主要为砷化镓 磷化铟 锗和硅 4 2光波导衬底材料及加工 衬底材料主要起到三个作用 一是支撑导光薄膜 二是能在其上制作各种光路器件 三是形成反光层 本节将介绍光波导衬底材料特性和衬底材料的加工方法 表4 8表明 用于衬底玻璃的材料主要为熔石英 高硼硅酸玻璃 派热克斯玻璃和钠玻璃 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 表4 9表明 用于电光 声光器件的衬底材料主要为铌酸锂和钽酸锂 表4 10表明 用于电极的衬底材料主要为金 银和铝 用于缓冲层的衬底材料主要为蓝宝石 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 表4 11表明 用于体型电光调制器的衬底材料主要为磷酸二氢氨和磷酸二氢钾 表4 12表明 用于声光偏转的衬底材料主要为重燧石玻璃和硫硒碲化合物系非晶玻璃 用于声光换能器的衬底材料主要为氧化锌 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 1 衬底抛光 光波导淀积用的衬底表面并不要求平滑 即无需极其小心地获得光学抛光人员引以为傲的极端平滑度 而只是要求衬底表面没有划痕或凹坑等缺陷 对于玻璃衬底 粗切割的玻璃毛坯要经过细磨后再抛光 加工过程的每道工序都要使用更细的抛光粉 直到前一道工序产生的擦痕都消失为止 如果加工得当 就可以获得很好的抛光面 一般来说 纯机械抛光总会留下擦痕的 这是因为实际研磨是通过机械刮削即通过研磨粉的作用进行的 然而 研磨粉总是有一定大小的 因此 为了获得无擦痕的表面 必须采用非机械抛光的方法 纯化学抛光可以获得无损伤的表面 但它并不光滑 在半导体工业当中 广泛采用化学 机械抛光法 即先用化学抛光法对衬底表面进行处理 然后用很细的磨蚀材料除去十分柔软的反应产物 从而获得较好的衬底表面 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 2 衬底清洗 在制作光波导薄膜之前 必须在保证不损坏表面质量的前提下把衬底表面彻底清洗干净 对于玻璃衬底的清洗方法是 首先 把衬底片轮流放到三氯乙烯和丙酮溶液池中 用超声清洗若干次 然后用研磨去垢剂擦洗 接着将它们先后放到两种混合液中煮沸 第一种混合液由水 30 不稳定的H2O2和27 的NH4OH组成 第二种混合液由水 30 不稳定的H2O2和37 的HCl组成 其体积比为7 2 1 最后用过滤蒸馏水冲洗后吹干 洗好的衬底需要用简单而快速的方法进行检验 通常利用水消法和照射法 水消法是将洗干净的衬底表面浸入去离子水当中 然后观察其干燥的图样 若衬底表面不存在有机残留物 则去离子水能够均匀浸湿衬底表面 由于缓慢蒸发 水几乎完全消失 在水层变得很薄时会显现出干涉色 4 2光波导衬底材料及加工 4 2 1光波导衬底材料 4 2 2衬底材料的加工 照射法利用图4 1所示的装置 在左侧面开口的暗盒中装有一个小的出射光基本上是平行光的光源 光直接照到盒的出口处 把衬底片放在光束当中 我们迎着黑暗背景观察衬底 由于尘埃和表面缺陷的小斑点对光产生散射而使其清晰可见 这样就可以同时研究表面质量和样品的清洁度 图4 1照射法检测衬底样品表面装置示意图 4 2光波导衬底材料及加工 第4章光波导的制备技术 4 3无源材料光波导的制备技术 无源材料通常是指材料中不含有自由载流子 用这些材料 只能做波导 无源材料光波导的制作技术主要是淀积技术和置换技术 淀积技术包括 真空蒸汽淀积 溅射淀积 旋转甩涂法 浸渍涂敷法 化学汽相淀积法和聚合法 置换技术包括 扩散技术 离子交换和迁移技术 4 3无源材料光波导的制备技术 4 3 1淀积技术 4 3无源材料光波导的制备技术 1 真空蒸汽淀积 镀膜 它是将薄膜材料加热 使之汽化 从而淀积到衬底材料上而形成薄膜 根据镀膜材料的不同 加热方法也不同 通常 低熔点的材料采用电阻丝加热方式 高熔点的材料采用高频感应加热 蜗旋电流 或电子束加热 为了提高膜层在衬底上的附着性 镀膜时通常需要对衬底进行加热 使其与膜材料的温度接近 