CN104865223A - 一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片。包括基底、下包层、上包层、芯层；下包层在基底的上表面；芯层在下包层的上表面；芯层上表面以及芯层周侧的下包层上表面均与上包层的下表面贴合；波导芯层中心区域的宽度呈周期性变化构成波导布拉格光栅；挖空覆盖于波导布拉格光栅的上包层形成凹槽；凹槽中的待测液体与芯层接触；通过检测波导布拉格光栅中心波长的偏移量实现折射率传感。本发明还提供了该芯片的制备方法：在基底上制作二氧化硅下包层，在下包层上制作氮化硅芯层，在芯层上制作矩形波导和波导布拉格光栅结构，然后制作二氧化硅上包层，最后挖空上包层中心区域形成凹槽。该传感器芯片在生化传感领域有广泛的应用前景。

Description

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法，属于集成光学折射率传感器领域。

背景技术

波导布拉格光栅是一种带阻滤波器，决定其中心波长的波导模式的有效折射率和光栅周期可以受外界环境影响，从而通过检测其中心波长可以实现光传感领域的折射率传感、生化传感、温度传感和应力传感。

近年来，随着集成光学和生化传感技术的发展，已经出现了各种波导光栅折射率传感器。常见的波导光栅折射率传感器类型包括：光纤布拉格光栅折射率传感器、基于二氧化硅光波导(planar lightwave circuit，PLC)的波导布拉格光栅折射率传感器、基于硅基二氧化硅(SOI)的波导布拉格光栅折射率传感器。光纤布拉格光栅折射率传感器的芯层和包层折射率差小，折射率传感范围较小，灵敏度也较低，体积也相对较大，不利于集成；二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包层的折射率差小，折射率传感范围较小，灵敏度也较低，材料和加工成本较高；硅基二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包层折的射率差大，但是器件插入损耗较大，加工工艺复杂，成本很高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法，具有折射率传感范围大、灵敏度高、加工工艺简单且与半导体CMOS工艺兼容的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片，包括从下而上依次设置的基底、下包层、芯层以及上包层；所述下包层和上包层均采用折射率为1.44～1.45的二氧化硅制备，所述芯层包括依次顺序设置的输入光波导、波导布拉格光栅以及输出光波导，所述波导布拉格光栅采用折射率为2.0的氮化硅制备；所述上包层为环状结构，所述波导布拉格光栅正对所述环状结构的上包层所形成的通孔中央位置，所述环状结构的上包层所形成的通孔用于容纳待测液体。

作为本发明的优选方案，所述波导布拉格光栅采用波导宽度周期性分布的光栅结构。

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步：在基底上通过热氧化法、或水热水解法、或等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅下包层；

第二步：在下包层上通过低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法制作氮化硅层；

第三步：在氮化硅层上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，形成光刻胶层；然后通过光刻、显影过程在光刻胶层中部形成光栅结构图形，并在光刻胶层两端形成光波导图形；

第四步：以所述光栅结构图形和光波导图形作为掩膜，通过反应离子刻蚀法或感应耦合等离子刻蚀法刻蚀所述氮化硅层，刻蚀深度为氮化硅层的厚度，然后去除残留光刻胶，形成包括波导布拉格光栅、输入光波导以及输出光波导的芯层；

第五步：在所述芯层和下包层上通过等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅上包层；

第六步：在二氧化硅上包层上通过热蒸发或电子束蒸发法制备厚度为100～200nm的金属薄膜；

第七步：在所述金属薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在所述金属薄膜中部形成通孔掩膜图形，然后用酸腐蚀液对所述金属薄膜进行腐蚀，形成通孔掩膜图形的金属阻挡层；

第八步：以所述金属阻挡层作为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法对所述二氧化硅上包层进行选择性刻蚀，刻蚀波导布拉格光栅周围的二氧化硅上包层后形成环状结构的上包层。

有益效果：本发明提供的一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片：

(1)与现有技术相比，本发明的折射率传感器结构采用二氧化硅和氮化硅作为器件材料，与半导体COMS工艺兼容且工艺流程简单，适合大批量生产，器件具有体积小、重量轻、成本低和易于集成的优点。

(2)采用高折射率差的二氧化硅和氮化硅作为包层和芯层材料，并使具有波导布拉格光栅的芯层的两个侧面和顶面与待测液体接触，可以增大折射率传感范围、提高折射率传感灵敏度。

