第4章光波導的制備技術

1、4.1 光波導制作概述4.2 光波導襯底材料及加工4.3 無源材料光波導制備技術4.4 有源材料光波導制備技術4.5 光路幾何圖形的加工工藝4.6 光刻技術4.7 電子束掃描法4.8 光波導加工技術4.9 條形波導的制作方法第第4 4章章 光波導的制備技術光波導的制備技術【目錄】【本章教學目的和學習目標】第第4 4章章 光波導的制備技術光波導的制備技術掌握制備光波導薄膜材料掌握光波導襯底材料的特性掌握無源材料光波導的制備技術掌握有源材料光波導的制備技術掌握光刻技術和工藝掌握光波導的加工技術掌握條形波導的制作方法掌握條形波導電極制作方法 光波導的制備通常需要兩個過程，首先是要制作光波導薄膜，然后

2、在光波導薄膜上制作光波導器件最終形成集成光路。光波導薄膜的制作技術主要包括原子摻雜技術，淀積技術，外延生長技術和電光技術。通過這些技術可以制作出光波導薄膜。光路幾何圖形的微細加工技術主要包括化學腐蝕法刻蝕和離子束刻蝕。進行刻蝕的目的：一是規(guī)定光的傳輸方向，讓光在通道上有效通過，二是在規(guī)定的通道上加工制作不同光波導器件以便對光信號進行調制、分束、開關和探測。本章將在介紹光波導材料和襯底材料的基礎上，重點講述有源材料和無源材料光波導的制作技術；光路幾何圖形的微細加工技術和光波導電極的制作方法?！颈菊乱浴康诘? 4章章 光波導的制備技術光波導的制備技術 對于導光薄膜材料的選擇應當遵循兩個基本原則：

3、一是導光薄膜材料的折射率高于襯底折射率的材料，二是導光薄膜材料能牢固涂敷在襯底上的材料。 導光薄膜材料可以是線性光學材料(linear optical material)，也可以是非線性光學材料(nonlinear optical material)。 線性材料一般只用于光傳輸，但通常情況下，要對傳輸?shù)男盘栠M行處理，使之具有放大、開光、偏轉等能力，因此，非線性材料在光波導制造中十分重要。4.1.1 光波導導光薄膜材料4.1 4.1 光波導制作概述光波導制作概述 導波光學有兩個目的：一是制造微型薄膜光學元件，二是制造集成光路。制作光波導的材料很多，可以分為襯底材料和導光薄膜材料。4.1.2 光波

4、導制作難點4.1 4.1 光波導制作概述光波導制作概述1、要求加工精度高2、圖形復雜3、材料多樣 波導的圖形與尺寸是由器件所需要達到的設計尺寸決定的，即使在可見光范圍內，多數(shù)情況下的波導寬度也都 3m 以上，因此，圖形形成時通常都可以采用光刻技術。集成光路中光波導的橫向精度要達到 m數(shù)量級以下，而且這個精度不只是在某一個點的精度，而是在沿著光傳輸軸方向波導寬度都必須達到的精度。4.1.3 材料與制作技術4.1 4.1 光波導制作概述光波導制作概述 材料制作技術高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀積法旋轉涂敷真空鍍膜濺射化學汽相沉積(C

5、VD)聚合熱擴散離子交換離子注入外延液相外延生長(LPE)汽相外延生長(VPE) 材料與制作方法的選擇遵循下述原則：波導層厚度和折射率的誤差都要小，而且均勻；傳輸損耗小，通常應在ldB/cm以下，換言之，光學透明度好，表面凹凸小，光學散射少；在晶體的情況下，純度和光軸應符合要求；強度大，與襯底附著性好；工藝重復性好。表4-1匯總了典型的光波導材料以及用它們制作波導的方法4.1.4 波導的結構、制作方法和特性 材料制作技術高分子化合物玻璃硫硒碲化合物LiNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀積法旋轉涂敷真空鍍膜濺射化學汽相沉積(CVD)聚合熱擴散離子交換離子注入外延液相