膜层的厚度取决于蒸发源与衬底之间的距离以及镀膜时间的长短 为了得到均匀的膜层厚度 需要适当减小淀积速率和增加蒸发源到衬底的距离 真空蒸汽淀积的优点在于方法简单 方便 缺点是由于含起吸收和散射作用的污染原子 造成薄膜损耗较高 另外由于镀膜温度高 冷却较慢 淀积技术是指在衬底表面沉淀 堆积一层折射率略高的薄膜材料 从而形成波导 4 3无源材料光波导的制备技术 2 溅射淀积 溅射淀积包括等离子体放电系统和粒子束溅射系统 等离子体放电系统是通过高压电使溅射气体放电而等离子化 位于等离子体中的靶材由于受到高能 高速等离子体轰击 靶材的原子被打出 从而使这些原子淀积在衬底上形成薄膜的一种方法 粒子束溅射系统是利用离子枪发射高速离子 离子通过书扫描装置之后轰击靶材 将靶材中的原子打出 并使这些原子淀积在衬底上形成薄膜的一种方法 溅射法特别适用于难于用加热蒸发淀积法制作薄膜的高熔点材料 4 3 1淀积技术 4 3无源材料光波导的制备技术 1 等离子体放电系统如图4 2所示 其电源可以加直流或射频电压 分别称直流溅射和射频溅射 放电气体Ar Ne或Kr在强电场作用下发生电离 靶材料通常为金属或金属氧化物 4 3 1淀积技术 应当注意的是 直流溅射时 带电离子会在衬底和靶面附近聚集而形成屏蔽电场 影响淀积速率 直流溅射时的气压一般为1 10Pa时 淀积的速率一般为0 02 0 2 m min 因此 直流溅射适用于膜层较薄时 射频溅射时的气压一般为0 1 1Pa 淀积的速率为0 5 5 m min 因为比直流溅射淀积速率更快 环境工作气压又低 因此 可以制备高纯度薄膜 并适应于膜层较厚的情况 淀积金属氧化物时 要在一定浓度的氧气中进行 形成反应溅射 在往衬底上正式淀积电介质薄膜之前 需要关闭挡板 先进行15 20min的预溅射 以除去靶材表面吸附的污染物 薄膜厚度可由溅射时的电压 电流密度 气体压力和溅射时间控制 4 3 1淀积技术 4 3无源材料光波导的制备技术 4 3无源材料光波导的制备技术 2 离子束溅射系统如图4 3所示 离子枪用于产生高速准直离子束 束扫描器以栅形图案沿整个靶扫描 以保证均匀溅射 离子束溅射系统的优点是聚焦离子只能撞击靶材料 没有污染原子 分子 从腔壁溅射出来 可以制备高纯度的薄膜 一般情况下 溅射膜与加热蒸发淀积膜相比 具有纯度高 致密 附着牢 膜层均匀性和物化性能好等优点 4 3 1淀积技术 4 3无源材料光波导的制备技术 3 溶液淀积 溶液淀积包括旋转甩涂和浸渍涂敷 这两种方法都是往衬底上涂敷光致抗蚀剂等高分子电介质薄膜的方法 旋转甩涂法是将高分子材料溶于溶剂做成黏稠的液体 把少量的液滴滴在衬底上 通过衬底的高速旋转 而得到薄膜的方法 浸渍涂敷法也是将高分子材料溶于溶剂做成黏稠的液体 把衬底浸入这种溶液中 然后将衬底提起 从而在衬底表面附着一层薄膜的方法 为了增加这两种膜在衬底上的附着度 需要将它们放入适当温度的烘箱中进行热处理 这两种波导制作方法工艺最简单 成本也最低 但是 薄膜的纯度和均匀性也比较低 4 3 1淀积技术 4 3无源材料光波导的制备技术 4 化学汽相淀积法 前面所介绍的三种方法都是物理汽相淀积法 与物理汽相淀积相对应的是化学汽相淀积法 ChemicalVaporDeposition CVD CVD法是以某种气体为原料 通过化学反应 在衬底上淀积薄膜的一种方法 化学汽相淀积反应器结构如图4 4所示 图4 4化学气相淀积反应器结构示意图 4 3 1淀积技术 1 淀积的反应方程式为 4 3 1 式 4 3 1 表明 可以用氢气还原四氯化硅来实现硅的淀积 4 3 2 式 4 3 2 表明 可以通过对硅烷 四氢化硅 加热来实现硅的淀积 2 淀积晶体的反应方程式 4 3 3 式 4 3 3 表明 用氢气还原三氯化砷 4 3 4 式 4 3 4 表明 用镓置换氯化氢 获得氢气 4 3 5 式 4 3 5 表明 氯化镓与砷和氢气反应生成的砷化镓淀积到衬底上3 淀积晶体的反应方程式 4 3 6 式 4 3 6 表明 浓度为 1 x 的三甲基镓和浓度为x的三甲基铝与砷化氢反应生成的镓铝砷淀积到衬底上 4 3无源材料光波导的制备技术 4 