CN113534341A - 基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法 - Google Patents

基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法，包括晶圆基底，所述晶圆基底的上部设有上包层，上包层的上部依次设有电极层和引线层，且电极层和引线层的宽度均小于上包层的宽度；所述上包层内设有波导芯层，且波导芯层上设有采用飞秒激光直写的波导光栅。本发明采用石英基PLC光波导技术与飞秒激光直写相结合，对现有的工艺进行了改进，降低了开发和工艺成本；实现了在晶圆上制作各种类型的光栅滤波器，通过电极层可以实现波长可调谐，增加了光学芯片***的灵活性；通过控制飞秒激光的功率、扫描区域宽度、重复扫描次数等，可以控制折射率变化的大小，实现了对光栅参数的精准控制。

Description

基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法
技术领域
本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法。
背景技术
随着5G技术、互联网+、人工智能、云计算等业务的迅速发展，这些业务对传输网络带宽容量的需求极大增加，大力推动了光通信和光传感技术的发展。在光通信和光传感领域的一个重要器件就是光纤光栅滤波器。在波分复用***中，光滤波器是处理某个特定信道光信号的关键器件，一般要求低插损和高带外抑制比。在光纤传感***中，光纤光栅受到外场（如温度或应力等）影响，光栅周期或光纤模式的有效折射率会发生变化，这将改变光栅的谐振波长。另外，由于光纤光栅体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰等的优点的，使得光纤光栅得到了广泛应用。
然而，通信网络已发展到以数据中心为核心的时代，光互连已经是必然的趋势。半导体制程正在渐渐接近物理极限，芯片内部及外部的短距离通信中传输电阻增大；同时，电互连间距减小极容易产生寄生电容。对于光互连而言，光信号可以实现无干扰和更高速率的传输。与集成电路类似，集成光路也是由多种基本光学单元组成。相比由分立光学元件组成的光学***，集成光路***具有更小的尺寸和稳定性，光滤波器是集成光路***的关键单元，而可调谐的光栅滤波器能给光学***带来更大的灵活性。由于半导体技术的快速发展，光刻、离子束刻蚀、等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）等微电子技术取得了巨大进步，产生了新颖的基于平面光波导技术（PLC：Planar Lightwave Circuit）的波导光栅的制作工艺。
目前在晶圆上制作光栅的方法主要有两种：
刻蚀：采用刻蚀方法时，目前的极限刻蚀宽度为1um（刻蚀深度为4um），而且成品率极低，无法制作出低阶布拉格光栅来满足某些特殊需求；
紫外曝光：虽然通过载氢等方法可以增强光波导（晶圆）的光敏性，但是光敏性提高非常有限，虽然制作光栅的精度非常高，但是，光栅的制作成本高和调制深度（折射率变化量）非常小，因此无法制作出高反射率的光栅。
发明内容
针对现有石英基PLC晶圆上制作波导光栅技术中工艺精度低、成本高和产品一致性差而产生的良品率低的问题，本发明提出了一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器及其制造方法，解决了现有的在晶圆上无法制作出低阶布拉格光栅或高反射率光栅的问题。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，包括晶圆基底，所述晶圆基底的上部设有上包层，上包层的上部依次设有电极层和引线层，且电极层和引线层的宽度均小于上包层的宽度；所述上包层内设有波导芯层，且波导芯层上设有采用飞秒激光直写的波导光栅。
所述晶圆基底的材料为石英玻璃；所述波导芯层的材料为掺锗的二氧化硅；所述上包层的材料为掺杂硼和磷的二氧化硅；所述电极层的材料为铬和金；所述引线层的材料为钛和钨。
所述晶圆基底和上包层的折射率均小于波导芯层的折射率，且波导光栅的折射率周期性变化。
所述波导芯层设置在上包层的中部，且电极层和引线层均设置在波导芯层的正上方。
所述波导光栅是布拉格光栅或者长周期光栅。
所述波导光栅的周期是均匀的或者啁啾的，且波导光栅的切趾类型是切趾的或非切趾的。
一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器的制造方法，包括如下步骤：
S1，对晶圆基底的表面进行预处理；
S2，采用PECVD方法在晶圆基底上制作波导芯层；
S3，对步骤S2中所获得的晶圆进行退火处理；
S4，对波导芯层的表面进行预处理；
