CN104090335B - 一种平面光波导器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平面光波导器件的制作方法，包括：提供表面形成有硼磷硅玻璃膜层的平面光波导器件的半成品；将所述半成品放置在退火管中；向所述退火管中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内提供富氧氛围；加热所述退火管，使所述退火管内部的温度上升至1050℃以上，对所述半成品进行高温退火，以对所述半成品表面进行平坦化。本发明中在高温退火过程中，向退火管中通入含氧气的保护气体，为硼磷硅玻璃膜层回流退火提供一个富氧氛围，由于氧能够有效抑制掺杂离子在二氧化硅玻璃膜层中的扩散，从而有效抑制高温退火工艺中掺杂离子的析出，提高了高温退火工艺形成的平面光波导器件的质量以及产品的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件的制作技术领域，更具体的说是涉及一种平面光波导器件的制作方法。
背景技术
平面光波导(Planar Light-wave Circuit，简称PLC)技术，就是将光学模块整合在晶圆上的技术，有助于光通讯组件集成化、缩小体积以及减少封装次数。平面光波导器件与诸如棱镜、透镜等传统的分立光学器件相比，具有大规模生产、低成本、高稳定性、高集成度等优点，是组成各种集成光器件的核心元件。
在基于PLC技术的产品中，光传导层刻蚀完成后，会形成深宽比较大的深槽，需用硼磷硅玻璃(Boron phosphor silicate Glass,简称BPSG)在800℃以上温度条件下通过退火工序，使BPSG像液体一样流动，回流到深槽内，将深槽填满，从而使光传导层表面变得平坦，方便后续制程的进行。
但是，发明人发现，现有技术中高温退火工艺形成的平面光波导器件的质量较差，成品率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种平面光波导器件的制作方法，以提高高温退火工艺形成的平面光波导器件的质量和成品率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种平面光波导器件的制作方法，包括：
提供表面形成有硼磷硅玻璃膜层的平面光波导器件的半成品；
将所述半成品放置在退火管中；
向所述退火管中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内提供富氧氛围；
加热所述退火管，使所述退火管内部的温度上升至1050℃以上，对所述半成品进行高温退火，以对所述半成品表面进行平坦化。
优选地，所述含氧气的保护气体为：氧气、或氮气和氧气混合气体、或氧气和惰性气体的混合气体、或氧气和水蒸气的混合气体。
优选地，所述含氧气的保护气体的气体流量范围为200mL/min—15L/min，包括端点值。
优选地，所述含氧气的保护气体为氧气。
优选地，所述氧气的气体流量为10L/min。
优选地，所述含氧气的保护气体为氧气和水蒸气的混合气体。
优选地，所述氧气和水蒸气的混合气体的气体流量为200mL/min。
优选地，所述硼磷硅玻璃膜层中硼磷的相对质量百分比之和在10％以内，且大于0。
优选地，所述硼的相对质量百分比≤5％，所述磷的相对质量百分比小于4.4％。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的平面光波导器件的制作方法，将现有技术中的高温(1050℃以上)退火工艺中的氮气用含氧气的气体代替，即在高温退火工艺中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内部提供一个富氧氛围，使所述回流填孔过程在富氧的氛围下进行，由于所述氧能够有效抑制掺杂离子在二氧化硅膜层内的扩散，从而能够有效抑制高温退火工艺时硼磷硅玻璃膜层中掺杂离子的析出，提高了高温退火工艺形成的平面光波导器件的质量以及产品的成品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种平面光波导器件的制作方法流程图；
