Многослойное осаждение кварцевого и фторсиликатного стекла на кремниевые пластины в плазме резонансного локального СВЧ разряда пониженного давления

Abstract

An effective method of multilayer, gas - phase deposition of pure and fluorine doped silica glass to the silicon wafers for realization of planar waveguides and other waveguide elements optical structures, is presented. This method is based on using of microwave discharge low pressure plasma (Plasma Chemical Vapour Deposition - PCVD). The paper shows that a non-isothermal plasma of resonance local low pressure microwave discharge is an effective instrument for a forming of thin pure and also fluorine doped silica glass layers. Cracks in layers, doped by fluorine do not observed, even for significant layer thickness (20 - 50 μm). The controlled, smooth reduction of a doped layers refraction index to 1, 40 - 1, 43, can be very useful for extension of a work area of waveguides developed. Using of PCVD allows to achieve a significantly better stoichiometry of deposited SiO₂ glass layers, than using of other known methods, including the standard for silicon integral technology, PECVD method. High deposition rates achieved are reported in this paper (more, than 1 μm / min). This can significantly increase the actual efficiency of the SiO₂ deposition technology. Additionally, the level of optical losses in layers described here, much less, then in standard technologies, due to high transparency and uniformity of glass material, deposited in PCVD method. For deposition of planar waveguide structures on silicon wafers of great diameters (more, then 100 mm), it is necessary to develop a new design of microwave resonance plasmatron, allowing accommodation to great wafers and uniform distribution of microwave electrical field along this great diameters.

• planar optical waveguides
• Plasma chemical vapour deposition
• microwave discharge

