基于SiO2加载条形波导的波导布拉格光栅及其制造方法

摘要

本发明公开了一种基于SiO2加载条形波导的波导布拉格光栅及其制造方法，包括基底层、平板芯层、引导芯层和上包层，所述平板芯层覆盖在基底层的正面上，引导芯层位于平板芯层的正面上，上包层覆盖在平板芯层的正面并将引导芯层包裹。本发明具有工艺简单、成本较低、产品一致性较好、适合大规模生产等优点，相比于基于脊形波导的外脊调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺简单、成本较低、尺寸小等优点。

说明书

技术领域

本发明属于集成光学器件技术领域，具体涉及一种波导布拉格光栅及其制造 方法。

背景技术

与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行滤波，这就需要 波导布拉格光栅来实现。基于波导布拉格光栅可构成模式转换器、模式分束器、 模式上下路复用与解复用器等器件，是实现高速模分复用技术的核心器件。基于 波导布拉格光栅还可构成超窄线宽波导布拉格光栅外腔半导体激光器，是相干光 通信系统的理想光源。波导布拉格光栅又称短周期波导光栅，是光纤通信系统中 最重要的无源器件之一。

均匀型PLC波导布拉格光栅可应用于光栅传感器、光栅滤波器、泵浦激光器 锁波长；切趾型PLC波导布拉格光栅可应用于DWDM滤波器、光栅传感器、波分 复用/解复用模块；啁啾型PLC波导布拉格光栅可应用于FTTH反射器、增益平坦 滤波器、光栅传感器、光栅滤波器、色散补偿模块；基于波导布拉格光栅的可调 谐外腔半导体激光器具有业界最窄的线宽，广泛应用于高速100G和400G及以上 相干光通信系统、声(地震)干涉型光纤传感、布里渊分布式温度和应变传感器、 光纤激光器的种子源、激光雷达、高精度度量、射频和微波光子学等领域；基于 波导布拉格光栅的模式转换器、模式分束器、模式上下路复用与解复用器将在高 速模分复用通信系统中扮演重要角色，市场潜力巨大。

随着半导体工业的发展，光刻、刻蚀、薄膜生长等微电子技术的提高，陆续 地出现了一系列新颖的PLC波导布拉格光栅的制作工艺，下面主要介绍几种主流 的PLC波导布拉格光栅的制作方法。

(1)基于条形波导的侧面调制型波导布拉格光栅

整个工艺过程可以分为四步：一、采用PECVD在石英衬底上生长芯层；二、 通过光刻将设计的光栅版图转移到光刻胶上；三、通过ICP刻蚀将图形转移到芯 层上；四、通过PECVD生长上包层，制作出我们需要的芯片。这种技术制作的波 导布拉格光栅存在一些缺点：一、由于普通紫外光刻的最小线宽较大，而光栅的 调制深度又只能大于光刻的最小线宽，因而无法实现光栅的弱调制，即光栅的频 谱带宽较大，无法实现窄带滤波；二、这种制作方法的工艺容差较小，光栅调制 深度的微小变化会带来光栅频谱带宽和反射率的较大变化，工艺稳定性较差，不 利于进行大规模生产。

(2)基于条形波导的底面调制型波导布拉格光栅

整个工艺过程可以分为六步：一、通过光刻将设计的二维平面光栅图形转移 到光刻胶上；二、通过ICP刻蚀将此图形转移到石英衬底上；三、采用PECVD 在石英衬底上生长芯层，将此图形转移到芯层上；四、通过光刻将设计的条形直 波导图形转移到光刻胶上；五、通过ICP刻蚀将此图形转移到芯层上；六、通过 PECVD生长上包层，制作出我们需要的芯片。这种技术制作的波导布拉格光栅存 在一些缺点：一、由于ICP刻蚀存在一定的刻蚀深度误差，而此光栅的调制深度 又取决于ICP刻蚀的刻蚀深度，因而无法实现光栅的弱调制，即光栅的频谱带宽 较大，无法实现窄带滤波；二、这种制作方法的工艺容差较小，ICP刻蚀深度的 微小变化会带来光栅频谱带宽和反射率的较大变化，工艺稳定性较差，产品均匀 性难以保证；三、这种制作方法需要采用两次光刻，对套刻精度要求较高，工艺 较复杂，同时也增加了工艺成本。

