CN102565940A - 一种三维波导结构及其制作方法 - Google Patents

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时文华
付思齐
缪小虎
周韦娟
张宝顺
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Abstract

本发明设计光学技术领域，尤其是一种三维波导结构及其制作方法，包括以下步骤：在基底上生长下包层；在下包层上生长第一波导芯层；然后刻蚀第一波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成第一波导层；控制生长温度70℃～200℃，生长第一隔离层；剥离第一波导层表面的第一隔离层，并采用化学机械抛光法降低第一隔离层及第一波导层表面粗糙度；控制生长温度70℃～200℃，生长第二隔离层；在第二隔离层上生长第二波导芯层；然后刻蚀第二波导芯层，控制刻蚀深度至在第二隔离层，形成第二波导层；在所述第二隔离层及第二波导层表面生长上包层，获得三维波导结构。通过本发明方法制作的三维波导能大大减少波导交叉损耗，达到忽略损耗的程度。

Description

一种三维波导结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及光互连、光子集成技术领域，特别指一种三维波导的制作方法。
背景技术
国际半导体技术蓝图(ITRS)预测，至2024年，集成电路集成度将达到每平方厘米1000亿个晶体管，而一个4平方厘米面积的多核CPU芯片将包含数万个CPU核心。对于数万个核心之间的互连问题，现有的3D铜互连技术显然已经无法满足要求。ITRS预测，至2020年芯片内铜互连技术必将被下一代全新的技术所取代。光互连可以实现“Tbs/通道”的通信量，基于光子集成技术的芯片内光互连被认为最有希望替代现有3D铜互连技术，以实现未来芯片内数万个CPU核心之间海量的数据连接。
然而随着片内光波导集成度的提高，波导交叉不可避免。传统的波导交叉均是单层结构，其交叉损耗大于1dB/cross，虽然已经采取了很多方法以减小交叉损耗，但是这些方法均带来较为复杂的工艺，从而加大了制作难度，并且交叉损耗很难做到小于0.5dB/cross。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种三维波导结构及其制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在基底上生长下包层；
步骤二：在下包层上生长第一波导芯层；然后以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀第一波导芯层，控制刻蚀深度至下包层，形成第一波导层；
步骤三：控制生长温度70℃～200℃，在光刻胶(14)及下包层表面生长第一隔离层；
步骤四：溶解所述步骤三的光刻胶并剥离第一波导层表面的第一隔离层，然后采用化学机械抛光法降低第一隔离层及第一波导层的表面粗糙度；
步骤五：在第一隔离层及第一波导层表面生长第二隔离层；
步骤六：在第二隔离层上生长第二波导芯层；然后以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀第二波导芯层，控制刻蚀深度至在第二隔离层，形成第二波导层；
步骤七：溶解所述步骤六的光刻胶后在所述第二隔离层及第二波导层表面生长上包层，获得三维波导结构。
其中，所述第二波导层与第一波导层是交叉设置的。
为了进一步降低表面粗糙度，采用化学机械抛光的方法使所述第二隔离层及第一波导层表面粗糙度小于20纳米。
为了对两层波导结构起到良好的隔离作用，所述下包层、第三隔离层以及上包层的厚度均大于1微米；所述第二隔离层厚度大于0.4微米。
进一步地，所述下包层、第一隔离层、第二隔离层以及上包层的制作材料均为SiO2。
进一步地，所述第一波导层、第二波导层的制作材料为非晶硅、多晶硅、氮化硅或SiON中的任一种。
为了达到良好的刻蚀效果，所述步骤二及步骤六所述的干法刻蚀法刻蚀气体为SF6和CHF3，控制射频功率为200W。
本发明还提供这种方法制作出的三维波导交叉结构，包括基底和多层波导结构，在基底表面上从下至上依次生长下包层、第一隔离层及位于其中部的第一波导层、第二隔离层、第二波导层以及上包层。其中，所述第二波导层与第一波导层交叉设置。
这种结构可以使第一波导层及第二波导层得到很好的隔离，两波导之间可以交叉设置，其交叉损耗能忽略。
有益效果：本发明在三维波导结构的制作过程中特别引入了波导表面平坦化工艺，可以将相互交叉的两根波导分别制作在两个不同的隔离包层之中，这样只要选择合适的隔离层材料与厚度，其交叉损耗将小到可以忽略的程度。
附图说明
图1为本实施例三维波导结构的制作步骤一至四的流程图。
图2为本实施例三维波导结构的制作步骤五至七的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步介绍这种三维波导结构及其制作方法。
步骤一：如图1的(a)所示，采用等离子体增强化学气相沉积法(简称：PECVD)工艺，在基底11上生长一层厚度为1.5μm的SiO2，形成下包层12。在其他实施例中，下包层12厚度均大于1μm。
步骤二：在下包层12上生长第一波导芯层，以及制作第一波导层13。先采用PECVD法生长厚度为500nm的Si3N4形成第一波导芯层。其中，第一波导芯层的厚度即第一波导层14所需的厚度。然后利用光刻方法在第一波导芯层表面涂抹光刻胶14，厚度为1.8μm，形成所需的波导图形。
