CN115951449A - 一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法。低损耗铌酸锂波导包括从下至上依次设置的衬底层、埋氧层、铌酸锂波导层、包覆层和上包层，包覆层包覆于铌酸锂波导层，上包层包覆于包覆层；包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率；低损耗铌酸锂波导以衬底层、埋氧层和铌酸锂波导层形成的LNOI基本结构为平台，在铌酸锂波导层上沉积包覆层，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，同时设计包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率以及控制包覆层的厚度，可以保证大部分光在LiNbO3波导中正常传播，显著降低因波导表面和侧壁粗糙度带来的散射损耗。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法。
背景技术
铌酸锂LiNbO3是集成光学中常用的光波导介质，其电光系数非常高，是非常好的非线性材料，可以较高效率地进行频率转换，所以基于它的调制器应用很广。近些年来，Smart Cut技术作为制作高折射率差单晶LiNbO3薄膜的主流方案，利用He离子注入技术和晶圆键合技术，使单晶态LiNbO3薄膜与沉积在LN衬底上的SiO2层相结合，制备出自上而下依次为LiNbO3薄膜层、SiO2层、LN衬底的LNOI基本结构。同时，LNOI具有较高的折射率差，能够严格限制光束在波导中的传播，所以成为了继SOI后又一备受关注的理想集成光学平台。
目前，LNOI上已成功制作出了多模干涉耦合器、马赫增德尔调制器、微环谐振器以及Y型分束器等光器件；随着薄膜LiNbO3制备工艺的日趋成熟和完善，LNOI上制作光器件的重要应用价值越来越凸显。
LNOI 最大的优势就是能够通过刻蚀工艺实现类似 SOI 那种高折射率差波导结构，然而获得低损耗 LN 波导的刻蚀工艺长期以来都是困扰科学界的难题。LN 材料本身很硬，而且化学惰性，因此不管是物理刻蚀还是化学刻蚀都存在较大难度。采用RIE刻蚀铌酸锂时，含有F基气体的化学刻蚀部分，会产生LiF沉淀，物理轰击部分会产生铌酸锂本身的再沉积，不管哪种沉积占据主导，都会使铌酸锂波导粗糙。此外，来自硬掩膜的图形转移也会加重铌酸锂波导的粗糙度。人们一般通过调整刻蚀的条件（例如压强、气体流量等）来减少刻蚀过程中的沉积，从而优化铌酸锂波导粗糙度。但是这种单一的方式存在一定极限，且工艺窗口小。随着wafer尺寸的增加，对均匀性的要求会更高，工艺窗口问题会逐渐加重。
发明内容
本发明提供一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法，用以解决现有铌酸锂波导存在的上述技术问题，通过以LNOI基本结构为平台，在铌酸锂波导层上沉积包覆层，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，同时设计包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率以及控制包覆层的厚度，可以保证大部分光在LiNbO3波导中正常传播，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种低损耗铌酸锂波导，包括从下至上依次设置的：
衬底层；
埋氧层；
铌酸锂波导层；
包覆层，包覆于所述铌酸锂波导层；所述包覆层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率；
上包层，包覆于所述包覆层。
进一步地，所述包覆层的折射率为2.15-2.25。
进一步地，所述包覆层的厚度为10nm-100nm；所述包覆层对分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量影响小于10%。
