懸浮波導SiO2薄膜的應力和折射率控制

引言

懸浮二氧化硅結構對于許多光學和光子集成電路(PIC)應用是重要的，例如寬光譜頻率梳，低傳播損耗波導，以及紫外-可見光濾光器等。除了這些應用，懸浮波導還可以應用于紫外吸收光譜和一類新興的基于氮化鎵(GaN)納米線的光子器件，這些器件可以受益于紫外透明波導，包括近場掃描光學顯微鏡、垂直腔激光器和直寫光刻技術。

英思特研究了在N2O/SiH4氣體不同比例下，N2O和SiH4氣體流量對電感耦合等離子體化學氣相沉積法(ICPCVD)沉積的二氧化硅薄膜的殘余應力和折射率的影響。為了獲得清晰的理解，我們還通過制造二氧化硅橋來展示對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構的器件的工藝開發(fā)。

實驗與討論

我們在恒定溫度、壓力、沉積時間和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，首先用反射計測量膜厚度和折射率，并用光譜橢偏儀驗證測量值，以精確擬合厚度和折射率。

在進行膜的應力測量之后，使用與上述相同的參數(shù)在硅(Si)、鍺(Ge)和藍寶石(Al2O3)襯底上制造懸置的SiO2橋，將裸晶片切成10毫米見方的樣品。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。對于堆疊的層，每個附加的橋需要重復前面的步驟，并且將掩模對準器用于橋的對準。樣品橫向于圖案線劈開。犧牲性光致抗蝕劑支架通過在110℃的壓板溫度下暴露于O2、CO2和N2O氣體30分鐘來移除。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力到壓縮應力的轉變。沉積速率隨著流速的增加而增加，這可以通過更多的試劑到達襯底表面和沉積不受反應限制來解釋，由于沉積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力。

英思特研究了內(nèi)在應力如何影響懸二氧化硅橋(以下簡稱“橋”)的制作，并通過觀察制作的橋的應力松弛和變形來驗證應力測量。由于1:3和1:9氣體比例之間的內(nèi)在應力沒有顯著差異，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：對不同橋架長度的懸浮結構進行了掃描電鏡成像

由于殘余應力引起的應力松弛可以通過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力松弛，而減小的間隙高度表示拉伸膜中的應力松弛。

圖2：橋的中心到基底的間隙高度

結論

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)點是在不同襯底或溫度敏感材料上制造懸浮SiO2結構的靈活性。未來我們的研究重點可能包括制造簡單的光子結構，如分布式布拉格反射器或波導，用于光學表征，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行比較。

審核編輯 黃宇