CN102944912B - 一种soi基三维交叉波导及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SOI基三维交叉波导及其制作方法，利用低温键合技术，在第一层SOI波导上制作多层高折射率波导，且第一路SOI波导的输入、输出部分分别和其上各层波导间构成高效的光学上行、下行耦合结构，顶层波导与第一层波导的第二路或更多路SOI波导构成三维交叉结构。这种由多层波导级联构成的三维交叉结构中，相邻层波导的间隙较小，光学上下耦合效率很高；顶层波导与第一层波导在垂直方向有足够厚的低折射率介质隔离，交叉损耗和串扰很小。另外，采用波导宽度绝热锥形渐变耦合的光学上下耦合结构，带宽和工艺容差大。

Description

一种SOI基三维交叉波导及其制作方法

技术领域

本发明涉及应用于光通信、光互连、光计算等领域的交叉波导，特别是涉及一种基于SOI材料的三维交叉波导及其制作方法。

背景技术

随着微处理器中晶体管的集成度不断提高，对互连带宽的需求也相应地增长，电互连存在的高功耗、大时延、高串扰等寄生效应日益显著，成为进一步提升带宽的瓶颈。绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)是一种主要用于高端大规模集成电路的硅材料。SOI基光互连除了具有低功耗、高带宽、低串扰等光互连的基本优点外，相比其他材料还有更多的优势：与CMOS工艺兼容；易于单片上光电子集成；折射率差大，器件集成度高。将SOI基光互连网络引入到大规模集成电路中，在单片上实现光电子集成回路，被认为是突破电互连瓶颈的一种有前景的方案。

波导的交叉是光互连网络中不可避免的问题，SOI基光波导结构的折射率差大，交叉区域的强散射导致更显著的损耗与串扰。一般的二维单层交叉波导通过扩展交叉区域、覆盖低折射率包层、改变交叉角度、引入亚波长光栅、激发多模干涉自映像等方法来减弱交叉造成的影响。但这些方法从原理上都存在一定损耗和串扰，当交叉数目大量增加时，就会显著地降低器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在克服上述交叉波导方案的不足，提供一种SOI基三维交叉波导及其制作方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种SOI基三维交叉波导，该SOI基三维交叉波导包括：

刻蚀SOI的顶层硅制作的第一层波导结构，该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉；

在该第一层波导结构的第一路SOI波导之上制作的第二层高折射率波导结构，该第二层高折射率波导结构被断开为第二层输入2-1、第二层输出2-2两部分，且该第二层输入2-1与该第一路SOI波导的第一层输入1-1-1构成光学上行耦合结构，该第二层输出2-2与该第一路SOI波导的第一层输出1-1-2构成光学下行耦合结构；

在该第二层高折射率波导结构之上制作的第三层或者更多层高折射率波导结构；

其中，相邻两层波导结构之间构成光学上行或下行耦合结构，顶层波导3不再断开，且在制作有顶层波导3的SOI之上覆盖低折射率介质4作为包层，并由顶层波导3与第一层波导的第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2构成三维交叉结构。

上述方案中，所述各层波导结构均采用单模波导，波导的形状包括条形、脊形或狭缝形。

上述方案中，所述相邻两层波导结构之间构成的光学上行或下行耦合结构采用波导宽度锥形绝热渐变耦合结构。所述波导宽度锥形绝热渐变的方式包括线性渐变或非线性渐变。

上述方案中，所述第二层、第三层或者更多层波导结构所采用的高折射率材料包括单晶硅、单晶锗或III-V材料，其中III-V材料为InP或GaAs。

上述方案中，所述相邻两层波导结构之间采用低温中间介质键合方法键合在一起。所述采用低温中间介质键合方法时，采用的温度低于400℃，采用的中间介质为低折射率介质4。所述低折射率介质4为SiO₂、Si₃N₄或BCB胶。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作SOI基三维交叉波导的方法，该方法包括：

以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀SOI的顶层硅1制作第一层波导结构；该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2是穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉；

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或旋涂方法，在制作有第一层波导结构的SOI和另一高折射率材料2上分别覆盖用于键合的低折射率介质4；