For citation

References

1. Житковский В.Д., Ключник Н.Т., Яковлев М.Я. «Многополюсные разветвители на основе слоевых структур из стекла для волоконно-оптических информационных систем». // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2002. № 1-2. С.68-73.
2. Ключник Н.Т., Гурьянов А.В., Белянин В.Ф. и др. «Формирование оптической волноводной структуры, включающей область из нанокомпозитного материала». // Нанотехнологии и фотонные кристаллы. Материалы I Межрегионального семинара. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. С.50-59.
3. Meint K. Smit, Cor van Dam "PHASAR-Based WDM-Devices:Principles, Design and Applications" // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 2, No. 2, June 1996, pp 236-250
4. Гончаров А. А., Кузмин С. В., Светиков В. В., Свидзинский К. К., Сычугов В. А.,. Трусов Н. В, «Интегрально-оптический демультиплексор на основе волноводной структуры SiO2-SiON», //Квантовая электроника, V.35, No12 (2005), 1163-1166 [Quantum Electron., V.35, No12 (2005), 1163-1166]
5. J. Xie, L. Zhou, R. Li, J. Wang, J. Chen "Seven bit reconfigurable optical true time delay line based on silicon integration" // Opt. Express 22, 22707-22715 (2014).
6. J. Xie, L. Zhou, R. Li, J. Wang, L. Lu, K. Wu, J. Chen "Continiously tunable ultra-thin silicon waveguide optical delay line" Optica, V.4, №5, May 2017, 507-515
7. Берикашвили В. Ш., Григорьянц В. В., Шилов И. П. и др. «СВЧ плазмохимическое осаждение планарных волноводных структур на основе кварцевого стекла» //Ж. Микросистемная Техника (МСТ) 2004, №8, с. 28 - 33.
8. Шилов И. П., Кочмарёв Л. Ю., Ключник Н. Т., Яковлев М. Я., «Планарные волноводы градиентного типа на основе наноразмерных слоёв кварцевого стекла, полученные в микроволновой плазме пониженного давления». // Известия Высших учебных заведений. Ж. Материалы Электронной Техники №4. 2012, с. 59 - 64.
9. Шилов И. П., Берикашвили В. Ш., Григорьянц В. В., Кочмарёв Л. Ю., Ключник Н. Т., Яковлев М. Я. «Многоканальные оптические разветвители на основе планарных многомодовых световодов из кварцевого стекла» // Радиотехника и Электроника, 2008, Т. 53, №8, с. 1017 - 1022.
10. Блинов Л.М., Гуляев Ю.В, Черепенин В.А., Герасименко А.П. «Резонансные неравновесные СВЧ плазмохимические системы в технологии синтеза специальных кварцевых волоконных световодов» // Журнал радиоэлектроники [‘лектронный журнал], 2014, № 12, URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec14/4/text.pdf
11. Блинов Л.М., Гуляев Ю.В, Черепенин В.А., Герасименко А.П. «Резонансные неравновесные СВЧ плазмохимические системы и методы синтеза специальных кварцевых волоконных световодов». // Электромагнитные волны и электронные системы, 2016 №2 с. 33 - 55.
12. Александров Д. И. «Модель газофазных процессов в СВЧ-разряде пониженного давления O2 /SiCl4/SF6 при осаждении слоёв SiO2» //Диссертация на соискание учёной степени к. ф. м. н., Москва, 1987
13. Александров Д. И., Блинов Л. М., Дианов Е. М., Лебедев Ю. А. «Влияние различных типов соударений на энергетическое распределение электронов в плазме пониженного давления: Ar, O2» //Физика плазмы, 1986, т.12, №8. с.1008 - 1012
14. Babenko V. A., Blinov L. M., Volodko V. V., Kaganov L. L., Ragavski A. A., Solomatin A. V. "Plasma-chemical process modeling in fiber waveguide technology" // Sov. Lightwave Commun. 1992, №2, p. 199 - 2012.
15. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ I, II // М: Высшая школа 1970.
16. Дианов Е. М., Корниенко Л.С., Никитин Е. П., Рыбалтовский А.О., Сулимов В.Б., Чернов В.П. «Радиационно оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла» // Квантовая электроника. 1983 г №3, т. 10, cc. 473 - 496.
17. Белов А. Н., Блинов Л.М., Володько В.В., Гурьянов А.М., Девятых Г.Г. Дианов Е.М., Долгов А.П., Неустроев В.Б., Прохоров А.М. «Кварцевый волоконный световод с оболочкой, легированной фтором, и сердцевиной из чистого кварцевого стекла». // Квантовая электроника. 1985г. №З. т. 12, c. 634 - 636.
18. Блинов Л. М., Володько В. В., Соломатин А. М., Фирсов В. М. «Влияние состава световодов на радиационную устойчивость» // Электронная техника, 1990 г, серия 6, №2.
19. Долгов И.И., Иванов Г.Н., Чаморовский Ю.К., Яковлев М.Я. «Радиационностойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной» // Фотон-экспресс, ФЭ (Москва). 2005, №6 (46), с. 4 - 10.
20. Томашук А. Л., Голант К. М., Забежайлов М. О. «Разработка волоконных световодов для применения при повышенном уровне радиации» // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства 2001, №4, с. 52 - 65.
21. Zarchi M., Sangari M. Z., Ahangarani S, "Characterisation of the SiO2 film deposited by using plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) with TEOS / N2 / O2". // Metall. Mater. Eng. Vol. 9, 2013, p. 287 - 293.
22. Блинов Л.М., Герасименко А.П., Гуляев Ю.В., Долгов А.П., Кочмарев Л.Ю., Шилов И.П. «Высокоапертурные оптические структуры волноводов на основе кварцевого стекла, легированного фтором, формируемые в неизотермической плазме резонансного локального СВЧ-разряда пониженного давления» // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2016. №1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan16/18/text.pdf
23. Блинов Л. М., Володько В. В., Каганов Л. И., Ражавский А. А. «Получение легированных фтором слоёв кварцевого стекла в СВЧ-разряде пониженного давления» //Письма в ЖЭТФ 1991, т. 17, с. 87 - 92
24. а) Вурзель Ф.Б., Полак Л. С., Щипачёв В. С. "Термическое разложение тетрахлорсилана в условиях адиабатического сжатия и в плазменной струе" //Химия высоких энергий, 1967, т.1, №3, с.268 - 274 б) Vursel F. B., Polak L. S., "Reaction under Plasma Condition" //M. Venagopalan ed., Wiley-Interscience, New York, 1971, V.11, Chapter 16.
25. Rowe Michael D. "Emission spectroscopy of the plasma decomposition of silicon tetrachloride" //J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1988 84 (2) p. 191 - 197.
26. Кравченко Ю. С. И др. «Кинетика образования и гибели атомов и молекул хлора и хлоруглеродных радикалов в тлеющем разряде в тетрахлорметане». // Химия высоких энергий, 1989, т.23, с. 444 - 449.
27. Bauch et al, "Chemical Vapour Deposition in Microwave Produced Plasma for fiber Preform" //J. Optical Communications, 1987, V.8, №4, p.130 - 135.
28. Weiling F. "A model for the plasma-activated chemical vapour deposition process" //J. Appl. Phys. 1985, v/17, №9б з. 4441 - 4446.
29. Словецкий Д. И. «Механизмы химических реакций в неравновесной плазме» // Москва, "Наука" 1980, 313 c.
30. Блинов Л. М., Заморёнов А. Т., Кирсанов А. В., Лысов Г.В., Петров Е.А. «Установка для СВЧ плазменной обработки» // Авт. свид. СССР №876039, 29. 02. 80.
31. Бабенко В.А., Кочмарёв Л.Ю., Шилов И.П. «Устройство для изготовления оптических волноводов» // Патент на полезную модель №7428 от 10. 07. 2008.
32. Дикарев Ю. И., Сыноров В. Ф., Толстых Б. Л. «Плазмохимическое травление в технологии ИС». // Зарубежная электронная техника, 1978, №2 с. 22 - 27.