阅读说明：本技术 一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法 (Method for manufacturing alpha Si oxidized BOX-shaped silicon nitride waveguide ) 是由 周章渝 肖寒 孙健 代天军 陈雨青 彭晓珊 王代强 张青竹 宁江华 张子砚 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法,包括以下步骤：在硅基衬底上热氧化工艺形成SiO<Sub>2</Sub>包裹层,然后生长αSi材料；刻蚀αSi矩形槽；对αSi材料层上BOX形波导侧壁表面进行粗糙度处理；将αSi矩形槽氧化成二氧化硅,然后填充αSi矩形槽,并磨掉多余的Si<Sub>3</Sub>N<Sub>4</Sub>和SiO<Sub>2</Sub>材料；再次生长Si<Sub>3</Sub>N<Sub>4</Sub>层,去除多余的氮化硅材料,生长波导包裹SiO<Sub>2</Sub>层；本发明通过采用光刻蚀或离子束刻蚀αSi材料层形成αSi矩形槽,能够解决传统工艺直接刻蚀介质材料导致SiO<Sub>2</Sub>垂直度不高的问题,本发明通过αSi矩形槽制备BOX波导仅需两次氮化硅材料的生长和两次光刻蚀,减少了工艺环节,节约了生产成本。(The invention discloses a manufacturing method of α Si oxidized BOX-shaped silicon nitride waveguide, which comprises the following steps of forming SiO on a silicon substrate by a thermal oxidation process 2 Wrapping the layer, growing α Si material, etching α Si rectangular groove, roughness treating the side wall surface of BOX-shaped waveguide on α Si material layer, oxidizing α Si rectangular groove into silicon dioxide, filling α Si rectangular groove, and grinding off redundant Si 3 N 4 And SiO 2 A material; regrowing Si 3 N 4 Layer, removing excessive silicon nitride material, growing waveguide wrapping SiO 2 The invention adopts photoetching or ion beam etching α Si material layer to form α Si rectangular groove, which can solve the problem of SiO caused by directly etching dielectric material in the traditional process 2 The method has the advantages that the method only needs two times of growth of silicon nitride materials and two times of photoetching for preparing the BOX waveguide through the α Si rectangular groove, so that process links are reduced, and the production cost is saved.)

一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法。

背景技术

氮化硅这一硅基材料在集成光电子器件方面有着广泛应用，具有从可见到红外的宽透射谱，其制作工艺能与商用半导体加工工艺兼容。基于氮化硅材料的光波导结构，具有与包裹层的折射率差值适中，器件尺寸在微米量级，制造容差较大，易于大规模商业化生产的优点，且有关器件与外部光纤的耦合效率较高，传输损耗也比较低；

现有的BOX形的氮化硅波制造工艺中，形成BOX波导生长槽过程中采用直接刻蚀介质材料，导致SiO₂垂直度不高，且BOX波导生长槽表面粗糙度大，侧壁散射损耗较高，BOX波导生长槽的沟槽深度控制难度大，波导侧面包裹层吸收损耗大，同时现有技术制备BOX波导时氮化硅材料需要进行生长和4～5次光刻蚀，效率低下，工艺步骤繁琐且工艺成本高。因此，本发明提出一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法，以解决现有技术中的不足之处。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法，该方法通过采用光刻蚀或离子束刻蚀αSi材料层形成αSi矩形槽，能够解决传统工艺直接刻蚀介质材料导致SiO₂垂直度不高的问题，本发明通过αSi矩形槽制备BOX波导仅需两次氮化硅材料的生长和两次光刻蚀，减少了工艺环节，节约了生产成本。

为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法，包括以下步骤：

步骤一：在硅基衬底上采用热氧化工艺形成2～3μm的SiO₂包裹层，然后利用低温等离子体增强化学的气相沉积法在硅基衬底上生长400nm～2000nm的αSi材料层；

步骤二：采用光刻蚀或离子束刻蚀法在αSi材料层上形成与BOX形波导尺寸一致的αSi矩形槽；

步骤三：采用去氢退火和热氧化工艺对αSi材料层上BOX形波导侧壁表面进行粗糙度处理；

步骤四：再次通过热氧化工艺将αSi材料层上αSi矩形槽氧化成二氧化硅；

步骤五：分别生长Si₃N₄层和SiO₂层将刻蚀的αSi矩形槽填充，再依次通过化学机械平坦化艺将BOX形波导上多余的Si₃N₄和SiO₂材料磨掉；

步骤六：再次生长Si₃N₄层，然后利用光刻蚀或离子束刻蚀法去除BOX形波导外多余的氮化硅材料；

步骤七：利用低压力化学气相沉积法生长4～5μm的波导包裹SiO₂层，得到侧壁光滑垂直的氮化硅BOX形波导。

进一步改进在于：所述步骤一中利用低温等离子体增强化学的气相沉积法在硅基衬底上生长αSi材料层时，αSi材料层的生产厚度优选400nm～1000nm。

进一步改进在于：所述步骤一中在硅基衬底上采用热氧化工艺形成2～3μm的SiO₂包裹层时，热氧化温度控制为1000～1200℃，热氧化温度时间为35～40min。

进一步改进在于：所述步骤二中采用光刻蚀或离子束刻蚀法在αSi材料层上形成与BOX形波导尺寸一致的αSi矩形槽前，需要先在αSi材料层上形成出3～5μm的光刻蚀胶。

进一步改进在于：所述步骤二中采用光刻蚀或离子束刻蚀法在αSi材料层上形成与BOX形波导尺寸一致的αSi矩形槽时，αSi矩形槽的刻蚀宽度比控制为比设计尺寸大0.75倍，αSi矩形槽的刻蚀高度比控制为比设计尺寸小0.75倍。