进一步地，所述包覆层包括氧化硅或氮氧化硅；和/或，所述埋氧层为二氧化硅层；和/或，所述上包层为二氧化硅或空气。
进一步地，所述包覆层包覆于所述铌酸锂波导层的上表面和侧壁。
进一步地，所述铌酸锂波导层的波导为脊型波导或条形波导；和/或，所述铌酸锂波导层的波导为单模波导、多模波导、或者周期性结构波导；和/或，所述铌酸锂波导层的厚度为200nm-700nm。
根据本发明的第二方面，本发明还提供上述的低损耗铌酸锂波导的制备方法，包括如下步骤：
以LNOI材料作为初始材料；所述LNOI材料包括从下至上依次设置的衬底层、埋氧层和铌酸锂薄膜层；
在所述铌酸锂薄膜层上沉积硬掩膜层；
在所述硬掩膜层表面旋涂光刻胶并完成光刻；
采用干法蚀刻工艺完成硬掩膜刻蚀，再完成所述铌酸锂薄膜层的成型刻蚀，以形成铌酸锂波导层；
去除所述硬掩膜层和残留物；
在所述铌酸锂波导层表面沉积包覆层；所述包覆层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率；
将沉积有所述包覆层的所述铌酸锂波导层进行热退火处理；
在完成退火后的所述包覆层上沉积上包层。
进一步地，所述包覆层在所述铌酸锂波导层表面沉积的沉积方式包括LPCVD、PECVD、ALD或PVD；和/或，所述在所述铌酸锂薄膜层上沉积硬掩膜层的沉积方式包括LPCVD、PECVD或PVD。
进一步地，所述热退火处理的界面退火温度为300℃-800℃。
进一步地，去除所述硬掩膜层采用湿法腐蚀工艺。
本发明提供的一种低损耗铌酸锂波导自下而上分别为衬底层、埋氧层、铌酸锂波导层、包覆层和上包层，在铌酸锂波导层上沉积包覆层，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，同时设计包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率可以保证大部分光仍在LiNbO3波导中正常传播，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种低损耗铌酸锂波导的结构示意图；
图2是本发明提供的一种低损耗铌酸锂波导的制备方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中初始材料LNOI的结构示意图；
图4是本发明实施例中在铌酸锂薄膜层表面溅射沉积金属掩膜层后的结构示意图；
图5是本发明实施例中在完成光刻和干法刻蚀后铌酸锂波导结构示意图；
图6是本发明实施例中沉积SiN包覆层后的铌酸锂波导的结构示意图；
图7是本发明提供的一种低损耗铌酸锂波导带入COMSOL中进行光场模式仿真结果图；其中，图7（a）表示SiN包覆层4为0nm时的仿真结果图，图7（b）表示SiN包覆层4为40nm时的仿真结果图，图7（c）表示SiN包覆层4为100nm时的仿真结果图，图7（d）表示本发明的铌酸锂波导中光场能量虽SiN厚度变化的关系图。
附图标记：1：衬底层；2：埋氧层；3：铌酸锂波导层；4：包覆层；5：上包层；6：铌酸锂薄膜层；7：金属掩膜层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一些具体实施例，本发明提供一种低损耗铌酸锂波导，如图1所示，其基本结构自下而上分别为衬底层1、埋氧层2、铌酸锂波导层3、包覆层4和上包层5。包覆层4包覆于铌酸锂波导层3。上包层5包覆于包覆层4。包覆层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率。
上述实施例中，一种低损耗铌酸锂波导自下而上分别为衬底层1、埋氧层2、铌酸锂波导层3、包覆层4和上包层5，该铌酸锂波导在铌酸锂波导层3上沉积包覆层4，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，同时设计包覆层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率，同时控制包覆层4的厚度可以保证大部分光在LiNbO3波导中正常传播的，显著降低因表面和粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的一些具体实施例，衬底层1厚度为400μm-600μm，优选为500μm；埋氧层2厚度为2μm-5μm。
