一种多层硅光子三维光连接结构的制作方法

本实用新型涉及一种多层硅光子三维光连接结构，属于半导体光信号传输技术领域。

背景技术：

目前，光通信承载了全球通信数据容量的90%以上，其中硅光子器件具有成本低廉、信息传输速率高、制备工艺与cmos工艺兼容等特点，就单元硅光子器件而言，目前已经研制出的高探测灵敏度的锗硅探测器、高速率硅基调制器、硅基阵列波导光栅、硅基光波导阵列光开关等具有极大的潜力和优势，其设计和制备工艺已经成熟，硅基光子器件的大规模集成可构建光通信系统，促进信息技术的进一步发展。单片集成是指将不同或相同功能的硅光子元件在同一片晶圆上构成阵列化、模块化的单个芯片，是目前比较常见的硅基光子集成。常见的单片集成芯片波导层数目为1，这样设计的优势在于便于制备、降低成本、易于控制性能，但是，随着单元器件的增多，光路逐渐趋于复杂，芯片损耗逐渐增大，同时，芯片面积也增大，无法满足光通信系统日趋增长的集成化需求。为减小占空比，多维集成成为目前的研究热点。多维集成是基于多波导层的一种集成方式，这种集成方式可以降低芯片的占空比，提高硅光子元器件性能的一致性，便于批量生产。为实现波导层之间的光传输，目前主要方式为：在各波导层放置45°反射镜，但放置45°反射镜的角度设置要求很高，若该反射镜的放置偏离45°，将严重影响光在层间的传输，增大芯片损耗；另一种方式是通过不同层间的锥形波导耦合，但这种方式只适用于层间高度差小的器件。因此，对工艺要求极高或层间高度限制大的三维光连接结构不利于广泛应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种多层硅光子三维光连接结构。本实用新型通过设置三维光连接结构，该三维光连接结构由波导光栅构成，通过成对设置正向与倒置两波导光栅实现光在两波导层之间的传输，可有效解决45°反射镜放置困难或层间高度差小，工艺难度大的问题，本实用新型通过以下技术方案实现。

如图1和2所示，一种多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的soi晶圆衬底111、晶圆埋氧层112、反射层113、n层光波导层和波导的包层114，所述n层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括2n-1个波导光栅，最下方的第一光波导层1输入端连接正向的第一波导光栅12，其余n-1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅12上方设有倒置的第二波导光栅ⅰ21，第二波导光栅ⅰ21通过第二光波导结构22连接正向的第二波导光栅ⅱ23，如果超过2层，第二波导光栅ⅱ23上方设有倒置的第三波导光栅ⅰ31，第三波导光栅ⅰ31通过第三光波导结构32与正向的第三波导光栅ⅱ33连接，依此类推，直至倒置的第n波导光栅ⅰ41通过第n光波导结构42与正向的第n波导光栅结构ⅱ43连接。

所述波导光栅条形刻痕均未穿透该光波导层；各层各波导光栅均为切趾光栅，切趾函数的选择需能降低衍射光谱的旁瓣。通常波导光栅齿的角度设置范围在8°至10°之间，因为当入射光与垂直方向存在8°至10°的倾角时，有利于减少光经过光栅后的二阶反射，减少光在层间传输的损耗。同时，为了适应不同的通信波长，可以调整波导光栅的结构参数，例如周期、占空比、波导厚度等。

所述各层各波导光栅底部均设有一个反射层113。

所述反射层113为两种不同折射率材料的多层交叉结构，通过调整每层材料厚度使反射层符合薄膜衍射增强条件，调整反射层到波导光栅间的垂直距离使反射光与平行衍射光的相位匹配。通常，每层厚度在50nm~200nm之间。反射层113的位置根据波导光栅的位置设定，位于各波导光栅的条形刻痕朝向的反方向，距离波导光栅0.5µm~1µm。

所述反射层113为两种不同折射率材料为氮化硅（sin）和二氧化硅（sio2）、氮化硅（sin）和多晶硅（polysilicon）或多晶硅（polysilicon）和氮氧化硅（sion）。

