一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法

本发明属于集成光路中硅光波导器件领域，尤其涉及一种可兼容cmos工艺并通过协同作用在硅光波导的表面光滑化方法，该方法进而实现器件传输损耗降低。

背景技术：

1、随着信息时代对计算能力和数据传输的需求依然在日益增长，电子芯片发展逐渐突破物理极限，迎来能耗危机和成本压力。而硅光芯片突破摩尔定律限制，在不改变二进制架构和计算体系的基础上实现对信息的巨大吞吐量。直接利用cmos设施(包括设计工具、材料、设备和晶圆厂在内的完整价值链)实现硅光芯片的直接、快速商业化、大规模生产。

2、光波导器件是一种无源光子器件，是光学系统中基本的信号传输通道。进行基于中国标准cmos代工厂的硅波导和相关光子元件的制造相关研究具有深远意义。光波导器件的关键参数主要包括：传播损耗、弯曲损耗、吸收损耗和散射损耗。硅材料是一种间接带隙半导体材料，其本征吸收小，因此吸收损耗较小。此外，由于硅波导器件的传输层与埋氧层的折射率差较大，传输层对光的约束能力强，辐射损耗也较小。而弯曲损耗由硅光波导器件的曲率半径决定。因此，在考虑降低硅光波导传输时，可以聚焦于减小散射损耗这一参数。散射损耗与粗糙度存在均方差关系，即：

3、

4、其中，k为真空中的波数；σ为粗糙度均方根差；n为波导有效折射率；d为波导宽度的一半；因此可以通过改进工艺改善硅光波导器件表面粗糙度进而减小器件工作工程的散射损耗。在实际中，大多数硅波导的损耗为3～30d b/cm，随着器件微缩、波导尺寸逐渐减小，散射损耗受表面粗糙度的影响更大，对其表面光滑度的要求越来越高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对硅波导材料在制备过程中表面粗糙度较大而造成的该波导器件存在较大的传输损耗的问题，提供一种协同作用在硅光波导表面的光滑化方法。通过三种工艺步骤协同优化作用实现硅光波导器件线边缘粗糙度下降，从而达到降低其传输损耗的作用。

2、本发明的目的是通过以下三步技术方案来实现的：

3、步骤(1)、对集成光电子器件硅片进行整体湿氧氧化，然后去除表面的氧化层；

4、步骤(2)、对步骤(1)处理后的集成光电子器件硅片的硅光波导区域采取氢退火工艺；

5、步骤(3)、利用准分子高能脉冲激光束对硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值a的区域实行熔融自修复。

6、作为优选，步骤(1)中湿氧氧化法过程是950-1100℃下在氧气和氢气以分子数之比2:1比例混合的密闭反应腔室中生成h2o气体，此时将氧气和反应生成的h2o气体泵入到放置集成光电子器件硅片的反应腔室中发生如下反应：

7、si+2h2o＝sio2+2h2。

8、作为优选，步骤(1)中湿氧氧化法的反应时间为1.5-3h。

9、作为优选，步骤(2)中氢退火工艺具体是氢气气氛、950-1100℃退火3-5min，更为优选为1050℃下，压强40torr条件下在氢气气氛下退火3min。

10、作为优选，步骤(3)中准分子激光器的波长为308nm、脉宽为20ns。

11、作为优选，步骤(3)中准分子激光器采用稀有气体卤化物，更为优选为氯化氙。

12、作为优选，步骤(3)中准分子激光器发出的激光束垂直照射到硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值a的区域，硅片表面波导区域与水平面间的夹角α满足0＜α＜90°。为了将熔融si拉向波导脊，应尽量选择较大的基板倾斜角度。

13、作为优选，步骤(3)中阈值a取值10nm。

14、步骤(1)中，本发明首先采用湿氧氧化法。氧化剂分子首先通过扩散的方式进入气-固相交界界面，获得更大的能量后穿过固相包层向包层-芯层的固-固界面扩散并与硅芯层反应，随着反应时间的延长，氧化层增厚，扩散运动速度下降。

