集成光波导制造技术.doc

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1、集成光波导制造技术光子学与光通信研究室：蔡力杰朱露朱洁俞斌引言集成光波导的制备有两个基本的条件：1:波导层与周围介质层有一定的折射率差；2：波导层对所要传输的光透明。为了获得满足特定折射率差的光波导,可以使用不同的半导体制造工艺方法，每一种方法都有其各自的优缺点。所以在进行方法的选择吋，需要根据设计的H标和现有的设备条件进行合理选择。本章将介绍制造集成光波导常用的工艺方法。冃录4」4.24.34.44.54.64.7薄膜淀积替位式掺杂降低载流子浓度形成波导外延生长电光波导氧化沟道波导的制造方法4.1

2、薄膜淀积在分离器件和集成电路制造中使用到不同种类的薄膜。可以把它们分为以下五类：1：2：3：4：5：热氧化膜电介质膜外延膜多晶态硅膜金属膜4.1薄膜淀积溅射：离子源被加速后撞击靶面，溅射出的材料淀积在对着靶的衬底上。气体入口电源靶圆片衬底真空泵4.1薄膜淀积被加速的离子可以由以下两种方法产生：1：2：对气体施加高电压产生等离子体（对应于课本图4.1）利用离子枪产生离子束（对应于课本图4.2）溅射产额影响因素：1：2：3：4：入射能量离子密度溅射材料入射角度4.1薄膜淀积利用溶液实现薄膜淀积：衬底材料

3、与溶液发生化学反应，从而在衬底上生成电介质膜优点：成本低，设备简单缺点：薄膜纯度不高，均匀性不好冃录4」4.24.34.44.54.64.7薄膜淀积替位式掺杂降低载流子浓度形成波导外延生长电光波导氧化沟道波导的制造方法替位式4.2替位式掺杂掺杂：把可以控制数量的杂质导入到特定的材料中。掺杂填隙式掺杂离子交换3：4.2替位式掺杂本章主耍介绍了三种掺杂的方法：1：扩散2：离子注入4.2替位式掺杂进行杂质扩散的典型做法是把半导体晶片放置在能够被精确控制的高温石英管炉内，并通以含有待扩散杂质的混合气体。4.

4、2替位式掺杂Fick'slaw(菲克扩散方程)：？C(x,t)?C(x,t)二D2?x?t2C:杂质浓度D:扩散系数x:距离衬底表面的垂直距离(在此只考虑一维情况，认为杂质在y、z方向上均匀分布)t:时间4.2替位式掺杂杂质原子的扩散分布与初始条件和边界条件有关。一般來说主耍有两种主要的扩散方法：恒定表面浓度扩散方法和恒定杂质总量扩散方法。它们分别满足以下的关系式：恒定表面扩散浓度：C(0,t)=CSC(oc,t)=occx=o恒定杂质总量：JC(x,t)dx=SC(oc,t)=04.2替位式掺杂由

5、于这两种扩散情况的初始条件和边界条件不一样，所以最后的杂质浓度分布曲线不一样。满足恒定表面浓度条件的菲克扩散方程的解为：xC(x,t)=CSxerfc()2Dt(注：erfc为余弦误差函数)满足恒定总杂质量条件的菲克扩散方程的解为：Sx2C(x,t)=exp(?)4DtitDt(注：这个表达式为高斯分布)4.2替位式掺杂利用离子交换进行掺杂的方法：SiO2衬底中掺杂了Na,将衬底加热到30()度，Na离子在电场的作用下向阴极移动。衬底的表面浸渍在熔融的硝酸铠中，部分Na离子会与T1离子发生交换，从而

6、使衬底的上表层折射率变高。熔融硝酸钳T1NaSiO2:Na4.2替位式掺杂离子注入是把具有一定能量的带电离子掺入到衬底材料中。注入的离子能量在20-300keVZ间，使得离子分布的平均深度在l()nm到l()um的范围内。带电离子与衬底中的原子核和电子进行一系列碰撞损失能量，最后停留在衬底内的一定深度处。调节加速能量可以控制平均深度。离子注入的主要优势在丁•杂质掺入量可以精确地控制并且重复性好，以及加工温度比扩散低。4.2替位式掺杂离子注入机原理图：设备包括：1.离子源2.质量分析器3.加速器4.扫

7、描装置5.靶室6.其它（气体供应设备，真空系统，晶片装卸系统，冷却和温度控制等）4.2替位式掺杂注入损伤：当高能量的离子注入到衬底材料中，与衬底原子发生碰撞，会使晶体原子发生移位造成晶格损伤下图分别为轻离子注入与重离子注入造成晶格损伤的示意图。靶靶轻离子注入重离子注入4.2替位式掺杂退火：由于注入离子形成损伤区和无序簇，而且大部分注入的离子不是以替位形式处在原有原子位置上，所以必须在适当的温度和时间下对半导体进行退火。退火可以消除晶格损伤，并且使注入的离子形成替位式掺杂。退火主要分为两种：常规热退火

8、和快速热退火4.2替位式掺杂常规热退火与快速热退火技术比较常规热退火加工形式炉况加热速率循环周期温度检测热预计量尘埃问题均匀性和重复性生产效率分批式热壁低长炉高存在高高快速热退火单片式冷壁高短晶片低最小化低低4.2替位式掺杂离子注入VS扩散离子注入温度浓度深度控制重复性范围控制横向扩散杂质纯度晶格损伤制造费用低温精确好大小高大极高高温较精确较好小大低小低扩散冃录4」4.24.34.44.54.64.7薄膜淀积替位式掺杂降低载流子浓度形成波导外延生长电光波导氧化沟道波导