集成光波导制造技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,集成光波导制造技术,光子学与光通信研究室：蔡万杰 朱露 朱洁 俞斌,标题添加,点击此处输入相,关文本内容,点击此处输入,相关文本内容,总体概述,点击此处输入,相关文本内容,标题添加,点击此处输入相,关文本内容,引言,集成光波导的制备有两个基本的条件：,1,：波导层与周围介质层有一定的折射率差；,2,：波导层对所要传输的光透明。,为了获得满足特定折射率差的光波导，可以使用不同的半导体制造工艺方法，每一种方法都有其各自的优缺点。所以在进行方法的选择时，需要根据设计的目标和现有的设备条件进行合理选择。本章将介绍制造集成光波导常用的工艺方法。,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.1,薄膜淀积,在分离器件和集成电路制造中使用到不同种类的薄膜。可以把它们分为以下五类：,1,： 热氧化膜,2,： 电介质膜,3,： 外延膜,4,： 多晶态硅膜,5,： 金属膜,4.1,薄膜淀积,溅射：离子源被加速后撞击靶面，溅射出的材料淀积在对着靶的衬底上。,靶,衬底,圆片,气体,入口,真空泵,电源,4.1,薄膜淀积,被加速的离子可以由以下两种方法产生：,1,： 对气体施加高电压产生等离子体 （对应于课本图,4.1,）,2,： 利用离子枪产生离子束 （对应于课本图,4.2,）,溅射产额影响因素：,1,： 入射能量,2,： 离子密度,3,： 溅射材料,4,： 入射角度,4.1,薄膜淀积,利用溶液实现薄膜淀积：衬底材料与溶液发生化学反应，从而在衬底上生成电介质膜,优点： 成本低，设备简单,缺点： 薄膜纯度不高，均匀性不好,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.2,替位式掺杂,掺杂： 把可以控制数量的杂质导入到特定的材料中。,替位式掺杂,填隙式掺杂,4.2,替位式掺杂,本章主要介绍了三种掺杂的方法：,1,： 扩散,2,： 离子交换,3,： 离子注入,4.2,替位式掺杂,进行杂质扩散的典型做法是把半导体晶片放置在能够被精确控制的高温石英管炉内，并通以含有待扩散杂质的混合气体。,4.2,替位式掺杂,Ficks law(,菲克扩散方程,),：,C :,杂质浓度,D :,扩散系数,x :,距离衬底表面的垂直距离（在此只考虑一维情况，认为杂质在,y,、,z,方向上均匀分布）,t :,时间,4.2,替位式掺杂,杂质原子的扩散分布与初始条件和边界条件有关。一般来说主要有两种主要的扩散方法：恒定表面浓度扩散方法和恒定杂质总量扩散方法。它们分别满足以下的关系式：,恒定表面扩散浓度：,恒定杂质总量 ：,4.2,替位式掺杂,由于这两种扩散情况的初始条件和边界条件不一样，所以最后的杂质浓度分布曲线不一样。,满足恒定表面浓度条件的菲克扩散方程的解为：,（注：,erfc,为余弦误差函数）,满足恒定总杂质量条件的菲克扩散方程的解为：,（注：这个表达式为高斯分布）,4.2,替位式掺杂,利用离子交换进行掺杂的方法：,熔融硝酸铊,SiO2:Na,Tl,Na,SiO2,衬底中掺杂了,Na,将衬底加热到,300,度，,Na,离子在电场的作用下向阴极移动。衬底的表面浸渍在熔融的硝酸铊中，部分,Na,离子会与,Tl,离子发生交换，从而使衬底的上表层折射率变高。,4.2,替位式掺杂,离子注入是把具有一定能量的带电离子掺入到衬底材料中。注入的离子能量在,20-300keV,之间，使得离子分布的平均深度在,10nm,到,10um,的范围内。带电离子与衬底中的原子核和电子进行一系列碰撞损失能量，最后停留在衬底内的一定深度处。调节加速能量可以控制平均深度。,离子注入的主要优势在于杂质掺入量可以精确地控制并且重复性好，以及加工温度比扩散低。,4.2,替位式掺杂,离子注入机原理图,:,设备包括：,1.,离子源,2.,质量分析器,3.,加速器,4.,扫描装置,5.,靶室,6.,其它,(,气体供应,设备,真空系统,晶片装卸系统,冷却和温度控制等,),4.2,替位式掺杂,注入损伤：当高能量的离子注入到衬底材料中，与衬底原子发生碰撞，会使晶体原子发生移位造成晶格损伤,下图分别为轻离子注入与重离子注入造成晶格损伤的示意图。,轻离子注入,重离子注入,靶,靶,4.2,替位式掺杂,退火：,由于注入离子形成损伤区和无序簇，而且大部分注入的离子不是以替位形式处在原有原子位置上，所以必须在适当的温度和时间下对半导体进行退火。退火可以消除晶格损伤，并且使注入的离子形成替位式掺杂。,退火主要分为两种：常规热退火和快速热退火,4.2,替位式掺杂,常规热退火与快速热退火技术比较,常规热退火,快速热退火,加工形式,分批式,单片式,炉况,热壁,冷壁,加热速率,低,高,循环周期,长,短,温度检测,炉,晶片,热预计量,高,低,尘埃问题,存在,最小化,均匀性和重复性,高,低,生产效率,高,低,4.2,替位式掺杂,离子注入,VS,扩散,离子注入,扩散,温度,低温,高温,浓度深度控制,精确,较精确,重复性,好,较好,范围控制,大,小,横向扩散,小,大,杂质纯度,高,低,晶格损伤,大,小,制造费用,极高,低,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.3,降低载流子浓度形成波导,机理：半导体材料的折射率随自由载流子密度的增加而减小。