CN108919414A - 一种soi平面波导布拉格光栅及制作方法 - Google Patents

一种soi平面波导布拉格光栅及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，该光栅能有效进行窄带滤波，减小背面反射，实现高的端面反射率，提高波导与光纤的耦合效率；同时，能够实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性，从而保证SOI波导光栅的性能。

Description

一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法。
背景技术
平面波导光栅具有尺寸小、易于集成、温度稳定性高、抗振动能力强等特点，已经在硅基光电子集成、小型化光通信器件和硅基集成电路中，发挥着关键作用。
其中，绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)波导，由于硅(折射率nsi＝3.5)光波导层的下侧是二氧化硅(折射率)，上侧是空气(折射率nair＝1.0)或者二氧化硅，两侧材料的折射率很低，形成高的折射率差，大部分光将集中在高折射率的硅波导层中传播，因此SOI波导对光的约束能力比其他波导要强很多，泄露损耗很小，尺寸能大幅度降低，达到几百纳米尺度的线宽。此外，SOI结构器件制备工艺还具有与微电子集成电路制作工艺兼容的特点。
随着微纳光电集成技术的不断发展，芯片集成密度越来越大，绝缘体上硅波导的尺寸越来越小，硅波导中的光场模斑尺寸小于1μm。然而，与之耦合的光纤由于本身尺寸的原因，其模斑尺寸约为8～10μm，使得两者之间的模式匹配较差，从而带来辐射模，同时，有效折射率的失配还带来背向反射，因而这种小尺寸的硅波导光栅与光纤耦合时的损耗很大。同时，由于硅波导本身尺寸较小，且在制作中心波长为1550nm的波导光栅时，光栅周期约为223nm，其对制作工艺提出了十分高的要求。波导边缘刻蚀的光滑程度、光栅的形貌以及光栅与波导的相对位置都会极大的影响SOI波导光栅的传输损耗，而传统的脊型波导光栅采用先制作脊型波导，再在脊型上面或两侧刻蚀光栅的工艺步骤，很难保证光栅均匀的分布在脊型上面或两侧，同时难以控制光栅与脊型保持垂直的关系。
目前制约SOI平面波导光栅发展的主要问题有：
(1)SOI波导光栅与耦合的光纤尺寸不匹配导致了模式失配，造成了耦合损耗大、存在辐射模及背向散射等问题。
(2)由于SOI波导光栅器件尺寸较小，与光纤或有源芯片耦合封装时，偏调容差较小，耦合工艺难度高，成品率低。
(3)由于SOI波导刻蚀深度比光栅刻蚀深度大，导致制作时需要紫外光刻和电子束光刻配合进行，存在套刻误差，减小了工艺容差。
(4)亚微米结构光栅的形貌和脊型波导的光滑垂直程度，以及脊型上光栅的分布和相对垂直关系，都将极大的影响波导光栅的性能，对光刻和刻蚀工艺提出了十分高的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，其可实现高的端面反射率、窄的反射带宽，消除背向反射，提高光纤或有源芯片的高的耦合效率；同时，实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性。
(二)技术方案
本发明提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅，其结构包括：
SOI片；
脊型波导结构4，其形成在SOI片上表面的中间位置，其中，脊型波导结构4包括光栅区域8和在两端与光栅区域8光滑链接的波导区域9，光栅区域8为直条型，波导区域9为弯曲脊型；
布拉格光栅结构5，其形成在脊型波导结构4的内脊表面；
SOI平面波导光栅7，其形成在SOI片上表面未覆盖有脊型波导结构4的位置。
可选地，SOI片包括衬底层1、下限制层2和硅芯层3，其中所述下限制层2为热氧化层，组份为二氧化硅，厚度大于1μm，所述硅芯层3厚度为3±0.5μm。
可选地，光栅区域8的长度为3mm～6mm，位于SOI平面波导光栅7的中间位置。
