CN104898202A - 一种光波导及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种光波导及其制作方法，包括SOI基片，其特征在于：所述SOI基片的顶层硅上设有一层掩膜层，所述掩膜层呈现光波导的掩膜图案，所述掩膜层的上方设有一层薄膜层，所述薄膜层与所述掩膜层相接触的面相互匹配，并且所述薄膜层的顶部为光滑平整的表面。通过该方法种制备的硫系玻璃光波导，制作工艺简单可控，制作的光波导均匀性好；而且方法无需对硫系玻璃膜层进行显影、刻蚀等传统光波导制作过程，可避免显影液、等离子气体对硫系玻璃的腐蚀作用和繁琐的刻蚀参数调节。

Description

一种光波导及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光波导及其制作方法。
背景技术
集成光子技术是光子技术的重要发展方向。集成光子器件由于具有易集成化、规模化等优势，在光通信、光信息处理、光传感等应用领域有着重要的应用。光波导是各种集成光子器件中最重要的基础性部件。目前的光波导包括硅基光波导、二氧化硅光波导、聚合物光波导、硫系玻璃光波导、铌酸锂光波导和III-V族光波导等。材料特性的不同使这些光波导有各自不同的应用，如二氧化硅光波导主要应用于在无源光波导器件中，聚合物光波导主要应用于一些低成本的光子器件中，铌酸锂光波导则主要应用于光调制器中。
硫系玻璃是由元素周期表中第VIA族的S、Se、Te三种主要元素与Ge、Ga、As、Sb等其他金属元素形成的一种具有极宽透明窗口的红外玻璃(透过范围从可见至20μm)。硫系玻璃还具有高折射率，高稀土掺杂能力，极大的光学非线性和光敏特性，这些特点使硫系玻璃光波导成为集成光子领域重要的发展方向。
目前硫系玻璃光波导主要通过标准的光刻和干法刻蚀方法制备得到。这种传统的光波导制备方法存在的不足主要是由于硫系玻璃在显影和刻蚀过程中会受到碱性显影液和等离子体气体的化学腐蚀，在制备过程中，往往需要通过悬涂光刻胶保护薄膜、优化刻蚀前的退火条件以及对复杂的等离子刻蚀参数进行精心调节等手段来保证制备得到的硫系玻璃光波导的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种表面平整的光波导以及该光波导的制作方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光波导，包括SOI基片，其特征在于：所述SOI基片的顶层硅上设有一层掩膜层，所述掩膜层呈现光波导的掩膜图案，所述掩膜层的上方设有一层薄膜层，所述薄膜层与所述掩膜层相接触的面相互匹配，并且所述薄膜层的顶部为光滑平整的表面。
优选地，所述薄膜层为硫系玻璃材料。
一种上述光波导的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)在SOI基片的顶层硅上生长一层掩膜层；
2)对掩膜层依次进行光刻和刻蚀，使得该掩膜层呈现需要制作的光波导的掩膜图案；
3)在呈现掩膜图案的掩膜层上形成一层薄膜层，该薄膜层与掩膜层相接触的面的形状相互匹配；
4)对薄膜层的顶部表面进行加热磨平工艺使其形成光滑平整的表面。
为了去除杂质的污染，在上述步骤前对所述SOI基片进行清洗。
优选地，具体的清洗步骤为,1)、将上述SOI基片浸入丙酮中，并用超声波清洗15-25分钟，2)、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出SOI基片然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3-7分钟，3)、在第二次清洗完后，从甲醇中取出SOI基片然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3-7分钟，4)、将清洗干净的SOI基片用氮气吹干。
为了使掩膜层的厚度达到纳米量级并且提高膜层的质量，步骤1)中生长掩膜层采用氧化法，所述掩膜层为二氧化硅膜层或者氮化硅膜层，所述掩膜层的厚度为纳米量级。
优选地，步骤2)中的光刻步骤中，先在掩膜层上涂覆光刻胶，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm-2000rpm，慢转时间为3s-5s，快转转速为5000rpm-6000rpm，快转时间为25s-30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s-60s，使得光刻胶呈现该掩膜图案。
