CN1529187A - 一种三维光波导结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维光波导结构及其制作方法，三维光波导结构为采用单晶硅衬片其晶片表面为{100}面，侧向切边方向为<100>方向，在和波导转播垂直的方向上制作和波导平面成±45°的侧面反射膜，且各个反射面互相垂直，在硅片结构表面上依次制作波导下包层、第一层芯层结构、隔离层、第二层芯层结构、上包层。该结构采用硅的微机械加工和平面光波导制作这两种相对成熟技术来制作，制作方法比较简单。由于在硅单晶基片上制作正交的高反射结构，可以实现上下层光波导的光路通光，克服了普通平面光波导只能是单层结构或层与层之间难以互通的限制，从而大大提高了单位面积平面光波导器件的密度，在光波导器件的小型化、集成化上有明显的突破。

Description

一种三维光波导结构及其制作方法

                        技术领域

本发明涉及一种三维光波导结构及其制作方法，具体涉及一种利用硅微机械加工技术和平面光波导制作技术相结合制作三维光波导器件，用于光通信、光互连领域。

                        背景技术

平面光波导技术在实现光通信器件集成化、小型化以及批量生产方面显示着越来越明显的优势，其性能已经到达甚至优于传统的微光学器件，在光通信器件行业一直受到普遍的关注。但是其本身大弯曲半径的特点以及单层波导器件的结构使得以平面光波导技术为基础的集成光学还远无法达到集成电路的大规模集成度、小尺寸的程度。

近年来，三维集成光学一直是人们研究的一个热点，如光子晶体的研究，但其加工技术上的瓶颈制约了这一技术走向实际的应用。利用已经相对成熟的平面光波导制作技术，在其基础上致力于减小器件体积、增加器件集成度，相对而言是一个实现三维波导器件更为便捷的途径。在国外已经有这方面的报道，如在文章：OFC’2003，MF42.中提到利用在波导端面安装一个旋转角微反射镜实现不同层波导之间的连接，又如在文章：Appl.Phys.Lett.vol.72，pp.2637-8，May 1998.中提出了波导层之间垂直方向熔融耦合(Fused vertical coupling)的方法制作三维波导器件。

上述制作三维波导器件的方法要么制作难度太大，同时稳定性无法保障，实际上很难实现，要么上下波导层之间的器件结构相互受到限制，无法实现更大的集成度，更小的器件尺寸。因此如何实现制作工艺的简单化，同时减少不同波导层之间波导结构的制约，提高集成度，减小器件尺寸，是实现三维光波导器件的一个主要障碍。

                        发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种三维光波导结构及其制作方法，本发明结合硅的微机械加工和平面光波导制作这两种相对成熟技术，制作出一种通过垂直反射结构互连的多层平面光波导，使平面光波导单位面积可容纳功能器件的密度得到了成倍提高，上下层波导结构之间相互不受限制，同时制作方法比较简单。

本发明的技术方案：一种三维光波导结构，主要包括：硅片1、反射膜7和多层平面光波导结构，其特征在于：硅片1采用的是单晶硅片其晶片表面为{100}面，侧向切边方向为<100>方向，在和波导转播垂直的方向上制作和波导平面成±45°的侧面反射膜7)且各个反射面互相垂直，在硅片结构表面上依次制作波导下包层8-1、第一层芯层结构8-2、隔离层8-3、第二层芯层结构8-4、上包层8-5。

所述三维光波导结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)首先利用光刻工艺在单晶硅片1表面制作出平行或垂直于切边方向的光波导沉积区域；

(2)对光波导沉积区域各向异性刻蚀出侧壁和硅片表面(1)垂直，而且平行或垂直于切边方向的凹槽；

(3)去掉等离子体抗刻蚀掩膜2；

(4)用沉积的方法在凹槽底部、上表面以及背面覆盖抗腐蚀膜3；

(5)湿法腐蚀出相互垂直的，和硅片1表面呈±45°的平面；

(6)去掉抗腐蚀膜3；

(7)在和硅片1表面呈±45°的平面上镀制反射膜7；

(8)在凹槽内依次沉积波导下包层8-1、第一层芯层结构8-2、隔离层8-3、第二层芯层结构8-4、上包层8-5。

所述镀制反射膜的具体方法是：

(1)将单晶硅片1树立，并沿<100>晶向右倾斜一定的角度放置，硅片切边倾斜的角度使上侧的V型槽的外侧边缘避开对离子束的阻挡为准，将反射膜沉积在一侧的±45°平面上；

