第4章光波導(dǎo)制備技術(shù)

第4章光波導(dǎo)制備技術(shù)第一頁，共104頁。4.1光波導(dǎo)制作概述4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.3無源材料光波導(dǎo)制備技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)制備技術(shù)4.5光路幾何圖形的加工工藝4.6光刻技術(shù)4.7電子束掃描法4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)4.9條形波導(dǎo)的制作方法第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)【目錄】第二頁，共104頁。【本章教學(xué)目的和學(xué)習(xí)目標(biāo)】第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)掌握制備光波導(dǎo)薄膜材料掌握光波導(dǎo)襯底材料的特性掌握無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)掌握有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)掌握光刻技術(shù)和工藝掌握光波導(dǎo)的加工技術(shù)掌握條形波導(dǎo)的制作方法掌握條形波導(dǎo)電極制作方法第三頁，共104頁。

光波導(dǎo)的制備通常需要兩個(gè)過程，首先是要制作光波導(dǎo)薄膜，然后在光波導(dǎo)薄膜上制作光波導(dǎo)器件最終形成集成光路。光波導(dǎo)薄膜的制作技術(shù)主要包括原子摻雜技術(shù)，淀積技術(shù)，外延生長(zhǎng)技術(shù)和電光技術(shù)。通過這些技術(shù)可以制作出光波導(dǎo)薄膜。光路幾何圖形的微細(xì)加工技術(shù)主要包括化學(xué)腐蝕法刻蝕和離子束刻蝕。進(jìn)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(dǎo)器件以便對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、分束、開關(guān)和探測(cè)。本章將在介紹光波導(dǎo)材料和襯底材料的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講述有源材料和無源材料光波導(dǎo)的制作技術(shù)；光路幾何圖形的微細(xì)加工技術(shù)和光波導(dǎo)電極的制作方法?！颈菊乱浴康?章光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.1光波導(dǎo)制作概述第五頁，共104頁。

對(duì)于導(dǎo)光薄膜材料的選擇應(yīng)當(dāng)遵循兩個(gè)基本原則：一是導(dǎo)光薄膜材料的折射率高于襯底折射率的材料，二是導(dǎo)光薄膜材料能牢固涂敷在襯底上的材料。

導(dǎo)光薄膜材料可以是線性光學(xué)材料(linearopticalmaterial)，也可以是非線性光學(xué)材料(nonlinearopticalmaterial)。

線性材料一般只用于光傳輸，但通常情況下，要對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理，使之具有放大、開光、偏轉(zhuǎn)等能力，因此，非線性材料在光波導(dǎo)制造中十分重要。4.1.1光波導(dǎo)導(dǎo)光薄膜材料4.1光波導(dǎo)制作概述

導(dǎo)波光學(xué)有兩個(gè)目的：一是制造微型薄膜光學(xué)元件，二是制造集成光路。制作光波導(dǎo)的材料很多，可以分為襯底材料和導(dǎo)光薄膜材料。第六頁，共104頁。4.1.2光波導(dǎo)制作難點(diǎn)4.1光波導(dǎo)制作概述1、要求加工精度高2、圖形復(fù)雜3、材料多樣

波導(dǎo)的圖形與尺寸是由器件所需要達(dá)到的設(shè)計(jì)尺寸決定的，即使在可見光范圍內(nèi)，多數(shù)情況下的波導(dǎo)寬度也都

3μm

以上，因此，圖形形成時(shí)通常都可以采用光刻技術(shù)。集成光路中光波導(dǎo)的橫向精度要達(dá)到

μm數(shù)量級(jí)以下，而且這個(gè)精度不只是在某一個(gè)點(diǎn)的精度，而是在沿著光傳輸軸方向波導(dǎo)寬度都必須達(dá)到的精度。第七頁，共104頁。4.1.3材料與制作技術(shù)4.1光波導(dǎo)制作概述

材料制作技術(shù)高分子化合物玻璃硫硒碲化合物L(fēng)iNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀積法旋轉(zhuǎn)涂敷√真空鍍膜√濺射√√√√化學(xué)汽相沉積(CVD)√√√聚合√熱擴(kuò)散√離子交換√√離子注入√外延液相外延生長(zhǎng)(LPE)√√汽相外延生長(zhǎng)(VPE)√材料與制作方法的選擇遵循下述原則：波導(dǎo)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(yīng)在ldB/cm以下，換言之，光學(xué)透明度好，表面凹凸小，光學(xué)散射少；在晶體的情況下，純度和光軸應(yīng)符合要求；強(qiáng)度大，與襯底附著性好；工藝重復(fù)性好。表4-1匯總了典型的光波導(dǎo)材料以及用它們制作波導(dǎo)的方法第八頁，共104頁。4.1.4波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性

材料制作技術(shù)高分子化合物玻璃硫硒碲化合物L(fēng)iNbO3LiTaO3ZnONb2O5Ta2O5Si3N4YIG淀積法旋轉(zhuǎn)涂敷√真空鍍膜√濺射√√√√化學(xué)汽相沉積(CVD)√√√聚合√熱擴(kuò)散√離子交換√√離子注入√外延液相外延生長(zhǎng)(LPE)√√汽相外延生長(zhǎng)(VPE)√

表4-2表明，通常利用旋轉(zhuǎn)涂敷的方法制作聚氨脂、環(huán)氧樹脂和光致抗蝕劑波導(dǎo)，利用光聚合法制作PMMA、聚碳酸脂和光聚合物波導(dǎo)。4.1光波導(dǎo)制作概述表4-2到表4-6列出了不同材料的波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性第九頁，共104頁。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作方法波導(dǎo)特性波導(dǎo)層襯底λ/μmΔn/nfβ(dB/cm)Ag+,Ti+:玻璃鈉玻璃離子交換0.633Δn=2-10×10-24-5K+:玻璃鈉玻璃離子交換0.633Δn=8-20×10-31SiO2-B2O3-GeO2熔石英CVD0.633Δn~10-20.1離子：熔石英熔石英離子注入0.633Δn=2-50×10-30.2As2S3玻璃鍍膜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(dǎo)，利用鍍膜制作硫、硒、碲系波導(dǎo)。4.1.4波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性4.1光波導(dǎo)制作概述第十頁，共104頁。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作方法波導(dǎo)特性波導(dǎo)層襯底λ/μmΔn/nfβ(dB/cm)Ti:LiNbO3LiNbO3熱擴(kuò)散0.633Δn=5-30×10-31LiNbO3-LiO2LiNbO3LiO2外擴(kuò)散0.633Δn<10-21-2H+:LiNbO3LiNbO3質(zhì)子交換0.633Δn=0.131LiNbO3LiTaO3外延生長(zhǎng)0.633nf=2.20/2.29<3Nb:LiNbO3玻璃熱擴(kuò)散0.633Δn=2-4×10-21-2Cμ:LiNbO3玻璃電場(chǎng)熱擴(kuò)散0.633Δn=10-22

