CN111538120B

CN111538120B - 一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法

Info

Publication number: CN111538120B
Application number: CN202010316675.2A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 汪子及
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: CN111538120A

Abstract

本发明公开一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，包括如下步骤：步骤1，制备带沟道的玻璃基底；步骤2，通过阳极键合工艺在玻璃基底上形成硅器件层；步骤3，在硅器件层上旋涂光刻胶，并进行光刻，在硅器件层上留下与波导脊形图案一致的条形光刻胶，再进行干法刻蚀，得到脊形硅波导芯层。此种方法可有效增强悬浮脊形硅波导芯层的结构强度及稳定性。

Description

一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法

技术领域

本发明属于光通信和光传感技术领域，特别涉及一种平面集成光波导及其制备技术，特别涉及一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法。

背景技术

由于包含有绝大部分化学键的强吸收峰，甚至是指纹窗口，使得中红外光波段成为生物和化学物质及分子检测的“黄金波段”。同时，近年来平面光波导及集成光电技术的不断发展使得低成本的芯片级光传感器有望取代传统体积庞大的生物化学分子检测设备，实现生物化学分子的低成本，高灵敏度以及便携式检测。目前已有报道的基于中红外平面光波导的光传感器已可以实现如甲烷，二氧化碳，重水，乙醇，苯乙胺，甲苯胺等多种化学及生物物质的检测。

平面光波导作为中红外光传感器的核心器件，其透明波段宽度，在目标中红外波段的光传输损耗，物理化学稳定性等参数直接决定了光传感器的检测性能。由于二氧化硅对3.5μm以上中红外波段的光有较强的吸收损耗，使得目前已经成功实现商用的基于二氧化硅的硅基二氧化硅波导(SOS)以及近年来成为主要研究热点的基于SOI的单模硅波导等利用氧化硅作为波导外包层的光波导方案无法满足中红外光信号的传输要求。为解决这一问题，在中红外波段具有宽传输光谱的硫系玻璃光波导，锗基硅波导，悬浮脊形硅波导等多种新型中红外波导架构被相继提出。其中，悬浮式硅波导不仅拥有脊形波导低传输损耗，宽波段透明窗口，与标准CMOS工艺兼容等优点，同时其波导芯层的上下部分可同时与被检测气体或溶液接触以增大接触面积，从而可有效提高基于该类型的中红外光波导传感器的检测灵敏度。

现有悬浮硅波导的制备主要利用在SOI圆片上对顶层已蚀刻出脊形波导结构的硅器件层的外部进行部分刻蚀开孔从而形成多个通向二氧化硅层的孔道，后利用湿法刻蚀将硅波导芯层下部的二氧化硅蚀刻掉，从而形成可在中红外工作的悬浮硅波导。然而，对起到支撑作用的硅波导芯层两侧部分进行打孔蚀刻会降低脊形硅波导的结构强度，降低硅波导的良品率及整体性能；同时，为保证光信号不泄露是SOI圆片的硅衬底中，实现基于SOI的脊形硅波导需要较厚的氧化层作为制备过程中的牺牲层，增加了生产成本。

现有技术存在如下不足：

(1)现有技术中红外悬浮硅波导制备过程中需要对硅器件层开孔制备下包层，导致悬浮硅波导结构稳定性不足；

(2)现有方案需要使用厚氧化层的SOI圆片作为牺牲层防止光场泄露至衬底，材料成本高昂。

针对以上不足，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，其可有效增强悬浮脊形硅波导芯层的结构强度及稳定性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备带沟道的玻璃基底；

