亞波長y分支波導(dǎo)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種亞波長Y分支波導(dǎo)及制備方法。首先，在含氧基底表面沉積硬掩膜；隨后，在所述硬掩膜表面制作出Y型周期性光刻膠圖形層；接著，以該Y型周期性光刻膠圖形層為掩膜制備Y型周期性硬掩膜圖形層；最后，以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的亞波長Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)緊湊，制備方法能與集成電路工藝兼容。
【專利說明】亞波長Y分支波導(dǎo)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，特別是涉及一種亞波長Y分支波導(dǎo)及制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著硅集成電路特征尺寸的下降，單位面積晶體管密度呈指數(shù)增長，2020年特征尺寸為IOnm左右的制造工藝將投入量產(chǎn)，晶體管密度將是2009年的16倍。隨著芯片的特征面積越來越小、信號(hào)的時(shí)鐘頻率越來越高、信號(hào)對(duì)時(shí)鐘同步要求越來越復(fù)雜等，以銅互連為基礎(chǔ)的電互連技術(shù)將越來越難以滿足芯片間高密度光通信和光交換持續(xù)增長的需求。
[0003]光互連技術(shù)由于具備帶寬大、功耗低、延遲短、無串?dāng)_和匹配及電磁兼容等優(yōu)勢，成為滿足高速計(jì)算和海量信息傳輸要求的關(guān)鍵技術(shù)。比較而言，光通信的延遲主要取決于光交換的體系結(jié)構(gòu)，功耗主要消耗在光電轉(zhuǎn)換端點(diǎn)上，在傳遞過程中并不增加額外的功耗，因此有助于降低全局通信延遲和提高全局通信的帶寬/功耗比值。而且，在較低的損耗條件下，能有效地避免高速信號(hào)傳輸所引起的串?dāng)_，降低信號(hào)失真的發(fā)生等問題，實(shí)現(xiàn)較高的信號(hào)完整性。此外，光互連技術(shù)不受到芯片引腳的限制，可大大增加片外帶寬，因此采用光互連可以克服電互連的電磁干擾和帶寬瓶頸，獲得更好的系統(tǒng)性能，支持更大規(guī)模的集成電路芯片互連網(wǎng)絡(luò)；低功耗高密度光電接口模塊的使用，還可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，獲得更高的系統(tǒng)密度。
[0004]與早期基于II1-V族光器件和光纖網(wǎng)絡(luò)組裝構(gòu)建的光互連系統(tǒng)相比，基于集成電路工藝的硅基光電集成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光電集成，可大批量生產(chǎn)，同時(shí)具有低成本和高速率的優(yōu)勢，逐漸成為解決互連問題的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)成硅基光電集成芯片的核心無源器件是光波導(dǎo)，其功能等同于光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖，用于光信號(hào)的傳輸，也是各類核心硅基光電器件的必要組成部分。目前在硅基光波導(dǎo)中最常用到的單模光波導(dǎo)是500nmX220nm的納米線光波導(dǎo)，與集成電路發(fā)展到32nm的主流技術(shù)相比，光波導(dǎo)和對(duì)應(yīng)的光器件顯得尤為笨重，因此低功耗和小尺寸也是硅基光電集成芯片和核心器件的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)光電集成的技術(shù)要求。
[0005]Y分支波導(dǎo)作為集成光學(xué)中的基礎(chǔ)波導(dǎo)單元被廣泛應(yīng)用于光分路器、光調(diào)制器、光開關(guān)、復(fù)用/解復(fù)用器以及光纖陀螺多功能芯片等集成光學(xué)器件中。而亞波長波導(dǎo)，顧名思義就是比光波長還要小一個(gè)數(shù)量級(jí)的光波導(dǎo)，對(duì)于通信波段而言就是尺寸在于百納米量級(jí)特征線寬的波導(dǎo)。傳統(tǒng)的Y分支器件尺寸并不能滿足亞波長尺度的需要，不利于納米光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展以及光電集成的小尺寸化的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單且吸收損耗小的亞波長Y分支波導(dǎo)。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種能與集成電路工藝兼容的制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法。[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法，其至少包括:
[0009]A)在含氧基底表面沉積硬掩膜；
[0010]B)在所述硬掩膜表面制作出Y型周期性光刻膠圖形層；
[0011]C)以該周期性Y型光刻膠圖形層為掩膜制作出Y型周期性硬掩膜圖形層；
[0012]D)以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選地，以該周期性Y型光刻膠圖形層為掩膜、采用反應(yīng)離子束刻蝕或者離子束刻蝕來形成Y型周期性硬掩膜圖形層。
[0014]優(yōu)選地，以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜、采用深反應(yīng)離子束刻蝕或反應(yīng)離子束刻蝕對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明提供一種亞波長Y分支波導(dǎo)，其至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地,所述含氧基底為絕緣體上的娃、絕緣體上的娃鍺或者絕緣體上的鍺。
[0017]優(yōu)選地，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形。
[0018]優(yōu)選地，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米~200納米。
[0019]優(yōu)選地，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2~4倍。
[0020]優(yōu)選地，含氧基底的頂層厚度范圍在0.5^10微米。
[0021]優(yōu)選地，含氧基底的二氧化硅埋層厚度為0.5^3微米。
[0022]優(yōu)選地，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)分支所包含的柱體超過5個(gè)。
[0023]優(yōu)選地，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的兩分支的夾角在0-180度之間。
[0024]如上所述，本發(fā)明的亞波長Y分支波導(dǎo)及制備方法，具有以下有益效果:能夠避免基于金屬材料的亞波長器件所具有的吸收引起的損耗，結(jié)構(gòu)緊湊，而且與集成電路工藝兼容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1至圖6顯示為本發(fā)明的制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法流程圖。
[0026]圖7顯示為加工完成的本發(fā)明的SOI襯底上的 亞波長Y分支波導(dǎo)示意圖。
[0027]元件標(biāo)號(hào)說明
[0028] 1SOI基底