表4-4表明，通常利用擴(kuò)散技術(shù)制作鈮酸鋰波導(dǎo)。4.1.4波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性4.1光波導(dǎo)制作概述第十一頁，共104頁。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作方法波導(dǎo)特性波導(dǎo)層襯底λ/μmΔn/nfβ(dB/cm)ZnO(多晶)玻璃，SiO2/Si濺射0.633nf=2.0155-10ZnO(單晶)Al2O3濺射，CVD0.633nf=2.0022Nb2O5玻璃，SiO2/Si反應(yīng)濺射0.633nf=2.1-2.32-3Ta2O5玻璃，SiO2/Si反應(yīng)濺射0.633nf=1.9-2.22-3（SiO2)x–(Ta2O5)y玻璃，SiO2/Si濺射0.633nf

=1.46-2.082-3Si3N4SiO2/SiCVD0.633nf=2.01-2.020.1

表4-5表明，通常利用濺射技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制作金屬氧化物波導(dǎo)。4.1.4波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性4.1光波導(dǎo)制作概述第十二頁，共104頁。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作方法波導(dǎo)特性波導(dǎo)層襯底λ/μmΔn/nfβ(dB/cm)Ga1-yAlyAsGa1-xAlxAsLPE,MBE1.06nf=3.474-8GaAs1-xSbxn-Al1-yAs1-xSbxLPE,MBE1InxGa1-xAs1-yPyInPLPE,MBE1.5表4-6表明，通常利用液相外延技術(shù)和分子束外延技術(shù)制作半導(dǎo)體材料波導(dǎo)。4.1.4波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、制作方法和特性4.1光波導(dǎo)制作概述第十三頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工第十四頁，共104頁。4.2.1光波導(dǎo)襯底材料材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μmGaAs1.03.511-161.253.45InP1.303.211-14Ge2.04.111.8-23104.00Si1.53.481.2-10103.42

對(duì)光波導(dǎo)襯底材料的總體要求是：1）材料應(yīng)具有多功能，不僅能傳輸光信號(hào)，而且能制造出光源，接受器及各種調(diào)制器，2）性能穩(wěn)定，均勻性好，容易加工制作，3）成本低，可批量生產(chǎn)。光波導(dǎo)襯底材料可以分成四類：1）無機(jī)材料：SiO2，LiNbO3，Ta2O5，Nb2O5，2)有機(jī)材料：塑料，有機(jī)玻璃，3）半導(dǎo)體：CaAs，4）金屬和稀土陶瓷。表4-7給出了常用襯底材料及其常數(shù)。表4-7表明，用于LD，LED，PD的襯底材料主要為砷化鎵、磷化銦、鍺和硅。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工

襯底材料主要起到三個(gè)作用，一是支撐導(dǎo)光薄膜，二是能在其上制作各種光路器件，三是形成反光層。本節(jié)將介紹光波導(dǎo)襯底材料特性和襯底材料的加工方法。第十五頁，共104頁。材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μm熔石英(SiO2)0.6331.4570.12-4.51.0641.451高硼硅酸玻璃0.6331.4700.21-5.0派熱克斯玻璃0.6331.4720.28-4.5鈉玻璃0.6331.5120.44-3.4表4-8表明，用于襯底玻璃的材料主要為熔石英、高硼硅酸玻璃、派熱克斯玻璃和鈉玻璃。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.2.1光波導(dǎo)襯底材料第十六頁，共104頁。材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μmLiNbO30.633ne=2.200、no=2.2860.4-5.01.0ne=2.157、no=2.237LiTaO30.633ne=2.180、no=2.1760.45-5.01.2ne=2.188、no=2.131

表4-9表明，用于電光、聲光器件的襯底材料主要為鈮酸鋰和鉭酸鋰。材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μmAu0.633nr=0.15、ni=3.2說明:nr和ni分別為金屬復(fù)折射率的實(shí)部和虛部Ag0.633nr=0.065、ni=4.0Al0.633nr=1.2、ni=7.0藍(lán)寶石(Al2O3)0.6331.7660.15-6.5

表4-10表明，用于電極的襯底材料主要為金、銀和鋁。用于緩沖層的襯底材料主要為藍(lán)寶石。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.2.1光波導(dǎo)襯底材料第十七頁，共104頁。材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μmADP(NH4H2PO4)0.546ne=1.48、no=1.530.19-1.5KDP(KH2PO4)0.546ne=1.47、no=1.510.20-1.55

表4-11表明，用于體型電光調(diào)制器的襯底材料主要為磷酸二氫氨和磷酸二氫鉀。材料波長(zhǎng)/μm折射率透光范圍/μm重燧石玻璃SF-40.6331.6160.38-1.8SF-590.6331.950.46-2.5硫硒碲化合物系非晶玻璃As2S30.6332.610.6-111.1532.46As2Se31.1532.8390.9-11ZnO0.6ne=2.015、no=1.999SAW換能器

表4-12表明，用于聲光偏轉(zhuǎn)的襯底材料主要為重燧石玻璃和硫硒碲化合物系非晶玻璃，用于聲光換能器的襯底材料主要為氧化鋅。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.2.1光波導(dǎo)襯底材料第十八頁，共104頁。1、襯底拋光。光波導(dǎo)淀積用的襯底表面并不要求平滑，即無需極其小心地獲得光學(xué)拋光人員引以為傲的極端平滑度，而只是要求襯底表面沒有劃痕或凹坑等缺陷。對(duì)于玻璃襯底，粗切割的玻璃毛坯要經(jīng)過細(xì)磨后再拋光。加工過程的每道工序都要使用更細(xì)的拋光粉，直到前一道工序產(chǎn)生的擦痕都消失為止，如果加工得當(dāng)，就可以獲得很好的拋光面。一般來說，純機(jī)械拋光總會(huì)留下擦痕的，這是因?yàn)閷?shí)際研磨是通過機(jī)械刮削即通過研磨粉的作用進(jìn)行的，然而，研磨粉總是有一定大小的。因此，為了獲得無擦痕的表面，必須采用非機(jī)械拋光的方法。純化學(xué)拋光可以獲得無損傷的表面，但它并不光滑。在半導(dǎo)體工業(yè)當(dāng)中，廣泛采用化學(xué)－機(jī)械拋光法，即先用化學(xué)拋光法對(duì)襯底表面進(jìn)行處理，然后用很細(xì)的磨蝕材料除去十分柔軟的反應(yīng)產(chǎn)物，從而獲得較好的襯底表面。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.2.1光波導(dǎo)襯底材料第十九頁，共104頁。2、襯底清洗。在制作光波導(dǎo)薄膜之前，必須在保證不損壞表面質(zhì)量的前提下把襯底表面徹底清洗干凈。對(duì)于玻璃襯底的清洗方法是，首先，把襯底片輪流放到三氯乙烯和丙酮溶液池中，用超聲清洗若干次，然后用研磨去垢劑擦洗。接著將它們先后放到兩種混合液中煮沸，第一種混合液由水、30%不穩(wěn)定的H2O2和27%的NH4OH組成，第二種混合液由水、30%不穩(wěn)定的H2O2和37%的HCl組成，其體積比為7:2:1。最后用過濾蒸餾水沖洗后吹干。洗好的襯底需要用簡(jiǎn)單而快速的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，通常利用水消法和照射法。水消法是將洗干凈的襯底表面浸入去離子水當(dāng)中，然后觀察其干燥的圖樣。若襯底表面不存在有機(jī)殘留物，則去離子水能夠均勻浸濕襯底表面，由于緩慢蒸發(fā)，水幾乎完全消失，在水層變得很薄時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出干涉色。4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工4.2.1光波導(dǎo)襯底材料第二十頁，共104頁。4.2.2襯底材料的加工觀察者散射光襯底樣品漆黑的內(nèi)表面照射法利用圖4.1所示的裝置，在左側(cè)面開口的暗盒中裝有一個(gè)小的出射光基本上是平行光的光源，光直接照到盒的出口處。把襯底片放在光束當(dāng)中，我們迎著黑暗背景觀察襯底，由于塵埃和表面缺陷的小斑點(diǎn)對(duì)光產(chǎn)生散射而使其清晰可見，這樣就可以同時(shí)研究表面質(zhì)量和樣品的清潔度。圖4.1照射法檢測(cè)襯底樣品表面裝置示意圖4.2光波導(dǎo)襯底材料及加工第二十一頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第二十二頁，共104頁。