,N,1,N,2,N:,单位体积自由载流子的数目,n:,折射率,若,N1N2,则,n,1x,guide layer,confining layer,4.4,外延生长,分子束外延（,MBE,）,:,在超高真空条件下，由一种或者几种加热原子或分子束与晶体表面进行反应生长外延层的工艺。,MBE,既能精确地控制化学配比，也能精确地控制掺杂分布，利用,MBE,可获得原子层量级的多层单晶结构。因此,MBE,方法能够精确制备从几分之一微米直到单原子层的半导体异质外延薄膜。,通常,MBE,的生长速率非常低，比如,GaAs,的生长速率一般只有,1um/h,。,4.4,外延生长,利用,MBE,法制备,Ga,(1-x),Al,x,As,此,MBE,生长系统集薄膜淀积、清洗以及原位化学特性兼容于一身。,Ga,As,Al,和掺杂剂分别放在用热解氮化硼做的喷射炉内，所有喷射炉都放在超真空室中。各个炉子的温度可调，以便获得所需的蒸发速率。衬底支架可连续旋转以获得均匀的外延层。,4.4,外延生长,金属有机物化学气相沉积（,MOCVD,）,MOCVD,是在气相外延生长,(VPE),的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术,.,它以,族、,族元素的有机化合物和,V,、,族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延。,优点：适用范围广泛；生长易于控制；纯度高。,缺点：所使用的氢化物有剧毒；设备复杂。,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.5,电光波导,机理：利用,GaAs,等半导体材料的电光效应，通过电场的作用来控制特定区域的折射率，从而形成波导。,V,金属,耗尽层,衬底,x,y,z,在衬底上淀积金属构成肖特基接触，对肖特基势垒施加反向偏压，形成耗尽区。耗尽层的折射率比周围衬底折射率高。,4.5,电光波导,电光波导的优势：可以用电对其进行控制，因此可用于光开关和光调制器。,需要注意两个问题：,1,： 由于电光效应的各项异性，所以衬底晶体的晶向和传输波的偏振态必须加以仔细考虑；,2,： 给肖特基势垒施加反向偏置电压的时候要防止雪崩击穿。,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.6,氧化,半导体可以采用多种方式进行氧化，其中包括热氧化、电化学阳极氧化以及等离子增强化学气相沉积（,PECVD,）。在这些方式中，热氧化是硅器件最重要的氧化方法。对于,III V,族材料，热氧化所产生成分一般偏离化学配比，所以一般不用,III-V,族材料的氧化物。,下列化学反应式描述了硅在氧气（干氧化）或水蒸气（湿氧化）中的热氧化反应：,4.6,氧化,典型的硅氧化工艺设备示意图,热氧化的基本装置如图所示，反应器由电阻加热炉、圆筒形融凝石英管（管内装有立放在开槽石英舟上的硅片）以及高纯水蒸气或高纯干燥氧气的气源组成。氧化温度一般控制在,900,到,1200,度之间，气流速率通常约为,1L/min,。氧化系统采用微处理器来调控气体流入顺序，控制硅片的自动推入及拉出，控制炉温自动从低温线性地升高至氧化温度，使硅片不致因突然改变温度而翘曲，同时，还要保持氧化温度变化在 之间。,目录,4.1,薄膜淀积,4.2,替位式掺杂,4.3,降低载流子浓度形成波导,4.4,外延生长,4.5,电光波导,4.6,氧化,4.7,沟道波导的制造方法,4.7,沟道波导的制造方法,利用刻蚀的方法制造脊波导,波导层,衬底,光刻胶,步骤,1,：利用前面介绍的工艺方法制造出平板波导。,步骤,2,：在波导层上均匀涂上光刻胶，掩模，,UV,曝光。,步骤,3:,显影。,步骤,4,：对未受保护 区域进行刻蚀，然后去除表面光刻胶。,4.7,沟道波导的制造方法,刻蚀：把材料未掩模部分选择性地去掉。,湿法刻蚀,-,用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水的副产物,。,优点简单，成本低，选择比高。,缺点各向异性差，气泡阻碍，小线条速率慢，有底膜区难腐蚀。,方式浸没式、喷淋式。,干法刻蚀,-,用等离子体等方法选择刻蚀。,优点各向异性腐蚀,横向腐蚀小，适合刻细线条。,缺点设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。,方式高压等离子体、反应离子刻蚀（,RIE,）、高密度等离子体（,HDP,）、离子束刻蚀（,IBE,）,4.7,沟道波导的制造方法,刻蚀的技术指标：,1,，各向异性度,Af,2,，刻蚀速率,R (nm/min),3,，刻蚀选择比,S,fm,4,，负载效应,(,不同的待刻负载下，刻蚀速率 不同,),4.7,沟道波导的制造方法,粒子束刻写技术,电子束,离子束,粒子束 质子束,激光,利用粒子束刻写技术制造沟道波导：利用高能量的粒子束改变衬底特定区域的折射率，从而形成波导。