3无源材料光波导的制备技术 5 聚合法 聚合法 PolymerizationMethod 是一种用于制作有机高分子 聚合物 薄膜的方法 它是将单体在真空中加热使之蒸发 同时通过加热 电子束照射 紫外线照射或者等离子体照射的方法 使单体蒸汽在衬底表面淀积下来并且聚合形成薄膜 从广义上讲 聚合法也属于化学汽相沉积法 其中尤其是等离子体照射聚合法更是经常被人们划归等离子体CVD 等离子体聚合法的工艺虽然较为复杂 但是却比液相反应法控制的更为精确 4 3 1淀积技术 置换技术是通过引进杂质原子 分子或离子 置换晶格中某些原子 分子或离子 从而引起折射率变化 主要包括扩散技术 离子交换和迁移技术 4 3 2置换技术 1 扩散技术 它可以分为外扩散法和内扩散法 外扩散法是将衬底加热 使衬底内部的物质往外部扩散出去 以便制作出高折射率层的一种方法 内扩散法是先将需要进行热扩散的材料淀积在衬底表面 然后将它放入高温炉中 使淀积材料扩散进入衬底中 在衬底表面附近形成一层折射率略高的扩散层的一种方法 4 3无源材料光波导的制备技术 4 3无源材料光波导的制备技术 4 3 2置换技术 1 氧化锂外扩散法制作铌酸锂介质光波导如图4 5所示 4 5表明 将铌酸锂衬底进行高温加热 其中的氧化锂就可以向外扩散到衬底表面 从而形成光波导层 图4 5氧化锂外扩散法外 2 钛内扩散法制作铌酸锂介质光波导如图4 6所示 图4 6表明 铌酸锂晶体内扩散过渡金属 可以制得一层高折射率的波导层 这种波导中 都增加 在内扩散的过程中有一种电场扩散法 是在内扩散的同时加一个直流电场 使得在比较低的温度下就可以快速扩散 这种方法适用于希望衬底不要加热到高温的场合 图4 6钛 钒 镍内扩散内扩散 4 3 2置换技术 4 3无源材料光波导的制备技术 图4 7离子交换和迁移 离子交换法是将衬底浸入某种溶液中 通过衬底中的离子与溶液中的离子之间的交换 在衬底的表面附近制作高折射率层的一种方法 如图4 7所示 离子交换时 折射率增加或减小与两个因素有关 一是与交换离子的原子大小有关 二是与交换离子的电子位移极化率有关 图中电源是为了加快置换速度 当Li 与Na 发生交换时 因为Li 的尺寸比Na 的尺寸小 造成玻璃网格在小离子周围发生破裂 产生相当密集的结构 从而使折射率增加 当Ag 与Na 发生交换时 因为Ag 的电子位移极化率大于Na 的电子位移极化率 从而使折射率增加 这是因为当物质发生极化时 介质的相对介电常数满足 4 3 2置换技术 4 3无源材料光波导的制备技术 第4章光波导的制备技术 4 4有源材料光波导的制备技术 4 4有源材料光波导的制备技术 有源材料通常是指材料中含有自由载流子 用这些材料 不仅能在其上做波导 而且能够做激光器 探测器和调制器等器件 有源材料光波导的制作技术主要是外延生长技术和减少载流子浓度技术 外延生长技术主要包括液相外延 汽相外延和分子束外延 减少载流子浓度技术主要包括质子轰击 离子注入和电光效应 4 4有源材料光波导的制备技术 表4 13塞耳迈尔方程系数与Al浓度x的函数关系 4 4 1外延生长技术 1 液相外延 LiquidPhaseEpitaxy LPE 液相外延由饱和或过饱和溶液在单晶衬底上定向生长一层晶体材料 生长条件为要生长的薄膜材料与衬底材料在晶格结构和晶格常数两方面足够相似 才能使相干晶格结构得以延续 外延生长法是在衬底上生长一层折射率高的薄膜 从而形成光波导 图4 8液相外延生长光波导薄膜装置示意图 液相外延生长法制作光波导的装置如图4 8所示 它主要由石英管 热电偶 石墨滑尺组成 石英管提供一个密闭的外延生长环境 热电偶可以保持稳定的温度 石墨滑尺便于衬底在不同浓度溶液之间滑动 先行籽晶的作用是调节溶液的饱和度 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 图4 9液相外延生长法制作的光波导示意图 当石墨滑尺水平滑动时 其上的衬底将经过铝浓度不同的砷化镓溶液 从而形成折射率不同的薄膜层 液相外延生长法制作的光波导如图4 9所示 用液相外延法制作的膜层 一般情况下结晶性 