無源材料通常是指材料中不含有自由載流子，用這些材料，只能做波導(dǎo)。無源材料光波導(dǎo)的制作技術(shù)主要是淀積技術(shù)和置換技術(shù)。淀積技術(shù)包括：真空蒸汽淀積，濺射淀積，旋轉(zhuǎn)甩涂法、浸漬涂敷法、化學(xué)汽相淀積法和聚合法。置換技術(shù)包括：擴(kuò)散技術(shù)，離子交換和遷移技術(shù)。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第二十三頁，共104頁。4.3.1淀積技術(shù)4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)1、真空蒸汽淀積（鍍膜）。它是將薄膜材料加熱，使之汽化，從而淀積到襯底材料上而形成薄膜。根據(jù)鍍膜材料的不同，加熱方法也不同。通常，低熔點(diǎn)的材料采用電阻絲加熱方式，高熔點(diǎn)的材料采用高頻感應(yīng)加熱（蝸旋電流）或電子束加熱。為了提高膜層在襯底上的附著性，鍍膜時(shí)通常需要對(duì)襯底進(jìn)行加熱，使其與膜材料的溫度接近。膜層的厚度取決于蒸發(fā)源與襯底之間的距離以及鍍膜時(shí)間的長(zhǎng)短。為了得到均勻的膜層厚度，需要適當(dāng)減小淀積速率和增加蒸發(fā)源到襯底的距離。真空蒸汽淀積的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單、方便。缺點(diǎn)是由于含起吸收和散射作用的污染原子，造成薄膜損耗較高，另外由于鍍膜溫度高，冷卻較慢。

淀積技術(shù)是指在襯底表面沉淀、堆積一層折射率略高的薄膜材料，從而形成波導(dǎo)。第二十四頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)2、濺射淀積。濺射淀積包括等離子體放電系統(tǒng)和粒子束濺射系統(tǒng)。等離子體放電系統(tǒng)是通過高壓電使濺射氣體放電而等離子化，位于等離子體中的靶材由于受到高能、高速等離子體轟擊，靶材的原子被打出，從而使這些原子淀積在襯底上形成薄膜的一種方法。粒子束濺射系統(tǒng)是利用離子槍發(fā)射高速離子，離子通過書掃描裝置之后轟擊靶材，將靶材中的原子打出，并使這些原子淀積在襯底上形成薄膜的一種方法。濺射法特別適用于難于用加熱蒸發(fā)淀積法制作薄膜的高熔點(diǎn)材料。4.3.1淀積技術(shù)第二十五頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)靶材料惰性氣體襯底擋板圖4.2等離子體放電系統(tǒng)+-1）等離子體放電系統(tǒng)如圖4.2所示。其電源可以加直流或射頻電壓，分別稱直流濺射和射頻濺射。放電氣體Ar，Ne或Kr在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生電離。靶材料通常為金屬或金屬氧化物。4.3.1淀積技術(shù)第二十六頁，共104頁。

應(yīng)當(dāng)注意的是：直流濺射時(shí)，帶電離子會(huì)在襯底和靶面附近聚集而形成屏蔽電場(chǎng)，影響淀積速率。直流濺射時(shí)的氣壓一般為1-10Pa時(shí)，淀積的速率一般為0.02-0.2μm/min，因此，直流濺射適用于膜層較薄時(shí)。射頻濺射時(shí)的氣壓一般為0.1-1Pa，淀積的速率為0.5-5μm/min，因?yàn)楸戎绷鳛R射淀積速率更快，環(huán)境工作氣壓又低，因此，可以制備高純度薄膜，并適應(yīng)于膜層較厚的情況。淀積金屬氧化物時(shí)，要在一定濃度的氧氣中進(jìn)行，形成反應(yīng)濺射。在往襯底上正式淀積電介質(zhì)薄膜之前，需要關(guān)閉擋板，先進(jìn)行15~20min的預(yù)濺射，以除去靶材表面吸附的污染物。薄膜厚度可由濺射時(shí)的電壓，電流密度，氣體壓力和濺射時(shí)間控制。4.3.1淀積技術(shù)4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第二十七頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)離子槍靶材料束掃描器襯底擋板圖4.3離子束濺射系統(tǒng)襯底2）離子束濺射系統(tǒng)如圖4.3所示。離子槍用于產(chǎn)生高速準(zhǔn)直離子束。束掃描器以柵形圖案沿整個(gè)靶掃描，以保證均勻?yàn)R射。離子束濺射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是聚焦離子只能撞擊靶材料，沒有污染原子（分子）從腔壁濺射出來，可以制備高純度的薄膜。一般情況下，濺射膜與加熱蒸發(fā)淀積膜相比，具有純度高、致密、附著牢、膜層均勻性和物化性能好等優(yōu)點(diǎn)。4.3.1淀積技術(shù)第二十八頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)3、溶液淀積。溶液淀積包括旋轉(zhuǎn)甩涂和浸漬涂敷。這兩種方法都是往襯底上涂敷光致抗蝕劑等高分子電介質(zhì)薄膜的方法。旋轉(zhuǎn)甩涂法是將高分子材料溶于溶劑做成黏稠的液體，把少量的液滴滴在襯底上，通過襯底的高速旋轉(zhuǎn)，而得到薄膜的方法。浸漬涂敷法也是將高分子材料溶于溶劑做成黏稠的液體，把襯底浸入這種溶液中，然后將襯底提起，從而在襯底表面附著一層薄膜的方法。為了增加這兩種膜在襯底上的附著度，需要將它們放入適當(dāng)溫度的烘箱中進(jìn)行熱處理。這兩種波導(dǎo)制作方法工藝最簡(jiǎn)單，成本也最低，但是，薄膜的純度和均勻性也比較低。4.3.1淀積技術(shù)第二十九頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)4、化學(xué)汽相淀積法。前面所介紹的三種方法都是物理汽相淀積法。與物理汽相淀積相對(duì)應(yīng)的是化學(xué)汽相淀積法（ChemicalVaporDeposition－CVD）。CVD法是以某種氣體為原料，通過化學(xué)反應(yīng)，在襯底上淀積薄膜的一種方法，化學(xué)汽相淀積反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。反應(yīng)室襯底進(jìn)氣口出氣口電阻絲圖4.4化學(xué)氣相淀積反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖4.3.1淀積技術(shù)第三十頁，共104頁。1)淀積

