SOI納米波導的優化制備與彎曲損耗測試*

臧俊斌，薛晨陽，韋麗萍，王景雪，崔丹鳳，王永華，仝曉剛

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

隨著集成光學的迅猛發展，基于硅基光網絡傳輸的微電子芯片突破了傳統微處理器內部互聯中帶寬和能量的限制，成為未來光通信和光計算的主要發展方向。光波導作為集成光學的主要部件，在與激光器、調制器、放大器等光電器件［1－2］的光互聯和光傳輸中起著至關重要的作用。由于光電子芯片發展的微型化和集成化促使光波導器件也必須朝著高集成度、微小型化的方向發展，所以實現光波導器件中的彎曲是必須的。波導的彎曲勢必會產生彎曲損耗，如何實現并制備出超低彎曲損耗的納米波導結構，成為人們廣泛研究的熱點。

高品質的硅基 SOI(Silicon-on-insulator)材料，由于其高的折射率差、通信波段的透明傳輸以及制作工藝與CMOS工藝完全兼容等優點成為研制納米光波導的首選。但目前采用SOI材料直接刻蝕制備得到的波導結構其側壁非常粗糙以至于損耗特別嚴重［3－5］，所以國外針對這一問題提出了采用H2退火處理來降低波導的側壁粗糙度［6］。而國內由于工藝水平受限，只能試探性采用可替代的處理工藝來完成。因此，本文主要闡述了SOI納米光波導的設計與制備，并結合國內MEMS工藝的可行性對納米光波導的表面優化處理進行了研究，最后采用透射譜法對制備出的波導進行彎曲損耗測試。測試結果表明，優化處理后的環形波導的彎曲損耗提高了2倍。

1 光波導的設計與制備

1.1 光波導結構設計

為實現光波導超低損耗的光能量傳輸，必須要保證波導傳輸的單模性和高光場局域性［7－8］。因此需要對波導的整體結構進行理論分析，設計出最優的波導結構。本文采用Optiwave-FDTD和Rsoft對SOI硅基納米光波導結構的單模性和高光場局域性進行了理論仿真分析。

當輸入光波長為1.55 μm時，波導厚度為0.03 μm、0.15 μm、0.22 μm、0.27 μm 和0.273 μm 的 TE模態光場分布圖如圖1所示。由仿真結果可以看出，當波導層厚度小于0.03μm時，光場局域性很弱，光能量幾乎全部外泄；當波導層厚度大于0.273 μm時，光場會出現0階和1階的雙模態性，致使波導不再是單模態傳輸；當波導層厚度處于0.03 μm到0.273 μm時，波導為單模傳輸。但由于工藝條件的限制，幾十納米厚度的光波導結構很難在制備中得到控制；再結合波導模有效折射率的變化關系圖(如圖 2 所示)，波導厚度在 0.2 μm ～ 0.23 μm時，有效模折射率達到最大敏感值，因此我們選定波導層的厚度為 0.22 μm。

圖1 不同波導層厚度對應的光場分布圖

圖2 有效模折射率隨波導層厚度變化關系圖

采用FDTD仿真分析得到了波導單模態傳輸特性下的最佳波導層厚度。圖3為波導層厚度為0.22 μm、入射波長為 1.55 μm 時，采用 Rsoft仿真分析得到的TE模態下不同波導寬度對應的高光場局域能力圖。由圖可以清晰看出當波導寬度為0.45 μm時，中心紅色區域最亮、最集中，及光場的局域性最好?；谝陨戏抡娣治鼋Y果，確定了SOI硅基光波導的結構如圖4所示(波導厚度h=0.22 μm，寬度d=0.45 μm)。

圖3 不同波導寬度對應的波導截面局光強度分布圖

圖4 SOI硅基光波導結構截面圖

1.2 光波導制備

本文主要采用電子束光刻(Electron Beam Lithography)、ICP刻蝕、高溫退火、BOE濕法腐蝕等工藝對圖4所示的光波導結構進行制備加工與優化［9－10］，其整個制備過程示于圖 5。

圖5 光波導的制備和后處理流程

制備中采用的電子束光刻機為直寫式JBX5500ZA，其制作的線條精度低于10nm；所用的ICP深硅刻蝕機為STS HRM，ICP刻蝕技術由于結合了化學、物理刻蝕方法的優點，不但可以獲得好的刻蝕方向性和選擇性，而且其刻蝕速度也得到了很大提高，使得最終制備的波導陡直度將達(89±1)°。此外，我們還進行了后期的表面結構優化處理，主要步驟為300℃到1 200℃熱氧化退火、BOE濕法腐蝕以及1 000℃高溫N2退火等。其中圖6所示為885℃熱氧化退火、BOE濕法腐蝕和1 000℃高溫N2退火后的SEM圖。

圖6 處理后的環形波導SEM圖(插圖為側壁SEM)