根据本发明的一些具体实施例，包覆层4的折射率为2.15-2.25。在一些具体实施例中，包覆层4的折射率为2.2。
上述实施例中，通过限定包覆层4的折射率为2.15-2.25，与铌酸锂波导层3的折射率相匹配，以保证大部分光仍在LiNbO3波导中正常传播的，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的一些具体实施例，包覆层4的厚度为10nm-100nm。包覆层4对分布在铌酸锂波导层3中的光场能量影响小于10%。
上述实施例中，通过将包覆层4的厚度限定在合理的范围值内，能够保证光在LiNbO3波导内的传输基本不受影响，同时还能显著降低侧壁散射损耗。如果包覆层4的厚度小于10nm，降低散射损耗不明显，如果包覆层4的厚度大于100nm，会影响光在LiNbO3波导内的传输。
根据本发明的一些具体实施例，包覆层4为氮化硅或氮氧化硅。
上述实施例中，限定包覆层4为氮化硅或氮氧化硅，可以通过改变硅元素的比例控制折射率，使包覆层4的折射率与铌酸锂波导层3的折射率相匹配，进而保证大部分光仍在LiNbO3波导中正常传播的，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的一些具体实施例，上包层5为二氧化硅或空气。
上述实施例中，上包层5对光通讯波段透明，在调制器中不会引入额外光学损耗，限定上包层5为二氧化硅或空气，能够更好地实现上述功能。
根据本发明的一些具体实施例，上包层5的厚度为1μm-5μm。在一些具体实施例中，上包层5的厚度为3μm。
根据本发明的一些具体实施例，埋氧层2为二氧化硅层。
上述实施例中，埋氧层2在波导传输过程中起到良好的作用，极大地降低了波导的损耗，限定埋氧层2为二氧化硅层能够更好地实现上述功能。
根据本发明的一些具体实施例，包覆层4包覆于铌酸锂波导层3的上表面和侧壁。
上述实施例中，将包覆层4包覆于铌酸锂波导层3的上表面和侧壁，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，进而能有效降低因波导表面和侧壁粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的一些具体实施例，铌酸锂波导层3的波导为脊型波导或条形波导；和/或，铌酸锂波导层3的波导为单模波导、多模波导、或者周期性结构波导；和/或，铌酸锂波导层3的宽度为800nm-1000nm；铌酸锂波导层3的厚度为200nm-700nm。
上述实施例中，通过将铌酸锂波导层3的宽度、厚度限定在合理的范围值内，有利于光在铌酸锂波导层3中的传输。
根据本发明的一些具体实施例，本发明还提供一种低损耗铌酸锂波导的制备方法，如图2所示为本发明的一种低损耗铌酸锂波导的制备方法的流程示意图，具体制备方法包括如下步骤：
以LNOI材料作为初始材料；如图3所示，LNOI材料包括从下至上依次设置的衬底层1、埋氧层2和铌酸锂薄膜层6；
在铌酸锂薄膜层6上沉积硬掩膜层；
在硬掩膜层表面旋涂光刻胶并完成光刻；
采用干法蚀刻工艺完成硬掩膜刻蚀，再完成铌酸锂薄膜层6的成型刻蚀，以形成铌酸锂波导层3；
去除硬掩膜层和残留物；
在铌酸锂波导层3表面沉积包覆层4；包覆层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率；
将沉积有包覆层4的铌酸锂波导层3进行热退火处理；
在完成退火后的包覆层4上沉积上包层5。
