SOI納米波導(dǎo)的優(yōu)化制備與彎曲損耗測(cè)試*

臧俊斌，薛晨陽(yáng)，韋麗萍，王景雪，崔丹鳳，王永華，仝曉剛

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

隨著集成光學(xué)的迅猛發(fā)展，基于硅基光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈㈦娮有酒黄屏藗鹘y(tǒng)微處理器內(nèi)部互聯(lián)中帶寬和能量的限制，成為未來(lái)光通信和光計(jì)算的主要發(fā)展方向。光波導(dǎo)作為集成光學(xué)的主要部件，在與激光器、調(diào)制器、放大器等光電器件［1－2］的光互聯(lián)和光傳輸中起著至關(guān)重要的作用。由于光電子芯片發(fā)展的微型化和集成化促使光波導(dǎo)器件也必須朝著高集成度、微小型化的方向發(fā)展，所以實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)器件中的彎曲是必須的。波導(dǎo)的彎曲勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生彎曲損耗，如何實(shí)現(xiàn)并制備出超低彎曲損耗的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成為人們廣泛研究的熱點(diǎn)。

高品質(zhì)的硅基 SOI(Silicon-on-insulator)材料，由于其高的折射率差、通信波段的透明傳輸以及制作工藝與CMOS工藝完全兼容等優(yōu)點(diǎn)成為研制納米光波導(dǎo)的首選。但目前采用SOI材料直接刻蝕制備得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)其側(cè)壁非常粗糙以至于損耗特別嚴(yán)重［3－5］，所以國(guó)外針對(duì)這一問(wèn)題提出了采用H2退火處理來(lái)降低波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度［6］。而國(guó)內(nèi)由于工藝水平受限，只能試探性采用可替代的處理工藝來(lái)完成。因此，本文主要闡述了SOI納米光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與制備，并結(jié)合國(guó)內(nèi)MEMS工藝的可行性對(duì)納米光波導(dǎo)的表面優(yōu)化處理進(jìn)行了研究，最后采用透射譜法對(duì)制備出的波導(dǎo)進(jìn)行彎曲損耗測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化處理后的環(huán)形波導(dǎo)的彎曲損耗提高了2倍。

1 光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與制備

1.1 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)超低損耗的光能量傳輸，必須要保證波導(dǎo)傳輸?shù)膯文Ｐ院透吖鈭?chǎng)局域性［7－8］。因此需要對(duì)波導(dǎo)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本文采用Optiwave-FDTD和Rsoft對(duì)SOI硅基納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單模性和高光場(chǎng)局域性進(jìn)行了理論仿真分析。

當(dāng)輸入光波長(zhǎng)為1.55 μm時(shí)，波導(dǎo)厚度為0.03 μm、0.15 μm、0.22 μm、0.27 μm 和0.273 μm 的 TE模態(tài)光場(chǎng)分布圖如圖1所示。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)波導(dǎo)層厚度小于0.03μm時(shí)，光場(chǎng)局域性很弱，光能量幾乎全部外泄；當(dāng)波導(dǎo)層厚度大于0.273 μm時(shí)，光場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)0階和1階的雙模態(tài)性，致使波導(dǎo)不再是單模態(tài)傳輸；當(dāng)波導(dǎo)層厚度處于0.03 μm到0.273 μm時(shí)，波導(dǎo)為單模傳輸。但由于工藝條件的限制，幾十納米厚度的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)很難在制備中得到控制；再結(jié)合波導(dǎo)模有效折射率的變化關(guān)系圖(如圖 2 所示)，波導(dǎo)厚度在 0.2 μm ～ 0.23 μm時(shí)，有效模折射率達(dá)到最大敏感值，因此我們選定波導(dǎo)層的厚度為 0.22 μm。