6、外延生長(LPE)汽相外延生長(VPE) 表4-2表明，通常利用旋轉涂敷的方法制作聚氨脂、環(huán)氧樹脂和光致抗蝕劑波導，利用光聚合法制作PMMA、聚碳酸脂和光聚合物波導。4.1 4.1 光波導制作概述光波導制作概述表4-2到表4-6列出了不同材料的波導的結構、制作方法和特性波導結構制作方法波導特性波導層襯底/mn/nf(dB/cm)Ag+,Ti+:玻璃鈉玻璃離子交換0.633n=2-1010-24-5K+:玻璃鈉玻璃離子交換0.633n=8-2010-31SiO2-B2O3-GeO2熔石英CVD0.633n10-20.1離子：熔石英熔石英離子注入0.633n=2-5010-30.2As2S3玻璃鍍

7、膜1.06nf =2.360.2-0.4As40Se10玻璃 鍍膜1.06nf =2.280.4 表4-3表明，通常利用離子交換制作玻璃波導，利用鍍膜制作硫、硒、碲系波導。4.1.4 波導的結構、制作方法和特性4.1 4.1 光波導制作概述光波導制作概述波導結構制作方法波導特性波導層襯底/mn/nf(dB/cm)Ti:LiNbO3LiNbO3熱擴散0.633n=5-3010-31LiNbO3-LiO2LiNbO3LiO2外擴散0.633n 10-21-2H+:LiNbO3LiNbO3質子交換0.633n=0.131LiNbO3LiTaO3外延生長0.633nf=2.20/2.292.50.30

8、.10.3負性電子束致抗蝕劑PGMASEL-NCMS0.40.40.252.01.01.30.50.5與光致抗蝕劑一樣，電子束致抗蝕劑也有正性與負性之分。不過，所謂正性電子束致抗蝕劑指的是射線分解性高分子材料，其典型例子就是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；而所謂負性電子束致抗蝕劑指的則是射線交聯(lián)性高分子材料，其中一個例子就是PGMA(聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯)。使用電子束致抗蝕劑時的各種操作工序基本上與使用光致抗蝕劑時的工序相同。表4-14匯總了各種電子束致抗蝕劑以及它們的性能。 對電子束致抗蝕劑的性能要求和對光致抗蝕劑的要求基本一樣，依然是分辨率、靈敏度和耐加工性。決定其分辨率的主要因素是電子束的

9、聚焦性能以及電子束致抗蝕劑的 特性(反差特性)。其中，使用電子束致抗蝕劑時的電子束的聚焦性能與使用光致抗蝕劑時的光聚焦性能不同，最起決定作用的因素與其說是電子束的直徑，不如說是電子束在抗蝕劑中的橫向散射效應。理論和實踐都表明，這種橫向散射效應所產(chǎn)生的擴散尺度大約與抗蝕劑的膜層厚度相當。正是由于這個原因，PMMA的分辨率大約為0.1m。4.7.1電子束致抗蝕劑 4.7 4.7 電子束掃描法電子束掃描法4.7.2電子束掃描系統(tǒng)構成和特點 電子束掃描系統(tǒng)是在普通掃描電子顯微鏡(SEM)的基礎上，添加掃描控制用的電子電路，并且與計算機組合起來而構成的。其電子光學系統(tǒng)，圖像顯示系統(tǒng)以及試樣臺都沿用原來S

10、EM中的部件。在使用電子束曝光的情況下，不需要使用光照射曝光那樣的掩膜，如圖4.14中的第種方法所示，將集成光路的圖形數(shù)據(jù)輸入進繪圖裝置，它就會自動地控制電子束偏轉，或者自動地移動實驗平臺，在電子束致抗蝕劑上對要繪出的圖形進行曝光。電子掃描裝置中，有可以對電子束的焦斑形狀和粗細等進行種種控制的系統(tǒng)，也有使電子束的掃描方式為光柵掃描和矢量掃描控制的系統(tǒng)。電子束的掃描范圍因為受到電子光學系統(tǒng)偏轉失真的限制，所以一般為25mm，為此實驗平臺必須能夠在寬度達100mm見方的范圍內移動。實驗臺在x方向和y方向的移動，利用激光干涉儀，可以測量與控制到10nm的精確度；但是由于受需要使用電子束讀取試樣表面定

