CN105223646A - 低损耗三维硅波导交叉结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗三维硅波导交叉结构，其包括：交叉设置且彼此无直接接触的下光波导和上光波导；下波导包覆层，包覆在下光波导上，并作为上、下光波导之间的上隔离层；以及，上波导包覆层，包覆在上光波导上。本发明提供的制作所述低损耗三维硅波导交叉结构的方法中，通过将交叉波导分别制作在垂直方向的不同层中而构成三维波导交叉结构，从物理上避免了波导交叉，可以大幅降低波导的交叉损耗，更重要的是，通过采用ICP-CVD生长波导芯层材料，极大的降低了材料对光波的吸收，从而获得了非常低的传输损耗；尤其是，通过采用SOG做波导的包覆层，获得了非常平坦的隔离层表面，从而使交叉波导的各表面非常平整，大幅降低了各波导的损耗和串扰。

Description

低损耗三维硅波导交叉结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光波导结构的制作，特别提出了一种三维硅波导交叉结构的制作方法，属于光互连、光子集成技术领域。

背景技术

从1969年被首次提出以来，光子集成技术经过多年的发展，实现了信息的高速率、大容量传输和超高的集成度，成为了铜互连技术的有力替代者。

光波导技术作为光集成技术最基本的和核心的技术，对光开关、光耦合、功率分配器、调制解调器、滤波器、波分复用器等众多光学器件有着至关重要的影响。此外，随着芯片半导体工艺的快速发展，芯片集成度不断提高，单个芯片上所能容纳的计算核心数急剧增加，使得片内光波导集成度也在不断提高，波导交叉成为必须要面临和解决的问题。但是现有单层波导交叉结构的波导传输损耗都比较大，而且需采用剥离和/或化学机械抛光(CMP)抛光工艺，制作复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低损耗三维硅波导交叉结构及其制作方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

在一些实施例中提供了一种低损耗三维波导交叉结构，其包括：

交叉设置且彼此无直接接触的的下光波导和上光波导；

下波导包覆层，包覆在所述下光波导上，并作为上、下光波导之间的上隔离层；

以及，上波导包覆层，包覆在所述上光波导上。

进一步的，所述下光波导设置在下隔离层上。

进一步的，所述下隔离层设置在基底上。

在一些较佳实施例中，所述下光波导的表面粗糙度小于20nm。

在一些较佳实施例中，所述下光波导和上光波导垂直交叉。

所述的低损耗三维波导交叉结构具有非常低的传输损耗和串扰。

在一些实施例中还提供了一种制作所述低损耗三维波导交叉结构的方法，其包括：

在基底上生长形成下隔离层，

在下隔离层上生长波导芯层，并加工形成下光波导，

在下光波导上包覆波导包覆材料，形成下波导包覆层，

在下波导包覆层上生长波导芯层，并加工形成与下光波导交叉但无直接接触的上光波导，

在上光波导上包覆波导包覆材料，形成上波导包覆层。

在一些较佳实施例中，所述的制作方法包括：采用ICP-CVD工艺生长波导芯层，生长温度小于200℃，优选为75℃～100℃。其中，通过采用ICP-CVD进行波导芯层材料的生长，可极大降低材料对光(～1.55微米)的吸收，使波导具有极低的损耗。

进一步的，所述的制作方法可以包括：采用光刻、刻蚀工艺加工波导芯层而形成所述上光波导或下光波导。

在一些较佳实施例中，所述的制作方法可以包括：在上光波导或下波导上旋涂SOG(spinonglasscoating，旋转涂布玻璃)，固化后形成上波导包覆层或下波导包覆层。其中，通过采用SOG对波导芯层进行平坦化处理，可以获得很好的平坦化隔离层表面，同时隔离层的厚度易于控制。

在一些实施例中，所述的制作方法可以包括：采用二次旋涂方式在上光波导或下波导上涂布SOG，并采用180℃～200℃热板固化工艺而形成上波导包覆层或下波导包覆层。

进一步的，所述的制作方法可以包括：对下波导包覆层进行减薄处理，之后下波导包覆层生长、加工形成上光波导；并且，所述下波导包覆层中分布于上光波导和下光波导之间的、作为隔离层的区域的厚度大于0，而在1μm以下，优选为0.8μm～1μm。