步骤2，通过阳极键合工艺在玻璃基底上形成硅器件层；

步骤3，在硅器件层上旋涂光刻胶，并进行光刻，在硅器件层上留下与波导脊形图案一致的条形光刻胶，再进行干法刻蚀，得到脊形硅波导芯层。

上述步骤1中，采用机械刻蚀、干法刻蚀或湿法刻蚀的方式在玻璃圆片上形成沟道，得到带沟道的玻璃基底。

上述采用湿法刻蚀的方法是，通过49％HF溶液对带有掩模层的玻璃圆片进行湿法刻蚀并去除掩模层，得到与脊形硅波导路线一致的沟道。

上述玻璃基底的厚度为1-2000μm，优选为500μm，沟道的深度为1-50μm，优选为10μm，宽度为1-50μm，优选为20μm。

上述玻璃基底的材质为带有导电离子并能够进行阳极键合的玻璃，优选为硼硅酸盐玻璃。

上述步骤2的具体过程是：

步骤211，将单晶硅圆片与玻璃基底上带有沟道的一面相对，并将玻璃基底与单晶硅圆片进行阳极键合；

步骤212，对键合后的硅部分进行减薄和抛光，得到硅器件层。

上述步骤2的具体过程是：

步骤221，将SOI圆片硅器件层与玻璃基底上带有沟道的一面相对，并将玻璃基底与硅圆片进行阳极键合；

步骤222，用25％TMAH溶液湿法腐蚀去除键合后的硅衬底，再利用湿法腐蚀或干法刻蚀去除氧化层，再进行清洗。

采用上述方案后，本发明以刻槽后的玻璃作为衬底，脊形硅作为波导芯层，沟道中的填充物作为悬浮脊形硅波导的下包层，通过调整脊形波导的脊宽，内外脊高等参数，可使玻璃基硅波导满足近红外或中红外波段的单模传输条件，使其可应用于近红外和中红外的高性能通讯、传感、生物化学检测等领域。

本发明具有如下改进：

(1)无需对硅器件层蚀刻开孔，从而提升硅器件层的结构强度；

(2)在玻璃基底上制备沟道，无需厚氧化层SOI，降低成本

附图说明

图1是玻璃基悬浮脊形硅波导三维示意图；

图2是悬浮脊形硅波导截面图；

图3是悬浮脊形硅波导TE基模光场分布图；

图4是悬浮脊形硅波导TM基模光场分布图；

图5a表示在玻璃基底制备沟道；

图5b表示玻璃基底与单晶硅圆片键合；

图5c表示通过减薄，抛光工艺得到硅器件层；

图5d表示通过刻蚀工艺得到脊形硅波导；

图5e表示去除光刻胶，得到玻璃基悬浮脊形硅波导；

图6a表示在玻璃基底制备沟道；

图6b表示通过阳极键合将SOI硅器件层与玻璃基底键合；

图6c表示通过减薄，抛光工艺得到硅器件层；

图6d表示通过刻蚀工艺得到脊形硅波导；

图6e表示去除光刻胶，得到玻璃基悬浮脊形硅波导。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，制备带沟道的玻璃基底120；

步骤二，通过阳极键合工艺在玻璃基底上形成硅器件层；

步骤三，通过光刻及刻蚀工艺制备满足单模传输条件的脊形硅波导芯层110；

如图1所示，通过本发明提供的制备方法制备得到的玻璃基悬浮脊形硅波导包含悬浮脊形硅波导芯层1、脊形波导下方沟道2和玻璃基底3，其中，脊形波导下方沟道2设于玻璃基底3上，作为悬浮脊形硅波导的衬底，其由带有导电离子的可以进行阳极键合的玻璃制成，例如硼硅玻璃中的BF33玻璃；悬浮脊形硅波导芯层1设于脊形波导下方沟道2上方，脊形波导下方沟道2使得悬浮脊形硅波导芯层1与玻璃基底3隔绝，当沟道中未填充其他物质时，空气作为悬浮脊形硅波导芯层1的下包层；沟道的宽度范围为1-50μm，沟道的深度范围为1-50μm。如图2所示，是悬浮脊形硅波导截面图。

所述悬浮脊形硅波导芯层1由脊形硅波导芯层、下包层、上包层构成，当沟道内以及芯层上部分没有其他物质填充且非真空时，沟道内以及硅波导芯层上部的空气分别作为悬浮脊形硅波导芯层的上、下包层，此时可使1000nm-8000nm的红外波段光信号，尤其是大于3500nm的中红外波段光信号在其中低损耗传输。

实施例1：

其中，玻璃部分的材质为硼硅酸盐玻璃；

如图5a-5e所示，本实施例所提供的玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，其步骤如下：

第一步(图5a)，通过LPKF U3激光器在500μm厚的4英寸Pyrex7740玻璃圆片上雕刻沟道，雕刻的沟道的路线与脊形波导的路线一致，沟道的深度为10μm，宽度为20μm，得到带有沟道的玻璃基底120；

