低损耗硅基SiO2平面光波导的PECVD制备和膜层特性研究p.

低损耗硅基SiO2平面光波导的PECVD 制备和膜层特性研究
陈思乡1，江征风1，胡业发1，刘文2
(1．武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070 2．武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074
摘要：研究了PECVD 沉积的光波导膜层的光学特性，论述了沉积工艺参量和退火处理对膜层性能的影响，优化工艺获得了高质量的波导膜层，成功设计制作了在1550nm 中心波长损耗低于0.1dB/cm的平面光波导和AWG 器件。

关键词：平面光波导，SiO2波导，PECVD
PECVD deposition of low-loss SiO2-based plane Waveguides and the film properties
Chen Sixiang1, Jiang Zhengfeng1, Hu Yefa1, Liu Wen2
(1. School of Electromechanics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
2. Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications, Wuhan 430074, China
Abstract: Good optical-quality Ge-doped SiO2 layers have been obtained by using plasma-enhanced chemical vapor deposition from SiH4, GeH4 and N2O gases. Various factor affecting refractive index and deposition rate of films, such as gas flow, platen temperature, RF power are investigated. Low-loss silica optical waveguides with propagation losses less than 0.1dB/cm at 1550nm center wavelength are presented.
Keyword: plane lightwave circuit, Silica waveguides, PECVD
1、引言
光纤通信技术近几年来得到了迅猛发展，光纤已经成为固定通信网中最主要的传输介质，是高速通信特别是吉比特和太比特通信的最佳媒质选择。

平面光波导是光集成的核心，是为光波的传播所规定的通道。

大多数的光波导以单模光波导为基础，以实现对单一模式的光的各种参量的精确控制。

平面光波导技术为光纤通信的容量瓶颈提供了较好的解决方法。

硅基SiO2波导由于和石英光纤组分相近，折射率匹配较好可以达到很小的耦合损耗，而且由于其制作工艺采用成熟的半导体微细加工技术，工艺简单、重复性好、制作成本低等特点受到了愈来愈多的重视，成为了人们关注的焦点，已经成为了当前光器件和平面光波回
路（PLC ）的基础
[1,2,3,4]。

对于平面光波导器件的开发，如何制作高品质的光波导是最关键的要素。

SiO2光波导的制作主要有两种：一为与光纤制作技术相类似的火焰水解沉积法（FHD ），即以SiCl4、 SiCl4-GeCl4或SiCl4-TiCl 为原料在氢氧焰中生长SiO2于包层和芯层；二为半导体工艺中的等离子体化学气相沉积（PECVD ）方法，即光波导的各层特别是芯层由PECVD 来完成。

由于FHD 设备和技术本身的复杂性以及PECVD 工艺的成熟性，我们采用专用PECVD 设备制作波导层。

该技术膜层控制灵活，膜层均匀、致密、光滑，透明性好。

2、波导设计和实验制备
膜层的沉积是在STS 公司具有平行板电极结构的Multi-PECVD 设备上进行的。

电极直径为300mm，产生等离子体的激励频率为380kHz，电极高度为约
30mm，反应气体为SiH4/N2O
主反应气体及氢或氮稀释的GeH4、B2H6、PH3等掺杂气体，采用
SiH4+N2O气体组合，沉积纯SiO2层，加入GeH4气体，沉积掺锗芯层，加入
B2H6、PH3等气体沉积上包层。

衬底为单面抛光（100）晶向的4”硅片，衬底温
度为300℃，射频功率为300～700W，本底真空小于0.1 mT，反应气压为300 mT～600mT，沉积速率150nm/s～200 nm/min。

光波导的结构截面如图1所示，包括下包层、芯层和上包层，芯层设计为截面6μmx6μm、折射率增量0.75%、中心波长1550nm 的单膜波导，下包层为高温热氧化生长的约15μm的SiO2层。

芯层为掺锗SiO2层，与单膜光纤的折射率结构相似。

上包层为B、P 共掺的BPSG 层，目的为匹配折射率和降低熔点，增加流动性和平坦度。

芯层图形形成采用BPS Nextral 660L 反应离子刻蚀设备（Reactive Ion Etching）完成，刻蚀反应气体为CHCl3/Ar，采用2.45GHz 和13.56MHz 的标准微波和射频源，通入氦气进行冷却。

3、结果与讨论
3.1膜层的折射率
对光波导来说膜层的折射率及其均匀性是非常重要的参数，表一是PECVD 沉积SiO2膜层退火后的折射率测试结果和热氧化生长的SiO2膜层的测试数据。

可以看出，PECVD沉积的SiO2膜层的折射率和热氧化生长膜层的折射率值相接近，这从一个侧面说明膜层的化学计量比和热氧化生长的相接近。

XPS能谱分析表明PECVD 沉积膜层的化学计量比基本接近SiO2的比例。

表1 PECVD沉积SiO2样品和热氧化样品的折射率比较 Samples No. PECVD1# PECVD2# PECVD3# Thermal oxideRefractive index(annealed 1.4449 1.4450 1.4450 1.4450 Uniformity 0.0002 0.0002 0.0003 0.0001
已经证实[2]
，在PECVD SiH4+N2O 气体体系沉积SiO2的过程中，最初的反应物是(SiH32O，该反应物被吸附在衬底表面与O原子反应生成接近化学计量比的
SiO2。

