CN102944911B - 一种光波导及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光波导，包括芯层、下包层和上包层，芯层位于上包层和下包层之间，下包层形状为条形，采用氧化硅材料，芯层位于下包层的正上方；发明提出了三种光波导的制作方法，其核心思想在于首先在硅衬底上制作图形化掩膜，刻蚀后的图形衬底再进行氧化，快速制备较厚的下包层；然后通过调整工艺参数，只在图形凸起区域制作波导芯区；最后沉积波导上包层，从而完成波导的制作。本发明提出的波导结构，兼有低损耗、成膜速率快、制备工艺简单的优点。与本发明相匹配的光波导的制作方法，能够以较快的成膜速率制备包层，大大简化了光波导的制作工艺。

Description

一种光波导及其制作方法

技术领域

本发明涉及光子集成器件技术领域，特别涉及一种光波导及其制作方法。

背景技术

作为光子集成器件的基本单元，光波导广泛应用于光通信、光传感、光存储等领域。硅基波导具有化学稳定性好、机械强度高、与集成电路工艺兼容、便于集成等优点，成为光波导的重要研究方向。

光波导由高折射率的芯区和低折射率的包层组成。硅基光波导普遍采用条形波导的结构，由较高折射率的条形芯区和包裹着芯区的较低折射率的包层组成。在通常的制作过程中，首先在芯层下部形成足够厚的下包层，然后沉积芯区薄膜，通过光刻刻蚀等工艺形成条形芯区，最后沉积足够厚的上包层。

制作硅基光波导芯区和包层的方法主要有化学气相沉积法(CVD)、火焰水解法、溶胶-凝胶法(So1-ge1)、高温氧化。其中CVD法在制作过程中真空度较低、薄膜杂质含量较高，使得光波导的材料损耗难以进一步降低；当沉积速率过快时薄膜内部会出现柱状结晶，导致波导的散射损耗增加；另外，CVD制备的薄膜存在应力，因此难以实现厚膜的沉积。

火焰水解法只适合于制备包层和芯层折射率差较小的波导。然而，随着光电子器件集成度的逐步提高，要求光波导兼有较低的损耗和较小的弯曲半径，从而要求光波导芯区和包层材料具有足够大的折射率差，这是火焰水解法难以做到的。

So1-ge1法通过水解和缩聚反应，实现凝胶化的薄膜，该方法中所产生的凝胶化薄膜存在大量的微孔，经过高温处理后收缩成微型的光学散射界面，使得制作的光波导具有较大的散射损耗。

高温氧化法包括水汽氧化、湿氧氧化及干氧氧化，是在硅衬底表面高温条件下发生氧化而生成二氧化硅薄膜的一种方法。此方法成膜速率非常缓慢，难以制作微米量级以上的厚膜。

综上所述，在制作波导时为了减小泄漏损耗，需制备较厚的包层。现有的制作工艺难以实现质量较好且较厚的包层，而且成膜速率较慢，成为限制硅基光波导发展的制作技术瓶颈。

发明内容

(一)所要解决的技术问题

本发明通过提供一种光波导及其制作方法，减小了泄漏损耗，加快了成膜速率，简化了制作工艺。

(二)技术方案

本发明提供了一种光波导，包括芯层、下包层和上包层，芯层位于上包层和下包层之间，其特征在于：下包层形状为条形，采用氧化硅材料，芯层位于下包层的正上方。

优选的，所述下包层采用的氧化硅材料为硅材料表面氧化得到的氧化硅材料。

优选的，所述芯层为氮化硅、氮化铝或氮化镓。

优选的，所述芯层采用氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化铪、氧化镁、氧化钽、氧化锌或氧化钛。

优选的，所述上包层采用氧化硅材料，或氧化硅材料与氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化铪、氧化镁、氧化钽、氧化锌、氧化钛中的任一种材料形成的混合氧化物。

本发明还提供了一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上依序沉积氧化硅材料和芯层材料；

S2、在芯层材料上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S3、对光刻胶掩模进行刻蚀，得到条形化的芯层，去除光刻胶掩模。

