CN112285825A - 一种光耦合芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的光耦合芯片包括基板(100)、垂直电互联部分(101)、波导部分(201)、光检测部分(300)；基板(100)作为整个光耦合芯片的载体，在该基板(100)的上表面设有波导部分(201)和光检测部分(300)，波导部分(201)的芯层与光检测部分(300)以MEMS表面工艺制备于基板(100)表面，波导部分(201)末端底面与光检测部分(300)中惠斯通电桥的一桥臂上表面接触，垂直电互联部分(101)设置在基板(100)中，垂直电互联部分(101)的上部连接光检测部分(300)，下部穿过基板(100)，基板(100)作为波导部分(201)下包层/芯片衬底。本发明可以实现无源光波导与有源光敏感器件的低成本单片集成，可用于工业气体检测，腔室蒸汽检测等应用。

Description

一种光耦合芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种片上光芯片技术，属于光通信与光传感技术领域。
背景技术
根据Beer-Lambert定律，提高检测光信号对被检测气体的接触光程可有效提升基于光谱吸收原理的光学气体检测传感器的灵敏度。现有的光学气体传感器通常采用空间自由光与待检测气体进行交互，因此需要气室具有一定的长度从而保证传感器的灵敏度。但是，这一结构限制了传感器体积的缩小，不利于气体传感器的集成化和微型化。
基于平面光波导的新型光学气体传感器能够通过合理设计波导结构在有限的芯片尺寸内有效增加光信号的传输光程，从而极大缩小检测光信号与气体交互区域的体积，最终实现气体传感器的微型化及集成化。其中，氮化硅波导具有涵盖近可见，近红外以及中红外区域的超宽透明光谱，可适用于更多红外气体检测应用。同时，单模氮化硅波导对模场纵向限制很低，因此可以进一步提高光信号对待检测气体的吸收量。除此之外，氮化硅波导具有的低传输损耗以及适中的芯层尺寸及弯曲损耗，使其成为最具前景的用于红外红外气体检测的平面波导材料。
但是，与用于大容量光通信应用的光收发器件类似，由于材料与制造工艺等限制，现有技术仍然在实现集成波导式红外气体光芯片所包含的半导体激光光源，平面集成波导及光探测器的单片集成方面面临诸多挑战。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种光耦合芯片及其制备方法，解决现有片上集成波导式光芯片上气体交互部分(氮化硅波导)与光敏感器件无法进行低成本单片集成的问题，
技术方案：本发明的一种光耦合芯片包括基板、垂直电互联部分、波导部分、光检测部分；基板作为整个光耦合芯片的载体，在该基板的上表面设有波导部分和光检测部分，波导部分的芯层与光检测部分以MEMS表面工艺制备于基板表面，波导部分末端底面与光检测部分中惠斯通电桥的一桥臂上表面接触，垂直电互联部分设置在基板中，垂直电互联部分的上部连接光检测部分，下部穿过基板，以增加惠斯通电桥信号强度，基板作为波导部分下包层/芯片衬底。
所述的波导部分末端采用倒锥形结构.
