一种基于多层波导材料结构的端面耦合器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种基于多层波导材料结构的端面耦合器及其制备方法，属于半导体制备技术领域。


背景技术：

2.随着光通信、互联网等飞速发展，数据传输与处理速度向更高速率发展，硅光子技术成为高速光通信器件及系统的解决方案之一。由于硅光子器件与现有cmos标准工艺兼容，可与微电子集成电路集成，实现高性能、低成本、小尺寸和高集成度的片上光互联。因此，基于soi的硅基光电子器件成为研究热点。
3.硅基光子芯片封装技术的关键部分是实现芯片片内的光信号与外部光信号(多数为光纤)的耦合连接。单模光纤的芯径约8～10微米，硅光芯片波导横截面尺寸小于1微米，两者尺寸相差较大，二者直接对接耦合的耦合损耗很大，导致耦合损耗很大，这在实际应用中是很难使用的。因此，需要在芯片的输入/输出端设计特殊的耦合器，提高耦合效率。耦合器有端面耦合和垂直光栅耦合两种方式。由于光栅耦合器耦合效率较低、不利于封装等缺点，多被用于硅光芯片的设计测试。端面耦合具有封装工艺简单、耦合效率高等特点得到了广泛的应用。
4.端面耦合是通过模斑变换器，实现芯片输入/输出端口的波导横截面与光纤的横截面直接对准，使单模光纤的模场与硅波导的模场相匹配，达到最优的耦合效率。常规平面波导类芯片的耦合方法是通过光纤阵列(fa，fiberarray)与芯片端面波导对准耦合。芯片与光纤阵列的耦合端面只使用一种胶，同时实现折射率匹配和强度粘接。
5.因此，采用合理的材料设计一种封装工艺简单、与普通单模光纤、激光器耦合效率高、对准容差大的硅基耦合器是具有重要意义的。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于多层波导材料结构的端面耦合器及其制备方法，以解决现有技术中硅基光子芯片与光纤、激光器耦合效率低的问题，提高硅波导耦合器的耦合效率和耦合容差。
7.本发明技术方案是：第一方面，本发明提供一种基于多层波导材料结构的端面耦合器，包括上包层1、衬底层2、埋氧层3、第一波导层4、第一隔离层5、第二波导层6、第二隔离层7、第三波导层8；
8.所述埋氧层3置于衬底层2之上，所述第一波导层4置于埋氧层3之上，所述第一隔离层5置于第一波导层4之上，所述第二波导层6置于第一隔离层5之上，所述第二隔离层7置于第二波导层6之上，所述第三波导层8置于第二隔离层7之上；所述第一波导层4、所述第二波导层6与所述第三波导层8同向设置；所述第一波导层4为两根输入s形波导x1和一根输出波导x2；所述第一波导层4中的输入s形波导x1，由输入锥形波导y1、输入直波导y2、s形弯曲波导y3、输入直波导y4和输出锥形波导y5依次连接构成；所述第一波导层4中的输出波导x2
由输入锥形波导h1、输入直波导h2和输出锥形波导h3依次连接构成；输入锥形波导y1的尖端和输入锥形波导h1的尖端朝向左侧，输出锥形波导y5的尖端和输出锥形波导h3的尖端朝向右侧；所述第三波导层8中的波导结构与所述第一波导层4中的波导结构相同，两层结构中对应波导结构在垂直方向对齐；所述第二波导层6为中间波导层含有一根输出波导x3，由输入锥形波导z1和输出直波导z2依次连接构成；所述上包层1置于第三波导层8之上。
9.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4、第二波导层6和第三波导层8的波导材料为硅基波导si、sin、sion或α-si。
10.作为本发明的进一步方案，所述第一隔离层5和第二隔离层7均为二氧化硅。
11.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4和第三波导层8的最左侧两根波导结构相同且对称，所述第一波导层4和第三波导层8的两根输入s形波导x1的输出端与输出波导x2在水平平面形成三波导结构的定向耦合器结构。
12.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4或第三波导层8左侧两根输入锥形波导y1间距在0.5-5μm之间。
13.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4和所述第三波导层8中的各输出波导x2与所述第二波导层6中的输出波导x3在同一垂直面并形成垂直方向的三波导结构的定向耦合器结构。
14.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4与所述第三波导层8的各输出波导x2通过dc结构实现耦合的方式耦合到所述第二波导层6中的输出波导x3。
15.作为本发明的进一步方案，波导与光纤、激光器耦合是通过以下方式实现的：四个输入锥形波导y1通过每层水平方向的三波导结构的定向耦合器将该层两根连接输入锥形波导y1的信号光耦合依次通过输入直波导y2、s形弯曲波导y3、输入直波导y4、输出锥形波导y5，最后耦合进入输出波导x2，所述第一波导层4与所述第三波导层8两层输出波导x2与所述第二波导层6的输出波导x3形成垂直方向的三波导结构的定向耦合器，通过该垂直方向的三波导结构的定向耦合器，所述第一波导层4与所述第三波导层8两层的信号光将进入所述第二波导层6输出波导x3。
