CN115267971B - 一种光子惯导芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子惯导芯片及其制备方法，包括布置在SOI晶片上的光子陀螺与加速度计，所述光子陀螺包括环形谐振腔，及连接在环形谐振腔上的第一直波导与第二直波导；所述加速度计包括跑道型谐振腔，所述跑道型谐振腔的一条直边上连接第三直波导，另一条直边上设置有质量块，所述质量块的下方设置有悬空区域；第一直波导与第二直波导的输入端连接第二Y分支波导的输出端，第二Y分支波导的输入端及第三直波导通过第一Y分支波导连接，接收输入端耦合光栅的光信号，实现了惯导芯片的集成化与微型化，提高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子惯导芯片及其制备方法，属于集成芯片技术领域。
背景技术
惯性导航技术是利用惯性器件，主要是指加速度计和陀螺仪测量载体相对于惯性空间的线加速度和旋转角速度，通过导航解算得到载体的姿态、速度及位置信息，从而对载体实现导航的技术。惯性导航系统可仅依靠自身的敏感器件完成导航任务，无需依赖外界信息且不向外辐射能量，在复杂电磁环境下的现代战争中得到了广泛应用。
加速度传感器是惯性导航系统中核心关键器件之一，在航天、航空、军事上都有着广泛应用。现有技术中，谐振式加速度计的环形谐振腔位于梁结构的顶部，纳米光波导位于基底与梁的连接处，需复杂加工工艺实现制备。
陀螺仪是自主导航系统的重要组成部分，现有技术中常使用的光学陀螺仪是利用光学 Sagnac效应来检测角速度，包括激光陀螺、光纤陀螺和集成光学陀螺。光纤陀螺灵敏度高但价格昂贵，而微电子机械系统陀螺仪价格便宜易于制造，但灵敏度较差。片上集成光子陀螺仪在光路结构方面和光纤陀螺仪相似，现有技术中，谐振式陀螺仪的品质因数能够达到106但加工工艺过于复杂，无法进行量产，且需外接诸多设备才能保证陀螺仪的正常工作，没有发挥出谐振式光子陀螺体积小的优势，不利于惯导系统的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光子惯导芯片及其制备方法，实现光子惯导芯片的集成化与微型化，提高灵敏度。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种光子惯导芯片，包括布置在SOI晶片上的光子陀螺与加速度计，所述光子陀螺包括环形谐振腔6，以及连接在环形谐振腔6上的第一直波导3与第二直波导4；所述加速度计包括跑道型谐振腔7，所述跑道型谐振腔7的一条直边上连接第三直波导5，另一条直边上设置有质量块8，所述质量块8的下方设置有悬空区域13；
所述第一直波导3与第二直波导4的输入端连接第二Y分支波导2的输出端，所述第二Y分支波导2的输入端及第三直波导5通过第一Y分支波导1连接，接收输入端耦合光栅9的光信号；
所述第一直波导3、第二直波导4和第三直波导5的输出端连接有输出端耦合光栅。
结合第一方面，进一步的，所述质量块8设置在远离环形谐振腔6的直边上。
进一步的，所述第一Y分支波导1、第二Y分支波导2、第一直波导3、第二直波导4和第三直波导5的线宽均相同。
进一步的，所述第一Y分支波导1和第二Y分支波导2采用弯曲半径大于60微米的弯曲波导，方便更多的光信号进入光子陀螺与加速度计。
进一步的，所述环形谐振腔6直径为1000±5微米；所述跑道型谐振腔7的半圆直径为500±5微米，直边长度为700±5微米，满足加速度计同时具有高灵敏度与体积小的优点。
进一步的，所述输入端耦合光栅9、输出端耦合光栅中设有若干组圆环，所述圆环直径范围为35nm-200nm。
进一步的，沿着光信号传播方向，所述输入端耦合光栅9中每组圆环的直径逐渐减小；输出端耦合光栅中每组圆环的直径逐渐增大。
第二方面，本发明提供一种光子惯导芯片的制备方法，包括如下步骤：
将SOI晶片浸泡、清洗并吹干，重复若干次至SOI晶片清洁干净，在清洁后的SOI晶片上旋涂光刻胶，并采用EBL光刻，将光子惯导芯片整体结构图形曝光在光刻胶上；
光刻后的SOI晶片依次使用显影液、定影液浸泡，氮气枪吹干；
采用ICP刻蚀，将曝光在光刻胶上的光子惯导芯片整体结构图形刻蚀到SOI晶片的硅层；
清洗刻蚀后的SOI晶片，将悬空区域13之外的部分进行掩膜；
