專利名稱：光波導耦合結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體制作領域，更涉及一種光波導耦合結構的制作方法。
背景技術：
光波導(optical waveguide)是由光透明介質(如石英玻璃)構成的傳輸光頻電磁波的導行結構。光波導的傳輸原理是在不同折射率的介質分界面上，電磁波的全反射現象使光波局限在波導及其周圍有限區域內傳播。在用于通信波段的眾多光波導材料中，絕緣體上硅材料由于其強大的光限制能力，易于制作亞微米級的低損耗光波導，同時制備工藝與微電子集成電路的制作工藝兼容，大大的減少了制備光電芯片的成本，使之成為實現高密度光電集成芯片的最具競爭力的材料之一。現有應用絕緣體上硅材料制作光波導的步驟包括提供絕緣體上硅襯底(SOI)，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；刻蝕所述單晶硅層露出氧化掩埋層表面，形成光波導的單晶硅內芯；形成覆蓋所述內芯和氧化掩膜層表面的介質層，所述介質層和氧化掩埋層構成光波導的包層。由于單晶硅層的折射率大于介質層和氧化掩埋層的折射率，因此光被限制在單晶硅內芯中傳輸。光發射器發出的光經過光波導被光接收器接收，完成光的整個傳輸過程。然而隨著器件的特征尺寸不斷減小，芯片的集成度不斷提高，現有平面光波導集成技術中，在絕緣體上硅襯底上形成的光波導的密度不斷增加以及曲線光波導的應用，光波導的傳輸性能受到極大影響。更多關于光波導的制作方法請參考公開號為US2002/0001446A1的美國專利。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種光波導耦合結構的制作方法，改善了光波導的布局，減小光波導的密度，提高光波導的傳輸性能。為解決上述問題，本發明提供一種光波導耦合結構的制作方法，包括步驟提供絕緣體上硅襯底，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；刻蝕所述單晶硅層露出所述氧化掩埋層表面，形成至少一個下層光波導；刻蝕所述下層光波導，在所述下層光波導的其中一個端部形成交替排列的溝槽和凸起，所述溝槽和凸起構成下層周期光柵；形成覆蓋所述下層光波導和下層周期光柵的第一介質層；在第一介質層上形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部，所述下層周期光柵和下層周期光柵構成光波導的耦合結構。可選的，所述一個溝槽和相鄰的一個凸起構成下層周期光柵的一個周期，周期數量為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700納米。可選的，所述下層周期光柵溝槽的刻蝕深度為20 300納米。可選的，所述第一介質層的材料為二氧化硅。可選的，所述第一介質層的厚度小于300納米。可選的，所述上層光波導和上層周期光柵的形成方法為刻蝕所述第一介質層，在所述第一介質層表面形成交替排列的第一介質層凸起和第一介質層溝槽，所述第一介質層凸起和第一介質層溝槽與下層周期光柵位置對應；形成覆蓋所述第一介質層，第一介質層凸起和第一介質層溝槽的波導薄膜層；刻蝕所述波導薄膜層，形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部。可選的，所述上層光波導的周期數量為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700納米。可選的，所述波導薄膜層的材料為單晶硅、多晶硅、或氮化硅。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點形成下層光波導和上層光波導兩層光波導層，通過下層周期光柵和上層周期光柵構成的光波導耦合結構，下層光波導中傳輸的光經過雙層周期光柵的耦合傳輸到上層光波導中，與現有的平面光波導集成技術中光在平面光波導中傳輸相比，通過雙層周期光柵的耦合，第一介質層上的形成的上層光波導替代現有平面絕緣體上硅襯底上形成的部分光波導，減小了絕緣體上硅襯底上形成的光波導的密度，改善了光波導的布局，提高光波導的傳輸性能。


圖1為本發明實施例光波導耦合結構的制作方法的流程示意圖；圖2為本發明實施例在絕緣體硅襯底上形成有光波導的立體結構示意圖；圖3是圖2沿切割線a_b方向的剖面結構示意圖；圖4 圖7為本發明實施例光波導耦合結構的制作過程的剖面結構示意圖。
