DE3922009A1 - Verfahren zum herstellen eines verlustarmen, optischen wellenleiters in einer epitaktischen silizium-schicht - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines verlustarmen, optischen wellenleiters in einer epitaktischen silizium-schichtInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer
epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes mit
integrierten elektronischen Komponenten in einem Silizium-Substrat.
Ein derartiges Verfahren ist in "Optics Letters", Vol. 13, No. 2,
1988, Seiten 175 bis 177 beschrieben. Bei diesem bekannten Ver
fahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters in einer
epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes wird
zwischen dem Silizium-Substrat und der epitaktischen Silizium-
Schicht eine isolierende Schicht aus SiO2 oder Al2O3 vorge
sehen;die epitaktische Schicht ist aus einem "silicon-on-insulator"
(SOI)-Material gebildet. Der optische Wellenleiter wird dadurch
vervollständigt, daß bei dem bekannten Verfahren ein sog. Rippen
wellenleiter durch Ätzen gebildet wird, wie dies im einzelnen
aus "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-22, No. 10,
1986, Seiten 873 bis 879 beschrieben ist. Damit ist die laterale
Wellenführung verwirklicht. Ein Vorteil eines auf diese Weise
hergestellten optischen Wellenleiters besteht darin, daß Wechsel
wirkungen zwischen einem elektrischen Feld und einem optischen
Feld durch Ladungsträgerinjektionen möglich sind. Außerdem ist
der Wellenleiter in vorteilhafter Weise sehr verlustarm, weil
seine Dämpfung kleiner als 1 dB/cm ist. Schwierigkeiten bereitet
jedoch die Herstellung eines derartigen optischen Wellenleiters
insofern, als zu seiner Herstellung das bisher seltene
SOI-Material verwendet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer
epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes an
zugeben, mit dem in vergleichsweise kostengünstiger Weise ein
optischer Wellenleiter geringer Dämpfung in integrierter Bau
weise hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß eine epitaktische Silizium-
Schicht mit schwacher Dotierung auf das Silizim-Substrat auf
gebracht und ein Stoff mit einem Element der Gruppe IV des
Periodensystems mit einem höheren Realteil der Brechzahl als der
des Siliziums in die epitaktische Silizium-Schicht eindiffundiert.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß
es infolge Verwendung weitverbreiteter Stoffe mit wenig Aufwand
durchgeführt werden kann und die Gewinnung eines optischen
Wellenleiters gestattet, der außer einer geringen Dämpfung die
Eigenschaft hat, daß eine Wechselwirkung zwischen einem elektri
schen und einem optischen Feld durch Ladungsträgerinjektion
erzielbar ist. Dabei sind Zusatzverluste durch freie Ladungs
träger durch die Benutzung des Stoffes mit einem Element der
Gruppe IV des Periodensystems vermieden. Die schwache Dotierung
der epitaktischen Silizium-Schicht < 1016/cm3 führt zu
hinreichend kleinen Dämpfungen im optischen Wellenleiter.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann als Stoff Germanium
als Element der Gruppe IV des Periodensystems verwendet werden.
Dabei ist aber zu beachten, daß wegen der niedrigen Diffusions
konstante von Germanium in Silizium eine hohe Prozeßtemperatur
von ca. 1 200°C erforderlich ist, die über der Schmelztemperatur
von Germanium liegt; die Schmelztemperatur von Germanium beträgt
937°C. Es können sich demzufolge u. U. Inhomogenitäten durch
Germanium-Silizium-Legierungstropfen ergeben, die zu einer Ab
sorption der optischen Welle im Wellenleiter führen können.
Als besonders vorteilhaft wird es in diesem Zusammenhang ange
sehen, wenn bei einer anderen Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Verfahrens als Stoff eine GexSi(1-x)-Legierung
verwendet wird. Dabei ist darauf zu achten, daß diese Legierung
eine höhere Schmelztemperatur als Germanium hat. Ein mit diesem
Stoff hergestellter optischer Wellenleiter läßt sich dann sehr
homogen ausbilden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich ferner als vor
teilhaft erwiesen, wenn der Stoff dem gewünschten Verlauf des
Wellenleiters entsprechend streifenförmig auf die epitaktische
Silizium-Schicht aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise
nach einem Beschichten mit Fotolack durch Aufdampfen einer
GexSi(1-x)-Legierung erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise
- unabhängig davon, ob der Stoff als Festkörper oder als Schmelze
auf die epitaktische Silizium-Schicht aufgebracht ist - vor dem
Eindiffundieren die epitaktische Silizium-Schicht auf ihrer den
Stoff tragenden Oberfläche mit einem SiO2- Überzug versehen.