上述实施例中，本发明的一种低损耗铌酸锂波导的制备方法是以LNOI材料作为初始材料，在LNOI材料的铌酸锂薄膜层6上沉积硬掩膜层，再在硬掩膜层表面旋涂光刻胶并完成光刻，采用干法蚀刻工艺完成硬掩膜刻蚀，再完成铌酸锂薄膜层6的成型刻蚀，以形成铌酸锂波导层3；去除硬掩膜层和残留物，去除刻蚀过程中产生的杂质，得到尽可能光滑的铌酸锂波导层3表面；然后在铌酸锂波导层3表面沉积包覆层4，能够有效填充和修复LiNbO3波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO3晶格结构未受破坏，同时保证包覆层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率，可以保证大部分光仍在LiNbO3波导中正常传播的，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。将沉积有包覆层4的铌酸锂波导层3进行热退火处理，消除缺陷及平整化，实现光滑处理，以改善膜层质量。最后在完成退火后的包覆层4上沉积上包层5，进一步改善波导表面粗糙度，减少散射损耗。本发明的制备方法工艺简单，通过在刻蚀后的LiNbO3波导上包覆具有相同折射率的介质层，再通过热退火后处理完成刻蚀后铌酸锂波导表面粗糙度的修复，可显著降低铌酸锂波导因表面粗糙度带来的散射损耗，实现低损耗铌酸锂波导。
根据本发明的一些具体实施例，包覆层4在铌酸锂波导层3表面沉积的沉积方式包括LPCVD、PECVD、ALD或PVD。
上述实施例中，通过LPCVD、PECVD、ALD或PVD等沉积方式可以在铌酸锂波导层3表面沉积得到所需要厚度的包覆层4，进而保证大部分光仍在LiNbO3波导中正常传播的，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。
根据本发明的一些具体实施例，在铌酸锂薄膜层6上沉积硬掩膜层的沉积方式包括LPCVD、PECVD或PVD。
上述实施例中，通过LPCVD、PECVD或PVD等沉积方式可以在铌酸锂薄膜层6上沉积得到所需要厚度的硬掩膜层，理想厚度的硬掩膜层可形成为硬夹层以将光刻胶的精细图案转移至铌酸锂薄膜层6上的足够深度处而防止图案崩塌。
根据本发明的一些具体实施例，热退火处理的界面退火温度为300℃-800℃。在一些具体实施例中，热退火处理的界面退火温度为400℃-800℃。
上述实施例中，通过将热退火处理的界面退火温度限定在合理的范围值内，能达到有效改善膜层质量的目的。
根据本发明的一些具体实施例，热退火处理的退火时间为5min-10min。
上述实施例中，通过将热退火处理的退火时间限定在合理的范围值内，能达到有效改善膜层质量的目的。
根据本发明的一些具体实施例，保持一定退火时间后冷却至室温。
根据本发明的一些具体实施例，去除硬掩膜层采用湿法腐蚀工艺。
上述实施例，去除硬掩膜层采用湿法腐蚀工艺，工艺简单, 适应性强, 刻蚀速率高，表面均匀性好、对基片损伤少。
根据本发明的一些具体实施例，一种低损耗铌酸锂波导的制备方法包括如下步骤：
步骤1、选用LNOI材料作为初始材料，如图3所示为初始材料LNOI的结构示意图，LNOI材料包括从下至上依次设置的衬底层1、埋氧层2和铌酸锂薄膜层6，用磁控溅射（PVD）方法在铌酸锂薄膜层6表面溅射一层约40nm厚的Cr金属掩膜层7，如图4所示为在铌酸锂薄膜层6表面溅射沉积Cr金属掩膜层7后的结构示意图。
步骤2、在Cr金属掩膜层7表面旋涂一层正光刻胶，接下来在100℃下烘烤30分钟，在光刻胶上放置带pattern的掩膜版后紫外光照射35秒；将样品在显影液中显影除胶，然后在去离子水中漂洗干净，最后在100℃烘烤15分钟后将光刻版图形传递给下层的金属掩膜层7。
步骤3、采用ICP干法刻蚀，氧气+氯气作为气体刻蚀源，完成光刻胶+金属掩膜层7的刻蚀，氩气+SF6作为气体刻蚀源刻蚀铌酸锂薄膜层6，刻蚀深度300nm，如图5所示为在完成光刻和干法刻蚀后铌酸锂波导结构示意图，图中标明刻蚀后的铌酸锂波导层3中，slab层厚300nm，rib层厚300nm，条形波导的宽度为900nm。
步骤4、采用Cr腐蚀液腐蚀10min-30min去除Cr金属掩膜层7，之后采用RCA溶液对铌酸锂波导层3清洗。
步骤5、采用LPCVD方式在100pa压强+700℃下，在刻蚀后的 铌酸锂波导层3表面沉积一层厚度约为50nm的SiN包覆层4，如图6所示为沉积SiN包覆层4后的结构示意图。
步骤6、将长好SiN包覆层4的LN薄膜波导在400℃-800℃下退火8min后消除包覆层4-铌酸锂波导层3界面缺陷。
