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CN114153030A - 多层介质光波导结构及其制造方法 - Google Patents

多层介质光波导结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层介质光波导结构及其制造方法，该方法采用在硅衬底上通过控制SiOxN中O原子的比例以形成不同应力和折射率的光学薄膜，然后交替形成多层低残余应力的光学薄膜，再通过等离子体刻蚀技术在其上刻蚀出光波导，然后基于化学气相沉积技术沉积低折射率光学薄膜作为上包层，进而得到多层介质光波导结构。本发明具有工艺简单，无需高温退火的优点，且多层介质薄膜折射率可调范围大，介于二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4之间，可灵活设计光波导的折射率，以实现与Ⅲ‑Ⅴ族激光器、光调制器、光探测器等器件的混合/异构集成，且传输损耗低，与激光器、标准单模光纤的耦合效率高、损耗小，便于与其他光子芯片集成。

Description

多层介质光波导结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种多层介质光波导结构及其制造方法。
背景技术
光波导是光波传输的媒介，是光子芯片的基本组成部分，是构成光纤通信与光纤传感系统的基础。从1969年集成光学(现在一般称为集成光子)概念的提出，到现在发展已有50余年，材料体系发展多样，包括二氧化硅SiO2、硅Si、磷化铟InP、砷化镓GaAs、铌酸锂LiNbO3、氮化硅Si3N4、聚合物等，以上材料有其自身的优势但又有各自的缺点，不同于微电子领域，硅材料可以解决绝大部分微电子集成的问题。在集成光子领域，以上材料均有应用，二氧化硅SiO2光波导有极低的光传输损耗，是制造光无源芯片的最好材料；Ⅲ-Ⅴ族材料磷化铟InP和砷化镓GaAs是直接带隙材料，是制造半导体激光器和光探测器的最好材料，铌酸锂LiNbO3有很强的电光效应，是制造光调制器的最好材料。
集成光子原则上是要求在同一衬底材料上能制造各种光功能结构，包括激光器、光探测器、光调制器、光放大器、光分束器、光波分复用/解复用器、光开关等，以实现光信号的处理与传输。随着5G、高性能计算、VR等技术的快速发展，对光纤通信器件的要求越来越高，器件集成度要求也越来越高。基于单一材料来解决光子集成，至少在目前来看，是非常困难的，借鉴微电子的混合/异构集成技术则可解决该问题。采用不同材料制造的激光器、光探测器、光调制器等光处理芯片通过倒装键合、引线键合等互连技术与光介质板(Optical Interposer)封装在一起，以实现复杂的光学功能。目前可用于光介质板的材料有硅Si、二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4。硅Si虽然是间接带隙材料，通过同族材料的外延和掺杂可实现光的探测和调制等，但受限于单模条件，对光的偏振很敏感；另外硅光波导与标准单模光纤的耦合效率不高。氮化硅Si3N4折射率也较大，虽然传输损耗相对较低，但与标准单模光纤的耦合效率不高。二氧化硅SiO2尽管传输损耗很小，与标准单模光纤的耦合效率很高，但是二氧化硅SiO2光波导在制造过程中需要超过1000℃的高温退火，对其他器件的集成封装会有很大的影响。
氮氧化硅SiOxN是介于二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4之间的一种光波导介质，通过调控氧原子的比例可实现折射率介于二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4之间，即从1.4570～2.0395@632.8nm连续可调。氮氧化硅SiOxN的典型制造方法是化学气相沉积，通过调控硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3工艺气体的比例、工艺气体流量、射频RF功率等参数以调控氮氧化硅SiOxN的折射率和薄膜应力。氮氧化硅SiOxN薄膜沉积时可能会形成NH键，对1550nm附近的光产生吸收，增加光传输损耗，可在氮气N2氛围下超过1000℃的高温退火下消除。
如中国专利申请号为ZL201010280849.0公开了一种多层介质波导调制器设计，其在传统的聚合物调制器电极6上方添加介质层以形成多层介质波导，达到微波有效折射率与光波有效折射率相同，进而实现两者光与微波速率匹配。然而，该多层介质波导只能用于实现光与微波的传输匹配，而不是用来形成光波导实现光的传输。
