CN101308230A - 绝缘体上硅基三维楔形模斑转换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微机械加工的SOI(绝缘体上硅)基三维楔形模斑转换器及制作方法，用于光纤等光源设备与硅基波导等小尺寸光电子器件的高效耦合。该模斑转换器的制作利用硅晶片不同晶面的选择性腐蚀特性，采用体硅微机械加工工艺实现，属微电子学与固体电子学领域。本发明采用SOI材料，利用光刻、各向异性腐蚀和干法刻蚀等微机械工艺进行加工制作，得到在垂直和水平方向均有线性变化的三维楔形模斑转换器结构，可以有效提高通用光纤和小尺寸平面波导等光学及光电子器件的耦合效率。本发明的制作方法具有工艺简单，兼容性好，可控性强，实用性强等优点。

Description

绝缘体上硅基三维楔形模斑转换器及其制备方法

技术领域

本发明属光电子技术领域，特别是涉及一种基于微机械加工的SOI(Silicon-On-Insulator绝缘体上硅)基三维楔形模斑转换器，具体的说是一种利用硅晶片不同晶面的选择性腐蚀特性，采用体硅微机械加工工艺实现SOI基三维楔形模斑转换器的制作方法。

背景技术

20世纪60年代以来，光电子集成获得了长足的发展。集成电路发展的主流趋势就是集成系统的小型化。在用于通信波段的众多波导材料中，SOI材料特有的三明治结构在光电子器件的制备上有着得天独厚的优势，硅和二氧化硅材料的折射率分别为3.45和1.4，高对比的折射率大大提高了光信号在SOI基光电子器件中的传输效率，而SiO₂材料的折射率与空气(折射率为1)极为相近，即使没有表面覆盖层，SOI基光电子器件仍具有很好的对称环境，很大程度的简化了大部分光电子集成器件的制作工艺。除此之外，SOI材料还有着无与伦比的成本优势、工艺成熟性、与IC工艺兼容等特点，成为最有竞争力的实现光学集成和光电子集成的候选材料。

长期以来，SOI亚微米器件并没有大规模的应用于实际通信系统。一个很重要的原因是由于单模传输波导中的模斑尺寸小于1μm，而普通单模光纤中的模斑尺寸为8-10μm，由于二者之间模斑尺寸及有效折射率失配，光从光纤进入这种小尺寸的波导通常会带来很大的损耗。所以在集成光电子学领域，小尺寸光电子器件与光纤之间的耦合问题是一个长期具有挑战性的课题。

自60年代光电子研究开始，基于损耗分析，为了降低光纤和波导以及光纤和光子晶体之间的模式失配和有效折射率失配，国内外研究人员已经提出了许多耦合方法。在集成电路中，通常采用楔形结构作为模斑转换器来跟外界的元件连接。楔形模斑转换器的功能就是把光纤中的模式转化为波导中的模式。正向楔形结构是最直观的一种结构，与光纤连接的一端扩展为光纤尺寸大小，与小尺寸光电子器件连接的一端拉成楔形，一般包括二维楔形模斑转换器和三维楔形模斑转换器两种结构。其中，二维楔形模斑转换器结构较简单，研究较成熟，目前已通过对边界曲线形状和耦合长度的控制实现了较高的耦合效率。然而，由于在垂直方向的尺寸限制，其模场分布一般为扁平的椭圆形，与通用光纤的圆形高斯模场分布严重失配，大大降低了光纤与耦合器入射波导的耦合效率，在实际应用上具有很大的局限性。目前三维楔形模斑转换器的研究主要集中在理论分析和模拟上，水平方向和垂直方向灵活的尺寸变化使其有效提高了与光纤模场的匹配，具有更高的实用价值。由于工艺水平的限制，SOI基三维模斑转换器的实现，主要采用灰度掩膜技术(参见文献：Fabrication and characterization of three-dimensional silicon tapers，29 December 2003/Vol.11，No.26/OPTICS EXPRESS)。该方法主要采用深紫外曝光技术实现，工艺要求高，过程较复杂，曝光及刻蚀过程可控性较差，器件尺寸精度较低。因此我们提出了一种利用硅微机械加工工艺制作的SOI上的三维耦合器，制作工艺稳定可靠，而且能够大大提高光纤与硅基波导之间的耦合效率。

