CN110596811A - 一种光栅耦合结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光栅耦合结构及其制作方法，包括：底部的第一硅层；位于所述第一硅层上的第一氧化硅层；位于所述第一氧化硅层上的反射膜图形，其材质为高反射率的金属或金属氧化物；位于所述第一氧化硅层和反射膜图形上的第二氧化硅层；位于所述第二氧化硅层上的第三氧化硅层；位于所述第三氧化硅层上的顶层硅，包括与所述反射膜图形上下位置对应的光栅图形，所述光栅图形在所述反射膜图形所在面上的投影位于所述反射膜图形内部。本发明能够增强光栅耦合效率，工艺简单，成本低廉。

Description

一种光栅耦合结构及其制作方法
技术领域
本发明属于硅基光电子技术领域，具体涉及一种光栅耦合结构及其制作方法。
背景技术
硅基光栅耦合器在集成光电系统的输入/输出端口有着举足轻重的作用，光栅耦合器通过光栅的衍射作用，将光从一个波导传输到另一个波导。在垂直光栅耦合器件中，光栅的主要功能是将外部的接近于90°的入射光转向到平面波导中或是将运算后的光信号从平面波导转向垂直传出。其本身的光损耗越小，器件性能越优越。然而在现有技术中，在光栅耦合结构对垂直入射光的耦合过程中，有一部分入射光经过光栅衍射向下传播，穿过波导层透射到衬底，这对光栅的耦合效率会造成很大的影响。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够增强光栅耦合效率的光栅耦合结构及其制作方法。
本发明的第一方面，一种光栅耦合结构，包括：
底部的第一硅层；
位于所述第一硅层上的第一氧化硅层；
位于所述第一氧化硅层上的反射膜图形，其材质为高反射率的金属或金属化合物；
位于所述第一氧化硅层和反射膜图形上的第二氧化硅层；
位于所述第二氧化硅层上的第三氧化硅层；
位于所述第三氧化硅层上的顶层硅，包括与所述反射膜图形上下位置对应的光栅图形，所述光栅图形在所述反射膜图形所在面上的投影位于所述反射膜图形内部。
进一步地，所述第一氧化硅层厚度大于100nm，所述第二氧化硅层厚度大于100nm，所述第三氧化硅层厚度大于100nm，所述反射膜图形厚度大于10nm，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离大于200nm。
进一步地，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离的取值范围是其中n∈N*。
本发明的第二方面，一种光栅耦合结构的制作方法，包括如下步骤：
S11：提供第一硅衬底，包括第一硅层；
S12：清洗所述第一硅层表面，在其上通过热氧化或化学气相沉积方法制备第一氧化硅层；
S13：在所述第一氧化硅层的表面通过化学气相沉积或溅射方法制备反射层，所述反射层的材质是金属或金属化合物；
S14：在所述反射层上光刻出所需的反射膜图形；
S15：在所述第一氧化硅层以及反射膜图形的表面沉积第二氧化硅层，并做化学机械抛光处理；
S21：提供第二硅衬底，包括第二硅层；
S22：清洗所述第二硅层表面，在所述第二硅层上通过热氧化法制备第三氧化硅层；
S23：向第二硅衬底注入一定量的氢离子，注入深度至所述第二硅层；
S31：所述第一硅衬底与第二硅衬底经过清洗后键合，形成SOI结构；
S32：加热使所述SOI结构在有氢离子注入的所述第二硅层中形成气泡层并发生剥离，对所述第二硅层的剥离面进行化学机械抛光处理；
S33：所述第二硅层未剥离的部分作为所述SOI结构的顶层硅，在所述顶层硅上光刻出光栅图形，所述光栅图形位于所述反射膜图形的正上方且所述光栅图形在所述反射膜图形所在面上的投影位于所述反射膜图形内部。
进一步地，所述第一氧化硅层厚度大于100nm，所述第二氧化硅层厚度大于100nm，所述第三氧化硅层厚度大于100nm，所述反射膜图形厚度大于10nm，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离大于200nm，所述金属或金属化合物的熔点高于键合温度和硅光器件制作工艺中的最高温度。
进一步地，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离的取值范围是其中n∈N*。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明在智能剥离技术的基础上对基于SOI的光栅耦合结构制造工艺进行改进，通过在键合前的一个衬底上光刻出反射膜图形，并在键合后的顶层硅上与所述反射膜图形对应的位置制备光栅，一是能够有效提高光栅耦合效率，二是反射膜直接做在裸片上能保证很高的平整度，三是本发明的工艺不需要增加如电镀、金属键合之类的额外工艺，比现有的反射镜工艺更为简单，规模化制作更容易，成本更低廉。