2 實驗測試分析

基于§1.2中制備的納米波導結構，采用Dimension3100原子力顯微鏡對波導的表面粗糙度進行測試，其垂直方向的最小測試范圍小于0.05 nm。此外，由于透射譜測試法適用于納米級尺寸光波導的損耗測試，且對環形波導諧振腔的測試誤差較小［11］，所以本文擬采用透射譜測試法對光波導的彎曲損耗進行測試。

考慮到實際中對波導側壁粗糙度進行測試的可行性，制備中采用未完全刻蝕的等效方法，用200 nm刻蝕深處的表面粗糙度來近視估測側壁的粗糙度。Dimension3100的AFM測試結果如圖7所示，由圖可以看出波導的側壁陡直度達89°(與理論值基本一致)。同理，由AFM測試得到了在不同熱氧化退火溫度下，經過BOE腐蝕和高溫N2退火處理后對應的表面粗糙度實驗值Ra，由Ra擬合得到的對應曲線示于圖8。

圖7 納米波導結構的AFM測試圖

圖8 BOE腐蝕和高溫N2退火后處理相同時Ra隨熱氧化退火溫度變化曲線圖

由圖8可見，隨著熱氧化退火溫度的增大，光波導的側壁粗糙度Ra值在600℃以內基本保持不變，超過600℃后Ra值會先減小后又急劇增大，當退火溫度處于900℃左右時Ra值達到最小。這是因為當溫度低于600℃以下時，光波導表面未被氧化為SiO2，以至于后續的BOE腐蝕以及高溫N2退火對其基本沒有影響；而當溫度處于600℃到900℃之間時，表面部分被氧化了，再加上BOE腐蝕和高溫N2退火后最大化了表面晶粒尺寸使得表面粗糙度得以降低；但是當退火超過1 000℃后，由于波導基本被完全氧化為SiO2，致使波導發生形變以至于表面粗糙度又急劇增大。

由此，結合我們實際的波導結構和AFM的測試結果，采用透射功率法對彎曲損耗進行精確測定。其彎曲損耗計算可由下式得出:

上式中，是環形波導每周的功率損耗百分比，δλd是透射譜線的半高寬，rt是諧振峰對應的最低功率值，FSR是自由頻譜寬度，以上各參量都可以在諧振透射譜線中得出。其中圖9所示為未經過任何優化后處理的半徑為15 μm環形波導通過示波器測試得到的透射功率圖；圖10為對應于圖6環形波導的透射功率圖(半徑也為15 μm)。

圖9 未優化處理得到的半徑為15 μm的透射功率圖

圖10 對應圖6優化處理后得到的半徑為15 μm功率透射圖

由圖9和圖10測試得到的環形波導透射功率譜可得到各自的 δλd、rt、FSR 值，再根據式(2)得到其對應的為 7.32×10－3和 2.502×10－3，代入式(1)即可得到半徑為15 μm的環形波導優化處理前后的彎曲損耗 αbend分別為(0.032±0.001)dB/turn和(0.0109±0.001)dB/turn。進一步根據 Miller和Marcatili給出的解析式［12］:

圖11 彎曲損耗隨彎曲半徑變化關系圖

由圖11可見，環形波導的彎曲半徑越大，則波導彎曲損耗越??；且當彎曲半徑小于9 μm的情況下，彎曲損耗受彎曲半徑的影響非常顯著，將隨著彎曲半徑的增加而以指數形式迅速減小。當彎曲半徑大于9 μm時，不同寬度環形波導的彎曲半徑對彎曲損耗的影響不大，同理也驗證了我們以上測試得到的半徑為15 μm的環形波導彎曲損耗的合理性，同時也更進一步說明優化處理后的彎曲損耗更接近理論值。

3 結論

本文依據Optiwave-FDTD和Rsoft對納米光波導的單模態性與高光場局域性的仿真分析結果，采用電子束光刻(Electron Beam Lithography)與ICP刻蝕制備得到了納米光波導結構。進一步采用不同的后處理工藝對制備出的波導結構進行了優化后處理。又使用高精度原子粒顯微鏡對優化處理后的納米波導結構進行表面粗糙度測試，并給出了表面粗糙度隨熱氧化退火溫度變化的擬合曲線。在此基礎上采用透射譜測試法對未優化處理的納米波導結構和最小Ra值的納米波導結構分別進行了彎曲損耗測試。結果表明:在BOE腐蝕和高溫N2退火不變的情況下，隨熱氧化退火溫度的增大，表面粗糙度Ra值呈先下降后又急劇增大的趨勢；而且，在900℃附近時Ra值達到最小。此外，通過比較兩組彎曲損耗的測試結果可知，半徑為15 μm的納米環形光波導經過885℃高溫氧化退火、BOE腐蝕以及1 000℃高溫N2退火后的彎曲損耗降低到(0.0109±0.001)dB/turn，其實驗結果與理論值相一致。

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