S5，采用PECVD方法在波导芯层的上表面制作硬掩膜层；
S6，在硬掩膜层上旋涂第一光刻胶层，采用光刻方法在第一光刻胶层上制作波导芯层的掩模图案；
S7，利用ICP刻蚀原理按照波导芯层的掩模图案对硬掩膜层进行刻蚀，然后利用腐蚀液去除硬掩模层上的第一光刻胶层；
S8，利用ICP刻蚀原理对晶圆基底上的波导芯层进行刻蚀，得到新的波导芯层；
S9，利用ICP刻蚀原理去除新的波导芯层上的硬掩模层；
S10，利用PECVD方法在晶圆基底和新的波导芯层上制作上包层，并对上包层进行高温回流处理；
S11，利用显微镜将飞秒激光聚焦至新的波导芯层以写入波导光栅，采用飞秒激光进行辐照以改变波导芯层的折射率；
S12，在上包层上旋涂第二光刻胶层，采用光刻方法在第二光刻胶层上制作电极层的掩模图案；
S13，使用蒸镀设备在第二光刻胶层和上包层上制作电极层；
S14，采用超声波方法剥离第二光刻胶层以得到新的电极层；
S15，在上包层和新的电极层上旋涂第三光刻胶层，采用光刻方法在第三光刻胶层上制作引线层的掩模图案；
S16，利用磁控溅射仪在第三光刻胶层和新的电极层上制作引线层；
S17，采用超声波法剥离第三光刻胶层后，即完成可调谐的波导光栅滤波器的制作。
本发明的有益效果：
本发明中采用石英基PLC光波导技术与飞秒激光直写相结合，对现有的工艺进行了改进，降低了开发和工艺成本；实现了在晶圆上制作各种类型的光栅滤波器，通过电极层可以实现波长可调谐，增加了光学芯片***的灵活性；另外，由于石英玻璃具有耐热性好，透明度高等优点，制作的光栅滤波器一致性好；通过控制飞秒激光的功率、扫描区域宽度、重复扫描次数等，可以控制折射率变化的大小，实现了对光栅参数的精准控制；本发明具有工艺精度高、边摸抑制比高、成本低、产品一致性好且适合大规模生产的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的制作方法流程图。
图3为晶圆基底的示意图。
图4为步骤S2的制作示意图。
图5为步骤S5的制作示意图。
图6为步骤S6中旋涂光刻胶层的示意图。
图7为步骤S6中制作波导芯层的掩模图案的示意图。
图8为步骤S7的制作示意图。
图9为步骤S8的制作示意图。
图10为步骤S9的制作示意图。
图11为步骤S10的制作示意图。
图12为步骤S12中旋涂光刻胶层的示意图。
图13为步骤S12中制作电极层的掩模图案的示意图。
图14为步骤S13的制作示意图。
图15为步骤S14的制作示意图。
图16为步骤S15中旋涂光刻胶层的示意图。
图17为步骤S15中制作引线层的掩模图案的示意图。
图18为步骤S16的制作示意图。
图19为步骤S17的制作示意图。
图中，1为引线层，2为电极层，3为上包层，4为波导芯层，5为晶圆基底，6为硬掩膜层，7为第一光刻胶层，8为第二光刻胶层，9为第三光刻胶层。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
实施例1：一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，如图1所示，包括晶圆基底5，所述晶圆基底5的上部设有上包层3，使光在芯层边界上发生全反射，以便将光波局限在介质膜内传播；上包层3的上部依次设有电极层2和引线层1，且电极层2和引线层1的宽度均小于上包层3的宽度，电极层2中设有电极区域，电极区域与波导芯层4中的波导光栅相对应，且电极区域仅为波导光栅区域加热；所述上包层3的中部设有波导芯层4，且波导芯层4与晶圆基底5相接触，晶圆基底5作为下包层，使光在芯层边界上发生全反射，以便将光波局限在介质膜内传播；所述波导芯层4上设有采用飞秒激光直写的波导光栅，波导光栅起到滤波作用。所述波导芯层4的折射率均大于晶圆基底5和上包层3的折射率，以满足全反射原理便于束缚光沿波导芯层4进行传播。
所述晶圆基底5的材料为石英玻璃，石英玻璃的折射率为1.4448，石英基为透明材料，便于后续飞秒激光器直写对准；所述波导芯层4的材料为掺锗的二氧化硅，且掺锗的二氧化硅的折射率为1.4651-1.4811；所述上包层3的材料为掺杂低浓度硼和磷的二氧化硅，且掺杂低浓度硼和磷的二氧化硅的折射率为1.4448；所述电极层2的材料为铬和金，引线层1的材料为钛和钨，本实施例中，铬和金厚度分别为50 nm和500 nm，钛和钨的厚度分别为50nm和500 nm，具体生产过程中，电极层2和引线层1中的各材料的厚度可以根据具体生产需求制作。
所述波导光栅的折射率周期性变化，不同的光栅周期对应着不同的谐振波长，所述电极层2设置在波导光栅区域的中部，且电极层2通过热光效应调节波导光栅滤波器的谐振波长。
所述波导光栅是布拉格光栅或长周期光栅；所述波导光栅的周期是均匀的或啁啾的；所述波导光栅4的切趾类型包括非切趾或切趾。