可选地，波导区域9的弯曲角度为5°～10°，曲率半径为10mm～20mm，脊型波导结构4的刻蚀深度为0.6μm～1.5μm，脊型波导结构4的脊宽为3μm～5μm。
可选地，布拉格光栅结构5为亚微米量级的均匀周期光栅，占空比为40％～60％，栅长为3mm～6mm，浅刻蚀深度为100nm～300nm，布拉格光栅结构5的周期Λ由硅材料的折射率和布拉格波长决定，对于布拉格波长为1550nm的周期Λ为223nm。
可选地，布拉格光栅结构5的光栅图形垂直于直条脊型边缘。
可选地，SOI平面波导光栅7，其总长度约为15mm～25mm。
本发明提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上沉积二氧化硅层；
步骤2：在二氧化硅层上形成光栅图形；
步骤3：对有二氧化硅层的SOI片进行刻蚀，得到脊型波导区域，其中脊型波导区域的宽度小于所述光栅区域的宽度；
步骤4：在包括脊型波导区域的SOI上沉积一层金属镍；
步骤5：利用金属镍作为掩模刻蚀出脊型波导结构4，腐蚀掉金属层，暴露出脊型波导上的二氧化硅；
步骤6：利用二氧化硅作为掩模对所述脊型波导进行刻蚀，形成布拉格光栅结构5。
可选地，在步骤1中，在SOI片上沉积二氧化硅厚度层为30nm～60nm。
可选地，步骤2还包括，在得到布拉格光栅结构5的光栅图形的同时也形成了电子束曝光刻标记，所述对电子束曝光刻标记用于固定脊型波导结构4和布拉格光栅结构5的相对位置。
(三)有益效果
本发明通过提供的一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导光栅及其制作方法，使得脊型波导光栅区域为直条型，两端面区域为弯曲脊型，实现了高的端面反射率和窄的反射带宽，消除有害背向反射；同时，在刻蚀光栅或者脊型波导之前先后沉积二氧化硅和镍两层硬质掩模，使得电子束曝光和光刻的步骤均是在一个相对平坦的表面上进行，可以保证光栅和脊型的形貌，解决了在一个相对较高的脊型表面刻蚀光栅难的问题；最后，脊型波导刻蚀的光刻标记是与光栅图形同时经过电子束曝光得到的，使得脊型波导和光栅的相对位置固定，保证了光栅图形与脊型边缘的垂直特性，提高了套刻的对准精度。
附图说明
图1是窄反射带宽的SOI平面波导光栅直条脊型区域的立体示意图；
图2是高端面反射率窄反射带宽的SOI平面布拉格光栅的结构示意图；
图3是平面波导布拉格光栅的截面示意图；
图4是制作图1、图2和图3所示的高端面反射率窄反射带宽的SOI平面拉格光栅的工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1、图2及图3，其中1为硅衬底，2为下限制层，3为硅芯层，4为脊型波导结构，5为布拉格光栅结构，6为上包层，7为SOI平面波导光栅，8为光栅区域(直条脊型波导区域)，9为弯曲脊型波导区域。
本发明提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导光栅，其结构包括：
SOI晶片，其由硅衬底1、下限制层2以及硅芯层3构成。下限制层2为二氧化硅的热氧化层，其厚度大于1μm，能有效阻止光向硅衬底1的泄露；硅芯层3制作在下限制层2上，其厚度为3±0.5μm，该厚度保证了制作的脊型波导结构能够限制一个相对较大的光场模斑，提高波导和光纤的光场模斑的重叠积分，提高耦合效率；
脊型波导结构4，该脊型波导结构4总厚度H为3±0.5μm，脊型高度h为0.6μm～1.5μm，脊型宽度为3μm～5μm，脊型高度h小于总厚度H的一半，在3μm～5μm的脊型宽度下能够有效地保证脊型波导中单模的传输；该脊型波导结构4包括两部分：光栅区域8(直条脊型波导区域)和波导区域9(弯曲脊型波导区域)，两部分光滑连接，保证光在波导内的连续传输；
