紫外激光写入制备高折射率差二氧化硅波导的方法

摘要

一种通过紫外写入制备高折射率差二氧化硅波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在硅或二氧化硅衬底上依次生长二氧化硅下包层、波导层和上包层形成基片；(2)对上述基片进行载氢；(3)对整个基片用紫外激光进行均匀曝光，使整个波导层的折射率均匀升高；(4)制作掩膜，即将掩膜的非波导区域镂空；(5)掩膜将欲形成波导区域遮挡，用紫外激光对基片进行第二次曝光，使掩膜未遮挡区域的波导层折射率较未曝光时还低；(6)退火，稳定折射率变化，则形成了高折射率差的二氧化硅波导。

说明书

技术领域

本发明用于制作二氧化硅光波导器件，特别涉及通过紫外激光写入的方法实现了高折射率差波导及波导器件。

背景技术

目前二氧化硅波导通常是采用刻蚀的方法制备的，这种工艺要经过下包层的生长，波导层生长，掩膜板制作，光刻，显影，刻蚀，上包层生长等一系列的工序，不仅工艺复杂，生产成本高，而且需要十分昂贵的设备，不利于工业化生产。自从K.O.Hill发现紫外激光曝光能使掺锗的二氧化硅材料折射率改变，便产生了一种新的二氧化硅波导制作方法——紫外写入法。紫外写入法有两种方式：一是通过对欲形成波导的区域进行紫外激光曝光，使该区域的折射率上升，形成导光结构；另一种方法是对欲形成波导区以外的区域进行高能量密度和高累积能量的曝光，使曝光区域的折射率下降，也形成了导光结构。但是目前这两种方式所能实现的折射率变化都为10^-4～10^-3量级，这就限制了该方法不能制备高折射率差波导。

发明内容

本发明的目的是提供一种紫外激光写入制备高折射率差波导和波导器件的方法，根据掺杂光敏剂的二氧化硅会因为紫外激光曝光能量密度和累积能量不同而产生正的或负的折射率变化，通过控制波导芯和周围区域的曝光条件，实现波导芯的折射率变化为正，其他区域的折射率变化为负，实现了一种高折射率差的波导或波导器件。

本发明通过以下步骤来实现：

本发明一种通过紫外写入制备高折射率差二氧化硅波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在硅或二氧化硅衬底上依次生长二氧化硅下包层、波导层和上包层；

(2)对上述基片进行载氢；

(3)用紫外激光对整个基片进行均匀曝光，使整个波导层的折射率均匀升高；

(4)制作掩膜，即将掩膜的非波导区域镂空；

(5)掩膜将欲形成波导区域遮挡，对基片进行第二次紫外激光曝光，使掩膜未遮挡区域的波导层折射率较未曝光时还低；

(6)退火，稳定折射率变化，则形成了高折射率差的二氧化硅波导。

其中下包层、波导层和上包层的形成方法是火焰水解法或等离子气相沉积法或热氧化法或阳极氧化法或以上方法的组合。

其中上包层、波导层和下包层均为掺杂或未掺杂的二氧化硅玻璃，其中波导层掺杂了适量的光敏剂锗或锡和折射率降低剂硼或氟，下包层是纯的二氧化硅玻璃或是掺杂了折射率降低剂硼或氟的二氧化硅玻璃，上包层的掺杂剂为硼或氟或磷或其组合。

其中载氢的方法包括以下三种：

1)将基片放入一定压力和温度的充满氢气的容器中保持一段时间、或2)在氢气气氛下对基片加热、或3)用氢气火焰均匀扫描基片。

其中紫外激光的波长范围为100-400nm。

其中第二次曝光的激光能量密度不低于第一次曝光。

其中第一次曝光使整个波导层的折射率升高，第二次曝光使曝光区的折射率小于未曝光时的折射率。

其中掩膜为紫外不能透过的金属或介质薄膜或薄片，该薄膜或薄片可以直接在基片上形成，或是独立的元件，在掩膜上形成波导图形，波导图形外的区域被刻蚀掉，曝光时使掩膜紧贴在基片的上包层，使波导层中欲形成波导的区域不被二次曝光。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是生长下包层、波导层和上包层形成三层波导结构图；