又如中国专利申请号为ZL201080069982X提出了一种光波导结构、以及用于形成光波导的方法和系统，光波导的材料为氮氧化硅。该专利提出的是固定折射率和厚度的氮氧化硅光波导，没有对氮氧化硅的折射率和应力去调整以实现多层。
又如中国专利申请号为ZL202010082325.4提出了一种在硅上方制造氮化硅，将进行通过光波导的光信号限制在硅部分中。该专利尽管也是多层介质波导，不过只有一层氮化硅，主要是用于多模与单模的模式变换，实现与标准单模光纤的高效耦合。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层介质光波导结构及其制造方法，解决现有技术存在的上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多层介质光波导结构的制造方法，包括如下步骤：S1、制造多层介质板，S2、根据设计的光波导版图转移至所述多层介质板上，S3、利用半导体工艺刻蚀出光波导结构，S4、沉积上包层，以形成多层介质光波导结构。
其中在步骤S1中，所述多层介质板由衬底、下包层、多层介质薄膜构成；首先以硅或二氧化硅晶圆作为衬底，通过化学气相沉积法，在硅或二氧化硅晶圆衬底上沉积低折射率的SiOxN，作为下包层；接着，在所述下包层上制备高折射率、正应力薄膜Ⅰ，该薄膜Ⅰ应力不超过20MPa，折射率高于下包层的折射率，厚度不超过0.1μm，再在薄膜Ⅰ上制备高折射率、负应力薄膜Ⅱ，该薄膜Ⅱ应力不超过-20MPa，折射率等于或略高于下包层折射率且低于前一次沉积的薄膜Ⅰ的折射率，厚度超过0.1μm，但不高于1μm；以制备所述薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ为一个周期，重复制备上述薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ，以制得多层折射率和厚度交替的多层介质薄膜。本发明提供了一种用于光子混合/异构集成用的光介质板，基于化学气相沉积技术，在硅衬底上通过控制SiOxN中O原子的比例以形成不同应力和折射率的光学薄膜，然后交替形成多层低残余应力的光学薄膜，多层介质薄膜折射率可调范围大，介于二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4之间，可灵活设计光波导的折射率，以实现与Ⅲ-Ⅴ族激光器、光调制器、光探测器等器件的混合/异构集成，且耦合损耗小。
进一步的，下包层薄膜的折射率为1.6500@632.8nm，厚度不小于5μm，该层薄膜为低应力薄膜。
进一步的，薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ的折射率和应力可通过调整射频RF功率、工艺气体比例来调整。具体的，可通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体比例流量来实现，上述工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3；也可通过高低射频RF功率调整，其中高射频13.56MHz，低射频375kHz，调整低射频375kHz功率也可实现调整薄膜应力。
进一步的，所述多层介质薄膜的厚度不小于8μm。
更进一步的，根据设计的光波导结构去做图形转移。图形转移工艺包括单一光刻胶掩膜、或者复合掩模。采用单一光刻胶掩膜需经光刻、曝光、显影工序；采用复合掩模，先用多晶硅或金属Cr做第一层掩膜，再光刻胶掩膜，然后经光刻、曝光、显影工序。
更进一步的，所述刻蚀采用氟基等离子体干法刻蚀多层介质薄膜，刻蚀深度至少要到下包层中，但不应超过下包层厚度的一半。如果是复合掩膜，则先刻蚀多晶硅或金属Cr掩膜，然后刻蚀多层介质薄膜，以形成多层介质光波导。
更进一步的，通过化学气相沉积法，在多层介质薄膜上沉积低折射率的SiOxN，作为上包层，以形成多层介质光波导结构。
作为本发明的另一个主题，一种多层介质光波导结构，其采用上述任一项制造方法制得。本发明提供的基于交替折射率分布的多层光介质板构成的光波导结构，通过等离子体刻蚀技术在其上刻蚀出光波导或其他无源光子功能结构，如波分复用/解复用、光分束/合束、光滤波等，然后基于化学气相沉积技术沉积低折射率光学薄膜作为上包层，具有传输损耗低，与激光器、标准单模光纤的耦合效率高的特点。
本发明的有益效果：
本发明采用在硅衬底上通过控制SiOxN中O原子的比例以形成不同应力和折射率的光学薄膜，然后交替形成多层低残余应力的光学薄膜，再通过等离子体刻蚀技术在其上刻蚀出光波导，然后基于化学气相沉积技术沉积低折射率光学薄膜作为上包层，进而得到多层介质光波导结构。