使用BOE溶液对掩膜后SOI晶片进行湿法刻蚀，将质量块悬空，形成简支梁结构；
清洗湿法刻蚀后的SOI晶片，去除掩膜层，制得惯导芯片。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明光子陀螺采用了双波导环形谐振腔结构，与现有技术中的光纤谐振腔相比，尺寸更小；对加速度计的质量块进行悬空形成简支梁结构，使得加速度计形变更大，提高灵敏度；
本发明中的耦合光栅、波导、谐振腔、光子陀螺和加速度计都是在SOI晶片上制备，在芯片掩膜后仅需湿法刻蚀即可形成简支梁结构，简化了加速度计的制备工艺，同时缩小了加速度计的体积，顺应器件小型化的趋势，且无任何分立的部件，无需焊接等操作，提高惯导芯片的抗冲击能力；
本发明制备方法将加速度计与光子陀螺同时制备出来，使惯导芯片能够安装在体积较小的物体上，具有体积小、质量轻的特点；无需通过外接设备连接，即可满足芯片的集成化，具有强倏逝场传播、低光互连损耗、高集成度、稳定性好的特点；本发明提供一种光子惯导芯片的制备方法，基于半导体加工工艺平台，可以实现批量生产，大幅降低生产成本，具备广泛的应用场景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光子惯导芯片整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的输入端耦合光栅的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的硅衬底集成系统中加速度计部分的截面示意图；
图4是本发明实施例提供的硅衬底集成系统中光子陀螺部分的截面示意图；
图5是本发明实施例提供的除悬空区域外的工艺流程图；
图6是本发明实施例提供的悬空区域的工艺流程图；
附图标记：1-第一Y分支波导；2-第二Y分支波导；3-第一直波导；4-第二直波导；5-第三直波导；6-环形谐振腔；7-跑道型谐振腔；8-质量块；9-输入端耦合光栅；10-第一输出端耦合光栅；11-第二输出端耦合光栅；12-第三输出端耦合光栅；13-悬空区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供的一种光子惯导芯片，其整体结构示意图如图1所示；该光子惯导芯片包括有耦合光栅、Y分支波导、环形谐振腔6、跑道型谐振腔7、直波导、质量块8以及悬空区域13。
本发明实施例提供的一种光子惯导芯片，包含光子陀螺与加速度计两个主要部分，以及耦合光栅，光子陀螺由环形谐振腔6和直波导组成，加速度计由跑道型谐振腔7、质量块8和直波导组成。
Y分支波导包括第一Y分支波导1与第二Y分支波导2；直波导包括第一直波导3、第二直波导4与第三直波导5；耦合光栅包括输入端耦合光栅9、第一输出端耦合光栅10、第二输出端耦合光栅11与第三输出端耦合光栅12。
第一Y分支波导1的一端连接输入端耦合光栅9，其Y型的输出端分别连接第二Y分支波导2的输入端和加速度计的跑道型谐振腔7。第二Y分支波导2的输入端连接从第一Y分支波导1输出的光波，第二Y分支波导2的输出端连接光子陀螺的环形谐振腔6。
环形谐振腔6上连接第一直波导3与第二直波导4，第二Y分支波导2的输出端通过第一直波导3与第二直波导4与光子陀螺的环形谐振腔6连接。第一直波导3连接第一输出端耦合光栅10，第二直波导4连接第二输出端耦合光栅11。
优选的第一直波导3与第二直波导4平行设置。
如图3、4所示，分别为本发明实施例提供的硅衬底集成系统中加速度计部分和光子陀螺部分的截面示意图。加速度计的跑道型谐振腔7上连接有第三直波导5，第三直波导5连接第三输出端耦合光栅12。跑道型谐振腔7直边的位置上设置有质量块8，质量块8的下方设置有悬空区域13。
进一步可实施的，本发明质量块8设置于跑道型谐振腔7远离环形谐振腔6的直边的正中央，本实施中质量块8的尺寸为4微米*4微米，厚度为220纳米；通过湿法刻蚀将质量块8下方悬空，制成悬空区域13，悬空区域13的大小为10微米*10微米。
可实施的，第一Y分支波导1、第二Y分支波导2、第一直波导3、第二直波导4和第三直波导5的线宽均相同，宽度为1.8微米。
第一Y分支波导1和第二Y分支波导2可采用弯曲波导，弯曲波导的半径大于60微米，本发明实施例设置为250微米，此时弯曲波导的弯曲损耗可忽略，使得更多的光信号进入光子陀螺与加速度计中。
