CN103033880B - 基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法。在SOI片上的脊波导两侧开有与脊波导平行且等距分布的一排方孔，通过方孔掏去脊波导正下方高损耗的埋氧层，实现中长红外undercut型脊波导结构；或者在SOI片上的脊波导中央刻蚀出狭缝形成slot波导，通过狭缝掏去slot波导正下方高损耗的埋氧层，实现中长红外undercut型slot波导结构。本发明制作的两种波导结构有着很低的传输损耗；其中undercut型slot波导，它的光场主要限制在低折射率的狭缝中，若将在中长红外波段存在特征吸收的化学物质填充在狭缝中，则可构成一个中长红外吸收型传感器。
Description
技术领域
本发明涉及中长红外低损耗光波导制备方法，特别涉及一种基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法。
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。
迄今为止集成光学的研究主要集中在近红外波段,以1.55μm为主，然而中长红外波段具有一些独特的应用前景，也渐渐地引起了人们的重视。中长红外波段在很多领域具有潜在的应用，如光学传感、大气环境监测、自由空间光通信、生物医学工程、热成像、红外军事对抗。中长红外光（3-100μm）以其在上述领域中的独特优势，促使研究人员将集成光学的研究推动到这一波段。
而中长红外硅基光电子器件有着很多的优点：远大于近红外波段的等离子体色散效应；双光子吸收现象在很大程度上减弱；硅材料在某些特定波段内（3-8μm）的损耗较低；在工艺上，由于器件的尺寸容限更大、工艺降低、CMOS工艺同样适用，所以在近红外波段内对工艺要求颇高的slot波导、光子晶体等结构在这一波段内制备难度大为降低。
硅材料在中长红外3-8微米是透明的，同时二氧化硅在波长低于3.6微米的波段也有着较低的吸收，使得SOI材料在中长红外很有前景。目前，SOI材料被大量使用在光集成回路和光电集成回路中，但工作波长还是受到埋氧层的影响，二氧化硅在超过3.6微米的波段会带来很大的吸收损耗。在波长大于3.6微米的二氧化硅高吸收波段，本专利提供两种基于SOI材料的低损耗光波导的制作方法。
基于SOI的中长红外硅基光波导我们首先要考虑硅和二氧化硅在该波段的吸收损耗。本征硅相较于二氧化硅在中长红外波段内的吸收损耗是较低的，其中3-8μm为低损耗区。而在整个中长红外波段内（除了2.9-3.6μm），二氧化硅的损耗都非常高。所以当波长大于3.6μm时，SOI波导埋氧层会引入很大的吸收损耗。同时在中长红外波段，近红外波段内作为限制层的氧化层不能很好的限制光场，会发生模式泄漏，也会引入很大的传输损耗。
发明内容
针对以上提到的埋氧层的吸收损耗和弱的模场限制，本发明的目的在于提供一种基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法，通过掏空脊波导正下方的埋氧层,来消除二氧化硅带来的吸收损耗，同时取代埋氧层的空气对光场有着更强的限制。
本发明采用的技术方案如下：
在SOI片上的脊波导两侧开有与脊波导平行且等距分布的一排方孔，通过方孔掏去脊波导正下方高损耗的埋氧层，实现中长红外undercut型脊波导结构；或者在SOI片上的脊波导中央刻蚀出狭缝形成slot波导，通过狭缝掏去slot波导正下方高损耗的埋氧层，实现中长红外undercut型slot波导结构。
所述的在SOI片上开有的一排方孔是采用二次氧化和二次光刻在波导两侧开出平行且等距分布的一排方孔，将方孔处深刻蚀到埋氧层，利用氢氟酸溶液通过方孔掏去脊波导正下方的埋氧层，实现这种波导结构；波导的正下方为空气，使得波导等效于悬浮在空气中的薄膜脊波导。
所述的在SOI片上脊波导中央刻蚀出的狭缝是采用二次氧化和二次光刻在脊波导脊的中央开出狭缝，将狭缝处深刻蚀到埋氧层，利用氢氟酸溶液通过狭缝掏去波导正下方高损耗的埋氧层，实现这种波导结构；波导的正下方为空气，使得波导等效于悬浮在空气中的薄膜slot波导。