的反應(yīng)方程式為

(4.3-1)式(4.3-1)表明，可以用氫氣還原四氯化硅來實(shí)現(xiàn)硅的淀積，(4.3-2)式(4.3-2)表明，可以通過對(duì)硅烷(四氫化硅)加熱來實(shí)現(xiàn)硅的淀積，2)淀積

晶體的反應(yīng)方程式(4.3-3)式(4.3-3)表明，用氫氣還原三氯化砷(4.3-4)式(4.3-4)表明，用鎵置換氯化氫，獲得氫氣(4.3-5)式(4.3-5)表明，氯化鎵與砷和氫氣反應(yīng)生成的砷化鎵淀積到襯底上3)淀積

晶體的反應(yīng)方程式(4.3-6)式(4.3-6)表明，濃度為(1-x)的三甲基鎵和濃度為x的三甲基鋁與砷化氫反應(yīng)生成的鎵鋁砷淀積到襯底上。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第三十一頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)5、聚合法。聚合法(PolymerizationMethod)是一種用于制作有機(jī)高分子（聚合物）薄膜的方法。它是將單體在真空中加熱使之蒸發(fā)，同時(shí)通過加熱、電子束照射、紫外線照射或者等離子體照射的方法，使單體蒸汽在襯底表面淀積下來并且聚合形成薄膜。從廣義上講，聚合法也屬于化學(xué)汽相沉積法，其中尤其是等離子體照射聚合法更是經(jīng)常被人們劃歸等離子體CVD。等離子體聚合法的工藝雖然較為復(fù)雜，但是卻比液相反應(yīng)法控制的更為精確。4.3.1淀積技術(shù)第三十二頁，共104頁。

置換技術(shù)是通過引進(jìn)雜質(zhì)原子，分子或離子，置換晶格中某些原子、分子或離子，從而引起折射率變化。主要包括擴(kuò)散技術(shù)、離子交換和遷移技術(shù)。4.3.2置換技術(shù)1、擴(kuò)散技術(shù)。它可以分為外擴(kuò)散法和內(nèi)擴(kuò)散法。外擴(kuò)散法是將襯底加熱，使襯底內(nèi)部的物質(zhì)往外部擴(kuò)散出去，以便制作出高折射率層的一種方法。內(nèi)擴(kuò)散法是先將需要進(jìn)行熱擴(kuò)散的材料淀積在襯底表面，然后將它放入高溫爐中，使淀積材料擴(kuò)散進(jìn)入襯底中，在襯底表面附近形成一層折射率略高的擴(kuò)散層的一種方法。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第三十三頁，共104頁。4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.3.2置換技術(shù)1）氧化鋰外擴(kuò)散法制作鈮酸鋰介質(zhì)光波導(dǎo)如圖4.5所示。LiNbO3LiNbO3LiO24.5表明，將鈮酸鋰襯底進(jìn)行高溫加熱，其中的氧化鋰就可以向外擴(kuò)散到襯底表面，從而形成光波導(dǎo)層。圖4.5氧化鋰外擴(kuò)散法外第三十四頁，共104頁。LiNbO3LiNbO3鈦膜（釩、鎳）鈦擴(kuò)散波導(dǎo)2）鈦內(nèi)擴(kuò)散法制作鈮酸鋰介質(zhì)光波導(dǎo)如圖4.6所示。

圖4.6表明，鈮酸鋰晶體內(nèi)擴(kuò)散過渡金屬（）

可以制得一層高折射率的波導(dǎo)層，這種波導(dǎo)中，

都增加。在內(nèi)擴(kuò)散的過程中有一種電場(chǎng)擴(kuò)散法，是在內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)加一個(gè)直流電場(chǎng)，使得在比較低的溫度下就可以快速擴(kuò)散。這種方法適用于希望襯底不要加熱到高溫的場(chǎng)合。圖4.6鈦、釩、鎳內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散4.3.2置換技術(shù)4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第三十五頁，共104頁。Li2SO4/K2SO4/AgNO3＋-SiO2:Na+圖4.7離子交換和遷移離子交換法是將襯底浸入某種溶液中，通過襯底中的離子與溶液中的離子之間的交換，在襯底的表面附近制作高折射率層的一種方法。如圖4.7所示。

離子交換時(shí)，折射率增加或減小與兩個(gè)因素有關(guān)。一是與交換離子的原子大小有關(guān)，二是與交換離子的電子位移極化率有關(guān)。圖中電源是為了加快置換速度。當(dāng)Li＋與Na+發(fā)生交換時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)i＋的尺寸比Na+的尺寸小，造成玻璃網(wǎng)格在小離子周圍發(fā)生破裂，產(chǎn)生相當(dāng)密集的結(jié)構(gòu)，從而使折射率增加。當(dāng)Ag＋與Na+發(fā)生交換時(shí)，因?yàn)锳g＋的電子位移極化率大于Na+的電子位移極化率，從而使折射率增加，這是因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)發(fā)生極化時(shí)，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)滿足4.3.2置換技術(shù)4.3無源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第三十六頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第三十七頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)

有源材料通常是指材料中含有自由載流子，用這些材料，不僅能在其上做波導(dǎo)，而且能夠做激光器、探測(cè)器和調(diào)制器等器件。有源材料光波導(dǎo)的制作技術(shù)主要是外延生長(zhǎng)技術(shù)和減少載流子濃度技術(shù)。外延生長(zhǎng)技術(shù)主要包括液相外延、汽相外延和分子束外延。減少載流子濃度技術(shù)主要包括質(zhì)子轟擊、離子注入和電光效應(yīng)。第三十八頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)材料ABCDGaAs10.9060.975010.279690.002467Ga1-xAlxAs10.906－2.92x0.975010.52886－0.7335x2(x≤0.36)0.30386－0.105x2(x≥0.36)0.002467(1.41x＋1）表4-13塞耳邁爾方程系數(shù)與Al濃度x的函數(shù)關(guān)系4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)1、液相外延（LiquidPhaseEpitaxy－LPE）。液相外延由飽和或過飽和溶液在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體材料。生長(zhǎng)條件為要生長(zhǎng)的薄膜材料與襯底材料在晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)兩方面足夠相似，才能使相干晶格結(jié)構(gòu)得以延續(xù)。

