專(zhuān)利名稱(chēng)：Soi亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光電子領(lǐng)域，提供了一種SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻
蝕氧化制作方法。
背景技術(shù)：
在光學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì)遇到不同截面尺寸的光波導(dǎo)的光耦合問(wèn)題，由于不同光波導(dǎo)
截面尺寸的不一致，當(dāng)大尺寸光波導(dǎo)的光耦合進(jìn)小尺寸的光波導(dǎo)中時(shí)，或者當(dāng)小尺寸光波 導(dǎo)的光耦合進(jìn)大尺寸的光波導(dǎo)中時(shí)，都會(huì)造成很大的光損耗。 還有就是會(huì)遇到不同結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)之間的耦合問(wèn)題。脊型光波導(dǎo)的大體形狀如 '凸'字形，隆起的中間區(qū)域?yàn)橹饕膶?dǎo)光區(qū)域，稱(chēng)為內(nèi)脊區(qū)或脊型區(qū)，而脊型區(qū)的兩旁是開(kāi) 放延伸的，在其間傳輸?shù)墓夂苌?，稱(chēng)為平板區(qū)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是大大放寬了光在其間傳輸?shù)?單模條件，因此可以把波導(dǎo)尺寸做得適當(dāng)大一些，這在一定程度上可以提高和光纖的耦合 效率。在做有源器件的時(shí)候，平板區(qū)還能成為摻雜區(qū)域，做上電極結(jié)構(gòu)，所以脊型光波導(dǎo)應(yīng) 用廣泛。條形光波導(dǎo)，顧名思義，就是橫截面為矩形的長(zhǎng)條狀的光波導(dǎo)。由于其工藝簡(jiǎn)單， 所以應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。并且倒錐耦合器用的就是條形光波導(dǎo)。當(dāng)光傳輸?shù)接糜诘瑰F耦合器 的條形光波導(dǎo)的尖端時(shí)，光場(chǎng)會(huì)"去局域化"，從而光場(chǎng)會(huì)從條形光波導(dǎo)中溢出，形成大截面 的光場(chǎng)傳輸模式，這樣就大大地提高了其和光纖或其他大尺寸波導(dǎo)的耦合效率。
近年來(lái)熱點(diǎn)研究的集成光電子學(xué)領(lǐng)域，由于硅高效光源的研究尚待突破，目前現(xiàn) 實(shí)的方法就是引入外來(lái)光源，將光通過(guò)光纖耦合進(jìn)芯片的硅基光回路和器件中，耦合問(wèn)題 便亟待解決。為滿(mǎn)足單模條件，硅基條形波導(dǎo)的芯層截面必須滿(mǎn)足< 300nmX300nm，而這么 小的尺寸和光纖(芯徑9iim)的直接耦合，耦合損耗高達(dá)20dB。這一切歸因于光纖和波導(dǎo) 的模式失配和有效折射率失配帶來(lái)的輻射模和背反射。國(guó)內(nèi)外研制出了許多各種不同結(jié)構(gòu) 的光耦合器如楔形耦合器、棱鏡耦合器、透鏡耦合器、光柵耦合器等。這些耦合器特性各不 相同，總的發(fā)展趨勢(shì)是追求耦合損耗低、器件尺寸小、對(duì)準(zhǔn)誤差不敏感和制作簡(jiǎn)便。