11、位標記等因素的影響，最后的綜合定位精度實際上為0.2m。4.7 4.7 電子束掃描法電子束掃描法 這種為了制作超大規(guī)模集成電路而開發(fā)出來的電子束掃描設備雖然可以描繪出近似滿足集成光路圖形全部要求的平滑直線和曲線，但是在將它用于制作集成光路時，總存在一些平滑度不夠充分或速度太慢之類的問題。 電子束掃描的整個工藝流程主要包括：編寫掃描控制程序；準備襯底；抽真空；調整電子束參量；輸入光柵參量和校正光柵尺寸；在襯底表面聚焦電子束；在設定區(qū)域和位置進行 繪圖。電子束掃描法的優(yōu)點是：可以制作極短周期的光柵；制作調制光柵的自由度大；通過計算機輸入很容易變更參量；在襯底的任何部位和區(qū)域都可以描繪出輪廓清晰的無

12、噪聲光柵圖形。4.7.2電子束掃描系統(tǒng)構成和特點 4.7 4.7 電子束掃描法電子束掃描法 制作條形波導和波導型光學器件時，如果使用抗蝕劑本身作為器件材料的情況下，或者利用電子束直接加工的情況下，第 4.5節(jié)所講的圖形形成工序就已經(jīng)是最終工藝了。但是，在其它的更為常見的情況下，為了制作條形波導和波導型光學器件，還必須對構成波導的材料進行精細加工。其加工方法是將抗蝕劑形成的圖形直接拷貝成為被加工材料的圖形；其拷貝方法分為脫膜法和腐蝕法兩種。4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術4.8.1 脫膜法 a)涂膠并形成光刻圖形襯底c)溶解抗蝕劑襯底b)淀積薄膜襯底圖4.17 脫膜法加工光波導 在制

13、作金屬薄膜電極以及制作比較厚的薄膜波導層和形成光柵圖形時，多采用圖4.17所示的脫膜法。這是一種以光致抗蝕劑為掩膜，在襯底上形成需要加工的薄膜的方法。4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術 腐蝕法是指在襯底上先生成光波導層，然后用光致抗蝕劑或金屬為掩膜在光波導層上形成所需圖形的方法。 使用抗蝕劑為掩膜作為腐蝕保護層，如圖4.18a)所示。如果在腐蝕工藝會浸蝕抗蝕劑的情況下，則需要采用如圖4.18b)所示的以金屬為掩膜的方法。此時要進行多次腐蝕法。就是通過第一次腐蝕，將抗蝕劑圖形拷貝成金屬膜圖形，并以這種金屬膜圖形為掩膜，對光波導層進行正式腐蝕的方法腐蝕法是指在襯底上先生成光波導層，然后用

14、光致抗蝕劑或金屬為掩膜在光波導層上形成所需圖形的方法。也就是先在光波導層的表面上制作出掩膜層圖形，通過對掩膜開窗口部位的腐蝕加工，拷貝出圖形的精細加工方法。4.8.2 腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術金屬掩膜層抗蝕劑顯影腐蝕涂膠掩模光刻襯底光波導層襯底除去抗蝕劑襯底襯底涂膠掩模光刻襯底襯底襯底除去掩模b)用金屬作掩模a)用抗蝕劑作掩模顯影腐蝕光刻掩模光波導層圖4.18腐蝕法加工光波導過程4.8.2 腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術4.8.2 腐蝕法被腐蝕材料腐蝕液備注金 屬Al（1）5%10%氫氧化鈉水溶液 （2）磷酸：硝酸：醋酸：水=16:1:2:1（3）

15、氫氟酸1%5%+硝酸5%+水會大量浸入抗蝕劑-35%A（1）碘1.2g+碘化銨3g+水40cc+乙醇60cc （2）氟化鈉+雙氧水易引起抗蝕劑剝離Ag（1）稀硝酸（3:1） （2）55%硝酸鐵水溶液 （3）氨水：雙氧水=1:1易引起抗蝕劑剝離C（1）三氯化鐵水溶液 （2）過硫酸銨+三氯化鐵水溶液Ti（1）氫氟酸：水=1:9 （2）氫氟酸：硝酸：水=1:1:50Cr（1）鐵氰化鉀30g+氫氧化鈉5g+水100cc（2）硝酸鈰17g+高氯酸5cc+水100cc會大量浸入抗蝕劑SiO2, Si3O440%氟化銨水溶液：氟氫酸=10:1緩沖腐蝕液，（不溶解Si）玻璃，LiNbO3及其它電介質（1）緩沖

