專利名稱：一種光波導及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光子集成器件技術領域，特別涉及一種光波導及其制作方法。
背景技術：
作為光子集成器件的基本單元，光波導廣泛應用于光通信、光傳感、光存儲等領域。硅基波導具有化學穩(wěn)定性好、機械強度高、與集成電路工藝兼容、便于集成等優(yōu)點，成為光波導的重要研究方向。光波導由高折射率的芯區(qū)和低折射率的包層組成。硅基光波導普遍采用條形波導的結構，由較高折射率的條形芯區(qū)和包裹著芯區(qū)的較低折射率的包層組成。在通常的制作過程中，首先在芯層下部形成足夠厚的下包層，然后沉積芯區(qū)薄膜，通過光刻刻蝕等工藝形成條形芯區(qū)，最后沉積足夠厚的上包層。 制作硅基光波導芯區(qū)和包層的方法主要有化學氣相沉積法(CVD)、火焰水解法、溶膠-凝膠法(Sol-gel)、高溫氧化。其中CVD法在制作過程中真空度較低、薄膜雜質含量較高，使得光波導的材料損耗難以進一步降低；當沉積速率過快時薄膜內部會出現(xiàn)柱狀結晶，導致波導的散射損耗增加；另外，CVD制備的薄膜存在應力，因此難以實現(xiàn)厚膜的沉積?；鹧嫠夥ㄖ贿m合于制備包層和芯層折射率差較小的波導。然而，隨著光電子器件集成度的逐步提高，要求光波導兼有較低的損耗和較小的彎曲半徑，從而要求光波導芯區(qū)和包層材料具有足夠大的折射率差，這是火焰水解法難以做到的。Sol-gel法通過水解和縮聚反應，實現(xiàn)凝膠化的薄膜，該方法中所產生的凝膠化薄膜存在大量的微孔，經(jīng)過高溫處理后收縮成微型的光學散射界面，使得制作的光波導具有較大的散射損耗。高溫氧化法包括水汽氧化、濕氧氧化及干氧氧化，是在硅襯底表面高溫條件下發(fā)生氧化而生成二氧化硅薄膜的一種方法。此方法成膜速率非常緩慢，難以制作微米量級以上的厚膜。綜上所述，在制作波導時為了減小泄漏損耗，需制備較厚的包層?，F(xiàn)有的制作工藝難以實現(xiàn)質量較好且較厚的包層，而且成膜速率較慢，成為限制硅基光波導發(fā)展的制作技術瓶頸。

發(fā)明內容
(一 )所要解決的技術問題本發(fā)明通過提供一種光波導及其制作方法，減小了泄漏損耗，加快了成膜速率，簡化了制作工藝。(二)技術方案本發(fā)明提供了一種光波導，包括芯層、下包層和上包層，芯層位于上包層和下包層之間，其特征在于下包層形狀為條形，采用氧化硅材料，芯層位于下包層的正上方。優(yōu)選的，所述下包層采用的氧化硅材料為硅材料表面氧化得到的氧化硅材料。
優(yōu)選的，所述芯層為氮化硅、氮化鋁或氮化鎵。優(yōu)選的，所述芯層采用氧化鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅或
氧化鈦。優(yōu)選的，所述上包層采用氧化硅材料，或氧化硅材料與氧化鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦中的任一種材料形成的混合氧化物。本發(fā)明還提供了一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在硅襯底上依序沉積氧化硅材料和芯層材料；S2、在芯層材料上進行光刻,形成條形化的光刻膠掩模；
S3、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模。S4、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的下包層；S5、制備上包層。本發(fā)明還提供了一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在娃襯底上沉積一層芯層材料；S2、在芯層材料上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩模；S3、對光刻膠掩模進行刻蝕得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模；S4、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的硅材料；S5、將條形化的硅材料表面氧化，得到下包層；S6、制備上包層。本發(fā)明一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在娃襯底上進行光刻,形成條形化的光刻膠掩模；S2、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的硅襯底，去除光刻膠掩模；S3、將條形化的硅材料表面氧化，以得到氧化硅下包層；S4、在條形化的氧化硅表面沉積芯層材料，通過控制工藝參數(shù)，使得芯層材料只沉積在下包層的正上方表面，而不沉積在下包層的側面，從而得到芯層；S5、制備上包層。優(yōu)選的，所述芯層材料和/或上包層材料采用化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或溶液法制備而成；優(yōu)選的，所述的化學氣相沉積法為等離子體增強化學氣相沉積或低氣壓化學氣相沉積。優(yōu)選的，所述物理氣相沉積法為磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)。優(yōu)選的，所述溶液法為溶液結晶法或溶膠凝膠法。(三)有益效果本發(fā)明提出的波導結構，兼有低損耗、成膜速率快、制備工藝簡單的優(yōu)點。與本發(fā)明相匹配的波導的制作方法，能夠以較快的成膜速率制備低損耗的包層，大大簡化了波導的制作工藝。