附图说明
图1为本发明第一硅衬底S11-S13的结构示意图；
图2为本发明第一硅衬底S14的结构示意图；
图3为本发明第一硅衬底S15的结构示意图；
图4为本发明第二硅衬底S21-S23的结构示意图；
图5为本发明键合后的SOI结构示意图(S31-S33)；
图6为本发明制作方法流程图；
其中，1第一硅层，2第一氧化硅层，3反射层，31反射膜图形，4第二氧化硅层，5第二硅层，51顶层硅，6第三氧化硅层，7光栅图形。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的第一方面，一种光栅耦合结构，如图5所示，包括：
底部的第一硅层1；
位于所述第一硅层1上的第一氧化硅层2，其厚度可大于100nm；
位于所述第一氧化硅层2上的反射膜图形31，其材质为高反射率(反射率>80％)的金属或金属化合物；
位于所述第一氧化硅层2和反射膜图形31上的第二氧化硅层4，其厚度可大于100nm；
位于所述第二氧化硅层4上的第三氧化硅层6，其厚度可大于100nm；
位于所述第三氧化硅层6上的顶层硅51，包括与所述反射膜图形31上下位置对应的光栅图形7，所述光栅图形7在所述反射膜图形31所在面上的投影位于所述反射膜图形31内部。
所述第一氧化硅层可通过热氧化或化学气相沉积方法进行制备，所述反射膜图形可通过对反射层进行光刻来制备，所述反射层可在第一氧化硅层上通过气相沉积或溅射方法进行制备，所述第二氧化硅层可通过气相沉积方法进行制备，所述第三氧化硅层可通过热氧化法进行制备，所述顶层硅可通过智能剥离方法进行制备。高反射率的材质，通常指反射率＞80％的材质，本方案中采用高反射率的金属或金属化合物，能够有效提高耦合效率。所述反射膜图形平整度高，可以很好地实现对透射光的反射。考虑到所述反射膜图形要尽量将透射光反射回去，本发明中的反射膜图形不仅位置要与光栅图形对应，其面积也要比光栅图形更大。
在所述光栅对垂直入射光的耦合过程中，有一部分入射光经过光栅衍射向下传播，穿过波导层透射到反射膜图形上，由于反射膜图形材质采用高反射率的金属或金属化合物，这部分透射光会由反射膜图形反射到光栅，经耦合进入波导，使总耦合光增加，显著提高了耦合效率。
本发明的第二方面，一种光栅耦合结构的制作方法，如图1-6所示，包括如下步骤：
S11：提供第一硅衬底，包括第一硅层1；
S12：清洗所述第一硅层1表面，在所述第一硅层1上通过热氧化或化学气相沉积方法制备厚度大于100nm的第一氧化硅层2；
S13：在所述第一氧化硅层2的表面通过化学气相沉积或溅射方法制备厚度大于10nm的反射层3，所述反射层3的材质可以是金属或金属化合物；
S14：在所述反射层3上光刻出所需的反射膜图形31；
S15：在所述第一氧化硅层2以及反射膜图形31的表面沉积厚度大于100nm的第二氧化硅层4，并做化学机械抛光(CMP)处理；
S21：提供第二硅衬底，包括第二硅层5；
S22：清洗所述第二硅层5表面，在所述第二硅层5上通过热氧化法制备厚度大于100nm的第三氧化硅层6；
S23：向第二硅衬底注入一定量的氢离子，注入深度至所述第二硅层5；
S31：所述第一硅衬底与第二硅衬底经过清洗后键合，形成SOI结构；
S32：加热使所述SOI结构在有氢离子注入的所述第二硅层5中形成气泡层并发生剥离，对所述第二硅层5的剥离面进行化学机械抛光处理；所述第二硅层5未剥离的部分作为所述SOI结构的顶层硅51，所述第一硅层1作为所述SOI结构的硅衬底，所述顶层硅51厚度＞100nm，所述反射膜图形31与所述顶层硅51的距离d＞200nm；
S33：在所述顶层硅51上光刻出光栅图形7，所述光栅图形7位于所述反射膜图形31的正上方且所述光栅图形7在所述反射膜图形31所在面上的投影位于所述反射膜图形31内部。之后可进行后续的硅光器件制作工艺。
所述反射层为了防止在光栅耦合器制作过程中发生熔化或扩散，其材质(即金属或金属化合物)的熔点应高于键合温度以及硅光器件制作工艺的最高温度。由于反射膜直接做在裸片上，平整度高。所述热氧化、化学气相沉积、溅射等方法均属于现有技术，在此不予赘述。所述硅光器件制作工艺是指现有技术中制作硅光器件所需进行的其他工艺，属于现有技术，此处不予赘述。所述光刻一般可包括涂胶、曝光、显影、刻蚀、去胶等步骤，属于现有技术，此处不予赘述。本方案中由于在第一氧化硅层上制备了反射膜图形，因此不能像现有技术那样直接将第一氧化硅层与第三氧化硅层进行键合，而是有必要在第一氧化硅层上方沉积一个第二氧化硅层来覆盖反射膜图形，为下一步键合做准备。所述步骤S11-S15须在S31之前执行，步骤S21-S23须在S31之前执行，至于步骤S11-S15和步骤S21-S23并无时间上的先后要求，谁先谁后皆可，也可以并行操作。