16、腐蝕液（2）氫氟酸（稀釋至適當濃度）單晶Si（1）硝酸：氫氟酸=5:1（2）硝酸：氫氟酸：醋酸=4:1:1各向同性腐蝕，易造成抗蝕劑剝離（3）10%30%氫氧化鈉（鉀）水溶液（4）乙二胺17cc+鄰苯二酚3g+水8cc各向異性腐蝕，不腐蝕111方向A、濕式腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術設備反應類型反應機理反應氣體被刻蝕材料方向性選擇性等離子體刻蝕圓筒游離基化學CF4，O2Si，Si3N4抗蝕劑（拋光）各向同性大濺射刻蝕平行板型惰性離子物理ArSiO2，玻璃，LiNbO3等各向異性小反應性離子刻蝕(RIE)平行板型活性離子化學物理CF4，H2，C3H8，CCl4，BCl3等S

17、iO2, Si3N4LiNbO3等各種金屬各向異性中離子束刻蝕離子槍惰性離子束物理ArSiO2，玻璃，有機高分子材料等各向異性小反應性離子束刻蝕離子槍活性離子束物理化學CF4，CHF3等SiO2，LiNbO3等各向異性中B、干式腐蝕法4.8.2 腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術試樣等離子體高頻線圈抽真空氣體石英管圖4.19 等離子體刻蝕示意圖4.8.2 腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術 等離子體刻蝕利用等離子放電產(chǎn)生的中性游離基與Si之間的化學反應，可以刻蝕Si系列材料。如果采用的氣體不是CF4而是O2，O2等離子體就會將有機物分解，加工結束后就可以將抗蝕劑

18、除去了。該過程有時候又被稱之為抗蝕劑的灰化。 濺射刻蝕法通常直接使用制作薄膜時所使用的濺射鍍膜設備，只不過這次是把試樣換在了原來靶材的位置，使得試樣在惰性離子的物理轟擊下被刻蝕。物理機理與化學機理相比，雖然可供選擇的范圍較小，但卻可以實現(xiàn)各向異性的腐蝕。4.8.2 腐蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術4.8.2 腐蝕法等離子體式樣抽真空金屬腔高頻電源氣體冷卻水試樣架陽極線圈離子束氣體陰極等離子體中和器擋板槍離子抽真空加速準直電極圖4.20 反應性離子刻蝕法圖4.21 離子束刻蝕法4.8 4.8 光波導加工技術光波導加工技術4.9 4.9 條形波導的制作方法條形波導的制作方法4.9

19、.1 條形光波導的結構及制作方法種類波導層襯底制作方法埋入型Ti: LiNbO3LiNbO3選擇性熱擴散H+: LiNbO3LiNbO3選擇性質子交換K+, Ag+, Ti+玻璃鈉玻璃選擇性離子交換SiO2-B2O3-Ge-O2石英濺射刻蝕+CVDAs40Se10S40Ge10玻璃激光或電子束直接寫入脊型Ti: LiNbO3LiNbO3熱擴散+干式腐蝕Nb2O5LiNbO3濺射+脫膜康寧7059玻璃，Nb2O5-SiO2, Al2O3派熱克斯玻璃，熔融石英濺射+脫膜，干式腐蝕光敏高分子化合物熔融石英顯影與堅膜（電介質）加載型SiO2加載 Ti: LiNbO3LiNbO3熱擴散+脫膜SiO2加載

