光波导制造技术

本发明专利技术提供了一种晶圆级光波导及其制造方法，利用半导体集成电路制造工艺，能够制造出接触面光滑、厚度均匀且端面为任意角度镜面的微米级光波导，同时大幅度降低制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子通信
，特别涉及一种晶圆级光波导及其制造方法。
技术介绍
随着网络通信技术的飞速发展，人们对网络信息传输速度的要求日益提高。以往的"电"互连，也就是以铜线为基础的电子信号传输线路所能承载的信号带宽已经接近饱和，于是光互连技术为基础的光通信应运而生。光互连是一种利用光作为传递信息的载体，实现计算机系统结构内各部件之间或各系统之间互连的技术。从光互连所用的传输介质来看，主要有光波导互连、光纤互连以及自由空间光互连等技术。从光互连在计算机系统结构中所处的层次来看，它可以在计算机与计算机、背板与背板、平面内芯片与芯片及自由空间内芯片与芯片之间等不同层次实现光互连。光互连技术在通信带宽、等程传输、抗电^f兹干扰及低能耗等方面比电互连有巨大的优势。在上述光互连传输介质中，光波导广泛应用于芯片内、芯片间与芯片模块以及背板之间的光互连。光波导由芯层(core layer)和包层(cladlayer)组成，其中芯层构成光路，光在光路中必须满足全反射才能高效地传播。因此在光波导中，芯层材料的折射率必须高于外包层材料的折射率，才能使光在光路中全反射从而沿着设计的路线传输。光互连系统结构中通常包括作为光源的半导体激光器、反射耦合器、平板光波导(以下简称光波导)以及作为互连媒介的光纤，光波导的尺寸通常为微米级，发射端与接收端之间的互连通过光波导和光纤完成。出于芯片、背板的布局、器件尺寸等设计因素的考虑，激光器发出的光通常不会以直线的方式进入光纤，而是要转换一定角度。图l为具有光波导的光互连结构简化示意图。如图l所示，激光器发出的光20通过反射耦合器(端面12)进入平板光波导IO，平板光波导10将光转换一个角度后以全反射的方式耦合进入光纤30。上述光波导10的端面12需要削成具有特定角度的斜面，典型的角度为45。，以便将入射光的方向转换卯。，同时要求光波导10的端面12为镜面，以满足反射耦合器全反射的要求。技术。纳米压印技术是利用光刻、刻蚀等半导体平面工艺技术在基底表面的压模材料，例如氧化硅(Si02)或氮化硅(SiN)中形成与光路形状相匹配的纳米压印模具。然后利用纳米压印模具在光波导表面的芯层材料中压制出光路。图2至图5为说明利用纳米压印技术形成光波导结构的流程示意图。如图2所示，在基底20表面形成下包层22;然后在下外包层22表面形成芯层材料层24，如图3所示；随后，将纳米压印模具30与芯层材料层24压合，如图4所示，从而在芯层24中形成由芯层材料构成的光路26，如图5所示。图6为图5中光波导结构的立体示意图，如图6所示，箭头所指方向为光信号传输方向。位于基底20的外包层22表面的光路26,需要具有非常光滑的顶面和侧面，以保证在形成上包层之后光在光路中不会产生漫反射。此外更为重要的是，光路26的端面需为镜面，以保证入射光的全反射耦合。这就对纳米压印模具30的制作工艺提高了很高的要求，能够满足上述要求的纳米压印模具是非常昂贵的，这无疑大大增加了制造成本。而且，当设计的光路改变的时候，就要订购相应的模具，降低了工艺灵活性，进一步增加了成本。软模转印技术是在模具上制造好光路之后，再覆盖结合到底材之上。该方法也有它的缺点，首先是制造工艺的过程比较长。软模具覆盖之后再去除还易产生残留物的问题。此外更为严重的就是镜面问题，软模具只能利用光纤材料本身来做镜面，镜面的反射效果受材质的限制，造成 光信号损耗的减少程度受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种晶圆级光波导及其制造方法，该方法利 用半导体集成电路制造工艺，能够制造出接触面光滑、厚度均匀且端面为任意角度镜面的微米级光波导，同时大幅度降低制造成本。为达到上述目的， 一方面，本专利技术提供了一种光波导，包括基底和 基底上的限制层，所述限制层中具有凹槽，凹槽两侧的端面为斜面，至 少在所述斜面表面具有反射镜面层，在所述凹槽中包括芯层，在所述芯 层的表面具有包层。