第六章 常見光波導材料及工藝

集成光電子器件的材料教師：宋軍光電子材料包括：（1）激光材料（20世紀60年代初）激光：高亮度、單色、高方向性紅寶石（Cr3+:Al2O3)（2）非線性光學晶體（變頻晶體）KDP（磷酸二氫鉀）、KTP（磷酸鈦氫鉀）LBO（三硼酸鋰）…（3）紅外探測材料（軍用為主）HgCdTe、InSb、CdZnTe、CdTe（4）半導體光電子材料，見表2表2主要化合物半導體及其用途領域材料器件用途微電子GaAs、InP超高速IC電腦GaAsFET攜帶電話光電子GaAsInPSbInAsLD光通訊GaAs紅外LED遙控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlPLEP出外顯示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe—熱成像儀InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe—紅外探測器GaAs、InP、GaSb—太陽能電池

（5）顯示材料

發(fā)光二級管（LED）如表3

發(fā)光尺襯底發(fā)光顏色波長（nm)Ga0.65Al0.35AsGaAs紅660GaAs0.35P0.65(N)GaP紅650GaAs0.1P0.9(N)GaP橙610GaAs0.1P0.9(N)GaP黃583GaPGap綠555GaNΑ-Al2O3藍490SiCSiC藍480(全包顯示屏)液晶顯示(LCD)材料(1968年發(fā)明)為21世紀上半葉主要顯示材料表3LED發(fā)光材料及可見光區(qū)

表4光纖發(fā)展階段及所需材料發(fā)展階段波長(m)

模數(shù)衰耗(dB/km)中繼距離(Km)第一階段

0.85

多模

1.5

10第二階段

1.30

單模

0.8

60第三階段

1.55

單模

0.16

500第四階段

2--5

3×10-4

2500(6)光纖與光纜材料(網(wǎng)絡)(表4)

一條光纖帶寬所容納信息量相當于全世界無線電帶寬的1000倍.(25Tbpsvs25Gbps)光纖材料:

石英玻璃：SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F

多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3–Na2O

紅外玻璃：重金屬氧化物、鹵化物

摻稀土元素玻璃：Er、Nd、…多模只適于小容量近距離（40Km,100Mbps)單?？蓚鬏斦{(diào)制后的信號≥40Gbps到200Km，而不需放大。（7）記錄材料

21世紀將是以信息存儲為核心的計算機時代，在軍事方面，如何快速準確地獲取記錄、存儲、交換與發(fā)送信息是制勝的關鍵。磁記錄在21世紀初仍有很強的生命力，通過垂直磁記錄技術和納米單磁疇技術，再加先進磁頭（如巨磁電阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度達100GB，所用介質(zhì)為氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加Co-γ-Fe2O3、CrO2)，金屬磁粉或鋇鐵氧體粉。磁光記錄：與磁記錄不同之處在于記錄傳感元件是光頭而不是磁頭。磁光盤的介質(zhì)主要是稀土-過渡族金屬，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多層調(diào)制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盤的特點在于可重寫，可交換介質(zhì)。（8）敏感材料

1.

