第4章 光波导的制备技术

1、第第4 4章章 光波导的制备技术光波导的制备技术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第4 4章章 光波导的制备技术光波导的制备技术【目录】【本章教学目的和学习目标】第第4 4章章 光波导的制备技术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

2、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】第第4 4章章 光波导的制备技术光波导的制备技

3、术 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(linear optical material)，也可以是非线性光学材料(nonlinear optical material)。 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 4.1 光波导制作概述光波导制作概述 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，

4、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 4.1 光波导制作概述光波导制作概述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 3m 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 4.1 光波导制作概述光波导制作概述 材料制作技术高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4

5、YIG淀积法旋转涂敷真空镀膜溅射化学汽相沉积(CVD)聚合热扩散离子交换离子注入外延液相外延生长(LPE)汽相外延生长(VPE) 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 材料制作技术高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀积法旋转涂敷真空镀膜溅射化学汽相

6、沉积(CVD)聚合热扩散离子交换离子注入外延液相外延生长(LPE)汽相外延生长(VPE) 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 4.1 光波导制作概述光波导制作概述表4-2到表4-6列出了不同材料的波导的结构、制作方法和特性波导结构制作方法波导特性波导层衬底/mn/nf(dB/cm)Ag+,Ti+:玻璃钠玻璃离子交换0.633n=2-1010-24-5K+:玻璃钠玻璃离子交换0.633n=8-2010-31SiO2-B2O3-GeO2熔石英CVD0.633n10-20.1离子：熔石英熔石英离子注入0.

7、633n=2-5010-30.2As2S3玻璃镀膜1.06nf =2.360.2-0.4As40Se10玻璃 镀膜1.06nf =2.280.4 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 4.1 光波导制作概述光波导制作概述波导结构制作方法波导特性波导层衬底/mn/nf(dB/cm)Ti:LiNbO3LiNbO3热扩散0.633n=5-3010-31LiNbO3-LiO2LiNbO3LiO2外扩散0.633n 10-21-2H+:LiNbO3LiNbO3质子交换0.633n=0.131LiNbO3LiTaO3外延生长

8、0.633nf=2.20/2.292.50.30.10.3负性电子束致抗蚀剂PGMASEL-NCMS0.40.40.252.01.01.30.50.5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

9、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0.1m。4.7.1电子束致抗蚀剂 4.7 4.7 电子束扫描法电子束扫描法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

10、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25mm，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

11、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0.2m。4.7 4.7 电子束扫描法电子束扫描法 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

12、；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 4.7 电子束扫描法电子束扫描法 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 4.8 光波导加工技术光波导加工技术4.8.1 脱膜法 a)涂胶并形成光刻图形衬底c)溶解抗蚀剂衬底b

13、)淀积薄膜衬底图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 4.8 光波导加工技术光波导加工技术 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

14、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 4.8 光波导加工技术光波导加工技术金属掩膜层抗蚀剂显影腐蚀涂胶掩模光刻衬底光波导层衬底除去抗蚀剂衬底衬底涂胶掩模光刻衬底衬底衬底除去掩模b)用金属作掩模a)用抗蚀剂作掩模显影腐蚀光刻掩模光波导层图4.18腐蚀法加工光波导过程4.8.2 腐蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术4.8.2 腐蚀法被腐蚀材料腐蚀液备注金 属Al（1）5%10%氢氧化钠水溶液 （

15、2）磷酸：硝酸：醋酸：水=16:1:2:1（3）氢氟酸1%5%+硝酸5%+水会大量浸入抗蚀剂-35%A（1）碘1.2g+碘化铵3g+水40cc+乙醇60cc （2）氟化钠+双氧水易引起抗蚀剂剥离Ag（1）稀硝酸（3:1） （2）55%硝酸铁水溶液 （3）氨水：双氧水=1:1易引起抗蚀剂剥离C（1）三氯化铁水溶液 （2）过硫酸铵+三氯化铁水溶液Ti（1）氢氟酸：水=1:9 （2）氢氟酸：硝酸：水=1:1:50Cr（1）铁氰化钾30g+氢氧化钠5g+水100cc（2）硝酸铈17g+高氯酸5cc+水100cc会大量浸入抗蚀剂SiO2, Si3O440%氟化铵水溶液：氟氢酸=10:1缓冲腐蚀液，（不溶

16、解Si）玻璃，LiNbO3及其它电介质（1）缓冲腐蚀液（2）氢氟酸（稀释至适当浓度）单晶Si（1）硝酸：氢氟酸=5:1（2）硝酸：氢氟酸：醋酸=4:1:1各向同性腐蚀，易造成抗蚀剂剥离（3）10%30%氢氧化钠（钾）水溶液（4）乙二胺17cc+邻苯二酚3g+水8cc各向异性腐蚀，不腐蚀111方向A、湿式腐蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术设备反应类型反应机理反应气体被刻蚀材料方向性选择性等离子体刻蚀圆筒游离基化学CF4，O2Si，Si3N4抗蚀剂（抛光）各向同性大溅射刻蚀平行板型惰性离子物理ArSiO2，玻璃，LiNbO3等各向异性小反应性离子刻蚀(RIE)平行板型活性离子化学物

17、理CF4，H2，C3H8，CCl4，BCl3等SiO2, Si3N4LiNbO3等各种金属各向异性中离子束刻蚀离子枪惰性离子束物理ArSiO2，玻璃，有机高分子材料等各向异性小反应性离子束刻蚀离子枪活性离子束物理化学CF4，CHF3等SiO2，LiNbO3等各向异性中B、干式腐蚀法4.8.2 腐蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术试样等离子体高频线圈抽真空气体石英管图4.19 等离子体刻蚀示意图4.8.2 腐蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术 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