实施例2：一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器的制造方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1，如图3所示，对晶圆基底5的表面进行预处理；
首先将晶圆基底5放到盐酸和双氧水混合溶液中对其进行超声30分钟，然后再放到去离子水中进行超声15分钟，最后对晶圆基底5进行干燥处理。
S2，如图4所示，采用PECVD方法在晶圆基底5上制作波导芯层4；
所述PECVD是指等离子体增强化学的气相沉积法，且PECVD设备的相关参数设置为：腔室气压为350-850 mTorr，温度为310-360℃，上电极高频射频功率为350-850W，上电极低频射频功率为250-750W，硅烷气体流量为12-20 sccm，一氧化氮气体流量为1850-2100 sccm，锗烷气体流量为4-6 sccm，沉积速率为190-235 nm/min；所述波导芯层4的厚度可以设置为4-8 μm。
S3，对步骤S2中所获得的晶圆进行退火处理；
所述退火处理的退火温度为1000-1200℃，退火时间为4-5小时，通过高温退火处理可以消除晶圆的晶格缺陷和内应力，使二氧化硅层变得致密均匀，提高产品的良品率和一致性；所述晶圆是指在晶圆基底5上制作波导芯层4后的产品。
S4，对波导芯层4的表面进行预处理，采用去离子水和酒精分别超声10分钟即可。
S5，如图5所示，采用PECVD方法在波导芯层4的上表面制作硬掩膜层6；
所述硬掩膜层6是采用PECVD方法淀积的多晶硅掩模层，便于后续刻蚀波导图案。
S6，如图6-7所示，在硬掩膜层6上旋涂第一光刻胶层7，采用光刻方法在第一光刻胶层7上制作波导芯层4的掩模图案；
首先在硬掩膜层6上旋涂一层第一光刻胶层7，然后放到80 ℃的温箱中进行烘烤；最后，利用已经提前制作好图形的光刻板对第一光刻胶层7进行曝光、显影，去除第一光刻胶层7的两侧以得到波导芯层4的掩模图案；所述第一光刻胶层7可以采用负性胶或者正性胶。
S7，如图8所示，利用ICP刻蚀原理按照波导芯层4的掩模图案对硬掩模层6进行刻蚀，然后利用腐蚀液去除硬掩模层6上的第一光刻胶层7；
所述腐蚀液为低浓度的氢氧化钠溶液。
S8，如图9所示，利用ICP刻蚀原理对晶圆基底5上的波导芯层4进行刻蚀以得到新的波导芯层4；
所述波导芯层4的宽度与硬掩模层6的宽度相一致，方便经过刻蚀即可得到相同宽度的芯层。
S9，如图10所示，利用ICP刻蚀原理去除新的波导芯层4上的硬掩模层6；
S10，如图11所示，利用PECVD方法在晶圆基底5和波导芯层4上制作上包层3，并对上包层3进行高温回流处理；
本实施例中，所述上包层的厚度为20 um，且上包层3的材料为掺杂低浓度硼和磷的二氧化硅，且掺杂低浓度硼和磷的二氧化硅的折射率为1.4448；
所述PECVD设备的参数设置为：腔室气压为2600-3100 mTorr，温度为330-380 ℃，下电极射频功率为1800-2100 W，硼烷和氮气混合气体流量为120-150 sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为8%-12%，磷烷和氮气混合气体流量为36-53sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为8%-13%；高温回流的温度为950-1200℃，回流时间为7-10小时，通过高温回流处理可以使上包层3沉积速率快、成膜质量好、针孔较少、不易龟裂。
S11，利用显微镜将飞秒激光聚焦至新的波导芯层4上以写入波导光栅，采用飞秒激光进行辐照以改变波导芯层4的折射率；
首先将晶圆固定在三维电动平移台上，然后利用显微镜将飞秒激光聚焦至新的波导芯层4上以写入波导光栅，利用飞秒激光辐照改变照射区域的新的波导芯层4的折射率，以得到相应周期和长度的波导光栅；写入波导光栅位置可以通过三维电动平移台控制，所制作的波导光栅长度的扫描通过移动飞秒激光或者移动晶圆得到；
所述波导光栅是指布拉格(FBG)或长周期 (LPG)光栅；波导芯层4的折射率大于晶圆基底5和上包层3的折射率。
S12，如图12-13所示，在上包层3上旋涂第二光刻胶层8，采用光刻方法在第二光刻胶层8上制作电极层2的掩模图案；
首先在上包层3上旋涂一层第二光刻胶层8，然后将其放到80 ℃的温箱中进行烘烤，最后，对第二光刻胶层8进行曝光、显影，去除第二光刻胶层8的中部以得到电极层2的掩模图案。
S13，如图14所示，使用蒸镀设备在第二光刻胶层8和上包层3上制作电极层2；
使用蒸镀设备依次蒸镀一层铬（Cr）和金（Au），以制作电极层2；本实施例中，铬的厚度为50 nm，用来增加金与其它金属的附着性，金的厚度为500 nm。
S14，如图15所示，采用超声波方法剥离第二光刻胶层8以得到新的电极层2；