Als vorteilhaft wird es ferner erachtet, wenn bei dem erfindungs
gemäßen Verfahren das Silizium-Bauelement unter Schutzgas für
mehrere Stunden der Diffusionstemperatur ausgesetzt wird und
anschließend der SiO2-Überzug weggeätzt wird.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 1 ein Germanium-Silizium-Zustandsdiagramm und in den
Fig. 2 bis 7 das erfindungsgemäße Verfahren in seinen
einzelnen Schritten wiedergegeben.
Wie Fig. 2 zeigt, ist auf einem Silizium-Substrat 1 eine
epitaktische Silizium-Schicht 2 aufgebracht, die zur Erzielung
hinreichend geringer Dämpfungen schwach dotiert ist, also bei
spielsweise eine Dotierung von < 1016/cm3 aufweist. Auf die
von den Silizium-Substrat 1 abgewandten Oberfläche 3 der
epitaktischen Silizium-Schicht 2 ist eine Fotolackschicht 4 in
einer Struktur aufgebracht, die dem Verlauf des zu schaffenden
optischen Wellenleiters entspricht. Die Fotolackbeschichtung
besteht dabei in vorteilhafter Weise aus einem umkehrbaren
Fotoresist, mit dem sich in bekannter Weise die aus Fig. 2
erkennbaren, nach innen gezogenen Kanten erzielen lassen.
Die negativen Steilheiten dieser Kanten ermöglichen die
Strukturierung größerer Schichtdicken, wie sie bei der Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufbringung
des Stoffes als Diffusionsquelle erforderlich sind.
Das soweit behandelte Silizium-Bauelement 5 wird anschließend
in eine Hochvakuum-Anlage eingeschleust und dort durch Abglimmen
oberflächengereinigt. Anschließend erfolgt in der Hochvakuum-
Anlage bei einem Druck von weniger als 10-7 mbar die Bedampfung
mit einer GexSi(1-x)-Legierung, wodurch eine Schicht 6 aus
einer derartigen Legierung sowohl auf der Fotolackschicht 4
als auch auf dem von dieser freigelassenen Bereich 7 auf der
epitaktischen Silizium-Schicht 2 entsteht, wie dies Fig. 3
zeigt.
Die GexSi(1-x)-Legierung kann dabei in unterschiedlicher Weise
hergestellt sein. Ein Verfahren besteht darin, daß ein
Elektronenstrahl zwischen einem germaniumgefüllten und einem
siliziumgefüllten Schmelztiegel umgetastet wird, wobei sich das
Legierungsverhältnis x durch das Tastverhältnis einstellen
läßt. Die Strahlumtastung erfolgt typischerweise mit einer
Frequenz von einem Hz.
Es ist aber auch möglich, die Legierung durch abwechselnden
schichtweisen Aufbau von Germanium und Silizium herzustellen.
Ist beispielsweise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
daran gedacht, einen ca. 3 µm - tiefen Kanal mit einer Brech
zahlanhebung von 1% in der epitaktischen Silizium-Schicht 2 zu
erzeugen, dann ist dafür im Falle der Verwendung von reinem
Germanium, also einem Stoff mit einem Legierungsverhältnis
x=100% Germanium, eine Schichtdicke des Stoffes von etwa 55
nm erforderlich. Für ein anderes Legierungsverhältnis x ist die
Schichtdicke um den Reziprokwert von x zu erhöhen, also für
eine Legierung mit x=10% Germanium eine Schichtdicke von
etwa 550 nm zu wählen.
Nach dem Bedampfen des Silizium-Bauelementes 5 in der
Hochvakuum-Anlage wird das Bauelement dieser entnommen und an
schließend einem organischen Lösungsmittel zum Abheben der
Fotolackschicht 4 ausgesetzt, wobei das Abheben ggf. durch
Ultraschall-Beaufschlagung unterstützt werden kann. Es ver
bleibt dann auf der Seite 3 der epitaktischen Silizium-Schicht
2 lediglich ein Streifen 8 aus der GexSi(1-x)-Legierung als
Diffusionsquelle. Das soweit behandelte Silizium-Bauelement 5
ist in Fig. 4 dargestellt.