外延生長(zhǎng)法是在襯底上生長(zhǎng)一層折射率高的薄膜，從而形成光波導(dǎo)。第三十九頁，共104頁。熱電偶石墨滑尺先行籽晶襯底x2x1x3石英管圖4.8液相外延生長(zhǎng)光波導(dǎo)薄膜裝置示意圖液相外延生長(zhǎng)法制作光波導(dǎo)的裝置如圖4.8所示。它主要由石英管，熱電偶，石墨滑尺組成。石英管提供一個(gè)密閉的外延生長(zhǎng)環(huán)境，熱電偶可以保持穩(wěn)定的溫度，石墨滑尺便于襯底在不同濃度溶液之間滑動(dòng)，先行籽晶的作用是調(diào)節(jié)溶液的飽和度。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十頁，共104頁。n2n1Ga1-x1Alx1Asn3nGa1-x2Alx2AsGa1-x3Alx3As圖4.9液相外延生長(zhǎng)法制作的光波導(dǎo)示意圖當(dāng)石墨滑尺水平滑動(dòng)時(shí)，其上的襯底將經(jīng)過鋁濃度不同的砷化鎵溶液，從而形成折射率不同的薄膜層。液相外延生長(zhǎng)法制作的光波導(dǎo)如圖4.9所示。

用液相外延法制作的膜層，一般情況下結(jié)晶性、厚度控制以及均勻性都很好，折射率沿縱深方向的分布呈階梯狀分布。這種技術(shù)在半導(dǎo)體材料中應(yīng)用非常廣泛，而在用電介質(zhì)材料制作波導(dǎo)過程中的應(yīng)用卻沒有那么廣泛。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十一頁，共104頁。2、汽相外延（VapourPhaseEpitaxy－VPE）。汽相外延由飽和或過飽和汽體在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體材料。即在襯底表面造成生長(zhǎng)物原子的過飽和，驅(qū)使氣相中的生長(zhǎng)物原子并入固相，在襯底表面外延生長(zhǎng)出晶體薄膜。氣相外延的溫度通常遠(yuǎn)低于同種材料塊狀晶體的生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)時(shí)的過飽和度與塊狀晶體相比也比較低，這導(dǎo)致外延生長(zhǎng)的速率一般情況下遠(yuǎn)低于塊狀晶體的生長(zhǎng)速率。這一特點(diǎn)決定了其為薄膜制備手段的應(yīng)用。

VPE與LPE的生長(zhǎng)條件相似，它們共同的特點(diǎn)是：允許使用大面積襯底；容易制作多層結(jié)構(gòu)；易控制摻雜濃度。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十二頁，共104頁。高能電子衍射儀襯底夾和加熱器質(zhì)譜儀離子濺射槍過程程序控制裝置閘門控制熱電偶加熱器控制抽超高真空液氮俄歇電子能譜分析儀射束源

分子束外延（MolecularBeamEpitaxy－MBE）。分子束外延裝置如左圖所示。分子束外延是在超高真空中，利用分子或原子射束注入系統(tǒng)將要生長(zhǎng)的材料的熱分子或原子束射到襯底上進(jìn)行外延的一種方法。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)

分子束外延是一種可在原子尺度上精確控制外延厚度、摻雜和界面平整度的薄膜制備技術(shù)，主要用于半導(dǎo)體薄制備（超薄膜、多層量子結(jié)、超晶格），它是制備新一代微波器件和光電子器件的主要技術(shù)。第四十三頁，共104頁。

離子濺射槍主要用來在淀積前凈化襯底表面，它與質(zhì)譜儀結(jié)合也可以進(jìn)行成分分析，即所謂二次離子質(zhì)譜測(cè)定法。可以通過離子濺射槍和靶位的轉(zhuǎn)換進(jìn)行單層、多層薄膜和復(fù)合膜的制備；用輔助離子濺射槍實(shí)現(xiàn)對(duì)基底的濺射清洗、離子束輔助沉積，并且可以進(jìn)行離子束反應(yīng)濺射沉積；利用高能氣體離子源的注入和膜基界面混合效應(yīng)，有效提高薄膜與基底之間的結(jié)合力。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)高能電子衍射儀主要可以用作微粒晶體結(jié)構(gòu)的分析研究；金屬氧化過程的分析研究；無定形和高質(zhì)量物質(zhì)的測(cè)定；金屬表層及在表層下的晶格相位的分析研究。并對(duì)半導(dǎo)體表層滲入的物理現(xiàn)象的研究。因此，電子衍射儀可以測(cè)定在磨擦、滑潤(rùn)、腐觸、溫度變化、觸媒、輻射、化學(xué)反應(yīng)、相移等各種過程中的演變情況。一般用電子顯微鏡能觀察到的物質(zhì),電子衍射儀亦能分析。分子束外延中，反射高能電子衍射儀則可以提供有關(guān)表面重構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)和表面光滑度的資料。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十四頁，共104頁。

質(zhì)譜儀是分離和檢測(cè)不同同位素的儀器。它根據(jù)帶電粒子在電磁場(chǎng)中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離和檢測(cè)。也就是將物質(zhì)氣化、電離成離子束，經(jīng)電壓加速和聚焦，然后通過磁場(chǎng)電場(chǎng)區(qū)，不同質(zhì)量的離子受到磁場(chǎng)電場(chǎng)的作用后偏轉(zhuǎn)不同，聚焦在不同的位置，從而獲得不同同位素的質(zhì)量譜。在分子束外延系統(tǒng)中它不僅能檢測(cè)淀積射束，而且還能檢測(cè)周圍環(huán)境中的殘留分子。

射束源由噴射爐、快門和液氮冷卻套組成。噴射爐的坩鍋內(nèi)放置要進(jìn)行外延的物質(zhì)，它具有小于分子運(yùn)動(dòng)自由程的噴口。每個(gè)噴口處都有一個(gè)用來迅速控制分子束流的快門，從而精確地控制外延層的組分、摻雜和厚度，同時(shí)也避免了不同分子束之間的交叉污染。除了噴口外，整個(gè)噴射爐都被液氮冷卻套包裹，目的是冷卻受熱部件改善襯底和噴射爐附近的真空環(huán)境。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十五頁，共104頁。超高真空系統(tǒng)。分子束外延的真空系統(tǒng)的真空度要求優(yōu)于10-8Pa。目前，分子束外延系統(tǒng)常用的抽真空設(shè)備是用吸附泵提供無油的前級(jí)低真空條件，然后，采用離子泵、升華泵和渦輪分子泵獲得超高真空。

過程控制裝置可以由簡(jiǎn)單的模擬控制器組成，這些控制器可根據(jù)熱電偶的讀數(shù)校正源爐子和襯底的溫度。也可以采用數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)外延生長(zhǎng)的控制，該系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)譜儀檢測(cè)出的實(shí)際生長(zhǎng)速率作為其輸入，不僅能控制射束源和襯底溫度，而且還能操縱射束閘門的開閉。4.4.1外延生長(zhǎng)技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)第四十六頁，共104頁。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)