在键合设备中通过低于400℃的退火后，将两部分键合到一起；然后通过背面腐蚀结合化学机械抛光的方法使高折射率材料2形成平坦的薄膜；

通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀，在第一层波导结构的第一路SOI波导上方的高折射率材料2薄膜上制作第二层波导结构，并且再次断开为第二层输入2-1、第二层输出2-2两部分，该第二层输入2-1与该第一路SOI波导的第一层输入1-1-1构成光学上行耦合结构，该第二层输出2-2与该第一路SOI波导的第一层输出1-1-2构成光学下行耦合结构；

在第二层波导结构上键合第三层或更多层高折射率材料波导，各相邻层波导间构成光学上行、下行耦合结构，顶层波导3不再断开，且在制作有顶层波导3的SOI之上覆盖低折射率介质4作为包层，并由顶层波导3与第一层波导的第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2构成三维交叉结构。

上述方案中，所述在制作有第一层波导结构的SOI和另一高折射率材料2上分别覆盖用于键合的SiO₂中间介质薄膜4之后，还包括：采用化学机械抛光方法，将SiO₂中间介质薄膜4的表面粗糙度降低到小于1nm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种SOI基三维交叉波导及其制作方法，结合了成熟的CMOS工艺与快速发展的低温键合技术，由多层波导级联构成三维交叉结构，这种结构中相邻层波导的间隙较小，能够保证光上下耦合的效率很高，同时也将交叉波导在垂直方向隔得足够远，使得交叉损耗和串扰变得极低。

2、本发明提供的这种SOI基三维交叉波导及其制作方法，在三维交叉波导中引入多层波导级联结构，将第一层波导的第一路SOI波导输入端的光耦合到顶层波导中的效率很高。顶层波导与第一层波导的第二路或更多路SOI波导，在垂直方向有足够厚的低折射率介质隔离，交叉损耗和串扰很小，几乎可以忽略。

3、本发明提供的这种SOI基三维交叉波导及其制作方法，采用的工艺温度低于400℃，能够与CMOS后端工艺相兼容，适于低成本、高集成度、大规模的制造。

4、本发明提供的这种SOI基三维交叉波导及其制作方法，光学上行、下行耦合结构采用波导宽度绝热锥形渐变耦合的结构，不涉及谐振结构，带宽和工艺容差大。

附图说明

图1(a)是本发明提供的SOI基三维交叉波导的剖面图；

图1(b)是本发明提供的SOI基三维交叉波导的俯视图；

图2(a)至图2(e)是本发明提供的制作SOI基三维交叉波导的工艺流程图；

附图标记说明：

0-1：SOI的硅衬底    0-2：SOI的埋氧层    1：SOI的器件层

1-1-1：第一层波导的第一路SOI波导的输入端

1-1-2：第一层波导的第一路SOI波导的输出端

1-2-1：第一层波导的第二路SOI波导

1-2-2：第一层波导的更多路SOI波导

2：另一高折射率材料    2-1：第二层波导的输入端    2-2：第二层波导的输出端    3：顶层波导    4：低折射率介质

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图对本发明提供的SOI基三维交叉波导结构及其制作方法进行详细地说明。首先，介绍本发明的实现原理。本发明主要是利用低温键合技术，将多层高折射率材料键合到第一层SOI波导结构上，且第一路SOI波导结构的输入、输出部分分别和上面各层波导间构成高效的光学上行、下行耦合结构，顶层波导与第一层波导结构的第二路或更多路SOI波导构成三维交叉结构。这种由多层波导级联构成的三维交叉结构中，相邻层波导的间隙较小，第一层波导结构的第一路SOI波导输入端的光可以高效地耦合到顶层波导中再高效地耦合回第一路SOI波导输出端；顶层波导结构与第一层波导结构的第二路或更多路SOI波导，在垂直方向有足够厚的低折射率介质隔离，交叉损耗和串扰很小，几乎可以忽略。另外，相邻层波导结构之间的光学上行、下行耦合结构采用波导宽度绝热锥形渐变耦合的结构，不涉及谐振结构，带宽和工艺容差大。

