CN112558219A - 一种光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光器件及其制造方法，涉及光器件制造技术领域，用于降低光器件中光栅的耦合损耗，提升光器件的效率。该光器件包括：基底。基底包括衬底，以及设置在衬底上的光波导和光栅，光栅位于光波导的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出光波导。沿着基底的厚度方向，贯穿衬底开设的沟槽，沟槽位于光栅所在的区域的下方。以及形成在沟槽内的金属反射层，金属反射层至少覆盖沟槽的槽底。本发明还提供了一种光器件的制造方法用于制造光器件。
Description
技术领域
本发明涉及光器件制造技术领域，特别是涉及一种光器件及其制造方法。
背景技术
在实际的光器件中，通常包括光栅以及光波导。其中，当光波传输至光栅所在区域时，会在光栅处形成折射和反射，折射的光波会射出光栅，并耦合至或耦合出光波导中，而被光栅反射的光波到达衬底，会被衬底吸收，从而造成了光损耗，影响光器件的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供光器件及其制造方法，可以减少光损耗，提升光器件的效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种光器件，包括：
基底。基底包括衬底，以及设置在衬底上的光波导和光栅，光栅位于光波导的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出光波导。
沿着基底的厚度方向，贯穿衬底开设的沟槽，沟槽位于光栅所在的区域的下方。
以及形成在沟槽内的金属反射层，金属反射层至少覆盖沟槽的槽底。
与现有技术相比，本发明提供的光器件中，通过在位于光栅所在的区域的下方开设贯穿衬底的沟槽，并在沟槽内形成金属反射层，且该金属反射层至少覆盖沟槽的槽底。在此情况下，基于反射原理，光波在金属材料的靠近光栅的一侧的表面发生光反射，且金属对光的反射率高于衬底材料对光的反射率，当光波传输至光栅所在区域时，被光栅反射的光波到达金属反射层后，会被再次反射回去，进而被再次利用，使更多的光波能够耦合至或耦合出光波导。因此，本发明提供的光器件能够降低光栅的耦合损耗，提高了光器件的效率。
本发明还提供一种光器件的制造方法，该光器件的制造方法包括：
提供基底。基底包括衬底，以及设置在衬底上的光波导和光栅，光栅位于光波导的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出光波导。
沿着基底的厚度方向，在衬底内开设贯穿衬底的沟槽，沟槽位于光栅所在的区域的下方。
在沟槽内形成金属反射层，金属反射层至少覆盖沟槽的槽底。
与现有技术相比，本发明提供的光器件的制造方法的有益效果与上述技术方案的光器件的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的光器件的结构示意图一；
图2是本发明实施例提供的光器件的结构示意图二；
图3至图5是本发明实施例提供的光器件的制造方法的各个阶段状态示意图；
其中，图4a至图4h是本发明实施例提供的光器件的制造方法中形成沟槽的各个阶段状态示意图；
其中，图5a和图5b是本发明实施例提供的光器件的制造方法中形成介质层的各个阶段状态示意图。
附图标记：
1为衬底，2为光波导，3为光栅，4为沟槽，5为金属反射层，6为包层，7为介质层，8为掩膜图案，9为目标深度的凹槽，10为载片晶圆。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。
图1示出了本发明实施例提供的光器件的结构示意图。如图1所示，为了提高光器件的效率，降低光器件中光栅3的耦合损耗，本发明实施例提供了一种光器件。该光器件包括：基底，沿着基底的厚度方向，贯穿衬底1开设的沟槽4，以及形成在沟槽4内的金属反射层5。
如图1所示，上述基底包括衬底1，以及设置在衬底1上的光波导2和光栅3。其中，光栅3位于光波导2的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出光波导2。
具体的，上述基底的材质，衬底的材质，光波导的材质和结构，以及光栅的材质和结构可以根据光器件的种类、以及实际应用场景进行选择，在此不作限定。
