CN114859467B - 基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法，包括：硅衬底、埋氧层以及顶层硅；埋氧层一侧连接为顶层硅，另一侧连接硅衬底；顶层硅包括：正向二元闪耀光栅、锥形体、波导以及反向二元闪耀光栅；波导两端分别通过锥形体连接正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅。本发明提出了一种只利用片上I/O端口即可实现在通信O波段进行选择滤波功能的硅基光学滤波器件，在不降低滤波性能的前提下，可以大大简化设计过程以及加工难度。

Description

基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法
技术领域
本发明涉及滤波器结构和制造方法领域，具体地，涉及基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法。
背景技术
硅基滤波器作为关键器件被广泛应用于波分复用/解复用系统、光信号处理、光谱传感等。为了实现对输入光的选择性滤波，目前常采用的结构主要有微环谐振器、马赫曾德尔干涉仪、波导光栅等。但上述现有的技术方案实现的滤波器系统，除了必须的I/O端口外，往往还需要设计特殊、复杂的光波导结构。
专利文献CN110908146A通过将马赫曾德尔干涉仪和微环谐振器等结构集成在波导中，实现了一种硅基集成可调谐带通滤波器。专利文献CN113075766B通过在硅波导和氮化硅波导中加入切趾光栅结构，分别实现对TE信号和TM信号滤波，从而实现偏振不敏感硅基滤波器。CN1451991A公开了一种可调谐光滤波器，涉及可调谐光滤波器，具体涉及可变闪耀光栅、控制元件和波导耦合机构的组合，可以制作成现在广泛适用的可调谐光滤波器。
目前现有的技术尚未能实现除了必须的I/O端口外，无需设计特殊、复杂的光波导结构的滤波器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于反向二元闪耀光栅的滤波器及制造方法。
根据本发明提供的一种基于反向二元闪耀光栅的滤波器，包括：硅衬底、埋氧层以及顶层硅；
所述埋氧层一侧连接为顶层硅，另一侧连接硅衬底；
所述顶层硅包括：正向二元闪耀光栅、锥形体、波导以及反向二元闪耀光栅；
所述波导两端分别通过锥形体连接正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅；
二元闪耀光栅具备“闪耀效应”，即可将入射光闪耀至所需的衍射级次。而入射光经过反向二元闪耀光栅的闪耀后会向波导所在方向的反向传播，即衍射后的光无法进入波导中稳定传播，因此该结构可实现滤波。
优选地，所述正向二元闪耀光栅和所述反向二元闪耀光栅两者其中一段设置为输入端，另一端设置为输出端。
优选地，所述正向二元闪耀光栅设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导所在方向传播；
所述反向二元闪耀光栅设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导所在方向的反向传播。
优选地，所述埋氧层采用二氧化硅，所述埋氧层厚度为2μm。
优选地，所述硅衬底和顶层硅采用单晶硅；
所述硅衬底厚度为700μm，所述顶层硅厚度为220nm。
优选地，所述正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅设置有一个或多个子光栅。
优选地，一种所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，在所述顶层硅上旋涂电子束光刻胶，并通过电子束直写进行正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅的图形化；
步骤S2，在电子束光刻胶的保护下对所述顶层硅进行刻蚀，从而将正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅的图形转移至顶层硅上，并将剩余的电子束光刻胶清洗干净；
步骤S3，在所述顶层硅上旋涂新的电子束光刻胶，并通过电子束直写进行锥形体和波导的图形化；
步骤S4，在电子束光刻胶的保护下对顶层硅进行刻蚀，从而将所述锥形体和波导的图形转移至顶层硅上，并将剩余的电子束光刻胶清洗干净。
优选地，在步骤S1中，电子束光刻胶采用AR-P672.045，电子束光刻胶厚度为70nm；
顶层硅的基片旋涂电子束光刻胶后进行曝光，曝光时加速电压为100KV，电子束电流为0.5nA；
曝光后的顶层硅的基片放入显影液中进行显影，显影时间为90s，显影后放入异丙醇溶液中定影，定影时间为60s。
优选地，在步骤S2中，刻蚀时间为47s，刻蚀深度为77nm。
优选地，在步骤S3中，电子束光刻胶采用AR-P6200.09光刻胶，电子束光刻胶厚度为200nm；
顶层硅的基片重新旋涂电子束光刻胶后再次进行曝光，曝光时加速电压为100KV，电子束电流为1nA；
曝光后的基片放入显影液中进行显影，显影时间为75s，显影后放入异丙醇溶液中定影，定影时间为60s。
优选地，在步骤S4中，刻蚀时间为135s，刻蚀深度为220nm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出了一种只利用片上I/O端口即可实现在通信O波段(1550nm附近)进行选择滤波功能的硅基光学滤波器件，在不降低滤波性能的前提下，可以大大简化设计过程以及加工难度；
2、本发明提出了一种兼容CMOS工艺的制造方法，可以降低制造成本，有利于大规模生产；
3、本发明可通过改变反向二元闪耀光栅的周期，实现滤波中心频率可调。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为滤波器俯视结构示意图；
