第4章光波导的制备技术.ppt

,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,第,4,章 光波导的制备技术,主讲教师：宋贵才,20110913,DISIZHANGGUANGBODAODEZHIBEIJISHU,4.1,光波导制作概述,4.2,光波导衬底材料及加工,4.3,无源材料光波导制备技术,4.4,有源材料光波导制备技术,4.5,光路几何图形的加工工艺,4.6,光刻技术,4.7,电子束扫描法,4.8,光波导加工技术,4.9,条形波导的制作方法,第,4,章 光波导的制备技术,【,目录,】,【,本章教学目的和学习目标,】,第,4,章 光波导的制备技术,掌握制备光波导薄膜材料,掌握光波导衬底材料的特性,掌握无源材料光波导的制备技术,掌握有源材料光波导的制备技术,掌握光刻技术和工艺,掌握光波导的加工技术,掌握条形波导的制作方法,掌握条形波导电极制作方法,光波导的制备,通常需要两个过程，首先是要制作光波导薄膜，然后在光波导薄膜上制作光波导器件最终形成集成光路。光波导薄膜的制作技术主要包括原子掺杂技术，淀积技术，外延生长技术和电光技术。通过这些技术可以制作出光波导薄膜。光路几何图形的微细加工技术主要包括化学腐蚀法刻蚀和离子束刻蚀。进行刻蚀的目的：一是规定光的传输方向，让光在通道上有效通过，二是在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便对光信号进行调制、分束、开关和探测。本章将在介绍光波导材料和衬底材料的基础上，重点讲述有源材料和无源材料光波导的制作技术；光路几何图形的微细加工技术和光波导电极的制作方法。,【,本章引言,】,第,4,章 光波导的制备技术,第,4,章 光波导的制备技术,4.1,光波导制作概述,对于导光薄膜材料的选择应当遵循两个基本原则：一是导光薄膜材料的折射率高于衬底折射率的材料，二是导光薄膜材料能牢固涂敷在衬底上的材料。,导光薄膜材料可以是线性光学材料,(,linear optical material),，也可以是,非线性光学材料,(,nonlinear optical material),。,线性材料一般只用于光传输，但通常情况下，要对传输的信号进行处理，使之具有放大、开光、偏转等能力，因此，非线性材料在光波导制造中十分重要。,4.1.1,光波导导光薄膜材料,4.1,光波导制作概述,导波光学有两个目的,：一是制造微型薄膜光学元件，二是制造集成光路。制作光波导的材料很多，可以分为衬底材料和导光薄膜材料。,4.1.2,光波导制作难点,4.1,光波导制作概述,1,、要求加工精度高,2,、图形复杂,3,、材料多样,波导的图形与尺寸是由器件所需要达到的设计尺寸决定的，即使在可见光范围内，多数情况下的波导宽度也都,3,m,以上，因此，图形形成时通常都可以采用光刻技术。集成光路中光波导的横向精度要达到,m,数量级以下，而且这个精度不只是在某一个点的精度，而是在沿着光传输轴方向波导宽度都必须达到的精度。,4.1.3,材料与制作技术,4.1,光波导制作概述,材料,制作技术,高分子,化合物,玻璃,硫硒碲,化合物,LiNbO,3,LiTaO,3,ZnO,Nb,2,O,5,Ta,2,O,5,Si,3,N,4,YIG,淀,积,法,旋转涂敷,真空镀膜,溅射,化学汽相沉积,(CVD),聚合,热扩散,离子交换,离子注入,外,延,液相外延生长,(,LPE,),汽相外延生长,(V,PE,),材料与制作方法的选择遵循下述原则：波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀；传输损耗小，通常应在,ldB,/cm,以下，换言之，光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少；在晶体的情况下，纯度和光轴应符合要求；强度大，与衬底附着性好；工艺重复性好。