本发明具有工艺简单，无需高温退火的优点，且多层介质薄膜折射率可调范围大，介于二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4之间，可灵活设计光波导的折射率，以实现与Ⅲ-Ⅴ族激光器、光调制器、光探测器等器件的混合/异构集成，且传输损耗低，与激光器、标准单模光纤的耦合效率高、损耗小，便于与其他光子芯片集成。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本发明的多层介质板的结构示意图。
图2为本发明的多层介质光波导的结构示意图。
图3为多层介质薄膜折射率与工艺气体的比例关系图。
图4为多层介质薄膜折射率与应力的关系图。
图5为多层SiOxN介质光波导模场分布图。
具体实施方式
实施例，如图1所示，一种多层介质板1，由衬底11、下包层12、多层介质薄膜13构成。
其中，衬底11由硅或二氧化硅材料制得，常以直径2寸、4寸、6寸、8寸等尺寸的晶圆为衬底。下包层12为低折射率、低应力薄膜。多层介质薄膜13是由高低折射率和正负应力介质薄膜组成，通过半导体制造工艺来控制每层介质薄膜的折射率和应力。
上述多层介质板1制备工艺如下：
1)通过化学气相沉积法CVD，典型设备如：等离子增强化学气相沉积PECVD在硅或二氧化硅晶圆衬底上沉积低折射率的SiON作为下包层12，其折射率为1.6500@632.8nm，厚度不小于5μm。
调整薄膜的应力可通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF，高射频13.56MHz，低射频375kHz，调整低射频375kHz功率也可调整薄膜的应力。典型工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3等。
2)通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF制备高折射率、正应力薄膜131，应力不超过20MPa，折射率必须高于下包层的折射率，如1.9500@632.8nm，厚度不超过0.1μm，典型值如0.05μm。
调整薄膜的应力可通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF，高射频13.56MHz，低射频375kHz，调整低射频375kHz功率也可调整薄膜的应力。典型工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3等。
3)通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF制备高折射率、负应力薄膜132，应力不超过-20MPa，折射率等于或略高于下包层折射率，但必须低于前一次沉积的薄膜的折射率，如1.6500@632.8nm，厚度超过0.1μm，但不应高于1μm，典型值如0.9μm。
调整薄膜的应力可通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF，高射频13.56MHz，低射频375kHz，调整低射频375kHz功率也可调整薄膜的应力。典型工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3等。
4)以上步骤2)至3)制备的薄膜构成一个周期，重复步骤2)至3)以制备多层折射率和厚度交替的薄膜(例如：通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF制备高折射率、正应力薄膜133，应力不超过20MPa，折射率必须高于下包层的折射率，如1.9500@632.8nm，厚度不超过0.1μm，典型值如0.05μm)，从而形成多层介质光波导的芯层13，厚度不小于8μm，典型值如10μm，这样制备的多层介质光波导与标准单模光纤耦合的光损耗可低于0.1dB。
接下来结合图2，将对本发明中的一种多层介质光波导结构的制备方法，进行详细说明。其进一步包括如下步骤：
1)根据设计所需的光波导结构去做图形转移，其工艺包括单一光刻胶掩膜或者复合掩模；采用单一光刻胶掩膜经光刻、曝光、显影工序；采用复合掩模，先用多晶硅或金属Cr做第一层掩膜，再光刻胶掩膜，然后经光刻、曝光、显影工序。
2)采用氟基等离子体干法刻蚀多层介质薄膜，气体如CF4、SF6、C4H8等氟基气体，刻蚀深度至少要到下包层中，但不应超过下包层厚度的一半。如果是复合掩膜，则先刻蚀多晶硅或金属Cr掩膜，然后刻蚀多层介质薄膜，以形成多层介质光波导2。
3)通过化学气相沉积法CVD，典型设备如等离子增强化学气相沉积PECVD在硅或二氧化硅晶圆衬底上沉积低折射率的SiON作为上包层14，以形成多层介质光波导结构，上包层14的折射率为1.6500@632.8nm，厚度不小于5μm，该层薄膜为低应力。
