CN102096149B - 一种硅基长波红外光波导及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基长波红外光波导及其制备方法，本发明是在普通硅片上制备出波导结构，再通过热氧化法制备出二氧化硅掩膜，然后进行二次光刻，在波导的两侧开出窗口，KOH溶液进行湿法腐蚀，通过选择合适的浓度及温度实现不同晶面的刻蚀速率，通过侧向腐蚀达到开槽的目的。利用这种方式制备的长波红外下的光波导结构简单，工艺难度小，只需要普通硅片，不用价格昂贵的SOI片，亦无须自停止腐蚀工艺实现背向深刻蚀。针对不同的波长，可以通过对结构参数的优化，可以实现低的传输损耗。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学器件，特别涉及一种基于湿法腐蚀工艺制备梯形平台支撑倒梯形下端面的硅基长波红外（3um以上）光波导结构及其制备方法。
背景技术
新世纪以来，以互联网、新一代移动通信技术为代表的IT产业极大的促进了集成光电子器件的研究和发展，而其自身的发展同样推广了它们的应用范围，从通信领域逐步拓展到了工业、军事、能源、医疗、生物、传感等领域。特别是与目前发展成熟的CMOS工艺相结合的硅基光电子器件为实现低成本、大规模的功能化、模块化创造了可能。
目前我们所应用的硅基光波导器件主要在1.55um附近的通信波段，但是在波长更长的红外波段同样有它的用处，比如传感、成像、红外光谱分析等。对于长波红外的定义，不同的文献有着不同的论述在本文中，我们将其定义为从3um以上。在这个波段范围内，器件可以有更大的尺寸，更大的工艺容差，从而降低了制备的工艺要求。但是长波红外下光波导器件的发展同样面临着一个巨大的挑战，即如何实现一个低损耗的波导结构。
目前长波红外波导的主要结构主要分为以下四种：1.Ge/Si、Sapphire/Si等异质结结构波导；2.HOLLOW-CORE结构的中空波导；3.在SOI片背向开空气槽的Undercut SOI波导结构；4.利用质子束直写法制备的Freestanding结构的波导。和异质结结构波导相比，本发明不需要采用PECVD、溅射等制膜技术，降低了工艺设备的要求； HOLLOW-CORE结构的中空波导是由英国萨里大学Reed课题组提出的，它不同于传统的光在高折射率区传播的光波导，是在空心波导外包裹着多层包层，将光场限制在折射率低的芯层中传播。Hollow-core结构的光波导主要有两种结构：基于Bragg-mirror的包层和基于ARROW(anti-resonant reflecting optical waveguide)的包层。这种结构对工艺要求的难度更大，需要反复沉积不同材料的包层；而Undercut SOI波导结构和本发明相比需要采用自停止工艺做深刻蚀，同样需要在衬底硅上做二次氧化和二次光刻，并且存在一个对准的问题。此外，由于需要腐蚀多达350um以上的整个衬底硅，作为掩膜的二氧化硅层的厚度大大增加，仅仅采用热氧化法不能达到所要求的厚度，还需要采用溅射等方法；利用质子束直写法制备的Freestanding结构的波导对设备要求太高，并且很难制备出较大的尺寸，在长波红外的应用中损耗比较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅基长波红外光波导及其制备方法。本发明基于侧面开槽工艺，通过减小波导衬底的折射率（硅变成了空气），从而避免了光场向衬底泄漏的问题，实现了低传输损耗的波导结构。
本发明采用的技术方案如下：
一种硅基长波红外光波导，它是将衬底硅上的波导下端面两侧利用湿法腐蚀中硅的各向异性腐蚀掏空，形成两个空气槽，仅保留一个梯形支撑柱。
进一步地，所述梯形支撑柱的宽度为：
一种上述硅基长波红外光波导的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备：将普通硅片解理成与匀胶机载物台匹配的尺寸，清洗硅片、烘干备用，同时清洗光刻板；
（2）生长二氧化硅作为掩膜：将硅片放入热氧化炉中，干氧和湿氧交替进行两次，时间分别为30分钟和60分钟，在硅片表面生长一层致密的氧化层，厚度为600-800nm；
（3）光刻工艺：利用匀胶机旋涂光刻胶后前烘28-30分钟，再使用光刻机将光刻板上的波导图形转移到硅片上，显影、定型以及后烘、坚膜；
（4）波导图形的刻蚀：使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺将波导刻蚀出来；
（5）二次氧化，制备二氧化硅掩膜：再次清洗硅片，将其放入热氧化炉中进行二次氧化制备二氧化硅掩膜；
（6）二次光刻：方法同步骤3，在波导区域的两侧开出一个二氧化硅的窗口，作为下一步湿法腐蚀工艺开空气槽的位置；
