CN107290824A - 波导结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导结构，包括硅衬底层、硅波导层、第一二氧化硅层、硅化物波导层以及第二二氧化硅层，硅衬底层、硅波导层、第一二氧化硅层、硅化物波导层以及第二二氧化硅层依次层叠覆盖，硅波导层为锥形波导层，硅波导层和硅化物波导层通过倏逝波耦合，硅化物波导层包括多个第一波导块和多个第二波导块，第一波导块材质与硅化物波导层材质相同，第二波导块材质的折射率低于第一波导块材质的折射率，多个第一波导块和多个第二波导块的尺寸沿波导结构的出光方向逐渐变大，光信号通过倏逝波从硅波导层进入硅化物波导层。采用本发明实施例可扩大波导光斑尺寸，使得与光纤纤芯的模斑尺寸匹配。

Description

波导结构及制备方法

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及波导结构及制备方法。

背景技术

随着网络产品的更新换代，网络中使用模块的尺寸和功耗都在不断变小，以满足成本不断降低、性能不断提高的需求。硅基光子器件因其低成本、超小型尺寸、低功耗等独特特性，近几年受到产业界的广泛关注，成为网络产品更新换代中重点考虑的方向之一。

现有技术中，由于硅光波导的光斑尺寸(0.3um)远小于光纤纤芯的模斑尺寸(9um)，这样会因二者的光耦合模场尺寸失配，使得耦合损耗较大。目前，硅光耦合的方案主要有：一种耦合方案是grating coupler(光栅耦合器)垂直耦合，其具有模场匹配的特点，但是grating coupler本身的损耗较大，且偏振敏感和波长敏感，使得该种耦合方案使用受到限制；另外一种耦合方案是端面耦合，其采用锥形波导以实现光斑扩束，该结构对锥尖结构加工工艺要求高，且光斑扩束效果有限，无法做到与光纤模斑尺寸匹配。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供低工艺精度和波导光斑较大的波导结构。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种波导结构，包括硅衬底层、硅波导层、第一二氧化硅层、硅化物波导层以及第二二氧化硅层，硅衬底层、硅波导层、第一二氧化硅层、硅化物波导层以及第二二氧化硅层依次层叠覆盖，硅波导层为锥形波导层，硅波导层和硅化物波导层通过倏逝波耦合，使得光信号通过倏逝波从硅波导层进入硅化物波导层，可降低锥形硅波导的锥尖尺寸敏感性要求，从而实现锥形硅波导工艺简单化、增加工艺容差，硅化物波导层包括多个第一波导块和多个第二波导块，第一波导块材质与硅化物波导层材质相同，第二波导块材质的折射率低于第二波导块材质的折射率，多个第一波导块和多个第二波导块的尺寸沿波导结构的出光方向逐渐变大，使得硅化物波导层有效折射率降低，波导光斑尺寸得以扩大，进而使得波导光斑尺寸与光纤纤芯的模斑尺寸匹配。

结合本发明实施例第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，硅化物波导层包括第一硅化物波导层和设置在第一硅化物波导层之上的第二硅化物波导层，第二硅化物波导层远离第一二氧化硅层，第二硅化物波导层为条形波导层或锥形波导层，第二硅化物波导层为锥形波导层时，可进一步的降低硅化物波导的有效折射率，进而进一步的扩大波导光斑尺寸。

结合本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，第一波导块和第二波导块设置在第二硅化物波导层之上。

结合本发明实施例第一方面、第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，硅化物波导层材质为碳氧化硅或碳化硅。

结合本发明实施例第一方面、第一方面的第一种至第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，第二波导块材质为二氧化硅或聚合物材料。

结合本发明实施例第一方面、第一方面的第一种至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，第一波导块和第二波导块切面呈斜型，使界面与光传输方向非垂直，降低界面回损。

结合本发明实施例第一方面、第一方面的第一种至第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，硅波导厚度为200-300nm。

结合本发明实施例第一方面、第一方面的第一种至第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，若硅化物波导层材质为碳氧化硅，硅化物波导层的厚度为2-3.5um，若硅化物波导层材质为碳化硅，硅化物波导层的厚度为300-600mm。

第二方面，本发明实施例提供一种用于制备如第一方面所述的波导结构的制备方法，包括：

提供一绝缘体上的硅晶圆；

在绝缘体上的硅晶圆表面制备硅波导层；

在硅波导层表面制备第一二氧化硅层；

在第一二氧化硅层表面制备硅化物波导层；

在硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块；

在硅化物波导层表面制备第二二氧化硅层。

结合本发明第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，在硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块的具体实施方式为：