可实施的，本发明实施例中设置的环形谐振腔6直径为1000±5微米；跑道型谐振腔7的半圆直径为500±5微米，其直边长度为700±5微米，两个谐振腔的长度均在3000微米左右；耦合光栅中共有31组圆，其中最大一组圆的直径为200纳米，最小一组圆的直径为35纳米。
图2为输入端耦合光栅的结构示意图，每个耦合光栅有31组圆，3列圆环为一组，第一列38个圆，第二列37个圆，第三列38个圆，每列圆的直径相同。沿着光信号的传播方向，输入端耦合光栅9中每组圆的直径逐渐减小；第一输出端耦合光栅10、第二输出端耦合光栅11及第三输出端耦合光栅12每组圆的直径逐渐增大。
实施例二
本实施例提供了一种光子惯导芯片的制备方法，如图6所示，为悬空区域13的工艺流程图，图5是除悬空区域外的工艺流程图，制备方法具体步骤如下：
步骤一：将购买的商用SOI晶片，用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，并利用超声清洗设备超声清洗浸泡在有机溶液中的芯片，清洗掉芯片上的有机污渍，再用去离子水冲洗芯片，用氮气枪将芯片表面水珠吹干，若仍有污渍重复上述操作，直至SOI晶片完全干净用氮气枪吹干。
使用匀胶机在SOI晶片的正面以旋涂光刻胶，旋涂好光刻胶后采用EBL光刻，将惯导芯片整体结构图形曝光在光刻胶上。
本实施例具体操作为：使用匀胶机在SOI晶片的正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶，旋涂时间为 40秒；旋涂好光刻胶后采用EBL光刻，将加速度计、陀螺仪、波导以及耦合光栅曝光在光刻胶上，经过曝光的光刻胶的抗腐蚀特性会发生改变。
步骤二：使用显影液浸泡经过曝光的芯片 30 s，再使用定影液浸泡 70 s。如图5中的d→e所示，显影、定影之后，被曝光的光刻胶已被显影液溶解，而没有被曝光的光刻胶则覆盖在硅波导上作为掩模板保护下面的硅波导，完成显影定影后用氮气枪轻轻吹走芯片表面残余的有机溶液。
步骤三：ICP 刻蚀过程会对暴露出来的硅层和覆盖在其他硅层上的光刻胶同时进行刻蚀，刻蚀深度与刻蚀速率和刻蚀时间相关。经过 ICP 刻蚀后，使用去胶液浸泡芯片，并使用超声清洗设备清洗 1分钟左右，以去除芯片表面的光刻胶。需注意超声功率不超过40W，以避免破坏所刻蚀的精细结构。清洗结束后用去离子水冲洗芯片，最后用氮气枪吹干芯片表面。
步骤四：进行掩膜操作，除悬空区域13外，将硅片其他位置覆盖PMMA，后续湿法刻蚀中BOE溶液将腐蚀二氧化硅层，PMMA掩膜防止其他位置的二氧化硅层被腐蚀。
步骤五：采用湿法刻蚀技术，如图6中的g→h所示，对掩膜处理后的硅基晶片的二氧化硅层进行湿法刻蚀，从而质量块8悬空，悬空区域13的形成是湿法刻蚀溶液将未掩膜部分的二氧化硅层通过化学反应腐蚀，质量块8与跑道型谐振腔7下方直边的悬空波导形成简支梁结构。
可实施的，湿法刻蚀溶液为BOE溶液，刻蚀时间为540s；BOE溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1的混合溶液。
步骤六：湿法刻蚀后进行去胶操作，将悬空处理后的芯片放入丙酮溶液中，浸泡至少4小时，去除PMMA掩膜，最后用乙醇与去离子水分别清洗，再用氮气枪吹干表面水分，完成光子惯导芯片的制备。
本发明通过在硅衬底上制备耦合光栅、波导、谐振腔和质量块，最后通过湿法刻蚀形成简支梁结构的的悬空加速度计系统，实现光子惯导芯片的集成，整个光子惯导芯片具有体积小、重量轻以及抗电磁干扰的特点，能够实现高密度惯导芯片集成的性能指标。此外，光子光子惯导芯片芯片的生产工艺完全基于半导体的工艺平台，可以实现类似微电子产业的批量生产。
通过本发明制备的一种片上光子惯导芯片具有以下优势：
首先，本发明中的耦合光栅、波导、谐振腔、光子陀螺和加速度计都是在SOI晶片上制备的，没有引入外部器件，具有极高的集成度。其次，本发明采用了环形谐振腔结构，与目前的光学陀螺中采用的光纤谐振腔相比，显著减小尺寸，顺应光子惯导芯片小型化以及集成化的发展趋势；同时，本发明中对加速度计的质量块进行了悬空，形成简支梁结构使得加速度计形变更大，灵敏度更高。