具體實施例方式發明人在制作光波導的過程中發現，隨著器件的特征尺寸不斷減小，芯片的集成度不斷提高，在現有平面光波導集成技術中，為了提高絕緣體上硅襯底單位面積的利用率，絕緣體上硅襯底上形成的光波導的密度不斷增加，使得光波導之間的介質層變得越來越薄，甚至產生緊緊相鄰的情況，導致光波導之間易產生光線干擾，影響器件穩定性。另外，曲線光波導應用在平面集成光波導技術中，曲線光波導容易引起光的傳輸損耗，影響光的傳輸性能。為此，發明人提出了一種光波導耦合結構的制作方法，包括步驟提供絕緣體上硅襯底，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；刻蝕所述單晶硅層至露出所述氧化掩埋層表面，形成至少一個下層光波導；刻蝕所述下層光波導，在所述下層光波導的其中一個端部形成交替排列的溝槽和凸起，所述溝槽和凸起構成下層周期光柵；形成覆蓋所述下層光波導和下層周期光柵的第一介質層；在第一介質層上形成上層光
4波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部，所述下層周期光柵和下層周期光柵構成光波導的耦合結構。與現有的平面光波導集成技術中光在平面光波導中傳輸相比，本發明光波導耦合結構的制作方法改善了光波導的布局，提高光波導的傳輸性能。為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。參考圖1，為本發明實施例光波導耦合結構的制作方法的流程示意圖，包括步驟S201，提供絕緣體上硅襯底，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；步驟S202，刻蝕所述單晶硅層露出所述氧化掩埋層表面，形成下層光波導；步驟S203，刻蝕所述下層光波導，在所述下層光波導的一端形成交替排列的溝槽和凸起，所述溝槽和凸起構成下層周期光柵；步驟S204，形成覆蓋所述下層光波導和下層周期光柵的第一介質層；步驟S205，刻蝕所述第一介質層，在所述第一介質層表面形成交替排列的第一介質層凸起和第一介質層溝槽，所述第一介質層凸起和第一介質層溝槽與下層周期光柵位置對應；步驟S206，形成覆蓋所述第一介質層，第一介質層凸起和第一介質層溝槽的波導
薄膜層；步驟S207，刻蝕所述波導薄膜層，形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部，所述上層周期光柵和下層周期光柵構成光波導的耦合結構。圖2為本發明實施例在絕緣體硅襯底上形成有光波導的立體結構示意圖；圖3是圖2沿切割線a_b方向的剖面結構示意圖；圖4 圖7為本發明實施例光波導耦合結構的制作過程的剖面結構示意圖。參考圖2和圖3，提供絕緣體上硅襯底(SOI)，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層300、氧化掩埋層301和單晶硅層(圖中為示出)；刻蝕所述單晶硅層至露出氧化掩埋層301表面，形成至少一個下層光波導302。所述氧化掩埋層301的材料為二氧化硅(Si02)；所述氧化掩埋層301厚度為大于1微米；所述刻蝕后的單晶硅層作為下層光波導302的內芯，所述氧化掩埋層301作為下層光波導302的包層，氧化掩埋層301對光的折射率小于單晶硅層對光的折射率，因此能將光限制在單晶硅層形成的光波導中傳輸。所述下層光波導302的具體形成方法為采用旋轉涂布工藝在所述絕緣體上硅的單晶硅層上形成一層光刻膠層；采用曝光和顯影工藝形成圖形化的光刻膠層；以所述圖形化的光刻膠層為掩膜，采用等離子體刻蝕工藝刻蝕所述單晶硅層至露出氧化掩埋層301表面，形成下層光波導302 ；去除所述圖形化的光刻膠層。在本發明的其他實施例中所述光波導之間還形成有隔離結構用于光波導之間的隔1 °
參考圖4，刻蝕所述下層光波導302，在所述下層光波導302上的一個端部形成交替排列的溝槽304和凸起303，所述溝槽304和凸起303構成下層周期光柵305，一個溝槽和相鄰的一個凸起構成下層周期光柵305的一個周期。本實施例中以在下層光波導302的右端形成下層周期光柵305為例，在本發明的其他實施例中下層周期光柵305形成在下層光波導302的左端。所述溝槽304的刻蝕深度小于或等于所述下層光波導302的厚度，溝槽304的刻蝕的深度20 300納米，若溝槽304刻蝕深度太大，如刻穿所述下層光波導302，將加大光在下層光波導302與氧化掩埋層301界面的反射，加大了光的損耗；若溝槽304刻蝕深度太小，光在下層周期光柵305處的衍射強度變小，影響光的傳輸性能。