(3)基于脊形波导的外脊调制型波导布拉格光栅

整个工艺过程可以分为六步：一、采用PECVD在石英衬底上生长芯层；二、 通过光刻将设计的脊形波导图形转移到光刻胶上；三、通过ICP刻蚀将脊形波导 图形转移到芯层上；四、通过光刻将设计的光栅图形转移到光刻胶上；五、通过 ICP刻蚀将光栅图形转移到芯层上；六、通过PECVD生长上包层，制作出我们需 要的芯片。这种技术制作的波导布拉格光栅存在一些缺点：一、这种制作方法需 要采用两次光刻，对套刻精度要求较高，工艺较复杂，同时也增加了工艺成本； 二、由于此种结构的光栅分布在脊形波导的外脊平板区，而脊形波导结构中的光 场能量在外脊平板区分布较少，因而此种光栅耦合系数较小，从而只有当光栅长 度较大时才能实现较大的反射率，所以这种光栅的尺寸较大，不利于与其它光器 件进行集成，在单个晶圆上一次可以制作的器件数量较少，单个器件成本较高。

发明内容

本发明要解决的是现有波导布拉格光栅制作技术中工艺容差小、工艺复杂、 尺寸大、成本较高、产品一致性难以保证、不适合大规模量产等技术问题，从而 提供一种与半导体工艺兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、工艺简单、 工艺容差大、适合大规模生产的波导布拉格光栅及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅，包括基底层、平板芯层、 引导芯层和上包层，所述平板芯层覆盖在基底层的正面上，引导芯层位于平板芯 层的正面上，上包层覆盖在平板芯层的正面并将引导芯层包裹。

所述基底层的材料为石英玻璃材料；所述平板芯层的材料为掺杂锗的二氧化 硅材料，折射率为1.46566-1.4801；所述引导芯层的材料为掺杂锗的二氧化硅 材料，折射率为1.450498-1.45483；所述上包层的材料为掺杂硼、磷的二氧化 硅材料。

所述引导芯层的折射率小于平板芯层的折射率。

所述引导芯层由条形波导和布拉格光栅两部分组成，布拉格光栅分布在条形 波导的一个侧面或两个侧面上。

所述引导芯层中的布拉格光栅的周期是均匀的或非均匀的；所述引导芯层中 的布拉格光栅的切趾类型是非切趾的或切趾的。

基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅的制造方法，步骤如下：

步骤S1：对基底层表面做清洗处理，所述基底层为石英晶圆；

步骤S2：采用PECVD淀积厚度为1-2um的平板芯层；其中，PECVD设备的腔室 气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350℃，上电极低频射频功率为200-700W， 上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为10-20sccm,一氧化氮气体流量 为1800-2000sccm，锗烷气体流量为3.6-5.6sccm，沉积速率为180-230nm/min；

步骤S3：对平板芯层进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退 火时间为3-5小时；

步骤S4：对平板芯层表面做清洗处理；

步骤S5：采用PECVD淀积厚度为4-8um的引导芯层Ⅰ；其中，其中，PECVD设 备的腔室气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350℃，上电极低频射频功率为 200-700W，上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为15-30sccm,一氧化 氮气体流量为1800-2000sccm，锗烷气体流量为1.3-2.4sccm，沉积速率为 180-230nm/min；

步骤S6：在引导芯层Ⅰ表面形成掩模层；

步骤S7：在掩模层上旋涂一层正性或负性的光刻胶层，然后对光刻胶层做前 烘处理并自然降温；

步骤S8：对光刻胶层进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光刻 胶层上；

步骤S9：采用ICP刻蚀掩模层，以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层上 的光刻胶层；

步骤S10：采用ICP刻蚀引导芯层Ⅰ，以形成宽度为4-8um的引导芯层；

步骤S11：去除引导芯层上的掩模层；

步骤S12：采用PECVD淀积厚度为5-8um的掺硼、磷的第一上包层，然后对掺 硼、磷的第一上包层做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为 2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷 和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％，磷 烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％； 回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时；