18、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。 溅射刻蚀法通常直接使用制作薄膜时所使用的溅射镀膜设备，只不过这次是把试样换在了原来靶材的位置，使得试样在惰性离子的物理轰击下被刻蚀。物理机理与化学机理相比，虽然可供选择的范围较小，但却可以实现各向异性的腐蚀。4.8.2 腐蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术4.8.2 腐蚀法等离子体式样抽真空金属腔高频电源气体冷却水试样架阳极线圈离子束气体阴极等离子体中和器挡板枪离子抽真空加速准直电极图4.20 反应性离子刻蚀法图4.21 离子束刻蚀法4.8 4.8 光波导加工技术光波导加工技术4.9 4

19、.9 条形波导的制作方法条形波导的制作方法4.9.1 条形光波导的结构及制作方法种类波导层衬底制作方法埋入型Ti: LiNbO3LiNbO3选择性热扩散H+: LiNbO3LiNbO3选择性质子交换K+, Ag+, Ti+玻璃钠玻璃选择性离子交换SiO2-B2O3-Ge-O2石英溅射刻蚀+CVDAs40Se10S40Ge10玻璃激光或电子束直接写入脊型Ti: LiNbO3LiNbO3热扩散+干式腐蚀Nb2O5LiNbO3溅射+脱膜康宁7059玻璃，Nb2O5-SiO2, Al2O3派热克斯玻璃，熔融石英溅射+脱膜，干式腐蚀光敏高分子化合物熔融石英显影与坚膜（电介质）加载型SiO2加载 Ti:

20、LiNbO3LiNbO3热扩散+脱膜SiO2加载/康宁7059玻璃等派热克斯玻璃溅射+脱膜（金属）加载型Al加载Ti: LiNbO3等LiNbO3化学腐蚀表4-17 条形光波导的结构及制作方法衬底清洗蒸发金属膜腐蚀金属膜离子交换K除去金属膜溅射Ti热扩散涂布光致抗蚀剂、曝光、显影除去抗蚀剂a)离子交换b)热扩散4.9.2 埋入型条形光波导的制作工艺流程图4.22 埋入型条形光波导制作工艺4.9 4.9 条形波导的制作方法条形波导的制作方法制作平面波导腐蚀金属膜干式腐蚀除去金属膜干式腐蚀涂布光致抗蚀剂、曝光、显影除去抗蚀剂淀积金属膜衬底清洗溅射电介质膜c)脱膜法a)干式腐蚀b)干式腐蚀图4.23

21、 脊型条形光波导制作工艺4.9.3 脊型条形光波导的制作工艺流程4.9 4.9 条形波导的制作方法条形波导的制作方法制作二维波导涂布抗蚀剂、曝光、显影除去抗蚀剂溅射电介质膜图4.24 脱膜法制作加载型条形光波导工艺4.9.4 加载型条形光波导的制作工艺流程4.9 4.9 条形波导的制作方法条形波导的制作方法4.10.1 埋入型条形玻璃光波导金属膜钠玻璃衬底图4.25用金属膜窗口制作的分支波导图形4.10 4.10 条形玻璃光波导的条形玻璃光波导的制作制作图4.28 输出光强度分布示意图SiO2膜图4.27 输出光的近场图像衬底覆盖层 离子交换单模波导中激励起波导光时，所观察到的玻璃端面输出光示

22、意图如图4.27所示。根据这个输出光图形就可以了解到，波导在单模传输的情况下，波导光在厚度方向和宽度方向同时被封闭以及形成分支的状况。如果用光电探测器接收输出光，就可以测量出图4.28所示的光强度沿宽度方向的分布状态。4.10 4.10 条形玻璃光波导的条形玻璃光波导的制作制作xE00 xE01xE02xE03xy图4.29 离子交换多模波导和导模输出光示意图4.10 4.10 条形玻璃光波导的条形玻璃光波导的制作制作涂布光致抗蚀剂掩模保护与曝光显影处理溅射康宁玻璃7059玻璃除去抗蚀剂图4.30 脱膜法制作脊型波导的工艺流程示意图4.10.2 脊型玻璃光波导4.10 4.10 条形玻璃光波导

23、的条形玻璃光波导的制作制作派热克斯玻璃康宁7059玻璃SiO2硼硅酸耐热玻璃a)加载低折射率包层钠玻璃b)加载高折射率包层康宁7059玻璃K+离子交换波导n2n1n4n3n2n1n4n3图4.31 加载玻璃波导结构示意图4.10.3 加载型玻璃光波导4.10 4.10 条形玻璃光波导的条形玻璃光波导的制作制作4.11.1 Ti扩散LiNbO3光波导脱膜后的Ti膜衬底Ti扩散波导热扩散衬底图4.32 Ti扩散LiNbO3波导的制作4.114.11条形LiNbO3光波导的制作/nm2.2002.2012.2022.2032.204N1520253010图4.33图4.34 图4.34表示采用Z切割

24、X方向传输的LiNbO3晶体，Ti膜宽为4m，扩散条件保持恒定时，Ti膜厚度对基模有效折射率的影响。从图中可以看出，有效折射率与Ti膜厚度间呈线性关系。在设计器件时利用这种性质，通过改变Ti膜厚度就可以很容易地控制单模波导的基模传输常数。但是，当Ti膜厚度在30nm以上时，还会激励起一阶模。在LiNbO3波导型调制器与开关器件的结构中，多数都需要是单模传输。波导图形拷贝时，有时候因为曝光用的掩膜与被曝光面密合性不好，使得Ti膜的宽度扩展0.51m，这样就会使波导中传输的光产生高阶模。因此，在波导制成后，一般用棱镜激励起波导光，通过改变激光的人射角来观察m线，如图4.35所示。4.114.11条形条形LiN