所述下層周期光柵305的周期數為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700納米，所述占空比為下層周期光柵305的一個周期中凸起303的寬度與單個周期長度的比例。光經過下層周期光柵305衍射后，衍射光與下層光波導302法線方向的夾角的正弦值與下層周期光柵305的周期數有關，下層周期光柵305的周期數的太大或太小均會影響夾角的大小，本實施例中下層周期光柵305的周期數為20 50使得衍射光以平行于下層光波導302法線方向或者與下層光波導302法線方向的小夾角方向經后續形成的第一介質層傳輸到上層周期光柵中，減小了衍射光傳輸距離，進而減小了衍射光的傳輸損耗。本發明實施例提供下層周期光柵305由于占空比為0.5 0.9，常被稱為大占空比光柵，下層周期光柵305的溝槽形成窄縫結構，光場在此處發生交疊，從而集中了衍射的光場能量，有利于光的向上耦合。參考圖5，形成覆蓋所述下層光波導302和下層周期光柵305的第一介質層306。所述第一介質層306可經由化學氣相沉積(CVD)、高密度化學氣相沉積(HPCVD)、旋轉式玻璃法(SOG)、物理氣相沉積(PVD)或者其他合適的方法形成。所述第一介質層306的材料為二氧化硅(Si02)。所述第一介質層306的厚度小于300納米，第一介質層306如果太厚加大了下層周期光柵305耦合光向上傳輸的損耗。所述第一介質層306的折射率小于下層光波導302對光的折射率，第一介質層306和氧化掩埋層301共同構成下層光波導302的包層，減小了光在下層光波導302傳輸時的損耗。參考圖6，刻蝕所述第一介質層306，在所述第一介質層306表面形成交替排列第一介質層凸起307和第一介質層溝槽308，所述第一介質層溝槽308和第一介質層凸起307與下層周期光柵305的位置對應。所述第一介質層溝槽308的刻蝕深度小于第一介質層306的厚度，避免與下層周期光柵305的表面接觸，以免影響下層周期光柵305對光的衍射和干擾衍射光的傳輸。參考圖7，形成覆蓋所述第一介質層306、第一介質層凸起307和第一介質層溝槽308的波導薄膜層；刻蝕所述波導薄膜層，形成上層光波導309和上層周期光柵310，所述上層周期光柵310與下層周期光柵305位置對應，所述上層周期光柵310位于上層光波導309的一個端部，所述上層周期光柵310和下層周期光柵305構成光波導的耦合結構。所述波導薄膜層可經由化學氣相沉積(CVD)、高密度化學氣相沉積(HPCVD)、旋轉式玻璃法(SOG)、物理氣相沉積(PVD)或者其他合適的方法形成。在本發明的其他實施例中，所述上層光波導309位于上層周期光柵310的右邊，上層周期光柵310與下層周期光柵305的位置對應。所述波導薄膜層材料為單晶硅、多晶硅或氮化硅，本實施中所述波導薄膜層的材料為單晶硅。所述上層周期光柵310由第一介質層凸起307和填充滿波導薄膜層的溝槽308a構成。所述一個第一介質層凸起307和相鄰的一個填充滿波導薄膜層的溝槽308a構成上層周期光柵310的一個周期。所述上層周期光柵310周期數為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700，所述占空比為上層周期光柵310的一個周期中填充滿波導薄膜層的溝槽308a的寬度與單個周期長度的比例。上層周期光柵310利用光傳輸的可逆性，將下層周期光柵305的衍射光耦合到上層光波導309中。本實施例所述上層光波導309的材料為單晶硅與下層光波導302的材料相同，為了使光從上層周期光柵310更好的耦合到上層光波導309中，所述上層周期光柵310周期數和占空比與下層周期光柵305周期數和占空比相同。在本發明的其他實施例中，所述上層周期光柵310周期數和占空比與下層周期光柵305周期數和占空比不相同。本實施中上層光波導309的另外一端(與上層周期光柵310相反的一段)還形成有周期光柵(圖中未示出)，使得上層光波導309的光向上或向下耦合。本發明實施例中光在波導中的傳輸過程為光發射器(圖中為示出)提供輸入光，輸入光經過下層光波導302進入下層周期光柵305，經過下層周期光柵305的衍射，輸入光向上衍射進入上層周期光柵310 ；上層周期光柵310將接收的衍射光耦合到上層光波導309中，光接收器(圖中為示出)接收從上層光波導309輸出的光，實現入射光從下層光波導302到上層光波導309的傳輸。光發射器和光接收器與光波導的耦合方式為現有技術，在此不再贅述。