如图1所示，上述沟槽4位于光栅3所在的区域的下方。应理解，该沟槽4的开口宽度应至少等于该光栅3的宽度。例如，沟槽4的开口宽度可以大于光栅3的宽度，以保证当在沟槽4中添加金属反射层5后，可以保证金属反射层5尽可能多的将光栅3反射的光波再次反射回去，从而提高光器件的效率，降低光栅3的耦合损耗。
如图1所示，上述金属反射层5至少覆盖沟槽4的槽底。应理解，这里的沟槽4的槽底是指远离沟槽4的开口方向的沟槽4的底部。金属反射层5应至少覆盖在沟槽4的槽底。当然，金属反射层5也可以形成在基底的背面(即衬底1远离光栅3的一侧)。至于沿着基底的厚度方向，金属反射层5的厚度在此不作限定。例如，金属反射层5的厚度可以小于沟槽4的深度，或者金属反射层5的厚度可以等于沟槽4的深度。需要说明的是，上述金属反射层5的材料可以为铝、铜、金、银、铂、钛中的一种或多种。
在实际应用中，由于不同的金属对不同波段的光波的吸收效果不同，且金属反射层的厚度也会对反射效果产生很大的影响。例如，对1.5μm～1.6μm波段，如果采用银为材料来形成金属反射层，若厚度小于100nm，会对光有较强的吸收。所以当金属反射层的材料选择为银时，其厚度需要大于100nm。又例如以金为材料，则会发现其对于1.5μm～1.6μm波段的光波吸收效果会强于银一倍以上。因此，在此对形成金属反射层的金属材料需要根据具体的条件和要求来进行具体的设计。
在实际应用中，当光路为由光栅进入光波导中时，光波传输至上述光器件的光栅所在区域时，光波会在光栅处形成折射和反射，折射的光波会射出光栅，耦合至光波导中。而被光栅反射的光波到达位于光栅所在的区域的下方的金属反射层，会被金属反射层再次反射回去，从而使这部分被反射的光波能够进入到光波导中，与之前折射进入光波导的光波进一步耦合，从而提高了光器件的效率，降低了光栅的耦合损耗。由于光路的可逆性，当光路为由光波导进入光栅所在区域中时，原理是一致的，在此不再赘述。
图2示例出本发明实施例提供的光器件的结构示意图。如图2所示，上述基底还包括形成在衬底1表面的包层6。上述光波导2和光栅3形成在包层6内。应理解，包层6的材质可以为二氧化硅(SiO2)等，在此不作限定。
如图2所示，当上述金属反射层5的厚度小于沟槽4的深度，且沟槽4的开口宽度大于0、且小于或等于第一阈值的情况下，需要对衬底1进行减薄处理。具体的，在对基底的背面进行减薄前，需要将基底的正面上临时键合一载片晶圆。该载片晶圆10的存在可以确保对基底的背面的衬底1进行减薄时，不会对基底正面上形成的结构造成损伤。同时，因减薄后的基底厚度较小，使得减薄后基底的质地较软。在此情况下，因包层6位于光栅3下面的部分的厚度较小，同时金属反射层5的厚度也较小，为了防止去除载片晶圆10时，包层6位于光栅3下面的部分和金属反射层5破损，上述基底还包括形成在沟槽4内的介质层7。该介质层7位于金属反射层5背离光栅3的一侧。该介质层7的材料可以为二氧化硅(SiO2)或树脂材料。这里的树脂材料可以为酚醛树脂等，在此不作限定。
图3～图5示例出了本发明实施例提供的光器件的制造方法的各个阶段的状态。如图3～图5所示，本发明实施例还提供了一种光器件的制造方法，用于制作上述光器件。该光器件的制造方法包括：
如图3所示，提供基底。该基底包括衬底1，以及设置在衬底1上的光波导2和光栅3，光栅3位于光波导2的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出光波导2。具体的，上述基底的具体结构、衬底1的材质等可以参考前文，此处不再赘述。示例性的，基底还可以包括形成在衬底1表面的包层6。光波导2和光栅3形成在包层6内。其中，包层6所含有的材料可以为二氧化硅、高聚物材料等。
如图4所示，沿着基底的厚度方向，在衬底1内开设贯穿衬底1的沟槽4，沟槽4位于光栅3所在的区域的下方。