,习题,习题,4.1 We wish to fabricate a planar waveguide for light of wavelength ,0,=1.15um that will operate in the single (fundamental) mode. If we use the proton-bombardment, carrier-concentration-reduction method to form a 3um thick waveguide in GaAs ,what are the minimum and maximum allowable carrier concentration in the substrate?(Calculate for the two cases of p-type or n-type substrate material if that will result in different answers.),解：单模截止条件为：,N,3,-N,2,（,2,c,2,m,*,0,）,/,（,4e,2,t,g,2,）,N,2,N,3,分别为波导层，包层的载流子浓度。,将,t,g,=3um,代入得,N,3,-N,2,6*1017cm,-3,当,N,2,=0,时，,N,3,最小, N,3,= 6*1017cm,-3,当,N,2,=0.1N,3,时增加,N,3,将不会引起折射率差的改变，此时,N,3,最大，此时,N,3,=0.1N,3,+6*1017=6.67*1017cm,-3,习题,4.2 If light of ,0,=1.06um is used, what are the answers to Problem,4.1?,解：由式（,4.7,）,N,3,-N,2,（,2,c,2,m,*,0,）,/,（,4e,2,t,g,2,）可知，截止条件与波长,0,无关。也就是说衬底的载流子浓度与波长无关，所以与题,4.1,相同。,习题,4.3 Compare the results of Problem 4.1 and 4.2 with those of Problem 2.1 and 2.2,note the unique wavelength dependence of the characteristics of the carrier-concentration-reduction type waveguide.,解：题,2.1,，,2.2,中波长变化，折射率差发生变化。因为它的单模条件与波长有关，而题,4.1,，,4.2,的结果相同，表明利用减小载流子浓度方法形成的波导单模截止条件与波长无关。,习题,4.6 A planar asymmetric waveguide is fabricated by depositing a 2.0um thick layer of Ta,2,O,5,(n=2.09) onto a quartz substrate(n=1.5).,(a)How many modes can this waveguide support for light of 6328(vacuum wavelength),(b) Approximately what angles does the ray representing the highest-order mode make with the surface of the waveguide?,解：（,a,）非对称平板波导截止条件由式（,3.29,）给出,n=n2-n3(2m+1),2,0,2,/32n,2,t,g,2,m=0,1,2,将数据代入得,m8.69,(b),最高阶模,m=8,由相位匹配条件,tan(kn,1,asin-m/2)=,（,2,sin-1,）,1/2,代入数据得,=0.1031,（,rad,）,=5.9,0,习题,4.8 For an asymmetric palnar waveguide like that of Fig.3.1 with n1=1.0,n2=1.65, n3=1.52,tg=1.18um,and 0=0.63um,find the number of allowed Te modes.,解：非对称波导的截止条件由（,3.29,）式给出,其中,m,a,=,（,2m+1,），代入数据，可以得到,m3.8,，因此,m=0,1,2,3,，波导容许的,TE,模为,4,个。,Q&A,问答环节,敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。,Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.,感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边,结束语,谢谢聆听,THANK YOU FOR LISTENING,演讲者：,XX,时间：,202X.XX.XX,