最近，SOI (Silicon On Insulator)基的倒錐形結(jié)構(gòu)耦合器研究發(fā)展的很快，已將 耦合損耗降低到了 ldB以下，成為效率最高的耦合器。其傳統(tǒng)的制作方法就是將器件結(jié)構(gòu) 都做在頂層硅上。當(dāng)頂層硅某一長(zhǎng)條區(qū)域兩邊的硅材料被刻蝕完全后，就形成條形光波導(dǎo)； 當(dāng)頂層硅某一長(zhǎng)條區(qū)域兩邊的硅材料被刻蝕掉一部分后，就形成脊型光波導(dǎo)。而此結(jié)構(gòu)的 工作機(jī)理就是將條形光波導(dǎo)芯層的截面逐漸減小，直到和光纖連接的端口小到使其中的光 場(chǎng)"去局域化"，形成消逝場(chǎng)，從而增加了波導(dǎo)中光的模場(chǎng)與光纖中的模場(chǎng)的重疊程度，增大 了耦合效率，故又可稱(chēng)其為模斑變換器。并且由于尖端波導(dǎo)中的光溢出到了二氧化硅包層 中，使其中的光的有效折射率更加接近光纖中的有效折射率，所以又減小了耦合處的背反 射。 而NTT公司在08年就用這種傳統(tǒng)的方法把耦合損耗一下從7. 5dB減小到驚人 的O. 7dB，其工藝細(xì)節(jié)是在SOI的平臺(tái)上將原來(lái)脊型波導(dǎo)的平板區(qū)刻掉，使其形成適合 倒錐形結(jié)構(gòu)的條形波導(dǎo)，然后逐漸減小其橫截面，使其在300iim長(zhǎng)度內(nèi)將橫截面積從600nm(寬)*200nm(高)減小到80nm(寬)*200nm(高)。但是這種方法對(duì)制作工藝要求極 高，器件制作成品率難以提高。 在09年3月，康奈爾大學(xué)的Lipson等人為了避免刻蝕帶來(lái)的過(guò)分粗糙的脊型波 導(dǎo)側(cè)壁，從而避免引起過(guò)大的光損耗，他們采用電子束光刻來(lái)定義脊型波導(dǎo)內(nèi)脊區(qū)的二氧 化硅保護(hù)膜，而通過(guò)熱氧化將內(nèi)脊區(qū)兩邊的硅氧化掉從而得到平板區(qū)，這樣，沒(méi)有用到刻蝕 工藝就形成了側(cè)壁光滑，損耗小的脊型光波導(dǎo)，這種方法被稱(chēng)為"免刻蝕法"。但是有關(guān)用 免刻蝕法，特別是利用氧化作用的免刻蝕法制作脊型光波導(dǎo)和條形倒錐型耦合器集成的方 法，國(guó)際上還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本發(fā)明旨在提供這樣一種利用氧化作用的免刻蝕法制作脊型 光波導(dǎo)和條形倒錐型耦合器集成的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
在傳統(tǒng)的制作和脊型光波導(dǎo)集成的倒錐耦合器的過(guò)程中，由于倒錐耦合器是條形 光波導(dǎo)，沒(méi)有脊型光波導(dǎo)兩邊的平板區(qū)，所以這種刻蝕深度的不一致性就要求我們進(jìn)行兩 次光刻和刻蝕，第一次光刻和刻蝕制作出脊型光波導(dǎo)，第二次光刻和刻蝕制作出條形光波 導(dǎo)的倒錐耦合器。在這樣的過(guò)程中，二次光刻的套刻是需要二維對(duì)準(zhǔn)的，而且和光波導(dǎo)方向 水平垂直的套刻誤差所帶來(lái)的后果是很?chē)?yán)重的，甚至造成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不通光。至于沿著 光波導(dǎo)的那個(gè)方向上的套刻誤差，給此光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響卻是很小的。所以制作和脊 型光波導(dǎo)集成的倒錐耦合器的關(guān)鍵就在于解決第二次光刻中倒錐耦合器和脊型光波導(dǎo)的 無(wú)偏無(wú)縫連接問(wèn)題。還有一個(gè)問(wèn)題就是在兩次光刻中，一般都用刻蝕工藝來(lái)制作脊型光波 導(dǎo)和條形光波導(dǎo)，但這樣會(huì)使波導(dǎo)的側(cè)壁不光滑，帶來(lái)很大的光學(xué)損耗。 本發(fā)明是在制作和脊型光波導(dǎo)集成的倒錐耦合器的過(guò)程中，采用在硅波導(dǎo)層上面 的不同區(qū)域氧化生長(zhǎng)二氧化硅，利用二氧化硅消耗下邊相應(yīng)區(qū)域一定厚度的硅層的方法， 一次形成脊型光波導(dǎo)和倒錐形耦合器的自然過(guò)渡連接。