进一步的，所述波导芯层的材料包括Si₃N₄，但不限于此。

进一步的，所述下隔离层的材料包括SiO₂，但不限于此。

进一步的，所述波导包覆材料包括IC1-1000(Futurrex公司出品)

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

(1)本发明通过将交叉波导分别制作在垂直方向的不同层中，构成三维波导交叉结构，亦即一种多层硅光子互连网络(三维硅光子互连)，从物理上避免了波导交叉，可以大幅降低波导的交叉损耗，并且因波导各表面平整，波导材料的光吸收极低，还可大幅降低传输损耗。

(2)本发明的低损耗三维波导交叉结构制作方法与现有剥离和/或CMP抛光工艺相比，更为简单，成本亦有大幅降低。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中一种三维波导交叉结构的制备工艺原理图；

图2是本发明一典型实施案例中一种三维波导交叉结构的示意图；

附图标记说明：基底1、下隔离层2、下光波导3、下波导包覆层(下隔离层)4、上光波导5、上波导包覆层6。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，特提出本发明的技术方案，并获得了出乎意料的良好技术效果。如下将对本发明的技术方案进行较为详细的解释说明。

本发明主要提供了一种可应用于光子集成领域的低损耗三维硅波导交叉结构的制作方法，其中波导交叉结构分别位于不同的平面中，平面间由波导包层材料隔离，从而有效避免了同一平面波导交叉的交叉损耗以及串扰。

具体而言，在一些实施例中，请参阅图2，所述三维波导交叉结构包括：交叉设置且彼此无直接接触的的下光波导3和上光波导5；下波导包覆层4，包覆在所述下光波导上，并作为上、下光波导之间的上隔离层；以及，上波导包覆层6，包覆在所述上光波导上。

进一步的，所述三维波导交叉结构还可包括下隔离层2，下光波导设置在下隔离层上。

进一步的，进一步的，所述三维波导交叉结构还可包括基底1，下隔离层设置在基底上。

而在一些实施例中，制作所述三维波导交叉结构的工艺可以包括：下包层材料(亦可称为下隔离层)的生长；下层波导芯层的生长和刻蚀；SOG旋涂固化形成包覆隔离层；上层波导芯层的生长和刻蚀；SOG旋涂固化形成包覆隔离层。

本发明的三维波导交叉结构之中，波导各表面平整，波导材料的光吸收极低，整个结构具有非常低的传输损耗和交叉损耗，可以用于三维硅光子集成的构建。

而再请参阅图1，在一较为典型的实施案例之中，所述制作方法可以包括如下步骤：

(1)在基底1上生长SiO₂等材料作为隔离层材料2，生长方式可优选自PECVD或ICP-CVD，厚度约2～3μm；

(2)在隔离层材料2上生长Si₃N₄等波导芯层材料3，生长方式可优选ICP-CVD，厚度约0.3～0.5μm，工艺气体可以采用SiH₄和N₂等，生长温度约75℃～100℃，继而可采用光刻及干法刻蚀的方法形成下层波导(下光波导)；

(3)旋涂SOG，固化后形成下层波导的包覆材料4，在一些具体实施方案中，还可采用干法刻蚀工艺将上包层厚度减薄到1微米以下，形成波导交叉结构的隔离层4；

(4)在隔离层材料4上生长Si₃N₄等波导芯层材料5，生长方式可优选为ICP-CVD，厚度为0.3～0.4微米，工艺气体可采用SiH₄和N₂等，生长温度约75℃～100℃，继而可采用光刻加干法刻蚀的方法形成上层波导(上光波导)；

(5)旋涂SOG，固化后形成上层波导的包覆材料6。

本发明提供的制作方法中，通过将交叉波导分别制作在垂直方向的不同层中而构成三维波导交叉结构，从物理上避免了波导交叉，可以大幅降低波导的交叉损耗，更重要的是，通过采用ICP-CVD生长波导芯层材料，极大的降低了材料对光波的吸收，从而获得非常低的传输损耗；尤其是，通过采用SOG做波导的包覆层，获得了非常平坦的隔离层表面，从而使交叉波导的各表面非常平整，大幅降低了各波导的损耗和串扰。