(2)再将单晶硅片1树立，沿<100>晶向左倾斜一定的角度放置，硅片切边倾斜的角度使下侧的V型槽的外侧边缘避开对离子束的阻挡为准，将反射膜沉积在另一侧的±45°平面上；

上述所说凹槽，其凹槽刻蚀的深度为反射膜膜厚、波导下包层厚度、波导芯层厚度、1/2波导隔离层厚度之和的二倍，两层光波导器件结构通过套刻技术定位，在V型槽处通过反射构成回路的两层光波导条处于同一垂直位值。

本发明的优点是，在普通的平面光波导用硅单晶基片上制作正交的高反射结构，可以实现上下层光波导的光路通光，克服了普通平面光波导只能是单层结构或层与层之间难以互通的限制，从而大大提高了单位面积平面光波导器件的密度，在光波导器件的小型化、集成化上有明显的突破，实现了真正意义上的三维光波导器件。

                        附图说明

图1是反射式三维光波导回路的基本结构；

图2是本试验中使用的硅片晶向结构；

图3是硅片表面的光刻胶膜沿硅片定位面方向的光刻后图形；

图4是硅片表面的光刻胶膜沿硅片定位面方向的光刻后的截面图；

图5是利用等离子体各向异性干法刻蚀技术刻蚀一定深度的凹槽图；

图6是用沉积的方法在凹槽底部、上表面以及背面覆盖抗腐蚀膜后图；

图7是各向异性湿法腐蚀后的结构截面图；

图8是用倾斜镀膜技术制作反射膜的结构截面图；

图9是制作的多层光波导结构沿光波导条方向的截面图；

图10是制作的多层光波导结构垂直于光波导条方向的截面图；

图11是多层光波导结构中通光的光路示意图；

图12是将硅片树立，并沿<100>晶向右倾斜一定的角度放置，将反射膜沉积在一侧的±45°平面上的示意图；

图13是将硅片树立，并沿<100>晶向左倾斜一定的角度放置，将反射膜沉积在另一侧的±45°平面上的示意图。

                    具体实施方式

本发明的主要技术是利用单晶硅的各向异性腐蚀特性实现与硅片表面呈±45°的正交V型槽结构，从而通过高反射方式实现不同光波导层之间的光学互通。单晶硅的各向异性腐蚀在半导体工艺以及微机电系统MEMS工艺中是一个较为成熟的工艺，但在实际应用中的硅片结构主要是{100}晶面<110>切边，且V型槽的开口在硅片表面。本发明利用的硅片结构是{100}晶面<100>切边，且利用干法技术，从而在与硅片表面垂直的位置上形成正交的V型槽，在此基础上，我们利用倾斜镀膜技术制作反射膜，使不同层的光波导结构通过多次光的高反射实现光的回路，

这种三维光波导回路的具体制作过程为，

(1)首先利用等离子体干法刻蚀技术，用含有卤素元素的刻蚀等离子体4在硅片1上制作边缘侧壁5，且侧壁5垂直于硅片1上表面并且和硅片1切线方向平行的凹槽结构，如图5；槽刻蚀的深度为反射膜膜厚、波导下包层厚度、波导芯层厚度、1/2波导隔离层厚度之和的二倍；

(2)去除等离子体刻蚀掩膜2后，分别在凹槽底部、硅片1上表面以及背面覆盖抗腐蚀膜3-1、3-2，抗腐蚀膜材料选用SiO₂，还可以选用Si₃N₄，如图6；

(3)在硅的各向异性腐蚀液中，凹槽侧壁5经过腐蚀将形成正交的V槽，各向异性腐蚀液选用KOH水溶液，还可以选用EDP溶液，EDP溶液为邻苯二酚、水、乙二胺的混合溶液，腐蚀得到的V型槽如图7所示，表面6-1、6-2为硅的{110}晶面，两个表面的夹角β为90°，V型槽表面与硅片1表面的夹角θ为±45°；