11硅襯底
12二氧化硅埋層
13頂層硅
2硬掩膜
3光刻膠圖形層
4硬掩膜圖形層
5娃圓柱
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0030]請(qǐng)參閱圖1至圖7。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0031]本發(fā)明的制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法至少包括以下步驟:
[0032]第一步:在含氧基底表面沉積硬掩膜。
[0033]例如，提供一片作為含氧基底的SOI基底1，如圖1所示，該SOI基底I包括硅襯底
11、二氧化硅埋層12及頂層硅13。其中，該SOI基底I厚度500微米，二氧化硅埋層12的厚度為2微米，頂層硅13的厚度為I微米。
[0034]對(duì)該SOI基底I進(jìn)行氧化，在頂層硅13上形成100納米Si02作為硬掩膜2，如圖2所示。
[0035]第二步:在所述硬掩膜表面制作出周期性Y型光刻膠圖形層。
[0036]例如，在圖2所示的結(jié)構(gòu)正面進(jìn)行光刻，形成圓狀Y型光刻膠圖形層3，如圖3所示，其中，Y型光刻膠圖形層3由根部10個(gè)周期的圓柱及每一分支7個(gè)周期的圓柱構(gòu)成，周期為300nm,光刻膠圖形層單個(gè)圓柱直徑為IOOnm,分支間的夾角為60度。
[0037]第三步:以該周期性Y型光刻膠圖形層為掩膜制作出Y型周期性硬掩膜圖形層。
[0038]例如，以圖3所示的周期性Y型光刻膠圖形層為掩膜，采用反應(yīng)離子束刻蝕硬掩膜2，也就是刻蝕Si02，來形成Y型周期性硬掩膜圖形層4，如圖4所示。
[0039]第四步:以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。[0040]例如，以圖4所示的Y型周期性硬掩膜圖形層4為掩膜，采用深反應(yīng)離子束刻蝕頂層硅13，形成Y型周期性硅圓柱5，如圖5所示，其中，硅圓柱5高度I微米；隨后再去除光刻膠圖形層3，形成能傳輸用于1.55微米通信波段的亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。
[0041]需要說明的是，上述所述僅僅只是列示，而非對(duì)本發(fā)明的限制，例如，采用的含氧基底還可以為絕緣體上的硅鍺(GeSiOI)、或者絕緣體上的鍺(GeOI)等；又例如，也可以在含氧基底表面沉積一層SiON或者SiNx作為硬掩膜等。
[0042]基于上述制備方法所制備的亞波長Y分支波導(dǎo)至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0043]其中，所述含氧基底為絕緣體上的娃(SOI)、絕緣體上的娃鍺或者絕緣體上的鍺等；含氧基底的頂層厚度范圍在0.5^10微米；含氧基底的二氧化硅埋層厚度為0.5^3微米。
[0044]其中，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形，Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米~200納米；Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2~4倍。
[0045]如圖7所示，其為采用本發(fā)明的制備方法加工完成的SOI襯底上的亞波長Y分支波導(dǎo)。其中，Y分支間的夾角為60度。在其他尺寸不變只是改變分支之間的夾角時(shí)，測試表明，在1.55um波長，當(dāng)夾角小于140度時(shí),該亞波長Y分支波導(dǎo)的傳輸效率大于90%,小于160度時(shí)，傳輸效率大于75%。
[0046]綜上所述，本發(fā)明的基于硅鍺等集成電路兼容的高折射率材料，利用類似于金屬表面等離激元的共振耦合原理，利用圓柱陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞波長Y分支波導(dǎo)，相對(duì)于常用的硅納米線波導(dǎo)尺寸縮小到亞波長尺度，利于減小芯片面積以及光電集成；與采用光子晶體線缺陷的Y分支波導(dǎo)相比結(jié)構(gòu)更簡單面積占用更小；與金屬表面等離激元原理的金屬亞波長波導(dǎo)相比避免了吸收損耗；而且具有集成電路工藝兼容的特性。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0047]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法，其特征在于，所述制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法至少包括: A)在含氧基底表面沉積硬掩膜； B)在所述硬掩膜表面制作出Y型周期性光刻膠圖形層； C)以該Y型周期性光刻膠圖形層為掩膜制作出Y型周期性硬掩膜圖形層； D)以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法，其特征在于:以該周期性Y型光刻膠圖形層為掩膜、采用反應(yīng)離子束刻蝕或者離子束刻蝕來形成Y型周期性硬掩膜圖形層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備亞波長Y分支波導(dǎo)的方法，其特征在于:以Y型周期性硬掩膜圖形層為掩膜、采用深反應(yīng)離子束刻蝕或反應(yīng)離子束刻蝕對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
4.一種亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于，所述亞波長Y分支波導(dǎo)至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長波的Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:所述含氧基底為絕緣體上的硅、絕緣體上的硅鍺或者絕緣體上的鍺。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:Y型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:Υ型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米~200納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:Υ型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2~4倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:含氧基底的頂層厚度范圍在0.5~10微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:含氧基底的氧化硅埋層厚度為0.5^3微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:Υ型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)分支所包含的柱體超過5個(gè)。
12.權(quán)利要求4所述的亞波長Y分支波導(dǎo)，其特征在于:Υ型周期性柱體結(jié)構(gòu)中的兩分支的夾角在0-180度之間。
【文檔編號(hào)】G02B6/13GK103809238SQ201210446936
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】武愛民, 甘甫烷, 李 浩, 盛振, 王曦 申請(qǐng)人:江蘇尚飛光電科技有限公司, 中科院南通光電工程中心, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所