步骤S13：重复三次步骤S12，直至生长出厚度为15-24um的上包层；

步骤S14：利用紫外固化胶将尺寸大小与石英晶圆完全一样的玻璃盖板粘贴 在石英晶圆制作有器件的那一面；

步骤S15：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个波导布拉格光栅。

在步骤S6中，所述掩模层为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射 生长的金属掩模层或光刻胶掩模层。

在步骤11中，利用湿法腐蚀去除引导芯层上的多晶硅掩模层或金属掩模层； 利用ICP刻蚀去除引导芯层上的光刻胶掩模层。

本发明中采用成熟的基于二氧化硅的平面光波导技术，所以有利于与现有成 熟工艺实现无缝对接，不用额外增加研发投入而节约开发成本。基底层材料选择 石英玻璃材料，这种材料耐热性好，透明度高，具有优良的光学一致性。上包层 材料选择掺杂硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在高温回流时具有良好的流动性。 平板芯层和引导芯层选择掺杂锗的二氧化硅材料，这种材料折射率均匀性和膜厚 均匀性较好，经高温退火后薄膜的应力较小，且具有较小的光传输损耗。本发明 相比于基于条形波导的侧面调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺容差大、 光栅频谱宽度窄等优点，相比于基于条形波导的底面调制型波导布拉格光栅的制 作工艺具有工艺简单、成本较低、产品一致性较好、适合大规模生产等优点，相 比于基于脊形波导的外脊调制型波导布拉格光栅的制作工艺具有工艺简单、成本 较低、尺寸小等优点。

附图说明

图1为本发明的基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅的横截面的结构 图。

图2为本发明的波导布拉格光栅的俯视图，其中2-a为均匀型布拉格波导光栅 的俯视结构图，2-b为切趾型布拉格波导光栅的俯视结构图，2-c为啁啾型布拉格 波导光栅的俯视结构图。

图3为本发明的基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅的制作方法流程 图。

图4为本发明的基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅制作方法的工艺流 程图。

其中，1：上包层；2：引导芯层；3：平板芯层；4：基底层；5：引导芯层 Ⅰ；6：掩膜层；7：光刻胶层。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅，包 括基底层4、平板芯层3、引导芯层2和上包层1，所述平板芯层3覆盖在基底 层4的正面上，所述引导芯层2位于平板芯层3的正面上，所述上包层1覆盖在 平板芯层3的正面并将引导芯层2包裹。

其中，基底层4的厚度为500μm-1500μm，平板芯层3的厚度为1um-2um， 引导芯层2的厚度为4um-8um，上包层1的厚度为15-24um。所述基底层4的材 料为石英玻璃材料，所述平板芯层3的材料为掺杂较高浓度锗的二氧化硅材料， 折射率为1.46566-1.4801。所述引导芯层2的材料为掺杂较低浓度锗的二氧化 硅材料，折射率为1.450498-1.45483。所述上包层1的材料为掺杂硼、磷的二 氧化硅材料。在1550nm入射光波长下，基底层4的折射率均为1.444，平板芯 层3的折射率为1.46566-1.4801，引导芯层2的折射率为1.450498-1.45483， 上包层1的折射率为1.443-1.445。

实施例2：一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅，包括基底层、平 板芯层、引导芯层和上包层，所述平板芯层覆盖在基底层的正面上，所述引导芯 层位于平板芯层的正面上，所述上包层覆盖在平板芯层的正面并将引导芯层包 裹。其余均与实施例1相同。

所述基底层材料选择石英玻璃材料，这种材料耐热性好，透明度高，具有优 良的光学一致性。所述上包层材料选择掺杂硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在 高温回流时具有良好的流动性。所述平板芯层和引导芯层选择掺杂锗的二氧化硅 材料，这种材料折射率均匀性和膜厚均匀性较好，经高温退火后薄膜的应力较小， 且具有较小的光传输损耗。

实施例3：一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅，所述波导布拉格 光栅的横截面为加载条形波导结构。其余均与实施例2相同。