S4、以条形化的芯层为掩膜进行刻蚀，得到条形化的下包层；

S5、制备上包层。

本发明还提供了一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上沉积一层芯层材料；

S2、在芯层材料上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S3、对光刻胶掩模进行刻蚀得到条形化的芯层，去除光刻胶掩模；

S4、以条形化的芯层为掩膜进行刻蚀，得到条形化的硅材料；

S5、将条形化的硅材料表面氧化，得到下包层；

S6、制备上包层。

本发明一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S2、对光刻胶掩模进行刻蚀，得到条形化的硅衬底，去除光刻胶掩模；

S3、将条形化的硅材料表面氧化，以得到氧化硅下包层；

S4、在条形化的氧化硅表面沉积芯层材料，通过控制工艺参数，使得芯层材料只沉积在下包层的正上方表面，而不沉积在下包层的侧面，从而得到芯层；

S5、制备上包层。

优选的，所述芯层材料和/或上包层材料采用化学气相沉积法、物理气相沉积法或溶液法制备而成；

优选的，所述的化学气相沉积法为等离子体增强化学气相沉积或低气压化学气相沉积。

优选的，所述物理气相沉积法为磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发。

优选的，所述溶液法为溶液结晶法或溶胶凝胶法。

(三)有益效果

本发明提出的波导结构，兼有低损耗、成膜速率快、制备工艺简单的优点。与本发明相匹配的波导的制作方法，能够以较快的成膜速率制备低损耗的包层，大大简化了波导的制作工艺。

附图说明

图1为本发明光波导的结构示意图；

图2为以氧化硅SiO₂为包层，氮化硅Si₃N₄为芯层的光波导制作方法示意图；

图3为以SiO₂为包层，氧化铝Al₂O₃为芯层的光波导的制作方法示意图；

图4为以SiO₂为包层，氧化铪HfO₂为芯层的光波导的制作方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种光波导，如图1所示，包括芯层(1)、下包层(2)和上包层(3)，芯层(1)位于上包层(1)和下包层(2)之间，所述下包层(2)形状为条形，采用氧化硅材料，芯层(1)位于下包层的正上方。此波导结构损耗低，制备工艺简单。

所述下包层采用的氧化硅材料为硅材料表面氧化得到的氧化硅材料。

所述芯层为氮化硅、氮化铝或氮化镓。

所述芯层采用氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化铪、氧化镁、氧化钽、氧化锌或氧化钛。

所述上包层采用氧化硅材料，或氧化硅材料与氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化铪、氧化镁、氧化钽、氧化锌、氧化钛中的任一种材料形成的混合氧化物。

本发明还提供了一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上依序沉积氧化硅材料和芯层材料；

S2、在芯层材料上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S3、对光刻胶掩模进行刻蚀，得到条形化的芯层，去除光刻胶掩模。

S4、以条形化的芯层为掩膜进行刻蚀，得到条形化的下包层；

S5、制备上包层。

本发明还提供了一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上沉积一层芯层材料；

S2、在芯层材料上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S3、对光刻胶掩模进行刻蚀得到条形化的芯层，去除光刻胶掩模；

S4、以条形化的芯层为掩膜进行刻蚀，得到条形化的硅材料；

S5、将条形化的硅材料表面氧化，得到下包层；

S6、制备上包层。

本发明一种光波导的制作方法，该方法包括：

S1、在硅衬底上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S2、对光刻胶掩模进行刻蚀，得到条形化的硅衬底，去除光刻胶掩模；

S3、将条形化的硅材料表面氧化，以得到氧化硅下包层；

S4、在条形化的氧化硅表面沉积芯层材料，通过控制工艺参数，使得芯层只沉积在下包层的正上方表面，而不沉积在下包层的侧面；

S5、制备上包层。

这三种方法的核心思想在于首先在硅衬底上制作图形化掩膜，刻蚀后的图形衬底再进行氧化，快速制备较厚的包层(2)；然后通过调整工艺参数，只在图形凸起区域制作波导芯区(1)；最后沉积波导包层(3)，从而完成波导的制作。制备方法能够以较快的成膜速率制备包层，大大简化了波导的制作工艺。