,表,4-1,汇总了典型的光波导材料以及用它们制作波导的方法,4.1.4,波导的结构、制作方法和特性,材料,制作技术,高分子化合物,玻璃,硫硒碲化合物,LiNbO,3,LiTaO,3,ZnO,Nb,2,O,5,Ta,2,O,5,Si,3,N,4,YIG,淀,积,法,旋转涂敷,真空镀膜,溅射,化学汽相沉积,(CVD),聚合,热扩散,离子交换,离子注入,外,延,液相外延生长,(,LPE,),汽相外延生长,(V,PE,),表,4-2,表明，通常利用旋转涂敷的方法制作聚氨脂、环氧树脂和光致抗蚀剂波导，利用光聚合法制作,PMMA,、聚碳酸脂和光聚合物波导。,4.1,光波导制作概述,表,4-2,到表,4-6,列出了不同材料的波导的结构、制作方法和特性,波导结构,制作方法,波导特性,波导层,衬底,/m,n,/,n,f,(dB,/cm),Ag,+,Ti,+,:,玻璃,钠玻璃,离子交换,0.633,n,=2-1010,-2,4-5,K,+,:,玻璃,钠玻璃,离子交换,0.633,n,=,8-2010,-3,1,SiO,2,-B,2,O,3,-GeO,2,熔石英,CVD,0.633,n,10,-2,0.1,离子：熔石英,熔石英,离子注入,0.633,n,=,2-5010,-3,0.2,As,2,S,3,玻璃,镀膜,1.06,n,f,=2.36,0.2-0.4,As,40,Se,10,玻璃,镀膜,1.06,n,f,=2.28,0.4,表,4-3,表明，通常利用离子交换制作玻璃波导，利用镀膜制作硫、硒、碲系波导。,4.1.4,波导的结构、制作方法和特性,4.1,光波导制作概述,波导结构,制作方法,波导特性,波导层,衬底,/m,n,/,n,f,(dB,/cm),Ti:LiNbO,3,LiNbO,3,热扩散,0.633,n,=5-3010,-3,1,LiNbO,3,-LiO,2,LiNbO,3,LiO,2,外扩散,0.633,n,10,-2,1-2,H,+,:LiNbO,3,LiNbO,3,质子交换,0.633,n,=0.13,1,LiNbO,3,LiTaO,3,外延生长,0.633,n,f,=2.20/2.29,2.5,0.3,0.1,0.3,负性电,子束致,抗蚀剂,PGMA,SEL-N,CMS,0.4,0.4,0.25,2.0,1.0,1.3,0.5,0.5,与光致抗蚀剂一样，电子束致抗蚀剂也有正性与负性之分。不过，所谓,正性电子束致抗蚀剂,指的是射线分解性高分子材料，其典型例子就是,PMMA(,聚甲基丙烯酸甲酯,),；而所谓,负性电子束致抗蚀剂,指的则是射线交联性高分子材料，其中一个例子就是,PGMA(,聚甲基丙烯酸环氧丙酯,),。使用电子束致抗蚀剂时的各种操作工序基本上与使用光致抗蚀剂时的工序相同。表,4-14,汇总了各种电子束致抗蚀剂以及它们的性能。,对电子束致抗蚀剂的性能要求和对光致抗蚀剂的要求基本一样，依然是分辨率、灵敏度和耐加工性。决定其分辨率的主要因素是电子束的聚焦性能以及电子束致抗蚀剂的,特性,(,反差特性,),。其中，使用电子束致抗蚀剂时的电子束的聚焦性能与使用光致抗蚀剂时的光聚焦性能不同，最起决定作用的因素与其说是电子束的直径，不如说是电子束在抗蚀剂中的横向散射效应。理论和实践都表明，这种横向散射效应所产生的扩散尺度大约与抗蚀剂的膜层厚度相当。正是由于这个原因，,PMMA,的分辨率大约为,0.1,m,。