图2为滤波器剖面结构示意图；
图3为二元闪耀光栅衍射方向原理图；
图4为滤波器的滤波仿真结果；
图5为滤波器的测试结果图；
图6为正向二元闪耀光栅和反向二元闪耀光栅原理图。
图中所示：
Figure BDA0003590392270000031
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例包括：硅衬底5、埋氧层6以及顶层硅7；埋氧层6一侧连接为顶层硅7，另一侧连接硅衬底5；顶层硅7包括：正向二元闪耀光栅1、锥形体2、波导3以及反向二元闪耀光栅4；波导3两端分别通过锥形体2连接正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4。埋氧层6采用二氧化硅，埋氧层6厚度为2μm。硅衬底5和顶层硅7采用单晶硅，硅衬底5厚度为700μm，顶层硅7厚度为220nm。正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4设置有一个或多个子光栅。
如图3和图6所示，正向二元闪耀光栅1设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导3所在方向传播，反向二元闪耀光栅4设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导3所在方向的反向传播。正向二元闪耀光栅1所在端设置为输入端，反向二元闪耀光栅4所在端设置为输出端。
本实施例还提供基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，包括以下步骤：步骤S1，在顶层硅7上旋涂电子束光刻胶，电子束光刻胶厚度为70nm；通过电子束直写进行正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形化；曝光后的顶层硅7基片放入显影液中进行显影，显影后放入异丙醇溶液中定影；步骤S2，在电子束光刻胶的保护下对顶层硅7进行刻蚀，从而将正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形转移至顶层硅7上，刻蚀时间为47s，刻蚀深度为77nm，之后将剩余的电子束光刻胶清洗干净；步骤S3，在顶层硅7上旋涂新的电子束光刻胶，电子束光刻胶厚度为200nm；并通过电子束直写进行锥形体2和波导3的图形化；曝光后的顶层硅7基片放入显影液中进行显影，显影后放入异丙醇溶液中定影；步骤S4，在电子束光刻胶的保护下对顶层硅7进行刻蚀，刻蚀时间为135s，刻蚀深度为220nm；从而将锥形体2和波导3的图形转移至顶层硅7上，并将剩余的电子束光刻胶清洗干净。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图3所示，对于二元闪耀光栅结构，其可由闪耀光栅等效转换得到，因此它同样具备闪耀效应，即可将入射光的能量闪耀至需要的某一衍射级次。对于垂直入射至二元闪耀光栅的光，闪耀的衍射级次被设计为-1级，即光的大部分能量会被衍射至以窄的子光栅结束的方向。
如图6所示，如果入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导3所在方向传播，则该二元闪耀光栅被定义为正向二元闪耀光栅1，这时大部分入射的光能够耦合至波导3，并可在波导3中稳定的传播；如果入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导3所在方向的反向传播，则该二元闪耀光栅被定义为反向二元闪耀光栅4，这时大部分入射的光不能耦合至波导3，因此该结构可用于滤波。
如图1和图2所示，本实施例包括：正向二元闪耀光栅1、锥形体2、波导3以及反向二元闪耀光栅4。材料堆栈为：硅衬底5、埋氧层6以及顶层硅7。正向二元闪耀光栅1、锥形体2、波导3以及反向二元闪耀光栅4位于顶层硅。硅衬底5为700μm厚的单晶硅层，埋氧层6为2μm厚的二氧化硅层，顶层硅7为220nm厚的单晶硅层。
本实施例提供该滤波器的制造方法，包括以下步骤：步骤T1、在顶层硅7上旋涂电子束光刻胶AR-P672.045，并通过电子束直写进行正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形化；步骤T2、通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)工艺在电子束光刻胶AR-P672.045的保护下对顶层硅7进行刻蚀，从而将正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形转移至顶层硅7上，并将剩余的电子束光刻胶AR-P672.045清洗干净；步骤T3、在顶层硅7上旋涂新的电子束光刻胶AR-P6200.09，并通过电子束直写进行锥形体2和波导3的图形化；步骤T4、通过ICP-RIE工艺在电子束光刻胶AR-P6200.09的保护下对顶层硅7进行刻蚀，从而将锥形体2和波导3的图形转移至顶层硅7上，并将剩余的电子束光刻胶AR-P6200.09清洗干净。
实施例3
如图4所示，图中图例里的T值表示二元闪耀光栅的周期。正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的参数设计：考虑到效率和制备难度，正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的子光栅个数选为2。结合粒子群算法，对正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的周期、刻蚀深度、子光栅宽度等关键参数进行优化，最终得到的正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4衍射效率高且容易实现。
