Development of silicon oxynitride waveguides technology for integrated optics applications

This thesis reports on the development of Silicon Oxynitride (SiON) tech- nology for integrated optical waveguide applications in the 1550 nm wave- length region. The SiON layer is deposited by Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition using Nitrogen (N2), Silane (SiH4), Nitrous Oxide (N2O) and Ammonia (NH3) as gas precursors. An annealing step to overcome and reduce the OH- and NH- group around λ=1510 nm have been used. The def- inition of the waveguides have been realised using photolithography process. Both contact lithography and direct-write lithography have been optimized for the structure of the presented work. Various issues related to the process flow have been faced and solved. An optimized recipe with high selectivity for the patterning of waveguides with widths in the range between 1μm and 4μm in the etching process have been studied. From simulation results, rib waveguides of 2.6 μm width (upper limit for monomode propagation), 400 nm slab, and 2.2 μm total height, provides 0.01 dB/rad with 700 μm bends. On the other hand, a slab waveguides with 3 μm width (also upper limit for monomode propagation), 700 nm slab, and the same 2.2 μm total height, provides 0.01 dB/rad with 1300 μm bends. Reduction of the absorption peak in the 1500 wavelength region, after several annealing steps, and waveguide losses of about 0.75dB/cm at λ=1550 nm have been measured for a 2.4 μm width waveguide. This work has been developed at Polifab clean room facilities, the micro and nano technology center of the Politecnico di Milano.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo della tecnologia Silicon Oxynitri- de (SiON) per applicazioni di guide d’onda ottiche integrate nella regione di lunghezza d’onda di 1550 nm. Lo strato di SiON è depositato tramite Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition utilizzando azoto (N2), silano (SiH4), protossido di azoto (N2O) ed ammoniaca (NH3) come gas precursori. Un processo di annealing è stato considerato per ridurre il picco di assorbi- mento, dovuto alla presenza di legami OH- e NH-, intorno a λ= 1510 nm. La definizione delle guide d’onda è stata realizzata considerando il processo di fotolitografia. Sia la litografia a contatto che la litografia a scrittura diretta sono state ottimizzate per le guide d’onda in esame. Vari problemi relativi al processo sono stati affrontati e risolti. È stata inoltre studiata una ricetta, ad alta selettività, per la definizione di guide d’onda con larghezze nell’in- tervallo tra 1 μm e 4 μm. Da simulazioni, guide d’onda rib di larghezza 2.6 μm, con 400 nm di slab per uno spessore totale di 2.2 μm garantiscono 0.01 dB/rad con un raggio minimo di curvatura pari a 700 μm. D’altra parte, guide d’onda di larghezza 3 μm, con 700 nm di slab per uno spessore totale di 2.2 μm garantiscono 0.01 dB/rad con un raggio minimo di curvatura pari a 1300 μm. La riduzione del picco di assorbimento nella regione intorno ai 1500nm è stato dimostrato e perdite intorno agli 0,75 dB/cm a 1550nm per guide d’onda di 2.4μm di larghezza sono state misurate. Questo lavoro è stato interamente sviluppato presso la camera bianca di Polifab, il centro di micro e nano tecnologie del Politecnico di Milano.