在实际应用过程中，通过湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺能够形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值在1：30～1：50之间。具体的，在上述范围内，沟槽的开口宽度越宽，相应的通过上述两种工艺所能够形成的沟槽的深度越深。一般的，在沟槽的开口宽度小于或等于15μm的情况下，通过上述两种刻蚀工艺所形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值在1：30左右。在沟槽的开口宽度大于15μm的情况下，通过上述两种刻蚀工艺所形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值能够达到1：50左右。基于此，可以根据衬底的厚度、沟槽所需要开设的宽度以及上述两种刻蚀工艺能够实现的沟槽的深度，确定在衬底内开设贯穿衬底的沟槽的操作过程。具体来说，形成第一开口槽的过程可以分为以下三种情况：
第一种情况：如图4所示，当上述沟槽4的开口宽度大于或等于第二阈值时，沟槽4的开设方法可以为：沿着基底的厚度方向，采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺刻蚀衬底1位于光栅3所在的区域的下方的部分，形成沟槽4。应理解，这里的第二阈值可以根据衬底1的初始厚度、沟槽4的开口宽度、以及满足湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺能够形成的沟槽4的开口宽度和沟槽4的深度的比值的情况下，可以形成的沟槽4的深度进行选择。例如，当衬底1的厚度为725μm时，此时需要贯穿衬底1的沟槽4的深度也为725μm。根据湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺能够形成的沟槽4的开口宽度和沟槽4的深度的比值，这里的第二阈值的大小可以为15μm。
第二种情况：如图4a和图4b所示，当上述沟槽4的开口宽度大于第一阈值、且小于第二阈值时，沟槽4的开设方法可以为：
如图4a所示，对衬底1背离光栅3的一侧进行减薄处理。
在实际应用中，可以通过化学机械抛光等工艺，对衬底背离光栅的一侧进行减薄处理，以使得衬底的厚度满足工作要求。具体的，衬底减薄量可以根据衬底的初始厚度，沟槽的开口宽度，以及湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺能够形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值确定，在此不做具体限定。
如图4b所示，在减薄处理的衬底1上，沿着基底的厚度方向，采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺刻蚀衬底1位于光栅3下方的部分，形成沟槽4。
在这种情况下，需要先对衬底进行减薄处理，然后再采用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺刻蚀衬底位于光栅下方的部分，形成沟槽。说明衬底的初始厚度，以及需要开设的沟槽的深度不满足湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺能够形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值。此外，当衬底的减薄量过多，使得减薄后的衬底的厚度较薄时，此时，包括该衬底的基底的质地较软。因此，在对衬底进行减薄处理前需要在基底的正面临时键合载片晶圆，以便于对质地较软的基底进行后续操作，降低基底破损的风险。此时，可以根据减薄后的衬底的厚度、衬底的初始厚度、以及上述任一刻蚀工艺能够形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值等信息确定第一阈值的大小。
例如，当衬底在厚度小于或等于350μm的情况下，包括该衬底的基底的质地较软，需要临时键合载片晶圆。在此情况下，第二阈值的大小可以设置为10μm。以需要形成的沟槽的开口宽度为12μm为例。当衬底的厚度为725μm时，需要贯穿衬底的沟槽的深度也为725μm。但在满足上述任一刻蚀工艺能够形成的沟槽的开口宽度和沟槽的深度的比值的情况下，此时可以实现的最大的沟槽深度为360μm左右，因此，需要对衬底进行减薄，减薄量为365μm。
第三种情况：如图4c和图4e所示，当上述沟槽4的开口宽度大于0、且小于或等于第一阈值时，沟槽4的开设方法可以为：
如图4c所示，在开设沟槽4之前，先在基底远离衬底1的一端键合载片晶圆10，以使得基底得以支撑，防止在减薄的过程中基底破损的情况发生。