計算機的控制靈敏度與精確度有賴于敏感材料的靈敏度與穩(wěn)定性。

2.敏感材料種類繁多，涉及半導體材料、功能陶瓷、高分子、生物酶與核酸鏈（DNA）等。集成光電子材料材料芯層折射率@1550nm芯層/包層材料芯層/包層折射率差損耗dB/cm@1550nmSiO21.45Ge:SiO2/SiO20-0.5%0.05Si3.4-3.5Si/SiO250-70%0.1InP3.2inP、GaAs/空氣~100%3LiNbO32.2Ag(Ti):LiNbO3/LiNbO30.5%0.5聚合物(如PMMA)1.3-1.7都是聚合物，靠配比改變折射率差0-35%0.1波導折射率與模式θcn1n2n2同樣厚度的硅波導和二氧化硅波導哪個能有更多模式？波導厚度與模式Helmholtzequation:xnncorencladncorencladncladSchr?dingerequation:?VxV0Vwell1-dpotentialwell(particleinawell)E1E2E3對波導折射率差越大相當于勢阱越深，芯層厚度越大代表勢阱越寬，那么可以容納的模數(shù)就越多為什么通常希望使用單模波導？不同材料矩形單模波導的寬度SiO2：n=1.4430~40μmGe：SiO2：n=1.455~6μmSiO2：n=1.44Si：n=3.4500nm220nm做出的器件尺寸大，但與光纖耦合損耗很小做出的器件尺寸很小，但與光纖耦合損耗大兩種波導的優(yōu)缺點？如希望對光纖耦合損耗小：不同材料的光波導結(jié)構平面光波導的類型平板波導條形（矩形）波導nhighnlownlownhighnlow脊形波導nhighnlownlow1-d光限制2-d光限制claddingcladdingcorecorecladding階躍折射率光纖漸變折射率(GRIN)光纖corecladding氧化硅、聚合物硅、三五族鈮酸鋰脊形光波導對大折射率差材料，如用普通矩形，則單模波導尺寸很小脊形光波導的作用是增大光斑面積WHY？為了方便把更多的能量耦合進入芯層10微米左右直徑的光纖里去漸變折射率波導VAgNO3LiNbO3AgLi這類波導有什么用？集成光器件的分類有源器件：用于光信號產(chǎn)生，檢測，調(diào)制及放大（半導體激光器，光調(diào)制器，光放大器，光探測器）無源器件：不對光信號形式產(chǎn)生任何改變，只改變光傳播路徑等（光耦合器，光纖光柵，陣列波導光柵，光濾波器等）有源器件材料的應用場合不同材料吸收系數(shù)與波長的關系光吸收系數(shù)(cm-1)光穿透深度(mm)光子能量增大方向截止波長lc由其帶隙能量Eg決定：lc=hc/Eg(1)l入射>l截止hv入射不足以激勵出電子(2)l入射<l截止材料對光子開始吸收(3)l入射<<l截止材料吸收強烈(as很大)所激發(fā)的載流子壽命短(粒子的能級越高越不穩(wěn)定)集成光電子材料材料應用SiO2光通信應用的無源器件材料Si集成芯片，光通信無源材料，太陽能電池InP/GaAs/AlGaAS等三五族半導體激光器，探測器，放大器，電光調(diào)制器LiNbO3目前最好的電光調(diào)制器，聲光調(diào)制器聚合物(如PMMA)熱光效應，潛在的電光效應集成光電子學中的主要制備技術橫截面硅片SiO2Si波導制作工藝mask集成光電子器件制作條件超凈室去離子水經(jīng)驗告訴我們，微粒的大小要小于器件上最小特征圖形尺寸的1/10。（就是說直徑為0.03微米的微粒將會損壞0.3微米線寬大小的特征圖形。）否則會造成器件功能的致命傷害。1、空氣凈化FromIntelMuseum三道防線:環(huán)境凈化（cleanroom）材料清洗（wafercleaning）吸雜（gettering）光電所

投資4000萬元的光電子學研究所實驗大樓坐落在深圳大學文山湖畔。這是一座設施先進、功能完善、配套齊全、專業(yè)化水準高的現(xiàn)代化實驗大樓，總面積8200平方米，其中有1200平方米的百級和萬級凈化實驗室，有電子級超純水制備系統(tǒng)、各種特殊氣體的供送系統(tǒng)以及相應的安全保障和環(huán)保設施等。投資6000萬元購置的先進科研儀器設備，構建了顯微分析、光譜分析、超快診斷技術、光電子材料、生物光子學、等離子體顯示、應用光學、電子學等10多個測試實驗室和真空光電子器件、半導體光電子材料與器件、平板顯示器件、有機電致發(fā)光材料、納米光電子材料等10多個工藝實驗室。主要大型儀器設備有：金屬有機化合物氣相沉積（MOCVD）系統(tǒng)、微波等離子體增強化學氣相沉積（MPECVD）系統(tǒng)、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）系統(tǒng)、磁控濺射系統(tǒng)、反應離子刻蝕機、光刻機、高精度絲網(wǎng)印刷機、大型高精度點膠機、高精度噴砂機、多功能鍍膜機、掃描探針顯微鏡、掃描電子顯微鏡、臺階輪廓測試儀、三維視頻顯微鏡、真空紫外單色儀、紫外/可見/近紅外光譜儀、飛秒激光器、皮秒激光器、熒光光譜測試儀、激光拉曼譜儀、高分辨X射線衍射儀、變磁場霍爾測試儀、多光子激發(fā)熒光顯微成像系統(tǒng)、高速示波器、邏輯分析儀和數(shù)字電路開發(fā)系統(tǒng)等，以及光學設計分析、多物理場分析等大型軟件。這些硬件條件，為建設一流的光電子學研究所奠定了堅實的基礎。

凈化級別：每立方英尺空氣中含有尺度大于0.5mm的粒子總數(shù)不超過X個。0.5um高效過濾排氣除塵超細玻璃纖維構成的多孔過濾膜：過濾大顆粒，靜電吸附小顆粒泵循環(huán)系統(tǒng)20～22C40～46％RH人員產(chǎn)生的污染

