CN102385109A

CN102385109A - 光波导耦合结构的制作方法

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Publication number: CN102385109A
Application number: CN2011103352649A
Authority: CN
Inventors: 仇超
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102385109B

Abstract

一种光波导耦合结构的制作方法，包括步骤：提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；刻蚀所述单晶硅层至露出所述氧化掩埋层表面，形成至少一个下层光波导；刻蚀所述下层光波导，在所述下层光波导的其中一个端部形成交替排列的沟槽和凸起，所述沟槽和凸起构成下层周期光栅；形成覆盖所述下层光波导和下层周期光栅的第一介质层；在第一介质层上形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部。本发明的方法改善了光波导的布局，提高光波导的传输性能。

Description

光波导耦合结构的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制作领域，更涉及一种光波导耦合结构的制作方法。

背景技术

光波导(optical waveguide)是由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

在用于通信波段的众多光波导材料中，绝缘体上硅材料由于其强大的光限制能力，易于制作亚微米级的低损耗光波导，同时制备工艺与微电子集成电路的制作工艺兼容，大大的减少了制备光电芯片的成本，使之成为实现高密度光电集成芯片的最具竞争力的材料之一。

现有应用绝缘体上硅材料制作光波导的步骤包括：提供绝缘体上硅衬底(SOI)，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；刻蚀所述单晶硅层露出氧化掩埋层表面，形成光波导的单晶硅内芯；形成覆盖所述内芯和氧化掩膜层表面的介质层，所述介质层和氧化掩埋层构成光波导的包层。由于单晶硅层的折射率大于介质层和氧化掩埋层的折射率，因此光被限制在单晶硅内芯中传输。光发射器发出的光经过光波导被光接收器接收，完成光的整个传输过程。

然而随着器件的特征尺寸不断减小，芯片的集成度不断提高，现有平面光波导集成技术中，在绝缘体上硅衬底上形成的光波导的密度不断增加以及曲线光波导的应用，光波导的传输性能受到极大影响。

更多关于光波导的制作方法请参考公开号为US2002/0001446A1的美国专利。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种光波导耦合结构的制作方法，改善了光波导的布局，减小光波导的密度，提高光波导的传输性能。

为解决上述问题，本发明提供一种光波导耦合结构的制作方法，包括步骤：

提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；

刻蚀所述单晶硅层露出所述氧化掩埋层表面，形成至少一个下层光波导；

刻蚀所述下层光波导，在所述下层光波导的其中一个端部形成交替排列的沟槽和凸起，所述沟槽和凸起构成下层周期光栅；

形成覆盖所述下层光波导和下层周期光栅的第一介质层；

在第一介质层上形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部，所述下层周期光栅和下层周期光栅构成光波导的耦合结构。

可选的，所述一个沟槽和相邻的一个凸起构成下层周期光栅的一个周期，周期数量为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700纳米。

可选的，所述下层周期光栅沟槽的刻蚀深度为20～300纳米。

可选的，所述第一介质层的材料为二氧化硅。

可选的，所述第一介质层的厚度小于300纳米。

可选的，所述上层光波导和上层周期光栅的形成方法为：刻蚀所述第一介质层，在所述第一介质层表面形成交替排列的第一介质层凸起和第一介质层沟槽，所述第一介质层凸起和第一介质层沟槽与下层周期光栅位置对应；形成覆盖所述第一介质层，第一介质层凸起和第一介质层沟槽的波导薄膜层；刻蚀所述波导薄膜层，形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部。

可选的，所述上层光波导的周期数量为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700纳米。

可选的，所述波导薄膜层的材料为单晶硅、多晶硅、或氮化硅。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

形成下层光波导和上层光波导两层光波导层，通过下层周期光栅和上层周期光栅构成的光波导耦合结构，下层光波导中传输的光经过双层周期光栅的耦合传输到上层光波导中，与现有的平面光波导集成技术中光在平面光波导中传输相比，通过双层周期光栅的耦合，第一介质层上的形成的上层光波导替代现有平面绝缘体上硅衬底上形成的部分光波导，减小了绝缘体上硅衬底上形成的光波导的密度，改善了光波导的布局，提高光波导的传输性能。