20、/康寧7059玻璃等派熱克斯玻璃濺射+脫膜（金屬）加載型Al加載Ti: LiNbO3等LiNbO3化學腐蝕表4-17 條形光波導的結構及制作方法襯底清洗蒸發(fā)金屬膜腐蝕金屬膜離子交換K除去金屬膜濺射Ti熱擴散涂布光致抗蝕劑、曝光、顯影除去抗蝕劑a)離子交換b)熱擴散4.9.2 埋入型條形光波導的制作工藝流程圖4.22 埋入型條形光波導制作工藝4.9 4.9 條形波導的制作方法條形波導的制作方法制作平面波導腐蝕金屬膜干式腐蝕除去金屬膜干式腐蝕涂布光致抗蝕劑、曝光、顯影除去抗蝕劑淀積金屬膜襯底清洗濺射電介質膜c)脫膜法a)干式腐蝕b)干式腐蝕圖4.23 脊型條形光波導制作工藝4.9.3 脊型條形光波

21、導的制作工藝流程4.9 4.9 條形波導的制作方法條形波導的制作方法制作二維波導涂布抗蝕劑、曝光、顯影除去抗蝕劑濺射電介質膜圖4.24 脫膜法制作加載型條形光波導工藝4.9.4 加載型條形光波導的制作工藝流程4.9 4.9 條形波導的制作方法條形波導的制作方法4.10.1 埋入型條形玻璃光波導金屬膜鈉玻璃襯底圖4.25用金屬膜窗口制作的分支波導圖形4.10 4.10 條形玻璃光波導的制作條形玻璃光波導的制作圖4.28 輸出光強度分布示意圖SiO2膜圖4.27 輸出光的近場圖像襯底覆蓋層 離子交換單模波導中激勵起波導光時，所觀察到的玻璃端面輸出光示意圖如圖4.27所示。根據(jù)這個輸出光圖形就可以了

22、解到，波導在單模傳輸?shù)那闆r下，波導光在厚度方向和寬度方向同時被封閉以及形成分支的狀況。如果用光電探測器接收輸出光，就可以測量出圖4.28所示的光強度沿寬度方向的分布狀態(tài)。4.10 4.10 條形玻璃光波導的制作條形玻璃光波導的制作xE00 xE01xE02xE03xy圖4.29 離子交換多模波導和導模輸出光示意圖4.10 4.10 條形玻璃光波導的制作條形玻璃光波導的制作涂布光致抗蝕劑掩模保護與曝光顯影處理濺射康寧玻璃7059玻璃除去抗蝕劑圖4.30 脫膜法制作脊型波導的工藝流程示意圖4.10.2 脊型玻璃光波導4.10 4.10 條形玻璃光波導的制作條形玻璃光波導的制作派熱克斯玻璃康寧705

23、9玻璃SiO2硼硅酸耐熱玻璃a)加載低折射率包層鈉玻璃b)加載高折射率包層康寧7059玻璃K+離子交換波導n2n1n4n3n2n1n4n3圖4.31 加載玻璃波導結構示意圖4.10.3 加載型玻璃光波導4.10 4.10 條形玻璃光波導的制作條形玻璃光波導的制作4.11.1 Ti擴散LiNbO3光波導脫膜后的Ti膜襯底Ti擴散波導熱擴散襯底圖4.32 Ti擴散LiNbO3波導的制作4.114.11條形LiNbO3光波導的制作/nm2.2002.2012.2022.2032.204N1520253010圖4.33圖4.34 圖4.34表示采用Z切割X方向傳輸?shù)腖iNbO3晶體，Ti膜寬為4m，擴散條件保持恒定時，Ti膜厚度對基模有效折射率的影響。從圖中可以看出，有效折射率與Ti膜厚度間呈線性關系。在設計器件時利用這種性質，通過改變Ti膜厚度就可以很容易地控制單模波導的基模傳輸常數(shù)。但是，當Ti膜厚度在30nm以上時，還會激勵起一階模。在LiNbO3波導型調制器與開關器件的結構中，多數(shù)都需要是單模傳輸。波導圖形拷貝時，有時候因為曝光用的掩膜與被曝光面密合性不好，使得Ti膜的寬度擴展0.51m，這樣就會使波導中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生高階模。因此，在波導制成后，一般用棱鏡激勵起波導光，通過改變激光的人射角來觀察m線，如圖4.35所示。4.114.11條形條形LiNbO