专利名称：用于实现光波导制备的方法
技术领域：
本发明涉及硅基二氧化硅光波导的制备方法，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下包层、芯区和上包层等三部分组成。下包层的制备通常是采用火焰水解(FHD)法或湿氧氧化法。芯区和上包层的制备通常采用FHD法或等离子增强化学气象沉积(PECVD)法等方法。波导材料生长对材料的层厚和折射率都有十分严格的要求，工艺非常复杂。因此，一种实现平面光波导的简便的制备工艺就显得尤为重要。
目前，光波导的通用制备步骤是先生长二氧化硅下包层，然后在下包层上生长具有一定折射率差的二氧化硅芯区，再根据器件设计进行光刻和刻蚀，制备出所需的波导结构，最后生长上包层，完成整个器件的制备。该工艺较复杂且芯区存在较大应力，导致所设计器件偏振相关敏感。采用在硅衬底上生长多孔硅层，并通过高温退火使多孔硅充分氧化为高折射率二氧化硅芯层，再通过长时间高温热氧化形成二氧化硅下包层，最终制备出二氧化硅光波导器件。这种方法工艺相对简单，能够改进波导结构的偏振相关特性，在国际上还没有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于实现光波导制备的方法，其关键在于先在硅衬底上通过阳极氧化法生成一层多孔硅，利用高温热氧化生成高折射率的芯层，干法刻蚀出设计需要的波导结构，最后通过长时间高温热氧化生成二氧化硅下包层，覆盖上包层，最终完成整个波导器件的制备工艺。
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，腐蚀液中加入适量磷酸；2)对材料进行高温氧化或高温掺杂氧化，使多孔硅层氧化为高折射率的二氧化硅层；3)通过掩膜光刻和干法刻蚀等工艺，在高折射率二氧化硅表面形成设计需要的波导芯区结构；4)对材料进行长时间高温热氧化，制备出具有一定厚度的二氧化硅下包层；5)根据需要生长上包层结构，整个波导制备完毕。
其中步骤1所说的通过阳极氧化方法制备出一定厚度的多孔硅层，在腐蚀液中加入适量磷酸，以提高其折射率，也可以加入其他化学试剂以增强加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率。
其中步骤2所说的对材料进行高温氧化，使多孔硅层氧化为高折射率的二氧化硅层；高温氧化工艺采用湿氧氧化或湿氧、干氧交替氧化，氧化温度约为1050℃；在高温氧化过程中可以通过掺杂或不掺杂工艺以调整二氧化硅层的折射率。
其中步骤3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。
其中步骤5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。
其中这种光波导材料制备的技术，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，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是在硅衬底上结合多孔硅工艺及高温热氧化工艺制备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高温热氧化工艺制备波导材料并刻蚀出波导结构的截面图。
具体实施例方式
请参阅图1并结合参阅图2，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以及适量的磷酸。加电压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、氢氟酸浓度以及腐蚀时间等参数，要求精确控制。通过在腐蚀液中加入适量的磷酸，可以增加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率，磷酸的加入量也要精确控制。
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上通过掺杂或不掺杂的高温氧化使多孔硅层变为一定折射率的致密二氧化硅芯层12，该层将作为最终的光波导器件的芯区。高温氧化为湿氧氧化或湿氧、干氧交替氧化过程中进行，氧化温度大约为1000～1200摄氏度。氧化工艺的不同也会对高温退火后形成的二氧化硅芯层的折射率产生影响。
图1-3是在已氧化形成的二氧化硅芯层12上覆盖一层掩膜材料，并根据设计，得到所需的波导掩膜图形13。
图1-4是对已制备好掩膜的波导芯层12进行刻蚀，得到符合设计要求的波导芯区14。根据器件的设计和需要，可以通过反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体(ICP)等干法刻蚀工艺刻蚀出所需波导芯区14，波导芯区14的形状可以是直波导也可以是弯曲波导或者其他波导器件形式。刻蚀过程中要根据器件设计及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是去掉掩膜材料的基础上，通过长时间高温氧化工艺，氧化硅衬底，形成二氧化硅下包层结构15。氧化过程同样可以采用湿氧氧化或湿氧、干氧交替氧化过程中进行，氧化温度大约为1000～1200摄氏度。氧化温度要求精确控制，使下包层材料的折射率保持均匀、稳定。
图1-6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16。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16，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。
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，包括如下步骤1)在硅衬底上用阳极氧化方法生成一层多孔硅，腐蚀液中加入适量磷酸；2)对材料进行高温氧化或高温掺杂氧化，使多孔硅层氧化为高折射率的二氧化硅层；3)通过掩膜光刻和干法刻蚀等工艺，在高折射率二氧化硅表面形成设计需要的波导芯区结构；4)对材料进行长时间高温热氧化，制备出具有一定厚度的二氧化硅下包层；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，其中步骤1所说的通过阳极氧化方法制备出一定厚度的多孔硅层，在腐蚀液中加入适量磷酸，以提高其折射率，也可以加入其他化学试剂以增强加多孔硅氧化后形成的二氧化硅的折射率。
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，其中步骤2所说的对材料进行高温氧化，使多孔硅层氧化为高折射率的二氧化硅层；高温氧化工艺采用湿氧氧化或湿氧、干氧交替氧化，氧化温度约为1050℃；在高温氧化过程中可以通过掺杂或不掺杂工艺以调整二氧化硅层的折射率。
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，其中步骤3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，其中步骤5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，其中这种光波导材料制备的技术，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，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，腐蚀液中加入适量磷酸；2)对材料进行高温氧化或高温掺杂氧化，使多孔硅层氧化为高折射率的二氧化硅层；3)通过掩膜光刻和干法刻蚀等工艺，在高折射率二氧化硅表面形成设计需要的波导芯区结构；4)对材料进行长时间高温热氧化，制备出具有一定厚度的二氧化硅下包层；5)根据需要生长上包层结构，整个波导制备完毕。
文档编号G02B6/13GK1664632SQ200410007340
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者李健, 安俊明, 郜定山, 王红杰, 李建光, 胡雄伟 申请人:中国科学院半导体研究所