專利名稱：絕緣體上硅基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于微機(jī)械加工的SOI(Silicon-On-Insulator 絕緣體上硅)基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器，具體的說是一種利用硅晶片不同晶面的選擇性腐蝕 特性，采用體硅微機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制作方法。
技術(shù)背景20世紀(jì)60年代以來，光電子集成獲得了長足的發(fā)展。集成電路發(fā)展的主流趨勢(shì)就是 集成系統(tǒng)的小型化。在用于通信波段的眾多波導(dǎo)材料中，SOI材料特有的三明治結(jié)構(gòu)在光 電子器件的制備上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，硅和二氧化硅材料的折射率分別為3.45和1.4， 高對(duì)比的折射率大大提高了光信號(hào)在SOI基光電子器件中的傳輸效率，而Si02材料的折射 率與空氣(折射率為l)極為相近，即使沒有表面覆蓋層，SOI基光電子器件仍具有很好的對(duì) 稱環(huán)境，很大程度的簡化了大部分光電子集成器件的制作工藝。除此之外，SOI材料還有 著無與倫比的成本優(yōu)勢(shì)、工藝成熟性、與IC工藝兼容等特點(diǎn)，成為最有競爭力的實(shí)現(xiàn)光 學(xué)集成和光電子集成的候選材料。長期以來，SOI亞微米器件并沒有大規(guī)模的應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)。 一個(gè)很重要的原因是由于單模傳輸波導(dǎo)中的模斑尺寸小于1//m，而普通單模光纖中的模斑尺寸為8 — 10/zm，由于二者之間模斑尺寸及有效折射率失配，光從光纖進(jìn)入這種小尺寸的波導(dǎo)通常會(huì)帶來很大的損耗。所以在集成光電子學(xué)領(lǐng)域，小尺寸光電子器件與光纖之間的耦合問題是一個(gè)長 期具有挑戰(zhàn)性的課題。自60年代光電子研究開始，基于損耗分析，為了降低光纖和波導(dǎo)以及光纖和光子晶 體之間的模式失配和有效折射率失配，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了許多耦合方法。在集成 電路中，通常采用楔形結(jié)構(gòu)作為模斑轉(zhuǎn)換器來跟外界的元件連接。楔形模斑轉(zhuǎn)換器的功能 就是把光纖中的模式轉(zhuǎn)化為波導(dǎo)中的模式。正向楔形結(jié)構(gòu)是最直觀的一種結(jié)構(gòu)，與光纖連 接的一端擴(kuò)展為光纖尺寸大小，與小尺寸光電子器件連接的一端拉成楔形， 一般包括二維 楔形模斑轉(zhuǎn)換器和三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器兩種結(jié)構(gòu)。其中，二維楔形模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)較簡單， 研究較成熟，目前已通過對(duì)邊界曲線形狀和耦合長度的控制實(shí)現(xiàn)了較高的耦合效率。然而， 由于在垂直方向的尺寸限制，其模場分布一般為扁平的橢圓形，與通用光纖的圓形高斯模 場分布嚴(yán)重失配，大大降低了光纖與耦合器入射波導(dǎo)的耦合效率，在實(shí)際應(yīng)用上具有很大 的局限性。目前三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的研究主要集中在理論分析和模擬上，水平方向和垂直方向靈活的尺寸變化使其有效提高了與光纖模場的匹配，具有更高的實(shí)用價(jià)值。由于工 藝水平的限制，SOI基三維模斑轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，主要采用灰度掩膜技術(shù)(參見文獻(xiàn) Fabrication and characterization of three-dimensional silicon tapers ， 29 December 2003 / Vol. 11， No. 26 / OPTICS EXPRESS)。該方法主要采用深紫外曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)，工藝要求高，過程較 復(fù)雜，曝光及刻蝕過程可控性較差，器件尺寸精度較低。因此我們提出了一種利用硅微機(jī) 械加工工藝制作的SOI上的三維耦合器，制作工藝穩(wěn)定可靠，而且能夠大大提高光纖與硅 基波導(dǎo)之間的耦合效率。目前，針對(duì)硅晶體的各向異性特性的研究日臻成熟，體硅微機(jī)械加工工藝也日益完善， 硅晶圓在各向異性腐蝕溶液如KOH中的腐蝕遇到(111)面會(huì)產(chǎn)生近乎腐蝕停止的特性。 