在硅化物波导层上刻蚀多个刻蚀槽；

在多个刻蚀槽内填充折射率低于硅化物波导材质的折射率的材料，以使得在硅化物波导层上形成多个第一波导块跟多个第二波导块。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的波导耦合结构的结构示意图；

图2是本发明提供的波导结构的剖面侧视图；

图3是本发明提供的波导结构的另一剖面侧视图；

图4是本发明提供的波导结构的剖面俯视图；

图5是本发明提供的波导结构的另一剖面俯视图；

图6是本发明提供的波导结构的制备流程图；

图6.1至图6.6为本发明实施例提供的波导结构的制备流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或科学术语应对作为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序、数量或者重要性。同样，“一个”、“一”或“该”等类似词语也不表示数量限制，而只是用来表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词语前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或物件。“连接”或者相连等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包含电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例中的“上”、“下”以制备膜层时的先后顺序为准，例如，在上的薄膜或图案是指相对在后形成的薄膜或图案，而在下的薄膜或图案是指相对应在先形成的薄膜或图案。为了清晰起见，在附图中层或区域的厚度被放大，而非根据实际的比例绘制。当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作作位于另一元件“上”时，该元件可以“直接”位于另一个元件“上”，或者可以存在中间元件。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参见图1-图5，其中，图1为本发明实施例提供的一种波导结构100，包括硅衬底层10、硅波导层20、第一二氧化硅层30、硅化物波导层40以及第二二氧化硅层50，硅衬底层10、硅波导层20、第一二氧化硅层30、硅化物波导层40以及第二二氧化硅层50依次层叠覆盖，硅波导层20为锥形波导层，硅波导层20和硅化物波导层40通过倏逝波耦合，硅化物波导层40包括多个第一波导块41和多个第二波导块42，第一波导块41材质与硅化物波导层40材质相同，第二波导块42材质的折射率低于第一波导块材质的折射率，多个第一波导块41和多个第二波导块42的尺寸沿该波导结构的出光方向(如图1中箭头所示的方向)逐渐变大，光信号通过倏逝波从硅波导层20进入硅化物波导层40。需要说明的是，图1所示的波导结构100是为了看清该结构的各个组成部分，而将波导结构100的某些组成部分进行了透明化处理(比如第一二氧化硅层30和第二二氧化硅层50)。

其中，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，又叫消逝波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减。倏逝波耦合是指光能量从一个波导通过倏逝波进入另一波导的方式。硅波导层20和硅化物波导层40通过倏逝波耦合，可使得光信号通过倏逝波从硅波导层20进入硅化物波导层40。由于硅化物的折射率低于硅的折射率，在达到锥形硅波导实现的同等光斑扩束的情况下，硅化物波导层40尺寸更大(即硅化物波导层40最小尺寸大于锥形硅波导的最小尺寸)，可降低硅锥形波导的锥尖尺寸敏感性要求，从而实现锥形硅波导工艺简单化、增加工艺容差。另外，对硅化物波导层40进行分段刻蚀，然后进行折射率低于硅化物波导层材质折射率的材料上包层填充工艺时，该材料将填充在硅化物波导分段间隙，这样硅化物波导的有效折射率进一步降低，光斑将得以扩束。

可选的，如图1所示，硅化物波导层40包括第一硅化物波导层43和设置在第一硅化物波导层43之上的第二硅化物波导层44，第二硅化物波导层44远离第一二氧化硅层30，第二硅化物波导层44为条形波导层(如图4所示)或锥形波导层(如图5所示)。第二硅化物波导层44设计为锥形，可进一步的降低硅化物波导的有效折射率，进而进一步的扩大波导光斑尺寸。

可选的，第一波导块41和第二波导块42设置在第二硅化物波导层44之上。

可选的，硅化物波导层40材质为碳氧化硅或碳化硅。

可选的，第二波导块52材质为二氧化硅或聚合物材料。其中，聚合物材料是指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达10～106)化合物。该聚合物材料为在近红外(1250nm-1650nm)通信波导具有良好透光性的高分子材料，比如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，折射率1.40～1.55。

可选的，第一波导块51和第二波导块52切面呈斜型。如图3所示，为降低第一波导块51与第二波导块52之间的界面反射，将第一波导块51和第二波导块52之间的界面设计成斜角型，使界面与光传输方向非垂直，降低界面回损。