在实际应用中，上述在基底远离衬底的一端键合载片晶圆的方法可以为先在基底远离衬底的一端的键合面上覆盖一层临时键合胶。然后，可以采用临时键合工艺，在基底的键合面上键合载片晶圆。具体的，上述临时键合胶的材料可以为热塑性材料或聚合物材料等，在此不做限定。
对于载片晶圆来说，载片晶圆的规格和材质，可以根据基底的规格和材质进行选择，此处不做具体限定。例如：载片晶圆的径向尺寸可以大于或等于基底的径向尺寸，载片晶圆可以为硅晶圆等。
如图4d所示，对键合有载片晶圆10的基底的衬底1背离光栅3的一侧进行减薄处理。此处衬底1减薄处理方法可以参考上述沟槽4的开口宽度大于第一阈值、且小于第二阈值时的衬底1减薄处理方法，为了避免重复，在此不再赘述。当然也可以选用其他的可以达到减薄衬底1的目的的工艺。
如图4e所示，在衬底1减薄处理后的基底上，沿着基底的厚度方向，刻蚀衬底1位于光栅3下方的部分，形成沟槽4。
至于沟槽的形成方法，可以使用干法刻蚀工艺形成沟槽，可以使用湿法刻蚀工艺形成沟槽，也可以使用干法工艺和湿法工艺叠加的方法形成沟槽。
示例性的，当使用干法工艺和湿法工艺叠加的方法在衬底内开设贯穿衬底的沟槽时，可以先使用干法刻蚀工艺刻蚀到一定深度后，再使用湿法刻蚀工艺进行漂洗，以使得刻蚀面更加平整。相应的，后续在较为平整的刻蚀面上形成的金属反射层的表面也更为平坦。表面较为平坦的金属反射层对光波的反射效果更好，从而能够进一步降低光栅的耦合损耗。具体的，如图4f～图4h所示，沿着基底的厚度方向，刻蚀衬底位于光栅3下方的部分，形成沟槽可以包括：
如图4f所示，在衬底1背离光栅3的一侧形成掩膜图案8。
具体的，可以使用等离子体增强型化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition；PECVD)在衬底背离光栅的一侧沉积一层掩膜层，掩模层可以为光刻胶层，然后使用光刻工艺制作掩膜图案。由于形成掩膜图案的工艺为现有技术，在此不再赘述。
如图4g所示，在形成有掩膜图案8的基底上，沿着基底的厚度方向，在掩膜图案8的作用下，采用干法刻蚀工艺在衬底1内开设具有目标深度的凹槽9。凹槽的开口宽度可以与需要形成的沟槽4的开口宽度相同，目标深度应该小于衬底1的厚度。应理解，这里的目标深度可以根据衬底1的厚度，需要刻蚀的衬底1的材质，以及刻蚀中使用的反应气体等因素决定的刻蚀的深度。
如图4h所示，在具有目标深度的凹槽9的基底上，沿着基底的厚度方向，在掩膜图案8的作用下，采用湿法刻蚀工艺继续对衬底1进行刻蚀，形成沟槽4。此时的沟槽4表面相对平整。
如图5所示，在沟槽4内形成金属反射层5，金属反射层5至少覆盖沟槽4的槽底。该金属反射层5的厚度可以根据实际使用的光波的波长范围以及实际使用的金属材质进行设置。
在实际应用中，可以采用沉积或电镀工艺在上述沟槽内形成金属反射层。该金属反射层的材料可以为铝、铜等金属材料。形成的金属反射层的厚度可以分为两种情况，一种是形成的金属反射层的厚度与形成的沟槽的深度相同。另一种是形成的金属反射层的厚度小于形成的沟槽的深度。
示例性的，如图5a～图5b所示，当形成的金属反射层5的厚度小于沟槽4的深度，且上述沟槽4的开口宽度小于或等于第一阈值时，此时，基底为上层键合有载片晶圆10的基底。上述在沟槽4内形成金属反射层5后，光器件的制造方法还包括：
如图5a所示，在形成有金属层的基底的沟槽4内形成介质层7，介质层7位于金属反射层5背离光波导2的一侧。介质层7的存在可以对金属反射层5和包层6位于光栅3下方的部分起到支撑作用，防止在载片晶圆10解键合之后，质地较软的基底破损的情况发生。
在实际应用中，可以使用热氧化生长、真空干燥膜层压工艺在具有载片晶圆10的基底的沟槽内形成介质层7，当然，也可以是其他可能实现的工艺，在此不再赘述。具体的，这里的介质层可以为二氧化硅(SiO2)、也可以为树脂材料等。
如图5b所示，对基底和载片晶圆10进行解键合处理，使基底与载片晶圆10分离。
综上所述，本发明实施例提供的光器件的制造方法中，通过在衬底内开设贯穿衬底的沟槽，并在沟槽内形成至少覆盖沟槽的槽底的金属反射层。基于镜面反射原理，被位于衬底上方的光栅反射的光波可以被金属层反射回去，从而进入光波导中进行耦合，降低光栅的耦合损失。为了防止由于沟槽的宽度小于或等于第一阈值的情况下，对衬底减薄量过多，导致基底的破损，本发明实施例提供的光器件的制造方法中，在对衬底减薄前，先在基底的正面(远离衬底的一面)形成载片晶圆，使得衬底得到支撑，然后再衬底上形成沟槽并在沟槽内系形成金属反射层。同时，再去除载片晶圆前，需要再沟槽内填充介质层作为支撑，然后再去除载片晶圆，可以有效的避免由于去除载片晶圆后，基底容易破损的情况发生。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种光器件，其特征在于，包括：