,4.7.1,电子束致抗蚀剂,4.7,电子束扫描法,4.7.2,电子束扫描系统构成和特点,电子束扫描系统,是在普通扫描电子显微镜,(SEM),的基础上，添加扫描控制用的电子电路，并且与计算机组合起来而构成的。其电子光学系统，图像显示系统以及试样台都沿用原来,SEM,中的部件。在使用电子束曝光的情况下，不需要使用光照射曝光那样的掩膜，如图,4.14,中的第种方法所示，将集成光路的图形数据输入进绘图装置，它就会自动地控制电子束偏转，或者自动地移动实验平台，在电子束致抗蚀剂上对要绘出的图形进行曝光。电子扫描装置中，有可以对电子束的焦斑形状和粗细等进行种种控制的系统，也有使电子束的扫描方式为光栅扫描和矢量扫描控制的系统。电子束的扫描范围因为受到电子光学系统偏转失真的限制，所以一般为,25mm,，为此实验平台必须能够在宽度达,100mm,见方的范围内移动。实验台在,x,方向和,y,方向的移动，利用激光干涉仪，可以测量与控制到,10nm,的精确度；但是由于受需要使用电子束读取试样表面定位标记等因素的影响，最后的综合定位精度实际上为,0.2,m,。,4.7,电子束扫描法,这种为了制作超大规模集成电路而开发出来的电子束扫描设备虽然可以描绘出近似满足集成光路图形全部要求的平滑直线和曲线，但是在将它用于制作集成光路时，总存在一些平滑度不够充分或速度太慢之类的问题。,电子束扫描的,整个工艺流程,主要包括：编写扫描控制程序；准备衬底；抽真空；调整电子束参量；输入光栅参量和校正光栅尺寸；在衬底表面聚焦电子束；在设定区域和位置进行 绘图。电子束扫描法的优点是：可以制作极短周期的光栅；制作调制光栅的自由度大；通过计算机输入很容易变更参量；在衬底的任何部位和区域都可以描绘出轮廓清晰的无噪声光栅图形。,4.7.2,电子束扫描系统构成和特点,4.7,电子束扫描法,第,4,章 光波导的制备技术,4.8,光波导加工技术,制作条形波导和波导型光学器件时，如果使用抗蚀剂本身作为器件材料的情况下，或者利用电子束直接加工的情况下，第,4.5,节所讲的图形形成工序就已经是最终工艺了。但是，在其它的更为常见的情况下，为了制作条形波导和波导型光学器件，还必须对构成波导的材料进行精细加工。其加工方法是将抗蚀剂形成的图形直接拷贝成为被加工材料的图形；其拷贝方法分为脱膜法和腐蚀法两种。,4.8,光波导加工技术,4.8.1,脱膜法,a),涂胶并形成光刻图形,衬底,c),溶解抗蚀剂,衬底,b),淀积薄膜,衬底,图,4.17,脱膜法加工光波导,在制作金属薄膜电极以及制作比较厚的薄膜波导层和形成光栅图形时，多采用图4.17所示的,脱膜法,。这是一种以光致抗蚀剂为掩膜，在衬底上形成需要加工的薄膜的方法。,4.8,光波导加工技术,腐蚀法,是指在衬底上先生成光波导层，然后用光致抗蚀剂或金属为掩膜在光波导层上形成所需图形的方法。,使用抗蚀剂为掩膜作为腐蚀保护层，如图4.18a)所示。如果在腐蚀工艺会浸蚀抗蚀剂的情况下，则需要采用如图4.18b)所示的以金属为掩膜的方法。此时要进行多次腐蚀法。就是通过第一次腐蚀，将抗蚀剂图形拷贝成金属膜图形，并以这种金属膜图形为掩膜，对光波导层进行正式腐蚀的方法,腐蚀法是指在衬底上先生成光波导层，然后用光致抗蚀剂或金属为掩膜在光波导层上形成所需图形的方法。也就是先在光波导层的表面上制作出掩膜层图形，通过对掩膜开窗口部位的腐蚀加工，拷贝出图形的精细加工方法。