可选的，硅波导20厚度为200-300nm。

可选的，若硅化物波导层40材质为碳氧化硅，硅化物波导层的厚度为2-3.5um，若硅化物波导层40材质为碳化硅，硅化物波导层40的厚度为300-600mm。

可以看出，本发明提供的波导结构，硅波导层和硅化物波导层通过倏逝波耦合，使得光信号通过倏逝波从硅波导层进入硅化物波导层，可降低硅锥形波导的顶部尺寸敏感性要求，从而实现硅锥形波导工艺简单化、增加工艺容差，硅化物波导层包括多个第一波导块和多个第二波导块，第一波导块材质与硅化物波导层材质相同，第二波导块材质的折射率低于第二波导块材质的折射率，多个第一波导块和多个第二波导块的尺寸沿波导结构的出光方向逐渐变大，使得硅化物波导层有效折射率降低，光斑得以扩大，进而使得波导光斑尺寸与光纤纤芯的模斑尺寸匹配。

请参见图6，图6为本发明一较佳实施方式的波导结构的制备流程图。可以理解的，本实施例中包含部分步骤也可以省略，其他步骤也可以根据增加。可以理解的，在其他实施方式中，以下多个步骤可合并成一个步骤，或者一个步骤可拆分成多个步骤，步骤之间的顺序可以根据需要进行调整。该波导结构的制备流程包括以下步骤。

S601、提供一绝缘体上的SOI硅晶圆10。如图6.1所示，该第一SOI晶圆为普通SOI硅晶圆，结构为两硅层之间设二氧化硅层。

S602、在所述绝缘体上的SOI硅晶圆表面制备硅波导层。

具体地，如图6.2，在所述绝缘体上的SOI硅晶圆表面制备硅波导层的具体实施方式为：利用低压化学气相沉积(Low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)技术，在SOI硅晶圆一表面沉积硅材料，以形成一硅薄膜层，在硅薄膜层的一表面的中部设置一硬掩膜a，(该硬掩膜a可以为光刻胶，或者氧化物-氮化物-氧化物(ONO)的硬掩膜组合)，对表面的中部设置的硬掩膜a的硅薄膜层进行蚀刻，以形成硅波导层20，由于硬掩膜a具有保护其覆盖的硅薄膜层的表面以下的区域不被蚀刻的作用，因此，对设置硬掩膜a的硅薄膜层的表面进行蚀刻时，硅薄膜层被硬掩膜a覆盖的表面以下的区域不被蚀刻掉，而未覆盖硬掩膜a的硅薄膜层的表面以下的区域则由于没有保护而逐渐蚀刻掉，从而在绝缘体上的SOI硅晶圆表面10上形成一硅波导层20。

其中，刻蚀制备硅波导层20可通过干法刻蚀，在其他实施方式中，还可通过其他方法，刻蚀制备硅波导层20，例如采用湿法刻蚀。以下步骤中的干法刻蚀，也可采用湿法刻蚀替代。

S603、在所述硅波导层表面制备第一二氧化硅层。如图6.3，利用LPCVD技术，在硅波导层20上沉积一层二氧化硅，并磨平以得到第一二氧化硅层30。

S604、在所述第一二氧化硅层表面制备硅化物波导层。

具体地，如图6.4，在所述第一二氧化硅层表面制备硅化物波导层的具体实施方式为：利用LPCVD技术，第一二氧化硅30一表面沉积硅化物材料，以形成一硅化物薄膜层，其中，硅化物材料可以是碳氧化硅或碳化硅，在硅化物薄膜层的一表面的中部设置一硬掩膜b，(该硬掩膜a可以为光刻胶，或者氧化物-氮化物-氧化物(ONO)的硬掩膜组合)，对表面的中部设置的硬掩膜b的硅化物薄膜层进行蚀刻，以形成硅化物波导层40，由于硬掩膜b具有保护其覆盖的硅薄膜层的表面以下的区域不被蚀刻的作用，因此，对设置硬掩膜吧的硅化物薄膜层的表面进行蚀刻时，硅化物薄膜层被硬掩膜b覆盖的表面以下的区域不被蚀刻掉，而未覆盖硬掩膜b的硅化物薄膜层的表面以下的区域则由于没有保护而逐渐蚀刻掉，从而在第一二氧化硅层表面上形成一硅化物波导层40。