本发明采用光机械结构的加速度结构，带有悬空质量块的悬空波导，在负载条件下谐振腔长度会发生改变能导致谐振波长产生变化，通过谐振波长的变化来判定加速度的大小。
本发明光子惯导芯片的各元器件采用集成的方式，探测器等光电器件可通过光电混合集成技术或光电单片集成技术集成在一个芯片上，因此整个光子惯导芯片可实现单芯片集成，集成后的芯片大小不超过5毫米*5毫米，重量不超过10克，运行中不需要进行电光转化过程，充分发挥了具有体积小、重量轻、抗电磁干扰的特点；尤其集成器件无任何分立的部件，光子惯导芯片整体结构加工在SOI晶片的顶层硅上，无需焊接等操作，有效提高光子惯导芯片的抗冲击能力。
该系统与传统的基于光纤耦合结构的 MOEMS 传感器相比具有强倏逝场传播、低光互连损耗、高集成度、稳定性好。该光子惯导芯片的制备方法是基于半导体加工工艺平台，可以实现类似微电子产业的批量生产，并能大幅降低生产成本，不仅具有重大的科研价值，还具备广泛的应用场景，获得经济价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光子惯导芯片，其特征在于，包括布置在SOI晶片上的光子陀螺与加速度计，所述光子陀螺包括环形谐振腔（6），以及连接在环形谐振腔（6）上的第一直波导（3）与第二直波导（4）；所述加速度计包括跑道型谐振腔（7），所述跑道型谐振腔（7）的一条直边上连接第三直波导（5），另一条直边上设置有质量块（8），所述质量块（8）的下方设置有悬空区域（13）；
所述第一直波导（3）与第二直波导（4）的输入端连接第二Y分支波导（2）的输出端，所述第二Y分支波导（2）的输入端及第三直波导（5）通过第一Y分支波导（1）连接，接收输入端耦合光栅（9）的光信号；
所述第一直波导（3）、第二直波导（4）和第三直波导（5）的输出端连接有输出端耦合光栅。
2.根据权利要求1所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，所述质量块（8）设置在远离环形谐振腔（6）的直边上。
3.根据权利要求1所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，所述第一Y分支波导（1）、第二Y分支波导（2）、第一直波导（3）、第二直波导（4）和第三直波导（5）的线宽均相同。
4.根据权利要求1所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，所述第一Y分支波导（1）和第二Y分支波导（2）采用弯曲半径大于60微米的弯曲波导。
5.根据权利要求1所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，所述环形谐振腔（6）直径为1000±5微米；所述跑道型谐振腔（7）的半圆直径为500±5微米，直边长度为700±5微米。
6.根据权利要求1所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，所述输入端耦合光栅（9）及输出端耦合光栅设有若干组圆环，所述圆环直径范围为35nm-200nm。
7.根据权利要求6所述的一种光子惯导芯片，其特征在于，沿着光信号传播方向，所述输入端耦合光栅（9）中每组圆环的直径逐渐减小，所述输出端耦合光栅每组圆环的直径逐渐增大。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种光子惯导芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将SOI晶片浸泡、清洗并吹干，重复若干次至SOI晶片清洁干净，在清洁后的SOI晶片上旋涂光刻胶，并采用EBL光刻，将光子惯导芯片整体结构图形曝光在光刻胶上；
光刻后的SOI晶片依次使用显影液、定影液浸泡，氮气枪吹干；
采用ICP刻蚀，将曝光在光刻胶上的光子惯导芯片整体结构图形刻蚀到SOI晶片的硅层；
清洗刻蚀后的SOI晶片，将悬空区域（13）之外的部分进行掩膜；
使用BOE溶液对掩膜后SOI晶片进行湿法刻蚀，将质量块悬空，形成简支梁结构；
清洗湿法刻蚀后的SOI晶片，去除掩膜层，制得惯导芯片。
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