DE3922009C2

DE3922009C2 - Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht

Info

Publication number: DE3922009C2
Application number: DE3922009A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Ing Schueppert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2009-07-01
Also published as: JPH04506577A; DE3922009A1; US5252514A; EP0479837A1; WO1991000534A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer schwachdotierten, epitaktisch auf ein Silizium-Substrat aufgebrachten Silizium-Schicht.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-22, No. 6, Juni 1986, Seiten 873-879) wird auf ein hochdotiertes Silizium-Substrat eine schwachdotierte Silizium-Schicht epitaktisch aufgebracht, in die unter Bildung von Wellenleitern eine Rippenstruktur geätzt wird. Die vertikale Wellenführung dieser Wellenleiter beruht auf dem Brechzahlunterschied zwischen der schwachdo tierten Silizium-Schicht mit der höheren Brechzahl und dem hochdotierten Silizium-Substrat mit der niedrigeren Brech zahl. Die laterale Wellenführung wird durch die gesetzte Rippe erreicht.

Ein Verfahren zum Herstellen von Wellenleitern durch Diffu sion läßt sich der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 00 132 A1 entnehmen, in der beschrieben wird, Wellenlei ter durch Diffusion von Stoffen wie beispielsweise Germanium in ein InP- oder InGaAsP-Material zu erzeugen. Hierbei wird zunächst eine Epitaxialschicht auf ein InP- oder InGaAsP- Substrat abgeschieden, wobei die Epitaxialschicht eine höhere Brechzahl als das Substrat aufweisen muß. Anschließend wird auf die Epitaxialschicht an Stellen außerhalb des späteren Wellenleiters Germanium aufgebracht und in die Epitaxial schicht unter Bildung des Wellenleiters eindiffundiert. Da das eindiffundierte Germanium die Brechzahl in der Epita xialschicht reduziert, wird das Licht bei diesem Wellenleiter in den nichtdiffundierten Bereichen der Epitaxialschicht ge führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in ei ner epitaktisch auf ein Silizium-Substrat aufgebrachten Silizium-Schicht anzugeben, mit dem in vergleichsweise kostengünstiger Weise ein optischer Wellenleiter geringer Dämpfung in integrierter Bauweise hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein gangs angegebenen Art erfindungsgemäß ein Stoff aus einer Ge_xSi_(1-x)-Legierung in die 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 op tischen Wellenleiters gestattet, der außer einer geringen Dämpfung die Eigenschaft hat, daß eine Wechselwirkung zwi schen einem elektrischen und einem optischen Feld durch La dungsträgerinjektion erzielbar ist. Dabei sind Zusatzverluste durch freie Ladungsträger durch die Benutzung der Ge_xSi_(1-x)- Legierung vermieden, da sowohl Silizium als auch Germanium zur Gruppe IV des Periodensystems gehören. Die schwache Do tierung der epitaktischen Silizium-Schicht < 10¹⁶/cm³ führt zu hinreichend kleinen Dämpfungen im optischen Wellenleiter.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich 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 Aufdampfender Ge_xSi_(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 dieepitaktische Siliziumschicht mit dem SiO₂-Überzug 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 der von dem 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 dich 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 Ge_xSi_(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 Ge_xSi_(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 Ge_xSi_(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 als Diffusionsquelle kein reines Germanium, sondern eine Ge_xSi_(1-x)-Legierung verwendet wird, 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

1. Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer schwachdotierten, epitaktisch auf ein Silizium-Substrat aufgebrachten Silizium-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoff (8) aus einer Ge_xSi_(1-x)-Legierung in die Silizium- Schicht (2) eindiffundiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff (8) dem gewünschten Verlauf des Wellenleiters entsprechend streifenförmig auf die epitaktische Silizium- Schicht (2) aufgebracht wird.

3. 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.

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Silizium-Schicht (2) mit dem SiO₂-Überzug (9) unter Schutzgas für mehrere Stunden der Diffusionstempe ratur ausgesetzt wird und daß anschließend der SiO₂-Überzug (9) weggeätzt wird.