工作區(qū)人員也是最大的污染源之一。即使一個經(jīng)過風淋的潔凈室操作員，當他坐著時，每分鐘也可釋放10萬到100萬個顆粒，當人員移動時，這個數(shù)字還會大幅增加。這些顆粒都是來自脫落的頭發(fā)和壞死的皮膚。其他的顆粒源還有象化妝品、染發(fā)劑和暴露的衣服等。下表列出了從不同操作人員的動作中產(chǎn)生的污染物的水平。顆粒粘附所有可以落在硅片表面的都稱作顆粒。顆粒來源：空氣人體設備化學品超級凈化空氣風淋吹掃、防護服、面罩、手套等，機器手/人特殊設計及材料定期清洗超純化學品去離子水工藝用水

在微納米器件生產(chǎn)的整個過程中，要經(jīng)過多次的化學刻蝕與清洗，每步刻蝕與清洗后都要經(jīng)過清水沖洗。由于半導體器件非常容易受到污染，所以所有工藝用水必須經(jīng)過處理，達到非常嚴格潔凈度的要求。普通城市用的水中包含大量潔凈室不能接受的污染物，主要有：

溶解的礦物顆粒菌溶解氧二氧化碳有機物普通水中的礦物來自鹽分，鹽分在水中分解為離子。例如食鹽會分解為鈉離子和氯離子。每個離子都是污染物。通常采用反滲透和離子交換系統(tǒng)去除水中的離子。去除離子后的水通常稱為去離子水。去離子水在25℃時的電阻是18000000Ω·cm，也就是一般稱為18MΩ。圖5.19顯示了當水中含有大量不同的溶解物質(zhì)時的電阻值。在VLSI制造中，工藝水的目標是

18MΩ。水中的細菌是通過紫外線去除。集成光電子器件標準工藝掩膜制作薄膜沉積光刻技術刻蝕技術整個過程就像一次洗膠卷過程。把設計好的圖形先做成膠卷，然后再在底片上顯影有圖像的膠卷波導結(jié)構：空白相紙將膠卷圖案轉(zhuǎn)移到相紙感光膠上定影:將像固定在相紙，即波導上1.掩膜制作（相當于產(chǎn)生一個膠卷底片）用Auto-CAD等軟件畫原始圖形電子束直寫1.掩膜：圖形生成1.掩膜：電子束直寫掩模版制作過程12.Finished2.薄膜沉積：制作平面波導硅片（基底）SiO2（12-15um）：波導包層n=1.44Ge：SiO2（5-6um）：波導芯層n=1.45掩膜是一張照了相的膠卷，這層薄膜就相當于一張空白相紙。后面的光刻過程就是將膠卷圖像轉(zhuǎn)移到這張空白相紙的過程1）化學氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學反應，并淀積出所需固體薄膜的生長技術。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過程實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式物理氣相淀積（PVD）蒸發(fā)（Evaporation）濺射（Sputtering）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜加熱器：電阻絲或電子束真空狀態(tài)蒸發(fā)（真空鍍膜機）濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdeposition利用高能粒子（通常是由電場加速的正離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類:直流濺射射頻濺射反應濺射磁控濺射準直濺射……….射頻濺射—

也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正電荷積累。此時可以使用交流電源。13.56MHz蒸發(fā)工藝中的一些問題:對某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點：臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)制備復合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料化學氣相沉積

ChemicalVaporDeposition(CVD)PolycrystallineSinglecrystal(epitaxy)化學氣相淀積（CVD）單晶(外延）、多晶、非晶（無定型）薄膜半導體、介質(zhì)、金屬薄膜常壓化學氣相淀積（APCVD），低壓CVD(LPCVD)，等離子體增強淀積（PECVD）等CVD反應必須滿足三個揮發(fā)性標準在淀積溫度下,反應劑必須具備足夠高的蒸汽壓除淀積物質(zhì)外,反應產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓多晶硅淀積方法

LPCVD，主要用硅烷法，即在600-650℃溫度下，由硅烷熱分解而制成，總體化學反應（overallreaction）方程是：SiH4→Si(多晶)+2H2

低于575℃所淀積的硅是無定形或非晶硅（amorphousSi）；高于600℃淀積的硅是多晶，通常具有柱狀結(jié)構（columnstructure）；當非晶經(jīng)高溫（>600℃）退火后，會結(jié)晶（crystallization）；柱狀結(jié)構多晶硅經(jīng)高溫退火后，晶粒要長大（graingrowth）。氧化硅的淀積方法低溫CVD（250~450C）可以同時摻雜，如：PH3，形成PSG磷硅玻璃：硅烷為源的淀積——APCVD，LPCVD，PECVD淀積溫度低，可作為鈍化層，密度小于熱生長氧化硅，臺階覆蓋差。用HD-PECVD可以獲得低溫（120C）的高質(zhì)量氧化硅膜也可以PECVD：P2O5和SiO2組成的二元玻璃網(wǎng)絡體應力小，流動性增加堿金屬離子的吸雜中心易吸水形成磷酸氮化硅的淀積方法LPCVD：質(zhì)量好，產(chǎn)量高PECVD：等離子體中