所述的波导部分为氮化硅波导，由下包层、氮化硅波导芯层及上包层组成；基板作为下包层，氮化硅部分是波导芯层，包裹于上方的部分为上包层。
所述的波导部分具有可增加光程的螺旋形波导结构。
所述的光检测部分光检测部分为片上集成式惠斯通电桥，惠斯通电桥的四个端点分别引出电极，电极与基板中垂直电互联通孔的一面形成电接触；
本发明的光耦合芯片的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过基板制备工艺制备光耦合芯片基板；
步骤二，在基板上旋涂光刻胶，光刻显影得到所需图形；
步骤三，沉积金属层，通过剥离(lift-off)工艺得到惠斯通电桥；
步骤四，沉积氮化硅层，旋涂光刻胶，并通过光刻显影得到氮化硅芯层图形；
步骤五，干法刻蚀氮化硅从而将光刻胶图形转移到氮化硅层得到波导芯层；
步骤六，划片，端面抛光得到光耦合芯片。
所述的金属层的沉积工艺为溅射，蒸发，电镀等MEMS金属沉积工艺中的一种。
所述的所述氮化硅层的沉积工艺为LPCVD，PECVD等MEMS氮化硅沉积工艺中的一种。
所述的所述干法刻蚀为RIE、ICP-RIE的MEMS刻蚀工艺中的一种。
所述的所述金属层的材料为铂金或金。
本发明公开的光耦合芯片用于气体检测的工作原理：包含待检测气体吸收波段的单模光信号耦合至光芯片的氮化硅波导后在波导中传输，光信号在氮化硅波导传输过程中倏逝波与芯层上部的待检测气体交互并衰减。氮化硅波导末端与惠斯通电桥的检测臂接触，传输至波导末端的光信号在氮化硅芯层与检测臂接触界面激发等离子激元增强检测臂对波导末端光信号的光热转换。通过惠斯通电桥对光信号衰减量的精密测量实现特定气体的高精度检测。
有益效果：本发明所带来的好处，所达到的指标。
本发明提出一种光耦合芯片，该芯片集成的波导末端与惠斯通电桥(光检测部分)检测臂相接触的结构，利用光信号在波导与惠斯通电桥的检测臂之间激发等离子激元实现光波导中光信号的光功率检测，该检测结构可以实现光波导无源器件与光检测器件的低成本单片集成。
本发明提出的光耦合芯片结构将光波导部分，光检测部分与基板集成，采用基板为光检测电极提供垂直电互联，有效提高光耦合芯片集成度，并提升光耦合芯片的扩展性。
附图说明
图1：光耦合芯片三维示意图；
图2：检测芯片俯视图；
图3：带有垂直电互联的复合基板截面图；
图4：旋涂，光刻后得到用于剥离工艺的光刻胶；
图5：剥离工艺后得到金属光敏感部分；
图6：沉积，光刻，刻蚀后得到氮化硅波导芯层；
图中有：基板100，垂直电互联部分101，波导部分201，光检测部分300。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实例提供光耦合芯片，用于对甲基苯胺气体的检测，包括：
基板100；
波导部分201；
光检测部分300；
基板100作为整个光耦合芯片的载体，在该基板100的上表面设有波导部分201和光检测部分300，波导部分201的芯层与光检测部分300以MEMS表面工艺制备于基板100表面，波导部分201末端底面与光检测部分300中惠斯通电桥的一桥臂上表面接触，垂直电互联部分101设置在基板100中，垂直电互联部分101的上部连接光检测部分300，下部穿过基板100，以增加惠斯通电桥信号强度，基板100作为波导部分201下包层/芯片衬底。
其中，基底部分的基板材质为硼硅玻璃，厚度300μm，硼硅玻璃中包裹有高导硅柱，硅柱经CMP研磨抛光后在玻璃基底的上下两面露出，上表面露出的硅柱与光检测部分的电极相连实现垂直电互联；波导部分为芯层尺寸满足在1480nm-1520nm波段单模传输条件的氮化硅螺旋波导，用以检测吸收波长1500nm附近的甲基苯胺分子。
结合图3-6，阐述本实例所提供的光耦合芯片的制备方法，其步骤如下：