图2为现有技术中氮气氛围高温退火掺杂离子析出显微镜观察效果图；
图3为现有技术中氮气氛围低温退火回流显微镜观察效果图；
图4为本发明提供的氧气氛围高温退火回流显微镜观察效果图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中高温退火工艺得到的平面光波导器件的质量和成品率较低。
发明人发现，出现上述现象的原因是，平面光波导器件制作过程中出现的深槽的深宽比较大，退火工艺中回流填孔需要的BPSG膜层的体积较大，对BPSG膜层的流动性要求较高，由于在硼磷硅玻璃的掺杂浓度一定的条件下，退火温度越高，回流填孔效果越好，平面光波导器件半成品的表面越平坦。因此平面光波导器件的制作过程中，其退火工艺的温度较高，一般在1050℃以上。
但是较高的退火温度下，平面光波导器件半成品的表面容易析出灰白色的不透明颗粒，即硼磷硅玻璃中的掺杂离子，平面光波导器件为光透型器件，表面析出掺杂离子会严重影响平面光波导器件的质量，当掺杂离子析出严重时，甚至会导致平面光波导器件失效、产品报废。因此，需要在保证高温退火工艺的回流填孔效果的情况下，有效抑制掺杂离子的析出。
但是，由于现有技术中的高温退火工艺采用的是氮气退火气氛，氮气的作用仅为隔绝空气与平面光波导半成品接触，并传递热量，对掺杂离子析出的抑制作用较弱，因此，在氮气氛围下进行高温退火时，容易出现掺杂离子析出的现象。
基于此，发明人经过研究发现，提供了一种平面光波导器件的制作方法，包括：
提供表面形成有硼磷硅玻璃膜层的平面光波导器件的半成品；
将所述半成品放置在退火管中；
向所述退火管中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内提供富氧氛围；
加热所述退火管，使所述退火管内部的温度上升至1050℃以上，对所述半成品进行高温退火，以对所述半成品表面进行平坦化。
由上述的技术方案可知，本发明提供的平面光波导器件的制作方法，将现有技术中的高温退火工艺中的氮气用含氧气的气体代替，即在高温退火工艺中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内部提供一个富氧氛围，使所述回流填孔过程在富氧的氛围下进行，由于所述氧能够有效抑制掺杂离子在二氧化硅膜层内的扩散，从而能够有效抑制掺杂离子的析出，提高了平面光波导器件的质量以及产品的成品率。
以上是本申请的核心思想，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
下面通过实施例具体描述本发明提供的平面光波导器件的制作方法。
本发明实施例公开的一种平面光波导器件的制作方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：提供表面形成有硼磷硅玻璃膜层的平面光波导器件的半成品；
所述半成品是指，光传导层刻蚀完成后，在所述光传导层表面采用PECVD工艺形成硼磷硅玻璃膜层后的半成品。其中，所述硼磷硅玻璃膜层即为掺杂了硼和磷的二氧化硅，平面光波导器件中硼磷硅玻璃膜层的作用主要为，通过调节硼磷硅玻璃中杂质的掺杂浓度，改变硼磷硅玻璃膜层的折射率，使硼磷硅玻璃膜层的折射率与平面光波导器件的芯层的折射率之间存在差值，进而使光能够在芯层和硼磷硅玻璃膜层的交界位置发生全反射，90％以上的光能量在芯层中不断发生全反射并沿一定方向传播，从而达到光传输的目的。
本步骤中形成的硼磷硅玻璃由于在二氧化硅原有的有序网络结构掺杂了硼磷杂质(B2O3，P2O5)，二氧化硅原有的有序网络结构变得疏松，因此，硼磷硅玻璃膜层的结构为不稳定的状态，在高温条件下硼磷硅玻璃膜层具有像液体一样的流动能力(Reflow)，从而BPSG薄膜具有卓越的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。