S605、在所述硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块。

本发明实施例中，在所述硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块的具体实施方式为：在所述硅化物波导层上刻蚀多个刻蚀槽；在所述多个刻蚀槽内填充折射率低于所述硅化物波导材质的折射率的材料，以使得在所述硅化物波导层上形成多个第一波导块41跟多个第二波导块42。

具体地，如图6.5，该硅化物波导层40包括第一硅化物波导层43和第二硅化物波导层44，在第一硅化物波导层43和第二硅化物波导层44的一表面设置多个硬掩膜c，(该硬掩膜a可以为光刻胶，或者氧化物-氮化物-氧化物(ONO)的硬掩膜组合)，对表面设置的硬掩膜c的硅化物层40进行刻蚀，以形成多个刻蚀槽，由于硬掩膜c具有保护其覆盖的硅化物波导层40的表面以下的区域不被蚀刻的作用，因此，对设置硬掩膜c的硅化物波导层40的表面进行蚀刻时，硅化物波导层40被硬掩膜c覆盖的表面以下的区域不被蚀刻掉，而未覆盖硬掩膜c的硅化物波导层40的表面以下的区域则由于没有保护而逐渐蚀刻掉，从而在硅化物波导层40上形成多个刻蚀槽，然后在多个刻蚀槽内填充折射率低于所述硅化物波导材质的折射率的材料，以使得在硅化物波导层40上形成多个第一波导块41跟多个第二波导块42，如图6.6所示，该材料比如是二氧化硅或是聚合物等等。

S606、在所述硅化物波导层表面制备第二二氧化硅层。

具体地，若上述步骤S606在刻蚀槽里填充的材料是二氧化硅，在往刻蚀槽里填充二氧化硅材料时，在完成步骤S606时，已完成第二二氧化硅层的制备。若上述步骤S606在刻蚀槽里填充的材料是聚合物材料，则需要利用LPCVD技术，在硅化物波导层40上沉积一层二氧化硅，并磨平以得到第二二氧化硅层50。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导结构，其特征在于，包括：

硅衬底层、硅波导层、第一二氧化硅层、硅化物波导层以及第二二氧化硅层，所述硅衬底层、所述硅波导层、所述第一二氧化硅层、所述硅化物波导层以及所述第二二氧化硅层依次层叠覆盖，所述硅波导层为锥形波导层，所述硅波导层和所述硅化物波导层通过倏逝波耦合，所述硅化物波导层包括多个第一波导块和多个第二波导块，所述第一波导块材质与所述硅化物波导层材质相同，所述第二波导块材质的折射率低于所述第一波导块材质的折射率，所述多个第一波导块和所述多个第二波导块的尺寸沿所述波导结构的出光方向逐渐变大，光信号通过倏逝波从所述硅波导层进入所述硅化物波导层。

2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述硅化物波导层包括第一硅化物波导层和设置在所述第一硅化物波导层之上的第二硅化物波导层，所述第二硅化物波导层远离所述第一二氧化硅层，所述第二硅化物波导层为条形波导层或锥形波导层。

3.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述第一波导块和所述第二波导块设置在所述第二硅化物波导层之上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的波导结构，其特征在于，所述硅化物波导层材质为碳氧化硅或碳化硅。

5.根据权利要求1-4任一项所述的波导结构，其特征在于，所述第二波导块材质为二氧化硅或聚合物材料。

6.根据权利要求1-5任一项所述的波导结构，其特征在于，所述第一波导块和所述第二波导块切面呈斜型。

7.根据权利要求1-6任一项所述的波导结构，其特征在于，所述硅波导厚度为200-300nm。

8.根据权利要求1-6任一项所述的波导结构，其特征在于，若所述硅化物波导层材质为碳氧化硅，所述硅化物波导层的厚度为2-3.5um，若所述硅化物波导层材质为碳化硅，所述硅化物波导层的厚度为300-600mm。

9.一种用于制备如权利要求1～8任一项所述的波导结构的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

提供一绝缘体上的硅晶圆；

在所述绝缘体上的硅晶圆表面制备硅波导层；

在所述硅波导层表面制备第一二氧化硅层；

在所述第一二氧化硅层表面制备硅化物波导层；

在所述硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块；

在所述硅化物波导层表面制备第二二氧化硅层。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在所述硅化物波导层上制备多个第一波导块和多个第二波导块，包括：

在所述硅化物波导层上刻蚀多个刻蚀槽；

在所述多个刻蚀槽内填充折射率低于所述硅化物波导材质的折射率的材料，以使得在所述硅化物波导层上形成多个第一波导块跟多个第二波导块。