一种三维硅基模式选择开关及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种三维硅基模式选择开关，该三维硅基模式选择开关包括：衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上铺设有第一下层波导和第二下层波导，在第一下层波导和第二下层波导上均铺设有第一中间隔离层，在第一中间隔离层上再铺设有中间波导，在中间波导上铺设第二中间隔离层，在第二中间隔离层上再铺设有第一上层波导和第二上层波导，在第一上层波导和第二上层波导上方覆盖上覆盖层，其中中间波导通过外加电压能够实现第一下层波导和第二上层波导之间任意的高阶模开关转换。本发明专利技术结构简单、具有易于实现、工艺成熟、尺寸结构紧密、CMOS工艺兼容性高的优点，为实现光通信、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。

A Three-Dimensional Silicon-Based Mode Selection Switch and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种三维硅基模式选择开关及其制备方法
本专利技术涉及一种三维硅基模式选择开关及其制备方法，可用于光通信器件

技术介绍
随着5G的兴起和大数据、高清视频等互联网业务的迅猛发展，对通信网络的传输带宽和容量提出了更高的要求。传统基于波分复用(Waveguide-divisionmultiplexing，WDM)技术的光通信系统必将逐步无法满足人们对通信的更高带宽和更高速率的要求。近期，模分复用技术(Mode-divisionmultiplexing，MDM)技术成为提高通讯系统容量的新技术，已经吸引了人们的关注，成为研究热点。MDM技术通过复用几个独立正交模式作为通信信道，可极大地提升光通信系统的传输带宽，实现系统容量的倍增。并且，MDM技术可以与WDM技术相兼容，可以很容易地增大现有通信网络构架，实现了大系统容量。可重构MDM网络提供了在不同通道里选择和路由不同信号的能力，这将成为未来模分复用系统的主要发展趋势之一。模式选择开关是可重构MDM网络中的基本组成部件，可实现模式切换与路由。目前，实现模式选择开关的方案主要包括：使用由两个平衡的马赫-曾德尔干涉仪，两个2×2MMI和两个相位匹配器组成的可重构光子集成模分复用器/解复用器的方案；一个由相位匹配器辅助的马赫-曾德尔干涉仪组成的可重构模分复用器的方案；一种使用微环谐振器的可重构模分复用器/解复用器的方案：一个1×2硅微环谐振器的多模开关。为了减少开关时间和功耗，模式选择开关内部的光与物质互作用必须加强。最近，许多硅调制器和开关已经被提出：使用CMOS兼容的透明传导氧化物的方案、使用金属氧化物半导体混合波导和铟锡氧化物的方案、基于电光调制器的铟锡氧化物和石墨烯的方案。尽管这几种方案转换速度快、功耗小、尺寸小，但是这些方案是基于单模工作条件，仅仅考虑到基模，无法应用在模分复用网络中。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种三维硅基模式选择开关及其制备方法。本专利技术的目的将通过以下技术方案得以实现：一种三维硅基模式选择开关，包括：衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上铺设有第一下层波导和第二下层波导，在第一下层波导和第二下层波导上均铺设有第一中间隔离层，在第一中间隔离层上再铺设有中间波导，在中间波导上铺设第二中间隔离层，在第二中间隔离层上再铺设有第一上层波导和第二上层波导，在第一上层波导和第二上层波导上方覆盖上覆盖层，其中中间波导通过外加电压能够实现第一下层波导和第二上层波导之间任意的高阶模开关转换。优选地，所述中间波导的构成材料为铟硒氧化物ITO、石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1。本专利技术还揭示了一种三维硅基模式选择开关的制备方法，该方法包括以下步骤：S1：取一片硅衬底，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的二氧化硅包层，该包层为下包层，沉积二氧化硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；S2：在二氧化硅下包层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，掺杂浓度为1×1018cm3，沉积掺杂硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；S3：在掺杂硅层上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μC/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv；得到第一下层波导和第二下层波导；S4：在第一下层波导和第二下层波导上进行刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第一中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；S5：利用电子束在第一中间隔离层上生长5-50nm相变材料层薄膜，生长过程中氧气流量保持为2sccm；将新生长的薄膜放入快速热退火炉中在N2：O2，流量为200sccm：35sccm的气体氛围下进行3min的高温处理，为对比不同的退火温度对薄膜的影响，选取了500℃和600℃两种退火温度，得到相变材料层；S6：在相变材料层上进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度8-12nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行二次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μC/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到中间波导；S7：在中间波导上进行二次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择SF6和C4F8，SF6为10.7sccm，C4F8为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s，对二次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第二中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；S8：在第二中间隔离层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，沉积掺杂多晶硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700W，腔体压强为300mTorr，N2O流量为2000sccm，SiH4流量为17sccm，得到多晶硅波导层；S9：在多晶硅波导层上进行三次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，典型高转速的速度在4000-4250r/min，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行三次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μC/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到第一上层波导和第二上层波导；S10：在第一上层波导和第二上层波导上进行三次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择SF6和C4F8，SF6为10.7sccm，C4F8为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对三次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上覆盖层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分。优选地，在所述S1步骤中，沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维硅基模式选择开关，其特征在于：包括：衬底层(1)，在衬底层上设有下包层(2)，在下包层(2)上铺设有第一下层波导(4)和第二下层波导(5)，在第一下层波导(4)和第二下层波导(5)上均铺设有第一中间隔离层(6)，在第一中间隔离层(6)上再铺设有中间波导(8)，在中间波导(8)上铺设第二中间隔离层(9)，在第二中间隔离层(9)上再铺设有第一上层波导(11)和第二上层波导(12)，在第一上层波导(11)和第二上层波导(12)上方覆盖上覆盖层(13)，其中中间波导(8)通过外加电压能够实现第一下层波导(4)和第二上层波导(12)之间任意的高阶模开关转换。