其原理為利用光刻技術(shù)定義脊型 光波導(dǎo)兩邊的平板區(qū)和條形光波導(dǎo)兩邊的無(wú)硅區(qū)上邊的二氧化硅層，通過(guò)氧化生長(zhǎng)二氧化 硅來(lái)消耗一定厚度的硅。由于脊型光波導(dǎo)的脊寬較大，氧化過(guò)程中二氧化硅對(duì)內(nèi)脊兩邊的 臺(tái)階處侵蝕不厲害，從而可以形成脊型光波導(dǎo)的平板區(qū)，但對(duì)于寬度比脊型光波導(dǎo)脊寬小 很多的條形光波導(dǎo)，氧化過(guò)程中二氧化硅對(duì)側(cè)邊臺(tái)階處的侵蝕就厲害很多，最終造成了條 形光波導(dǎo)兩邊的臺(tái)階處外側(cè)的硅層消耗殆盡，無(wú)法形成類(lèi)似于脊型光波導(dǎo)的平板區(qū)，從而 形成合乎要求的和脊型光波導(dǎo)無(wú)縫無(wú)偏連接的條形光波導(dǎo)，完成了和脊型光波導(dǎo)集成的倒 錐耦合器的制作。同時(shí)，由于在制作過(guò)程中只有對(duì)硅層的氧化而不涉及對(duì)硅層的刻蝕，所以 波導(dǎo)側(cè)壁光滑，對(duì)光的散射損耗小。 本發(fā)明提供一種SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，包括如 下步驟 步驟1 :在SOI的頂層硅上氧化一層二氧化硅層，使二氧化硅層下面的SOI的頂層 硅能夠有效地抵抗后續(xù)的氧化工藝； 步驟2 :通過(guò)光刻工藝，在二氧化硅層上面形成掩膜圖形，該掩膜圖形的一端為矩 形，另一端為錐形； 步驟3 :通過(guò)刻蝕工藝，將沒(méi)有掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅層刻蝕，刻蝕深度到達(dá)二 氧化硅層內(nèi)，刻蝕后形成被掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅的矩形區(qū)域和錐形區(qū)域；
步驟4 :去掉SOI的頂層硅上在步驟3遺留下的掩膜圖形，形成樣品； 步驟5 :對(duì)上述的樣品進(jìn)行氧化，將在步驟3中被刻蝕過(guò)的二氧化硅層下面的SOI 的頂層硅，氧化到預(yù)定高度，從而形成脊型波導(dǎo)的平板區(qū)；被二氧化硅層的矩形區(qū)域保護(hù)的 SOI的頂層硅，形成脊型波導(dǎo)的內(nèi)脊區(qū)；而被二氧化硅層的錐形區(qū)域保護(hù)的SOI的頂層硅， 形成和內(nèi)脊區(qū)自然過(guò)渡連接的條形波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)，完成脊型波導(dǎo)和倒錐耦合器的自然集 成。 其中步驟1中氧化生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度為200-800納米。 其中步驟1所述的氧化是干氧氧化或是濕氧氧化，或者使用PECVD來(lái)代替氧化工藝。 其中步驟2的光刻工藝是深紫外光刻或是電子束曝光。 其中步驟3的將沒(méi)有掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅層刻蝕，刻蝕后的二氧化硅層的厚 度為30-60nm。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描 述，其中 圖1給出了步驟2經(jīng)過(guò)光刻后的器件結(jié)構(gòu)整體效果圖； 圖2給出了圖1所示器件結(jié)構(gòu)截面圖； 圖3給出了步驟4經(jīng)過(guò)刻蝕去膠后的器件結(jié)構(gòu)整體效果圖； 圖4給出了圖3所示器件結(jié)構(gòu)截面圖； 圖5給出了最終的器件結(jié)構(gòu)的整體效果圖； 圖6給出了圖5所示器件結(jié)構(gòu)尾部截面圖； 圖7給出了圖5所示器件結(jié)構(gòu)中部截面圖； 圖8給出了圖5所示器件結(jié)構(gòu)前部截面圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1至圖8所示，本發(fā)明涉及一種SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻 蝕氧化制作方法，包括如下步驟 步驟1 :在SOI的頂層硅2 (厚度340納米)上氧化一層500納米的二氧化硅層1， 此過(guò)程實(shí)際消耗SOI的頂層硅2厚度為230納米左右，此氧化層厚度可以使二氧化硅層1 下面的SOI的頂層硅2能夠有效地抵抗后續(xù)的氧化工藝。 