悬浮波导SiO2薄膜的应力和折射率控制

引言

悬浮二氧化硅结构对于许多光学和光子集成电路(PIC)应用是重要的，例如宽光谱频率梳，低传播损耗波导，以及紫外-可见光滤光器等。除了这些应用，悬浮波导还可以应用于紫外吸收光谱和一类新兴的基于氮化镓(GaN)纳米线的光子器件，这些器件可以受益于紫外透明波导，包括近场扫描光学显微镜、垂直腔激光器和直写光刻技术。

英思特研究了在N2O/SiH4气体不同比例下，N2O和SiH4气体流量对电感耦合等离子体化学气相沉积法(ICPCVD)沉积的二氧化硅薄膜的残余应力和折射率的影响。为了获得清晰的理解，我们还通过制造二氧化硅桥来展示对这些材料特性的控制，并讨论它可能如何改善需要悬浮二氧化硅结构的器件的工艺开发。

实验与讨论

我们在恒定温度、压力、沉积时间和RF功率分别为100℃、10毫托、500秒和100瓦的条件下，在2英寸Si <100 >晶片上沉积SiO2。沉积后，首先用反射计测量膜厚度和折射率，并用光谱椭偏仪验证测量值，以精确拟合厚度和折射率。

在进行膜的应力测量之后，使用与上述相同的参数在硅(Si)、锗(Ge)和蓝宝石(Al2O3)衬底上制造悬置的SiO2桥，将裸晶片切成10毫米见方的样品。用丙酮和异丙醇清洗晶片，然后在180℃脱水5分钟。

在10-50米范围内，以5米为增量。将样品显影、冲洗并用N2吹干，然后在110℃的加热板上后烘90秒，并使用ICPCVD沉积条件在图案化的样品上沉积750nm厚的SiO2膜。对于堆叠的层，每个附加的桥需要重复前面的步骤，并且将掩模对准器用于桥的对准。样品横向于图案线劈开。牺牲性光致抗蚀剂支架通过在110℃的压板温度下暴露于O2、CO2和N2O气体30分钟来移除。然后将样品溅射涂覆在Au中，并在仪器上成像。

随着沉积气体流速的增加，英思特观察到从拉伸应力到压缩应力的转变。沉积速率随着流速的增加而增加，这可以通过更多的试剂到达衬底表面和沉积不受反应限制来解释，由于沉积温度在所有样品中保持不变，因此可以消除由热膨胀系数(CTE)不匹配引起的残余应力。

英思特研究了内在应力如何影响悬二氧化硅桥(以下简称“桥”)的制作，并通过观察制作的桥的应力松弛和变形来验证应力测量。由于1:3和1:9气体比例之间的内在应力没有显著差异，因此只有1:3气体比例用于桥梁制造。10米、30米和50米宽的桥的例子如图1所示。

图1：对不同桥架长度的悬浮结构进行了扫描电镜成像

由于残余应力引起的应力松弛可以通过比较光致抗蚀剂去除后牺牲光致抗蚀剂的高度和桥的高度来定性观察。牺牲光致抗蚀剂高度为362纳米。如图2所示，在去除光致抗蚀剂之后，观察到的增加的间隙高度表示压缩膜中的应力松弛，而减小的间隙高度表示拉伸膜中的应力松弛。

图2：桥的中心到基底的间隙高度

结论

英思特发现气体流速是产生可调参数的主要变量，该可调参数允许沉积压缩和拉伸SiO2膜，而不会显著影响膜的折射率。为了获得高拉伸薄膜，沉积速率将非常慢。使用这种方法的优点是在不同衬底或温度敏感材料上制造悬浮SiO2结构的灵活性。未来我们的研究重点可能包括制造简单的光子结构，如分布式布拉格反射器或波导，用于光学表征，与用于在完整PIC中连接UV发射器和光电二极管的分析模型进行比较。

审核编辑 黄宇