正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形化：选取所需的SOI基片，利用丙酮进行有机清洗。将清洗干净的基片放入氧等离子体中进行处理，以增加电子束光刻胶的粘着力。对正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形化，由于其最小线宽较小，选取分辨率高的薄胶AR-P672.045。匀胶机转速为4000rpm,匀胶时间为40s，前烘温度为180℃，前烘时间为180s,最终光刻胶厚度为70nm。利用电子束直写技术对涂覆有光刻胶的基片进行曝光，加速电压为100KV，电子束电流为0.5nA。曝光后的基片放入显影液中进行显影，显影时间为90s，而后放入异丙醇溶液中定影，定影时间为60s。
正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的刻蚀：利用ICP-RIE刻蚀系统对显影后的基片进行刻蚀，从而将光刻胶上的正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4的图形转移至顶层硅7中，刻蚀气体为SF6和C4F8，刻蚀时间为47s，刻蚀深度为77nm。
锥形体2和波导3的图形化：清洗和预处理与正向二元闪耀光栅1和反向二元闪耀光栅4中的一致，光刻胶选取较厚的AR-P6200.09光刻胶以确保后续的220nm的刻蚀要求。匀胶机转速为4000rpm,匀胶时间为40s，前烘温度为150℃，前烘时间为60s,最终光刻胶厚度为200nm。利用电子束直写技术对涂覆有光刻胶的基片进行曝光，加速电压为100KV，电子束电流为1nA。曝光后的基片放入显影液中进行显影，显影时间为75s，而后放入异丙醇溶液中定影，定影时间为60s。
锥形体2和波导3的刻蚀：刻蚀时间为135s，刻蚀深度为220nm。刻蚀完成后，将基片表面的剩余光刻胶利用有机清洗去除。
如图5所示为利用光学测试平台对最终加工完成的基片进行测试的滤波结果。从图中可以看出，经过优化设计以及加工制备的滤波器件测试结果和预期基本一致。中心频率的偏移是实际加工工艺存在的无法避免的误差导致的。中心频率的可调谐也被证明通过改变反向二元闪耀光栅的周期可以实现。周期逐渐增大，调谐中心频率会逐渐红移，且周期每变化5nm，中心频率会变化大约10nm。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于反向二元闪耀光栅的滤波器，其特征在于，包括：硅衬底(5)、埋氧层(6)以及顶层硅(7)；
所述埋氧层(6)一侧连接顶层硅(7)，另一侧连接硅衬底(5)；
所述顶层硅(7)包括：正向二元闪耀光栅(1)、锥形体(2)、波导(3)以及反向二元闪耀光栅(4)；
所述波导(3)两端分别通过锥形体(2)连接正向二元闪耀光栅(1)和反向二元闪耀光栅(4)；
所述正向二元闪耀光栅(1)设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导(3)所在方向传播；
所述反向二元闪耀光栅(4)设置为入射光经过二元闪耀光栅的衍射后会向波导(3)所在方向的反向传播。
2.根据权利要求1所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器，其特征在于：所述埋氧层(6)采用二氧化硅，所述埋氧层(6)厚度为2μm。
3.根据权利要求1所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器，其特征在于：所述硅衬底(5)和顶层硅(7)采用单晶硅；
所述硅衬底(5)厚度为700μm，所述顶层硅(7)厚度为220nm。
4.根据权利要求1所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器，其特征在于：所述正向二元闪耀光栅(1)和反向二元闪耀光栅(4)设置有一个或多个子光栅。
5.一种权利要求1所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，在所述顶层硅(7)上旋涂电子束光刻胶，并通过电子束直写进行正向二元闪耀光栅(1)和反向二元闪耀光栅(4)的图形化；
步骤S2，在电子束光刻胶的保护下对所述顶层硅(7)进行刻蚀，从而将正向二元闪耀光栅(1)和反向二元闪耀光栅(4)的图形转移至顶层硅(7)上，并将剩余的电子束光刻胶清洗干净；
步骤S3，在所述顶层硅(7)上旋涂新的电子束光刻胶，并通过电子束直写进行锥形体(2)和波导(3)的图形化；
步骤S4，在电子束光刻胶的保护下对顶层硅(7)进行刻蚀，从而将所述锥形体(2) 和波导(3)的图形转移至顶层硅(7)上，并将剩余的电子束光刻胶清洗干净。
6.根据权利要求5所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，电子束光刻胶厚度为70nm；
顶层硅(7)基片旋涂电子束光刻胶后进行曝光，曝光后的顶层硅(7)基片放入显影液中进行显影，显影后放入异丙醇溶液中定影。
7.根据权利要求5所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，刻蚀时间为47s，刻蚀深度为77nm。
8.根据权利要求5所述基于反向二元闪耀光栅的滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤S3中，电子束光刻胶厚度为200nm；
在步骤S4中，刻蚀时间为135s，刻蚀深度为220nm。
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