进一步改进在于：所述步骤三中去氢退火具体过程为：将αSi材料层上BOX形波导在550～600℃进行保温1～1.5小时，然后随炉冷却至常温。

进一步改进在于：所述步骤四中热氧化工艺温度为1100～1150℃，热氧化时间为38～45min。

本发明的有益效果为：本发明方法采用光刻蚀或离子束刻蚀αSi材料层形成αSi矩形槽，能够解决传统工艺直接刻蚀介质材料导致SiO₂垂直度不高的问题，本发明方法能够保证αSi矩形槽侧壁倾角达到86～88°；且通过氢退火和热氧化工艺能够降低BOX形波导侧壁表面粗糙度，最可以大幅度改善氮化硅波导光滑程度，从而降低侧壁散射损耗；通过根据生长的αSi材料层厚度确定αSi矩形槽的深度，降低了同种介质层内采用RIE刻蚀技术控制沟槽深度的难度；通过直接热氧化的材料组分和紧密度较传统方法生长的SiO₂材料更加完善，有利于降低波导侧面包裹层吸收损耗；本发明通过αSi矩形槽制备BOX波导仅需两次氮化硅材料的生长和两次光刻蚀，减少了工艺环节，节约了生产成本。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

本实施例提出一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法，包括以下步骤：

步骤一：在硅基衬底上采用热氧化工艺形成2.5μm的SiO₂包裹层，热氧化温度控制为1100℃，热氧化温度时间为38min，然后利用低温等离子体增强化学的气相沉积法在硅基衬底上生长400nm的αSi材料层；

步骤二：先在αSi材料层上形成出4μm的光刻蚀胶，然后采用光刻蚀法在αSi材料层上形成与BOX形波导尺寸一致的αSi矩形槽，αSi矩形槽的刻蚀宽度比控制为比设计尺寸大0.75倍，αSi矩形槽的刻蚀高度比控制为比设计尺寸小0.75倍；

步骤三：采用去氢退火和热氧化工艺对αSi材料层上BOX形波导侧壁表面进行粗糙度处理，去氢退火具体过程为：将αSi材料层上BOX形波导在580℃进行保温1.2小时，然后随炉冷却至常温；

步骤四：再次通过热氧化工艺将αSi材料层上αSi矩形槽氧化成二氧化硅，热氧化工艺温度为1120℃，热氧化时间为42min；

步骤五：分别生长Si₃N₄层和SiO₂层将刻蚀的αSi矩形槽填充，再依次通过化学机械平坦化艺将BOX形波导上多余的Si₃N₄和SiO₂材料磨掉；

步骤六：再次生长Si₃N₄层，然后利用光刻蚀法去除BOX形波导外多余的氮化硅材料；

步骤七：利用低压力化学气相沉积法生长5μm的波导包裹SiO₂层，得到侧壁光滑垂直的氮化硅BOX形波导。

实施例二

本实施例提出一种αSi氧化BOX形的氮化硅波导制造方法，包括以下步骤：

步骤一：在硅基衬底上采用热氧化工艺形成2.5μm的SiO₂包裹层，热氧化温度控制为1100℃，热氧化温度时间为38min，然后利用低温等离子体增强化学的气相沉积法在硅基衬底上生长400nm的αSi材料层；

步骤二：先在αSi材料层上形成出4μm的光刻蚀胶，然后采用离子束刻蚀法在αSi材料层上形成与BOX形波导尺寸一致的αSi矩形槽，αSi矩形槽的刻蚀宽度比控制为比设计尺寸大0.75倍，αSi矩形槽的刻蚀高度比控制为比设计尺寸小0.75倍；

步骤三：采用去氢退火和热氧化工艺对αSi材料层上BOX形波导侧壁表面进行粗糙度处理，去氢退火具体过程为：将αSi材料层上BOX形波导在580℃进行保温1.2小时，然后随炉冷却至常温；

步骤四：再次通过热氧化工艺将αSi材料层上αSi矩形槽氧化成二氧化硅，热氧化工艺温度为1120℃，热氧化时间为42min；

步骤五：分别生长Si₃N₄层和SiO₂层将刻蚀的αSi矩形槽填充，再依次通过化学机械平坦化艺将BOX形波导上多余的Si₃N₄和SiO₂材料磨掉；

步骤六：再次生长Si₃N₄层，然后利用离子束刻蚀法去除BOX形波导外多余的氮化硅材料；

步骤七：利用低压力化学气相沉积法生长5μm的波导包裹SiO₂层，得到侧壁光滑垂直的氮化硅BOX形波导。

本发明方法采用光刻蚀或离子束刻蚀αSi材料层形成αSi矩形槽，能够解决传统工艺直接刻蚀介质材料导致SiO₂垂直度不高的问题，本发明方法能够保证αSi矩形槽侧壁倾角达到86～88°；且通过氢退火和热氧化工艺能够降低BOX形波导侧壁表面粗糙度，最可以大幅度改善氮化硅波导光滑程度，从而降低侧壁散射损耗；通过根据生长的αSi材料层厚度确定αSi矩形槽的深度，降低了同种介质层内采用RIE刻蚀技术控制沟槽深度的难度；通过直接热氧化的材料组分和紧密度较传统方法生长的SiO₂材料更加完善，有利于降低波导侧面包裹层吸收损耗；本发明通过αSi矩形槽制备BOX波导仅需两次氮化硅材料的生长和两次光刻蚀，减少了工艺环节，节约了生产成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。