第二步(图5b)，将500μm厚4英寸单晶硅圆片112与清洗后的玻璃基底120上刻有沟道的一面相对，并利用EVG 501阳极键合机将玻璃基底120与硅圆片112进行阳极键合，键合条件为400℃，800V，真空环境；

第三步(图5c)，将键合后的圆片放入研磨机中，对硅部分进行CMP减薄和化学机械抛光，得到5μm厚的硅器件层114，并清洗圆片；

第四步(图5d)，利用80RC匀胶机在硅器件层114上旋涂光刻胶130，旋涂转速4000rmp/s，旋涂时间40s，并利用MA6紫外光刻机进行光刻，曝光时间1.4s，显影，显影时间40s，在硅器件层上留下与波导脊形图案一致，宽度为4μm的条形光刻胶；

第五步(图5e)，利用标准RIE对硅器件层114进行干法刻蚀，刻蚀深度2μm，刻蚀出脊宽4μm，内脊高5μm，外脊高3μm的脊形硅波导芯层110。

图3为波长3.31μm的中红外单模光信号在本实施例结构的脊型硅波导中传输时TE基模的模场分布图。

图4为波长3.96μm的中红外单模光信号在本实施例结构的脊型硅波导中传输时TE基模的模场分布图。

实施例2：

本实施例提供一种玻璃基悬浮脊形硅波导，其结构与实施例1与相同，区别在于硅器件层114由SOI圆片制备得到。

如图6a-6e所示，本实施例所提供的玻璃基悬浮脊形硅波导的制备方法，其步骤如下：

第一步(图6a)，通过49％HF溶液对带有掩模层的500μm厚的4英寸Pyrex7740玻璃圆片进行湿法刻蚀并去除掩模层，得到与脊硅波导路线一致的沟道，沟道的深度为10μm，宽度为20μm。

第二步(图6b)，将SOI圆片硅器件层114与清洗后的玻璃基底120上刻有沟道的一面相对，SOI氧化层115厚度为300nm，并利用EVG 501阳极键合机将玻璃圆片与硅圆片进行阳极键合，键合条件为400℃，800V，真空环境；

第三步(图6c)，将键合后的圆片放入研磨机中，对硅衬底116部分进行减薄，并用25％TMAH溶液湿法腐蚀去除硅衬底116，之后利用49％HF溶液腐蚀去除氧化层115，并清洗圆片；

第四步(图6d)，利用80RC匀胶机在硅器件层114上旋涂光刻胶130，旋涂转速4000rmp/s，旋涂时间40s，并利用MA6紫外光刻机进行光刻，曝光时间1.4s，显影，显影时间40s，在硅器件层上留下与波导脊形图案一致，宽度为4μm的条形光刻胶；

第五步(图6e)，利用CE300I刻蚀机对硅器件层114进行干法刻蚀，刻蚀深度2μm，刻蚀出脊宽4μm，内脊高5μm，外脊高3μm的脊形硅波导芯层110。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，制备带沟道的玻璃基底；

步骤2，通过阳极键合工艺在玻璃基底上键合单晶硅圆片；

步骤3，对单晶硅圆片减薄和抛光，得到硅器件层；

步骤4，在硅器件层上旋涂光刻胶，并进行光刻，在硅器件层上留下与波导脊形图案一致的条形光刻胶，再进行干法刻蚀，得到脊形硅波导芯层。

2.如权利要求1所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述步骤1中，采用机械刻蚀、干法刻蚀或湿法刻蚀的方式在玻璃圆片上形成沟道，得到带沟道的玻璃基底。

3.如权利要求2所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述采用湿法刻蚀的方法是，通过49％HF溶液对带有掩模层的玻璃圆片进行湿法刻蚀并去除掩模层，得到与脊形硅波导路线一致的沟道。

4.如权利要求1所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程是：将单晶硅圆片与玻璃基底上带有沟道的一面相对，并将玻璃基底与单晶硅圆片进行阳极键合。

5.如权利要求1所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述玻璃基底的厚度为1-2000μm，沟道的深度为1-50μm，宽度为1-50μm。

6.如权利要求1所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述玻璃基底的材质为带有导电离子并能够进行阳极键合的玻璃。

7.如权利要求6所述的玻璃基悬浮脊形硅波导的圆片级制备方法，其特征在于：所述玻璃基底的材质为硼硅酸盐玻璃。