CN113031151A - 一种硫系狭缝光波导结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种硫系狭缝光波导结构及其制备方法，包括衬底层以及设于衬底层上的芯层，其特征在于：所述衬底层包括两个间隔设置的相同的等腰梯形结构，所述芯层覆盖所述梯形结构以及衬底层的表面，形成两个梯形平台，所述两个梯形平台之间形成梯形的空气狭缝。该硫系狭缝光波导结构，大大减小了狭缝波导的散射损耗，同时光波导制备方法不需要刻蚀波导芯层，减小了刻蚀工艺对狭缝波导的影响。这种制备方法还能将不同的材料作为波导芯层而基本不需要改变其工艺，具有普适性。同时也为后续利用这种新型狭缝波导制备光学器件提供了基础。

Description

一种硫系狭缝光波导结构及其制备方法
技术领域
本发明申请涉及一种狭缝波导结构及其制备方法，特别是涉及一种硫系狭缝光波导的结构及其制备方法。
背景技术
随着通信技术和材料行业的发展，与之相关的光电子技术也迅速发展起来。集成电路领域向着较小体积、较低功耗的方向发展。但是随着加工尺度的不断缩小，加工技术面临着很大的瓶颈。硅光子学在这种背景下逐渐形成和发展起来。硅光子学中可以将光器件和电器件集成在一个硅基衬底上。制备光器件的材料种类繁多，如硅、锗、二氧化硅等。其中光波导这类光子器件得到广泛的研究，光波导是光子器件的基础组成部分，它能把光较好的限制在波导芯层当中。
狭缝波导是一种特殊结构的光波导，近年来受到广泛的关注。当两个条状硅波导的间距为纳米量级的时候，由于芯层和包层材料的折射率差产生边界的电场不连续，导致光被限制在低折射率的空气狭缝之中。与条形光波导和脊形光波导相比，狭缝波导可以更多的将光限制在狭缝中。由于其独特的优势，狭缝波导被应用在许多光子器件中。无机材料和有机材料都可以设计成狭缝波导的形式。
硫系材料是元素周期表中S、Se、Te中的一种或多种元素和其它电负性较弱的As、Sb、Ge、Ga组成的无机玻璃。这种无机材料折射率可调、结构灵活、光电性能广泛。同时它还具有较高的光学非线性、较低的光子吸收、具有从可见光到远红外之间较宽的透明度。这些特点使他成为制备狭缝波导的理想材料。
但是传统结构的狭缝波导的制备必须要经过刻蚀这一步骤。狭缝波导由于其本身的物理性质，损耗要比条形波导要大，引入刻蚀工艺会在较厚的芯层和较薄的包层之间的连接处会发生几何形状的不连续性，这种不连续性会使狭缝波导的侧壁粗糙度增大，侧壁粗糙度的增大又会引起散射损耗，刻蚀工艺还会导致波导形貌的改变，会增加波导的传输损耗。同时刻蚀过程中生成的聚合物也难以在后续的工艺中去除，甚至去除过程中会对波导芯层有很大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种能够降低传输损耗的波导结构及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明实施例主要提供如下技术方案：
一种硫系狭缝光波导结构，包括衬底层以及设于衬底层上的芯层，其特征在于：所述衬底层包括两个间隔设置的相同的等腰梯形结构，所述芯层覆盖所述梯形结构以及衬底层的表面，形成两个梯形平台，所述两个梯形平台之间形成梯形的空气狭缝。
优选地，所述衬底层包括平板状的第一层，以及设于第一层上同样平板状的衬底生长层，设于所述衬底生长层上的第二层，所述第二层包括两个间隔设置的等腰梯形结构。
优选地，所述第一层为Si材料制成，所述第二层和衬底生长层为SiO2材料制成。
优选地，所述梯形平台中，梯形平台的底部部分的长度L2＝1300nm-1500nm，梯形平台的底部之间的空气狭缝的距离Lslot1＝100nm-200nm，梯形平台的顶部之间的空气狭缝3的距离Lslot2＝1000nm-1200nm，梯形平台的顶部长度L1＝1100nm-1200nm，梯形平台顶部平面与侧面之间的夹角为θ1，梯形平台顶部的平坦部分的芯层厚度为Hcore1＝300nm-400nm，并且梯形平台中顶部平坦部分的芯层厚度与两个梯形平台之间芯层的厚度相同，梯形平台中侧面部分的芯层厚度为Hcore2＝Hcore1cosθ1。
所述第二层的梯形结构中，第二层的顶部与侧面的夹角为θ2，顶部平坦部分的长度L3＝800nm-900nm，梯形结构底部的长度为L4＝1000nm-1200nm，两个梯形结构底部之间的距离为Lslot3＝300nm-500nm，两个梯形结构顶部之间的距离为Lslot4＝1300nm-1400nm，并且θ2＝θ1。
一种上述硫系狭缝光波导结构的制备方法，具体包括如下步骤：
S1：选取Si/SiO2基片，并对Si/SiO2基片表面进行清洗；
S2：将清洗干净的Si/SiO2基片进行表面粘附性处理；
S3：将上述步骤中准备好的Si/SiO2基片涂覆光刻胶，并且进行紫外曝光和显影，形成具有掩膜层的Si/SiO2基片；
S4：将上述得到的掩膜层的Si/SiO2基片进行湿法腐蚀，得到衬底中的第二层的两个梯形结构；
S5：在Si/SiO2基片的SiO2层和Si层之间的Si层上生长出一层SiO2，该SiO2层覆盖Si层露出的表面，该生长出来的SiO2层即为形成波导结构中的衬底生长层；
S6：通过热蒸发法在上述步骤所得到的Si/SiO2基片上沉积一层Ge28Sb12Se60波导芯层。
优选地，上述步骤S2中具体包括：先将Si/SiO2基片放到热板上进行脱水烘焙，设置热板温度为130℃，将基片烘10min-12min，去除吸附在基片表面的大部分水汽，然后在基片上涂布六甲基二硅氮烷(HMDS)。
优选地，上述步骤S3中，具体包括：将处理好的Si/SiO2基片放到匀胶机上，将基片底部抽成真空，使用匀胶机所匀的光刻胶的厚度为1.2μm-1.8μm，先慢速让光刻胶覆盖整个硅片，设定转速为500rpm-1000rpm，旋转5s-10s，紧接着高速甩胶，设定转速为3000rpm，旋转30s-60s；
进行紫外曝光和显影具体包括：紫外曝光时间为10s-12s，空曝时间为120s；然后进行显影和定影，显影时间为40s-60s，定影时间为30s-40s。
优选地，上述步骤S5中具体为：将处理好的Si/SiO2基片送入湿法氧化扩散反应炉管中，炉管温度会加热至800℃-1000℃，同时通入湿氧，持续1-2个小时后即可制备出20nm-50nm的SiO2层。
优选地，上述步骤S6的具体参数为，在真空度为5×10-4Pa以下，加热蒸发源电流为260℃，将蒸发速率控制在1.6A/s-1.8A/s。
借由上述技术方案，本发明实施例提供的技术方案至少具有下列优点：
本发明公开的狭缝光波导结构，由于两侧高折射率的硫系材料的限制，电场主要集中分布在中间的梯形空气狭缝区域，且很少泄露到衬底和上包层中，这种梯形狭缝结构对光场起到了很好的限制作用。
并且通过该方法制备的新型硫系狭缝光波导，大大减小了狭缝波导的散射损耗，同时这种制备工艺不需要刻蚀波导芯层，减小了刻蚀工艺对狭缝波导的影响。这种工艺还能将不同的材料作为波导芯层而基本不需要改变其工艺，具有普适性。同时也为后续利用这种新型狭缝波导制备光学器件提供了基础。
上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明实施例的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明实施例的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的硫系狭缝光波导结构的示意图；
图2为本发明实施例的硫系狭缝光波导的制备步骤示意图；
图3为本发明实施例的硫系狭缝光波导在仿真软件下在1.55μm通信波段处模拟得到的TE偏振模的模场分布图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，为该新型的硫系狭缝光波导结构的截面图，包括两个间隔的梯形结构，以及位于梯形结构之间的空气狭缝3。该硫系狭缝光波导结构，具体包括衬底层1和芯层2，衬底层1包括从下往上依次设置的第一层11、衬底生长层13和第二层12，该第一层材料为Si，第二层以及衬底生长层13均材料为SiO2，所述第二层12包括两个间隔设置的梯形结构，该两个梯形结构为相同的等腰梯形。芯层2由Ge28Sb12Se60硫系玻璃材料制备而成，这种材料在1500nm-1600nm通信波段的折射率n为2.7-2.8。
该衬底层1的第一层11为平板形状，衬底生长层13形成在第一层11上，第二层12设于衬底生长层13上，并且形成两个间隔的梯形结构，芯层2覆盖该第二层12以及衬底生长层13露出的表面成型。因此，其外周也形成两个间隔梯形形状。如图1所示，因为该第二层12包括两个间隔的梯形结构，芯层2覆盖所述梯形结构以形成两个梯形平台21，该两个梯形平台21也为两个结构相同的等腰梯形。两个梯形平台21之间的空气狭缝3的形状也是梯形，光波在梯形空气狭缝中传播。
该波导结构中第二层的两个梯形结构的参数相同，以左侧梯形为例，第二层12中梯形结构的高度HSiO2，第二层12的顶部与侧面的夹角θ2，顶部平坦部分的长度L3＝800nm-900nm，第二层12的梯形结构底部的长度为L4＝1000nm-1200nm。两个梯形结构底部之间的距离为Lslot3＝300nm-500nm，两个梯形结构顶部之间的距离为Lslot4＝1300nm-1400nm。
而在梯形结构以及衬底的第一层上覆盖芯层2后，形成的梯形平台中，顶部的平坦部分的芯层厚度为Hcore1＝300nm-400nm，并且梯形平台中顶部平坦部分的芯层厚度与两个梯形平台之间芯层的厚度相同，芯层顶部的平坦部分与芯层侧面之间的夹角即梯形平台顶部平面与侧面之间的夹角为θ1，所以梯形平台中侧面部分的芯层厚度为Hcore2＝Hcore1cosθ1，顶部平坦部分的芯层长度即梯形平台的顶部长度L1＝1000nm-1200nm，梯形平台的底部部分的长度L2＝1300nm-1500nm。
因此两个梯形平台的底部之间的空气狭缝的距离Lslot1＝100nm-200nm，梯形平台的顶部之间的空气狭缝3的距离Lslot2＝1000nm-1200nm。并且，其中θ2＝θ1。该角度由光刻胶与SiO2之间的粘附性决定。
如图2所示，为该波导结构的制备步骤示意图，具体该制备步骤包括以下步骤。
取出一片2cm×2cm的Si/SiO2基片，其中SiO2层的厚度为8μm-10μm，该SiO2层即为衬底的第二层12，Si层即为衬底的第一层11。因为波导的制备工艺对清洁度要求很高，因此对基片有严格的晶圆清洗工艺，在湿法清洗中通常使用超声清洗设备提高清洗效率。先对Si/SiO2基片进行清洗以去除有机污染和颗粒污染，具体为，将Si/SiO2基片完全浸入到乙醇中，用超声波清洗10min-15min；然后将其浸入去离子水中，用超声波清洗5min-10min。重复这个过程2-3次，最后用氮气枪将清洗干净的基片吹干。
将清洗干净的Si/SiO2基片进行表面粘附性的处理，由于基片经过上述处理后，表面有含水层，因此使用六甲基二硅氮烷(HMDS)处理可以去除水汽，同时改变基片表面从非极性到极性，使基片表面能调整到与光刻胶表面相当的程度，从而使光刻胶可以很好的附着在基片表面，为下一步的湿法刻蚀做准备。
具体步骤为：先将Si/SiO2基片放到热板上进行脱水烘焙，设置热板温度为130℃，将基片烘10min-12min，去除吸附在基片表面的大部分水汽。上述脱水烘焙后，立即在基片上涂布HMDS，这里使用常用的单片高温气化涂布法将HMDS涂布在基片表面。具体为，设置一密封反应腔，腔内设有一加热平板，将加热平板的温度设置在130℃-160℃，然后将HMDS旋转涂布到基片上，每片用量0.1cc-0.2cc，然后将基片放入该密封反应腔腔内的加热平板上，将HMDS加热到120℃使其变成气态附着在Si/SiO2基片表面上，5min-10min后取出。
下一步对处理好的Si/SiO2基片进行光刻步骤，光刻是制备新型硫系狭缝波导的核心步骤，它是紫外光在光刻胶上选择性产生图案的过程。制备掩模图案的步骤为：打开匀胶机，将处理好的Si/SiO2基片放到匀胶机上，将基片底部抽成真空，由于上下面的压力差基片被吸附在载片台上。用滴管吸取少量光刻胶，均匀的滴在基片的中心和周围，让光刻胶自然的覆盖基片表面。使用匀胶机所匀的光刻胶的厚度为1.2μm-1.8μm，匀胶机的转速分为两个过程，先慢速让光刻胶覆盖整个Si/SiO2基片，设定转速为500rpm-1000rpm，旋转5s-10s，紧接着高速甩胶，设定转速为3000rpm，旋转30s-60s。旋涂结束后关闭真空，将基片取下。旋涂良好的光刻胶薄膜均匀平整，亮度一致，没有缺陷、杂质和气泡。旋涂效果不好的基片需要去除光刻胶后重新旋涂；然后对具有光刻胶的Si/SiO2基片进行软烘，目的是为了去掉光刻胶的溶剂，提高光刻对光刻胶的线宽控制。设置热板温度为120℃-130℃，时间设定为1min-2min。
将上述所得的涂覆有光刻胶的Si/SiO2基片进行紫外曝光和显影。对于紫外光刻，要将光刻机上的掩膜版与旋涂后的基片的正确位置对准。紫外曝光时间为10s-12s，空曝时间为120s；然后进行显影和定影，用纯玻璃或石英器皿分别盛放显影液和定影液，显影时间为40s-60s，定影时间为30s-40s，具体时间视情况而定。显影后进行坚膜烘焙，达到稳定光刻胶的作用。设定热板温度为100℃-120℃，坚膜时间为20min-30min。最终得到具有掩模层的Si/SiO2基片。
将上述所得的具有掩模层的Si/SiO2基片进行湿法腐蚀。这里选用缓冲氧化刻蚀剂(Buffered Oxide Etch，BOE)来去除SiO2。BOE是一种选择性很强的腐蚀剂，它不会对硅和光刻胶进行腐蚀。在进行湿法腐蚀前先准备三个聚四氯乙烯烧杯，第一个倒入10：1的BOE溶液，该10：1的BOE溶液是指10份体积的40％的氟化铵(NH4F)和1份体积的49％的氟化氢(HF)混合而成的溶液，其余两个倒入去离子水，去离子水用于冲洗刻蚀剂。使用聚四氟乙烯镊子将基片放入新制备的10：1的BOE溶液中，整个刻蚀过程持续5min-8min。腐蚀完成后，将基片浸入去离子水中拿出观察，若对应的SiO2层没有被完全刻蚀掉，会观察到在整个基片表面有一层去离子水薄膜，如果SiO2刻蚀掉了，去离子水不会粘在背面，基片会显得干燥并且呈现暗灰色。如果SiO2没有被彻底刻蚀掉，则将基片重新放入BOE溶液中刻蚀20s-30s，然后用去离子水反复冲洗基片。最后利用有机溶剂清洗工艺去除残胶，具体为，将基片放在丙酮溶液中静置20min-30min，然后在异丙酮中超声清洗1min-2min去除残胶完成。该步骤结束后，就得到第二层上两个间隔的梯形结构。
然后在SiO2层和Si层之间的Si层上生长出一层SiO2，该SiO2层覆盖Si层露出的表面，该生长出来的SiO2层即为形成波导结构中的衬底生长层13，该衬底生长层13防止光场泄露到衬底Si中。具体步骤为：将处理好的Si/SiO2基片送入湿法氧化扩散反应炉管中，炉管温度会加热至800℃-1000℃，同时通入湿氧，持续1-2个小时后即可制备出20nm-50nm的SiO2层，该层即为上述衬底生长层13。该衬底生长层13的形成覆盖衬底层的第一层Si设置，进而，防止光在中间空气狭缝中传播光时，光会泄露至衬底层的第一层Si中。
最后通过热蒸发法在Si/SiO2基片上沉积一层Ge28Sb12Se60波导芯层。将尺寸为1mm-2mm的Ge28Sb12Se60块状玻璃放到真空镀膜机的蒸发舟两侧，然后将上述处理好的Si/SiO2基片固定在真空镀膜机的样品旋转架上，抽真空至5×10-4Pa以下，待分子泵稳定后用Ar清洗腔体10min-15min。然后开启蒸发舟电源对蒸发舟预加热至100℃，调节蒸发源电流逐级加至260℃，调节电流用于控制Ge28Sb12Se60玻璃的蒸发速率在1.6A/s-1.8A/s，这里膜厚仪可以检测所镀设的Ge28Sb12Se60薄膜厚度，当膜厚仪的厚度显示为400nm左右时停止机器。
图3是利用仿真软件对本发明实施例中所制备的新型硫系狭缝光波导在1.55μm通信波段处模拟得到的TE偏振模的模场分布图。从图3中可以看出，由于两侧高折射率的硫系材料的限制，电场主要集中分布在中间的梯形空气狭缝区域，且很少泄露到衬底和上包层中，充分表明了本方法制备得到的梯形狭缝波导的结构比较好，对光场起到了很好的限制作用。
通过该方法制备的新型硫系狭缝光波导，大大减小了狭缝波导的散射损耗，同时这种制备工艺不需要刻蚀波导芯层，减小了刻蚀工艺对狭缝波导的影响。这种工艺还能将不同的材料作为波导芯层而基本不需要改变其工艺，具有普适性。同时也为后续利用这种新型狭缝波导制备光学器件提供了基础。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种硫系狭缝光波导结构，包括衬底层(1)以及设于衬底层(1)上的芯层(2)，其特征在于：所述衬底层(1)包括两个间隔设置的相同的等腰梯形结构，所述芯层(2)覆盖所述梯形结构以及衬底层(1)的表面，形成两个梯形平台(21)，所述两个梯形平台(21)之间形成梯形的空气狭缝(3)。
2.如权利要求1所述的硫系狭缝光波导结构，其特征在于：所述衬底层(1)包括平板状的第一层(11)，以及设于第一层(11)上同样平板状的衬底生长层(13)，设于所述衬底生长层(13)上的第二层(12)，所述第二层(12)包括两个间隔设置的等腰梯形结构。
3.如权利要求1所述的硫系狭缝光波导结构，其特征在于：所述第一层为Si材料制成，所述第二层和衬底生长层为SiO2材料制成。
4.如权利要求2所述的硫系狭缝光波导结构，其特征在于：所述梯形平台(21)中，梯形平台的底部部分的长度L2＝1300nm-1500nm，梯形平台的底部之间的空气狭缝的距离Lslot1＝100nm-200nm，梯形平台的顶部之间的空气狭缝3的距离Lslot2＝1000nm-1200nm，梯形平台的顶部长度L1＝1100nm-1200nm，梯形平台顶部平面与侧面之间的夹角为θ1，梯形平台顶部的平坦部分的芯层厚度为Hcore1＝300nm-400nm，并且梯形平台中顶部平坦部分的芯层厚度与两个梯形平台之间芯层的厚度相同，梯形平台中侧面部分的芯层厚度为Hcore2＝Hcore1cosθ1。
5.如权利要求4所述的硫系狭缝光波导结构，其特征在于：所述第二层(12)的梯形结构中，第二层(12)的顶部与侧面的夹角为θ2，顶部平坦部分的长度L3＝800nm-900nm，梯形结构底部的长度为L4＝1000nm-1200nm，两个梯形结构底部之间的距离为Lslot3＝300nm-500nm，两个梯形结构顶部之间的距离为Lslot4＝1300nm-1400nm，并且θ2＝θ1。
6.一种如上述权利要求1-5中任一项所述的硫系狭缝光波导结构的制备方法，具体包括如下步骤：
S1：选取Si/SiO2基片，并对Si/SiO2基片表面进行清洗；
S2：将清洗干净的Si/SiO2基片进行表面粘附性处理；
S3：将上述步骤中准备好的Si/SiO2基片涂覆光刻胶，并且进行紫外曝光和显影，形成具有掩膜层的Si/SiO2基片；
S4：将上述得到的掩膜层的Si/SiO2基片进行湿法腐蚀，得到衬底中的第二层的两个梯形结构；
S5：在Si/SiO2基片的SiO2层和Si层之间的Si层上生长出一层SiO2，该SiO2层覆盖Si层露出的表面，该生长出来的SiO2层即为形成波导结构中的衬底生长层(13)；
S6：通过热蒸发法在上述步骤所得到的Si/SiO2基片上沉积一层Ge28Sb12Se60波导芯层。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
上述步骤S2中具体包括：先将Si/SiO2基片放到热板上进行脱水烘焙，设置热板温度为130℃，将基片烘10min-12min，去除吸附在基片表面的大部分水汽，然后在基片上涂布六甲基二硅氮烷(HMDS)。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
上述步骤S3中，具体包括：将处理好的Si/SiO2基片放到匀胶机上，将基片底部抽成真空，使用匀胶机所匀的光刻胶的厚度为1.2μm-1.8μm，先慢速让光刻胶覆盖整个硅片，设定转速为500rpm-1000rpm，旋转5s-10s，紧接着高速甩胶，设定转速为3000rpm，旋转30s-60s；
进行紫外曝光和显影具体包括：紫外曝光时间为10s-12s，空曝时间为120s；然后进行显影和定影，显影时间为40s-60s，定影时间为30s-40s。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
上述步骤S5中具体为：将处理好的Si/SiO2基片送入湿法氧化扩散反应炉管中，炉管温度会加热至800℃-1000℃，同时通入湿氧，持续1-2个小时后即可制备出20nm-50nm的SiO2层。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
上述步骤S6的具体参数为，在真空度为5×10-4Pa以下，加热蒸发源电流为260℃，将蒸发速率控制在1.6A/s-1.8A/s。
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