基于SOI结构的光波导表面光滑化机理.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#基于SOI结构的光波导表面光滑化机理1,21,21,2**周佳玲，任馨宇，张文栋（1.太原理工大学信息工程学院微纳系统研究中心，山西太原030024；52.太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西太原030024）摘要：运用MaterialStudio软件对氢退火过程中硅氢键对硅基光波导表面粗糙形貌的作用进行了系统研究。通过对表面结构特性参数（如均方根位移、扩散系数等）的模拟分析，阐释了硅氢键的个数和位置对硅表面结构的影响。结果表明：硅氢键的形成是改善波导粗糙表面形貌的关键因素，能够有效降低退火温度、提高退火质量。10关键词：硅氢键；氢退火；光波导；MaterialStudio中图分类号：TP212.2Smoothingmechanismofopticalwaveguidesurfacebasedonsilicononinsulatorstructure1,21,21,215ZHOUJialing,RENXinyu,ZHANGWendong(1.TaiyuanUniversityofTechnology,SchoolofInformationEngineering,Micro-NanoSystemResearchCenter,Taiyuan,Shanxi,China,030024;2.TaiyuanUniversityofTechnology,SchoolofInformationEngineering,KeyLabofAdvancedTransducersandIntelligentControlSystemoftheMinistryofEducation,Taiyuan,Shanxi,China,20030024)Abstract:Theroleofsilicon-hydrogenbondinthehydrogenannealingprocessisinvestigatedsystematicallybyusingMaterialStudiosoftware.Basedonthesinulationandanalysisofsurfacecharacteristicparameters(suchasmeansquaredisplacement,diffusioncoefficient,etc.),weillustratetherelationshipbetweenthesurfacestructureandthenumberandpositionofsilicon-hydrogenbond.25Thedatastronglysuggestthatsilicon-hydrogenbondisthecriticalfactortoamelioratetheroughsurfacemorphologyofwaveguide,whichcaneffectivelyreducetheannealingtemperatureandimprovethequalityofannealing.Keywords:Silicon-hydrogenbond;Hydrogenannealing;Waveguide;MaterialStudio300引言[1-3][4-5][6,7]氢退火是当前改善光波导表面粗糙度的有效方法。与热氧化法、激光束法等处理工艺相比，氢退火具有高效环保、可批量化处理且不会消耗硅的特点，具有广泛的应用前景。35近年来，许多国内外研究学者致力于纳米光波导表面光滑化的课题研究：TsutomuSato[8]等人提出了氢退火氛围下硅表面微结构转化理论(themicro-structuretransformationof[9]silicon,MSTS)，研究表明转化机制由退火温度、压强和时间等参数控制；R.Hiruta等人探究了原子力显微镜下Si(001)表面凹槽经过高温氢退火后的侧壁形貌，实验发现当退火温[10]度达到1000℃以上时硅表面会形成原子台阶形貌；HitoshiKuribayashi等人对Si(100)表面40光滑化处理过程进行了STM观察分析，观察发现，在温度1000℃、压强2.5*104Pa的退火基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20131402110013）作者简介：周佳玲（1991-），女，硕士，电子与通信工程，主要研究方向：贵金属微纳传感器的制备与应用通信联系人：张文栋（1962-），男，教授，博导，研究方向主要为动态测试技术、微纳机电系统(MEMS与NEMS).E-mail:wdzhang@tyut.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn条件下，表面会出现Si(100):2*1-H的硅氢化物。实验表明，在高温氢退火氛围下硅表面有硅氢键生成，但对于其作用机理缺乏更进一步的探究。本文针对这一问题进行模拟分析，系统探究了氢退火过程在改善波导表面粗糙度方面的作用机理，为高温氢退火工艺的研究与发展提供了理论基础和实验依据。451实验部分分子动力学模拟(moleculardynamicssimulation,MD)是微观尺度下研究表面与界面扩散[8]的重要方法。本文根据TsutomuSato等人所建的硅表面模型，运用分子力学及分子动力学模块Discover模拟高温氢退火氛围下硅波导表面形貌变化情况，并通过Forcite模块对模拟结果进行计算分析。50硅基光波导表面的粗糙形貌从宏观上看是高低起伏的硅表面结构，在微观尺度下则是由大量带有悬空键的表层硅原子构成的，其粗糙形貌微观结构模型如下图1所示。图中左图所示为粗糙表面的凸起结构，在折角处的硅原子具有大量的悬空键，且易于发生相互作用。为了更好地探究波导表面原子的迁移运动，本文对模拟结构设计如右图所示。其中，中空区域内四个折角部分均与左图中相同，从而能够更加清晰显著地观察到硅原子在粗糙表面迁移运55动的情况。图1硅表面粗糙形貌微观结构模型Fig.1Simulationmodelofthesurfaceroughnessmorphology模拟体系由硅(100)表面及表面附着的硅氢键构成，其中硅原子个数为238。随表面硅氢60键个数的不同，体系中各分子的动态变化情况也发生改变。动力学模拟过程采用正则系综(NVT)，保持体系中粒子数、体积和温度不变，且总动量保持不变。根据Ming-ChangM.Lee[11]等人的氢退火实验模型，设定模拟温度为1100℃，控温函数为Andersen；模拟时长设定为1000ps。模拟结束后，对结果进行动力学分析。运用Forcite模块下的Analysis功能得到体系的均方根位移变化情况。