本方案在智能剥离技术的基础上对基于SOI的光栅耦合结构制造工艺进行了改进，通过在键合前的一个衬底上光刻出反射膜图形，并在键合后的顶层硅上与所述反射膜图形对应的位置制备光栅，不但有效了提高光栅耦合效率，还不用增加如电镀、金属键合之类的额外工艺流程，也不需要特别的设备，比现有的反射镜工艺更为简单，规模化制作更容易，成本更低廉。
作为进一步优化的方案，所述反射膜图形31与所述顶层硅51的距离d的取值范围是其中n∈N*。
由于所述反射膜图形的反射光会与入射光相干叠加，若两者的相位匹配，则光场会得到明显增强，耦合效率显著提高。申请人发现，当所述距离d约为入射光波长的一半或一半的正整数倍时，耦合效率最高。本领域技术人员可以理解，所述耦合效率随着距离d的变化呈周期性的连续变化，而高耦合效率并不局限于半波长的正整数倍，只要所述距离d取入射光半波长整数倍附近的值也有很高的耦合效率。特别地，设入射光波长为λ，则所述距离d的取值范围可以是其中n∈N*(n可以是任意正整数，根据实际需要进行选择)。举例来说，当n取1时，d取当n取2时，d取以此类推。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光栅耦合结构，其特征在于包括：
底部的第一硅层；
位于所述第一硅层上的第一氧化硅层；
位于所述第一氧化硅层上的反射膜图形，其材质为高反射率的金属或金属化合物；
位于所述第一氧化硅层和反射膜图形上的第二氧化硅层；
位于所述第二氧化硅层上的第三氧化硅层；
位于所述第三氧化硅层上的顶层硅，包括与所述反射膜图形上下位置对应的光栅图形，所述光栅图形在所述反射膜图形所在面上的投影位于所述反射膜图形内部。
2.根据权利要求1所述的一种光栅耦合结构，其特征在于：
所述第一氧化硅层厚度大于100nm，所述第二氧化硅层厚度大于100nm，所述第三氧化硅层厚度大于100nm，所述反射膜图形厚度大于10nm，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离大于200nm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种光栅耦合结构，其特征在于：
所述反射膜图形与所述顶层硅的距离的取值范围是其中n∈N*。
4.一种光栅耦合结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11：提供第一硅衬底，包括第一硅层；
S12：清洗所述第一硅层表面，在其上通过热氧化或化学气相沉积方法制备第一氧化硅层；
S13：在所述第一氧化硅层的表面通过化学气相沉积或溅射方法制备反射层，所述反射层的材质是金属或金属化合物；
S14：在所述反射层上光刻出所需的反射膜图形；
S15：在所述第一氧化硅层以及反射膜图形的表面沉积第二氧化硅层，并做化学机械抛光处理；
S21：提供第二硅衬底，包括第二硅层；
S22：清洗所述第二硅层表面，在所述第二硅层上通过热氧化法制备第三氧化硅层；
S23：向第二硅衬底注入一定量的氢离子，注入深度至所述第二硅层；
S31：所述第一硅衬底与第二硅衬底经过清洗后键合，形成SOI结构；
S32：加热使所述SOI结构在有氢离子注入的所述第二硅层中形成气泡层并发生剥离，对所述第二硅层的剥离面进行化学机械抛光处理；
S33：所述第二硅层未剥离的部分作为所述SOI结构的顶层硅，在所述顶层硅上光刻出光栅图形，所述光栅图形位于所述反射膜图形的正上方且所述光栅图形在所述反射膜图形所在面上的投影位于所述反射膜图形内部。
5.根据权利要求4所述的一种光栅耦合结构的制作方法，其特征在于：
所述第一氧化硅层厚度大于100nm，所述第二氧化硅层厚度大于100nm，所述第三氧化硅层厚度大于100nm，所述反射膜图形厚度大于10nm，所述反射膜图形与所述顶层硅的距离大于200nm，所述金属或金属化合物的熔点高于键合温度和硅光器件制作工艺中的最高温度。
6.根据权利要求4-5任一项所述的一种光栅耦合结构的制作方法，其特征在于：
所述反射膜图形与所述顶层硅的距离的取值范围是其中n∈N*。
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