(3)波导布拉格光栅采用波导宽度周期性分布的光栅结构，易于通过微加工工艺制备。

附图说明

图1为本发明器件结构的三维图；

图2为本发明器件结构的顶面俯视图；

图3为本发明器件结构中中心处的正面剖视图；

图4为本发明器件结构中中心处的侧面剖视图；

图5为本发明器件在不同折射率液体中的透射光谱示意图；

图6为本发明器件的透射光谱中心波长与外界液体折射率的关系示意图；

图7为本发明器件的折射率传感灵敏度与外界液体折射率的关系示意图；

图中有：基底1，下包层2，芯层3，上包层4，波导布拉格光栅5，输入光波导6，输出光波导7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片，包括从下而上依次设置的基底1、下包层2、芯层3以及上包层4。下包层2和上包层4均采用折射率为1.44～1.45的二氧化硅制备。芯层3为长条形，芯层3的宽度小于上、下包层的宽度，芯层的长度与上、下包层长度一致；芯层3包括从左往右依次顺序设置的输入光波导6、波导布拉格光栅5以及输出光波导7，其中波导布拉格光栅5采用波导宽度周期性分布的光栅结构，并采用折射率为2.0的氮化硅制备。上包层4为环状结构，波导布拉格光栅5正对环状结构的上包层4所形成的通孔中央位置，环状结构的上包层4所形成的通孔用于容纳待测液体。

本氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的下包层2采用折射率在1550nm波长附近的为1.44～1.45的二氧化硅，波导布拉格光栅5采用在1550nm波长附近的折射率为2的氮化硅，上包层4采用在1550nm波长附近的折射率为1.44～1.45的二氧化硅；因为二氧化硅和氮化硅材料物理、化学稳定性高，且是半导体CMOS工艺中的常用材料，因此本氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片与COMS微加工工艺平台兼容，易于大规模生产并降低器件成本。上下包层采用折射率为低折射率材料，芯层采用高折射率材料，上下包层以及芯层的折射率选择满波导布拉格光栅折射率传感芯片的折射率要求：即上、下包层折射率＜待测液体折射率＜芯层折射率，通过本实施例的折射率组合方案，增大了传统波导布拉格光栅折射率传感芯片的折射率传感范围。

为了增加波导布拉格光栅与待测液体的接触面积，从而提高折射率传感灵敏度，芯层采用矩形光波导结构，并且波导布拉格光栅5的两个侧面和上表面裸露，并与待测液体接触，从而构成折射率传感窗口。外界待测液体折射率的变化可以改变波导布拉格光栅的有效折射率，从而使波导布拉格光栅的中心波长发生偏移，通过检测其中心波长的偏移量，并结合标定的折射率与波导布拉格光栅中心波长偏移量的关系，实现对待测液体折射率的传感。

本发明所设计的氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片具体的工作原理如下：宽光谱光信号从输入波导6中输入，进入波导布拉格光栅结构区域中，与待测液体接触，当液体的折射率发生变化时，波导布拉格光栅区的波导有效折射率n_eff就会相应改变，而波导布拉格光栅的中心波长λ_B由以下光栅方程决定：

λ_B＝2×n_eff×Λ            (1)

其中n_eff为波导布拉格光栅的模式有效折射率，Λ为光栅周期。式(1)表明，当待测液体的折射率变化导致的波导布拉格光栅模式有效折射率n_eff变化，从而使波导布拉格光栅的中心波长λ_B发生偏移。

图5是待测液体折射率发生变化时，氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的透射光谱图，图中不同中心波长处的透射光谱分别对应不同的待测液体折射率，通过检测中心波长λ_B的偏移量就可以实现对待测液体折射率的传感。根据光波导导模传播条件可知，待测液体的折射率必须小于光波导芯层3的材料折射率，相比于平面光波导PLC和光纤(n＝1.446)布拉格光栅，我们采用高折射率氮化硅材料(折射率n＝2)作为波导芯层3，可以增大折射率传感范围。本发明结构中的波导布拉格光栅的顶面和两个侧面都裸露于待测液体中，可以最大程度增加布拉格波导光栅与待测液体的接触面积，从而提高折射率传感灵敏度。

本实施例中，器件的具体结构参数如表1所示，并选择1550nm～1650nm波长的宽光谱光作为入射光信号。

表1

设计参量	名称	参量值
			λ0	中心波长	1550nm～1650nm
ncladd	上、下包层材料折射率	1.44
			Hb	下包层厚度	5μm
Ht	上包层厚度	5μm
			ncore	芯层材料折射率	2
w	波导芯层的宽度	3.5μm
			Δw	布拉格光栅区波导芯层宽度变化量	2μm
h	波导芯层的厚度	0.1μm
			Λ	波导布拉格光栅周期	1.6μm
L	波导布拉格光栅长度	1cm

根据上述器件参数，采用传输矩阵法对该氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片进行分析，得到的待测溶液折射率与波导布拉格光栅中心波长的关系如图6所示。从结果可以看出在不同的待测溶液环境中，氮化硅波导布拉格光栅传输光谱的中心波长发生了偏移，并且外界折射率越大，中心波长偏移量就越大，结合标定的折射率与中心波长的关系，就可以通过检测中心波长偏移量对外界折射率进行传感。