目前，针对硅晶体的各向异性特性的研究日臻成熟，体硅微机械加工工艺也日益完善，硅晶圆在各向异性腐蚀溶液如KOH中的腐蚀遇到(111)面会产生近乎腐蚀停止的特性。这是由于硅(111)面上每一个硅表面原子仅一个悬挂键，其初始反应仅与一个OH^-结合，紧接着的反应打断硅表面原子的三个背键，需转移3个电子到导带，且要结合三个OH^-，形成含水的硅化合物Si(OH)₄后，再与KOH进一步反应形成硅络合物，从而实现对硅表面的腐蚀。相比较而言，(111)表面硅原子有三个背键，且背键上的电子对应的能级较低，而(100)面每个硅原子只有两个背键，(110)面虽然每一个表面原子也有三个背键，但其背键表面态能级较高，且(110)面与隧道方向相应，H₂O容易穿透，所以，在KOH溶液中，(111)面的腐蚀速率远小于(100)面和(110)面，在50℃浓度为40％的KOH溶液中，(110)面、(100)面与(111)面的腐蚀速率比约为650∶400∶1。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用微机械加工实现的绝缘体上硅的三维楔形模斑转换器及其制作方法，所涉及的初始加工材料为顶层硅晶向为为(111)的SOI材料，利用硅晶片不同晶面的选择性腐蚀特性，采用各向异性腐蚀、光刻、干法刻蚀等微电子相关工艺加工得到在水平和垂直方向同时做线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种SOI基三维楔形模斑转换器，其特征在于：所述的模斑转换器包括与光纤等光源设备连接的耦合器输入波导端，与硅基光电子器件相接的耦合器输出波导端，连接耦合器输入波导端和耦合器输出波导端的在垂直和水平方向均有线性变化的三维楔形耦合器。

所述的楔形耦合器纵向线性变化的斜率为0.06～0.07，耦合器输入波导端的截面尺寸为5～12μm，耦合器输出波导端的截面尺寸为0.1μm～2μm，且输入端的尺寸大于输出端的尺寸。

所述的耦合器输出波导(2)与模斑转换器小尺寸端厚度均为0.1μm～2μm，二者厚度相当，且相互平滑连接。

所述的耦合器输入输出波导的方向平行于SOI片的对准边。

一种SOI基三维楔形模斑转换器的制备方法，包括下列步骤：

(1)确定选用SOI圆片参数，包括顶层硅厚度、埋氧层厚度和掺杂类型等，根据实际耦合需要确定三维楔形模斑转换器输入/输出波导端尺寸、耦合长度，进行光刻版的制作；

(2)氧化，在SOI表面形成氧化层；

(3)光刻，腐蚀，在氧化层表面形成各向异性腐蚀窗口；

(4)将样片置于各向异性腐蚀溶液中腐蚀；

(5)去氧化层，获得与SOI表面呈倾斜角为4°±1°的斜面，其纵向尺寸呈线性变化，长度及厚度均可控制，垂直方向的斜率为0.06～0.07；

(6)光刻，刻蚀，将耦合器输出波导区域减薄至与斜面较薄端厚度相当，二者厚度可达0.01μm～2μm；

(7)套准光刻，采用光刻胶作为掩膜进行干法刻蚀，得到在垂直和水平方向均线性变化的模斑转换器；

(8)去胶，划片，清洗，完成同时在垂直方向和水平方向线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器的制作。