步骤7、在完成退火后的SiN包覆层4上表面采用CVD方式沉积3μm厚的SiO2上包层5，如图1为长好SiO2 上包层5后的结构示意图。
本实施例以LNOI的基本结构为平台，采用在铌酸锂波导层3上沉积SiN包覆层4的方式，能够有效填充和修复铌酸锂波导层3表面和侧壁的起伏，同时退火过程能够进一步修复SiN-LiNbO3界面缺陷，实现光仍在LiNbO3波导内传播的同时降低侧壁散射损耗。将这种结构带入COMSOL中进行光场模式仿真，可模拟出LiNbO3波导在宽度900nm，slab层300nm和rib层300nm厚度条件下，SiN包覆层4沉积后光模场的变化情况，仿真结果如下图7所示，其中，图7（a）表示SiN包覆层4为0nm时的仿真结果图，图7（b）表示SiN包覆层4为40nm时的仿真结果图，图7（c）表示SiN包覆层4为100nm时的仿真结果图，图7（d）表示本发明的铌酸锂波导中光场能量虽SiN厚度变化的关系图，表明SiN包覆层4厚度在<100nm条件下，光在LiNbO3波导内的传输基本不受影响，同时还能显著降低侧壁散射损耗，从而，通过本发明提供个方法可制作出粗糙度显著改善，损耗显著降低的LiNbO3薄膜波导。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种低损耗铌酸锂波导，其特征在于，包括从下至上依次设置的：
衬底层；
埋氧层；
铌酸锂波导层；
包覆层，包覆于所述铌酸锂波导层；所述包覆层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率；
上包层，包覆于所述包覆层。
2.根据权利要求1所述的低损耗铌酸锂波导，其特征在于，所述包覆层的折射率为2.15-2.25。
3.根据权利要求1所述的低损耗铌酸锂波导，其特征在于，所述包覆层的厚度为10nm-100nm；所述包覆层对分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量影响小于10%。
4.根据权利要求1所述的低损耗铌酸锂波导，其特征在于，所述包覆层包括氧化硅或氮氧化硅；和/或，所述埋氧层为二氧化硅层；和/或，所述上包层为二氧化硅或空气。
5.根据权利要求1所述的低损耗铌酸锂波导，其特征在于，所述包覆层包覆于所述铌酸锂波导层的上表面和侧壁。
6.根据权利要求1所述的低损耗铌酸锂波导，其特征在于，所述铌酸锂波导层的波导为脊型波导或条形波导；和/或，所述铌酸锂波导层的波导为单模波导、多模波导、或者周期性结构波导；和/或，所述铌酸锂波导层的厚度为200nm-700nm。
7.权利要求1-6任一项所述的低损耗铌酸锂波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
以LNOI材料作为初始材料；所述LNOI材料包括从下至上依次设置的衬底层、埋氧层和铌酸锂薄膜层；
在所述铌酸锂薄膜层上沉积硬掩膜层；
在所述硬掩膜层表面旋涂光刻胶并完成光刻；
采用干法蚀刻工艺完成硬掩膜刻蚀，再完成所述铌酸锂薄膜层的成型刻蚀，以形成铌酸锂波导层；
去除所述硬掩膜层和残留物；
在所述铌酸锂波导层表面沉积包覆层；所述包覆层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率；
将沉积有所述包覆层的所述铌酸锂波导层进行热退火处理；
在完成退火后的所述包覆层上沉积上包层。
8.根据权利要求7所述的低损耗铌酸锂波导的制备方法，其特征在于，所述包覆层在所述铌酸锂波导层表面沉积的沉积方式包括LPCVD、PECVD、ALD或PVD；和/或，所述在所述铌酸锂薄膜层上沉积硬掩膜层的沉积方式包括LPCVD、PECVD或PVD。
9.根据权利要求7所述的低损耗铌酸锂波导的制备方法，其特征在于，所述热退火处理的界面退火温度为300℃-800℃。
10.根据权利要求7所述的低损耗铌酸锂波导的制备方法，其特征在于，去除所述硬掩膜层采用湿法腐蚀工艺。
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