图7是根据图6得到的氮化硅波导布拉格光栅折射率传感灵敏度与待测液体折射率的关系图，从图中可以看出，折射率传感灵敏度随着待测溶液折射率增大而提高，折射率传感范围为1.33～1.54，最大的折射率传感灵敏度约为820nm/RIU，优于传统的基于SiO₂的波导布拉格光栅折射率传感器。通常的光纤布拉格光栅折射率传感器需要去除光纤包层从而使光纤容易断裂难于封装，而且折射率传感范围较小(1.3～1.45)，并且光纤布拉格光栅折射率传感器尺寸较大，不能集成；同样基于SiO₂的波导布拉格光栅折射率传感器，折射率传感范围较小(1.3～1.45)，制作工艺复杂，成本较高；基于Si的波导布拉格光栅折射率传感器插入损耗大，制备工艺复杂，成本高。本发明的氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片不但可以实现较大范围的高灵敏度折射率传感，并且材料物理、化学稳定性高，易于集成，制备工艺简单且与半导体CMOS工艺兼容，适于大批量生产，可以大大降低器件成本。

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：在基底上通过热氧化法、或水热水解法、或等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅下包层；

第二步：在下包层上通过低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法制作氮化硅层；

第三步：在氮化硅层上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，形成光刻胶层；然后通过光刻、显影过程在光刻胶层中部形成光栅结构图形，并在光刻胶层两端形成光波导图形；

第四步：以所述光栅结构图形和光波导图形作为掩膜，通过反应离子刻蚀法或感应耦合等离子刻蚀法刻蚀所述氮化硅层，刻蚀深度为氮化硅层的厚度，然后去除残留光刻胶，形成包括波导布拉格光栅、输入光波导以及输出光波导的芯层；

第五步：在所述芯层和下包层上通过等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅上包层；

第六步：在二氧化硅上包层上通过热蒸发或电子束蒸发法制备厚度为100～200nm的金属薄膜，该金属薄膜作为刻蚀二氧化硅上包层的阻挡层；

第七步：在所述金属薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在所述金属薄膜中部形成通孔掩膜图形，然后用酸腐蚀液对所述金属薄膜进行腐蚀，形成通孔掩膜图形的金属阻挡层；

第八步：以所述金属阻挡层作为掩膜，以一定比例的C₅HF₇、O₂、A_r混合气体作为刻蚀气体，例如C₅HF₇∶O₂∶Ar＝12sccm∶25sccm∶300sccm，通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法对二氧化硅上包层进行高选择性刻蚀，SiO₂刻蚀速率∶Si₄N₃刻蚀速率＝40∶1，将通孔区氮化硅波导芯层周侧及上表面的SiO₂上包层刻蚀掉，形成环状结构的上包层，氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片制备完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片，其特征在于：包括从下而上依次设置的基底(1)、下包层(2)、芯层(3)以及上包层(4)；所述下包层和上包层均采用折射率为1.44～1.45的二氧化硅制备，所述芯层(3)包括依次顺序设置的输入光波导(6)、波导布拉格光栅(5)以及输出光波导(7)，所述波导布拉格光栅(5)采用折射率为2.0的氮化硅制备；所述上包层(4)为环状结构，所述波导布拉格光栅(5)正对所述环状结构的上包层(4)所形成的通孔中央位置，所述环状结构的上包层(4)所形成的通孔用于容纳待测液体。

2.根据权利要求1所述的一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片，其特征在于：所述波导布拉格光栅(5)采用波导宽度周期性分布的光栅结构。

3.一种权利要求1所述的氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在基底上通过热氧化法、或水热水解法、或等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅下包层；

第二步：在下包层上通过低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法制作氮化硅层；

第三步：在氮化硅层上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，形成光刻胶层；然后通过光刻、显影过程在光刻胶层中部形成光栅结构图形，并在光刻胶层两端形成光波导图形；

第四步：以所述光栅结构图形和光波导图形作为掩膜，通过反应离子刻蚀法或感应耦合等离子刻蚀法刻蚀所述氮化硅层，刻蚀深度为氮化硅层的厚度，然后去除残留光刻胶，形成包括波导布拉格光栅、输入光波导以及输出光波导的芯层；

第五步：在所述芯层和下包层上通过等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅上包层；

第六步：在二氧化硅上包层上通过热蒸发或电子束蒸发法制备厚度为100～200nm的金属薄膜；

第七步：在所述金属薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在所述金属薄膜中部形成通孔掩膜图形，然后用酸腐蚀液对所述金属薄膜进行腐蚀，形成通孔掩膜图形的金属阻挡层；

第八步：以所述金属阻挡层作为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法对所述二氧化硅上包层进行选择性刻蚀，刻蚀波导布拉格光栅周围的二氧化硅上包层后形成环状结构的上包层。