步驟2:通過(guò)光刻工藝，在二氧化硅層1上面形成掩膜圖形3，該掩膜圖形的一端為 矩形，用于后續(xù)形成脊型波導(dǎo)；另一端為錐形，用于后續(xù)形成和脊型波導(dǎo)集成的條形波導(dǎo)倒 錐結(jié)構(gòu)。 步驟3 :通過(guò)刻蝕工藝，將沒(méi)有掩膜圖形3保護(hù)的二氧化硅層l刻蝕至厚度為40納 米，此厚度的選擇使得其下的S0I的頂層硅2能夠被有效地氧化消耗掉?？涛g后形成被掩 膜圖形3保護(hù)的二氧化硅矩形區(qū)域11和錐形區(qū)域12，這兩個(gè)區(qū)域的二氧化硅層厚度足以有 效抵抗后續(xù)氧化工藝對(duì)其下的S0I的頂層硅2氧化侵蝕。
步驟4 :去掉S0I片在步驟3遺留下的掩膜圖形3。
步驟5 :將上述的SOI片進(jìn)行氧化，把被刻蝕至40納米厚的二氧化硅層1下面的 S0I頂層硅2氧化到IO納米，從而形成脊型波導(dǎo)的平板區(qū)；對(duì)于被矩形二氧化硅層11保護(hù) 的SOI的頂層硅2，形成脊型波導(dǎo)的內(nèi)脊區(qū)；而被錐形二氧化硅層12保護(hù)的SOI的頂層硅 2，利用內(nèi)脊寬越窄，氧氣對(duì)脊型波導(dǎo)內(nèi)脊區(qū)邊緣的'鉆蝕'氧化越厲害的原理，氧化后其邊 緣的厚度沿倒錐方向逐漸消耗殆盡，從而形成和脊型波導(dǎo)自然過(guò)渡連接的條形波導(dǎo)倒錐結(jié) 構(gòu)，完成脊型波導(dǎo)和倒錐耦合器的自然集成。 在上述的制作步驟中，氧化形成免刻蝕波導(dǎo)的過(guò)程可以是干氧氧化，也可以是濕 氧氧化。而光刻工藝過(guò)程可以是深紫外光刻，也可以是電子束曝光。 綜上所述，本發(fā)明是在制作和脊型光波導(dǎo)集成的倒錐耦合器的過(guò)程中，采用在硅 波導(dǎo)層上面的不同區(qū)域氧化生長(zhǎng)二氧化硅，利用二氧化硅消耗下邊相應(yīng)區(qū)域一定厚度的硅 層的方法，一次形成脊型光波導(dǎo)和倒錐形耦合器。其原理為利用光刻技術(shù)定義脊型光波導(dǎo) 兩邊平板區(qū)上邊的二氧化硅層以及條形光波導(dǎo)兩邊的二氧化硅層，通過(guò)氧化生長(zhǎng)二氧化硅 來(lái)消耗一定厚度的硅。由于脊型光波導(dǎo)的脊寬較大，氧化過(guò)程中二氧化硅對(duì)內(nèi)脊兩邊的臺(tái) 階處侵蝕不厲害，從而可以形成脊型光波導(dǎo)的平板區(qū)，但對(duì)于寬度比脊型光波導(dǎo)脊寬小很 多的條形光波導(dǎo)，氧化過(guò)程中二氧化硅對(duì)側(cè)邊臺(tái)階處的侵蝕就厲害很多，最終造成了條形 光波導(dǎo)兩邊臺(tái)階外側(cè)的硅層消耗殆盡，從而自然形成和脊型光波導(dǎo)無(wú)縫無(wú)偏連接的條形光 波導(dǎo)，完成了和脊型光波導(dǎo)集成的倒錐耦合器的制作。同時(shí)，由于在制作過(guò)程中只有對(duì)硅層 的氧化而不涉及對(duì)硅層的刻蝕，所以波導(dǎo)側(cè)壁光滑，對(duì)光的散射損耗小。 