或SiNxHy膜對水和鈉有極強的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。等離子增強化學氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350C）利用非熱能來增強工藝過程反應氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團，它們間的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz等離子體：物質(zhì)存在的第四態(tài)高密度導電粒子構成的氣體極板區(qū)域有輝光上標“*”表示那些能量要遠遠大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結(jié)合狀態(tài)并且非?；钴S。如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。原子激發(fā)e*+AA*+e分子激發(fā)e*+ABAB*+ee*+ABA*+B*+e原子離子化e*+AA++e+e分子離子化e*+ABAB++e+e激發(fā)裂解離化等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設流進的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB,在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:3.光刻：將底片（掩膜）的圖形轉(zhuǎn)移到剛沉積的波導表面上光刻的要求圖形轉(zhuǎn)移技術組成：掩膜版/電路設計掩膜版制作光刻光源曝光系統(tǒng)光刻膠分辨率（高）曝光視場（大）圖形對準精度（高）——1/3最小特征尺寸產(chǎn)率（throughput）（大）缺陷密度（低）三種硅片曝光模式及系統(tǒng)接觸式接近式投影式1:1曝光系統(tǒng)光刻：正膠與負膠負膠正膠光刻膠上的圖形與掩膜圖形互補光刻膠上的圖形與掩膜圖形一樣步進投影式光刻機原理圖10:15:11:1步進掃描光刻機兩個愛里斑之間的分辨率(瑞利判據(jù)):數(shù)值孔徑：收集衍射光的能力。n為折射率分辨率提高分辨率：NA，，光刻步驟簡述前烘對準及曝光堅膜曝光后烘248nm157nm13.5nm193nmEUV光刻非光學方法光刻技術納米壓?。∟anoimprint）基于材料和工藝革新的“側(cè)墻轉(zhuǎn)移”技術（Sidewall/Spacertransferlithography）X射線光刻技術（XRL）離子束光刻技術（IBL）無掩模光刻——電子束（ShapedBeam/Multi-Column/Multi-Beams）無光源4.刻蝕技術刻蝕的性能參數(shù)刻蝕速率R

(etchrate)單位時間刻蝕的薄膜厚度。對產(chǎn)率有較大影響刻蝕均勻性

(etchuniformity)一個硅片或多個硅片或多批硅片上刻蝕速率的變化選擇性S

(Selectivity)不同材料之間的刻蝕速率比各項異性度A

(Anisotropy)刻蝕的方向性

A=0,各項同性；A=1,各項異性掩膜層下刻蝕

(Undercut)橫向單邊的過腐蝕量 圖形轉(zhuǎn)移——刻蝕兩大關鍵問題：選擇性方向性：各向同性/各向異性待刻材料的刻蝕速率掩膜或下層材料的刻蝕速率橫向刻蝕速率縱向刻蝕速率圖形轉(zhuǎn)移過程演示圖形轉(zhuǎn)移＝光刻＋刻蝕刻蝕要求:1.得到想要的形狀（斜面還是垂直圖形）2.過腐蝕最?。ㄒ话阋筮^腐蝕10％，以保證整片刻蝕完全）3.選擇性好4.均勻性和重復性好5.表面損傷小6.清潔、經(jīng)濟、安全兩類刻蝕方法：濕法刻蝕——化學溶液中進行反應腐蝕，選擇性好干法刻蝕——氣相化學腐蝕（選擇性好）或物理腐蝕（方向性好），或二者兼而有之刻蝕過程包括三個步驟：反應物質(zhì)量輸運（Masstransport）到要被刻蝕的表面在反應物和要被刻蝕的膜表面之間的反應反應產(chǎn)物從表面向外擴散的過程濕法刻蝕反應產(chǎn)物必須溶于水或是氣相BOE：bufferedoxideetching或BHF:bufferedHF加入NH4F緩沖液：彌補F和降低對膠的刻蝕實際用各向同性例1：SiO2采用HF腐蝕例2：Si采用HNO3和HF腐蝕（HNA）例3：Si3N4采用熱磷酸腐蝕例4：Si采用KOH腐蝕各向異性Si+2OH-+4H2OSi(OH)2+++2H2+4OH-硅濕法腐蝕由于晶向而產(chǎn)生的各