所述的slot波导，它的光场限制在低折射率的狭缝中，将在中长红外波段存在特征吸收的化学物质填充在狭缝中，则构成一个中长红外吸收型传感器。
本发明具有的有益效果是：
制作材料使用应用广泛的SOI片，易于购买，质量高；制作工艺与C-MOS兼容；即使常用的紫外光刻技术也可满足要求；设计灵活，具有重要的研究意义和应用价值。
制作的中长红外undercut型脊波导结构和中长红外undercut型slot波导结构有着很低的传输损耗。
基于SOI材料的undercut型slot波导，它的光场主要限制在低折射率的狭缝中，若将在中长红外波段存在特征吸收的聚合物材料或者其他的化学物质填充在狭缝中，则可构成一个中长红外吸收型传感器。
附图说明
图1 标准工艺制备的SOI脊波导的截面图。
图2 标准工艺制备的SOI脊波导的俯视图。
图3 波导两侧开孔并刻蚀到埋氧层的截面图。
图4 波导两侧开孔并刻蚀到埋氧层的俯视图。
图5 掏空埋氧层得到的undercut型脊波导的截面图。
图6 在脊波导中央开狭缝并刻蚀到埋氧层的截面图。
图7 在脊波导中央开狭缝并刻蚀到埋氧层的俯视图。
图8 掏空埋氧层得到的undercut型slot波导的截面图。
图9 基于undercut型slot波导的吸收型传感器的截面图。
图10基于undercut型slot波导的吸收型传感器的俯视图。
图中：1—硅；2—埋氧层；3—空气；4—方孔；5—狭缝；6—化学物质。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
1、将SOI片解理成所阳尺寸，按照标准清洗工艺清洗、烘干备用，同时清洗光刻板；
2、将SOI片放入热氧化炉中，干氧和湿氧交替进行两次，使之生长一层致密的氧化层，厚度在600nm左右；
3、利用匀胶机旋涂光刻胶后前烘30分钟，再使用光刻机将光刻板上的波导图形转移到SOI片上，显影、定型以及后烘、坚膜；
4、用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺在上表面硅1上将波导刻蚀出来，如图1、图2所示；
5、再次清洗SOI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、如图3、图4、图5所示，二次光刻在波导两侧开出平行且等距分布的一排方孔4，使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺将方孔处深刻蚀到埋氧层2，利用氢氟酸溶液通过方孔掏去脊波导正下方的埋氧层2，实现中长红外undercut型脊波导结构；或者如图6、图7、图8所示，二次光刻在SOI片上脊波导中央刻蚀出的狭缝5，将狭缝处深刻蚀到埋氧层2，利用氢氟酸溶液通过狭缝掏去波导正下方高损耗的埋氧层2，实现中长红外undercut型slot波导结构；
7、如图9、图10所示，将在中长红外波段存在特征吸收的化学物质6填充在undercut型slot波导结构狭缝中，则构成一个中长红外吸收型传感器。
Claims (2)
1.一种基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法，其特征在于：在SOI片上的脊波导中央刻蚀出狭缝（5）形成slot波导，通过狭缝（5）掏去slot波导正下方高损耗的埋氧层（2），实现中长红外undercut型slot波导结构；
所述的在SOI片上脊波导中央刻蚀出的狭缝（5）是采用二次氧化和二次光刻在脊波导脊的中央开出狭缝（5），将狭缝处深刻蚀到埋氧层（2），利用氢氟酸溶液通过狭缝掏去波导正下方高损耗的埋氧层（2），实现这种波导结构；波导的正下方为空气（3），使得波导等效于悬浮在空气中的薄膜slot波导。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOI材料制备中长红外undercut型光波导的方法，其特征在于：所述的slot波导，它的光场限制在低折射率的狭缝中，将在中长红外波段存在特征吸收的化学物质（6）填充在狭缝中，则构成一个中长红外吸收型传感器。
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