減少載流子濃度法是通過降低載流子濃度在襯底上制備一層折射率高的薄膜，從而形成光波導(dǎo)。A、減少載流子濃度來提高介質(zhì)折射率的機(jī)理降低載流子的濃度就可以提高介質(zhì)的折射率。B、降低載流子濃度的方法為了降低載流子濃度通常可以采用質(zhì)子轟擊、離子注入和電光效應(yīng)。第四十七頁，共104頁。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)1）質(zhì)子轟擊。質(zhì)子轟擊是用高速質(zhì)子轟擊襯底材料，使一定深度區(qū)域內(nèi)材料受到損傷，出現(xiàn)電子陷阱形成補(bǔ)償中心，導(dǎo)致載流子濃度下降。N(cm-3)1091018xN1N2xnn1n2襯底a)b)c)圖4.11a)是質(zhì)子轟擊所成的波導(dǎo)，圖4.11b)是載流子濃度隨穿透深度變化的曲線，圖4.11c)是折射率隨穿透深度變化的曲線。第四十八頁，共104頁。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)

質(zhì)子轟擊制作光波導(dǎo)的缺點(diǎn)是光傳輸損耗大。因?yàn)橘|(zhì)子轟擊產(chǎn)生的電子陷阱俘獲了載流子，導(dǎo)致載流子濃度下降，而這些被俘獲的載流子能吸收光子再釋放出來。解決的辦法是根據(jù)襯底載流子濃度決定質(zhì)子注入量。第四十九頁，共104頁。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)2）離子注入(ionimplantation)。離子注入技術(shù)是近30年來在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高新技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。第五十頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)加速器離子源襯底束掃描器

離子注入系統(tǒng)主要由離子源，加速電極和束掃描器構(gòu)成，如圖4.12所示。應(yīng)當(dāng)注意的是，同質(zhì)子轟擊一樣，都要進(jìn)行退火處理。這樣操作的目的有兩個(gè)，一是消除由于注入而引起的晶格損傷，二是使注入的離子移入晶格中的適當(dāng)位置。4.12離子注入系統(tǒng)4.4.2減少載流子濃度技術(shù)第五十一頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)

離子注入的優(yōu)點(diǎn)是能精確控制雜質(zhì)的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝，可防止原來雜質(zhì)的再擴(kuò)散等，它是一種純凈的無公害的表面處理技術(shù)，離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個(gè)新表面層，它與基體之間不存在剝落問題。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)第五十二頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)3)電光效應(yīng)。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)就會(huì)在金屬－半導(dǎo)體接面形成肖特基勢(shì)壘。它是金屬－半導(dǎo)體邊界上形成的具有整流作用的區(qū)域。肖特基勢(shì)壘相較于PN接面最大的區(qū)別在于具有較低的接面電壓，以及在金屬端具有相當(dāng)薄的(幾乎不存在)空乏區(qū)寬度。由半導(dǎo)體到金屬，電子需要克服勢(shì)壘；而由金屬向半導(dǎo)體，電子受勢(shì)壘阻擋。4.4.2減少載流子濃度技術(shù)第五十三頁，共104頁。4.4有源材料光波導(dǎo)的制備技術(shù)Vnn0

在加正向偏置時(shí)半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘下降；相反，在加反向偏置時(shí)，半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘增高。當(dāng)半導(dǎo)體均勻摻雜時(shí)肖特基勢(shì)壘的空間電荷層寬度和單邊突變P-N結(jié)的耗盡層寬度相一致。如圖4.13所示，在GaAs襯底上淀積一層金屬條就會(huì)消除肖特基勢(shì)壘，再在金屬條上加反向偏壓后，電極下會(huì)形成耗盡層，耗盡層中載流子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于襯底中載流子的濃度，從而形成光波導(dǎo)。圖4.13電光效應(yīng)形成波導(dǎo)4.4.2減少載流子濃度技術(shù)第五十四頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.5光路幾何圖形的加工工藝第五十五頁，共104頁。在前面的兩節(jié)講述了光波導(dǎo)的制作技術(shù)，在完成了光波導(dǎo)的制作之后，還要在光波導(dǎo)上設(shè)計(jì)和制作集成光路，本節(jié)將介紹光路幾何圖形的加工工藝。光路幾何圖形的加工主要包括兩個(gè)方面的主要內(nèi)容，一是光路的設(shè)計(jì)和加工，光波導(dǎo)器件幾何圖形設(shè)計(jì)和加工。4.5光路幾何圖形的加工工藝第五十六頁，共104頁。4.5.1集成光路設(shè)計(jì)和加工工藝4.5光路幾何圖形的加工工藝集成光路設(shè)計(jì)制作掩模輸入數(shù)據(jù)圖形形成抗腐蝕圖形腐蝕直接加工集成光路①②③圖4.13集成光路設(shè)計(jì)和加工工藝

集成光路的設(shè)計(jì)，就是要選擇襯底和波導(dǎo)層材料，然后設(shè)計(jì)出光源，光的傳輸通道，光的調(diào)制器件和光的探測(cè)器件。完成集成光路的設(shè)計(jì)后就要對(duì)光路進(jìn)行精細(xì)加工。集成光路的精細(xì)加工工藝可以分為三道工序，掩膜制作或者圖形數(shù)據(jù)輸入；形成抗腐蝕圖形和腐蝕。第五十七頁，共104頁。在制作集成光路的時(shí)，可分別采用上圖中的三種不同方法：第①種方法是借助于掩摸，對(duì)襯底上涂布的光致抗蝕劑曝光的方法；第②種方法是不借助于掩膜，而采用激光束或電子束直接對(duì)襯底上涂布的光致抗蝕劑進(jìn)行曝光的方法；第③種方法是直接用激光束或者電子束在襯底上繪圖的方法。目前適用于直接加工法的材料有非晶質(zhì)硫、硒、碲化合物薄膜、高分子薄膜和光敏玻璃等。4.5.1集成光路設(shè)計(jì)和加工工藝4.5光路幾何圖形的加工工藝第五十八頁，共104頁。4.5.2光路幾何圖形設(shè)計(jì)和加工工藝4.5光路幾何圖形的加工工藝

集成光路當(dāng)中的器件大都是具有一定幾何形狀的薄膜形器件，為此，要根據(jù)器件的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出相移的幾何形狀。為了得到優(yōu)質(zhì)的抗腐蝕圖形，首先必須制作出圖形精細(xì)的高反差掩膜(mask)。掩膜材料的選用必須能夠適應(yīng)后續(xù)曝光工序中使用的光源。制作成掩膜后，就要通過光照射在波導(dǎo)襯底的表面上制作出抗腐蝕圖形，此過程通常稱為光刻，如圖4.14所示。第五十九頁，共104頁。激光束曝光電子束曝光離子束曝光

