专利名称：用于实现光波导材料制备的方法
技术领域：
本发明涉及硅基二氧化硅光波导材料的制备方法，并将其应用在硅基二氧化硅阵列波导光栅(AWG)型等光波导器件的制备。
背景技术：
目前光波导器件的结构通常由三部分组成下包层，芯区和上包层。下包层的制备通常是采用火焰水解(FHD)法或者湿氧氧化法，芯区的制备通常采用FHD法或者等离子增强化学气象沉积(PECVD)法等方法，上包层的制备通常采用FHD法或者PECVD法等方法，波导材料生长工艺非常复杂。因此，一种实现平面波导材料的简便的工艺就显得尤为重要了。
目前国际上对光波导材料的下包层及芯区的生长方法主要是采用FHD法、湿氧氧化法、PECVD法等。而用在硅衬底上生长多孔硅层并利用该层作为缓冲层，利用FHD方法在上面沉积一层高掺杂的二氧化硅粉末，再通过高温退火使多孔硅充分氧化并与FHD法形成的二氧化硅相结合，形成折射率渐变波导材料。这种方法在国际上还没有报道。也可以通过在硅衬底上生长多孔硅层并利用该层作为缓冲层，利用FHD方法在上面沉积一层未掺杂的二氧化硅粉末，再通过高温退火使多孔硅充分氧化并与FHD法形成的二氧化硅相结合，形成厚下包层结构。这种方法可以解决FHD法制备厚二氧化硅层时易产生龟裂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于实现光波导材料制备的方法，其关键在于首先在硅衬底上通过阳极氧化法生成一层多孔硅缓冲层，再利用火焰水解法生成折射率渐变波导或者厚二氧化硅层，具有制作工艺简单和使用范围广泛的优点。
本发明是通过以下方法实现的本发明一种用于实现光波导材料制备的新方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在硅衬底上用阳极氧化方法生成一层多孔硅；(2)在多孔硅层上用火焰水解法生成一层高掺杂的二氧化硅粉末；(3)对材料进行高温退火，退火后得到折射率渐变的平面波导材料；(4)根据器件设计，刻蚀出所需的波导结构；(5)根据需要生长上包层结构，整个波导制备完毕。
其中所说的在多孔硅层上用火焰水解法生成一层高掺杂的二氧化硅粉末，也可以生成一层未掺杂的二氧化硅粉末，然后对材料进行高温退火，得到结构均匀的厚二氧化硅层，这种材料结构可以作为光波导器件的下包层。
其中所说的刻蚀出所需的波导结构，既可以采用干法刻蚀也可以采用湿法腐蚀技术刻蚀出所需波导结构。
其中所说的刻蚀出所需的波导结构，所刻蚀的波导结构根据设计要求既可以是直波导也可以是弯曲波导。
其中所说的生长上包层结构，也可以根据具体器件设计和需要，不生长上包层，利用空气的低折射率作为上包层结构。
其中所述的制备的方法所制备的光波导材料，可用于实现硅基二氧化硅阵列波导光栅器件，马赫-曾德干涉型器件、多模干涉器型器件和其他波导类器件。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及
如后，其中图1是在硅衬底上结合多孔硅工艺及火焰水解法制备折射率渐变波导材料并刻蚀出波导结构，形成的完整光波导器件的工艺流程图。
图2是在硅衬底上结合多孔硅工艺及火焰水解法制备折射率渐变波导结构的截面图。
具体实施例方式
请参阅图1及图2，其中图1-1是在硅衬底10上利用阳极氧化方法生成一层多孔硅11。硅片采用低电阻P型硅片，并在硅片背面通过离子注入等方法扩散硼，形成欧姆接触层，接电源负极。应用铂等贵金属作为阳极材料接电源正极。腐蚀液采用去离子水稀释的氢氟酸。在加电压之后硅片表面发生阳极反应，腐蚀出多孔化结构的多孔硅层，多孔硅层的空隙度和厚度决定于阳极腐蚀所加的电压、氢氟酸浓度、硅片类型及电阻率等参数。
图1-2是在已经腐蚀出的具有一定厚度和孔隙度的多孔硅11表面上通过火焰水解法生成一层二氧化硅粉末层12。通过调节火焰水解法中掺杂硼和磷的流量，可以控制二氧化硅粉末层12的组分，进而决定了高温退火后形成的折射率渐变波导的折射率情况。通过调节火焰水解法的气体流量和扫描速的，可以控制沉积在多孔硅11层上的二氧化硅粉末层12的厚度。