圖1 不同波導(dǎo)層厚度對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)分布圖

圖2 有效模折射率隨波導(dǎo)層厚度變化關(guān)系圖

采用FDTD仿真分析得到了波導(dǎo)單模態(tài)傳輸特性下的最佳波導(dǎo)層厚度。圖3為波導(dǎo)層厚度為0.22 μm、入射波長(zhǎng)為 1.55 μm 時(shí)，采用 Rsoft仿真分析得到的TE模態(tài)下不同波導(dǎo)寬度對(duì)應(yīng)的高光場(chǎng)局域能力圖。由圖可以清晰看出當(dāng)波導(dǎo)寬度為0.45 μm時(shí)，中心紅色區(qū)域最亮、最集中，及光場(chǎng)的局域性最好。基于以上仿真分析結(jié)果，確定了SOI硅基光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖4所示(波導(dǎo)厚度h=0.22 μm，寬度d=0.45 μm)。

圖3 不同波導(dǎo)寬度對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)截面局光強(qiáng)度分布圖

圖4 SOI硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面圖

1.2 光波導(dǎo)制備

本文主要采用電子束光刻(Electron Beam Lithography)、ICP刻蝕、高溫退火、BOE濕法腐蝕等工藝對(duì)圖4所示的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備加工與優(yōu)化［9－10］，其整個(gè)制備過(guò)程示于圖 5。

圖5 光波導(dǎo)的制備和后處理流程

制備中采用的電子束光刻機(jī)為直寫(xiě)式JBX5500ZA，其制作的線條精度低于10nm；所用的ICP深硅刻蝕機(jī)為STS HRM，ICP刻蝕技術(shù)由于結(jié)合了化學(xué)、物理刻蝕方法的優(yōu)點(diǎn)，不但可以獲得好的刻蝕方向性和選擇性，而且其刻蝕速度也得到了很大提高，使得最終制備的波導(dǎo)陡直度將達(dá)(89±1)°。此外，我們還進(jìn)行了后期的表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，主要步驟為300℃到1 200℃熱氧化退火、BOE濕法腐蝕以及1 000℃高溫N2退火等。其中圖6所示為885℃熱氧化退火、BOE濕法腐蝕和1 000℃高溫N2退火后的SEM圖。

圖6 處理后的環(huán)形波導(dǎo)SEM圖(插圖為側(cè)壁SEM)

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

基于§1.2中制備的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用Dimension3100原子力顯微鏡對(duì)波導(dǎo)的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，其垂直方向的最小測(cè)試范圍小于0.05 nm。此外，由于透射譜測(cè)試法適用于納米級(jí)尺寸光波導(dǎo)的損耗測(cè)試，且對(duì)環(huán)形波導(dǎo)諧振腔的測(cè)試誤差較小［11］，所以本文擬采用透射譜測(cè)試法對(duì)光波導(dǎo)的彎曲損耗進(jìn)行測(cè)試。

考慮到實(shí)際中對(duì)波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度進(jìn)行測(cè)試的可行性，制備中采用未完全刻蝕的等效方法，用200 nm刻蝕深處的表面粗糙度來(lái)近視估測(cè)側(cè)壁的粗糙度。Dimension3100的AFM測(cè)試結(jié)果如圖7所示，由圖可以看出波導(dǎo)的側(cè)壁陡直度達(dá)89°(與理論值基本一致)。同理，由AFM測(cè)試得到了在不同熱氧化退火溫度下，經(jīng)過(guò)BOE腐蝕和高溫N2退火處理后對(duì)應(yīng)的表面粗糙度實(shí)驗(yàn)值Ra，由Ra擬合得到的對(duì)應(yīng)曲線示于圖8。

圖7 納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的AFM測(cè)試圖

圖8 BOE腐蝕和高溫N2退火后處理相同時(shí)Ra隨熱氧化退火溫度變化曲線圖

由圖8可見(jiàn)，隨著熱氧化退火溫度的增大，光波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度Ra值在600℃以?xún)?nèi)基本保持不變，超過(guò)600℃后Ra值會(huì)先減小后又急劇增大，當(dāng)退火溫度處于900℃左右時(shí)Ra值達(dá)到最小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度低于600℃以下時(shí)，光波導(dǎo)表面未被氧化為SiO2，以至于后續(xù)的BOE腐蝕以及高溫N2退火對(duì)其基本沒(méi)有影響；而當(dāng)溫度處于600℃到900℃之間時(shí)，表面部分被氧化了，再加上BOE腐蝕和高溫N2退火后最大化了表面晶粒尺寸使得表面粗糙度得以降低；但是當(dāng)退火超過(guò)1 000℃后，由于波導(dǎo)基本被完全氧化為SiO2，致使波導(dǎo)發(fā)生形變以至于表面粗糙度又急劇增大。