优选地，步骤2)中的刻蚀步骤，为利用电感耦合等离子体(ICP)进行蚀刻，刻蚀中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm-25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm-40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2-3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1-5分钟。
优选地，步骤3)中形成薄膜层的方法为磁控溅射，其中采用的腔内压强为1.0×10-4Pa-2.0×10-4Pa，起辉气压为3Pa，溅射气压为0.2Pa-0.4Pa，溅射功率为25W-30W，溅射时间为1.5小时-3小时，气体Ar的流量采用的是40sccm-50sccm。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明同时利用硅的热氧化特点和硫系玻璃的热塑性，将两者结合，可避免硫系玻璃显影、刻蚀过程中的一系列问题，获得性能良好的硫系玻璃光波导。
附图说明
图1为本发明实施例的光波导的结构示意图。
图2为本发明实施例的光波导的制作方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1、2所示，包括SOI基片1，在该SOI基片1的顶层硅上涂覆一层掩膜层2，在掩膜层2上涂覆光刻胶4并且对掩膜层进行刻光刻和刻蚀作出需要制作的光波导的掩膜图案，然后除去光刻胶4使得掩膜层2呈现需要制作的光波导的掩膜图案，即该光波导的形状为掩膜层2中刻蚀掉的部分，最后在掩膜层2上磁控溅射一层薄膜层3，该薄膜层3与掩膜层2相接触的面的形状相匹配，掩膜层2与薄膜层3之间即形成光波导，而薄膜层3的顶部为光滑平坦的表面，可以进行加热磨平，优选地，该薄膜层3为硫系玻璃材料。
如图2所示，为该光波导的制作方法，包括首先对SOI基片1进行清洗，目的是为了去除杂质的污染，具体步骤可以为：1、将上述SOI基片1浸入丙酮中，并用超声波清洗15-25分钟，2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出SOI基片1然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3-7分钟，3、在第二次清洗完后，从甲醇中取出SOI基片1然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3-7分钟，4、将清洗干净的SOI基片1用氮气吹干。
在SOI基片1的顶层硅上生长一层纳米级厚度的掩膜层2，该掩膜层2为二氧化硅膜层或者氮化硅膜层，生成该掩膜层2优选的采用氧化法，可以采用高温氧化的方法在SOI表面得到纳米级厚度的二氧化硅膜，采用国产管式扩散炉在常压下通入氧气对硅片进行氧化，氧化温度为1050℃，在二氧化硅的各种沉积方法中，氧化得到的膜层质量是最好，既无缺陷也无应力。
然后对掩膜层2进行光刻和刻蚀，制作出所需要制作的光波导的掩膜图案，并且清洗掉使用的光刻胶。该步骤中，光刻是影响光子学器件质量好坏的重要因素，它一方面决定了波导所能达到的尺寸，另一方面决定了波导线条质量的好坏。其具体的操作过程及参数为：在已经生长二氧化硅膜层(即掩膜层2)的SOI基片1上涂覆光刻胶4，匀胶机的工作参数分别为慢转转速为1500rpm-2000rpm，慢转时间为3s-5s，快转转速为5000rpm-6000rpm，快转时间为25s-30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s-60s，使得光刻胶4呈现该掩膜图案。
然后进行刻蚀，刻蚀可利用电感耦合等离子体(ICP)进行蚀刻，ICP刻蚀中，混合了化学和物理两种刻蚀机理，离子轰击改善化学刻蚀作用，使得刻蚀即能获得不错的选择比，又能可以得到几近垂直的剖面，使得该掩膜层2形成掩膜图案。刻蚀的效果主要与刻蚀气体和保护气体流量比、平板的功率、刻蚀时间及反应腔的压强等因素有关，其中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm-25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm-40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2-3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后 用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1-5分钟。