图2是对整个基片进行载氢；

图3是对整个基片进行均匀紫外激光曝光；

图4是覆盖掩膜后对基片进行第二次曝光；

图5是掩膜版示意图。

具体实施方式

请参阅附图1-5，本发明一种通过紫外写入制备高折射率差二氧化硅波导的方法，包括如下步骤：

(1)在硅或二氧化硅衬底4上依次生长二氧化硅下包层3、波导层2和上包层1；其中下包层3、波导层2和上包层1的形成方法是火焰水解法或等离子气相沉积法或热氧化法或阳极氧化法或以上方法的组合，该上包层1、波导层2和下包层3均为掺杂或未掺杂的二氧化硅玻璃，其中波导层2掺杂了适量的光敏剂锗或锡和折射率降低剂硼或氟，下包层3是纯的二氧化硅玻璃或是掺杂了折射率降低剂硼或氟的二氧化硅玻璃，上包层1的掺杂剂为硼或氟或磷或其组合；

(2)对上述基片进行载氢5，该载氢的方法包括以下三种：1)将基片放入一定压力和温度的充满氢气的容器中保持一段时间、或2)在氢气气氛下对基片加热、或3)用氢气火焰均匀扫描基片；

(3)对整个基片进行紫外激光6均匀曝光，使整个波导层的折射率均匀升高，该紫外激光6的波长范围为100-400nm；

(4)制作掩膜8，即将掩膜8的非波导区域镂空，该掩膜8为紫外不能透过的金属或介质薄膜或薄片，该薄膜或薄片可以直接在基片上形成，或是独立的元件，在掩膜上形成波导图形，波导图形外的区域被刻蚀掉，曝光时使掩膜8紧贴在基片的上包层1，使波导层2中欲形成波导的区域不被二次曝光；

(5)掩膜8将欲形成波导区域遮挡，对基片进行第二次紫外激光6曝光，使掩膜8未遮挡区域的波导层折射率较未曝光时还低，第二次曝光的激光能量密度不低于第一次曝光是的激光能量密度；其中第一次曝光使整个波导层的折射率升高，第二次曝光使曝光区的折射率小于未曝光时的折射率；

(6)退火，稳定折射率变化，则形成了高折射率差的二氧化硅波导。

实施例1

请参阅图1—图5。

首先通过火焰水解法在硅衬底上依次生长下包层3，波导层2和上包层1，他们的厚度分别为15μm，6μm，15μm，其中波导层2掺杂了8mol.％的锗(Ge)和适量的B。然后将该基片放入充满氢气5的高压容器，压力为12MPa，室温下放置两周。用紫外激光6对载氢后的基片进行均匀曝光，曝光条件为：波长248nm，脉冲频率20Hz，能量密度100mj/cm²/脉冲，曝光时间30分钟。用薄硅片进行深刻蚀，将波导外区域9镂空，形成掩膜8，并将该掩膜8紧贴在第一次曝光后的基片上包层上，对整个基片进行第二次曝光，形成高折射率差波导7。曝光条件为波长248nm，能量密度300mj/cm²/脉冲，脉冲频率20Hz，曝光时间为150分钟。最后去掉掩膜8后将基片放入80℃的环境中，放置24小时。

实施例2

请参阅图1—图5。

首先通过等离子增强化学气相沉积法在硅衬底上依次生长下包层3，波导层2和上包层1，他们的厚度分别为15μm，6μm，15μm，其中波导层掺杂了12mol.％的Ge和适量的F。然后将该基片在氢气气氛5下，600℃保温72小时，进行载氢。用紫外激光6对载氢后的基片进行均匀曝光，曝光条件为：波长244nm，脉冲频率20Hz，能量密度100mj/cm²/脉冲，曝光时间30分钟。在第一次曝光后的基片上镀一层铝，然后将该薄膜进行光刻，刻蚀(将非波导区薄膜9腐蚀掉)，形成掩膜8。然后对整个基片进行第二次曝光，形成高折射率差波导7。曝光条件为波长193nm，能量密度300mj/cm²/脉冲，脉冲频率20Hz，曝光时间为30分钟。最后去掉掩膜后将基片放入80℃的环境中，放置24小时。

实施例3

请参阅图1—图5。首先通过等离子增强化学气相沉积法在二氧化硅衬底上依次生长下包层3，波导层2，他们的厚度分别为15μm，8μm，其中波导层2掺杂了8mol.％的Ge和适量的B。波导的上包层1为空气。然后将该基片用氢火焰5均匀扫描20分钟进行载氢。用紫外激光6对载氢后的基片进行均匀曝光，曝光条件为：波长193nm，脉冲频率20Hz，能量密度100mj/cm²/脉冲，曝光时间30分钟。在第一次曝光后的基片上生长一层多晶硅薄膜，然后将该薄膜进行光刻，刻蚀(将非波导区薄膜9腐蚀掉)，形成掩膜8。然后对整个基片进行第二次曝光，形成高折射率差波导7。曝光条件为波长193nm，能量密度300mj/cm²/脉冲，脉冲频率20Hz，曝光时间为40分钟。最后去掉掩膜后将基片放入120℃的环境中，放置24小时。