实施例4：如图2所示，一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅，所述 波导布拉格光栅的俯视结构为周期均匀非切趾型布拉格波导光栅结构或周期均 匀切趾型布拉格波导光栅结构或周期啁啾非切趾型布拉格波导光栅结构。其余均 与实施例3相同。

实施例5：一种基于SiO₂加载条形波导的波导布拉格光栅的制作方法，步骤 如下：如图3、图4所示，

步骤S1：对基底层4表面做清洗处理，所述基底层4为石英晶圆。

具体操作如下：首先采用硫酸和双氧水混合溶液对基底层4进行漂洗，然后 用去离子水对基底层4进行漂洗，再用甩干机对基底层4进行干燥。

步骤S2：采用PECVD淀积厚度为1-2um的平板芯层3；其中，PECVD设备的腔室 气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350℃，上电极低频射频功率为200-700W， 上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为10-20sccm,一氧化氮气体流量 为1800-2000sccm，锗烷气体流量为3.6-5.6sccm，沉积速率为180-230nm/min；

步骤S3：对平板芯层3进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃， 退火时间为3-5小时；

步骤S4：对平板芯层3表面做清洗处理；

步骤S5：采用PECVD淀积厚度为4-8um的引导芯层Ⅰ5；其中，PECVD设备的腔 室气压为300-800mTorr，衬底温度为300-350℃，上电极低频射频功率为 200-700W，上电极高频射频功率为300-800W，硅烷气体流量为15-30sccm,一氧化 氮气体流量为1800-2000sccm，锗烷气体流量为1.3-2.4sccm，沉积速率为 180-230nm/min；

步骤S6：在引导芯层Ⅰ5表面形成掩模层6；

所述掩模层6为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射生长的金属 掩模层或光刻胶掩模层。所述金属掩膜层可为金掩膜层、铬掩膜层、铝掩膜层等

步骤S7：在掩模层6上旋涂一层正性或负性的光刻胶层7，然后对光刻胶层7 做前烘处理并自然降温；

步骤S8：对光刻胶层7进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光 刻胶层7上；

步骤S9：采用ICP刻蚀掩模层6，以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层6 上的光刻胶层7；

步骤S10：采用ICP刻蚀引导芯层Ⅰ5，以形成宽度为4um-8um的引导芯层2；

步骤S11：去除引导芯层2上的掩模层6；

利用湿法腐蚀去除引导芯层2上的多晶硅掩模层或金属掩模层；利用ICP刻蚀 去除引导芯层2上的光刻胶掩模层。

步骤S12：采用PECVD淀积厚度为5-8um的掺硼、磷的第一上包层，然后对掺 硼、磷的第一上包层做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为 2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷 和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％，磷 烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％； 回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时；

步骤S13：重复三次步骤S12，直至生长出厚度为15-24um的上包层1；

步骤S14：利用紫外固化胶将尺寸大小与石英晶圆完全一样的玻璃盖板粘贴 在石英晶圆制作有器件的那一面；

步骤S15：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个波导布拉格光栅。

在本实施例中上包层采用掺硼磷的二氧化硅材料，可降低回流温度，防止高 温处理引起杂质浓度再扩散和本发明变形，同时使掺硼磷的二氧化硅材料在高温 回流时具有良好的流动性。

本实施例中平板芯层和引导芯层采用掺锗的二氧化硅材料，这种材料折射率 均匀性和膜厚均匀性较好，经高温退火后薄膜的应力较小，且具有较小的光传输 损耗，以保证波导布拉格光栅具有良好的光学性能。

本实施例中通过对平板芯层和引导芯层的高温退火步骤，可以消除晶格缺陷 和内应力，使生长的二氧化硅层变得致密均匀。

本实施例中通过对平板芯层和引导芯层掺杂不同浓度的锗使得平板芯层的 折射率高于引导芯层的折射率，以形成加载条形波导结构，在这种波导结构中， 光场在引导芯层中分布较少，可以实现光栅的弱调制，而且只需采用一次光刻， 因而可提供一种与半导体工艺兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、工 艺简单、工艺容差大、适合大规模生产的波导布拉格光栅及其制作方法。