CN103809239B - 亚波长波导及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种亚波长波导及制备方法。首先，在含氧基底表面沉积硬掩膜；随后，在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层；接着，以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层；最后，以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构，本发明的亚波长波导结构紧凑，制备方法能与集成电路工艺兼容。

Description

亚波长波导及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种亚波长波导及制备方法。
背景技术
随着硅集成电路特征尺寸的下降，单位面积晶体管密度呈指数增长，2020年特征尺寸为10nm左右的制造工艺将投入量产，晶体管密度将是2009年的16倍。随着芯片的特征面积越来越小、信号的时钟频率越来越高、信号对时钟同步要求越来越复杂等，以铜互连为基础的电互连技术将越来越难以满足芯片间高密度光通信和光交换持续增长的需求。
光互连技术由于具备带宽大、功耗低、延迟短、无串扰和匹配及电磁兼容等优势，成为满足高速计算和海量信息传输要求的关键技术。比较而言，光通信的延迟主要取决于光交换的体系结构，功耗主要消耗在光电转换端点上，而在传递过程中并不增加额外的功耗，因此有助于降低全局通信延迟和提高全局通信的带宽/功耗比值；而且能够在较低的损耗条件下，有效地避免高速信号传输所引起的串扰，降低信号失真的发生等问题，实现较高的信号完整性。此外，光互连技术不受到芯片引脚的限制，可大大增加片外带宽，因此采用光互连可以克服电互连的电磁干扰和带宽瓶颈，获得更好的系统性能，支持更大规模的集成电路芯片互连网络。低功耗高密度光电接口模块的使用，还可以降低整个系统的功耗获得更高的系统密度。
与早期基于III-V族光器件和光纤网络组装构建的光互连系统相比，基于集成电路工艺的硅基光电集成技术能够实现光电集成、可大批量生产、低成本和高速率的优势，逐渐成为解决互连问题的关键技术。构成硅基光电集成芯片的核心无源器件是光波导，其功能等同于光纤网络的光纤，用于光信号的传输，也是各类核心硅基光电器件的必要组成部分。目前在硅基光波导中最常用到的单模光波导是500nm×220nm的纳米线光波导，与集成电路发展到32nm的主流技术相比，光波导和对应的光器件显得尤为笨重，因此低功耗和小尺寸也是硅基光电集成芯片和核心器件的发展方向，也是实现光电集成的技术要求。
亚波长波导，顾名思义就是比光波长还要小一个数量级的光波导，对于通信波段而言就是尺寸在百纳米量级特征线宽的波导。目前这类波导主要由以下几类：金属表面等离激元亚波长波导、空气缝波导以及光子晶体波导等。利用金属表面等离激元更容易实现结构紧凑的亚波长波导，然而由于金属对于通信波段光波的吸收而且常用到的金银等材质并不能与集成电路工艺完全兼容，因此并不是亚波长波导的首选；光子晶体亚波长波导需要制备光子晶体阵列，在其中实现线缺陷或者利用自准直原理进行光束传输，整体看来导致波导面积过大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单且吸收损耗小的亚波长波导。
本发明的另一目的在于提供一种能与集成电路工艺兼容的制备亚波长波导的方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备亚波长波导的方法，其至少包括：
A）在含氧基底表面沉积硬掩膜；
B）在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层；
C）以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层；
D）以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
优选地，以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜、采用反应离子束刻蚀或者离子束刻蚀来形成单排周期性硬掩膜图形层。
优选地，以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜、采用深反应离子束刻蚀或反应离子束刻蚀对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
本发明提供一种亚波长波导，其至少包括：含氧基底，其顶层被刻蚀成形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
优选地，所述含氧基底为绝缘体上的硅、绝缘体上的硅锗或者绝缘体上的锗。
优选地，单排周期性柱体结构中的单个柱体成圆柱形。
优选地，单排周期性柱体结构中的单个柱体的半径范围是25纳米~200纳米。