首先N2O在等离子体中被分解，产生氧原子（或氧自由基），被激活的氧基或者与SiH4反应，生成，或者参与表面反应形成氧化物。

反应过程如下：
O SiH 23 (**2N NO X O N +→+ (1
***N O X NO +→+ (2 223*4 (2H O SiH O SiH +→+ (3
O H H SiO O O SiH 222*232 (++→+ (4
其中，*
X 表示等离子体中的自由基或电子。

图2是硅烷气体流量对膜层折射率和沉积速率的的影响，可以看出随着SiH4流量增加沉积速率线性增大，这是很显然的。

折射率基本保持不变，这是因为
N2O 的气体流量（2000sccm/min）比SiH4流量大得多，即使SiH4流量增大膜层仍然保持SiO2的化学计量比，不会出现缺氧的折射率较大的SiOx 膜层。

图3是锗烷气体流量对折射率的关系曲线，在不改变其它沉积条件的情况下，在一定范围锗烷流量越大锗掺杂量越大，折射率也越大，可以看出膜层折射率和锗烷流量近似为线性关系。

膜层折射率和沉积速率对等离子体激励源（射频）功率和基底温度的关系分别示于图4、图5中。

射频功率增大折射率稍有下降，这是由于较大的射频功率提高了等离子体的密度，加大了N2O 的分解，使等离子体中参与反应的氧自由基浓度增大，产生了轻微的富氧态。

在考察的温度范围内，基底温度变化对膜层折射率的影响不大，折射率基本保持不变。

图6
是折射率对反应压力的变化曲线，随着反应压力的增大，掺杂膜层折射率线性减小。

3.2 退火处理
在PECVD系统采用SiH4/N2O气体沉积SiO2膜层时，由于硅烷裂解出H原子，会形成含有Si-H键和O-H的氧化膜，并且N2O会在SiO2中引入N掺杂，形成Si-N、N-H键，H的存在对膜
的稳定性和光学性质如折射率及红外吸均有影响，Si-H在630cm -1
波数处有较大的吸收峰，
O-H的吸收峰位于1400nm附近[1,2]。

因此PECVD沉积的膜层需经退火处理以消除膜层中的羟基和Si-H含量并
使膜层致密化。

退火温度为500℃～1100℃，退火时间为2～8小时，退火气氛为氮气和氧气。

O-H的吸收在800℃退火后消失，而N-H、Si-H的吸收峰在1100℃退火后消失，伴随着损耗大幅度降低。

图7表明膜层折射率对退火温度的变化关系，SiO2、掺锗SiO2和BPSG三种膜的折射率都随着退火温度升高而减小并趋于稳定值，对BPSG膜层折射率达到稳定的温度低得多。

在约800℃附近折射率随温度变化更剧烈，特别是对与SiO2及其掺锗膜层。

3.3 波导损耗
波导的传输损耗测试采用波导截断方法，直波导的初始长度为6.6cm，截面为6µmx6µm，设计的中心波长为1550nm，波导端面被仔细抛光成8度角，和单膜光纤进行对准耦合，采用JDSU 公司的SWS2000无源测试系统进行测试，在1310nm 波长处，波导损耗为0.12dB/cm，在1550nm 波长处，波导损耗为0.086/cm。

4 结论
采用PECVD 系统在较低的衬底温度下（300℃）获得了高质量的光波导膜层，膜层的沉积速率大于180nm/min，折射率均匀性（<0.0005）和厚度均匀性（<2%）都很好，制备的光波导的损耗小于0.1dB/cm，并获得了性能指标达到实
用水平的AWG 器件。

参考文献
1．K. Worhoff, Plasma enhanced chemical vapor deposition silicon oxynitride
optimized for application in integrated optics, Sensor and Actuators 74(1999 9-12.
2. S. W. Heieh, Characteristics of low-temperature and low-energy plasma-enhanced
chemical vapor deposited Sio2, J. Appl. Phys. 74(4 2638-2649.
3. M. V. Bazylenko, Fabrication of low-temperature PECVD channel waveguides with
significantly improved loss in the 1.5-1.55-um wavelength range, IEEE photonics technology letters, vol. 7. No. 7(1995 774-776.
4. L. Martinu, Plasma deposition of optical films and coatings: A review, J. Vac. Technol. A 18(6 2000, 2619-264
5.
Fig.1 The cross section
of waveguides
clading
a c t i v e i n d e x /n
Flow of SiH4/sccm
R e f r Dep. rate/nm
Fig.2 Refractive index and deposition
RF power/W
R e f r a c t i v e i n d e x /n l e
Dep. rate/nm
Fig.4 Refractive index and dep. rate VS RF power excited plasma
R e f r a c t i v e i n d e x /n
Gas GeH4 flow/sccm Fig.3 Refractive index as a function of the flow of GeH4
1.4551.4551.457
Platen temperature/C
R e f r a c t i v e i n d e x /n
Reactive presure/mT
R e f r a c t i v e i n d e x /n
Dep.rate/nm
Fig.6 Refractive index and dep. rate
VS reactive presure
Dep. rate/nm
Fig.5 Refractive index and dep. rate VS platen temperature 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
R e f r a c t i v e i n d e x
Annealing temperature
Refractive index as a function of annealing temperature Fig.7。