懸浮波導(dǎo)SiO2薄膜的應(yīng)力和折射率控制

引言

懸浮二氧化硅結(jié)構(gòu)對(duì)于許多光學(xué)和光子集成電路(PIC)應(yīng)用是重要的，例如寬光譜頻率梳，低傳播損耗波導(dǎo)，以及紫外-可見(jiàn)光濾光器等。除了這些應(yīng)用，懸浮波導(dǎo)還可以應(yīng)用于紫外吸收光譜和一類(lèi)新興的基于氮化鎵(GaN)納米線(xiàn)的光子器件，這些器件可以受益于紫外透明波導(dǎo)，包括近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡、垂直腔激光器和直寫(xiě)光刻技術(shù)。

英思特研究了在N2O/SiH4氣體不同比例下，N2O和SiH4氣體流量對(duì)電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積法(ICPCVD)沉積的二氧化硅薄膜的殘余應(yīng)力和折射率的影響。為了獲得清晰的理解，我們還通過(guò)制造二氧化硅橋來(lái)展示對(duì)這些材料特性的控制，并討論它可能如何改善需要懸浮二氧化硅結(jié)構(gòu)的器件的工藝開(kāi)發(fā)。

實(shí)驗(yàn)與討論

我們?cè)诤愣囟?、壓力、沉積時(shí)間和RF功率分別為100℃、10毫托、500秒和100瓦的條件下，在2英寸Si <100 >晶片上沉積SiO2。沉積后，首先用反射計(jì)測(cè)量膜厚度和折射率，并用光譜橢偏儀驗(yàn)證測(cè)量值，以精確擬合厚度和折射率。

在進(jìn)行膜的應(yīng)力測(cè)量之后，使用與上述相同的參數(shù)在硅(Si)、鍺(Ge)和藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上制造懸置的SiO2橋，將裸晶片切成10毫米見(jiàn)方的樣品。用丙酮和異丙醇清洗晶片，然后在180℃脫水5分鐘。

在10-50米范圍內(nèi)，以5米為增量。將樣品顯影、沖洗并用N2吹干，然后在110℃的加熱板上后烘90秒，并使用ICPCVD沉積條件在圖案化的樣品上沉積750nm厚的SiO2膜。對(duì)于堆疊的層，每個(gè)附加的橋需要重復(fù)前面的步驟，并且將掩模對(duì)準(zhǔn)器用于橋的對(duì)準(zhǔn)。樣品橫向于圖案線(xiàn)劈開(kāi)。犧牲性光致抗蝕劑支架通過(guò)在110℃的壓板溫度下暴露于O2、CO2和N2O氣體30分鐘來(lái)移除。然后將樣品濺射涂覆在Au中，并在儀器上成像。

隨著沉積氣體流速的增加，英思特觀察到從拉伸應(yīng)力到壓縮應(yīng)力的轉(zhuǎn)變。沉積速率隨著流速的增加而增加，這可以通過(guò)更多的試劑到達(dá)襯底表面和沉積不受反應(yīng)限制來(lái)解釋?zhuān)捎诔练e溫度在所有樣品中保持不變，因此可以消除由熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配引起的殘余應(yīng)力。

英思特研究了內(nèi)在應(yīng)力如何影響懸二氧化硅橋(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“橋”)的制作，并通過(guò)觀察制作的橋的應(yīng)力松弛和變形來(lái)驗(yàn)證應(yīng)力測(cè)量。由于1:3和1:9氣體比例之間的內(nèi)在應(yīng)力沒(méi)有顯著差異，因此只有1:3氣體比例用于橋梁制造。10米、30米和50米寬的橋的例子如圖1所示。

圖1：對(duì)不同橋架長(zhǎng)度的懸浮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電鏡成像

由于殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力松弛可以通過(guò)比較光致抗蝕劑去除后犧牲光致抗蝕劑的高度和橋的高度來(lái)定性觀察。犧牲光致抗蝕劑高度為362納米。如圖2所示，在去除光致抗蝕劑之后，觀察到的增加的間隙高度表示壓縮膜中的應(yīng)力松弛，而減小的間隙高度表示拉伸膜中的應(yīng)力松弛。

圖2：橋的中心到基底的間隙高度

結(jié)論

英思特發(fā)現(xiàn)氣體流速是產(chǎn)生可調(diào)參數(shù)的主要變量，該可調(diào)參數(shù)允許沉積壓縮和拉伸SiO2膜，而不會(huì)顯著影響膜的折射率。為了獲得高拉伸薄膜，沉積速率將非常慢。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在不同襯底或溫度敏感材料上制造懸浮SiO2結(jié)構(gòu)的靈活性。未來(lái)我們的研究重點(diǎn)可能包括制造簡(jiǎn)單的光子結(jié)構(gòu)，如分布式布拉格反射器或波導(dǎo)，用于光學(xué)表征，與用于在完整PIC中連接UV發(fā)射器和光電二極管的分析模型進(jìn)行比較。

審核編輯 黃宇