[發明專利]一種基于硅基光波導的三維光交叉器及其制備方法

在審

• 申請號: 202210013198.1
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114296182A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 孫小強;劉庭瑜;劉崧岳;許言;高陽;張大明
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/122;G02B6/136;G02B6/132
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

1.一種基于硅基光波導的三維波導交叉器，其特征在于：該三維光交叉器由下至上，順次由硅襯底、二氧化硅下包層、二氧化硅中間層、二氧化硅上包層和光波導芯層組成；光波導芯層由第一層硅波導和第二層硅波導組成，第一層硅波導制備在二氧化硅下包層之上、被包覆在二氧化硅中間層之中；第二層硅波導制備在二氧化硅中間層之上、被包覆在二氧化硅上包層之中；第一層硅波導和第二層硅波導結構尺寸完全相同，呈十字交叉設置，兩者間被二氧化硅中間層分隔開；第一層硅波導由第一輸入波導Core1、第一耦合波導Core2和第一輸出波導Core3構成，第二層硅波導由第二輸入波導Core4、第二耦合波導Core5和第二輸出波導Core6構成；

第一輸入波導Core1、第二輸入波導Core4、第一輸出波導Core3和第二輸出波導Core6結構相同，為矩形結構直波導，寬度W1＝0.4μm，滿足單模傳輸條件，支持TE₁₁模式；第一耦合波導Core2和第二耦合波導Core5結構相同，為一個寬度函數型變化的中心對稱波導，第一耦合波導Core2和第二耦合波導Core5的寬度首先由0.4μm增寬為1μm，在將長度x歸一化為[-1，0)時，該寬度變化記為y1，再由寬度1μm逐步變窄為0.4μm，在將長度x歸一化為[0，1)時，該寬度變化記為y2；其中，y1滿足函數關系y1＝1-0.6·(-x)^1.5(-1≤x0)，y2滿足函數關系y2＝1-0.6·(x)^1.5(0≤x≤1)；第一耦合波導Core2與第二耦合波導Core5的長度L1＝16.8μm。

2.如權利要求1所述的一種基于硅基光波導的三維波導交叉器，其特征在于：硅襯底的厚度為500μm，二氧化硅下包層的厚度為3μm，第一層硅波導的厚度為0.22μm，第二層硅波導的厚度為0.22μm，第一層硅波導和第二層硅波導之間的二氧化硅中間層的厚度Gap＝300nm。

3.如權利要求1所述的一種基于硅基光波導的三維波導交叉器，其特征在于：二氧化硅下包層、二氧化硅中間層、二氧化硅上包層的折射率為1.445，硅襯底的折射率為3.455。

4.權利要求1、2或3所述的一種基于硅基光波導的三維波導交叉器的制備方法，其步驟如下：

1)第一片SOI晶圓的準備：將第一片SOI晶圓清洗處理后烘干；

2)刻蝕形成第一層硅波導：在第一片SOI晶圓的頂層硅表面旋涂193nm波長深紫外的氟化氬光刻膠0.5μm，在120℃下烘30秒，以增強光刻膠的黏附性，釋放光刻膠膜內的應力；接著將掩模版的對準標記與晶圓上的切割線對準，固定掩模版，使用193nm波長的激光光源掃描過掩模版，選擇掩模版的結構使第一層硅波導結構之外需要刻蝕地方的光刻膠被曝光，而第一層硅波導結構之內的光刻膠未被曝光，從而完成硅波導圖形從掩模版到晶圓的傳遞；然后使用化學顯影液四甲基氫氧化銨顯影60秒，曝光的光刻膠被去除，而未曝光的光刻膠不受影響；顯影完成后通過旋轉甩掉多余顯影液，并用去離子水清洗后甩干，再在100℃下烘2分鐘，完全蒸發掉光刻膠里面的溶劑；采用感應耦合等離子法刻蝕SOI晶圓表面未受光刻膠保護的頂層硅，刻蝕深度為220nm全刻蝕；刻蝕完成后去除光刻膠，得到由第一輸入波導Core1、第一耦合波導Core2和第一輸出波導Core3構成的第一層硅波導陣列；

3)沉積SiO₂中間層：通過增強等離子體化學氣相沉積的方法，在上下電極溫度分別為300℃和250℃、反應壓強為4758Pa、射頻源輸出功率為700W的條件下，使用硅烷及笑氣在流量分別為17sccm和2000sccm下，反應生成SiO₂、N₂、H₂，從而在第一層硅波導陣列上沉積0.5μm厚的SiO₂層；該SiO₂層覆蓋第一層硅波導表面的同時，也將第一層硅波導陣列間的空隙填滿；再采用化學機械的方法控制SiO₂層的厚度，使第一層硅波導表面上SiO₂層的厚度為0.2μm；

4)第二片SOI晶圓的準備：將第二片SOI晶圓清洗處理后烘干；

5)沉積研磨形成二氧化硅中間層：在第二片SOI晶圓的頂層硅表面通過增強等離子體化學氣相沉積的方法生長1μm厚的SiO₂層，再利用化學機械研磨的方法將該SiO₂層的厚度研磨至0.1μm；

6)利用晶圓鍵合方法制備雙片SOI晶圓結構：將步驟5)得到的第二片SOI晶圓和步驟3)得到的第一片SOI晶圓共同在NH₄OH、H₂O₂和H₂O的混合溶液中浸泡10分鐘，NH₄OH、H₂O₂和H₂O的摩爾比為0.2：1：5；再用去離子水清洗5分鐘，完成SiO₂表面活化；將經表面活化處理后的第二片SOI晶圓倒置后與第一片SOI晶圓鍵合，再經500℃退火后形成穩定的SiO₂-SiO₂化學鍵，構建出雙片SOI晶圓結構，鍵合后的SiO₂層作為二氧化硅中間層，厚度為0.3μm；

7)粗拋第二片SOI晶圓的底層硅：利用化學機械研磨的方法將第二片SOI的底層硅減薄至1μm；

8)完全去除第二片SOI晶圓的底層硅：利用化學機械研磨的方法進行細磨，控制刻蝕速率，通過膜厚儀表征，完全去除第二片SOI晶圓的底層硅；

9)去除第二片SOI晶圓的二氧化硅掩埋層：利用化學機械研磨的方法對第二片SOI晶圓的二氧化硅掩埋層進行研磨，去除第二片SOI晶圓的二氧化硅掩埋層，留下第二片SOI晶圓0.22μm厚的頂層硅，用于制備第二層硅波導；

10)等離子刻蝕形成第二層硅波導：在第二片SOI晶圓的頂層硅表面旋涂193nm波長深紫外的氟化氬光刻膠，然后利用深紫外光刻工藝，將第二光刻版上第二層硅波導圖形轉移至光刻膠上，采用與制備第一層硅波導相同的刻蝕工藝，制備由第二輸入波導Core4、第二耦合波導Core5和第二輸出波導Core6構成的第二層硅波導陣列；第二光刻版與第一光刻版的結構相同，第二光刻版與第一光刻版間成90度角設置，從而得到十字交叉的第一層硅波導陣列和第二層硅波導陣列；

11)沉積SiO₂上包層：采用等離子體增強化學氣相沉積方法在第二層硅波導表面沉積SiO₂層，該SiO₂層在覆蓋第二層硅波導表面的同時，也將第二層硅波導陣列間的空隙填滿；第二層硅波導表面的SiO₂層為二氧化硅上包層，其厚度為1μm，從而制備得到基于硅基光波導的三維光交叉器。