15、随着氧化过程不断进行，尖峰位置凸起的硅相对表面较大，在该氧化过程中消耗更多的硅，将凸起的尖峰逐渐拉平。此后，再去除sio2覆盖层，重新获得的硅表面粗糙度将会下降。

16、步骤(2)中，对局部光路区域采取氢退火工艺，在氢气气氛的950-1100℃退火过程中，此高温、真空条件下在soi(绝缘衬底上的硅)表面形成si-h键，并且高温下硅波导表面原子活性增强、迁移速率提高。步骤(1)对整体进行湿氧氧化法并去除氧化层之后，由于si悬空键的存在，将更利于步骤(2)中si-h键的构筑，并且步骤(1)对si材料整体的平滑使生成si-h键分布均匀将更利于其进行迁移运动。在步骤(2)中，硅氢键的形成是硅表面形貌、结构变化的重要因素，基于表面能最小化原理，此时氢由侧壁尖峰处的高能态向低能态迁移，驱使硅表面趋于进一步光滑。

17、步骤(3)中，由于步骤(2)中的氢退火工艺可以平滑表面、消除晶格损伤，与此同时会留下如位错环、层错、杆状缺陷等二次缺陷及局部应力。因此需要进一步利用稀有气体卤化物(例如氯化氙308nm)准分子高能脉冲激光束用准分子激光作为热源，激光经过透射系统后，会产生能量均匀分布的激光束并被投射于硅材料上，高能激光束使si成为熔融态。由于熔融si具有较低的粘度和相当高的表面张力，表面张力驱动液体流动使表面能最小化，从而获得光滑表面。以此实现对二次缺陷及侧表面粗糙度较大区域的表面熔融自修复，使表面瞬时液态表面自由能最小化，进而实现光滑化，此过程为小范围精细化加工。

18、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

19、本发明提供一种可兼容cmos工艺并降低硅光波导器件传输损耗的方法，该方法通过与cmos兼容的一系列工艺步骤协同优化作用，实现将硅光波导图形线边缘粗糙度由10～15nm降低到2～4nm，将光波导表面光滑化，以此实现光波导器件的高精度、低损耗。

技术特征：

1.一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法，其特征在于该方法的步骤如下：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤(1)中湿氧氧化法过程是950-1100℃下在氧气和氢气以分子数之比2:1比例混合的密闭反应腔室中生成h2o气体，此时将氧气和反应生成的h2o气体泵入到放置集成光电子器件硅片的反应腔室中发生如下反应：

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于步骤(1)中湿氧氧化法的反应时间为1.5-3h。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤(2)中氢退火工艺具体是氢气气氛、950-1100℃退火3-5min。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于步骤(2)中氢退火工艺具体是1050℃下，压强40torr条件下在氢气气氛下退火3min。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤(3)中准分子激光器的波长为308nm、脉宽为20ns。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于步骤(3)中准分子激光器采用稀有气体卤化物。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于步骤(3)中准分子激光器采用氯化氙。

9.根据权利要求1或6或7或8所述方法，其特征在于步骤(3)中准分子激光器发出的激光束垂直照射到硅片表面波导区域中图形侧壁粗糙度大于阈值a的区域，硅片表面波导区域与水平面间的夹角α满足0＜α＜90°。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤(3)中阈值a取值10nm。

技术总结
本发明公开了一种协同作用在硅光波导的表面光滑化方法。该方法主要包括以下步骤：首先，对集成电光学器件进行整体湿氧氧化并去除氧化层，该步骤氧化速率高且去除氧化层的过程消除了残余应力；其次，对集成电光学器件中的光路部分进行氢退火，该步骤对光波导器件的侧壁波纹有良好改善，起到降低散射损耗的作用；最后，对二次缺陷部位及侧壁粗糙度较大的区域进行准分子高能脉冲激光束(XeCl光束)光滑处理，实现小范围精细加工。经过上述步骤的协同作用可以提高光波导表现光滑度，实现器件高精度、低损耗，并且该工艺步骤与CMOS工艺兼容，具备低成本及可行性。

技术研发人员：凌婉怡,任堃,高大为
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15