S15，如图16-17所示，在上包层3和新的电极层2上旋涂第三光刻胶层9，采用光刻方法在第三光刻胶层9上制作引线层1的掩模图案；
首先在上包层3和电极层2上旋涂一层第三光刻胶层9，然后放到80 ℃的温箱中烘烤，最后，对第三光刻胶层9进行曝光、显影，去除第三光刻胶层9的中部以得到引线层1的掩模图案。
S16，如图18所示，利用磁控溅射仪在第三光刻胶层9和新的电极层2上制作引线层1；
利用磁控溅射仪在第三光刻胶层9和新的电极层2上依次溅射一层钛（Ti）和钨（W）以制作引线层1，本实施例中，钛的厚度为50 nm，其与二氧化硅具有较好的附着性；钨的厚度为500 nm，其具有高熔点，在电极工作中不易断裂。
S17，如图19所示，采用超声波法剥离第三光刻胶层9后，即完成可调谐的波导光栅滤波器的制作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，包括晶圆基底（5），其特征在于，所述晶圆基底（5）的上部设有上包层（3），上包层（3）的上部依次设有电极层（2）和引线层（1），且电极层（2）和引线层（1）的宽度均小于上包层（3）的宽度；所述上包层（3）内设有波导芯层（4），且波导芯层（4）上设有采用飞秒激光直写的波导光栅。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，其特征在于，所述晶圆基底（5）的材料为石英玻璃；所述波导芯层（4）的材料为掺锗的二氧化硅；所述上包层（3）的材料为掺杂硼和磷的二氧化硅；所述电极层（2）的材料为铬和金；所述引线层（1）的材料为钛和钨。
3.根据权利要求1或2所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，其特征在于，所述晶圆基底（5）和上包层（3）的折射率均小于波导芯层（4）的折射率，且波导光栅的折射率周期性变化。
4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，其特征在于，所述波导芯层（4）设置在上包层（3）的中部，且电极层（2）和引线层（1）均设置在波导芯层（4）的正上方。
5.根据权利要求1或4所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，其特征在于，所述波导光栅是布拉格光栅或者长周期光栅。
6.根据权利要求5所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器，其特征在于，所述波导光栅的周期是均匀的或者啁啾的，且波导光栅的切趾类型是切趾的或非切趾的。
7.一种基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，对晶圆基底（5）的表面进行预处理；
S2，采用PECVD方法在晶圆基底（5）上制作波导芯层（4）；
S3，对步骤S2中所获得的晶圆进行退火处理；
S4，对波导芯层（4）的表面进行预处理；
S5，采用PECVD方法在波导芯层（4）的上表面制作硬掩膜层（6）；
S6，在硬掩膜层（6）上旋涂第一光刻胶层（7），采用光刻方法在第一光刻胶层（7）上制作波导芯层（4）的掩模图案；
S7，利用ICP刻蚀原理按照波导芯层（4）的掩模图案对硬掩模层（6）进行刻蚀，然后利用腐蚀液去除硬掩模层（6）上的第一光刻胶层（7）；
S8，利用ICP刻蚀原理对晶圆基底（5）上的波导芯层进行刻蚀，得到新的波导芯层（4）；
S9，利用ICP刻蚀原理去除新的波导芯层（4）上的硬掩模层（6）；
S10，利用PECVD方法在晶圆基底（5）和新的波导芯层（4）上制作上包层（3），并对上包层（3）进行高温回流处理；
S11，利用显微镜将飞秒激光聚焦至新的波导芯层（4）以写入波导光栅，采用飞秒激光进行辐照以改变波导芯层（4）的折射率；
S12，在上包层（3）上旋涂第二光刻胶层（8），采用光刻方法在第二光刻胶层（8）上制作电极层（2）的掩模图案；
S13，使用蒸镀设备在第二光刻胶层（8）和上包层（3）上制作电极层（2）；
S14，采用超声波方法剥离第二光刻胶层（8）以得到新的电极层（2）；
S15，在上包层（3）和新的电极层（2）上旋涂第三光刻胶层（9），采用光刻方法在第三光刻胶层（9）上制作引线层（1）的掩模图案；
S16，利用磁控溅射仪在第三光刻胶层（9）和新的电极层（2）上制作引线层（1）；
S17，采用超声波法剥离第三光刻胶层（9）后，即完成可调谐的波导光栅滤波器的制作。
8.根据权利要求7所述的基于飞秒激光直写的可调谐波导光栅滤波器的制造方法，其特征在于，在步骤S2中，所述退火处理的退火温度为1000-1200℃，退火时间为4-5小时。
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