這是由于硅(lll)面上每一個(gè)硅表面原子僅一個(gè)懸掛鍵，其初始反應(yīng)僅與一個(gè)OH—結(jié)合，緊 接著的反應(yīng)打斷硅表面原子的三個(gè)背鍵，需轉(zhuǎn)移3個(gè)電子到導(dǎo)帶，且要結(jié)合三個(gè)OH—，形 成含水的硅化合物Si(OH)4后，再與KOH進(jìn)一步反應(yīng)形成硅絡(luò)合物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅表面的 腐蝕。相比較而言，(lll)表面硅原子有三個(gè)背鍵，且背鍵上的電子對(duì)應(yīng)的能級(jí)較低，而(IOO) 面每個(gè)硅原子只有兩個(gè)背鍵，(110)面雖然每一個(gè)表面原子也有三個(gè)背鍵，但其背鍵表面態(tài) 能級(jí)較高，且(110)面與隧道方向相應(yīng)，H20容易穿透，所以，在KOH溶液中，(lll)面的 腐蝕速率遠(yuǎn)小于(100)面和(110)面，在50。C濃度為40%的KOH溶液中，(IIO)面、(IOO)面 與(lll)面的腐蝕速率比約為650:400:1。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用微機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)的絕緣體上硅的三維楔 形模斑轉(zhuǎn)換器及其制作方法，所涉及的初始加工材料為頂層硅晶向?yàn)闉?lll)的SOI材料， 利用硅晶片不同晶面的選擇性腐蝕特性，采用各向異性腐蝕、光刻、干法刻蝕等微電子相 關(guān)工藝加工得到在水平和垂直方向同時(shí)做線性變化的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器， 其特征在于所述的模斑轉(zhuǎn)換器包括與光纖等光源設(shè)備連接的耦合器輸入波導(dǎo)端，與硅基 光電子器件相接的耦合器輸出波導(dǎo)端，連接耦合器輸入波導(dǎo)端和耦合器輸出波導(dǎo)端的在垂 直和水平方向均有線性變化的三維楔形耦合器。所述的楔形耦合器縱向線性變化的斜率為0.06 0.07，耦合器輸入波導(dǎo)端的截面尺寸為5 12;/m，耦合器輸出波導(dǎo)端的截面尺寸為0.1 ;/m 2//m ，且輸入端的尺寸大于輸出 端的尺寸。所述的耦合器輸出波導(dǎo)(2)與模斑轉(zhuǎn)換器小尺寸端厚度均為0.1//m 2;/w， 二者厚度相當(dāng)，且相互平滑連接。所述的耦合器輸入輸出波導(dǎo)的方向平行于SOI片的對(duì)準(zhǔn)邊。 一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括下列步驟(1) 確定選用SOI圓片參數(shù)，包括頂層硅厚度、埋氧層厚度和摻雜類型等，根據(jù)實(shí)際耦 合需要確定三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器輸入/輸出波導(dǎo)端尺寸、耦合長度，進(jìn)行光刻版的 制作；(2) 氧化，在SOI表面形成氧化層；(3) 光刻，腐蝕，在氧化層表面形成各向異性腐蝕窗口；(4) 將樣片置于各向異性腐蝕溶液中腐蝕；(5) 去氧化層，獲得與SOI表面呈傾斜角為4。 ±1°的斜面，其縱向尺寸呈線性變化， 長度及厚度均可控制，垂直方向的斜率為0.06 0.07;(6) 光刻，刻蝕，將耦合器輸出波導(dǎo)區(qū)域減薄至與斜面較薄端厚度相當(dāng)，二者厚度可達(dá)0,012 //附；(7) 套準(zhǔn)光刻，采用光刻膠作為掩膜進(jìn)行干法刻蝕，得到在垂直和水平方向均線性變化 的模斑轉(zhuǎn)換器；(8) 去膠，劃片，清洗，完成同時(shí)在垂直方向和水平方向線性變化的SOI基三維楔形模 斑轉(zhuǎn)換器的制作。上述的歩驟(1)的SOI圓片選用頂層硅晶面為(lll)的SOI圓片為初始材料，襯底硅 為(lll)晶面，或(100)晶面或(110)晶面。上述的步驟(4)制作過程所需要的各向異性腐蝕過程在KOH、 TMAH等溶液中完成。有效果本發(fā)明的加工方法具有工藝簡單，可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所制作的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器在垂直方向和水平方向的尺寸變化及耦合長度均可根據(jù)不同器件需求靈活變化，與ic工藝兼容，可以有效提高通用光纖和小尺寸平面波導(dǎo)等光電子器件的耦合效率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


圖1為本發(fā)明的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖，其中1—耦合器輸入波導(dǎo)端 2—耦合器輸出波導(dǎo)端 3—三維楔形耦合器圖2 — 8為本發(fā)明的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器部分工藝流程示意圖，其中
圖2為未處理過的頂層硅為(lll)的SOI圓片；