其中，所述芯层材料和/或包层材料采用化学气相沉积法、物理气相沉积法或溶液法制备而成；

其中，所述的化学气相沉积法为等离子体增强化学气相沉积或低气压化学气相沉积；所述物理气相沉积法为磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发；所述溶液法为溶液结晶法或溶胶凝胶法。

具体的，制备方法为：

本方法介绍以氧化硅SiO₂为包层，氮化硅Si₃N₄为芯层的光波导，以图2为例：

S1、首先，在硅衬底上沉积一层厚度约为5μm的SiO₂，再沉积厚度约为50nm的Si₃N₄薄膜，如图中(a)所示；

S2、在Si₃N₄薄膜上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩膜，并对光刻胶掩膜进行刻蚀，得到条形化的芯层(1)，如图中(b)所示，去除光刻胶掩膜；

S3、以条形化的芯层(1)为掩膜刻蚀，得到条形化的SiO₂下包层(2)，如图中(c)所示；

S4、最后制备厚度约为5μm的上包层(3)得到光波导，如图中(d)所示。

本方法介绍以SiO₂为包层，氧化铝Al₂O₃为芯层的光波导，以图3为例：

S1、首先，在硅衬底上沉积一层厚度约为150nm的Al₂O₃，如图中(a)所示；

S2、在Al₂O₃上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩膜，并对光刻胶掩膜进行刻蚀，得到条形化的芯层(1)，如图中(b)所示，去除光刻胶掩膜；

S3、以条形化的芯层为掩膜刻蚀，得到图形化的硅材料，如图中(c)所示；

S4、将条形化的硅材料表面氧化，形成厚度约为8μm的SiO₂下包层(2)，如图中(d)所示；

S5、最后制备厚度约为6μm的上包层(3)，得到光波导，如图3中(e)。

本方法介绍以SiO₂为包层，氧化铪HfO₂为芯层的光波导，以图4为例：

S1、首先，在硅衬底上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩膜(31)，如图中(a)所示；

S2、对光刻胶掩膜进行刻蚀，得到条形化的硅衬底，如图中(b)所示，去除光刻胶掩膜；

S3、将条形化的硅材料表面氧化得到厚度约为6μm的SiO₂下包层(2)，如图中(c)所示；

S4、在条形化的氧化硅表面沉积厚度约为80nm的HfO₂，如图中(d)所示，通过控制工艺参数，使得芯层材料只沉积在下包层2的正上方，而不沉积在下包层2的侧面，从而得到芯层(1)；

S5、最后制备厚度约为6μm的SiO₂上包层(3)，如图中(e)所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光波导的制作方法，其特征在于，该方法包括：

S1、在硅衬底上沉积一层芯层材料；

S2、在芯层材料上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S3、对光刻胶掩模进行刻蚀得到条形化的芯层，去除光刻胶掩模；

S4、以条形化的芯层为掩膜进行刻蚀，得到条形化的硅材料；

S5、将条形化的硅材料表面氧化，得到下包层；

S6、制备上包层。

2.一种光波导的制作方法，其特征在于，该方法包括：

S1、在硅衬底上进行光刻，形成条形化的光刻胶掩模；

S2、对光刻胶掩模进行刻蚀，得到条形化的硅衬底，去除光刻胶掩模；

S3、将条形化的硅材料表面氧化，得到氧化硅下包层；

S4、在条形化的氧化硅表面沉积芯层材料，通过控制工艺参数，使得芯层材料只沉积在下包层的正上方表面，而不沉积在下包层的侧面，得到芯层；

S5、制备上包层。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述芯层材料和/或上包层材料采用化学气相沉积法、物理气相沉积法或溶液法制备而成。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述的化学气相沉积法为等离子体增强化学气相沉积或低气压化学气相沉积。

5.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述物理气相沉积法为磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发。

6.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述溶液法为溶液结晶法或溶胶凝胶法。