以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式的限制，凡是依據(jù) 本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技 術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，包括如下步驟步驟1在SOI的頂層硅上氧化一層二氧化硅層，使二氧化硅層下面的SOI的頂層硅能夠有效地抵抗后續(xù)的氧化工藝；步驟2通過(guò)光刻工藝，在二氧化硅層上面形成掩膜圖形，該掩膜圖形的一端為矩形，另一端為錐形；步驟3通過(guò)刻蝕工藝，將沒(méi)有掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅層刻蝕，刻蝕深度到達(dá)二氧化硅層內(nèi)，刻蝕后形成被掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅的矩形區(qū)域和錐形區(qū)域；步驟4去掉SOI的頂層硅上在步驟3遺留下的掩膜圖形，形成樣品；步驟5對(duì)上述的樣品進(jìn)行氧化，將在步驟3中被刻蝕過(guò)的二氧化硅層下面的SOI的頂層硅，氧化到預(yù)定高度，從而形成脊型波導(dǎo)的平板區(qū)；被二氧化硅層的矩形區(qū)域保護(hù)的SOI的頂層硅，形成脊型波導(dǎo)的內(nèi)脊區(qū)；而被二氧化硅層的錐形區(qū)域保護(hù)的SOI的頂層硅，形成和內(nèi)脊區(qū)自然過(guò)渡連接的條形波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)，完成脊型波導(dǎo)和倒錐耦合器的自然集成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，其 中步驟1中氧化生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度為200-800納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，其 中步驟1所述的氧化是干氧氧化或是濕氧氧化，或者使用PECVD來(lái)代替氧化工藝。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，其 中步驟2的光刻工藝是深紫外光刻或是電子束曝光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方 法，其中步驟3的將沒(méi)有掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅層刻蝕，刻蝕后的二氧化硅層的厚度為 30-60nm。
全文摘要
一種SOI亞微米脊型光波導(dǎo)倒錐耦合器免刻蝕氧化制作方法，包括在SOI的頂層硅上氧化一層二氧化硅層；通過(guò)光刻工藝，在二氧化硅層上面形成掩膜圖形，該掩膜圖形的一端為矩形，另一端為錐形通過(guò)刻蝕工藝，將沒(méi)有掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅層刻蝕，刻蝕后形成被掩膜圖形保護(hù)的二氧化硅的矩形區(qū)域和錐形區(qū)域；去掉SOI的頂層硅上遺留下的掩膜圖形，形成樣品；對(duì)上述的樣品進(jìn)行氧化，將被刻蝕過(guò)的二氧化硅層下面的SOI的頂層硅，氧化到預(yù)定高度，從而形成脊型波導(dǎo)的平板區(qū)；被二氧化硅層的矩形區(qū)域保護(hù)的SOI的頂層硅，形成脊型波導(dǎo)的內(nèi)脊區(qū)；而被二氧化硅層的錐形區(qū)域保護(hù)的SOI的頂層硅，形成和內(nèi)脊區(qū)自然過(guò)渡連接的條形波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)，完成脊型波導(dǎo)和倒錐耦合器的自然集成。
文檔編號(hào)G02B6/13GK101710195SQ200910242349
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者任光輝, 樊中朝, 程勇鵬, 陳少武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所