一种光波导结构、制备方法及集成光学器件技术

本发明专利技术提供了一种光波导结构、制备方法及集成光学器件，光波导结构包括：衬底10；一个或多个下包层500，形成于所述衬底10上，所述下包层500的底面位于所述衬底10的顶面之下；波导芯40，形成于所述下包层500上；上包层50，覆盖在所述衬底10、所述下包层500和所述波导芯40上。该光波导结构利用具有岛状结构的下包层缓解沉积波导芯层产生的高拉应力导致硅基衬底的翘曲问题，保证后续的光刻、刻蚀工艺正常进行，确保光波导的尺寸精度，有利于提高波导的有效折射率和光限制能力。有效折射率和光限制能力。有效折射率和光限制能力。

【技术实现步骤摘要】
一种光波导结构、制备方法及集成光学器件


[0001]本专利技术涉及硅光领域，特别涉及一种光波导结构、制备方法及集成光学器件。

技术介绍

[0002]利用低压化学气相沉积(LPCVD)制备的化学计量比氮化硅(Si3N4)薄膜/波导芯(以下简称Si3N4薄膜/波导芯)具有宽波长范围(400
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2350nm)的透明性、高光功率的低光传播损耗、使用晶圆级制造工艺，与Si衬底、二氧化硅(SiO2)包层构成的平面波导平台实现了广泛的平面集成器件和芯片级解决方案，开辟了新一代单靠其他平台无法实现的片上系统应用。
[0003]但LPCVD制备的化学计量比Si3N4薄膜具有较大的拉应力，在工艺过程中使衬底发生严重翘曲，进而对后续的光刻、刻蚀工艺和波导尺寸的精确度产生不良影响，当Si3N4薄膜(波导芯)厚度的大于300nm时高温退火后会出现裂纹，因此在一定程度上限制了Si3N4波导平台的应用。
[0004]因此，特别是在制备厚度大于300nm的Si3N4光波导时，应关注如何缓解Si3N4薄膜产生的高拉应力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种光波导结构，通过在衬底上形成一个或多个下包层，缓解沉积波导芯层时产生的高拉应力问题，光波导结构包括：
[0006]衬底；
[0007]一个或多个下包层，形成于所述衬底上，所述下包层的底面位于所述衬底的顶面之下；
[0008]波导芯，形成于所述下包层上；
[0009]上包层，覆盖在所述衬底、所述下包层和所述波导芯上。
[0010]优选地，所述下包层的顶面位于所述衬底的顶面之上。
[0011]优选地，该光波导结构还包括：
[0012]应力缓冲结构，形成于所述衬底和/或所述下包层上，用于缓解沉积所述波导芯层时产生的应力。
[0013]优选地，应力缓冲结构包括：岛状应力缓冲结构和/或沟槽应力缓冲结构；
[0014]所述岛状应力缓冲结构，形成于所述衬底上、并且位于所述波导芯所在的下包层周围，所述岛状应力缓冲结构的底面位于所述衬底的顶面之下；
[0015]所述沟槽应力缓冲结构，形成于所述衬底上、并且位于所述波导芯所在的下包层周围；和/或，形成于所述下包层上。
[0016]优选地，应力缓冲结构具体包括以下一种或多种的组合：环形应力缓冲结构、圆形应力缓冲结构、条形应力缓冲结构；
[0017]所述环形应力缓冲结构，同心分布于下包层内侧和/或周围；
[0018]所述圆形应力缓冲结构，岛状分布于下包层内侧和/或周围；
[0019]所述条形应力缓冲结构，分布于下包层内侧和/或周围。
[0020]优选地，波导芯为条形波导和/或脊形波导。
[0021]一种光学器件，该光学器件用于基于不同设计的波导芯实现不同光学功能。
[0022]一种光波导结构的制备方法，包括：
[0023]提供衬底；
[0024]在所述硅衬底上形成垫氧层；
[0025]在所述垫氧层上形成热氧化掩蔽层并图形化；
[0026]基于图形化后的所述热氧化掩蔽层对所述硅衬底进行热氧化形成下包层，所述下包层的底面位于所述衬底的顶面之下；
[0027]在所述下包层上形成至少一个波导芯；
[0028]在所述波导芯、所述下包层和所述垫氧层上沉积上包层。
[0029]优选地，在形成垫氧层的步骤之前，还包括：在所述硅衬底上形成沟槽应力缓冲结构；
[0030]所述形成热氧化掩蔽层的步骤具体为：在形成有沟槽应力缓冲结构的垫氧层上形成热氧化掩蔽层，以使所述热氧化掩蔽层至少覆盖所述沟槽应力缓冲结构。
[0031]优选地，在形成热氧化掩蔽层的步骤之前、在形成垫氧层的步骤之后，还包括：
[0032]在所述形成有垫氧层的衬底上，形成沟槽应力缓冲结构；
[0033]所述形成热氧化掩蔽层的步骤具体包括：在形成有沟槽应力缓冲结构的垫氧层上形成热氧化掩蔽层，以使所述热氧化掩蔽层至少覆盖所述沟槽应力缓冲结构。
[0034]优选地，在所述形成下包层的步骤之后，还包括：
[0035]在所述形成下包层上形成沟槽应力缓冲结构，和/或，在图形化后的所述热氧化掩蔽层上形成沟槽应力缓冲结构。
[0036]优选地，在形成波导芯的步骤之后，还包括：
[0037]在除波导芯之外的区域，连续或间隔的形成沟槽应力缓冲结构，其中，间隔分布的沟槽应力缓冲结构为对称分布或非对称分布。
[0038]本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0039]1、利用具有岛状结构的下包层缓解沉积波导芯层时产生的高拉应力导致硅基衬底的翘曲问题，保证后续的光刻、刻蚀工艺正常进行，确保光波导的尺寸精度，有利于提高波导的有效折射率和光限制能力。