,4.8.2,腐蚀法,4.8,光波导加工技术,金属掩膜层,抗蚀剂,显影腐蚀,涂胶掩模光刻,衬底,光波导层,衬底,除去抗蚀剂,衬底,衬底,涂胶掩模光刻,衬底,衬底,衬底,除去掩模,b),用金属作掩模,a),用抗蚀剂作掩模,显影腐蚀,光刻掩模,光波导层,图,4.18,腐蚀法加工光波导过程,4.8.2,腐蚀法,4.8,光波导加工技术,4.8.2,腐蚀法,被腐蚀材料,腐蚀液,备注,金,属,Al,（,1,）,5%10%,氢氧化钠水溶液,（,2,）磷酸：硝酸：醋酸：水,=16:1:2:1,（,3,）氢氟酸,1%5%+,硝酸,5%+,水,会大量浸入抗蚀剂,-35%,A,（,1,）碘,1.2g+,碘化铵,3g+,水,40cc+,乙醇,60cc,（,2,）氟化钠,+,双氧水,易引起抗蚀剂剥离,Ag,（,1,）稀硝酸（,3:1,）,（,2,）,55%,硝酸铁水溶液,（,3,）氨水：双氧水,=1:1,易引起抗蚀剂剥离,C,（,1,）三氯化铁水溶液,（,2,）过硫酸铵,+,三氯化铁水溶液,Ti,（,1,）氢氟酸：水,=1:9,（,2,）氢氟酸：硝酸：水,=1:1:50,Cr,（,1,）铁氰化钾,30g+,氢氧化钠,5g+,水,100cc,（,2,）硝酸铈,17g+,高氯酸,5cc+,水,100cc,会大量浸入抗蚀剂,SiO,2,Si,3,O,4,40%,氟化铵水溶液：氟氢酸,=10:1,缓冲腐蚀液，（不溶解,Si,）,玻璃，,LiNbO,3,及其它电介质,（,1,）缓冲腐蚀液（,2,）氢氟酸（稀释至适当浓度）,单晶,Si,（,1,）硝酸：氢氟酸,=5:1,（,2,）硝酸：氢氟酸：醋酸,=4:1:1,各向同性腐蚀，易造成抗蚀剂剥离,（,3,）,10%30%,氢氧化钠（钾）水溶液（,4,）乙二胺,17cc+,邻苯二酚,3g+,水,8cc,各向异性腐蚀，不腐蚀,111,方向,A,、湿式腐蚀法,4.8,光波导加工技术,设备,反应类型,反应机理,反应气体,被刻蚀材料,方向性,选择性,等离子体刻蚀,圆筒,游离基,化学,CF,4,，,O,2,Si,，,Si,3,N,4,抗蚀剂（抛光）,各向同性,大,溅射刻蚀,平行板型,惰性离子,物理,Ar,SiO,2,，玻璃，,LiNbO,3,等,各向异性,小,反应性离子刻蚀,(RIE),平行板型,活性离子,化学物理,CF,4,，,H,2,，,C,3,H,8,，,CCl,4,，,BCl,3,等,SiO,2,Si,3,N,4,LiNbO,3,等,各种金属,各向异性,中,离子束刻蚀,离子枪,惰性离子束,物理,Ar,SiO,2,，玻璃，有机高分子材料等,各向异性,小,反应性离子束刻蚀,离子枪,活性离子束,物理化学,CF,4,，,CHF,3,等,SiO,2,，,LiNbO,3,等,各向异性,中,B,、干式腐蚀法,4.8.2,腐蚀法,4.8,光波导加工技术,试样,等离子体,高频线圈,抽真空,气体,石英管,图,4.19,等离子体刻蚀示意图,4.8.2,腐蚀法,4.8,光波导加工技术,等离子体刻蚀,利用等离子放电产生的中性游离基与,Si,之间的化学反应，可以刻蚀,Si,系列材料。如果采用的气体不是,CF4,而是,O2,，,O2,等离子体就会将有机物分解，加工结束后就可以将抗蚀剂除去了。该过程有时候又被称之为抗蚀剂的灰化。,溅射刻蚀法,通常直接使用制作薄膜时所使用的溅射镀膜设备，只不过这次是把试样换在了原来靶材的位置，使得试样在惰性离子的物理轰击下被刻蚀。物理机理与化学机理相比，虽然可供选择的范围较小，但却可以实现各向异性的腐蚀。