所述n层光波导层材料可以选择硅（si）、多晶硅（polysilicon）、氮化硅（sin）或氮氧化硅（sion），各材料的制备工艺各不相同。

本基于多层硅光子三维光连接结构工作原理为：入射光入射到第n波导光栅ⅱ43的上表面，经过第n波导光栅ⅱ43的衍射并干涉后，变为一束平行表面的光束，通过第n波导结构42进入第n波导光栅ⅰ41，经过第n波导光栅ⅰ41的衍射并干涉后，变成一束带有一定角度的纵向光束，经过层间材料sio2入射到第n-1波导光栅ⅱ的上表面，改变光的传播方向，实现光在层间的传输。最终，光将入射到第一波导光栅12，经由第一波导光栅12衍射并干涉后进入第一波导结构11，最后从该芯片输出。在各波导光栅发生衍射并干涉时，部分光会被波导光栅衍射到光栅另一侧，反射层将这部分光反射回光栅后经光栅衍射也将成为一束平行于表面的光束或带有一定角度的纵向光束，由于反射层的设计，各层间的传输效率可以达到90%左右。因此，在通过该三维光连接结构改变光的传播方向，实现器件层间光传输的同时，光连接结构的损耗较低，不明显增大器件的总体损耗。

所述基于多层硅光子三维光连接结构工艺流程图如图3至图5所示，基于半导体cmos制备工艺，主要集成工艺如下：

步骤一：制备表面氧化的硅片；取一硅片作为衬底，在硅片上沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为埋氧层（box），如图3-1至3-2或图4-1至4-2或图5-1至5-2所示；

步骤二：在含包层的硅片上制备三维光连接结构的反射层，反射层材料以氮化硅（sin）和二氧化硅（sio2）为例；

（201）在埋氧层上交叉重叠沉积氮化硅（sin）和二氧化硅（sio2）材料，形成初步的反射层结构，如图3-3或4-3或5-3所示；

（203）通过一次光刻/刻蚀工艺，得到所需反射层，通过pecvd工艺沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图3-4至3-5或图4-4至4-5或图5-4至5-5所示；

步骤三：制备基于硅（si）材料的三维光连接结构的第一波导层；

（301）另取一硅片a，在硅片上沉积一层二氧化硅（sio2）材料，如图3-6；

（302）通过注氢智能剥离技术将硅片a反向键合到上述含反射层的晶圆上。即在硅片a中注入氢离子后进行与上述晶圆的亲水性键合，对晶片进行热处理，解理出多余的硅片，保留晶圆上硅片厚度为220nm或所需其他厚度，对硅层上表面进行抛光，如图3-7至3-8；

（303）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第一波导光栅和第一波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图3-9至3-10所示；

步骤四：制备基于多晶硅（polysilicon）材料的三维光连接结构的第一波导层；

（401）在含反射层的晶圆上沉积一层α-si，在560℃下退火10小时形成多晶硅层，如图4-6所示；

（402）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第一波导光栅和第一波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图4-7至4-8所示；

步骤五：制备基于氮化硅（sin）材料的三维光连接结构的第一波导层；

（501）在含反射层的晶圆上沉积一层氮化硅（sin）材料，并进行抛光，如图5-6所示；

（502）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第二波导光栅和第二波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图5-7至5-8所示；

步骤六：在第一波导层的包层上制备反射层，反射层制备方法同步骤二，如图3-11至3-13或图4-9至4-11或图5-9至5-11所示；

步骤七：制备基于硅（si）材料的三维光连接结构的第二波导层；

（701）另取一soi晶圆，在硅层上，通过一步刻蚀和沉积一层二氧化硅（sio2）材料，形成第二波导光栅ⅰ的初步结构，如图3-14至3-15所示；

（702）将soi晶圆反向键合到含第一波导层的晶圆上，并移除soi晶圆的衬底和埋氧层，露出硅层，如图3-16至3-17所示；

（703）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第二波导光栅ⅰ、第二波导光栅ⅱ和第二波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图3-8所示；