具体来说，光栅区域8(直条脊型波导区域)的长度为3mm～6mm，位于SOI平面波导光栅7的中间位置，相比于光纤光栅结构，在较短的光栅长度内保证了较高的峰值波长反射率；波导区域9(弯曲脊型波导区域)位于SOI平面波导光栅7的两端位置，与光栅区域(直条脊型波导区域)8光滑连接，该弯曲脊型波导区域9与端面的夹角θ为5°～10°，其曲率半径R为10mm～20mm，其长度为7mm～100mm，小的弯曲角度、大的曲率半径保证低的弯曲损耗，同时，可以有效的减少端面反射率，消除背向反射的危害；
布拉格光栅结构5，该结构浅刻蚀在脊型波导结构4的内脊表面，其为亚微米量级的均匀周期光栅，占空比a/Λ为40％～60％，栅长L为3mm～6mm，具体栅长视峰值波长反射率而定，栅长越长，反射率越高，浅刻蚀深度d为100nm～300nm，该结构的周期Λ由硅材料的折射率和布拉格波长决定，对于布拉格波长为1550nm的周期Λ为223nm；
SOI平面波导光栅7，其总长度为15mm～25mm，该长度保证了SOI平面波导光栅7高的峰值反射率和窄的反射带宽，使其适用于片上的光电子器件集成；
上包层6，该结构形成在脊型波导结构4和布拉格光栅结构5之上，其材料为二氧化硅，能够有效的保护脊型波导结构4和布拉格光栅结构5的形貌。
如图4，本发明提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导光栅的制作方法，以布拉格波长为1550nm的平面波导光栅为例，制作方法包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底1上依次制作下限制层2和硅芯层3，形成绝缘体上硅(SOI)晶片；其中下限制层2的组分为二氧化硅，可以用热氧化或其它工艺得到，其厚度大于1μm；其中硅芯层的厚度为3±0.5μm；
步骤2：在SOI片上沉积一层二氧化硅层作为光栅刻蚀掩模，该二氧化硅层掩模厚度约为30nm～60nm；
步骤3：将生长有二氧化硅掩模的SOI片放入匀胶机中，设置转速为2000～5000转/分钟，涂电子束曝光胶，厚度约为100nm～400nm，进行电子束曝光工艺得到亚微米光栅图形，其光栅的宽度为6μm～8μm，光栅的长度为3mm～6mm，同时该步骤还得到了紫外光刻时需要的光刻标记；紫外光刻脊型的光刻标记由电子束曝光得到，保证了脊型波导结构与光栅图形的相对垂直位置，提高套刻的对准精度；
步骤4：利用电子束曝光胶作为掩模腐蚀二氧化硅掩模层，将光栅的图形和由电子束曝光胶转移到二氧化硅掩模层上，同时得到紫外光刻时需要的光刻标记，然后去掉电子束曝光胶，清洗；由于掩模层的厚度很薄，相对于高脊型台面，刻蚀过后的表面依然可以看成一个相对平整的表面，该相对平整的表面可以进一步保证紫外光刻套刻的准确性；
步骤5：在有二氧化硅掩模的SOI片上涂紫外光刻胶，紫外曝光，留出脊型波导区域，其中脊型波导区域的宽度小于步骤2中光栅区域的宽度，为3μm～5μm，脊型波导区域的宽度和刻蚀深度主要是用来限制波导内的单模传输；
步骤6：在曝光出脊型波导区域的SOI片上沉积一层金属镍(Ni)，作为脊型波导刻蚀的金属硬质掩模，然后保留脊型波导区域的金属镍，利用带胶剥离工艺去除脊型波导区域以外的金属镍；在进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀脊型波导和光栅之前，我们已经沉积了两层硬质介质，分别作为刻蚀光栅和脊型波导的掩模，保证了光刻的步骤都是在一个完整的相对平整的表面进行，提高了光刻的准确性，特别是边缘部分的准确性；
步骤7：利用金属掩模镍刻蚀出脊型波导结构，然后湿法腐蚀掉金属镍层，暴露出脊型波导上二氧化硅作为掩模的光栅区域；其中刻蚀的深度为0.6μm～1.5μm，金属镍层可以通过有选择性的湿法腐蚀工艺去掉；
步骤8：利用二氧化硅作为掩模，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，形成浅刻蚀光栅，然后腐蚀去掉二氧化硅掩模，得到一个相对高脊型表面的波导光栅结构；其中，光栅的刻蚀深度为100nm～300nm，占空比为40％～60％；
步骤9：在脊型波导光栅上面生长二氧化硅上包层，该二氧化硅上包层主要起到保护脊型波导和光栅形貌的作用，便于之后可能进行的工艺，比如磨抛、解理等；生长完上包层之后，可以进行退火工艺。
