Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Silicon photonic grating coupler for monitoring optical emission of plasma

1Minhee Lee, 2Sung Chul Kim and 1Sang Jeen Hong

1Department of Electronic Engineering, Myongji University, Korea
2Department of Telecommunication & Information Engineering, Myongji  University, Korea
 

Download this article

Abstract. An optical waveguide and a grating coupler based on silicon photonics are designed and fabricated. The device is intended for monitoring the spectral line 777 nm of oxygen plasma, which corresponds to electron relaxation of oxygen atoms in the plasma. To provide a maximum surface-coupling efficiency, we optimize the thickness of silicon-oxide cladding and the geometry of the grating coupler, using finite differential time-domain simulations. Two methods are used when fabricating a silicon photonic chip, a micro-fabrication with electron-beam lithography and a semiconductor-based process that employs a 248 nm optical lithography technology. We suggest our coupler as a conceptual approach to on-wafer photon-collecting devices designed for studying glow-discharge plasmas.

Keywords: silicon photonics, plasma monitoring, plasma emission spectroscopy, sensors

PACS: 85.60.-q 
UDC: 621.3 
Ukr. J. Phys. Opt. 19: 244-253
doi: 10.3116/16091833/19/4/244/2018
Received: 25.09.2018

Анотація. ЗРозроблено і виготовлено оптичний хвилевод та ґратковий пристрій зв’язку на основі кремнієвої фотоніки. Прилад призначений для контролю спектральної лінії 777 нм плазми кисню, яка відповідає електронній релаксації атомів кисню в плазмі. Для забезпечення максимальної ефективності поверхневого зв’язку оптимізовано товщину оболонки з оксиду кремнію та геометрію ґраткового пристрою зв’язку на основі моделювання за методом скінченних приростів у часовій області. Для виготовлення кремнієвої фотонної мікросхеми використано два способи – мікро-конструювання за методом електронно-променевої літографії та процес формування напівпровідників, що базується на оптичної літографії за технологією 248 нм. Запропонований пристрій зв’язку можна використовувати як концептуальний підхід до створення приладів накопичення фотонів на підкладці, призначених для вивчення плазми тліючого розряду.
REFERENCES
  1. Dalton T J, Conner W T and Sawin H H, 1994. Interferometric real-time measurement of uniformity for plasma etching. J. Electrochem. Soc. 141: 1893–1900. doi:10.1149/1.2055023
  2. Buie M J, Pender J T, Soniker J and Brake M L, 1995. In situ diagnostic for etch uniformity. J. Vacuum Sci. & Technol. A. 13: 1930–1937. doi:10.1116/1.579632
  3. Wum B, Kumar A and Pamarthy S, 2010. High aspect ration silicon etch: A review. J. Appl. Phys. 108: 051101. doi:10.1063/1.3474652
  4. Lee C G N, Keren Kanarik J and Gottscho R A, 2014. The grand challenges of plasma etching: A manufacturing perspective. J. Phys. D: Appl. Phys. 47: 1–9. doi:10.1088/0022-3727/47/27/273001
  5. http://electroiq.com/blog/2016/08/evolution-of-across-wafer-uniformity-control-in-plasma-etch/
  6. Oh C, Ryoo H, Lee H, Kim S, Yi H and Han J, 2010. Spatially resolved optical emission spectroscopy for analyzing density uniformity of semiconductor process plasma. Rev. Sci. Instrum. 81: 103109. doi:10.1063/1.3488104
  7. Kim I J and Yun I, 2016. Plasma process uniformity diagnostics technique using optical emission spectroscopy with spatially resolved ring lens. IEEE Trans. Industrial Electron. 63: 5674–5681. doi:10.1109/TIE.2016.2571261
  8. Zhu Y, Jiao Y, Wang J, Xie W, Tian B and Van Thourhout D, 2015. Ultra-compact silicon nitride grating coupler for microscopy system. Symposium of the IEEE Photonics Society. Brussels (Belgium), 55–58.
  9. Hwang S, Lee M, Kim S and Hong S, 2017. Characterization of silicon nitride-cored silicon photonics waveguide material for optical microring resonator. J. Nanoelectron. Optoelectron. 12: 903–907. doi:10.1166/jno.2017.2155
  10. Kim B and Hong S, 2014. In-situ virtual metrology for the silicon-dioxide etch rate by using optical emission spectroscopy data. J. Korean Phys. Soc. 65: 168–175. doi:10.3938/jkps.65.168
  11. Jang B and Hong S, 2018. Spectroscopic analysis of film stress mechanism in PECVD silicon nitride. Trans. Electrical and Electronic Mater. 19: 1–9. doi:10.1007/s42341-018-0006-z
  12. Ali S A and Hong S, 2017. Compact arrayed waveguide gratings for visible wavelengths based on silicon nitride. Ukr. J. Phys. Opt. 18: 239–248. doi:10.3116/16091833/18/4/239/2017
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics