CN114608632A - 一种多层多波长多模式多参量微环传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层多波长多模式多参量微环传感器及制备方法，属于集成光子器件技术领域。本发明包括硅衬底层、下包层、第一波导层、隔离层、第二波导层和上包层，双层波导结构实现在三维空间搭建传感器。本发明第一波导层采用局部级联亚波长光栅结构，实现不同波段多波长和多模式的水平耦合，第一波导层与第二波导层之间采用槽波导结构实现模式垂直耦合，第二波导层利用多个不同半径和宽度的微环实现向不同高阶模式的转换，实现多参量同步传感。本发明可基于成熟的CMOS工艺制备，结构简单、易于实现，相比传统平面器件，提高了传感效率，集成度更高，功能更加强大，为实现光子系统中高性能光传感芯片奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于集成光子器件技术领域，具体涉及一种多层多波长多模式多参量微环传感器及制备方法。
背景技术
近年来，光子集成技术可将传感器、光调制/解调器等多个光子器件集成到一个芯片上，形成光子集成芯片，能够大大降低光网络单元的体积和功耗，已成为光传感技术研究的热点。在光子集成芯片常用的材料结构中，硅绝缘体(SOI)有着得天独厚的优势，它由“硅衬底、绝缘氧化层、顶层硅”三层材料构成，具有性能稳定、价格低廉、与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容、可以高密度集成等优点，应用潜力特别巨大。随着硅基光子学的发展以及微纳加工技术的成熟，诞生出各种不同形式的集成微腔，包括微环、微盘、微球、微管等。
基于硅基微环谐振腔的传感器具有结构紧凑、可集成度高、易于与其他器件结合等优点而广泛应用于生物传感、温度传感等。当外界环境发生变化时，在微环中传输模式的折射率会发生变化，从而会引起谐振波长的漂移，通过检测微环谐振波长的漂移情况，即可知道外界环境某一参量的改变。以往，大多数传感器在一定的波长范围内，对外界某一环境参量的改变起到传感监测作用，无法针对多种复杂环境的变化，传感效率不能满足更高的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多层多波长多模式多参量微环传感器及制备方法，突破传统二维平面波导结构限制，在三维空间中实现多波长和模式的转换，搭建多参量传感器，提高器件集成度和模式的高效应用。
作为本发明的进一步技术方案，包含衬底层、下包层、第一波导层、隔离层、第二波导层与上包层。其中，下包层、隔离层和上包层的材料为二氧化硅，衬底层、第一波导层和第二波导层的材料为硅。具体的，第一波导层包含干路波导、级联亚波长光栅耦合波导、弯曲波导、直波导；第二波导层包含槽波导、环波导。其中，第一波导层中的级联亚波长光栅耦合波导是不同周期和占空比的亚波长光栅结构，实现不同波段内基本模式的水平耦合，使干路波导中不同波段的基模转换成不同波段的高阶模式耦合进入弯曲波导与直波导构成的第一层微环结构；第二波导层中的槽波导与第一波导层中的直波导采用垂直耦合的方式，使直波导中的不同高阶模式转换成不同波段的基模进入槽波导，实现模式在三维空间上的转换；第二波导层采用多个不同半径与宽度的微环实现不同高阶模式的同时转换，进行多参量同步传感。
本发明还提供一种多层多波长多模式多参量微环传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1.取一片硅衬底，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法PECVD沉积2-3μm的二氧化硅包层，该包层为下包层；沉积二氧化硅的反应气体为硅烷SiH4和一氧化氮N2O；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700W，腔体压强为300mTorr，N2O流量为2000sccm，SiH4流量为17sccm；
步骤S2.在下包层上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到层厚210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S3.进行光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成；曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光的基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第一层波导结构，其中包括干路波导、级联亚波长光栅波导、弯曲波导、直波导；
步骤S4.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体为SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为190-210nm的中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；
步骤S5.对中间隔离层进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶再芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到厚度210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S6.进行二次光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成。曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主的基本剂量大约为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光时采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第二层波导结构，包括槽波导、不同半径与宽度的微环波导；
步骤S7.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体选择SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强为1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上包层，沉积结束。
本发明的优点在于，
1.突破传统二维平面波导结构，实现三维多层波导微环传感器结构，增加器件集成维度，提高器件集成度，从而减少了平面尺寸。
2.采用局部亚波长光栅波导，实现了耦合区域不同波段多波长和多模式的相位匹配条件，减少了耦合长度，提高器件集成度。
3.实现了从基模到高阶模式的转换，并分别应用于多个不同半径与宽度的微环，实现了多模式同步传感，大大提高了传感检测的效率。
4.可基于成熟的CMOS工艺制备，通过对现有技术的利用，其操作成本低，可实现批量化制造，由于现有技术成熟，其生产效率较高，存在竞争性的优势。
该传感器结构简单、具有易于实现、工艺成熟、尺寸结构紧密、CMOS工艺兼容性高的优点，可以同时应用不同模式，提高了光与物质互作用，为实现传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。
采用三维多层波导集成结构，突破传统二维平面波导结构限制，提高器件集成度和模式的高效应用，从而进一步提高传感灵敏度和探测极限。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的亚波长光栅耦合部分波导截面示意图。
图3为本发明的不同周期与占空比的亚波长光栅部分示意图。
图4为本发明的垂直耦合及微环耦合部分波导截面示意图。
图5为本发明的衬底层示意图。
图6为本发明的下包层制作示意图。
图7为本发明的第一波导层制作示意图。
图8为本发明的第一波导层干路波导截面示意图。
图9为本发明的中间隔离层制作示意图。
图10为本发明的第二波导层制作示意图。
图11为本发明的上层波导示意图。
图12为本发明的上包层制作完成示意图。
图中：1是衬底；2是下包层；3是第一层波导结构；4是中间隔离层；5是第二层波导结构；6是上包层；301是第一层干路波导；302是第一层亚波长光栅耦合波导；303是第一层环弯曲波导；304是第一层微环直波导；501是第二层干路耦合槽波导；502、503、504是第二层微环波导。
具体实施方式
请参阅图1-图12，实施例提供本发明的一种多层多波长多模式多参量微环传感器，包括硅衬底层1，所述硅衬底层上方设置下包层2，所述二氧化硅下包层2上设置第一波导层3，其中包括干路波导301，亚波长光栅耦合波导302，弯曲波导303，直波导304；所述第一层波导层3上方铺设隔离层4，所述隔离层4上设置第二波导层5，其中包括干路槽波导501，环波导502、503、504；所述第二波导层5上铺设上包层6。
本实施例中，所述下包层2、所述隔离层4和所述上包层6的材料为二氧化硅，所述硅衬底层1、所述第一波导层3和所述第二波导层5的材料为硅。其中，下包层2的厚度为2-3μm，第一波导层3与第二波导层5中硅波导的高度均为220nm，隔离层4的厚度约为200nm，上包层6的厚度约为3μm。第一波导层3中干路波导301宽度设置为400nm，能够支持基模传输，级联亚波长光栅302的周期和占空比分别设置为300nm、400nm、500nm和0.5、0.6、0.7，分别满足不同波段内基模向高阶模式的耦合。第二波导层5中槽波导501的槽宽约为100nm，总宽度为500nm，与第一波导层3中的直波导304存在横向错位，根据模式的垂直耦合条件，错位范围在100-300nm内变化。第二波导层5中502、503、504是宽度和半径不相同的微环以满足支持高阶模式工作的相位匹配条件，能够实现槽波导501中的模式向不同高阶模式转换，在环中传输并产生谐振。
本发明还提供一种多层多波长多模式多参量微环传感器的制备方法，包括如下步骤，
步骤S1.取一片硅衬底1，对硅片表面进行处理,在硅衬底1表面通过化学气相沉积法PECVD沉积2-3μm的二氧化硅包层，该包层为下包层2；沉积二氧化硅的反应气体为硅烷SiH4和一氧化氮N2O；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700W，腔体压强为300mTorr，N2O流量为2000sccm，SiH4流量为17sccm；
步骤S2.在下包层2上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到层厚210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S3.进行光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成；曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光的基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第一层波导结构3，其中包括干路波导301、亚波长光栅波导302、弯曲波导303、直波导304；
步骤S4.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体为SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为190-210nm的中间隔离层4，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；
步骤S5.对中间隔离层进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶再芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到厚度210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S6.进行二次光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成。曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主的基本剂量大约为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光时采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第二层波导结构5，其中包括槽波导501、不同半径宽度的微环波导502、503、504；
步骤S7.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体选择SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强为1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上包层6，沉积结束。
原理：在下波导同时输入多个波段的TE基模偏振光，经过不同周期和占空比级联的亚波长光栅耦合区域时，达到不同模式耦合的相位匹配条件，通过倏逝耦合，TE基模分别会耦合成所需要的高阶模，这些高阶模式在下层波导微环中发生谐振，并会与上波导层槽波导发生垂直耦合，此时，下波导层微环中的高阶模式分别会转换成不同波段下的TE基模并存在于上波导层槽波导中，光在槽波导中传输。下一步，上波导层槽波导会与不同半径和宽度的微环达到相位匹配条件进而会发生模式耦合，此时槽波导中的TE基模会与足对应满足相位匹配条件的微环发生倏逝耦合，耦合成TE1、TE2、TE3高阶模，这些高阶模分别会在上波导层与满足对应相位匹配条件的微环中发生谐振。当外界环境参量发生变化时，谐振波长会发生漂移，此时可以通过对上波导层微环传播模式波长漂移进行监测，以此来反应外界环境的变化，达到传感的目的。
本实施例通过对传统二维平面内的微环传感器进行改进，结构上区别于传统的二维平面结构，实现在三维空间中搭建多层多波段多模式多参量传感器。相比传统平面器件，提高了传感效率，集成度更高，功能更加强大。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种多层多波长多模式多参量微环传感器，其特征在于，包括衬底层1，所述硅衬底层上方设置下包层2，所述下包层上设置第一波导层3，所述第一层波导层上方铺设隔离层4，所述隔离层上设置第二波导层5，所述第二波导层上铺设上包层6。所述下包层2、所述隔离层4和所述上包层6的材料为二氧化硅，所述衬底层1、第一波导层3和所述第二波导层5的材料为硅。
2.根据权利要求1所述的一种多层多波长多模式多参量微环传感器，其特征在于，包括两层波导结构，其中第一波导层3包含干路波导301、级联亚波长光栅耦合波导302、弯曲波导303、直波导304；第二波导层5包含槽波导501、环波导502、环波导503、环波导504。
3.根据权利要求2所述的一种多层多波长多模式多参量微环传感器，其特征在于，第一波导层3中的级联亚波长光栅耦合波导302包含的3021、3022、3023是不同周期和占空比的亚波长光栅结构，实现不同波段内基本模式的水平耦合，使干路波导301中不同波段的基模转换成不同波段的高阶模式耦合进入弯曲波导302与直波导303构成的第一层微环结构。
4.根据权利要求2所述的一种多层多波长多模式多参量微环传感器，其特征在于，第二波导层5中的槽波导501与第一波导层3中的直波导304采用垂直耦合的方式，使直波导304中的不同高阶模式转换成不同波段的基模进入槽波导501，实现模式在三维空间上的转换。
5.根据权利要求2所述的一种多层多波长多模式多参量微环传感器，其特征在于，第二波导层5中的环波导502、503、504是多个不同半径与宽度的微环，实现不同波段基模到不同高阶模式的转换，可以进行多参量同步传感。
6.一种多层多波长多模式多参量微环传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.取一片硅衬底1，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法PECVD沉积2-3μm的二氧化硅包层，该包层为下包层2；沉积二氧化硅的反应气体为硅烷SiH4和一氧化氮N2O；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700W，腔体压强为300mTorr，N2O流量为2000sccm，SiH4流量为17sccm；
步骤S2.在下包层2上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到层厚210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S3.进行光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成；曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光的基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第一层波导结构3，其中包括干路波导301、级联亚波长光栅波导302、弯曲波导303和直波导304；
步骤S4.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体为SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为190-210nm的中间隔离层4，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层4突出部分；
步骤S5.对中间隔离层4进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶再芯片表面铺开，低转速的速度为1500-1750r/min，运行时间为3-5s；再用高转速使光刻胶挥发以达到厚度210-230nm，高转速的速度为4000-4250r/min，运行时间为29-40s，之后洗掉多余的胶；
步骤S6.进行二次光刻步骤，光刻设备采用型号为Raith150Two的EBL作为曝光的设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成。曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主的基本剂量大约为70μc/cm2，工作步长为10μm，设备曝光时采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm，获取第二层波导结构5，其中包括槽波导501、不同半径与宽度的微环波导502、503、504；
步骤S7.刻蚀采用感应耦合等离子体技术ICP，反应气体选择SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强为1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上包层6，沉积结束。
7.根据权利要求6所述的一种层多波长多模式多参量微环传感器的制备方法，其特征在于，匀胶光刻使用负胶ma-N2403。
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