均方根位移(MeanSquareDisplacement,MSD)定义式如下：265MSD=|r(t)−r(0)|体系的均方根位移与原子的扩散系数之间存在如下对应的关系：当体系是固态时，即体系温度处于熔点之下时，均方根位移存在上限值；当体系处于液态时，均方根位移呈线性关系，而且其斜率与原子的扩散系数存在函数关系：-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn12D=lim|r(t)−r(0)|t→∞6t70由上式可求得体系的表面扩散系数，从而反映硅氢界面原子运动的剧烈情况。2结果与讨论2.1均方根位移硅氢键个数分别为8、21、46时，均方根位移随模拟时间变化曲线如图2(a)所示。当硅氢键个数较少时，表面原子运动速率较低；随表面硅氢键个数增多，表面原子运动加剧，均75方根位移随时间增加有缓慢上升的趋势。(a)(b)图2硅氢键个数变化时均方根位移随模拟时间变化曲线Fig.2Thechangecurveoftherootmeansquaredisplacementasthenumberofsiliconhydrogenbondchanges80在相同的模拟条件下，设定硅氢键个数分别为8、38、46时，均方根位移随模拟时间变化曲线。图2(b)中设定图三中的硅氢键个数为图一和图二个数的总和，根据模拟分析结果可知，均方根位移的变化并非前后数据的简单叠加。由此可以看出，体系的均方根位移不仅与硅氢键个数有关，同时还与硅氢键的位置相关。85图3硅氢键位置变化时均方根位移随模拟时间变化曲线Fig.3Thechangecurvealongwiththesimulationtimeoftherootmeansquaredisplacementasthepositionofthesiliconhydrogenbondchanges设定硅氢键个数为8保持不变，当位置不同时均方根位移变化曲线如图3所示。从俯视-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图来看，位于正方形直角处硅原子受周围硅硅键约束较大，因而即使形成硅氢键，表面原子90运动速率仍较为缓慢；位于正方形边上硅原子受晶体结构约束较小，对于远离直角处（位于边上中心处位置）的硅原子而言，形成硅氢键时，表面原子运动速率加快，有利于在较低温度状态下硅表面形貌的改变。2.2扩散系数模拟温度为2000℃时，分别对有硅氢键和无硅氢键的硅表面模型进行分子动力学模拟，95其均方根位移变化曲线如图4所示。图4有无硅氢键对体系的均方根位移的影响曲线Fig.4Theinfluencecurveofthepresenceorabsenceofsiliconhydrogenbondontherootmeansquaredisplacementofthesystem100对于纯硅而言，其熔点为1414℃，沸点为3265℃。但硅的物理和化学性质稳定，即使模拟温度上升至2000℃，其表面原子运动仍不明显，扩散系数几乎为零。当表面硅氢成键时，相同温度条件下，表面原子运动加剧，均方根位移曲线呈线性增长趋势，拟合曲线为y=0.0002x+0.9226根据均方根位移与原子的扩散系数之间的关系，可得表面原子的扩散系数为0.0002/6。105图5表面满键状态时均方根位移随时间变化曲线Fig.5Thechangecurveofrootmeansquaredisplacementinsurfacewithfullbondstate当体系初始温度为1300℃时，硅氢键个数46，即达到表面满键状态时，整个体系的均方根位移变化情况如图5所示，根据液态体系均方位移与原子的扩散系数之间的关系以及图-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1105所示的拟合直线可知，此时扩散系数为0.000066。图6表面不满键状态时均方根位移随时间变化曲线Fig.6Thechangecurveoftherootmeansquaredisplacementinsurfacewithunfullbondstate115在表面不满键状态下，分别设定初始温度为2000℃和2100℃，模拟结果如图6所示。根据液态体系MSD均方位移的量与原子的扩散系数之间的关系以及上图所示的拟合直线可知，2000℃时，扩散系数为0.000033；2100℃时，扩散系数为0.00005。由图5和图6可以看出：体系均方根位移量变化幅值相同的情况下，表面满键结构所需的初始温度较低，且扩散系数值更高。由此可以看出，硅氢键能够促进表面硅原子运动，加120速表面原子扩散，且有效降低退火所需温度。3结论模拟结果表明：硅波导表面存在硅氢键时，有利于改善波导粗糙表面形貌，硅原子的个数和位置与表面原子运动情况和扩散速率有密切关系。硅氢键是促使波导表面原子运动、降低表面粗糙度的关键因素，因而高温氢氛围退火能够有效提高退火品质。125[参考文献](References)[1]HitoshiH,HitoshiT,MasanoriM,etal.Roughnessofsiliconsurfaceheatedinhydrogenambient[J].JournaloftheElectrochemicalSociety,1995,142(9):3902-3098.[2]LeeJW,LeeJY,KimSG,etal.Structuralmodificationofatrenchbyhydrogenannealing[J].Journal-KoreanPhysicalSociety,2000,37(6):1034-1039.130[3]ShimizuR,KuribayashiH,HirutaR,etal.Nano-scalemorphologyandhydrogenationofSisurfacesintheearlyphaseofhydrogenannealing[C],JournalofPhysics:ConferenceSeries,IOPPublishing,2008,100(1):012031.[4]MassoudHZ.Theonsetofthethermaloxidationofsiliconfromroomtemperatureto1000℃[J].MicroelectronicEngineering,1995,28(1):109-116.[5]TakahashiJ,TsuchizawaT,WatanabeT,etal.Oxidation-inducedimprovementinthesidewallmorphologyand135cross-sectionalprofileofsiliconwirewaveguides[J].JournalofVacuumScience&TechnologyB,2004,22(22):-5- 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