(4)去除抗腐蚀膜3-1、3-2，用倾斜沉积方法在硅片1凹槽侧壁5的正交V型槽表面覆盖反射膜7，制作了反射膜7后的硅结构如图8所示；

倾斜沉积反射膜的步骤为，将去除抗刻蚀膜的硅片树立放置，首先沿<100>切边方向向右倾斜一定的角度，沉积离子束9方向垂直于放置硅片的底座向下，硅片切边倾斜的角度以上侧的V型槽的外侧边缘避开对离子束的阻挡为准，反射膜将沉积在下侧的V型槽表面上，如图12；然后沿<100>切边方向向左倾斜相同的角度，反射膜将在另外一侧沉积，如图13。

(5)在硅结构表面依次沉积光波导下包层8-1、沉积第一层芯层8-2；在8-2上制作第一层光波导器件、沉积隔离层8-3、沉积第二层芯层8-4、在8-4上制作第二层光波导器件、沉积上包层8-5，如图9所示。两层光波导器件结构通过套刻技术定位，以保证在V型槽处的构成回路的两层光波导条处于同一垂直位值，如图10所示。隔离层8-3的厚度满足两层光波导器件的光路互不影响的边界条件，同时隔离层高度的1/2位置和V型槽两个斜面的正交点处于同一水平位置，如图11所示。

Claims (4)

1、一种三维光波导结构，主要包括：硅片(1)、反射膜(7)和多层平面光波导结构，其特征在于：硅片(1)采用的是单晶硅片其晶片表面为{100}面，侧向切边方向为<100>方向，在和波导传播垂直的方向上制作和波导平面成±45°的侧面反射膜(7)，且各个反射面互相垂直，在硅片结构表面上依次制作波导下包层(8-1)、第一层芯层结构(8-2)、隔离层(8-3)、第二层芯层结构(8-4)、上包层(8-5)。

2、根据权利要求1所述三维光波导结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)首先利用光刻工艺在单晶硅片(1)表面制作出平行或垂直于切边方向的光波导沉积区域；

(2)对光波导沉积区域各向异性刻蚀出侧壁和硅片表面(1)垂直，而且平行或垂直于切边方向的凹槽；

(3)去掉等离子体抗刻蚀掩膜(2)；

(4)用沉积的方法在凹槽底部、上表面以及背面覆盖抗腐蚀膜(3)；

(5)湿法腐蚀出相互垂直的，和硅片(1)表面呈±45°的平面；

(6)去掉抗腐蚀膜(3)；

(7)在和硅片(1)表面呈±45°的平面上镀制反射膜(7)；

(8)在凹槽内依次沉积波导下包层(8-1)、第一层芯层结构(8-2)、隔离层(8-3)、第二层芯层结构(8-4)、上包层(8-5)。

3、根据权利要求2所述三维光波导结构的制作方法，其特征在于：所述镀制反射膜的具体方法是：

(1)将单晶硅片(1)树立，并沿<100>晶向右倾斜一定的角度放置，硅片切边倾斜的角度使上侧的V型槽的外侧边缘避开对离子束的阻挡为准，将反射膜沉积在一侧的±45°平面上；

(2)再将单晶硅片(1)树立，沿<100>晶向左倾斜一定的角度放置，硅片切边倾斜的角度使下侧的V型槽的外侧边缘避开对离子束的阻挡为准，将反射膜沉积在另一侧的±45°平面上；

4、根据权利要求2所述三维光波导结构的制作方法，其特征在于：凹槽刻蚀的深度为反射膜膜厚、波导下包层厚度、波导芯层厚度、1/2波导隔离层厚度之和的二倍，两层光波导器件结构通过套刻技术定位，在V型槽处通过反射构成回路的两层光波导条处于同一垂直位值。

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