由此，結(jié)合我們實(shí)際的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和AFM的測(cè)試結(jié)果，采用透射功率法對(duì)彎曲損耗進(jìn)行精確測(cè)定。其彎曲損耗計(jì)算可由下式得出:

上式中，是環(huán)形波導(dǎo)每周的功率損耗百分比，δλd是透射譜線的半高寬，rt是諧振峰對(duì)應(yīng)的最低功率值，F(xiàn)SR是自由頻譜寬度，以上各參量都可以在諧振透射譜線中得出。其中圖9所示為未經(jīng)過(guò)任何優(yōu)化后處理的半徑為15 μm環(huán)形波導(dǎo)通過(guò)示波器測(cè)試得到的透射功率圖；圖10為對(duì)應(yīng)于圖6環(huán)形波導(dǎo)的透射功率圖(半徑也為15 μm)。

圖9 未優(yōu)化處理得到的半徑為15 μm的透射功率圖

圖10 對(duì)應(yīng)圖6優(yōu)化處理后得到的半徑為15 μm功率透射圖

由圖9和圖10測(cè)試得到的環(huán)形波導(dǎo)透射功率譜可得到各自的 δλd、rt、FSR 值，再根據(jù)式(2)得到其對(duì)應(yīng)的為 7.32×10－3和 2.502×10－3，代入式(1)即可得到半徑為15 μm的環(huán)形波導(dǎo)優(yōu)化處理前后的彎曲損耗 αbend分別為(0.032±0.001)dB/turn和(0.0109±0.001)dB/turn。進(jìn)一步根據(jù) Miller和Marcatili給出的解析式［12］:

圖11 彎曲損耗隨彎曲半徑變化關(guān)系圖

由圖11可見(jiàn)，環(huán)形波導(dǎo)的彎曲半徑越大，則波導(dǎo)彎曲損耗越小；且當(dāng)彎曲半徑小于9 μm的情況下，彎曲損耗受彎曲半徑的影響非常顯著，將隨著彎曲半徑的增加而以指數(shù)形式迅速減小。當(dāng)彎曲半徑大于9 μm時(shí)，不同寬度環(huán)形波導(dǎo)的彎曲半徑對(duì)彎曲損耗的影響不大，同理也驗(yàn)證了我們以上測(cè)試得到的半徑為15 μm的環(huán)形波導(dǎo)彎曲損耗的合理性，同時(shí)也更進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化處理后的彎曲損耗更接近理論值。

3 結(jié)論

本文依據(jù)Optiwave-FDTD和Rsoft對(duì)納米光波導(dǎo)的單模態(tài)性與高光場(chǎng)局域性的仿真分析結(jié)果，采用電子束光刻(Electron Beam Lithography)與ICP刻蝕制備得到了納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步采用不同的后處理工藝對(duì)制備出的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化后處理。又使用高精度原子粒顯微鏡對(duì)優(yōu)化處理后的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，并給出了表面粗糙度隨熱氧化退火溫度變化的擬合曲線。在此基礎(chǔ)上采用透射譜測(cè)試法對(duì)未優(yōu)化處理的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和最小Ra值的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了彎曲損耗測(cè)試。結(jié)果表明:在BOE腐蝕和高溫N2退火不變的情況下，隨熱氧化退火溫度的增大，表面粗糙度Ra值呈先下降后又急劇增大的趨勢(shì)；而且，在900℃附近時(shí)Ra值達(dá)到最小。此外，通過(guò)比較兩組彎曲損耗的測(cè)試結(jié)果可知，半徑為15 μm的納米環(huán)形光波導(dǎo)經(jīng)過(guò)885℃高溫氧化退火、BOE腐蝕以及1 000℃高溫N2退火后的彎曲損耗降低到(0.0109±0.001)dB/turn，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相一致。

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