圖3為SOI表面氧化后示意圖4為腐蝕窗口示意圖5為各向異性腐蝕結(jié)果示意圖6為去氧化層后示意圖7為耦合器輸出波導(dǎo)區(qū)域減薄后示意圖8為SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限
定的范圍。
本發(fā)明所涉及的SOI材料，頂層硅晶面為(111)。在生產(chǎn)過程中，由于單晶硅(lll)面 表面懸掛鍵密度很小，且極易產(chǎn)生鈍化，故SOI圓片生產(chǎn)廠商所提供的(lll)圓片表面并不 是真正的(lll)面，而是與(lll)面呈一定夾角的晶面，此夾角一般為4。 ±1° 。
在各向異性腐蝕過程中，(lll)面具有極低的腐蝕速率。因此，經(jīng)過一段時(shí)間的腐蝕
后，S0I圓片表面所露出的邊界就是真正的(111)晶面，與原SOI表面呈約4。的夾角。
利用頂層硅為(lll)的SOI材料這一特性，將SOI材料表面氧化后，光刻刻蝕在材料表 面開腐蝕窗口，在KOH或TMAH等各向異性腐蝕溶液中腐蝕足夠時(shí)間，根據(jù)硅晶片不同 晶面的選擇性腐蝕特性，材料表面有真正的硅(lll)晶面露出。去除氧化層后即可在SOI材 料表面得到傾斜角為4°左右的(U1)斜面，其縱向尺寸呈線性變化，長度及厚度均可嚴(yán)格 控制，垂直方向的斜率為0.06 0.07。得到該(lll)斜面后，進(jìn)一步光刻并采用干法刻蝕工 藝，將耦合器輸出波導(dǎo)區(qū)域減薄至與斜面較薄端厚度相當(dāng)，二者厚度根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)器件要 求而定， 一般可達(dá)0.01//m 2/zw。去膠、清洗后，使用帶有二維楔形耦合器圖形的光刻
版套刻，該圖形在水平方向的尺寸變化可根據(jù)不同器件要求而定，具有較強(qiáng)的靈活性。仍 采用干法刻蝕工藝刻蝕加工，以實(shí)現(xiàn)耦合器水平方向的線性變^:，從而得到縱向尺寸和橫 向尺寸同時(shí)線性變化的S0I基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器。該方法制作的耦合器(線性變化的(111) 斜面)部分表面質(zhì)量良好，粗糙度RMS值僅為0.78nm，大大降低了由于器件表面粗糙引起的散射損耗。 實(shí)施1:
選用4寸SOI圓片，頂層硅晶面為(lll)，厚度6/zw，埋層Si02厚度l/zw，襯底硅晶 面為(IOO)。設(shè)定三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器耦合長度為70/^7，耦合器輸入/輸出波導(dǎo)尺寸分別為 6 //w X 6 //附禾卩1 //w X 1 //w 。
(1) 氧化。在初始SOI材料表面形成厚度為1000^1的氧化層。
(2) 光刻，HF腐蝕。在氧化層上腐蝕形成尺寸為70//wX100/zw的腐蝕窗口。
(3) 置于55"濃度為40%的KOH溶液中腐蝕1.5-2小時(shí)。
(4) 清洗，去氧化層。得到厚度由6/zm線性變化至約1//w的(lll)斜面。
(5) 光刻，刻蝕。將耦合器輸出波導(dǎo)區(qū)域(與斜面小尺寸端連接的區(qū)域)干法刻蝕減薄至
1 //W 。
(6) 清洗，去膠。得到如圖2-6所示結(jié)構(gòu)。
(7) 套準(zhǔn)光刻。本步驟所使用的光刻版帶有二維楔形模斑轉(zhuǎn)換器圖形，其耦合長度為 70//w，耦合器輸入/輸出端寬度分別為6//m和1//m。采用光刻膠作為掩膜，干
法刻蝕得到水平方向尺寸線性變化的模斑轉(zhuǎn)換器外形。
(8) 去膠，劃片，清洗。
完成輸入/輸出端尺寸分別為6//wX6/zm和lpmXl;/m的垂直方向和水平方向尺 寸均線性變化的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制作。
實(shí)施2:
選用4寸SOI圓片，頂層硅晶面為(lll)，厚度9/zw，埋層SiO2厚度為0.5/zm，襯底 硅晶面為(110)。設(shè)定三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器耦合長度為130/^7，耦合器輸入/輸出波導(dǎo)尺寸 分別為9//w X9/zw和0.5/iw X0.5//w 。
(1) 氧化。在初始SOI材料表面形成厚度為3000i的氧化層。
(2) 光刻，HF腐蝕。在氧化層上腐蝕形成尺寸為130//wX130/zw的腐蝕窗口。
(3) 置于5(TC濃度為40%的TMAH溶液中腐蝕2 3.5小時(shí)。(4) 清洗，去氧化層。得到厚度由9/zm線性變化至約0.5/^的(lll)斜面。
(5) 光刻，刻蝕。將耩合器輸出波導(dǎo)區(qū)域(與斜面小尺寸端連接的區(qū)域)干法刻蝕減薄至 0.5 //w 。
(6) 清洗，去膠。得到如圖2-6所示結(jié)構(gòu)。
(7) 套準(zhǔn)光刻。本步驟所使用的光刻版帶有二維楔形模斑轉(zhuǎn)換器圖形，其耦合長度為 130//w，耦合器輸入/輸出端寬度分別為9//附和0.5//附。采用光刻膠作為掩膜，干
法刻蝕得到水平方向尺寸線性變化的模斑轉(zhuǎn)換器外形。