厚度控制以及均匀性都很好 折射率沿纵深方向的分布呈阶梯状分布 这种技术在半导体材料中应用非常广泛 而在用电介质材料制作波导过程中的应用却没有那么广泛 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 2 汽相外延 VapourPhaseEpitaxy VPE 汽相外延由饱和或过饱和汽体在单晶衬底上定向生长一层晶体材料 即在衬底表面造成生长物原子的过饱和 驱使气相中的生长物原子并入固相 在衬底表面外延生长出晶体薄膜 气相外延的温度通常远低于同种材料块状晶体的生长温度 生长时的过饱和度与块状晶体相比也比较低 这导致外延生长的速率一般情况下远低于块状晶体的生长速率 这一特点决定了其为薄膜制备手段的应用 VPE与LPE的生长条件相似 它们共同的特点是 允许使用大面积衬底 容易制作多层结构 易控制掺杂浓度 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 分子束外延 MolecularBeamEpitaxy MBE 分子束外延装置如左图所示 分子束外延是在超高真空中 利用分子或原子射束注入系统将要生长的材料的热分子或原子束射到衬底上进行外延的一种方法 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 分子束外延是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度 掺杂和界面平整度的薄膜制备技术 主要用于半导体薄制备 超薄膜 多层量子结 超晶格 它是制备新一代微波器件和光电子器件的主要技术 离子溅射枪主要用来在淀积前净化衬底表面 它与质谱仪结合也可以进行成分分析 即所谓二次离子质谱测定法 可以通过离子溅射枪和靶位的转换进行单层 多层薄膜和复合膜的制备 用辅助离子溅射枪实现对基底的溅射清洗 离子束辅助沉积 并且可以进行离子束反应溅射沉积 利用高能气体离子源的注入和膜基界面混合效应 有效提高薄膜与基底之间的结合力 4 4 1外延生长技术 高能电子衍射仪主要可以用作微粒晶体结构的分析研究 金属氧化过程的分析研究 无定形和高质量物质的测定 金属表层及在表层下的晶格相位的分析研究 并对半导体表层渗入的物理现象的研究 因此 电子衍射仪可以测定在磨擦 滑润 腐触 温度变化 触媒 辐射 化学反应 相移等各种过程中的演变情况 一般用电子显微镜能观察到的物质 电子衍射仪亦能分析 分子束外延中 反射高能电子衍射仪则可以提供有关表面重构 显微结构和表面光滑度的资料 4 4有源材料光波导的制备技术 质谱仪是分离和检测不同同位素的仪器 它根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理 按物质原子 分子或分子碎片的质量差异对物质进行分离和检测 也就是将物质气化 电离成离子束 经电压加速和聚焦 然后通过磁场电场区 不同质量的离子受到磁场电场的作用后偏转不同 聚焦在不同的位置 从而获得不同同位素的质量谱 在分子束外延系统中它不仅能检测淀积射束 而且还能检测周围环境中的残留分子 射束源由喷射炉 快门和液氮冷却套组成 喷射炉的坩锅内放置要进行外延的物质 它具有小于分子运动自由程的喷口 每个喷口处都有一个用来迅速控制分子束流的快门 从而精确地控制外延层的组分 掺杂和厚度 同时也避免了不同分子束之间的交叉污染 除了喷口外 整个喷射炉都被液氮冷却套包裹 目的是冷却受热部件改善衬底和喷射炉附近的真空环境 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 超高真空系统 分子束外延的真空系统的真空度要求优于10 8Pa 目前 分子束外延系统常用的抽真空设备是用吸附泵提供无油的前级低真空条件 然后 采用离子泵 升华泵和涡轮分子泵获得超高真空 过程控制装置可以由简单的模拟控制器组成 这些控制器可根据热电偶的读数校正源炉子和衬底的温度 也可以采用数字计算机来实现对外延生长的控制 该系统根据质谱仪检测出的实际生长速率作为其输入 不仅能控制射束源和衬底温度 