以光刻胶14为掩膜，采用干法刻蚀法刻蚀第一波导芯层至下包层12露出后停止。本实施例中采用反应离子刻蚀法(RIE)，刻蚀气体为SF6和CHF3，调节两气比，控制温度70℃～200℃，射频功率为200W。制作成横向宽度1μm的第一波导层13，如(b)所示。第一波导层13表面的光刻胶14保留。
步骤三：如(c)所示，采用PECVD法生长SiO2层，作为第一隔离层15。第一隔离层15需要达到一定的厚度，使其表面能与第一波导层13表面平齐，在本实施例中，在下包层12没有被刻蚀的情况下，第一隔离层15厚度为500nm。
步骤四：将步骤三所得的样品浸入丙酮溶液，超声3分钟，光刻胶14被溶解，同时光刻胶14顶部的第一隔离层15被剥离。接着采用化学机械抛光(CMP)方法，使下包层12表面的第一隔离层16与第一波导层15两表面平齐，并进一步降低表面粗糙度至小于20纳米。抛光后结构如(d)所示。
步骤五：如图2的(e)所示，采用PECVD法在步骤四处理后的样品表面生长SiO2层，作为第二隔离层16，厚度为500纳米。在其他实施例中，第二隔离层16的厚度至少需要400nm。
步骤六：参照步骤二的工艺方法，制作第二波导层17，如(f)所示，该第二波导层17的厚度与步骤二中的第一波导层13厚度一致。
步骤七：最后采用PECVD法在第二波导层17及第二隔离层16表面生长一层厚度为300nm的SiO2，形成上包层18，获得三维波导结构，如(g)所示。
在其他实施例中，包层或隔离层的生长方法还可以是低压化学汽相淀积法(LPCVD)或电感耦合法(ICP-PECVD)；波导芯层的材料(3)可以是折射率大于SiO2折射率(1.45)的介质材料中任一种，比如：非晶硅、多晶硅、Si3N4、SiON。
通过上述方法获得一种三维波导交叉结构，参见(g)所示，这种结构包括基底11和多层波导，在基底11表面上从下至上依次为下包层12、第一隔离层15及位于其中部的第一波导层13、第二隔离层16、第二波导层17以及上包层18。
其中，由于两波导分别制作在不同隔离层之中，使得波导结构不局限于平行，而是可以任意角度交叉、甚至重叠。这样只要选择合适的隔离层材料与厚度，其交叉损耗将减少到可以忽略的程度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施例只局限与这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种三维波导结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在基底(11)上生长下包层(12)；
步骤二：在下包层(12)上生长第一波导芯层；然后以光刻胶(14)为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀第一波导芯层，控制刻蚀深度至下包层(12)，形成第一波导层(13)；
步骤三：控制生长温度70℃～200℃，在光刻胶(14)及下包层(12)表面生长第一隔离层(15)；
步骤四：溶解所述步骤三的光刻胶(14)并剥离第一波导层(13)表面的第一隔离层(15)，然后采用化学机械抛光法降低第一隔离层(15)及第一波导层(13)的表面粗糙度；
步骤五：在第一隔离层(15)及第一波导层(13)表面生长第二隔离层(16)；
步骤六：在第二隔离层(16)上生长第二波导芯层；然后以光刻胶为掩膜采用干法刻蚀法刻蚀第二波导芯层，控制刻蚀深度至在第二隔离层(16)，形成第二波导层(17)；
步骤七：溶解所述步骤六的光刻胶后在所述第二隔离层(16)及第二波导层(17)表面生长上包层(18)，获得三维波导结构。
2.根据权利要求1所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述第二波导层(17)与第一波导层(13)交叉设置。
3.根据权利要求1所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述第二隔离层(16)及第一波导层(13)表面粗糙度小于20纳米。
4.根据权利要求1所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述第一隔离层(15)厚度大于1微米，所述第二隔离层(16)厚度大于0.4微米。
5.根据权利要求3所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述下包层(11)、第一隔离层(15)、第二隔离层(16)以及上包层(18)制作材料均为SiO2。
6.根据权利要求1所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述第一波导层(13)、第二波导层(17)的制作材料为非晶硅、多晶硅、氮化硅或SiON中的任一种。
7.根据权利要求1所述三维波导结构的制作方法，其特征在于，所述步骤二及步骤六所述的干法刻蚀法刻蚀气体为SF6和CHF3，射频功率为200W。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种三维波导结构，包括基底(11)和多层波导，其特征在于，在基底(11)表面上从下至上依次为下包层(12)、第一隔离层(15)及位于其中部的第一波导层(13)、第二隔离层(16)、第二波导层(17)以及上包层(18)。
9.根据权利要求8所述三维波导结构，其特征在于，所述第二波导层(17)与第一波导层(13)交叉设置。
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