优选地，所述基底和限制层为同 一层。所述包层包括位于芯层上表面的第一包层和位于芯层下表面的第 二包层。所述第二包层位于所述基底和所述限制层之间。所述包层仅位于芯层的上表面，所述芯层的下表面为反射镜面层。所述限制层的材料为硅、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、石英玻璃和 硼磷硅酸盐玻璃中的 一种。所述芯层和包层的材料为可旋涂高分子感光材料。所述反射镜面层的材料为金属层。所述芯层的材料为正性光致抗蚀剂、负性光致抗蚀剂，感光型聚酰亚胺树脂(PSPI),感光型溶胶凝胶(sol-gel)或其混合物或组合物。 所述斜面与所述基底表面之间的锐角为45度。 相应地，提供了一种光波导的制造方法，包括下列步骤 提供一基底；在所述基底上形成限制层并在所述限制层中形成凹槽，所述凹槽两侧端面为冻牛面；至少在所述斜面表面形成反射镜面层；在所述凹槽内至少旋涂形成芯层；并在所述芯层表面旋涂形成包层。优选地，在所述基底中形成凹槽，使所述基底即成为限制层。采用干法刻蚀、机械切割或激光切割的方法形成所述凹槽。形成所述限制层的方法包括化学气相淀积、静电封接或粘接工艺。所述包层形成于所述芯层的上表面和下表面，或仅形成于所述芯层 的上表面。当包层仅形成于所述芯层的上表面时，所述芯层的下表面为反射镜 面层。所述反射镜面层的材料为金属，利用物理气相淀积或电镀工艺形成。所述芯层下表面的包层可形成于所述基底和所述限制层之间。另一方面，提供了一种光波导，包括位于透明底材表面的依次由第 一包层、芯层和第二包层组成的梯形叠层，所述梯形叠层的两侧面为斜 面，所述斜面表面具有反射镜面层，所述梯形叠层表面具有半导体基底。所述第一包层、芯层和第二包层的材料为可旋涂高分子感光材料。所述反射镜面层的材料为金属。所述斜面与所述透明底材表面之间的锐角为45度。相应地，提供了一种光波导的制造方法，包括提供一透明底材；在所述透明底材表面依次旋涂第一包层、芯层和第二包层材料并经 固化形成由第一包层、芯层和第二包层组成的叠层结构；利用激光将所述叠层结构两侧面切割成斜面；6在所述斜面表面沉积金属材料形成反射镜面层；在所述叠层结构表面接合半导体基底材料。所述第 一 包层、芯层和第二包层中每层的旋涂次数为 一次或多次。所述方法还包括移除所述透明底材的步骤。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点本专利技术的晶圆级光波导及其制造方法以半导体集成电路(IC)制造 工艺方法取代了成本高昂的模压技术制造晶圆级光波导，而且釆用的技 术为常规半导体工艺和常规半导体设备，光波导的芯层和包层均采用可 旋涂的材料旋涂而成，厚度可以根据光路的设计要求灵活控制。旋涂材 料经曝光固化形成光滑的芯层和包层的接触表面，该芯层和包层光滑的 接触面有利于降低光传输过程中的漫反射。本专利技术光波导的端面采用等 离子刻蚀工艺刻蚀或激光切割工艺或机械切割，能够形成具有任意角度 的芯层端面，因此能够非常灵活地满足各种光路设计的需要。并沉积金 属材料形成全反射的镜面端面，将光传输中光信号的损耗降低到了最低 程度。本专利技术的晶圆级光波导制造工艺简单，降低了生产成本，提高了 生产效率。而且由于本专利技术的光波导制造方法能够与IC工艺兼容，因此 有利于实现光电器件的集成制造。 附图说明通过附图中所示的本专利技术的优选实施例的更具体说明，本专利技术的上 述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光波导，包括基底和基底上的限制层，所述限制层中具有凹槽，凹槽两侧的端面为斜面，至少在所述斜面表面具有反射镜面层，在所述凹槽中包括芯层，在所述芯层的表面具有包层，所述包层仅位于芯层的上表面，所述芯层的下表面为反射镜面层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵鸣达，俞国庆，徐琴琴，王文龙，王蔚，
申请(专利权)人：晶方半导体科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]