附图说明

图1为本发明实施例光波导耦合结构的制作方法的流程示意图；

图2为本发明实施例在绝缘体硅衬底上形成有光波导的立体结构示意图；

图3是图2沿切割线a-b方向的剖面结构示意图；

图4～图7为本发明实施例光波导耦合结构的制作过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

发明人在制作光波导的过程中发现，随着器件的特征尺寸不断减小，芯片的集成度不断提高，在现有平面光波导集成技术中，为了提高绝缘体上硅衬底单位面积的利用率，绝缘体上硅衬底上形成的光波导的密度不断增加，使得光波导之间的介质层变得越来越薄，甚至产生紧紧相邻的情况，导致光波导之间易产生光线干扰，影响器件稳定性。另外，曲线光波导应用在平面集成光波导技术中，曲线光波导容易引起光的传输损耗，影响光的传输性能。

为此，发明人提出了一种光波导耦合结构的制作方法，包括步骤：提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；刻蚀所述单晶硅层至露出所述氧化掩埋层表面，形成至少一个下层光波导；刻蚀所述下层光波导，在所述下层光波导的其中一个端部形成交替排列的沟槽和凸起，所述沟槽和凸起构成下层周期光栅；形成覆盖所述下层光波导和下层周期光栅的第一介质层；在第一介质层上形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部，所述下层周期光栅和下层周期光栅构成光波导的耦合结构。与现有的平面光波导集成技术中光在平面光波导中传输相比，本发明光波导耦合结构的制作方法改善了光波导的布局，提高光波导的传输性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参考图1，为本发明实施例光波导耦合结构的制作方法的流程示意图，包括：

步骤S201，提供绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；

步骤S202，刻蚀所述单晶硅层露出所述氧化掩埋层表面，形成下层光波导；

步骤S203，刻蚀所述下层光波导，在所述下层光波导的一端形成交替排列的沟槽和凸起，所述沟槽和凸起构成下层周期光栅；

步骤S204，形成覆盖所述下层光波导和下层周期光栅的第一介质层；

步骤S205，刻蚀所述第一介质层，在所述第一介质层表面形成交替排列的第一介质层凸起和第一介质层沟槽，所述第一介质层凸起和第一介质层沟槽与下层周期光栅位置对应；

步骤S206，形成覆盖所述第一介质层，第一介质层凸起和第一介质层沟槽的波导薄膜层；

步骤S207，刻蚀所述波导薄膜层，形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部，所述上层周期光栅和下层周期光栅构成光波导的耦合结构。

图2为本发明实施例在绝缘体硅衬底上形成有光波导的立体结构示意图；图3是图2沿切割线a-b方向的剖面结构示意图；图4～图7为本发明实施例光波导耦合结构的制作过程的剖面结构示意图。

参考图2和图3，提供绝缘体上硅衬底(SOI)，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层300、氧化掩埋层301和单晶硅层(图中为示出)；刻蚀所述单晶硅层至露出氧化掩埋层301表面，形成至少一个下层光波导302。

所述氧化掩埋层301的材料为二氧化硅(SiO2)；所述氧化掩埋层301厚度为大于1微米；所述刻蚀后的单晶硅层作为下层光波导302的内芯，所述氧化掩埋层301作为下层光波导302的包层，氧化掩埋层301对光的折射率小于单晶硅层对光的折射率，因此能将光限制在单晶硅层形成的光波导中传输。

所述下层光波导302的具体形成方法为：采用旋转涂布工艺在所述绝缘体上硅的单晶硅层上形成一层光刻胶层；采用曝光和显影工艺形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述单晶硅层至露出氧化掩埋层301表面，形成下层光波导302；去除所述图形化的光刻胶层。

