CN111239900A - 基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转换器 - Google Patents

基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转换器，包括：准备硅衬底和SOI晶圆，在硅衬底上制作凹槽；制作第一SiO2波导层以填充所述凹槽；将SOI晶圆的顶层硅键合到硅衬底表面，并去除SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层；刻蚀顶层硅，在第一SiO2波导层上形成硅波导；在硅波导和第一SiO2波导层上制作第二SiO2波导层；刻蚀第一SiO2波导层和第二SiO2波导层至凹槽底部，形成SiO2波导。本发明能够解决SiO2波导厚度受限的问题，可提高耦合效率，兼容CMOS工艺。

Description

基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转 换器
技术领域
本发明属于硅光技术领域，具体涉及基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转换器。
背景技术
硅光芯片中端面耦合波导的模斑转换技术一直是硅光芯片商用化的核心技术难点，硅波导的模斑尺寸的直径在0.5um附近，而与之耦合的单模光纤模斑尺寸约10um，巨大的模式失配造成了很大的端面耦合损耗。
现有技术中通过Inverse Taper的结构可以把硅光波导的模斑尺寸扩展到3um左右，但是由于衬底SiO2埋氧层(Box)和上包层(Cladding)厚度的限制，模斑尺寸很难进一步增加，模斑尺寸和模场对称性都不会很好；同时由于衬底硅的存在，模式容易扩散到衬底硅中。就算基于悬臂梁的结构的端面耦合波导可以避免模场泄露的问题，但是其SiO2波导厚度受到SOI晶圆埋氧层SiO2厚度的限制，比较适合和透镜光纤耦合，与单模光纤耦合依然比较困难。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够解决SiO2波导厚度受限的问题、可提高耦合效率的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法。
基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，包括如下步骤：
准备硅衬底和SOI晶圆，在所述硅衬底上制作凹槽；
制作第一SiO2波导层以填充所述凹槽；
将所述SOI晶圆的顶层硅键合到所述硅衬底表面，并去除所述SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层；
刻蚀所述顶层硅，在所述第一SiO2波导层上形成硅波导；
在所述硅波导和第一SiO2波导层上制作第二SiO2波导层；
刻蚀所述第一SiO2波导层和第二SiO2波导层至所述凹槽底部，形成SiO2波导。
进一步地，在形成SiO2波导后，还包括如下步骤：
腐蚀所述SiO2波导以下的硅衬底，形成悬臂梁结构。
进一步地，所述制作第一SiO2波导层以填充所述凹槽，具体包括：在所述硅衬底上生长SiO2材料以填充所述凹槽，并进行平坦化处理，形成第一SiO2波导层。
进一步地，所述硅波导为宽度渐变的倒锥形结构。
进一步地，所述硅波导位于所述SiO2波导的中心位置。
进一步地，所述平坦化处理的方式包括化学机械研磨处理。
模斑转换器，通过前述任一种基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法制备得到。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明利用晶圆键合的方式可以实现硅波导到SiO2波导的模斑转换，通过在硅衬底刻蚀凹槽并填充SiO2实现SiO2波导尺寸的定制化，还很容易使模场位于波导中心，进而实现和单模光纤的高效耦合，解决了现有技术中SiO2波导厚度受到SOI晶圆埋氧层SiO2厚度的限制的问题，降低了耦合精度要求，有效提高耦合效率。本方法和CMOS工艺兼容，适合大规模制造和商用化。
附图说明
图1为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S1的结构示意图；
图2为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S2的结构示意图；
图3为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S3的结构示意图；
图4为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S4的结构示意图；
图5为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S5的结构示意图；
图6为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S6的结构示意图；
图7为本发明中基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例中步骤S7的结构示意图；