上述的步骤(1)的SOI圆片选用顶层硅晶面为(111)的SOI圆片为初始材料，衬底硅为(111)晶面，或(100)晶面或(110)晶面。

上述的步骤(4)制作过程所需要的各向异性腐蚀过程在KOH、TMAH等溶液中完成。

有益效果

本发明的加工方法具有工艺简单，可控性强的优点，所制作的SOI基三维楔形模斑转换器在垂直方向和水平方向的尺寸变化及耦合长度均可根据不同器件需求灵活变化，与IC工艺兼容，可以有效提高通用光纤和小尺寸平面波导等光电子器件的耦合效率，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明的SOI基三维楔形模斑转换器结构示意图，其中：

1-耦合器输入波导端    2-耦合器输出波导端    3-三维楔形耦合器

图2-8为本发明的SOI基三维楔形模斑转换器部分工艺流程示意图，其中：

图2为未处理过的顶层硅为(111)的SOI圆片；

图3为SOI表面氧化后示意图；

图4为腐蚀窗口示意图；

图5为各向异性腐蚀结果示意图；

图6为去氧化层后示意图；

图7为耦合器输出波导区域减薄后示意图；

图8为SOI基三维楔形模斑转换器结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明所涉及的SOI材料，顶层硅晶面为(111)。在生产过程中，由于单晶硅(111)面表面悬挂键密度很小，且极易产生钝化，故SOI圆片生产厂商所提供的(111)圆片表面并不是真正的(111)面，而是与(111)面呈一定夹角的晶面，此夹角一般为4°±1°。

在各向异性腐蚀过程中，(111)面具有极低的腐蚀速率。因此，经过一段时间的腐蚀后，SOI圆片表面所露出的边界就是真正的(111)晶面，与原SOI表面呈约4°的夹角。

利用顶层硅为(111)的SOI材料这一特性，将SOI材料表面氧化后，光刻刻蚀在材料表面开腐蚀窗口，在KOH或TMAH等各向异性腐蚀溶液中腐蚀足够时间，根据硅晶片不同晶面的选择性腐蚀特性，材料表面有真正的硅(111)晶面露出。去除氧化层后即可在SOI材料表面得到倾斜角为4°左右的(111)斜面，其纵向尺寸呈线性变化，长度及厚度均可严格控制，垂直方向的斜率为0.06～0.07。得到该(111)斜面后，进一步光刻并采用干法刻蚀工艺，将耦合器输出波导区域减薄至与斜面较薄端厚度相当，二者厚度根据不同实验器件要求而定，一般可达0.01μm～2μm。去胶、清洗后，使用带有二维楔形耦合器图形的光刻版套刻，该图形在水平方向的尺寸变化可根据不同器件要求而定，具有较强的灵活性。仍采用干法刻蚀工艺刻蚀加工，以实现耦合器水平方向的线性变化，从而得到纵向尺寸和横向尺寸同时线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器。该方法制作的耦合器(线性变化的(111)斜面)部分表面质量良好，粗糙度RMS值仅为0.78nm，大大降低了由于器件表面粗糙引起的散射损耗。

实施1：

选用4寸SOI圆片，顶层硅晶面为(111)，厚度6μm，埋层SiO₂厚度1μm，衬底硅晶面为(100)。设定三维楔形模斑转换器耦合长度为70μm，耦合器输入/输出波导尺寸分别为6μm×6μm和1μm×1μm。

(1)氧化。在初始SOI材料表面形成厚度为

的氧化层。

(2)光刻，HF腐蚀。在氧化层上腐蚀形成尺寸为70μm×100μm的腐蚀窗口。

(3)置于55℃浓度为40％的KOH溶液中腐蚀1.5-2小时。

(4)清洗，去氧化层。得到厚度由6μm线性变化至约1μm的(111)斜面。

(5)光刻，刻蚀。将耦合器输出波导区域(与斜面小尺寸端连接的区域)干法刻蚀减薄至1μm。

(6)清洗，去胶。得到如图2-6所示结构。

(7)套准光刻。本步骤所使用的光刻版带有二维楔形模斑转换器图形，其耦合长度为70μm，耦合器输入/输出端宽度分别为6μm和1μm。采用光刻胶作为掩膜，干法刻蚀得到水平方向尺寸线性变化的模斑转换器外形。