而且还能操纵射束闸门的开闭 4 4 1外延生长技术 4 4有源材料光波导的制备技术 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 减少载流子浓度法是通过降低载流子浓度在衬底上制备一层折射率高的薄膜 从而形成光波导 A 减少载流子浓度来提高介质折射率的机理降低载流子的浓度就可以提高介质的折射率 B 降低载流子浓度的方法为了降低载流子浓度通常可以采用质子轰击 离子注入和电光效应 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 1 质子轰击 质子轰击是用高速质子轰击衬底材料 使一定深度区域内材料受到损伤 出现电子陷阱形成补偿中心 导致载流子浓度下降 图4 11a 是质子轰击所成的波导 图4 11b 是载流子浓度随穿透深度变化的曲线 图4 11c 是折射率随穿透深度变化的曲线 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 质子轰击制作光波导的缺点是光传输损耗大 因为质子轰击产生的电子陷阱俘获了载流子 导致载流子浓度下降 而这些被俘获的载流子能吸收光子再释放出来 解决的办法是根据衬底载流子浓度决定质子注入量 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 2 离子注入 ionimplantation 离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术 其基本原理是 用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去 离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用 入射离子逐渐损失能量 最后停留在材料中 并引起材料表面成分 结构和性能发生变化 从而优化材料表面性能 或获得某些新的优异性能 4 4有源材料光波导的制备技术 离子注入系统主要由离子源 加速电极和束扫描器构成 如图4 12所示 应当注意的是 同质子轰击一样 都要进行退火处理 这样操作的目的有两个 一是消除由于注入而引起的晶格损伤 二是使注入的离子移入晶格中的适当位置 4 12离子注入系统 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量 深度分布和面均匀性 而且是低温工艺 可防止原来杂质的再扩散等 它是一种纯净的无公害的表面处理技术 离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层 它与基体之间不存在剥落问题 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 3 电光效应 当金属与半导体接触时就会在金属 半导体接面形成肖特基势垒 它是金属 半导体边界上形成的具有整流作用的区域 肖特基势垒相较于PN接面最大的区别在于具有较低的接面电压 以及在金属端具有相当薄的 几乎不存在 空乏区宽度 由半导体到金属 电子需要克服势垒 而由金属向半导体 电子受势垒阻挡 4 4 2减少载流子浓度技术 4 4有源材料光波导的制备技术 在加正向偏置时半导体一侧的势垒下降 相反 在加反向偏置时 半导体一侧势垒增高 当半导体均匀掺杂时肖特基势垒的空间电荷层宽度和单边突变P N结的耗尽层宽度相一致 如图4 13所示 在GaAs衬底上淀积一层金属条就会消除肖特基势垒 再在金属条上加反向偏压后 电极下会形成耗尽层 耗尽层中载流子的浓度远远低于衬底中载流子的浓度 从而形成光波导 图4 13电光效应形成波导 4 4 2减少载流子浓度技术 第4章光波导的制备技术 4 5光路几何图形的加工工艺 在前面的两节讲述了光波导的制作技术 在完成了光波导的制作之后 还要在光波导上设计和制作集成光路 本节将介绍光路几何图形的加工工艺 光路几何图形的加工主要包括两个方面的主要内容 一是光路的设计和加工 光波导器件几何图形设计和加工 4 5光路几何图形的加工工艺 