,4.8.2,腐蚀法,4.8,光波导加工技术,4.8.2,腐蚀法,等离子体,式样,抽真空,金属腔,高频电源,气体,冷却水,试样架,阳极,线圈,离子束,气体,阴极,等离子体,中和器,挡板,枪离子,抽真空,加速准直电极,图,4.20,反应性离子刻蚀法,图,4.21,离子束刻蚀法,4.8,光波导加工技术,第,4,章 光波导的制备技术,4.9,条形波导的制作方法,4.9,条形波导的制作方法,4.9.1 条形光波导的,结构及制作方法,种类,波导层,衬底,制作方法,埋入型,Ti:LiNbO,3,LiNbO,3,选择性热扩散,H,+,:LiNbO,3,LiNbO,3,选择性质子交换,K,+,Ag,+,Ti,+,玻璃,钠玻璃,选择性离子交换,SiO,2,-B,2,O,3,-Ge-O,2,石英,溅射刻蚀,+CVD,As,40,Se,10,S,40,Ge,10,玻璃,激光或电子束直接写入,脊型,Ti:LiNbO,3,LiNbO,3,热扩散,+,干式腐蚀,Nb,2,O,5,LiNbO,3,溅射,+,脱膜,康宁,7059,玻璃，,Nb,2,O,5,-SiO,2,Al,2,O,3,派热克斯玻璃，熔融石英,溅射,+,脱膜，干式腐蚀,光敏高分子化合物,熔融石英,显影与坚膜,（电介质）,加载型,SiO,2,加载,Ti:LiNbO,3,LiNbO,3,热扩散,+,脱膜,SiO,2,加载,/,康宁,7059,玻璃等,派热克斯玻璃,溅射,+,脱膜,（金属）,加载型,Al,加载,Ti:LiNbO,3,等,LiNbO,3,化学腐蚀,表,4-17,条形光波导的结构及制作方法,衬底清洗,蒸发金属膜,腐蚀金属膜,离子交换,K,除去金属膜,溅射,Ti,热扩散,涂布光致抗蚀剂、曝光、显影,除去抗蚀剂,a),离子交换,b),热扩散,4.9.,2,埋入型,条形光波导的制作工艺流程,图,4.22,埋入型条形光波导制作工艺,4.9,条形波导的制作方法,制作平面波导,腐蚀金属膜,干式腐蚀,除去金属膜,干式腐蚀,涂布光致抗蚀剂、曝光、显影,除去抗蚀剂,淀积金属膜,衬底清洗,溅射电介质膜,c),脱膜法,a),干式腐蚀,b),干式腐蚀,图,4.23,脊型条形光波导制作工艺,4.9.,3,脊型,条形光波导的制作工艺流程,4.9,条形波导的制作方法,制作二维波导,涂布抗蚀剂、曝光、显影,除去抗蚀剂,溅射电介质膜,图,4.24,脱膜法制作加载型条形光波导工艺,4.9.,4,加载型,条形光波导的制作工艺流程,4.9,条形波导的制作方法,4.,1,0,.,1,埋入型,条形玻璃光波导,金属膜,钠玻璃衬底,图,4.25,用金属膜窗口制作的分支波导图形,4.10,条形玻璃光波导的制作,图,4.28,输出光强度分布示意图,SiO,2,膜,图,4.27,输出光的近场图像,衬底,覆盖层,离子交换单模波导中激励起波导光时，所观察到的玻璃端面输出光示意图如图,4.27,所示。根据这个输出光图形就可以了解到，波导在单模传输的情况下，波导光在厚度方向和宽度方向同时被封闭以及形成分支的状况。如果用光电探测器接收输出光，就可以测量出图,4.28,所示的光强度沿宽度方向的分布状态。,4.10,条形玻璃光波导的制作,x,y,图,4.29,离子交换多模波导和导模输出光示意图,4.10,条形玻璃光波导的制作,涂布光致抗蚀剂,掩模保护与曝光,显影处理,溅射康宁玻璃,7059,玻璃,除去抗蚀剂,图,4.30,脱膜法制作脊型波导的工艺流程示意图,4.,1,0,.2,脊型,玻璃光波导,4.10,条形玻璃光波导的制作,派热克斯玻璃,康宁,7059,玻璃,SiO,2,硼硅酸耐热玻璃,a),加载低折射率包层,钠玻璃,b),加载高折射率包层,康宁,7059,玻璃,K,+,离子交换波导,n,2,n,1,n,4,n,3,n,2,n,1,n,4,n,3,图,4.31,加载玻璃波导结构示意图,4.,1,0,.,3,加载型,玻璃光波导,4.10,条形玻璃光波导的制作,4.,1,1,.,1,T,i,扩散,LiNbO,3,光波导,脱膜后的,Ti,膜,衬底,Ti,扩散波导,热扩散,衬底,图,4.32 