调整薄膜的应力可通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体流量等，也可采用配备有高低射频RF，高射频13.56MHz，低射频375kHz，调整低射频375kHz功率也可调整薄膜的应力。典型工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3等。
图3为薄膜折射率随工艺气体比例的关系，工艺气体如果为硅烷SiH4、笑气N2O，则通过调整硅烷SiH4和笑气N2O流量和比例、腔室压力、射频RF功率等工艺参数以调整折射率。工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3，则通过调整硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3的流通，同时控制笑气N2O、氨气NH3的比例、腔室压力、射频RF功率等工艺参数以调整折射率。图4为多层介质薄膜折射率与应力的控制要求，以形成折射率高低和应力正负的多层介质薄膜，进而形成多层介质光波导。图5为多层SiOxN介质光波导模场分布，与标准单模光纤是匹配的。应力可通过射频功率、气体流量等工艺参数来精确控制。以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制造多层介质板：所述多层介质板由衬底、下包层和多层介质薄膜构成；
首先，以硅或二氧化硅晶圆作为衬底，通过化学气相沉积法，在所述硅或二氧化硅晶圆衬底上沉积低折射率的SiOxN作为下包层；
接着，在所述下包层上制备高折射率、正应力薄膜Ⅰ，该薄膜Ⅰ应力不超过20MPa，折射率高于下包层的折射率，厚度不超过0.1μm；
然后，在薄膜Ⅰ上制备高折射率、负应力薄膜Ⅱ，该薄膜Ⅱ应力不超过-20MPa，折射率等于或略高于下包层折射率且低于前一次沉积的薄膜Ⅰ的折射率，厚度超过0.1μm且不高于1μm；
以制备所述薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ为一个周期，重复制备上述薄膜Ⅰ和薄膜Ⅱ，从而制得多层折射率和厚度交替的多层介质薄膜；
S2、图形转移：根据设计的光波导版图转移至所述多层介质板上；
S3、刻蚀：利用半导体工艺在多层介质板上刻蚀出光波导结构；
S4、沉积：沉积上包层，最终形成多层介质光波导结构。
2.如权利要求1所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：所述下包层薄膜的折射率为1.6500@632.8nm，厚度不小于5μm。
3.如权利要求1所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：所述薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ的折射率和应力通过调整13.56MHz射频RF功率、工艺气体比例流量来实现，所述工艺气体为硅烷SiH4、笑气N2O或硅烷SiH4、笑气N2O、氨气NH3。
4.如权利要求1所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：所述薄膜Ⅰ、薄膜Ⅱ的折射率和应力通过高低射频RF功率调整，其中高射频13.56MHz，低射频375kHz。
5.如权利要求3或4所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，所述多层介质薄膜的厚度不小于8μm。
6.如权利要求1所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，所述图形转移工艺包括光刻、曝光、显影工序。
7.如权利要求1所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，所述图形转移工艺包括先用多晶硅或金属Cr做第一层掩膜，再光刻胶掩膜，然后经光刻、曝光、显影工序。
8.如权利要求6或7所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：在步骤S3中，所述刻蚀采用氟基等离子体干法刻蚀多层介质薄膜，刻蚀深度至少要到下包层中，但不超过下包层厚度的一半。
9.如权利要求8所述多层介质光波导结构的制造方法，其特征在于：在步骤S4中，所述沉积上包层，通过化学气相沉积法在多层介质薄膜上沉积低折射率的SiOxN作为上包层。
10.一种多层介质光波导结构，其特征在于：采用如权利要求1至9任一项制造方法制得。
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