4 5 1集成光路设计和加工工艺 4 5光路几何图形的加工工艺 图4 13集成光路设计和加工工艺 集成光路的设计 就是要选择衬底和波导层材料 然后设计出光源 光的传输通道 光的调制器件和光的探测器件 完成集成光路的设计后就要对光路进行精细加工 集成光路的精细加工工艺可以分为三道工序 掩膜制作或者图形数据输入 形成抗腐蚀图形和腐蚀 在制作集成光路的时 可分别采用上图中的三种不同方法 第 种方法是借助于掩摸 对衬底上涂布的光致抗蚀剂曝光的方法 第 种方法是不借助于掩膜 而采用激光束或电子束直接对衬底上涂布的光致抗蚀剂进行曝光的方法 第 种方法是直接用激光束或者电子束在衬底上绘图的方法 目前适用于直接加工法的材料有非晶质硫 硒 碲化合物薄膜 高分子薄膜和光敏玻璃等 4 5 1集成光路设计和加工工艺 4 5光路几何图形的加工工艺 4 5 2光路几何图形设计和加工工艺 4 5光路几何图形的加工工艺 集成光路当中的器件大都是具有一定几何形状的薄膜形器件 为此 要根据器件的功能和结构设计出相移的几何形状 为了得到优质的抗腐蚀图形 首先必须制作出图形精细的高反差掩膜 mask 掩膜材料的选用必须能够适应后续曝光工序中使用的光源 制作成掩膜后 就要通过光照射在波导衬底的表面上制作出抗腐蚀图形 此过程通常称为光刻 如图4 14所示 4 5 2光路几何图形设计和加工工艺 图4 14光路几何图形的形成技术 4 5光路几何图形的加工工艺 第4章光波导的制备技术 4 6光刻技术 光刻技术通常是指采用波长为200 450nm的紫外光作为图像信息载体 以光致抗蚀剂为中间图像记录媒介实现图形的变换 转移和处理 最终把图像信息传递到晶片或介质层上的一种工艺 在广义上 它包括光复印工艺和刻蚀工艺两个主要方面 光复印工艺是经曝光系统将预制在掩膜版上的器件或电路图形按所要求的位置 精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上 刻蚀工艺是利用化学或物理方法 将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去 从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形 本节将介绍光致抗蚀剂以及光刻技术的工艺流程 4 6光刻技术 4 6 1光致抗蚀剂 1 光致抗蚀剂种类 光致抗蚀剂分为两大类 一类是正性光致抗蚀剂 该类抗蚀剂受光照部分发生降解反应而能为显影液所溶解 留下的非曝光部分的图形与掩膜版一致 正性抗蚀剂具有分辨率高 对驻波效应不敏感 曝光容限大 针孔密度低和无毒性等优点 适合于制作高集成度的器件 另一类是负性光致抗蚀剂 该类抗蚀剂受光照部分产生交链反应而成为不溶物 非曝光部分被显影液溶解 获得的图形与掩膜版图形互补 负性抗蚀剂的附着力强 灵敏度高 显影条件要求不严 适于制作低集成度的器件 4 6光刻技术 2 光致抗蚀剂的性能 光致抗蚀剂的性能指标主要包括 感光度 分辨率 粘附性 抗蚀性 针孔密度和留膜率 感光度 表征光刻胶对光的敏感程度 分辨率 表征光刻精度 即光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸 粘附性 表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度 抗蚀性 表征光刻胶耐酸碱 或等离子体 腐蚀的程度 针孔密度 单位面积上的针孔数 留膜率 曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比 通常正性光致抗蚀剂具有分辨率高 边缘整齐 反刻易对准的优点 而负性光致抗蚀剂具有针孔少 耐腐蚀 粘附性好和感光度高的优点 4 6光刻技术 4 6 1光致抗蚀剂 图4 15 离心机转速与抗蚀剂膜层厚度关系 是试验曲线的一个例子 其中至关重要的一点是 所制作的光致抗蚀剂膜层必须是均匀而且没有针孔的膜层 通常使用离心甩胶机将光致抗蚀剂涂在波导衬底上 光致抗蚀剂的膜层厚度取决于光致抗蚀剂的黏度以及离心甩胶机的旋转速度 