基底，所述基底包括衬底，以及设置在所述衬底上的光波导和光栅，所述光栅位于所述光波导的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出所述光波导；
沿着所述基底的厚度方向，贯穿所述衬底开设的沟槽，所述沟槽位于所述光栅所在的区域的下方；
以及形成在所述沟槽内的金属反射层，所述金属反射层至少覆盖所述沟槽的槽底。
2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述金属反射层的材料为铝、铜，金，银，铂，钛中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述沟槽的开口宽度大于所述光栅的宽度。
4.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述基底还包括形成在衬底表面的包层；所述光波导和所述光栅形成在所述包层内。
5.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述金属反射层的厚度小于所述沟槽的深度；
在所述沟槽的开口宽度大于0、且小于或等于第一阈值的情况下，所述基底还包括形成在所述沟槽内的介质层，所述介质层位于所述金属反射层背离所述光波导的一侧。
6.根据权利要求5所述的光器件，其特征在于，所述介质层的材料为二氧化硅或树脂材料。
7.一种光器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括衬底，以及设置在所述衬底上的光波导和光栅，所述光栅位于所述光波导的一侧，用于将光信号耦合至或耦合出所述光波导；
沿着所述基底的厚度方向，在所述衬底内开设贯穿所述衬底的沟槽，所述沟槽位于所述光栅所在的区域的下方；
在所述沟槽内形成金属反射层，所述金属反射层至少覆盖所述沟槽的槽底。
8.根据权利要求7所述的光器件的制造方法，其特征在于，确定所述沟槽的开口宽度大于或等于第二阈值时，沿着所述基底的厚度方向，在所述衬底内开设贯穿所述衬底的沟槽，包括：
沿着所述基底的厚度方向，刻蚀所述衬底位于所述光栅所在的区域的下方的部分，形成所述沟槽。
9.根据权利要求7所述的光器件的制造方法，其特征在于，确定所述沟槽的开口宽度大于第一阈值、且小于第二阈值时，所述沿着所述基底的厚度方向，在所述衬底内开设贯穿所述衬底的沟槽包括：
对所述衬底背离所述光栅的一侧进行减薄处理；
沿着所述基底的厚度方向，刻蚀所述衬底位于所述光栅所在的区域的下方的部分，形成所述沟槽。
10.根据权利要求7所述的光器件的制造方法，其特征在于，确定所述沟槽的开口宽度大于0、且小于或等于时，所述沿着所述基底的厚度方向，在所述衬底内开设贯穿所述衬底的沟槽，包括：
在所述基底远离所述衬底的一端键合载片晶圆；
对所述衬底背离所述光栅的一侧进行减薄处理；
沿着所述基底的厚度方向，刻蚀所述衬底位于所述光栅所在的区域的下方的部分，形成所述沟槽。
11.根据权利要求8～10任一项所述的光器件的制造方法，其特征在于，所述沿着所述基底的厚度方向，刻蚀所述衬底位于所述光栅所在的区域的下方的部分，形成所述沟槽包括：
在所述衬底背离所述光栅的一侧形成掩膜图案；
沿着所述基底的厚度方向，在所述掩膜图案的作用下，采用干法刻蚀工艺在所述衬底内开设具有目标深度的凹槽；所述目标深度小于所述衬底的厚度；
沿着所述基底的厚度方向，在所述掩膜图案的作用下，采用湿法刻蚀工艺继续对所述衬底进行刻蚀，形成所述沟槽。
12.根据权利要求10所述的光器件的制造方法，其特征在于，所述金属反射层的厚度小于所述沟槽的深度，所述在所述沟槽内形成金属反射层后，所述光器件的制造方法还包括：
在所述沟槽内形成介质层，所述介质层位于所述金属反射层背离所述光波导的一侧；
对所述基底和所述载片晶圆进行解键合处理，使所述基底与所述载片晶圆分离。
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