（7）湿法腐蚀工艺制备空气槽：使用KOH+IPA+H2O作为刻蚀液，设定温度在55-60摄氏度，进行硅的各向异性湿法腐蚀。利用不同的晶向具有不同的刻蚀速率这一特点，即在其侧面会出现一定程度地钻蚀，将二氧化硅掩膜下方的硅衬底掏空；
（8）形成波导图形：当腐蚀侧壁超过掩膜后，腐蚀液同样会对波导的下端面产生腐蚀，使波导不再是一个标准的矩形，对波导下端面的吃进深度可以由空气槽的刻蚀深度，即反应时间控制；
（9）氧化层的剥离：用NH4F+HF+H20将剩下的二氧化硅掩膜剥离掉，减小由于二氧化硅层的存在对长波红外光的吸收作用。
本发明具有的有益效果是，本发明将空气槽引入波导结构，将波导的下端面两侧掏空，实现光场的有效限制。又不像背面刻蚀开空气槽的方法需要采用SOI（Silicon-On-Insulator）片，也不需要为了实现背向深刻蚀而采用自停止工艺和制备2um以上的二氧化硅掩膜。两侧的空气槽并没有凿通，而在中间保留一个梯形的平台区域，起着支撑硅波导的作用。同时，由于钻蚀现象的存在使得硅波导的下端面两侧发生一定程度上的侵蚀，不再是一个标准的矩形波导结构，而成为倒梯形结构，这种结构对光场的限制是有积极作用。故本发明具有结构简单，工艺难度低，设计灵活等特点，在将来硅基长波红外器件的应用中有良好的前景和价值。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是一般工艺流程完成后的波导结构示意图。
图3是图2经过热氧化制备掩膜的结构示意图。
图4是图3经过开窗后的结构图。
图5是在波导两侧开槽的结构图。
图6是波导的下端面发生侵蚀的结构示意图。
图7是硅的各向异性腐蚀所生成的角度示意图。
图8是用软件分析光的模场分布示意图。
图9是用BPM算法分析直波导传输示意图。
图中：1、波导，2、空气槽，3、梯形支撑柱，4、衬底硅。
具体实施方式
本发明的原理是：KOH+IPA的混合液是一种常用的硅的各向异性腐蚀液，它具有成本低、工艺难度小、无毒等特点。在体硅加工中存在着三种晶面：（100）面、（111）面、（110）面。由于硅的不同晶向上原子密度不同使之具有不同的腐蚀速率，原子密度大的晶向，腐蚀速率慢；原子密度小的晶向，腐蚀速率快。因为（111）面的腐蚀速率最小，所以我们一般将其作为各向异性腐蚀的停止面，通过控制腐蚀液的配比和腐蚀温度将腐蚀速率控制在
，使得（100）面和（110）面之间存在一个54.7度的夹角，通过这个夹角和刻蚀深度之间的关系可以计算出波导两侧所需要的掩膜长度，并且在一些情况下，存在掩膜下方依然被腐蚀的情况，即钻蚀现象，如图7所示。
本发明先在普通硅片上制备出光波导结构，利用R.A. Soref提出的脊形波导的单模条件，计算出波导的尺寸，但需要考虑保留余量作为生长二氧化硅掩膜。通过热氧化法制备出二氧化硅掩膜，然后进行二次光刻，在波导的两侧开出窗口，KOH溶液进行湿法腐蚀，通过选择合适的浓度及温度实现不同晶面的刻蚀速率，最后在波导的两侧开空气槽。
本发明的硅基长波红外光波导是将衬底硅4上的波导1下端面两侧利用湿法腐蚀中硅的各向异性腐蚀掏空，形成两个空气槽2，仅保留一个梯形支撑柱3。
本发明在普通（100）面的硅片上采用一般工艺制备的脊波导结构基础上，采用二次氧化和二次光刻在波导两侧开出倒梯形的空气槽，利用硅的各向异性腐蚀掏空波导下方的硅衬底，实现这种波导结构。
本发明利用硅的各向异性腐蚀中的侧向腐蚀将波导下方的硅掏空，仅在波导下方中央保留一个小的平台作为支撑区；同时，波导的下端面由于钻蚀现象而在两侧产生一个（110）面的腐蚀面；这个支撑区的宽度和波导下端面侵蚀深度都可以由正切公式计算得出。为了将光场限制在波导区域内，而不使之向衬底泄漏，可以利用等效波长计算出一个波导宽度Wwaveguide和支持区宽度Wtaper最小值。即在某一个特定波长，特定波段宽度时，梯形支撑柱3的宽度为：
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明是在一般制备波导结构工艺的基础上再进行一次氧化、光刻、腐蚀流程，实现在波导的两侧开出空气槽，经过仿真分析开槽深度要大于30um方能起到将光场限制在波导区域内的作用。
本发明的工艺流程（前四步与一般工艺相同）：
1. 准备：
将普通硅片解理成与匀胶机载物台匹配的尺寸，清洗硅片、烘干备用，同时清洗光刻板；
2. 生长二氧化硅作为掩膜：
将硅片放入热氧化炉中，干氧和湿氧交替进行两次，时间分别为30分钟和60分钟，在硅片表面生长一层致密的氧化层，厚度为600-800nm；
3. 光刻工艺：
利用匀胶机旋涂光刻胶后前烘28-30分钟，再使用光刻机将光刻板上的波导图形转移到硅片上，显影、定型以及后烘、坚膜；