对制备出的带有掩膜图案的SOI基片进行磁控溅射形成薄膜层3，磁控溅射的特征在于所得到的膜层均匀性好，组分差异小。薄膜层的厚度受腔内压强、起辉气压、溅射气压、溅射功率、溅射时间、气体流量等因素的影响，其中采用的腔内压强为1.0×10-4Pa-2.0×10-4Pa，起辉气压为3Pa，溅射气压为0.2Pa-0.4Pa，溅射功率为25W-30W，溅射时间为1.5小时-3小时，气体Ar的流量采用的是40sccm-50sccm。
最后通过加热磨平工艺，制作出表面较平整的光波导。该步骤中利用硫系玻璃良好的热塑性对溅射得到的膜层进行加热磨平，可以得到表面均匀平整的光波导结构。
通过该方法种制备的硫系玻璃光波导，制作工艺简单可控，制作的光波导均匀性好；而且方法无需对硫系玻璃膜层进行显影、刻蚀等传统光波导制作过程，可避免显影液、等离子气体对硫系玻璃的腐蚀作用和繁琐的刻蚀参数调节。并且与常用的硫系光波导刻蚀制备工艺相比，采用此方法得到的硫系光波导的侧壁粗糙度由成熟的二氧化硅刻蚀决定，其侧壁粗糙度可得到较大程度的保证。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光波导，包括SOI基片(1)，其特征在于：所述SOI基片(1)的顶层硅上设有一层掩膜层(2)，所述掩膜层(2)呈现光波导的掩膜图案，所述掩膜层(2)的上方设有一层薄膜层(3)，所述薄膜层(3)与所述掩膜层(2)相接触的面相互匹配，并且所述薄膜层(3)的顶部为光滑平整的表面。
2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述薄膜层(3)为硫系玻璃材料。
3.一种如权利要求1或2所述的光波导的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)在SOI基片(1)的顶层硅上生长一层掩膜层(2)；
2)对掩膜层(2)依次进行光刻和刻蚀，使得该掩膜层(2)呈现需要制作的光波导的掩膜图案；
3)在呈现掩膜图案的掩膜层(2)上形成一层薄膜层(3)，该薄膜层(3)与掩膜层(2)相接触的面的形状相互匹配；
4)对薄膜层(3)的顶部表面进行加热磨平工艺使其形成光滑平整的表面。
4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于：在上述步骤1)前对所述SOI基片(1)进行清洗。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：具体的清洗步骤为,1)、将上述SOI基片(1)浸入丙酮中，并用超声波清洗15-25分钟，2)、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出SOI基片(1)然后浸入甲醇中，并用超声波清洗3-7分钟，3)、在第二次清洗完后，从甲醇中取出SOI基片(1)然后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3-7分钟，4)、将清洗干净的SOI基片(1)用氮气吹干。
6.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中生长掩膜层(2)采用氧化法，所述掩膜层(2)为二氧化硅膜层或者氮化硅膜层，所述掩膜层(2)的厚度为纳米量级。
7.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于：步骤2)中的光刻步骤中，先在掩膜层(2)上涂覆光刻胶(4)，匀胶机的工作参数为慢转转速为1500rpm-2000rpm，慢转时间为3s-5s，快转转速为5000rpm-6000rpm，快转时间为25s-30s；然后进行对准曝光，所述的曝光是利用接触式系统进行曝光，曝光时间为10s；最后进行显影，所述的显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间为45s-60s，使得光刻胶(4)呈现该掩膜图案。
8.如权利要求3或7所述的制作方法，其特征在于：步骤2)中的刻蚀步骤，为利用电感耦合等离子体(ICP)进行蚀刻，刻蚀中采用的刻蚀气体四氟化碳的流量为15sccm-25sccm，保护气体三氟甲烷的流量为20sccm-40sccm，平板功率为50W，刻蚀时间为2-3分钟，腔体压强为3mTorr，蚀刻后用丙酮清洗剩余光刻胶图像，清洗时间是1-5分钟。
9.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于：步骤3)中形成薄膜层(3)的方法为磁控溅射，其中采用的腔内压强为1.0′10-4Pa-2.0′10-4Pa，起辉气压为3Pa，溅射气压为0.2Pa-0.4Pa，溅射功率为25W-30W，溅射时间为1.5小时-3小时，气体Ar的流量采用的是40sccm-50sccm。
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