步骤八：制备基于多晶硅（polysilicon）材料的三维光连接结构的第二波导层；

（801）在包层上刻蚀出数个槽，该槽用于制备第二波导光栅ⅰ的齿状，并沉积一层α-si，在560℃下退火10小时形成多晶硅层，初步形成第二波导光栅ⅰ的结构，如图4-12至4-13所示；

（802）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第二波导光栅ⅰ、第二波导光栅ⅱ和第二波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图4-14至4-16所示；

步骤九：制备基于氮化硅（sin）材料的三维光连接结构的第二波导层；

（901）在包层通过一次刻蚀形成如图5-12所示图形，该图形用于为第二波导光栅ⅰ的条形刻痕，沉积一层氮化硅（sin）材料，并进行抛光，如图5-13所示；

（902）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第二波导光栅ⅰ、第二波导光栅ⅱ和第二波导结构，再沉积一层二氧化硅（sio2）材料作为包层，如图5-14至5-15所示；

步骤十：在第二波导层的包层上制备反射层，反射层制备方法同步骤二，如图3-19至3-21或图4-17至4-18或图5-16至5-18所示；

基于不同材料的波导层，其余各层与该材料第二波导层的制备方式相同，可根据实际需要，重复步骤七、步骤八或步骤九，制备波导层。

通过步骤一至步骤三，步骤六、步骤七和步骤十可以制备出基于硅（si）材料的三维光连接结构；通过步骤一、步骤二、步骤四、步骤六、步骤八和步骤十可以制备出基于多晶硅（polysilicon）材料的三维光连接结构；通过步骤一、步骤二、步骤五、步骤六、步骤九和步骤十可以制备出基于氮化硅（sin）材料的三维光连接结构。

本实用新型中，为便于描述，横向指平行于晶圆衬底的方向，纵向是指垂直于晶圆衬底的方向。上指衬底指向第一波导层的方向，下指与上相反的方向。波导结构指波导层内除构成三维光连接结构的波导光栅外的其他硅光子单元器件，本实用新型不涉及这部分器件的具体结构，且在器件制备工艺中假定为条形波导，实际应用中可就这部分器件的具体结构设置相应的工艺。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型使用的波导光栅制备工艺简单，易于集成，层间高度差限制小。通过成对设置正向与倒置两波导光栅，实现光在两波导层之间的传输，层间传输损耗小，在光通信层间耦合领域有着广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型多层硅光子器件的三维光连接结构的原理图；

图2是本实用新型多层硅光子器件的三维光连接结构的示意图；

图3是本实用新型基于硅（si）材料的三维光连接结构；

图4是本实用新型基于多晶硅（polysilicon）材料的三维光连接结构；

图5是本实用新型基于氮化硅（sin）材料的三维光连接结构；

图6是本实用新型基于硅（si）材料部分对置波导光栅的tem图像。

图中：1-第一光波导层，2-第二光波导层，3-第三光波导层，4-第n光波导层，11-第一光波导结构，12-第一波导光栅，21-第二波导光栅ⅰ，22-第二光波导结构，23-第二波导光栅ⅱ，31-第三波导光栅ⅰ，32-第三光波导结构，33-第三波导光栅ⅱ，41-第n波导光栅ⅰ，42-第n光波导结构，43-第n波导光栅结构ⅱ，111-soi晶圆衬底，112-晶圆埋氧层，113-反射层，114-波导包层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。

实施例1

该多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的soi晶圆衬底111、晶圆埋氧层112、反射层113、2层光波导层和波导的包层114，所述2层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括3个波导光栅，最下方的第一光波导层1输入端连接正向的第一波导光栅12，其余1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅12上方设有倒置的第二波导光栅ⅰ21，第二波导光栅ⅰ21通过第二光波导结构22连接正向的第二波导光栅ⅱ23。