射線曝光x紫外線曝光①②襯底涂布抗蝕劑抗蝕劑曝光抗蝕劑顯影離子交換淀積等光刻掩模圖形數(shù)據(jù)4.5.2光路幾何圖形設(shè)計(jì)和加工工藝圖4.14光路幾何圖形的形成技術(shù)4.5光路幾何圖形的加工工藝第六十頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.6光刻技術(shù)第六十一頁，共104頁。

光刻技術(shù)通常是指采用波長(zhǎng)為200～450nm的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗蝕劑為中間圖像記錄媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片或介質(zhì)層上的一種工藝。在廣義上，它包括光復(fù)印工藝和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面。光復(fù)印工藝是經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩膜版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上?？涛g工藝是利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。本節(jié)將介紹光致抗蝕劑以及光刻技術(shù)的工藝流程。4.6光刻技術(shù)第六十二頁，共104頁。4.6.1光致抗蝕劑1、光致抗蝕劑種類。光致抗蝕劑分為兩大類。一類是正性光致抗蝕劑，該類抗蝕劑受光照部分發(fā)生降解反應(yīng)而能為顯影液所溶解。留下的非曝光部分的圖形與掩膜版一致。正性抗蝕劑具有分辨率高、對(duì)駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優(yōu)點(diǎn)，適合于制作高集成度的器件。另一類是負(fù)性光致抗蝕劑，該類抗蝕劑受光照部分產(chǎn)生交鏈反應(yīng)而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與掩膜版圖形互補(bǔ)。負(fù)性抗蝕劑的附著力強(qiáng)、靈敏度高、顯影條件要求不嚴(yán)，適于制作低集成度的器件。4.6光刻技術(shù)第六十三頁，共104頁。2、光致抗蝕劑的性能。光致抗蝕劑的性能指標(biāo)主要包括：感光度、分辨率、粘附性、抗蝕性、針孔密度和留膜率。感光度－表征光刻膠對(duì)光的敏感程度。分辨率－表征光刻精度，即光刻時(shí)所能得到的光刻圖形的最小尺寸。粘附性－表征光刻膠與襯底間粘附的牢固程度。抗蝕性－表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。針孔密度－單位面積上的針孔數(shù)。留膜率－曝光顯影后的非溶性膠膜厚度與曝光前膠膜厚度之比。通常正性光致抗蝕劑具有分辨率高，邊緣整齊，反刻易對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，而負(fù)性光致抗蝕劑具有針孔少，耐腐蝕，粘附性好和感光度高的優(yōu)點(diǎn)。4.6光刻技術(shù)4.6.1光致抗蝕劑第六十四頁，共104頁。01.02.03.0012345678MP1300-31光致抗蝕劑膜厚/um轉(zhuǎn)速/(x103r/min)圖4.15(離心機(jī)轉(zhuǎn)速與抗蝕劑膜層厚度關(guān)系)是試驗(yàn)曲線的一個(gè)例子。其中至關(guān)重要的一點(diǎn)是，所制作的光致抗蝕劑膜層必須是均勻而且沒有針孔的膜層。

通常使用離心甩膠機(jī)將光致抗蝕劑涂在波導(dǎo)襯底上。光致抗蝕劑的膜層厚度取決于光致抗蝕劑的黏度以及離心甩膠機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，可以利用預(yù)先測(cè)量出的試驗(yàn)曲線，計(jì)算出為了得到所需要的厚度應(yīng)當(dāng)選取的工藝參數(shù)。4.6.2涂布抗蝕劑4.6光刻技術(shù)第六十五頁，共104頁。根據(jù)曝光時(shí)掩膜與晶片間相對(duì)關(guān)系是貼緊還是分開可以將曝光方式分為接觸式曝光和非接觸式曝光。接觸式曝光具有光的衍射效應(yīng)最小、分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。但容易損傷和沾污掩膜版和晶片上的感光膠涂層，影響成品率和掩膜版壽命，對(duì)準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制。一般認(rèn)為，接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成光路的制作。

非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統(tǒng)中，采用光學(xué)投影的方法，將掩膜版上的圖形聚焦于晶片表面的光刻膠上進(jìn)行曝光，掩膜版與晶片上的感光膠層不接觸，避免了掩膜版與晶片表面的摩擦，延長(zhǎng)了掩膜版的壽命。非接觸曝光時(shí)，掩膜版的尺寸可以比實(shí)際尺寸大得多，克服了小圖形制版的困難。消除了由于掩膜版圖形線寬過小而產(chǎn)生的光衍射效應(yīng)以及掩膜版與硅片表面接觸不平整而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。因此，非接觸式曝光不會(huì)引起損傷和沾污，成品率較高，對(duì)準(zhǔn)精度也高，能滿足高集成度器件的要求。但投影曝光設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，因而不適于低檔產(chǎn)品的制作。4.6.3曝光方式4.6光刻技術(shù)第六十六頁，共104頁。曝光后，就要將帶有光致抗蝕劑的襯底浸入顯影液中進(jìn)行顯影或者用噴霧法對(duì)光致抗蝕劑顯影。顯影目的是將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)出所需的圖形。正膠顯影液一般為含水的堿性顯影液，如，TMAH(四甲基氫氧化胺水溶液)，KOH(氫氧化鉀)等。負(fù)膠顯影液主要為C8H10(二甲苯)，由于二甲苯對(duì)光刻膠的參透能力很強(qiáng)，在顯影過程中會(huì)侵入光刻膠的交聯(lián)區(qū)域，引起聚合物的膨脹，因此通常加入抑制顯影速率的緩沖劑。影響顯影速率的因素包括顯影液的濃度、溫度，光刻膠的前烘條件和曝光量。顯影后，要使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢，同時(shí)增加抗蝕能力，使它在后續(xù)的腐蝕中保持完好，必須對(duì)光刻膠進(jìn)行堅(jiān)膜處理。一般在180~200℃的溫度下烘烤大約30分鐘。應(yīng)當(dāng)注意的是，堅(jiān)膜不足的情況下，腐蝕時(shí)易浮膠，易側(cè)蝕；堅(jiān)膜過度時(shí)，會(huì)引起熱膨脹、膠膜翹曲、剝落，腐蝕時(shí)易浮膠或鉆蝕。4.6.4顯影和堅(jiān)膜4.6光刻技術(shù)第六十七頁，共104頁。脫膜腐蝕掩膜曝光除膠正性光致抗蝕劑襯底波導(dǎo)層涂膠顯影堅(jiān)膜圖4.16光刻流程示意圖

用形成圖形的光致抗蝕劑作為掩膜，就可以對(duì)用淀積法、熱擴(kuò)散法、離子交換法和離子注入法等制作的光波導(dǎo)薄膜進(jìn)行保護(hù)。最后，還要除去這些起到過保護(hù)作用的抗蝕劑，此過程稱為脫膜。脫膜與腐蝕的目的是把經(jīng)曝光、顯影后的光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形。光刻過程的流程圖如圖4.16所示。4.6.5脫膜和腐蝕4.6光刻技術(shù)第六十八頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.7電子束掃描法第六十九頁，共104頁。