[0040]2、通过在生成下包层前制作图形化的热氧化掩蔽层，利用图形化后的热氧化掩蔽层对硅基衬底热氧化过程的掩蔽作用，阻止掩蔽层下的衬底形成下包层，而非掩蔽层处的衬底热氧化成下包层，使形成的下包层呈岛状结构。利用具有岛状结构的下包层来缓解沉积波导芯层时产生的高拉应力导致衬底的翘曲问题，保证后续的光刻、刻蚀工艺正常进行，确保光波导的尺寸精度，有利于提高波导的有效折射率和光限制的能力。
附图说明
[0041]图1是现有技术中一种波导结构的示意图；
[0042]图2是现有技术采用大马士革工艺制备Si3N4波导平台的工艺流程示意图；
[0043]图3(a)
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图3(d)是现有技术采用大马士革工艺制备Si3N4波导平台使用显微镜进行CMP目视厚度控制的工艺流程示意图；
[0044]图4是本专利技术实施例一的光波导结构的示意图；
[0045]图5(a)
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图5(f)是本专利技术实施例二的光波导结构的示意图；
[0046]图6(a)
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图6(c)是本专利技术实施例三的集成光学器件的示意图；
[0047]图7是本专利技术实施例四的光波导结构的制备方法流程图；
[0048]图8是本专利技术实施例四的遮蔽层区的示意图；
[0049]图9是本专利技术实施例四的具有多波导芯的光波导结构示意图；
[0050]图10(a)
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图10(e)是本专利技术实施例五的具有沟槽应力缓冲结构的光波导制备工艺流程图；
[0051]图11是本专利技术实施例六的在垫氧层刻蚀沟槽结构的衬底的示意图；
[0052]图12是本专利技术实施例七的在掩蔽层刻蚀沟槽结构的衬底的示意图；
[0053]图13(a)
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图13(c)是本专利技术实施例二的沟槽缓冲结构位置的示意图。
[0054]附图编号：
[0055]10：衬底；20：SiO2下包层；30：Si3N4薄膜；40：波导芯；
[0056]50：上包层；60：TEOS SiO2薄膜；70：沟槽应力缓冲结构；
[005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光波导结构，其特征在于，包括：衬底(10)；一个或多个下包层(500)，形成于所述衬底(10)上，所述下包层(500)的底面位于所述衬底(10)的顶面之下；波导芯(40)，形成于所述下包层(500)上；上包层(50)，覆盖在所述衬底(10)、所述下包层(500)和所述波导芯(40)上。2.如权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述下包层(500)的顶面位于所述衬底(10)的顶面之上。3.如权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，该光波导结构还包括：应力缓冲结构(600)，形成于所述衬底(10)和/或所述下包层(500)上，用于缓解沉积波导芯层时产生的应力。4.如权利要求3所述的光波导结构，其特征在于，所述应力缓冲结构(600)包括：岛状应力缓冲结构和/或沟槽应力缓冲结构(70)；所述岛状应力缓冲结构，形成于所述衬底(10)上、并且位于所述波导芯(40)所在的下包层(500)周围，所述岛状应力缓冲结构的底面位于所述衬底(10)的顶面之下；所述沟槽应力缓冲结构(70)，形成于所述衬底(10)上、并且位于所述波导芯(40)所在的下包层(500)周围；和/或，形成于所述下包层(500)上。5.如权利要求3所述的光波导结构，其特征在于，所述应力缓冲结构(600)具体包括以下一种或多种的组合：环形应力缓冲结构、圆形应力缓冲结构、条形应力缓冲结构；所述环形应力缓冲结构，同心分布于下包层内侧和/或周围；所述圆形应力缓冲结构，岛状分布于下包层内侧和/或周围；所述条形应力缓冲结构，分布于下包层内侧和/或周围。6.如权利要求1
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5中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述波导芯(40)为条形波导和/或脊形波导。7.一种由如权利要求1
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6中任一项所述的光波导结构构成的光学器件，该光学器件用于基于不同设计的波导芯实现不同光学功能。8.一种用于制备如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘敬伟，李超，
申请(专利权)人：国科光芯北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：