第一步(图3)，通过DRIE在4英寸厚500μm的硅圆片上刻蚀出高度320μm左右的硅圆柱，硅圆柱直径约100μm，之后将硅片与4英寸厚500μm的BF33鹏硅玻璃圆片键合，键合后的圆片在高温炉中880度的环境下保持半小时，使玻璃回流包裹硅柱，对回流片进行表面研磨，抛光工艺，从而制备得到带有垂直电互联的复合玻璃基板，玻璃基板厚度300μm，用于实现垂直电互联的高导硅柱直径为100μm，深宽比为1：3。
第二步(图4)，在复合基板一面旋涂2μm紫外负性剥离光刻胶，旋涂转速3000rpm，旋涂时间30s。并利用MA6光刻机对光刻胶进行光刻，曝光时间1.5s，利用显影液显影得到惠斯通电桥图案的翻转图案。
第三步(图5)，利用磁控溅射工艺在基板上制备有光刻胶的一面上沉积50nm铂金层，通过剥离工艺去除光刻胶得到铂金惠斯通电桥(光敏感部分)。
第四步，通过PECVD沉积200nm氮化硅层，沉积温度300度，沉积时间2.5分钟，并在氮化硅层上旋涂1.5μm正性紫外光刻胶，旋涂转速3000rpm，旋涂时间45s。并利用MA6光刻机对光刻胶进行光刻，曝光时间1.3s，利用显影液显影得到氮化硅波导芯层图案
第五步(图6)，对氮化硅芯层进行ICP-RIE刻蚀，刻蚀时间约2.5分钟，使得氮化硅芯层稍微过刻，得到具有螺旋波导，倒锥形末端图形的氮化硅芯层。
第六步，通过划片端面抛光等后道工艺得到单个光耦合芯片，从而使特定波长单模光信号可通过端面耦合耦合至芯片氮化硅波导中。

Claims (10)

1.一种光耦合芯片，其特征在于该光耦合芯片包括基板(100)、垂直电互联部分(101)、波导部分(201)、光检测部分(300)；基板(100)作为整个光耦合芯片的载体，在该基板(100)的上表面设有波导部分(201)和光检测部分(300)，波导部分(201)的芯层与光检测部分(300)以MEMS表面工艺制备于基板(100)表面，波导部分(201)末端底面与光检测部分(300)中惠斯通电桥的一桥臂上表面接触，垂直电互联部分(101)设置在基板(100)中，垂直电互联部分(101)的上部连接光检测部分(300)，下部穿过基板(100)，基板(100)作为波导部分(201)下包层/芯片衬底。
2.根据权利要求1所述的光耦合芯片，其特征在于所述的波导部分(201)末端采用倒锥形结构。
3.根据权利要求1所述的光耦合芯片，其特征在于所述的波导部分(201)为氮化硅波导，由下包层、氮化硅波导芯层及上包层组成；基板(100)作为下包层，氮化硅部分是波导芯层，包裹于上方的部分为上包层。
4.根据权利要求1所述的光耦合芯片，其特征在于所述的波导部分(201)具有可增加光程的波导图形。
5.根据权利要求1所述的光耦合芯片，其特征在于所述的光检测部分(300)光检测部分(300)为片上集成式惠斯通电桥，惠斯通电桥的四个端点分别引出电极，电极与基板中垂直电互联通孔的一面形成电接触。
6.一种如权利要求1所述的光耦合芯片的制备方法，其特征在于所述的光耦合芯片的制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过基板制备工艺制备光耦合芯片基板；
步骤二，在基板上旋涂光刻胶，光刻显影得到所需图形；
步骤三，沉积金属层，通过剥离工艺得到惠斯通电桥；
步骤四，沉积氮化硅层，旋涂光刻胶，并通过光刻显影得到氮化硅芯层图形；
步骤五，干法刻蚀氮化硅从而将光刻胶图形转移到氮化硅层得到波导芯层；
步骤六，划片，端面抛光得到光耦合芯片。
7.根据权利要求6所述的光耦合芯片的制备方法，其特征在于所述的金属层的沉积工艺为溅射，蒸发，电镀等MEMS金属沉积工艺中的一种。
8.根据权利要求6所述的光耦合芯片的制备方法，其特征在于所述的所述氮化硅层的沉积工艺为LPCVD，PECVD等MEMS氮化硅沉积工艺中的一种。
9.根据权利要求6所述的光耦合芯片的制备方法，其特征在于所述的所述干法刻蚀为RIE、ICP-RIE的MEMS刻蚀工艺中的一种。
10.根据权利要求6所述的光耦合芯片的制备方法，其特征在于所述的所述金属层的材料为铂金或金。
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