【技术特征摘要】
1.一种三维硅基模式选择开关，其特征在于：包括：衬底层(1)，在衬底层上设有下包层(2)，在下包层(2)上铺设有第一下层波导(4)和第二下层波导(5)，在第一下层波导(4)和第二下层波导(5)上均铺设有第一中间隔离层(6)，在第一中间隔离层(6)上再铺设有中间波导(8)，在中间波导(8)上铺设第二中间隔离层(9)，在第二中间隔离层(9)上再铺设有第一上层波导(11)和第二上层波导(12)，在第一上层波导(11)和第二上层波导(12)上方覆盖上覆盖层(13)，其中中间波导(8)通过外加电压能够实现第一下层波导(4)和第二上层波导(12)之间任意的高阶模开关转换。2.根据权利要求1所述的一种三维硅基模式选择开关，其特征在于：所述中间波导(8)的构成材料为铟硒氧化物ITO、石墨烯、G2S2T5和G2S2S4T1。3.一种三维硅基模式选择开关的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：取一片硅衬底，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的二氧化硅包层，该包层为下包层，沉积二氧化硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；S2：在二氧化硅下包层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，掺杂浓度为1×1018cm3，沉积掺杂硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；S3：在掺杂硅层上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μC/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv；得到第一下层波导和第二下层波导；S4：在第一下层波导和第二下层波导上进行刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择SF6和C4F8，SF6的流量为10.7sccm，C4F8的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第一中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；S5：利用电子束在第一中间隔离层上生长5-50nm相变材料层薄膜，生长过程中氧气流量保持为2sccm；将新生长的薄膜放入快速热退火炉中在N2：O2，流量为200sccm：35sccm的气体氛围下进行3min的高温处理，为对比不同的退火温度对薄膜的影响，选取了500℃和600℃两种退火温度，得到相变材料层；S6：在相变材料层上进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度8-12nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行二次光...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋卫锋，苗金烨，李涛，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32