可以利用预先测量出的试验曲线 计算出为了得到所需要的厚度应当选取的工艺参数 4 6 2涂布抗蚀剂 4 6光刻技术 根据曝光时掩膜与晶片间相对关系是贴紧还是分开可以将曝光方式分为接触式曝光和非接触式曝光 接触式曝光具有光的衍射效应最小 分辨率高 复印面积大 复印精度好 曝光设备简单 操作方便和生产效率高等特点 但容易损伤和沾污掩膜版和晶片上的感光胶涂层 影响成品率和掩膜版寿命 对准精度的提高也受到较多的限制 一般认为 接触式曝光只适于分立元件和中 小规模集成光路的制作 非接触式曝光主要指投影曝光 在投影曝光系统中 采用光学投影的方法 将掩膜版上的图形聚焦于晶片表面的光刻胶上进行曝光 掩膜版与晶片上的感光胶层不接触 避免了掩膜版与晶片表面的摩擦 延长了掩膜版的寿命 非接触曝光时 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多 克服了小图形制版的困难 消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象 因此 非接触式曝光不会引起损伤和沾污 成品率较高 对准精度也高 能满足高集成度器件的要求 但投影曝光设备复杂 技术难度高 因而不适于低档产品的制作 4 6 3曝光方式 4 6光刻技术 曝光后 就要将带有光致抗蚀剂的衬底浸入显影液中进行显影或者用喷雾法对光致抗蚀剂显影 显影目的是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除 显现出所需的图形 正胶显影液一般为含水的碱性显影液 如 TMAH 四甲基氢氧化胺水溶液 KOH 氢氧化钾 等 负胶显影液主要为C8H10 二甲苯 由于二甲苯对光刻胶的参透能力很强 在显影过程中会侵入光刻胶的交联区域 引起聚合物的膨胀 因此通常加入抑制显影速率的缓冲剂 影响显影速率的因素包括显影液的浓度 温度 光刻胶的前烘条件和曝光量 显影后 要使软化 膨胀的胶膜与硅片粘附更牢 同时增加抗蚀能力 使它在后续的腐蚀中保持完好 必须对光刻胶进行坚膜处理 一般在180 200 的温度下烘烤大约30分钟 应当注意的是 坚膜不足的情况下 腐蚀时易浮胶 易侧蚀 坚膜过度时 会引起热膨胀 胶膜翘曲 剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀 4 6 4显影和坚膜 4 6光刻技术 图4 16光刻流程示意图 用形成图形的光致抗蚀剂作为掩膜 就可以对用淀积法 热扩散法 离子交换法和离子注入法等制作的光波导薄膜进行保护 最后 还要除去这些起到过保护作用的抗蚀剂 此过程称为脱膜 脱膜与腐蚀的目的是把经曝光 显影后的光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉 即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形 光刻过程的流程图如图4 16所示 4 6 5脱膜和腐蚀 4 6光刻技术 第4章光波导的制备技术 4 7电子束扫描法 电子束曝光具有分辨率高 光刻精度高 不需光刻版和在真空中曝光等优点 电子束扫描法特别适合于集成光路的光栅这种具有精细的周期和比较小的面积的器件制作 本节将介绍电子束致抗蚀剂和电子束扫描系统构成和特点 4 7电子束扫描法 4 7电子束扫描法 4 7 1电子束致抗蚀剂 与光致抗蚀剂一样 电子束致抗蚀剂也有正性与负性之分 不过 所谓正性电子束致抗蚀剂指的是射线分解性高分子材料 其典型例子就是PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 而所谓负性电子束致抗蚀剂指的则是射线交联性高分子材料 其中一个例子就是PGMA 聚甲基丙烯酸环氧丙酯 使用电子束致抗蚀剂时的各种操作工序基本上与使用光致抗蚀剂时的工序相同 表4 14汇总了各种电子束致抗蚀剂以及它们的性能 对电子束致抗蚀剂的性能要求和对光致抗蚀剂的要求基本一样 依然是分辨率 灵敏度和耐加工性 决定其分辨率的主要因素是电子束的聚焦性能以及电子束致抗蚀剂的特性 