Anschließend wird das Silizium-Bauelement 5 mit Hilfe einer
Hochfrequenz-Sputter-Anlage auf der den Stoff bzw. die
Diffusionsquelle tragenden Oberfläche 3 der epitaktischen
Silizium-Schicht 2 mit einer SiO2-Schicht 9 überzogen, für die
eine Stärke von etwa 600 nm gewählt wird (vgl. Fig. 5). Dabei
kann zur Erhöhung der Packungsdichte der SiO2-Schicht während
des Sputterns eine Aufheizung des Silizium-Bauelementes 5 auf
etwa 200°C erfolgen.
Anschließend wird das Silizium-Bauelement 5 bei einer Temperatur
von 1200°C für eine Zeitdauer von mehreren, beispielsweise 50
Stunden unter fließendem Argon mit einem Durchfluß von ca.
0,5 l/min eindiffundiert, so daß dann das Silizium-Bauelement 5 einen
Zustand aufweist, wie er in Fig. 6 gezeigt ist. Der Stoff 8 ist
in die epitaktische Silizium-Schicht 2 eindiffundiert.
Schließlich wird als letzter Verfahrensschritt die SiO2-Schicht
9 mit Flußsäure weggeätzt, und es ist ein germanium-dotierter
Kanal 10 mit angehobener Brechzahl als verlustarmer optischer
Wellenleiter in dem Silizium-Bauelement 5 entstanden, wie dies
Fig. 7 zeigt.
Bereits oben war darauf hingewiesen worden, daß es besonders
vorteilhaft erscheint, als Diffusionsquelle kein reines
Germanium, sondern eine GexSi(1-x) -Legierung zu verwenden,
deren Schmelztemperatur über der notwendigen Diffusionstemperatur
von 1200°C liegt. Aus dem Zustandsdiagramm gemäß Fig. 1
folgt, daß in diesem Fall der Germanium-Gehalt x der Legierung
zu x < 32% gewählt werden muß. Grundsätzlich ist es aber auch
möglich, als Diffusionsquelle eine Mischung aus Festkörper und
Schmelze zu verwenden. In diesem Falle - so zeigt Fig. 1 -
kommt auch eine Legierung mit einem Legierungsverhältnis zwischen
x=32% und x=65% in Frage. Außerdem kann als Diffusionsquelle
eine reine Schmelze Verwendung finden.
Bewährt zur Herstellung eines verlustarmen Monomode-Wellen
leiters hat sich eine Legierung mit einem Legierungsverhältnis
x=0,5, einer Legierungsschichtdicke von 160 nm und einer
Streifenbreite von b=10 µm erwiesen. Bei einer Diffusionszeit
von 69 Stunden und einer Diffusionstemperatur von 1200°C
lassen sich auf diese Weise Fleckgrößen mit einer vertikalen
Abmessung von 7 µm und einer horizontalen Abmessung von 11 µm
erzielen.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen
Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines
Silizium-Bauelementes mit integrierten elektronischen
Komponenten in einem Silizium-Substrat,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine epitaktische Silizium-Schicht (2) mit schwacher
Dotierung auf das Silizium-Substrat (1) aufgebracht wird und
daß ein Stoff (8) mit einem Element der Gruppe IV des Perioden
systems mit einem höheren Realteil der Brechzahl als der des
Siliziums in die epitaktische Silizium-Schicht (2) ein
diffundiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Stoff Germanium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Stoff (8) eine GexSi(1-x)-Legierung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stoff (8) dem gewünschten Verlauf des Wellenleiters
entsprechend streifenförmig auf die epitaktische Silizium-
Schicht (2) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die epitaktische Silizium-Schicht (2) auf ihrer den Stoff (8)
tragenden Oberfläche (3) mit einem SiO2-Überzug (9) versehen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Silizium-Bauelement (5) unter Schutzgas für mehrere
Stunden der Diffusionstemperatur ausgesetzt wird und daß an
schließend der SiO2-Überzug (9) weggeätzt wird.
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