一种平面光波导及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种平面光波导及其制备方法，所述平面光波导包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上。本发明专利技术可以使得平面光波导的折射率分布更优，降低器件损耗，可以更容易实现1250-1650全带宽性能。

【技术实现步骤摘要】
一种平面光波导及其制备方法
本专利技术涉及半导体领域，特别是涉及一种平面光波导及其制备方法。
技术介绍
在光学
，单一形式的各类光学元件目前走向集成光学之路，将光学模块整合在晶圆(wafer)上，形成集成光路的基础性部件，有助于光通信组件集成化、缩小体积、减少封装次数，具有大规模化生产，而且低成本、高性能、高密度器件整合等优势，是光纤通信系统的必要组成部分。所谓平面光波导(PlanarLightwaveCircuit，简称PLC)，是指光波导位于一个平面内。如同IC芯片的概念，平面光波导是采用半导体工艺将光学元件集成到一块芯片上，实现对光信号复杂控制处理功能的光器件技术，已经大量应用的PLC器件有光分路器(Splitter)、阵列波导光栅(AWG)、光开关(Switch)、可调光衰减器(VOA)、光波导模式光谱(OWLS)传感器等。目前，无源器件与有源、MEMS融合是PLC技术的重要发展方向，可开发出新型的多功能集成器件，如VMUX(VOA+AWG)、WSS(Switch+AWG)、加速度计、压力传感器、微型麦克风(智能手机)等。PLC不但能实现光电器件集成化、规模化、小型化，而且具有性能稳定、适于规模化生产、成本低等优势。可制作PLC的材料有二氧化硅(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP，GaAs)、绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)、氮氧化硅(SiON)、玻璃和聚合物(Polymer)等。光波导芯层材料传输光信号，要求传输损耗低、膜层厚度和折射率均匀一致、双折射小，且与包层的界面光滑平整。PLC要求包层足够厚，如0.34-0.75Δ％光波导需要上下包层厚度达到12-20μm，以保证传输的光波不会被泄漏；其次包层材料的温度特性与芯层差异要小，以减小波导中产生应力双折射而影响性能，如AWG偏振相关性和中心波长温度敏感性；此上包层材料应具有良好的流动性，因为光波导芯层已被刻蚀出台阶和沟槽状，这样容易完全填充芯层与包层的空隙达到紧密的包裹效果。通常在SiO2材料中需掺入一定的B2O3、P2O5和GeO2等，调节SiO2的折射率、热膨胀系数和软化温度。PLC集成度增高要求光波导的尺寸更小，其弯曲半径更小。表1是光波导设计Δ％、厚度、宽度与性能的对照表，芯层Δ增加对于大通道AWG，VMUX和环形振荡滤波器等，具有十分关键的意义。但是随着芯层Δ增加，损耗也增加。表1.光波导设计参数：Δ％、厚度、宽度与性能下面以SiO2基二氧化硅波导为例，介绍现有的平面光波导工艺，整个工艺分为七步：1)采用CVD工艺或者FHD(flamehydrolysisdeposition火焰水解法)在基板上制备一定厚度的均匀SiO2膜层，通过高温退火工艺使SiO2膜层致密化，作为波导芯层，其中掺杂锗元素，获得所需要的相对折射率差；2)在芯层上制备一层金属膜的覆盖层；3)在金属膜层上进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶转移到金属膜层上，形成光掩模；4)采用干法刻蚀工艺，如反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching，简称RIE)或感应耦合等离子体刻蚀(InductivelyCouplePlasma，简称ICP)，将非光刻胶区域的金属覆盖层刻蚀掉，去掉剩余光刻胶，得到金属掩膜；5)采用ICP将金属掩膜外的非波导区域的芯层刻蚀，形成具有三维波导图形，去掉剩余金属掩膜，得到光波导芯层线条；6)采用CVD工艺或者FHD在光波导芯层线条上覆盖一定厚度的均匀掺杂SiO2膜层，通过退火致密化工艺形成波导上包层，得到平面光波导器件芯片；7)从晶圆上切割分离出各个平面光波导器件芯片，根据各自应用封装成器件。二氧化硅平面光波导工艺中的几个关键技术：1)PLC波导设计PLC集成度增高则要求光波导的尺寸更小，波导的弯曲半径更小。由于波导弯曲产生附件损耗，通常采取增大芯层折射率的方法，要求增大二氧化硅芯层掺的锗量。由于折射率与波长相关，传输损耗随波长变化，对于从1250-1650nm的波长范围应用，现有设计虽然可以实现损耗满足全带宽的结构，但是制作过程中很难有效控制，全带宽的合格率不高，因此全带宽的芯片制作是业界的一个难题。2)PLC光波导制作工艺采用半导体工艺将光波导图形转移或复制在芯层上，现有方法通常经过光刻+金属膜干法刻蚀+SiO2芯层刻蚀三道工序制作，形成三维的SiO2光波导图形线条。其中要实现图形的精确转移，有光刻和对金属膜的干法刻蚀两个步骤。光刻是将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程。光刻工艺是制作PLC光波导图形结构的第一个关键性工艺环节，其工艺质量直接影响后续制作和器件性能、成品率等。