下面将结合若干实施例对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例涉及的一种三维硅波导交叉结构制作工艺如下：

(1)采用ICP-CVD(感应耦合等离子体化学汽相沉积)工艺在基底1上生长一层SiO₂作为与基底的隔离层2，生长温度为75℃，隔离层厚度为2微米。如图1中a所示。

(2)制作下层波导结构：采用ICP-CVD工艺在隔离层2上生长Si₃N₄波导芯层3，厚度约400纳米，如图1中b所示，再以光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀法刻蚀Si₃N₄波导芯层形成波导图形，刻蚀深度略大于400纳米，波导宽度约1微米(如图1中c所示)，其表面粗糙度小于20nm；

(3)旋涂SOG，180℃热板固化后进行二次旋涂，再次固化后形成下层波导包覆材料，如图1中d所示，再采用干法刻蚀工艺将上包层厚度减薄到800纳米，形成波导交叉结构的中间隔离层4，如图1中e所示。

(4)制作上层波导结构：其操作同步骤(2)，在隔离层4上制作上层波导5，厚度约400纳米，波导宽度约1微米，如图1中f所示。

(5)旋涂SOG，180℃热板固化后进行二次旋涂，再次固化后形成上层波导包覆材料6，如图1中g所示。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

应当理解，以上所述仅是本发明的具体实施方式，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 (10)

1.一种低损耗三维硅波导交叉结构的制作方法，其特征在于包括：

在基底上生长形成下隔离层，

采用ICP-CVD工艺在下隔离层上生长波导芯层，并加工形成下光波导，

在下光波导上旋涂SOG，固化后形成下波导包覆层，

采用ICP-CVD工艺在下波导包覆层上生长波导芯层，并加工形成与下光波导交叉但无直接接触的上光波导，

在上光波导上旋涂SOG，固化后形成上波导包覆层。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：所述ICP-CVD工艺中采用的生长温度小于200℃，优选为75-200℃。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述下光波导的表面粗糙度小于20nm。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：采用光刻、刻蚀工艺加工波导芯层而形成所述上光波导或下光波导。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于包括：采用二次旋涂方式在上光波导或下波导上旋涂SOG，并采用180-200℃热板固化工艺而形成上波导包覆层或下波导包覆层。

6.根据权利要求1或5所述的制作方法，其特征在于包括：对下波导包覆层进行减薄处理，之后在下波导包覆层上生长、加工形成上光波导；并且所述下波导包覆层中分布于上光波导和下光波导之间的、作为隔离层的区域的厚度大于0.8μm，而在1μm以下。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：

所述波导芯层的材料包括Si₃N₄；

和/或，所述下隔离层的材料包括SiO₂；

和/或，所述波导包覆材料包括SOG材料，所述SOG材料包括IC1-1000。

8.一种低损耗三维波导交叉结构，其特征在于包括：

交叉设置且彼此无直接接触的的下光波导和上光波导；

下波导包覆层，包覆在所述下光波导上，并作为上、下光波导之间的上隔离层；

以及，上波导包覆层，包覆在所述上光波导上。

9.根据权利要求8所述的低损耗三维波导交叉结构，其特征在于：

所述下光波导设置在下隔离层上；

和/或，所述下隔离层设置在基底上；

和/或，所述下光波导和上光波导垂直交叉；

和/或，所述下光波导的表面粗糙度小于20nm；

和/或，所述下波导包覆层中分布于上光波导和下光波导之间的、作为隔离层的区域的厚度大于0.8μm，而在1μm以下；

和/或，优选的，所述低损耗三维波导交叉结构由权利要求1-7中任一项所述的方法制备形成。

10.根据权利要求8或9所述的低损耗三维波导交叉结构，其特征在于：

所述波导芯层的材料包括Si₃N₄；

和/或，所述下隔离层的材料包括SiO₂；

和/或，所述波导包覆材料包括SOG材料，所述SOG材料包括IC1-1000。