反差特性 其中 使用电子束致抗蚀剂时的电子束的聚焦性能与使用光致抗蚀剂时的光聚焦性能不同 最起决定作用的因素与其说是电子束的直径 不如说是电子束在抗蚀剂中的横向散射效应 理论和实践都表明 这种横向散射效应所产生的扩散尺度大约与抗蚀剂的膜层厚度相当 正是由于这个原因 PMMA的分辨率大约为0 1 m 4 7 1电子束致抗蚀剂 4 7电子束扫描法 4 7 2电子束扫描系统构成和特点 电子束扫描系统是在普通扫描电子显微镜 SEM 的基础上 添加扫描控制用的电子电路 并且与计算机组合起来而构成的 其电子光学系统 图像显示系统以及试样台都沿用原来SEM中的部件 在使用电子束曝光的情况下 不需要使用光照射曝光那样的掩膜 如图4 14中的第 种方法所示 将集成光路的图形数据输入进绘图装置 它就会自动地控制电子束偏转 或者自动地移动实验平台 在电子束致抗蚀剂上对要绘出的图形进行曝光 电子扫描装置中 有可以对电子束的焦斑形状和粗细等进行种种控制的系统 也有使电子束的扫描方式为光栅扫描和矢量扫描控制的系统 电子束的扫描范围因为受到电子光学系统偏转失真的限制 所以一般为2 5mm 为此实验平台必须能够在宽度达100mm见方的范围内移动 实验台在x方向和y方向的移动 利用激光干涉仪 可以测量与控制到10nm的精确度 但是由于受需要使用电子束读取试样表面定位标记等因素的影响 最后的综合定位精度实际上为0 2 m 4 7电子束扫描法 这种为了制作超大规模集成电路而开发出来的电子束扫描设备虽然可以描绘出近似满足集成光路图形全部要求的平滑直线和曲线 但是在将它用于制作集成光路时 总存在一些平滑度不够充分或速度太慢之类的问题 电子束扫描的整个工艺流程主要包括 编写扫描控制程序 准备衬底 抽真空 调整电子束参量 输入光栅参量和校正光栅尺寸 在衬底表面聚焦电子束 在设定区域和位置进行绘图 电子束扫描法的优点是 可以制作极短周期的光栅 制作调制光栅的自由度大 通过计算机输入很容易变更参量 在衬底的任何部位和区域都可以描绘出轮廓清晰的无噪声光栅图形 4 7 2电子束扫描系统构成和特点 4 7电子束扫描法 第4章光波导的制备技术 4 8光波导加工技术 制作条形波导和波导型光学器件时 如果使用抗蚀剂本身作为器件材料的情况下 或者利用电子束直接加工的情况下 第4 5节所讲的图形形成工序就已经是最终工艺了 但是 在其它的更为常见的情况下 为了制作条形波导和波导型光学器件 还必须对构成波导的材料进行精细加工 其加工方法是将抗蚀剂形成的图形直接拷贝成为被加工材料的图形 其拷贝方法分为脱膜法和腐蚀法两种 4 8光波导加工技术 4 8 1脱膜法 图4 17脱膜法加工光波导 在制作金属薄膜电极以及制作比较厚的薄膜波导层和形成光栅图形时 多采用图4 17所示的脱膜法 这是一种以光致抗蚀剂为掩膜 在衬底上形成需要加工的薄膜的方法 4 8光波导加工技术 腐蚀法是指在衬底上先生成光波导层 然后用光致抗蚀剂或金属为掩膜在光波导层上形成所需图形的方法 使用抗蚀剂为掩膜作为腐蚀保护层 如图4 18a 所示 如果在腐蚀工艺会浸蚀抗蚀剂的情况下 则需要采用如图4 18b 所示的以金属为掩膜的方法 此时要进行多次腐蚀法 就是通过第一次腐蚀 将抗蚀剂图形拷贝成金属膜图形 并以这种金属膜图形为掩膜 对光波导层进行正式腐蚀的方法腐蚀法是指在衬底上先生成光波导层 然后用光致抗蚀剂或金属为掩膜在光波导层上形成所需图形的方法 也就是先在光波导层的表面上制作出掩膜层图形 通过对掩膜开窗口部位的腐蚀加工 拷贝出图形的精细加工方法 4 8 2腐蚀法 4 8光波导加工技术 图4 18腐蚀法加工光波导过程 4 8 2腐蚀法 4 8光波导加工技术 4 8 2腐蚀法 A 湿式腐蚀法 4 8光波导加工技术 B 干式腐蚀法 4 8 2腐蚀法 4 8光波导加工技术 图4 19等离子体刻蚀示意图 4 8 2腐蚀法 4 8光波导加工技术 等离子体刻蚀利用等离子放电产生的中性游离基与Si之间的化学反应 可以刻蚀Si系列材料 如果采用的气体不是CF4而是O2 O2等离子体就会将有机物分解 加工结束后就可以将抗蚀剂除去了 该过程有时候又被称之为抗蚀剂的灰化 溅