图1-3是对已在多孔硅层11上沉积好二氧化硅粉末层12的材料进行高温退火，退火后在硅衬底上生成折射率渐变波导层结构13。在80至1100摄氏度的高温下通过湿氧氧化方法对材料进行高温退火，使底下的多孔硅层11充分氧化，氧化成二氧化硅，同时，上层用火焰水解法生成的二氧化硅粉末层12经过高温玻璃化，生成玻璃态的二氧化硅并与多孔硅形成的二氧化硅结合在一起，形成完整的折射率渐变的二氧化硅层13。多孔硅层11在高温退火中主要有两个作用一是退火后形成低折射率的二氧化硅，从而与火焰水解法生成的掺杂有硼、磷的高折射率二氧化硅结合形成折射率渐变的波导层结构13；另一作用是在退火过程中起到缓冲层的作用，防止火焰水解法生成的二氧化硅粉末层12在退火过程中发生龟裂。
图1-4是对已制备好的折射率渐变波导层13进行刻蚀。根据器件的设计和需要，可以通过光刻及刻蚀的工艺在折射率渐变波导层上刻蚀出所需波导14，可以是直波导也可以是弯曲波导或者其他波导器件形式。刻蚀方法主要是干法刻蚀和湿法腐蚀，刻蚀过程中要根据器件设计及折射率渐变波导层折射率分布情况对刻蚀深度进行精确控制，以制备出符合性能要求的光波导器件。
图1-5是根据设计和需要在刻蚀好的波导器件结构层上生长上包层15。生长上包层可以通过火焰水解法、PECVD法或者其他方法生长，当然，也可以根据需要不生长上包层15，直接利用空气的低折射率作为器件的上包层，但这样不利于器件的保护和后续工艺的处理。
如果在图1-2中通过火焰水解法在多孔硅层上沉积的是未掺杂的二氧化硅粉末层12，则在高温退火后二氧化硅粉末玻璃化形成的玻璃态二氧化硅会与高温氧化的多孔硅形成的二氧化硅层结合在一起形成质地均匀、折射率一致的后二氧化硅层13，该层可以作为硅基二氧化硅光波导结构器件的下包层结构。此时多孔硅层的作用主要有两个一是在退火过程中起到缓冲层的作用，防止火焰水解法生成的二氧化硅粉末在退火过程中发生龟裂；另一作用是在保证退火后形成的下包层厚度的前提下，尽可能减小火焰水解法生成的二氧化硅层厚度，进而降低退火过程中发生龟裂的可能性。
权利要求
1.一种用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，包括如下保证(1)在硅衬底上用阳极氧化方法生成一层多孔硅；(2)在多孔硅层上用火焰水解法生成一层高掺杂的二氧化硅粉末；(3)对材料进行高温退火，退火后得到折射率渐变的平面波导材料；(4)根据器件设计，刻蚀出所需的波导结构；(5)根据需要生长上包层结构，整个波导制备完毕。
2.根据权利要求1所述的用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，其中所说的在多孔硅层上用火焰水解法生成一层高掺杂的二氧化硅粉末，也可以生成一层未掺杂的二氧化硅粉末，然后对材料进行高温退火，得到结构均匀的厚二氧化硅层，这种材料结构可以作为光波导器件的下包层。
3.根据权利要求1所述的用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，其中所说的刻蚀出所需的波导结构，既可以采用干法刻蚀也可以采用湿法腐蚀技术刻蚀出所需波导结构。
4.根据权利要求1所述的用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，其中所说的刻蚀出所需的波导结构，所刻蚀的波导结构根据设计要求既可以是直波导也可以是弯曲波导。
5.根据权利要求1所述的用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，其中所说的生长上包层结构，也可以根据具体器件设计和需要，不生长上包层，利用空气的低折射率作为上包层结构。
6.根据权利要求1所述的用于实现光波导材料制备的方法，其特征在于，其中所述的制备的方法所制备的光波导材料，可用于实现硅基二氧化硅阵列波导光栅器件，马赫—曾德干涉型器件、多模干涉器型器件和其他波导类器件。
全文摘要
一种用于实现光波导材料制备的方法，包括如下保证(1)在硅衬底上用阳极氧化方法生成一层多孔硅；(2)在多孔硅层上用火焰水解法生成一层高掺杂的二氧化硅粉末；(3)对材料进行高温退火，退火后得到折射率渐变的平面波导材料；(4)根据器件设计，刻蚀出所需的波导结构；(5)根据需要生长上包层结构，整个波导制备完毕。
文档编号G02B6/136GK1570685SQ03147258
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月11日 优先权日2003年7月11日
发明者李健, 郜定山, 安俊明, 李建光, 王红杰, 胡雄伟 申请人:中国科学院半导体研究所