(8)去胶，划片，清洗。

完成输入/输出端尺寸分别为6μm×6μm和1μm×1μm的垂直方向和水平方向尺寸均线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器的制作。

实施2：

选用4寸SOI圆片，顶层硅晶面为(111)，厚度9μm，埋层SiO₂厚度为0.5μm，衬底硅晶面为(110)。设定三维楔形模斑转换器耦合长度为130μm，耦合器输入/输出波导尺寸分别为9μm×9μm和0.5μm×0.5μm。

(1)氧化。在初始SOI材料表面形成厚度为

的氧化层。

(2)光刻，HF腐蚀。在氧化层上腐蚀形成尺寸为130μm×130μm的腐蚀窗口。

(3)置于50℃浓度为40％的TMAH溶液中腐蚀2～3.5小时。

(4)清洗，去氧化层。得到厚度由9μm线性变化至约0.5μm的(111)斜面。

(5)光刻，刻蚀。将耦合器输出波导区域(与斜面小尺寸端连接的区域)干法刻蚀减薄至0.5μm。

(6)清洗，去胶。得到如图2-6所示结构。

(7)套准光刻。本步骤所使用的光刻版带有二维楔形模斑转换器图形，其耦合长度为130μm，耦合器输入/输出端宽度分别为9μm和0.5μm。采用光刻胶作为掩膜，干法刻蚀得到水平方向尺寸线性变化的模斑转换器外形。

(8)去胶，划片，清洗。

完成输入/输出端尺寸分别为9μm×9μm和0.5μm×0.5μm的垂直方向和水平方向尺寸均线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器的制作。

Claims (7)

1.一种SOI基三维楔形模斑转换器，其特征在于：所述的模斑转换器包括与光纤光源设备连接的耦合器输入波导端(1)，与硅基光电子器件相接的耦合器输出波导端(2)，连接耦合器输入波导端(1)和耦合器输出波导端(2)的在垂直和水平方向尺寸均线性变化的三维楔形耦合器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器，其特征在于：所述的楔形耦合器纵向线性变化的斜率为0.06～0.07，耦合器输入波导端(1)的截面尺寸为5～12μm，耦合器输出波导端(2)的截面尺寸为0.1μm～2μm，且输入端的尺寸大于输出端的尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器，其特征在于：所述的耦合器输出波导(2)与模斑转换器小尺寸端厚度均为0.1μm～2μm，二者厚度相当，且相互平滑连接。

4.根据权利要求1所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器，其特征在于：所述的耦合器输入输出波导的方向平行于SOI片的对准边。

5.根据权利要求1所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器的制备方法，包括下列步骤：

(1)确定选用SOI圆片参数，包括顶层硅厚度、埋氧层厚度和掺杂类型，根据实际耦合需要确定三维楔形模斑转换器输入/输出波导端尺寸、耦合长度，进行光刻版的制作；

(2)氧化，在SOI表面形成氧化层；

(3)光刻，腐蚀，在氧化层表面形成各向异性腐蚀窗口；

(4)将样片置于各向异性腐蚀溶液中腐蚀；

(5)去氧化层，获得与SOI表面呈倾斜角为4°±1°的斜面，其纵向尺寸呈线性变化，长度及厚度均可控制，垂直方向的斜率为0.06～0.07；

(6)光刻，刻蚀，将耦合器输出波导区域减薄至与斜面较薄端厚度相当，二者厚度可达0.01μm～2μm；

(7)套准光刻，采用光刻胶作为掩膜进行干法刻蚀，得到在垂直和水平方向均线性变化的模斑转换器；

(8)去胶，划片，清洗，完成同时在垂直方向和水平方向线性变化的SOI基三维楔形模斑转换器的制作。

6.根据权利要求5所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)的SOI圆片选用顶层硅晶面为(111)的SOI圆片为初始材料，衬底硅为(111)晶面，或(100)晶面或(110)晶面。

7.根据权利要求5所述的一种SOI基三维楔形模斑转换器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)制作过程所需要的各向异性腐蚀过程在KOH、TMAH溶液中完成。

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