在本发明的其他实施例中所述光波导之间还形成有隔离结构用于光波导之间的隔离。

参考图4，刻蚀所述下层光波导302，在所述下层光波导302上的一个端部形成交替排列的沟槽304和凸起303，所述沟槽304和凸起303构成下层周期光栅305，一个沟槽和相邻的一个凸起构成下层周期光栅305的一个周期。

本实施例中以在下层光波导302的右端形成下层周期光栅305为例，在本发明的其他实施例中下层周期光栅305形成在下层光波导302的左端。

所述沟槽304的刻蚀深度小于或等于所述下层光波导302的厚度，沟槽304的刻蚀的深度20～300纳米，若沟槽304刻蚀深度太大，如刻穿所述下层光波导302，将加大光在下层光波导302与氧化掩埋层301界面的反射，加大了光的损耗；若沟槽304刻蚀深度太小，光在下层周期光栅305处的衍射强度变小，影响光的传输性能。

所述下层周期光栅305的周期数为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700纳米，所述占空比为下层周期光栅305的一个周期中凸起303的宽度与单个周期长度的比例。光经过下层周期光栅305衍射后，衍射光与下层光波导302法线方向的夹角的正弦值与下层周期光栅305的周期数有关，下层周期光栅305的周期数的太大或太小均会影响夹角的大小，本实施例中下层周期光栅305的周期数为20～50使得衍射光以平行于下层光波导302法线方向或者与下层光波导302法线方向的小夹角方向经后续形成的第一介质层传输到上层周期光栅中，减小了衍射光传输距离，进而减小了衍射光的传输损耗。

本发明实施例提供下层周期光栅305由于占空比为0.5～0.9，常被称为大占空比光栅，下层周期光栅305的沟槽形成窄缝结构，光场在此处发生交叠，从而集中了衍射的光场能量，有利于光的向上耦合。

参考图5，形成覆盖所述下层光波导302和下层周期光栅305的第一介质层306。

所述第一介质层306可经由化学气相沉积(CVD)、高密度化学气相沉积(HPCVD)、旋转式玻璃法(SOG)、物理气相沉积(PVD)或者其他合适的方法形成。

所述第一介质层306的材料为二氧化硅(SiO2)。

所述第一介质层306的厚度小于300纳米，第一介质层306如果太厚加大了下层周期光栅305耦合光向上传输的损耗。

所述第一介质层306的折射率小于下层光波导302对光的折射率，第一介质层306和氧化掩埋层301共同构成下层光波导302的包层，减小了光在下层光波导302传输时的损耗。

参考图6，刻蚀所述第一介质层306，在所述第一介质层306表面形成交替排列第一介质层凸起307和第一介质层沟槽308，所述第一介质层沟槽308和第一介质层凸起307与下层周期光栅305的位置对应。

所述第一介质层沟槽308的刻蚀深度小于第一介质层306的厚度，避免与下层周期光栅305的表面接触，以免影响下层周期光栅305对光的衍射和干扰衍射光的传输。

参考图7，形成覆盖所述第一介质层306、第一介质层凸起307和第一介质层沟槽308的波导薄膜层；刻蚀所述波导薄膜层，形成上层光波导309和上层周期光栅310，所述上层周期光栅310与下层周期光栅305位置对应，所述上层周期光栅310位于上层光波导309的一个端部，所述上层周期光栅310和下层周期光栅305构成光波导的耦合结构。所述波导薄膜层可经由化学气相沉积(CVD)、高密度化学气相沉积(HPCVD)、旋转式玻璃法(SOG)、物理气相沉积(PVD)或者其他合适的方法形成。

在本发明的其他实施例中，所述上层光波导309位于上层周期光栅310的右边，上层周期光栅310与下层周期光栅305的位置对应。

所述波导薄膜层材料为单晶硅、多晶硅或氮化硅，本实施中所述波导薄膜层的材料为单晶硅。

所述上层周期光栅310由第一介质层凸起307和填充满波导薄膜层的沟槽308a构成。所述一个第一介质层凸起307和相邻的一个填充满波导薄膜层的沟槽308a构成上层周期光栅310的一个周期。