综上所述，本实施例提供了一种高端面反射率窄反射宽度的SOI平面波导光栅及制备方法。采用直条脊型波导和弯曲脊型波导相结合的设计，保证了高的峰值反射率和窄的反射带宽，提高了耦合效率，同时，减小了有害背反射；在采用使用感应耦合等离子体刻蚀脊型波导和光栅之前，先沉积两层硬质掩模，使得光刻的步骤基本是在一个相对平整的表面进行，保证了光刻的准确性；通过电子曝光束同时得到布拉格光栅的光栅图形和脊型波导刻蚀的光刻标记，使得脊型波导和光栅的位置相对固定，保证了光栅图形与脊型波导的垂直特性，提高了套刻的对准精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，包括：
SOI片；
脊型波导结构(4)，其形成在所述SOI片上表面的中间位置，其中，所述脊型波导结构(4)包括光栅区域(8)和在两端与所述光栅区域(8)光滑连接的波导区域(9)，所述光栅区域(8)为直条脊型，所述波导区域(9)为弯曲脊型；
布拉格光栅结构(5)，其形成在所述脊型波导结构(4)的内脊表面；
SOI平面波导光栅(7)，其形成在所述SOI晶片上表面未覆盖有脊型波导结构(4)的位置。
2.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述SOI片包括衬底层(1)、下限制层(2)和硅芯层(3)，其中，所述下限制层(2)为热氧化层，组分为二氧化硅，厚度大于1μm，所述硅芯层(3)厚度为3±0.5μm。
3.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述光栅区域(8)的长度为3mm～6mm，位于所述SOI平面波导光栅(7)的中间位置。
4.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述波导区域(9)的弯曲角度为5°～10°，曲率半径为10mm～20mm，脊型波导结构(4)的刻蚀深度为0.6μm～1.5μm，脊型波导结构(4)的脊宽为3μm～5μm。
5.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述布拉格光栅结构(5)为亚微米量级的均匀周期光栅，占空比为40％～60％，栅长为3mm～6mm，浅刻蚀深度为100nm～300nm，所述布拉格光栅结构(5)的周期Λ由硅材料的折射率和布拉格波长决定，对应布拉格波长为1550nm的周期Λ为223nm。
6.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述布拉格光栅结构(5)的光栅图形垂直于直条脊型边缘。
7.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述SOI平面波导光栅(7)，其总长度为15mm～25mm。
8.一种SOI平面波导布拉格光栅结构的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：在SOI片上沉积二氧化硅层；
步骤2：在所述二氧化硅层上形成光栅图形；
步骤3：对有二氧化硅层的SOI片进行刻蚀，得到脊型波导区域，其中所述脊型波导区域的宽度小于所述光栅区域的宽度；
步骤4：在包括脊型波导区域的SOI上沉积一层金属镍；
步骤5：利用金属镍作为掩模刻蚀出脊型波导结构(4)，腐蚀掉金属层，暴露出脊型波导结构(4)上的二氧化硅；
步骤6：利用二氧化硅作为掩模对所述脊型波导进行刻蚀，形成布拉格光栅结构(5)。
9.如权利要求8所述的SOI平面波导布拉格光栅结构的制备方法，其特征在于，在步骤1中，在SOI片上沉积二氧化硅层厚度为30nm～60nm。
10.如权利要求8所述的SOI平面波导布拉格光栅结构的制备方法，其特征在于，步骤2还包括，在得到所述布拉格光栅结构(5)的光栅图形的同时也形成了光刻标记，所述光刻标记用于固定脊型波导结构(4)和布拉格光栅结构(5)的相对位置。
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