圖I為本發(fā)明光波導的結構示意圖；圖2為以氧化硅SiO2為包層，氮化硅Si3N4為芯層的光波導制作方法示意圖3為以SiO2為包層，氧化鋁Al2O3為芯層的光波導的制作方法示意圖；圖4為以SiO2為包層，氧化鉿HfO2為芯層的光波導的制作方法示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種光波導，如圖I所示，包括芯層(I)、下包層(2)和上包層(3)，芯層(I)位于上包層(I)和下包層(2)之間，所述下包層(2)形狀為條形，采用氧化硅材料，芯層(I)位于下包層的正上方。此波導結構損耗低，制備工藝簡單。所述下包層采用的氧化硅材料為硅材料表面氧化得到的氧化硅材料。所述芯層為氮化硅、氮化鋁或氮化鎵。
所述芯層采用氧化招、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅或氧化鈦。所述上包層采用氧化硅材料，或氧化硅材料與氧化鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦中的任一種材料形成的混合氧化物。本發(fā)明還提供了一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在硅襯底上依序沉積氧化硅材料和芯層材料；S2、在芯層材料上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩模；S3、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模。S4、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的下包層；S5、制備上包層。本發(fā)明還提供了一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在娃襯底上沉積一層芯層材料；S2、在芯層材料上進行光刻,形成條形化的光刻膠掩模；S3、對光刻膠掩模進行刻蝕得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模；S4、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的硅材料；S5、將條形化的硅材料表面氧化，得到下包層；S6、制備上包層。本發(fā)明一種光波導的制作方法，該方法包括SI、在娃襯底上進行光刻,形成條形化的光刻膠掩模；S2、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的硅襯底，去除光刻膠掩模；S3、將條形化的硅材料表面氧化，以得到氧化硅下包層；S4、在條形化的氧化硅表面沉積芯層材料，通過控制工藝參數(shù)，使得芯層只沉積在下包層的正上方表面，而不沉積在下包層的側面；S5、制備上包層。這三種方法的核心思想在于首先在硅襯底上制作圖形化掩膜，刻蝕后的圖形襯底再進行氧化，快速制備較厚的包層(2);然后通過調整工藝參數(shù)，只在圖形凸起區(qū)域制作波導芯區(qū)(I);最后沉積波導包層(3)，從而完成波導的制作。制備方法能夠以較快的成膜速率制備包層，大大簡化了波導的制作工藝。其中，所述芯層材料和/或包層材料采用化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或溶液法制備而成；
其中，所述的化學氣相沉積法為等離子體增強化學氣相沉積或低氣壓化學氣相沉積；所述物理氣相沉積法為磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)；所述溶液法為溶液結晶法或溶膠凝膠法。具體的，制備方法為本方法介紹以氧化硅SiO2為包層，氮化硅Si3N4為芯層的光波導，以圖2為例SI、首先，在硅襯底上沉積一層厚度約為5μπι的SiO2，再沉積厚度約為50nm的Si3N4薄膜，如圖中(a)所示；S2、在Si3N4薄膜上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩膜，并對光刻膠掩膜進行刻蝕，得到條形化的芯層(1)，如圖中(b)所示，去除光刻膠掩膜；S3、以條形化的芯層(I)為掩膜刻蝕，得到條形化的SiO2下包層(2)，如圖中(C)所示； S4、最后制備厚度約為5μπι的上包層(3)得到光波導，如圖中(d)所示。本方法介紹以SiO2為包層，氧化鋁Al2O3為芯層的光波導，以圖3為例SI、首先，在硅襯底上沉積一層厚度約為150nm的Al2O3，如圖中(a)所示；S2、在Al2O3上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩膜，并對光刻膠掩膜進行刻蝕，得到條形化的芯層(1)，如圖中(b)所示，去除光刻膠掩膜；S3、以條形化的芯層為掩膜刻蝕，得到圖形化的硅材料，如圖中(C)所示；S4、將條形化的硅材料表面氧化，形成厚度約為8μπι的SiO2下包層(2)，如圖中(d)所示；S5、最后制備厚度約為6μπι的上包層(3)，得到光波導，如圖3中(e)。