16.第二方面，本发明还提供一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的制备方法，当第一层波导层材料为单晶硅，第二三层波导层材料为α-si时，所述方法的具体步骤如下：
17.step1、取一soi晶圆，用清洗溶剂进行清洗，清洗完进行光刻，其中光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再对图形进行干法刻蚀，去胶，清洗，作为第一波导层4；
18.step2、在步骤step1制作的第一波导层4上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅作为第一波导层上包层；
19.step3、在步骤step2制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第一隔离层5；
20.step4、在步骤step3制作的第一隔离层5上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
21.step5、在步骤step4制作的第一隔离层5上利用lpcvd技术沉积α-si层，再抛光清洗，进行光刻，刻蚀出第二波导层波导，作为第二波导层6；
22.step6、在步骤step5制作的第二波导层6上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第二波导层上包层；
23.step7、在步骤step6制作的第二波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第二隔离层7；
24.step8、在步骤step7制作的第二隔离层7上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
25.step9、在步骤step8制作的第二隔离层7上利用lpcvd技术沉积α-si层，再抛光清洗，进行光刻，刻蚀出第三波导层波导，作为第三波导层8；
26.step10、在步骤step9所得第三波导层8上沉积二氧化硅上包层，获得最终结构。
27.第三方面，本发明还提供一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的制备方法，当第一、二、三层波导层材料为氮化硅，所述方法的具体步骤如下：
28.step1、取一纯硅片，进行清洗，热氧化后得到埋氧层3，利用cmp技术对所得表面进行化学抛光，得到平滑表面；
29.step2、在步骤step1制作的埋氧层3上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第一波导层4；
30.step3、在步骤step2制作的第一波导层4上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第一波导层上包层；
31.step4、在步骤step3制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第一隔离层5；
32.step5、在步骤step4制作的第一隔离层5上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
33.step6、在步骤step5制作的第一隔离层5上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第二波导层6；
34.step7、在步骤step6制作的第二波导层6上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第二波导层上包层；
35.step8、在步骤step7制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第二隔离层7；
36.step9、在步骤step8制作的第二隔离层7上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
37.step10、在步骤step9制作的第二隔离层7上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第三波导层8；
38.step11、在步骤step10所得第三波导层8上沉积二氧化硅上包层，获得最终结构。
39.本发明的有益效果是：本发明通过采用三层波导结构，每层波导上都有传输波导结构和耦合波导结构，结构可靠性高，与cmos技术兼容，可实现大规模生产。封装简单，使得基于多层波导材料结构的端面耦合器可以与光纤、激光器直接更好的耦合，提高了光的耦合效率，增加了对准容差，便于大规模的光路集成。
附图说明
40.并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与
描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的结构示意图。
