多层介质光波导结构及其制造方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有工艺简单，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

【技术实现步骤摘要】
多层介质光波导结构及其制造方法


[0001]本专利技术涉及光通信
，尤其涉及一种多层介质光波导结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]本专利技术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。
[0009]本专利技术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。
[0010]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。本专利技术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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]进一步的，所述多层介质薄膜的厚度不小于8μm。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]作为本专利技术的另一个主题，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。本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑煜，刘建哲，徐良，祝小林，
申请(专利权)人：黄山博蓝特半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：