基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法

摘要

本发明公开了一种基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法。1)利用氧化工艺在Si衬底表面上生长一层SiO₂薄层作为Si腐蚀的掩膜；2)以SiO₂为掩膜腐蚀Si衬底；3)生长较厚的SiO₂作为下限制层；4)制作聚合物芯层，并研磨多余部分；5)制作聚合物上限制层。本发明制作工艺简单，只用到一些常规的半导体设备和常规工艺，不需要复杂昂贵的设备和复杂高难的技术，生产成本低、效率高。本方法与IC工艺相容，有利于实现光电器件的集成。

主权项

1.基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：1)利用氧化工艺在Si衬底(1)表面上生长一层SiO2薄层(2)作为Si腐蚀的掩膜：为了在清洁的Si片上氧化一层SiO2薄层(2)，在高温氧化炉中，采用氧化条件为温度1100℃-1150℃，氧气流速为800-1500ml/min，先干氧氧化15-30分钟；然后湿氧氧化20-40分钟，水浴温度80-95℃；最后再次干氧氧化15-30分钟后，得到厚度约为200nm的SiO2薄层(2)；2)以SiO2薄层(2)为掩膜腐蚀Si衬底(1)：为了在硅片上刻蚀出设计要求形状的波导区域，首先必须把刻蚀区域上的SiO2薄层(2)除掉，这项工作是由光刻工艺来完成的；光刻之后，为了除去波导区域的SiO2薄层(2)需要使用腐蚀工艺；利用光刻胶作掩膜腐蚀SiO2的腐蚀液配比为HF∶NH4F∶H2O＝3∶6∶9，在SiO2上得到波导的图形，腐蚀之后去除光刻胶；再利用SiO2薄层(2)作掩膜腐蚀Si，腐蚀液配比为KOH∶H2O＝1∶1，腐蚀条件：水浴温度50-70℃，通过实验确定腐蚀速率约为0.1um/分钟，由于通常腐蚀后会残留有腐蚀液在硅表面，会对其表面继续腐蚀，损害硅表面，因此在腐蚀完毕后还要对硅表面进行处理，针对残留腐蚀液的主要成分是氢氧化钾，采用在稀盐酸中浸泡的方法，然后用去离子水冲洗干净；3)生长较厚的SiO2下限制层(3)：为了形成下限制层，抑制泄漏到较高折射率的硅衬底中的光场，所以在刻蚀出设计要求形状的波导区域的硅片上生长一层较厚的SiO2作为SiO2下限制层(3)，仍然采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长二氧化硅层，氧化温度保持在1100-1200℃，先干氧氧化20-40分钟，然后湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次，其中湿氧氧化50-70分钟、干氧氧化20-40分钟。最后是50-70分钟的干氧氧化；4)制作聚合物芯层(4)，并研磨多余部分：在匀胶机上采用旋甩工艺来获得聚合物波导部分；首先，对已生长好的二氧化硅层表面要进行处理，目的是增加二氧化硅层表面与有机物层之间的粘附能力，防止有机物在成膜时产生收缩现象，方法是：先在浓H2SO4浸泡4～6小时，用去离子水冲洗干净，再在异丙醇中浸泡6～8小时，用去离子水冲洗干净，匀胶时转速高时聚合物膜的缺陷少，但是膜会更薄，转速小于2000rpm时聚合物膜厚不均匀较为明显，所以要进行平衡；此时芯层聚合物不仅填充了以SiO2为下限制层的波导凹槽区，也会形成一薄层平板部分，构成倒脊形的结构，为了得到掩埋型的结构，需要将多余的平板部分研磨掉，研磨时的参数依据平板部分的具体情况而确定；5)制作聚合物上限制层(5)：为了在芯层聚合物上生成上限制层(5)，需要再次匀胶一层折射率稍低的聚合物材料，无论是芯层还是包层聚合物，匀涂以后都需要在真空中以40-60℃保温干燥约1-2小时去除溶剂，然后取出在烘箱中缓慢升温到90-120℃，保温2小时，再缓慢升温至150-160℃，保温1-1.5小时。