42.图2～图12示为实施例一中一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的制备方法，为清楚表示波导结构，省略了上包层。
43.图2为本发明实施例一中步骤1得中间结构侧面示意图。
44.图3为本发明实施例一中步骤1得中间结构俯面示意图。
45.图4为本发明实施例一中步骤1得中间结构端面示意图。
46.图5为本发明实施例一中步骤3得中间结构示意图。
47.图6为本发明实施例一中步骤5所得中间结构侧面示意图。
48.图7为本发明实施例一中步骤5所得中间结构俯面示意图。
49.图8为本发明实施例一中步骤5所得中间结构端面示意图。
50.图9为本发明实施例一中步骤7得中间结构示意图。
51.图10为本发明实施例一中步骤9得中间结构侧面示意图。
52.图11为本发明实施例一中步骤9得中间结构俯面示意图。
53.图12为本发明实施例一中步骤9得中间结构端面示意图。
54.图13为本发明第一波导层、第三波导层俯面的具体结构。
55.图14为本发明第二波导层俯面的具体结构。
56.图1-14中各标号：1-上包层、2-衬底层、3-埋氧层、4-第一波导层、5-第一隔离层、6-第二波导层、7-第二隔离层、8-第三波导层、x1-输入s形波导(y1-输入锥形波导、y2-输入直波导、y3-s形弯曲波导、y4-输入直波导、y5-输出锥形波导)、x2-输出波导(h1-输入锥形波导、h2-输入直波导、h3-输出锥形波导)、x3-输出波导(z1-输入锥形波导、z2-输出直波导)。
具体实施方式
57.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
58.下面结合附图，对根据本发明所提供的基于多层波导材料结构的端面耦合器及其制备方法进行详细描述。
59.实施例1：如图1-图14所示，第一方面，本发明提供一种基于多层波导材料结构的端面耦合器，包括上包层1、衬底层2、埋氧层3、第一波导层4、第一隔离层5、第二波导层6、第二隔离层7、第三波导层8；
60.所述埋氧层3置于衬底层2之上，所述第一波导层4置于埋氧层3之上，所述第一隔离层5置于第一波导层4之上，所述第二波导层6置于第一隔离层5之上，所述第二隔离层7置于第二波导层6之上，所述第三波导层8置于第二隔离层7之上；所述第一波导层4、所述第二
波导层6与所述第三波导层8同向设置；所述第一波导层4为两根输入s形波导x1和一根输出波导x2；所述第一波导层4中的输入s形波导x1，由输入锥形波导y1、输入直波导y2、s形弯曲波导y3、输入直波导y4和输出锥形波导y5依次连接构成；所述第一波导层4中的输出波导x2由输入锥形波导h1、输入直波导h2和输出锥形波导h3依次连接构成；输入锥形波导y1的尖端和输入锥形波导h1的尖端朝向左侧，输出锥形波导y5的尖端和输出锥形波导h3的尖端朝向右侧；所述第三波导层8中的波导结构与所述第一波导层4中的波导结构相同，两层结构中对应波导结构在垂直方向对齐；所述第二波导层6为中间波导层含有一根输出波导x3，由输入锥形波导z1和输出直波导z2依次连接构成；所述上包层1置于第三波导层8之上。
61.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4、第二波导层6和第三波导层8的波导材料为硅基波导si、sin、sion或α-si。
62.作为本发明的进一步方案，所述第一隔离层5和第二隔离层7均为二氧化硅。
63.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4和第三波导层8的最左侧两根波导结构相同且对称，所述第一波导层4和第三波导层8的两根输入s形波导x1的输出端与输出波导x2在水平平面形成三波导结构的定向耦合器结构。
64.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4或第三波导层8左侧两根输入锥形波导y1间距在0.5-5μm之间。
65.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4和所述第三波导层8中的各输出波导x2与所述第二波导层6中的输出波导x3在同一垂直面并形成垂直方向的三波导结构的定向耦合器结构。
66.作为本发明的进一步方案，所述第一波导层4与所述第三波导层8的各输出波导x2通过dc结构实现耦合的方式耦合到所述第二波导层6中的输出波导x3。
67.作为本发明的进一步方案，波导与光纤、激光器耦合是通过以下方式实现的：四个输入锥形波导y1通过每层水平方向的三波导结构的定向耦合器将该层两根连接输入锥形波导y1的信号光耦合依次通过输入直波导y2、s形弯曲波导y3、输入直波导y4、输出锥形波导y5，最后耦合进入输出波导x2，所述第一波导层4与所述第三波导层8两层输出波导x2与所述第二波导层6的输出波导x3形成垂直方向的三波导结构的定向耦合器，通过该垂直方向的三波导结构的定向耦合器，所述第一波导层4与所述第三波导层8两层的信号光将进入所述第二波导层6输出波导x3。