需要说明的是，硼磷杂质的浓度超过一定范围，比如杂质总含量占到重量百分比大于10％时，杂质就会不断扩散析出，薄膜吸水性增强，由于吸潮而在半成品表面结晶，造成严重的工艺问题，从而影响器件的性能。经实验得到：当B>5％时，P约为4.4％的情况下，膜层表面就因为吸潮而形成结晶物，且B含量越高，形成的结晶物越多。因此，本实施例中所述硼磷硅玻璃膜层中硼磷的相对质量百分比之和在10％以内，且大于0。且所述硼的相对质量百分比小于或等于5％，所述磷的相对质量百分比小于4.4％。
步骤S2：将所述半成品放置在退火管中；
由于PECVD沉积的BPSG膜层是多孔和疏松的，BPSG膜层中具有针孔和Si-H、Si-OH、Si-N、N-H等大的陷阱态密度，因而必须进行退火处理，使膜层致密化并消除膜层中的这些不期望的化学键。
将所述半成品放置在退火管中后，开始对所述半成品进行退火工艺，在退火过程中，所述BPSG膜层由于高温的作用，液化为可流动的液体，对平面光波导半成品表面的深槽进行填充。
步骤S3：向所述退火管中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内提供富氧氛围；
现有技术中在退火回流过程中，通入到退火管中的气体为氮气，所述氮气能够起到隔绝空气，传递热量使退火管中的硅片或半导体半成品受热均匀。
发明人在实践过程中发现，在氮气氛围下进行退火回流时，相同的硼磷掺杂浓度，相同的工艺条件时，若采用高温(1050℃以上，包括1050℃)退火，虽然退火效果较好，但是会出现严重的掺杂离子析出，由于平面光波导器件为光透型器件，离子的析出改变光线出射角度或发生反射等问题，会对平面光波导产品造成严重的影响，甚至造成产品报废的情况。如图2所示，为在N2中1050℃退火时，PECVD沉积工艺气体SiH4/B2H6/PH3流量比为5:3:4的情况下，平面光波导器件半成品表面的显微镜照片，可以看到有的不透明颗粒(即照片中位于中间的黑点)的存在。
若采用低温(950℃-1000℃)退火，则不会出现掺杂离子析出，但是硼磷硅玻璃膜层的回流填孔效果较差，半成品表面的孔洞无法完全填充，造成半成品的表面起伏过大，使后续制成的成品率直线下降。如图3所示，为在N2中1000℃退火时，PECVD沉积工艺气体SiH4/PH3/B2H6流量比为25:16:16的情况下电子显微照片，可以看到在膜层厚度为16微米时BPSG的填孔效果不佳，有明显的缝隙。
随着平面光波导器件的集成度越来越高，平面光波导器件制作过程中产生的孔洞的深宽比越来越大，和大规模半导体集成电路工艺中的BPSG覆盖不同，平面光波导的BPSG膜层要求具有好的回流特性、好的台阶覆盖效果和好的覆盖平坦性。
因此，对于平面光波导器件的退火通常采用高温退火工艺进行退火回流，使BPSG膜层充分填孔，得到较好的平坦化效果。此时就存在掺杂离子析出的问题。发明人经过实验证明，在氮气环境下，高温回流过程对于温度的要求过于苛刻，无法在平衡填孔效果和离子析出的问题。
为此，发明人经过研究发现，氧气能够有效抑制磷在BPSG膜层中的扩散，在高温退火过程中，若在所述退火管中通入含氧气的气体，与通入氮气相比，出现掺杂离子析出的温度会较高。即，在相同温度下高温退火，通入氮气作为保护气体时，出现掺杂离子的析出，而通入含有氧气的保护气体，则不出现掺杂离子的析出。基于此，本实施例中在高温退火过程中向所述退火管中通入含氧气的保护气体代替氮气，一方面能够代替氮气起到避免硅片或半导体半成品与空气接触和传递热量的作用；另一方面，氧气还能够抑制掺杂离子的扩散，避免出现器件失效的问题。
需要说明的是，经过发明人的多次试验证明，所述氧气能够抑制掺杂离子在硼磷硅玻璃膜层中的扩散，因此，在与现有技术中硼磷硅玻璃中硼磷掺杂浓度(即PECVD沉积过程中，气体流量比为25:16:16)相同的情况下，退火温度为1050℃时电子显微镜观察的效果显示如图4所示，BPSG的回流效果很好，缝隙完全消除，台阶覆盖性和覆盖平坦度都很好。
对比图3和图4可知，在硼磷硅玻璃膜层的掺杂浓度和退火工艺的其他条件相同的情况下，保护气体包含氧气，能够有效抑制掺杂离子的析出，从而在保证高温回流效果的情况下，还能够避免离子的析出，提高了产品的质量和成品率。
需要说明的是，本实施例中所述含氧气的保护气体可以为：氧气、或氮气和氧气混合气体、或氧气和惰性气体的混合气体、或氧气和水蒸气的混合气体。且所述含氧气的保护气体的气体流量范围可以为200mL/min—15L/min，包括端点值。