(8) 去膠，劃片，清洗。
完成輸入/輸出端尺寸分別為9//wX9^w禾n 0.5//mX0.5/^m的垂直方向和水平方向 尺寸均線性變化的SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制作。
權(quán)利要求
1.一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的模斑轉(zhuǎn)換器包括與光纖光源設(shè)備連接的耦合器輸入波導(dǎo)端(1)，與硅基光電子器件相接的耦合器輸出波導(dǎo)端(2)，連接耦合器輸入波導(dǎo)端(1)和耦合器輸出波導(dǎo)端(2)的在垂直和水平方向尺寸均線性變化的三維楔形耦合器(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的楔形耦合器縱向線性變化的斜率為0.06 0.07，耦合器輸入波導(dǎo)端(1)的截面尺寸為5 耦合器輸出波導(dǎo)端(2)的截面尺寸為0.1//附 2//附，且輸入端的尺寸大于輸 出端的尺寸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的耦合器 輸出波導(dǎo)(2)與模斑轉(zhuǎn)換器小尺寸端厚度均為0.1pw 2/zm， 二者厚度相當(dāng)，且相 互平滑連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的耦合器 輸入輸出波導(dǎo)的方向平行于SOI片的對(duì)準(zhǔn)邊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括下列步驟(1) 確定選用SOI圓片參數(shù)，包括頂層硅厚度、埋氧層厚度和慘雜類型，根據(jù)實(shí)際耦合 需要確定三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器輸入/輸出波導(dǎo)端尺寸、耦合長度，進(jìn)行光刻版的制 作；(2) 氧化，在SOI表面形成氧化層；(3) 光刻，腐蝕，在氧化層表面形成各向異性腐蝕窗口；(4) 將樣片置于各向異性腐蝕溶液中腐蝕；(5) 去氧化層，獲得與SOI表面呈傾斜角為4。 ±1°的斜面，其縱向尺寸呈線性變化， 長度及厚度均可控制，垂直方向的斜率為0.06 0.07;(6) 光刻，刻蝕，將耦合器輸出波導(dǎo)區(qū)域減薄至與斜面較薄端厚度相當(dāng)，二者厚度可達(dá)0.01 //附 2 /7附；(7) 套準(zhǔn)光刻，采用光刻膠作為掩膜進(jìn)行干法刻蝕，得到在垂直和水平方向均線性變化 的模斑轉(zhuǎn)換器；(8) 去膠，劃片，清洗，完成同時(shí)在垂直方向和水平方向線性變化的SOI基三維楔形模 斑轉(zhuǎn)換器的制作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制備方法，其特征在于所述的步驟(l)的SOI圓片選用頂層硅晶面為(lll)的SOI圓片為初始材料，襯底硅為(lll) 晶面，或(100)晶面或(110)晶面。 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種SOI基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器的制備方法，其特征在于所 述的步驟(4)制作過程所需要的各向異性腐蝕過程在KOH、 TMAH溶液中完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微機(jī)械加工的SOI(絕緣體上硅)基三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器及制作方法，用于光纖等光源設(shè)備與硅基波導(dǎo)等小尺寸光電子器件的高效耦合。該模斑轉(zhuǎn)換器的制作利用硅晶片不同晶面的選擇性腐蝕特性，采用體硅微機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)，屬微電子學(xué)與固體電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明采用SOI材料，利用光刻、各向異性腐蝕和干法刻蝕等微機(jī)械工藝進(jìn)行加工制作，得到在垂直和水平方向均有線性變化的三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，可以有效提高通用光纖和小尺寸平面波導(dǎo)等光學(xué)及光電子器件的耦合效率。本發(fā)明的制作方法具有工藝簡單，兼容性好，可控性強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101308230SQ20081004017
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者娜 方, 楊志峰, 武愛民, 曦 王, 靜 陳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所