4. 波导图形的刻蚀：
使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺将波导刻蚀出来，如图2所示；
5. 二次氧化，制备二氧化硅掩膜：
再次清洗硅片，因为不同的刻蚀溶液对不同的材料有着不同的溶解速率，故将其放入热氧化炉中进行二次氧化制备二氧化硅掩膜，如图3所示；
6. 二次光刻：
方法同步骤3，在波导区域的两侧开出一个二氧化硅的窗口，作为下一步湿法腐蚀工艺开空气槽的位置，如图4所示；
7. 湿法腐蚀工艺制备空气槽：
使用KOH+IPA+H2O作为刻蚀液，设定温度在55-60摄氏度，进行硅的各向异性湿法腐蚀。利用不同的晶向具有不同的刻蚀速率这一特点，即在其侧面会出现一定程度地钻蚀，将二氧化硅掩膜下方的硅衬底掏空，如图5所示；
8. 形成波导图形：
当腐蚀侧壁超过掩膜后，腐蚀液同样会对波导的下端面产生腐蚀，使波导不再是一个标准的矩形，对波导下端面的吃进深度可以由空气槽的刻蚀深度，即反应时间控制，如图6所示；
9. 氧化层的剥离：
用NH4F+HF+H20将剩下的二氧化硅掩膜剥离掉，减小由于二氧化硅层的存在对长波红外光的吸收作用。
如图1所示，依照上述工艺流程我们可以制备出利用梯形平台支撑下端面为倒梯形的长波红外硅基光波导器件。
1. 该结构包括下端面为倒梯形的波导区域，梯形平台的支撑区域，空气槽
2. 该结构中下端面为倒梯形的波导被梯形平台支撑起来，而在波导两侧的空气槽是实现上述两种结构的关键因素。
实施例：
以波长为10.6um，需要刻蚀30um为例，侧面腐蚀长度可由正切公式得出，
，通过计算波导的宽度与支撑平台宽度之比要大于2.5，在本例中，波导的宽度为5um，则支撑平台的宽度要小于2um，所以掩膜的长度为
。
在掏空波导下端面衬底硅的过程中同样由于钻蚀作用，使波导的下端面会发生一定程度的侵蚀，侵蚀作用会停止于达到波导侧壁的氧化层时。侵蚀面与水平面所成夹角同样是54.7度，故垂直方向的侵蚀深度是可以由正切公式计算得出。在本例中，波导一侧所被掏空的距离为1.5um，故波导内被侵蚀的深度为2.33um。由于这个钻蚀作用的存在，使得波导不再是一个标准的矩形结构，但这个倒梯形的下端面对限制光场是有积极作用的，我们利用商业软件的有限元算法可以得出光场分布仿真的结果，如图8所示，可以看到，光场被有效地限制在波导区域内。而利用BPM算法对波长为10.6um，波导长度为10000um的该波导进行仿真，如图9所示，传输损耗低至0.01dB/cm。
综上所述，和目前已有文献报道的四种波导结构相比，本发明采用普通硅片制备、结构简单、工艺要求低、工艺容差大。针对不同的波长范围应用时，只需要调整相关波导尺寸和掩膜区的长度即可。
Claims (1)
1.一种硅基长波红外光波导的制备方法，所述硅基长波红外光波导是将衬底硅上的波导下端面两侧利用湿法腐蚀中硅的各向异性腐蚀掏空，形成两个空气槽，仅保留一个梯形支撑柱；其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）准备：将普通硅片解理成与匀胶机载物台匹配的尺寸，清洗硅片、烘干备用，同时清洗光刻板；
（2）生长二氧化硅作为掩膜：将硅片放入热氧化炉中，干氧和湿氧交替进行两次，时间分别为30分钟和60分钟，在硅片表面生长一层致密的氧化层，厚度为600-800nm；
（3）光刻工艺：利用匀胶机旋涂光刻胶后前烘28-30分钟，再使用光刻机将光刻板上的波导图形转移到硅片上，显影、定型以及后烘、坚膜；
（4）波导图形的刻蚀：使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺将波导刻蚀出来；
（5）二次氧化，制备二氧化硅掩膜：再次清洗硅片，将其放入热氧化炉中进行二次氧化制备二氧化硅掩膜；
（6）二次光刻：方法同步骤（3），在波导区域的两侧开出一个二氧化硅的窗口，作为下一步湿法腐蚀工艺开空气槽的位置；
（7）湿法腐蚀工艺制备空气槽：使用KOH+IPA+H2O作为刻蚀液，设定温度在55-60摄氏度，进行硅的各向异性湿法腐蚀；利用不同的晶向具有不同的刻蚀速率这一特点，即在其侧面会出现一定程度地钻蚀，将二氧化硅掩膜下方的硅衬底掏空；
（8）形成波导图形：当腐蚀侧壁超过掩膜后，腐蚀液同样会对波导的下端面产生腐蚀，使波导不再是一个标准的矩形，对波导下端面的吃进深度可以由空气槽的刻蚀深度，即反应时间控制；
（9）氧化层的剥离：用NH4F+HF+H20将剩下的二氧化硅掩膜剥离掉，减小由于二氧化硅层的存在对长波红外光的吸收作用。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120815 Termination date: 20140119 |