68.本发明的工作原理是：本发明应用于纳米线波导和光纤或激光器的耦合。来自于光纤或激光器的光信号，首先通过左端四根输入锥形波导y1耦合进入上下两层四根纳米线波导(每层各两根，共四根，如图所示)；通过每层水平方向的三波导结构的定向耦合器将该层两根连接输入锥形波导y1的信号光耦合依次通过输入直波导y2、s形弯曲波导y3、输入直波导y4、输出锥形波导y5，最后耦合进入输出波导x2；上下两层输出波导与中间层波导形成垂直方向的三波导结构的定向耦合器，通过该垂直方向的三波导结构的定向耦合器，上下两层的信号光将进入中间层输出波导，此过程即通过四个输入锥形波导和两级定向耦合器实现了输入光信号进入中间层波导。
69.第二方面，本实施例还提供如第一方面所述的一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的制备方法，当第一层波导层材料为单晶硅，第二三层波导层材料为α-si时，所述方法的具体步骤如下：
70.step1、取一soi晶圆，用清洗溶剂进行清洗，清洗完进行光刻，其中光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再对图形进行干法刻蚀，去胶，清洗，作为第一波导层4；
71.step2、在步骤step1制作的第一波导层4上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅作为第一波导层上包层；
72.step3、在步骤step2制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第一隔离层5；
73.step4、在步骤step3制作的第一隔离层5上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
74.step5、在步骤step4制作的第一隔离层5上利用lpcvd技术沉积α-si层，再抛光清洗，进行光刻，刻蚀出第二波导层波导，作为第二波导层6；
75.step6、在步骤step5制作的第二波导层6上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第二波导层上包层；
76.step7、在步骤step6制作的第二波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第二隔离层7；
77.step8、在步骤step7制作的第二隔离层7上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
78.step9、在步骤step8制作的第二隔离层7上利用lpcvd技术沉积α-si层，再抛光清洗，进行光刻，刻蚀出第三波导层波导，作为第三波导层8；
79.step10、在步骤step9所得第三波导层8上沉积二氧化硅上包层，获得最终结构。
80.实施例2，本实施例还提供如第一方面所述的一种基于多层波导材料结构的端面耦合器的制备方法，本实施例一种基于多层波导材料结构的端面耦合器结构与实施例1相同，不同之处在于，第一、二、三层波导层材料为氮化硅，所述方法的具体步骤如下：
81.step1、取一纯硅片，进行清洗，热氧化后得到埋氧层3，利用cmp技术对所得表面进行化学抛光，得到平滑表面；
82.step2、在步骤step1制作的埋氧层3上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第一波导层4；
83.step3、在步骤step2制作的第一波导层4上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第一波导层上包层；
84.step4、在步骤step3制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第一隔离层5；
85.step5、在步骤step4制作的第一隔离层5上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
86.step6、在步骤step5制作的第一隔离层5上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第二波导层6；
87.step7、在步骤step6制作的第二波导层6上利用pecvd技术沉积一层二氧化硅，作为第二波导层上包层；
88.step8、在步骤step7制作的第一波导层上包层上进行反向刻蚀，作为第二隔离层7；
89.step9、在步骤step8制作的第二隔离层7上利用cmp技术对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；
90.step10、在步骤step9制作的第二隔离层7上利用lpcvd技术沉积氮化硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到第三波导层8；
91.step11、在步骤step10所得第三波导层8上沉积二氧化硅上包层，获得最终结构。
92.上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
93.需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
94.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。