优选地，当所述含氧气的保护气体为氧气时，所述氧气的气体流量可以为10L/min。当所述含氧气的保护气体为氧气和水蒸气的混合气体，所述氧气和水蒸气的混合气体的气体流量为200mL/min、300mL/min或400mL/min中的任意值。
另外，经过实验在氧气氛围的退火工艺条件，配合合适的PECVD工艺条件(气体SiH4、B2H6、PH3的流量比为1:1:1)，能将带深槽(深槽宽度：3.5微米，深槽深度：7.5微米)的产品表面很好地平坦化(表面最高点和最低点的高度差能控制在2微米以下)，从而减少了接下来后段光刻工艺的难度，大大减少了因表面粗糙导致的工艺缺陷数量，提高了产品的良率。
步骤S4：加热所述退火管，使所述退火管内部的温度上升至1050℃以上，对所述半成品进行高温退火，以对所述半成品表面进行平坦化。
本实施例中优选地，所述高温退火中的温度可以为1050℃到1100℃之间，由于掺杂离子的扩散作用在高温下更强，氧气抑制掺杂离子的扩散效力较弱，因此，优选的，本实施例中所述高温退火选择的温度为1050℃。当然，在其他实施例中，所述高温退火的温度也可以为其他数值，本实施例中对此不做限定。
本发明实施例中提供的平面光波导器件的制作方法，将现有技术中的高温退火工艺中的氮气用含氧气的气体代替，即在高温退火工艺中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内部提供一个富氧氛围，使所述回流填孔过程在富氧的氛围下进行，由于所述氧能够有效抑制掺杂离子在二氧化硅膜层内的扩散，从而能够有效抑制掺杂离子的析出，提高了平面光波导器件的质量以及产品的成品率。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种平面光波导器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供表面形成有硼磷硅玻璃膜层的平面光波导器件的半成品；
将所述半成品放置在退火管中，使所述硼磷硅玻璃膜层液化为可流动的液体，对平面光波导半成品表面的深槽进行填充；
向所述退火管中通入含氧气的保护气体，为所述退火管内提供富氧氛围；
加热所述退火管，使所述退火管内部的温度上升至1050℃以上，对所述半成品进行高温退火，以对所述半成品表面进行平坦化。
2.根据权利要求1所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述含氧气的保护气体为：氧气、或氮气和氧气混合气体、或氧气和惰性气体的混合气体、或氧气和水蒸气的混合气体。
3.根据权利要求2所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述含氧气的保护气体的气体流量范围为200mL/min—15L/min，包括端点值。
4.根据权利要求3所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述含氧气的保护气体为氧气。
5.根据权利要求4所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述氧气的气体流量为10L/min。
6.根据权利要求3所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述含氧气的保护气体为氧气和水蒸气的混合气体。
7.根据权利要求6所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述氧气和水蒸气的混合气体的气体流量为200mL/min。
8.根据权利要求1所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述硼磷硅玻璃膜层中硼磷的相对质量百分比之和在10％以内，且大于0。
9.根据权利要求8所述的平面光波导器件的制作方法，其特征在于，所述硼的相对质量百分比≤5％，所述磷的相对质量百分比小于4.4％。
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