電子束曝光具有分辨率高、光刻精度高、不需光刻版和在真空中曝光等優(yōu)點(diǎn)。電子束掃描法特別適合于集成光路的光柵這種具有精細(xì)的周期和比較小的面積的器件制作。本節(jié)將介紹電子束致抗蝕劑和電子束掃描系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)。4.7電子束掃描法第七十頁，共104頁。4.7電子束掃描法4.7.1電子束致抗蝕劑類型名稱靈敏度/(μC/cm2)反差特性/值分辨率/μm正性電子束致抗蝕劑PMMAP(MMA-MA)P(MMA-AN)EBR-1PBS10012.54.01.25~3.00.83.32.7>2.50.30.10.3負(fù)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(fù)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(fù)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(gè)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(shí)的各種操作工序基本上與使用光致抗蝕劑時(shí)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。第七十一頁，共104頁。

對(duì)電子束致抗蝕劑的性能要求和對(duì)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(shí)的電子束的聚焦性能與使用光致抗蝕劑時(shí)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(yīng)。理論和實(shí)踐都表明，這種橫向散射效應(yīng)所產(chǎn)生的擴(kuò)散尺度大約與抗蝕劑的膜層厚度相當(dāng)。正是由于這個(gè)原因，PMMA的分辨率大約為0.1μm。4.7.1電子束致抗蝕劑4.7電子束掃描法第七十二頁，共104頁。4.7.2電子束掃描系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)

電子束掃描系統(tǒng)是在普通掃描電子顯微鏡(SEM)的基礎(chǔ)上，添加掃描控制用的電子電路，并且與計(jì)算機(jī)組合起來而構(gòu)成的。其電子光學(xué)系統(tǒng)，圖像顯示系統(tǒng)以及試樣臺(tái)都沿用原來SEM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②種方法所示，將集成光路的圖形數(shù)據(jù)輸入進(jìn)繪圖裝置，它就會(huì)自動(dòng)地控制電子束偏轉(zhuǎn)，或者自動(dòng)地移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在電子束致抗蝕劑上對(duì)要繪出的圖形進(jìn)行曝光。電子掃描裝置中，有可以對(duì)電子束的焦斑形狀和粗細(xì)等進(jìn)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?yàn)槭艿诫娮庸鈱W(xué)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)失真的限制，所以一般為2~5mm，為此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須能夠在寬度達(dá)100mm見方的范圍內(nèi)移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)在x方向和y方向的移動(dòng)，利用激光干涉儀，可以測(cè)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位標(biāo)記等因素的影響，最后的綜合定位精度實(shí)際上為0.2μm。4.7電子束掃描法第七十三頁，共104頁。

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(shè)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(shí)，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(gè)工藝流程主要包括：編寫掃描控制程序；準(zhǔn)備襯底；抽真空；調(diào)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(shè)定區(qū)域和位置進(jìn)行繪圖。電子束掃描法的優(yōu)點(diǎn)是：可以制作極短周期的光柵；制作調(diào)制光柵的自由度大；通過計(jì)算機(jī)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噪聲光柵圖形。4.7.2電子束掃描系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)4.7電子束掃描法第七十四頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)第七十五頁，共104頁。

制作條形波導(dǎo)和波導(dǎo)型光學(xué)器件時(shí)，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(dǎo)和波導(dǎo)型光學(xué)器件，還必須對(duì)構(gòu)成波導(dǎo)的材料進(jìn)行精細(xì)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光波導(dǎo)加工技術(shù)第七十六頁，共104頁。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(dǎo)

在制作金屬薄膜電極以及制作比較厚的薄膜波導(dǎo)層和形成光柵圖形時(shí)，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光波導(dǎo)加工技術(shù)第七十七頁，共104頁。

腐蝕法是指在襯底上先生成光波導(dǎo)層，然后用光致抗蝕劑或金屬為掩膜在光波導(dǎo)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(hù)層，如圖4.18a)所示。如果在腐蝕工藝會(huì)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(shí)要進(jìn)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(duì)光波導(dǎo)層進(jìn)行正式腐蝕的方法腐蝕法是指在襯底上先生成光波導(dǎo)層，然后用光致抗蝕劑或金屬為掩膜在光波導(dǎo)層上形成所需圖形的方法。也就是先在光波導(dǎo)層的表面上制作出掩膜層圖形，通過對(duì)掩膜開窗口部位的腐蝕加工，拷貝出圖形的精細(xì)加工方法。4.8.2腐蝕法4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)第七十八頁，共104頁。金屬掩膜層抗蝕劑顯影腐蝕涂膠掩模光刻襯底光波導(dǎo)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(dǎo)層圖4.18腐蝕法加工光波導(dǎo)過程4.8.2腐蝕法4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)第七十九頁，共104頁。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）氫氟酸1%~5%+硝酸5%+水會(huì)大量浸入抗蝕劑-35%Aμ（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Cμ（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(huì)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(zhì)（1）緩沖腐蝕液（2）氫氟酸（稀釋至適當(dāng)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光波導(dǎo)加工技術(shù)第八十頁，共104頁。設(shè)備反應(yīng)類型反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)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(xué)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(yīng)性離子刻蝕(RIE)平行板型活性離子化學(xué)物理CF4，H2，C3H8，CCl4，BCl3等SiO2,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(jī)高分子材料等各向異性小反應(yīng)性離子束刻蝕離子槍活性離子束物理化學(xué)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光波導(dǎo)加工技術(shù)第八十一頁，共104頁。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光波導(dǎo)加工技術(shù)

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(xué)反應(yīng)，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(huì)將有機(jī)物分解，加工結(jié)束后就可以將抗蝕劑除去了。該過程有時(shí)候又被稱之為抗蝕劑的灰化。第八十二頁，共104頁。

濺射刻蝕法通常直接使用制作薄膜時(shí)所使用的濺射鍍膜設(shè)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(jī)理與化學(xué)機(jī)理相比，雖然可供選擇的范圍較小，但卻可以實(shí)現(xiàn)各向異性的腐蝕。4.8.2腐蝕法4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)第八十三頁，共104頁。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(zhǔn)直電極圖4.20反應(yīng)性離子刻蝕法圖4.21離子束刻蝕法4.8光波導(dǎo)加工技術(shù)第八十四頁，共104頁。第4章光波導(dǎo)的制備技術(shù)4.9條形波導(dǎo)的制作方法第八十五頁，共104頁。4.9條形波導(dǎo)的制作方法4.9.1條形光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及制作方法種類波導(dǎo)層襯底制作方法埋入型Ti:LiNbO3LiNbO3選擇性熱擴(kuò)散H+:LiNbO3LiNbO3選擇性質(zhì)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(kuò)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(jiān)膜（電介質(zhì)）加載型SiO2加載Ti:LiNbO3LiNbO3熱擴(kuò)散+脫膜SiO2加載/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(xué)腐蝕表4-17條形光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及制作方法第八十六頁，共104頁。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(kuò)散涂布光致抗蝕劑、曝光、顯影除去抗蝕劑a)