Ti,扩散,LiNbO,3,波导的制作,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,/nm,2.200,2.201,2.202,2.203,2.204,N,15,20,25,30,10,图,4.33,图,4.34,图,4.34,表示采用,Z,切割,X,方向传输的,LiNbO,3,晶体，,Ti,膜宽为,4,m,，扩散条件保持恒定时，,Ti,膜厚度对基模有效折射率的影响。从图中可以看出，有效折射率与,Ti,膜厚度间呈线性关系。在设计器件时利用这种性质，通过改变,Ti,膜厚度就可以很容易地控制单模波导的基模传输常数。但是，当,Ti,膜厚度在,30nm,以上时，还会激励起一阶模。在,LiNbO,3,波导型调制器与开关器件的结构中，多数都需要是单模传输。波导图形拷贝时，有时候因为曝光用的掩膜与被曝光面密合性不好，使得,Ti,膜的宽度扩展,0.51,m,，这样就会使波导中传输的光产生高阶模。因此，在波导制成后，一般用棱镜激励起波导光，通过改变激光的人射角来观察,m,线，如图,4.35,所示。,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,高阶次模,低阶次模,m,线,Ti,扩散波导,入射光,图,4.35 Ti,扩散波导中导模的,m,线,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,4.,1,1,.,3,LiNbO,3,光波导电极的制作,电力线,Ti,扩散波导,导,光轴,x,y,z,a),缓冲层,SiO,2,Al,2,O,3,光轴,x,y,z,b),图,4.36 LiNbO,3,波导电极制作,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,0,2,0,4,0,6,0,8,0,10,0,12,0,14,0,16,0,18,0,0.1,1,.0,10,10,3,10,2,TM,0,模,/nm,图,4.37 SiO,2,缓冲层厚度与传输损耗,传输损耗,/(,dB/cm),4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,金属电极层,衬底,缓冲层,金属电极层,缓冲层,a),b),图,4.38,分支波导的制作示意图,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,Ti,扩散,LiNbO,3,RF,溅射,SiO,2,制作缓冲层,涂布抗蚀剂,掩膜曝光,涂布抗蚀剂,掩膜曝光,去除抗蚀剂,腐蚀,SiO,2,镀金属膜,除去抗蚀剂,腐蚀金属膜,图,4.39,制作,Ti,扩散,LiNbO,3,分支波导电极的工艺流程示意图,4.11,条形LiNbO,3,光波导的制作,第,4,章 光波导的制备技术,小结,习题,集成光路设计的主要内容,是光波导结构的设计和光路几何图形设计，这是进行光波导及其器件进行加工的前提。由于集成光路制作要求的加工精度高，并且图形复杂，使用的材料多样，使得集成光路制作必须使用光学精细加工技术。本章在讲述对光波导材料，衬底材料基本要求的基础上，介绍了制备无源材料光波导的淀积技术和置换技术，制备有源材料光波导的外延生长技术和减少载流子浓度技术。结合条形光波导的制作，讲述了光刻技术，电子束扫描技术，并以玻璃波导和铌酸锂波导为例，介绍了条形光波导的制作工艺和过程。,第,4,章 光波导的制备技术,【,小结,4,】,第,4,章 光波导的制备技术,完,完,