光刻工艺是一个相对复杂的过程，是PLC芯片制造中最为重要的工艺步骤之一。就目前的工艺条件来说，整个光刻工艺流程并不能摆脱或完全摆脱人工的参与，同时还有工艺设备的稳定性、工艺原材料、环境影响等因素依然存在。在SiO2芯层进行深度刻蚀形成光波导图形线条前，现有工艺方法通常要制作金属掩膜(也称为硬膜)。干法(ICP/RIE)刻蚀是金属掩膜的常规制作技术，是将光刻掩模版上的图形转移金属膜上的过程。ICP工艺，离子集中在电场方向反应，反应是各向异性，同时还有离子的轰击作用，方向性更好，RIE是离子轰击+化学反应，其中化学反应是同向性的。ICP/RIE刻蚀是第二次图像转移过程，其效果受到光掩模图像，侧壁角度等影响外，还有ICP/RIE工艺本身的影响，所以会进一步累积一定的误差。在金属掩膜的覆盖下，对SiO2芯层进行深度的干法刻蚀，形成具有一定几何尺寸的光波导线条，最后完成波导图形的转移制作。对于SiO2芯层波导线条，要使其侧壁陡直且光滑，以降低波导的散射损耗。金属掩膜图像的侧壁和角度等偏差，在干法刻蚀中会进一步传递到SiO2芯层波导线条，因此从金属掩膜图像到光波导线条，会再次累积一定的误差。3)上包层制作工艺要实现波导芯层线条的上包层覆盖，即对波导台阶覆盖和沟槽填充，要求折射率RI和热膨胀与芯层匹配，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导的双折射效益。众所周知，阵列波导光栅(AWG)制作困难就是波导层空隙的填充，波导间容易形成空洞。以上提到的第一个难点中，需要通过结构设计，提高光波导的容差和工艺的容忍度，降低工艺控制难度。第二个工艺难点中，对于金属掩膜的制作，光掩膜的侧壁角度和波导分叉误差会传递到金属掩膜的侧壁角等变化，误差的积累影响图像的精确转移，而采用干法刻蚀需要昂贵的ICP/RIE刻蚀设备，用到剧毒的氯气，增加了制作成本和风险，且效率低。上文所提到的第三个工艺难点，对于高纵横比的波导结构尤为突出，随着三维结构元器件的发展，器件几何尺寸越来越小，波导间距小到1-2μm，空隙填充遇到困难。而对于多层结构的平面光波导而言，下包层材料通常与填充覆盖的上包层材料特性差别大，实际上对芯层的包覆是不对称的。目前，对于PLC的设计，随着集成度的增加，要求波导尺寸减小，通常采取增大芯层折射率减小尺寸的方案，对芯层材料而言要求增加锗的含量，结果损耗增加，制作的均匀性也降低，尺寸减小会增大耦合损耗。对于光波导的制作，金属掩膜常用干法(ICP/RIE)刻蚀制作技术，需要三次图像转移过程，也增加了误差的积累。在上包层制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面光波导，其特征在于，包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上。

【技术特征摘要】
1.一种平面光波导，其特征在于，包括：下包层、波导芯层、隔离层和上包层，所述上包层和所述下包层的折射率相等且高于所述隔离层的折射率，所述隔离层形成在所述下包层上，所述波导芯层被完全包覆在所述隔离层中，所述上包层形成在所述隔离层上；所述隔离层的熔点低于所述波导芯层的熔点，且填充所述波导芯层的各个间隙；所述上包层的熔点低于所述波导芯层的熔点；所述波导芯层的材料为掺杂锗的二氧化硅，所述下包层的材料为二氧化硅；所述隔离层的材料为掺杂有氟和锗的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-2％，所述锗的掺杂质量为所述二氧化硅质量的3-6％，且所述氟和锗的掺杂质量比大于1:3；所述上包层的材料为掺杂有氟和锗的二氧化硅，其中所述氟的掺杂质量为所述二氧化硅质量的1-3％，所述锗的掺杂质量为所述二氧化硅质量的3-6％，且所述氟和锗的掺杂质量比为1:3。2.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述隔离层的厚度为1-10μm。3.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述隔离层与所述上包层或所述下包层的相对折射率差Δ为0.1％-0.3％。4.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于：所述下包层还作为衬底；或者所述平面光波导还包括衬底，所述衬底的材料为硅或者二氧化硅。5.一种权利要求1-4任一所述的平面光波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在所述下包层上形成隔离层的第一部分；(2)在所述隔离层的第一部分上形成芯层；(3)刻蚀所述芯层，形成具有预设结构的所述波导芯层；(4)在所述波导芯层和所述隔离层的第一部分上形成隔离层的第二部分，所述隔离层的第二部分完全填充所述预设结构的间隙，所述隔离层的第一部分和第二部分组成所述隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：林升德，吴金东，胡海鑫，
申请(专利权)人：深圳太辰光通信股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44