本實施例中形成上層光波導309替代現有平面光波導技術在絕緣體上硅襯底上形成的部分光波導，比如曲線光波導，或者將現有技術形成的光波導在長度上分成兩部分，在采用本發明提供的光波導耦合結構的制作方法在形成光波導時，一部分光波導形成在絕緣體上硅襯底300上作為下層光波導，另一部分形成在第一介質層306作為上層光波導，上層光波導和下層光波導之間通過下層周期光柵和上層周期光柵耦合，減小了現有平面光波導技術在絕緣體上硅形成的光波導的數量，減小了光波導的密度，改善了光波導的布局，提高光波導的傳輸性能。綜上，本發明實施例通過形成下層光波導和上層光波導兩層光波導層，通過下層周期光柵和上層周期光柵構成的光波導耦合結構，下層光波導中傳輸的光經過雙層周期光柵的耦合傳輸到上層光波導中，與現有的平面光波導集成技術中光在平面光波導中傳輸相比，通過雙層周期光柵的耦合，第一介質層上的形成的上層光波導替代現有絕緣體上硅襯底上形成的部分光波導，減小了絕緣體上硅襯底上形成的光波導的密度，改善了光波導的布局，提高光波導的傳輸性能。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，包括步驟提供絕緣體上硅襯底，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶娃層；刻蝕所述單晶硅層露出所述氧化掩埋層表面，形成至少一個下層光波導；刻蝕所述下層光波導，在所述下層光波導的其中一個端部形成交替排列的溝槽和凸起，所述溝槽和凸起構成下層周期光柵；形成覆蓋所述下層光波導和下層周期光柵的第一介質層；在第一介質層上形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部，所述下層周期光柵和下層周期光柵構成光波導的耦合結構。
2.如權利要求1所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述一個溝槽和相鄰的一個凸起構成下層周期光柵的一個周期，周期數量為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700納米。
3.如權利要求1所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述下層周期光柵溝槽的刻蝕深度為20 300納米。
4.如權利要求1所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述第一介質層的材料為二氧化硅。
5.如權利要求1所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述第一介質層的厚度小于300納米。
6.如權利要求1所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述上層光波導和上層周期光柵的形成方法為刻蝕所述第一介質層，在所述第一介質層表面形成交替排列的第一介質層凸起和第一介質層溝槽，所述第一介質層凸起和第一介質層溝槽與下層周期光柵位置對應；形成覆蓋所述第一介質層，第一介質層凸起和第一介質層溝槽的波導薄膜層；刻蝕所述波導薄膜層，形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部。
7.如權利要求6所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述上層光波導的周期數量為20 50，占空比為0. 5 0. 9，單個周期的長度為500 700納米。
8.如權利要求6所述的光波導耦合結構的制作方法，其特征在于，所述波導薄膜層的材料為單晶硅、多晶硅、或氮化硅。
全文摘要
一種光波導耦合結構的制作方法，包括步驟提供絕緣體上硅襯底，所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；刻蝕所述單晶硅層至露出所述氧化掩埋層表面，形成至少一個下層光波導；刻蝕所述下層光波導，在所述下層光波導的其中一個端部形成交替排列的溝槽和凸起，所述溝槽和凸起構成下層周期光柵；形成覆蓋所述下層光波導和下層周期光柵的第一介質層；在第一介質層上形成上層光波導和上層周期光柵，所述上層周期光柵與下層周期光柵位置對應，所述上層周期光柵位于上層光波導的一個端部。本發明的方法改善了光波導的布局，提高光波導的傳輸性能。
文檔編號G02B6/122GK102385109SQ20111033526
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者仇超 申請人:上海宏力半導體制造有限公司