基于鈦酸鋇晶體薄膜的氮化硅脊形波導

孫翔宇　孫德貴

摘要：本文通過Opti-BPM軟件設(shè)計了一種新型的脊形光波導器件，并分析了不同寬度、厚度及底模的厚度對這種光波導器件輸出功率的影響，加工成實驗樣片，進行在光學耦合平臺上測試，將兩種結(jié)果相對比。先在BaTiO3薄膜上沉積Si3N4薄膜，刻蝕出Si3N4脊，形成基于鈦酸鋇晶體薄膜的氮化硅脊形波導。

關(guān)鍵詞：Si3N4薄膜 光波導 等離子體刻蝕

隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，光通信領(lǐng)域?qū)π畔⒋鎯α亢蛡鬏斔俣鹊囊笤絹碓礁?，對新型集成光通信器件的研究與開發(fā)成為亟待解決的問題之一。為了適應(yīng)光信息技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展需求，集成光學技術(shù)漸漸發(fā)展起來，逐步走向微小型化和集成化。

由于光波導技術(shù)能達到智能光電器件的要求，目前人們越來越重視研究各類型的光波導器件，研究方向是把各類型的電光調(diào)制器、光交換器件、光波導器件等有源和無源器件與控制電路建立在一個半導體上，令它具有光路連接耦合和控制光電子器件等多種器件功能，還能實現(xiàn)聲光、電光、磁光、光電等物理效應(yīng)。與之前的分立元件相比，目前的光波導器件由于逐漸向高折射率差、亞微米級、高調(diào)制效率和速度以及高兼容性等方向發(fā)展，所以具有集成度高、功耗較低、可應(yīng)用性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以達到高效能的通信功能。

一、基于鈦酸鋇薄膜的氮化硅脊形波導結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計的是對稱的脊形波導結(jié)構(gòu)。在脊形波導層沉積一層SiO2薄膜，厚度為1μm， 在波長為1550nm下，MgO、BaTiO3、Si3N4和SiO2的折射率分別為1.7、2.29、2和1.45。

波導的結(jié)構(gòu)影響著波導的光傳輸損耗的，影響光傳輸損耗的幾個因素為波導層的厚度、脊形波導的脊寬和脊高等，本文分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下波導的平均損耗率的大小，選擇光學損耗小的波導結(jié)構(gòu)，對比分析時，找到有效折射率的唯一值，確保光波導可以實現(xiàn)單模的輸出。

（一） BaTiO3-Si3N4脊形波導的模擬

利用Opti-BPM軟件對波導結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，選定Si3N4脊高H1為0.2μm，Si3N4脊寬Wr分別為3μm和4μm，改變BaTiO3薄膜厚度H2。在TE模式下對比分析幾個不同波導結(jié)構(gòu)的平均損耗率和有效折射率的大小。

從表1中可以看出，當Si3N4脊寬3μm，H2厚度為450nm時，平均損耗率值為最小，其增厚平均損耗率逐漸增大，但變化值比較小，當其厚度減小時，平均損耗率增加量很大；當Si3N4脊寬為4μm時，與3μm時平均損耗的變化規(guī)律相同。

表2所表示的是Si3N4脊高為0.2μm時，BaTiO3的厚度從350nm-550nm有效折射率值，隨著BaTiO3厚度的增大，有效折射率也增大，在平均損耗率最小時，有效折射率也在2.0以上，所以，選擇了BaTiO3為450nm厚度。保持BaTiO3的厚度不變，改變Si3N4脊寬和脊高，對不同的波導結(jié)構(gòu)的二維光場分布、平均損耗率和有效折射率進行分析。

（二）掩膜板的設(shè)計

在BaTiO3薄膜樣片上分別設(shè)計波導寬度為2.0、3.0、4.0、5.0μm八個寬度值的Si3N4波導條，分上下兩組，為了避免光信號之間的串擾，波導中心間隔為127μm。

二、氮化硅薄膜的沉積

Si3N4薄膜的制備，利用化學氣相沉積法來完成。PECVD法沉積薄膜的優(yōu)點有很多，它可在較低溫度下成膜，由于等離子體激活反應(yīng)粒子，由此取代傳統(tǒng)的加熱激活，使薄膜的成膜溫度降低，因此易于蒸鍍較厚的非靜態(tài)膜，如氧化硅和氮化硅，而無太大的應(yīng)力引起的材料雙折射效應(yīng)；薄膜的成分可以控制，容易生長多層膜，成分和厚度易于控制；可以大面積成膜，沉積薄膜的均勻性較好。

利用化學氣相沉積法沉積氮化硅（Si3N4）薄膜，其中對于氮的來源，常用的反應(yīng)氣體是氨氣NH3；對于Si的來源，選擇硅烷（SiH4）作為反應(yīng)氣體，反應(yīng)溫度較低，易于成膜，反應(yīng)氣體還有氨氣（NH3）和氮氣（N2）。

將樣片放入沉積室，抽真空，使真度達到10Pa，關(guān)上機械泵和羅茨泵，打開干泵和分子泵，當真空度達到1.2×10-3 Pa時，開始加熱樣片，溫度為300°C，持續(xù)30分鐘。通入反應(yīng)氣體NH3、SiH4，和N2，通過MFC流量計調(diào)節(jié)各反應(yīng)氣體的流量。其中SiH4 流量是120sccm，NH3 流量是30sccm ，N2流量是 150sccm。充入氣體后工作氣壓變?yōu)?0Pa。

打開射頻功率源功率調(diào)到52W，反射功率為2W，所以實際功率為50W，此時偏壓為115V，沉積時間為10分鐘，沉積結(jié)束后，停止加熱，當溫度低于100°C時，即可打開沉積室取出薄膜樣品。

三、Si3N4光刻工藝技術(shù)

光刻工藝是微圖形制作技術(shù)里的關(guān)鍵的技術(shù)之一，光刻工藝流程包括底模處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕和去膠等步驟，重點講述一下刻蝕。

本次刻蝕采用的是等離子體刻蝕（ICP）技術(shù)。它具有重復性好、刻蝕速率快、刻蝕表面粗糙度小等優(yōu)點。等離子體刻蝕的過程相對復雜，既包括物理刻蝕過程，還包括化學刻蝕過程。物理過程主要是通過輝光放電使氬氣電離，電離后的正離子在偏壓的作用下，加速運動，轟擊到樣片表面，從而完成物理刻蝕的過程。

四、結(jié)語

將加工出的樣片，通過光纖耦合平臺進行性能測試，利用CCD Camera觀察輸出端光點，從輸出模式上可以判斷出是單模導波輸出，共加工測定了3條長度為8mm的直波導，獲得的包括光纖-芯片端面耦合在內(nèi)的總的平均光損耗為18dB，與軟件模擬結(jié)果基本一致。經(jīng)過對此波導結(jié)構(gòu)的研究，為光通信的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]西原浩，春明正光，棲原敏明.集成光學[M].北京：科學出版社，2005.

（作者單位：長春理工大學）