图8为本发明基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法的实施例流程示意图。
其中，1硅衬底，11凹槽，2SOI晶圆，21顶层硅，22衬底硅层，23埋氧层，31第一SiO2波导层，32第二SiO2波导层，4硅波导，5SiO2波导。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，如图1-8所示(阴影部分为SiO2)，包括如下步骤：
S1：准备硅衬底1和SOI晶圆2，在所述硅衬底1上对应端面耦合波导的位置刻蚀凹槽11,如图1所示；
S2：在所述凹槽11中生长SiO2以填充所述凹槽11，并进行化学机械研磨处理，保证晶圆平坦，形成第一SiO2波导层31，完成衬底硅晶圆的准备，如图2所示；
S3：清洗SOI晶圆2表面，保证SOI晶圆2表面清洁平整，通过倒装键合方式将所述SOI晶圆2的顶层硅21键合到所述硅衬底1表面，并去除所述SOI晶圆2的衬底硅层22和埋氧层23，留下顶层硅21，如图3所示；
S4：在所述顶层硅21对应第一SiO2波导层31的中心位置处刻蚀硅波导4，所述硅波导4为宽度渐变的倒锥形结构，如图4所示；
S5：在所述第一SiO2波导层31上继续生长第二SiO2波导层32，并进行化学机械研磨处理，保证晶圆平坦，如图5所示；
S6：刻蚀第一SiO2波导层31和第二SiO2波导层32的两侧至硅衬底1，形成SiO2波导5，如图6所示；
S7：通过湿法工艺腐蚀所述SiO2波导5以下的硅衬底1，形成悬臂梁结构，如图7所示。
所述步骤S1中的凹槽的尺寸和深度根据SiO2波导的尺寸来设定。所述步骤S3中去除SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层可通过化学机械研磨和/或湿法腐蚀方法。所述步骤S4中可采用干法刻蚀方法制作硅波导，所述宽度渐变的倒锥形结构的硅波导用于将模场从硅波导过渡到SiO2波导。所述步骤S5中生长的第二SiO2波导层和所述第一SiO2波导层一起作为制备SiO2芯层的材料。
本方案采用衬底硅晶圆和SOI晶圆，通过晶圆键合的方式制作定制化尺寸的SiO2波导，将硅波导模式转换到SiO2波导模式中，实现和单模光纤的模式匹配。所述SiO2波导的定制化尺寸，可通过填充硅衬底上所述凹槽的第一SiO2波导层和在其上生长的第二SiO2波导层来控制。通过硅衬底定制化的SiO2波导结构，可以自由设定SiO2波导的尺寸，使得SiO2波导的模斑尺寸和光纤的模斑尺寸更加匹配。另外，由于SiO2波导采用悬臂梁结构，可以防止SiO2模场泄露到硅衬底中。
本发明利用晶圆键合的方式可以实现硅波导到SiO2波导的模斑转换，通过在硅衬底刻蚀凹槽并填充SiO2实现SiO2波导尺寸的定制化(现有技术中硅波导的下包层由埋氧层制得，其厚度受到埋氧层本身厚度的限制，无法自由定制)，还很容易使模场位于波导中心，进而实现和单模光纤的高效耦合，解决了现有技术中SiO2波导厚度受到SOI晶圆埋氧层SiO2厚度的限制的问题，降低了耦合精度要求，有效提高耦合效率。本方法和CMOS工艺兼容，适合大规模制造和商用化。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备硅衬底和SOI晶圆，在所述硅衬底上制作凹槽；
制作第一SiO2波导层以填充所述凹槽；
将所述SOI晶圆的顶层硅键合到所述硅衬底表面，并去除所述SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层；
刻蚀所述顶层硅，在所述第一SiO2波导层上形成硅波导；
在所述硅波导和第一SiO2波导层上制作第二SiO2波导层；
刻蚀所述第一SiO2波导层和第二SiO2波导层至所述凹槽底部，形成SiO2波导。
2.如权利要求1所述的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，在形成SiO2波导后，还包括如下步骤：
腐蚀所述SiO2波导以下的硅衬底，形成悬臂梁结构。
3.如权利要求1所述的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，所述制作第一SiO2波导层以填充所述凹槽，具体包括：在所述硅衬底上生长SiO2材料以填充所述凹槽，并进行平坦化处理，形成第一SiO2波导层。
4.如权利要求1所述的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，所述硅波导为宽度渐变的倒锥形结构。
5.如权利要求1所述的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，所述硅波导位于所述SiO2波导的中心位置。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法，其特征在于，所述平坦化处理的方式包括化学机械研磨处理。
7.模斑转换器，其特征在于，通过权利要求1-6中任一种基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法制备得到。
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