基于上述实现原理，图1(a)示出了本发明提供的SOI基三维交叉波导的剖面图，图1(b)示出了本发明提供的SOI基三维交叉波导的俯视图，该SOI基三维交叉波导结构包括：

(1)刻蚀SOI的顶层硅制作的第一层波导结构，该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2是穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉；

(2)在该第一层波导结构的第一路SOI波导之上制作的第二层高折射率波导结构，该第二层高折射率波导结构被断开为第二层输入2-1、第二层输出2-2两部分，且该第二层输入2-1与该第一路SOI波导的第一层输入1-1-1构成光学上行耦合结构，该第二层输出2-2与该第一路SOI波导的第一层输出1-1-2构成光学下行耦合结构。

(3)根据对光耦合和交叉损耗的不同需求在该第二层高折射率波导结构之上制作的第三层或者更多层波导结构，其中，相邻两层波导结构之间构成光学上行或下行耦合结构，顶层波导3不再断开，且在制作有顶层波导3的SOI之上覆盖低折射率介质4作为包层，并由顶层波导3与第一层波导的第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2构成三维交叉结构。

所述的各层波导结构均采用单模波导，波导形状包括条形、脊形、狭缝形以及其他不规则形状等。所述相邻两层波导结构之间构成的光学上行或下行耦合结构采用图1(b)所示的波导宽度锥形绝热渐变耦合结构，所述波导宽度锥形绝热渐变的方式包括线性渐变或非线性渐变。所述的第二层、第三层或者更多层波导结构所采用的高折射率材料包括单晶硅、单晶锗、III-V材料(如InP、GaAs等)等。

所述相邻两层波导结构之间采用低温中间介质键合方法键合在一起。所述采用低温中间介质键合方法时，采用的温度低于400℃，采用的中间介质为SiO₂、Si₃N₄、BCB胶等低折射率介质4。

图2(a)至图2(e)示出了本发明提供的制作SOI基三维交叉波导的工艺流程图，其中采用单晶硅作为高折射率材料2、SiO₂作为低折射率中间介质4，共三层波导结构，具体包括以下步骤：

步骤1：如图2(a)所示，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀SOI的顶层硅1制作第一层波导结构；该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2是穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉。

步骤2：如图2(b)所示，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，在制作有第一层波导结构的SOI和另一单晶硅2上分别沉积用于键合的低折射率介质4，该低折射率介质4一般可以采用SiO₂中间介质薄膜4，薄膜厚度应根据光学耦合的需求而定，并采用化学机械抛光方法，将SiO₂中间介质薄膜4的表面粗糙度降低到小于1nm。

步骤3：如图2(c)所示，采用氧气等离子体对带有SiO₂中间介质薄膜4的两部分进行活化处理，在键合设备中通过低于400℃的退火后，将两部分键合到一起；然后通过背面腐蚀结合化学机械抛光的方法使单晶硅2形成平坦的薄膜。

步骤4：如图2(d)所示，通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀，在第一层波导结构的第一路SOI波导上方的单晶硅2薄膜上制作第二层波导结构，并且再次断开为第二层输入2-1、第二层输出2-2两部分，该第二层输入2-1与该第一路SOI波导的第一层输入1-1-1构成光学上行耦合结构，该第二层输出2-2与该第一路SOI波导的第一层输出1-1-2构成光学下行耦合结构。

步骤5：如图2(e)所示，用上述同样的方法在第二层波导结构上键合第三层单晶硅波导3，三层间构成光学上行、下行耦合结构，顶层波导3不再断开，最后在制作有顶层波导3的SOI之上覆盖低折射率介质4作为包层，并由顶层波导3与第一层波导的第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2构成三维交叉结构。

本发明提供的这种SOI基三维交叉波导及其制作方法，主要是利用低温键合技术，将多层高折射率材料键合到第一层SOI波导上，且第一路SOI波导的输入、输出部分分别和上面各层波导间构成高效的光学上行、下行耦合结构，顶层波导与第一层波导的第二路或更多路SOI波导构成三维交叉结构。这种由多层波导级联构成的三维交叉结构中，相邻层波导的间隙较小，光学上下耦合效率很高；顶层波导与第一层波导在垂直方向有足够厚的低折射率介质隔离，交叉损耗和串扰很小。另外，采用波导宽度绝热锥形渐变耦合的光学上下耦合结构，带宽和工艺容差大。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SOI基三维交叉波导，其特征在于，该SOI基三维交叉波导包括:

刻蚀SOI的顶层硅制作的第一层波导结构，该第一层波导结构包括:

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入(1-1-1)、第一层输出(1-1-2)两部分;以及

第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)，该第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉;

在该第一层波导结构的第一路SOI波导之上制作的第二层高折射率波导结构，该第二层高折射率波导结构被断开为第二层输入(2-1)、第二层输出(2-2)两部分，且该第二层输入(2-1)与该第一路SOI波导的第一层输入(1-1-1)构成光学上行耦合结构，该第二层输出(2-2)与该第一路SOI波导的第一层输出(1-1-2)构成光学下行耦合结构;

在该第二层高折射率波导结构之上制作的第三层或者更多层高折射率波导结构;

其中，相邻两层波导结构之间构成光学上行或下行耦合结构，顶层波导(3)不再断开，且在制作有顶层波导(3)的SOI之上覆盖低折射率介质(4)作为包层，并由顶层波导(3)与第一层波导的第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)构成三维交叉结构。

2.根据权利要求1所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述各层波导结构均采用单模波导，波导的形状包括条形、脊形或狭缝形。

3.根据权利要求1所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述相邻两层波导结构之间构成的光学上行或下行耦合结构采用波导宽度锥形绝热渐变耦合结构。

4.根据权利要求3所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述波导宽度锥形绝热渐变的方式包括线性渐变或非线性渐变。

5.根据权利要求1所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述第二层、第三层或者更多层波导结构所采用的高折射率材料包括单品硅、单品锗或III-V材料，其中III-V材料为InP或GaAs。

6.根据权利要求1所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述相邻两层波导结构之间采用低温中间介质键合方法键合在一起。

7.根据权利要求6所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述采用低温中间介质键合方法时，采用的温度低于400℃，采用的中间介质为低折射率介质(4)。

8.根据权利要求7所述的SOI基三维交叉波导，其特征在于，所述低折射率介质(4)为SiO₂、Si₃N₄或BCB胶。

9.一种制作SOI基三维交叉波导的方法，其特征在于，该方法包括:

以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀SOI的顶层硅(1)制作第一层波导结构;该第一层波导结构包括:

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入(1-1-1)、第一层输出(1-1-2)两部分;以及

第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)，该第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)是穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉;

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或旋涂方法，在制作有第一层波导结构的SOI和另一高折射率材料(2)上分别覆盖用于键合的低折射率介质(4);

在键合设备中通过低于400℃的退火后，将两部分键合到一起;然后通过背面腐蚀结合化学机械抛光的方法使高折射率材料(2)形成平坦的薄膜;

通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀，在第一层波导结构的第一路SOI波导上方的高折射率材料(2)薄膜上制作第二层波导结构，并且再次断开为第二层输入(2-1)、第二层输出(2-2)两部分，该第二层输入(2-1)与该第一路501波导的第一层输入(1-1-1)构成光学上行耦合结构，该第二层输出(2-2)与该第一路SOI波导的第一层输出(1-1-2)构成光学下行耦合结构;

在第二层波导结构上键合第三层或更多层高折射率材料波导，各相邻层波导间构成光学上行、下行耦合结构，顶层波导(3)不再断开，且在制作有顶层波导(3)的SOI之上覆盖低折射率介质(4)作为包层，并由顶层波导(3)与第一层波导的第二路SOI波导(1-2-1)或更多路SOI波导(1-2-2)构成三维交叉结构。

10.根据权利要求9所述的制作SOI基三维交叉波导的方法，其特征在于，所述在制作有第一层波导结构的SOI和另一高折射率材料(2)上分别覆盖用于键合的低折射率介质(4)之后，还包括:

采用化学机械抛光方法，将低折射率介质(4)的表面粗糙度降低到小于1nm。

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