本方法介紹以SiO2為包層，氧化鉿HfO2為芯層的光波導，以圖4為例SI、首先，在硅襯底上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩膜(31)，如圖中(a)所示；S2、對光刻膠掩膜進行刻蝕，得到條形化的硅襯底，如圖中(b)所示，去除光刻膠掩膜；S3、將條形化的硅材料表面氧化得到厚度約為6 μ m的SiO2下包層(2)，如圖中(C)所示；S4、在條形化的氧化硅表面沉積厚度約為80nm的HfO2，如圖中(d)所示，通過控制工藝參數(shù)，使得芯層材料只沉積在下包層2的正上方，而不沉積在下包層2的側面，從而得到芯層⑴；S5、最后制備厚度約為6μπι的SiO2上包層(3)，如圖中(e)所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種光波導，包括芯層、下包層和上包層，芯層位于上包層和下包層之間，其特征在于下包層形狀為條形，采用氧化硅材料，芯層位于下包層的正上方。
2.如權利要求I所述光波導，其特征在于，所述下包層采用的氧化硅材料為硅材料表面氧化得到的氧化硅。
3.如權利要求I或2所述光波導，其特征在于，所述芯層為氮化硅、氮化鋁或氮化鎵。
4.如權利要求I或2所述光波導，其特征在于，所述芯層采用氧化鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅或氧化鈦。
5.如權利要求I 4中任意一項所述光波導，其特征在于，所述上包層采用氧化硅材料，或氧化硅材料與氧化鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鉿、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦中的任一種材料形成的混合氧化物。
6.一種光波導的制作方法，其特征在于，該方法包括 51、在硅襯底上依序沉積氧化硅材料和芯層材料； 52、在芯層材料上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩模； 53、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模。
54、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的下包層； 55、制備上包層。
7.一種光波導的制作方法，其特征在于，該方法包括 51、在娃襯底上沉積一層芯層材料； 52、在芯層材料上進行光刻，形成條形化的光刻膠掩模； 53、對光刻膠掩模進行刻蝕得到條形化的芯層，去除光刻膠掩模； 54、以條形化的芯層為掩膜進行刻蝕，得到條形化的硅材料； 55、將條形化的硅材料表面氧化，得到下包層； 56、制備上包層。
8.一種光波導的制作方法，其特征在于，該方法包括 51、在娃襯底上進行光刻,形成條形化的光刻膠掩模； 52、對光刻膠掩模進行刻蝕，得到條形化的硅襯底，去除光刻膠掩模； 53、將條形化的硅材料表面氧化，得到氧化硅下包層； 54、在條形化的氧化硅表面沉積芯層材料，通過控制工藝參數(shù)，使得芯層材料只沉積在下包層的正上方表面，而不沉積在下包層的側面，得到芯層； 55、制備上包層。
9.如權利要求6 8所述任一方法，其特征在于，所述芯層材料和/或上包層材料采用化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或溶液法制備而成。
10.如權利要求9所述方法，其特征在于，所述的化學氣相沉積法為等離子體增強化學氣相沉積或低氣壓化學氣相沉積。
11.如權利要求9所述方法，其特征在于，所述物理氣相沉積法為磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)。
12.如權利要求9所述方法，其特征在于，所述溶液法為溶液結晶法或溶膠凝膠法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光波導，包括芯層、下包層和上包層，芯層位于上包層和下包層之間，下包層形狀為條形，采用氧化硅材料，芯層位于下包層的正上方；發(fā)明提出了三種光波導的制作方法，其核心思想在于首先在硅襯底上制作圖形化掩膜，刻蝕后的圖形襯底再進行氧化，快速制備較厚的下包層；然后通過調整工藝參數(shù)，只在圖形凸起區(qū)域制作波導芯區(qū)；最后沉積波導上包層，從而完成波導的制作。本發(fā)明提出的波導結構，兼有低損耗、成膜速率快、制備工藝簡單的優(yōu)點。與本發(fā)明相匹配的光波導的制作方法，能夠以較快的成膜速率制備包層，大大簡化了光波導的制作工藝。
文檔編號G02B6/122GK102944911SQ201210477659
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權日2012年11月21日
發(fā)明者羅毅, 王健, 孫長征, 熊兵 申請人:清華大學