优选地，单排周期性柱体结构中的柱体排列周期是柱体半径的2~4倍。
优选地，含氧基底的顶层厚度范围在1~10微米。
优选地，含氧基底的含氧层厚度为0.5~3微米。
如上所述，本发明的亚波长波导及制备方法，具有以下有益效果：能够避免采用金属材料的亚波长波导器件所具有的吸收损耗，结构紧凑，而且与集成电路工艺兼容。
附图说明
图1至图6显示为本发明的制备亚波长波导的方法流程图。
图7显示为加工完成的本发明的SOI衬底上的亚波长波导、以及光束在该亚波长波导中传播的图像示意图。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的制备亚波长波导的方法至少包括以下步骤：
第一步：在含氧基底表面沉积硬掩膜。
例如，提供一片作为含氧基底的SOI基底1，如图1所示，该SOI基底1包括硅衬底11、二氧化硅埋层12及顶层硅13。其中，该SOI基底1厚度500微米，二氧化硅埋层12的厚度为2微米，顶层硅13的厚度为1微米。
对该SOI基底1进行氧化，在顶层硅13上形成100纳米SiO2作为硬掩膜2，如图2所示。
第二步：在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层。
例如，在图2所示的结构正面进行光刻，形成圆状单排光刻胶图形层3，如图3所示，其中，单排光刻胶图形层3由100个周期构成，周期为300nm，光刻胶图形层的单个圆柱图形直径为100nm。
第三步：以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层。
例如，以图3所示的周期性单排光刻胶图形层为掩膜，采用反应离子束刻蚀硬掩膜2，也就是刻蚀SiO2，来形成单排周期性硬掩膜图形层4，如图4所示。
第四步：以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
例如，以图4所示的单排周期性硬掩膜图形层4为掩膜，采用深反应离子束刻蚀顶层硅13，形成单排周期性硅圆柱5，如图5所示，其中，硅圆柱5高度1微米；随后再去除光刻胶柱体3，形成能传输用于1.55微米通信波段的亚波长波的单排周期性柱体结构，如图6所示。
需要说明的是，上述所述仅仅只是列示，而非对本发明的限制，例如，采用的含氧基底还可以为绝缘体上的硅锗（GeSiOI）、或者绝缘体上的锗（GeOI）等；又例如，也可以在含氧基底表面沉积一层SiON或者SiNx作为硬掩膜等。
基于上述制备方法所制备的亚波长波导至少包括：含氧基底，其顶层被刻蚀成形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构，如图7所示。其中，图7中标号a的图为加工完成的SOI衬底上的亚波长波导示意图、标号为b的图为光束在波导中传播的图像示意图。
其中，所述含氧基底为绝缘体上的硅（SOI）、绝缘体上的硅锗或者绝缘体上的锗等；含氧基底的顶层厚度范围在1~10微米；含氧基底的含氧层厚度为0.5~3微米。
其中，单排周期性柱体结构中的单个柱体成圆柱形，单排周期性柱体结构中的单个柱体的半径范围是25纳米~200纳米；单排周期性柱体结构中的柱体排列周期是柱体半径的2~4倍。
综上所述，本发明基于硅锗等集成电路兼容的高折射率材料，利用类似于金属表面等离激元的共振耦合原理，利用单排圆柱结构实现亚波长波导，相对于常用的硅纳米线波导尺寸缩小到亚波长尺度，更利于减小芯片面积以及光电集成；与采用光子晶体线缺陷和自准直院里的波导相比结构更简单，与金属表面等离激元原理的金属亚波长波导相比避免了吸收损耗；而且具有集成电路工艺兼容的特性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种制备亚波长波导的方法，其特征在于，所述制备亚波长波导的方法至少包括：
A)在含氧基底表面沉积硬掩膜；
B)在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层；
C)以该周期性单排光刻胶柱体图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层；
D)以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
2.根据权利要求1所述的制备亚波长波导的方法，其特征在于：以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜、采用离子束刻蚀来形成单排周期性硬掩膜图形层。
3.根据权利要求1所述的制备亚波长波导的方法，其特征在于：以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜、采用反应离子束刻蚀对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。
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