所述上层周期光栅310周期数为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700，所述占空比为上层周期光栅310的一个周期中填充满波导薄膜层的沟槽308a的宽度与单个周期长度的比例。上层周期光栅310利用光传输的可逆性，将下层周期光栅305的衍射光耦合到上层光波导309中。本实施例所述上层光波导309的材料为单晶硅与下层光波导302的材料相同，为了使光从上层周期光栅310更好的耦合到上层光波导309中，所述上层周期光栅310周期数和占空比与下层周期光栅305周期数和占空比相同。

在本发明的其他实施例中，所述上层周期光栅310周期数和占空比与下层周期光栅305周期数和占空比不相同。

本实施中上层光波导309的另外一端(与上层周期光栅310相反的一段)还形成有周期光栅(图中未示出)，使得上层光波导309的光向上或向下耦合。

本发明实施例中光在波导中的传输过程为：光发射器(图中为示出)提供输入光，输入光经过下层光波导302进入下层周期光栅305，经过下层周期光栅305的衍射，输入光向上衍射进入上层周期光栅310；上层周期光栅310将接收的衍射光耦合到上层光波导309中，光接收器(图中为示出)接收从上层光波导309输出的光，实现入射光从下层光波导302到上层光波导309的传输。光发射器和光接收器与光波导的耦合方式为现有技术，在此不再赘述。

本实施例中形成上层光波导309替代现有平面光波导技术在绝缘体上硅衬底上形成的部分光波导，比如曲线光波导，或者将现有技术形成的光波导在长度上分成两部分，在采用本发明提供的光波导耦合结构的制作方法在形成光波导时，一部分光波导形成在绝缘体上硅衬底300上作为下层光波导，另一部分形成在第一介质层306作为上层光波导，上层光波导和下层光波导之间通过下层周期光栅和上层周期光栅耦合，减小了现有平面光波导技术在绝缘体上硅形成的光波导的数量，减小了光波导的密度，改善了光波导的布局，提高光波导的传输性能。

综上，本发明实施例通过形成下层光波导和上层光波导两层光波导层，通过下层周期光栅和上层周期光栅构成的光波导耦合结构，下层光波导中传输的光经过双层周期光栅的耦合传输到上层光波导中，与现有的平面光波导集成技术中光在平面光波导中传输相比，通过双层周期光栅的耦合，第一介质层上的形成的上层光波导替代现有绝缘体上硅衬底上形成的部分光波导，减小了绝缘体上硅衬底上形成的光波导的密度，改善了光波导的布局，提高光波导的传输性能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：

形成覆盖所述下层光波导和下层周期光栅的第一介质层；

2.如权利要求1所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述一个沟槽和相邻的一个凸起构成下层周期光栅的一个周期，周期数量为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700纳米。

3.如权利要求1所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述下层周期光栅沟槽的刻蚀深度为20～300纳米。

4.如权利要求1所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述第一介质层的材料为二氧化硅。

5.如权利要求1所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述第一介质层的厚度小于300纳米。

6.如权利要求1所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述上层光波导和上层周期光栅的形成方法为：刻蚀所述第一介质层，在所述第一介质层表面形成交替排列的第一介质层凸起和第一介质层沟槽，所述第一介质层凸起和第一介质层沟槽与下层周期光栅位置对应；形成覆盖所述第一介质层，第一介质层凸起和第一介质层沟槽的波导薄膜层；刻蚀所述波导薄膜层，形成上层光波导和上层周期光栅，所述上层周期光栅与下层周期光栅位置对应，所述上层周期光栅位于上层光波导的一个端部。

7.如权利要求6所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述上层光波导的周期数量为20～50，占空比为0.5～0.9，单个周期的长度为500～700纳米。

8.如权利要求6所述的光波导耦合结构的制作方法，其特征在于，所述波导薄膜层的材料为单晶硅、多晶硅、或氮化硅。