该入射光波长为1550nm，soi晶圆衬底111硅片厚度为720µm，尺寸为8英寸；晶圆埋氧层112厚度为1µm；反射层113氮化硅层厚度为200nm，二氧化硅层厚度为100nm，反射层顶端距离波导光栅垂直距离为800nm。第一光波导层1为220nm厚的硅（si）层，第一波导光栅12条形刻痕位于波导层上表面，横向向上，刻蚀深度为70nm，光栅周期为630nm，为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°；第二光波导结构22材料为硅（si）材料，厚度为220nm，第二波导光栅ⅰ21和第二波导光栅ⅱ23的条形刻痕分别位于第二波导层2两端的下表面和上表面，两波导的刻蚀深度为70nm，光栅周期为630nm，均为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°。第二波导光栅ⅰ21的中心与第一波导光栅12的中心对齐。

本器件的工艺如图3所示，厚度为720µm的硅片作为衬底，通过pecvd工艺沉积1µm的二氧化硅（sio2）作为埋氧层，如图3-1至图3-2所示。制备反射层，在埋氧层上沉积厚为200nm的氮化硅（sin），之后在氮化硅（sin）层上沉积厚为100nm的二氧化硅（sio2），在二氧化硅（sio2）层上沉积厚度为200nm的氮化硅（sin）材料后再沉积厚度为100nm的二氧化硅（sio2）材料，最后，在二氧化硅（sio2）材料上沉积200nm的氮化硅（sin），如图3-3所示，通过一次光刻/刻蚀的半导体工艺，制备出第一波导光栅所需反射层，如图3-4所示。通过pecvd工艺沉距反射层400nm的sio2包层，并通过反向刻蚀和抛光工艺得到平整而光滑的表面，如图3-5所示。另取一厚度大于220nm的硅片a，在上面沉积一层厚度为400nm二氧化硅（sio2），如图3-6所示。通过注氢智能剥离技术将晶片a键合到原晶片上，即在硅片a中注入浓度为5×10^¹⁶/cm的氢离子，并进行与上述晶圆的亲水性键合，对晶片进行热处理，在500℃下，解理出多余的硅片，保留晶圆上硅片厚度为220nm，对硅层上表面进行抛光，如图3-7至3-8所示。通过两次刻蚀/光刻，在硅层制备出第一波导光栅，并用pecvd工艺沉积2µm的二氧化（sio2），包层，通过反刻蚀和抛光工艺，制备出平整光滑的上表面，如图3-9至3-10所示。在包层上表面交叉沉积厚度均为200nm的氮化硅（sin）和厚度为100nm的二氧化硅（sio2），通过一次光刻制备出完整的反射层，并用pecvd沉积、反向刻蚀与抛光工艺制备平整的二氧化硅（sio2）包层，如图3-11至3-13所示。另取一顶层硅厚度为220nm的soi晶圆（晶片b），通过上述技术制备出第二波导光栅ⅰ的初始结构与包层，如图3-14至3-15所示。将晶片b反向键合到原晶片上，移除soi晶圆的埋氧层与硅衬底，通过光刻/刻蚀、pecvd沉积、反向刻蚀与抛光工艺，在硅层制备出第二波导光栅ⅱ并覆盖二氧化硅（sio2）包层，如图3-16至3-18所示，通过该工艺制备的第一波导光栅与第二波导光栅ⅰ的部分透射电子显微镜（tem）图如图6所示。通过上述工艺在平整的包层上制备出第二波导光栅ⅰ的反射层与二氧化硅（sio2）包层，如图3-19至3-21所示。

实施例2

该多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的soi晶圆衬底111、晶圆埋氧层112、反射层113、2层光波导层和波导的包层114，所述2层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括3个波导光栅，最下方的第一光波导层1输入端连接正向的第一波导光栅12，其余1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅12上方设有倒置的第二波导光栅ⅰ21，第二波导光栅ⅰ21通过第二光波导结构22连接正向的第二波导光栅ⅱ23。

该入射光波长为1550nm，soi晶圆衬底111硅片厚度为720µm，尺寸为8英寸；晶圆埋氧层112厚度为2µm；反射层113氮化硅层厚度为200nm，二氧化硅层厚度为100nm，反射层顶端距离波导光栅垂直距离为800nm。第一光波导层1为270nm厚的多晶硅（polysilicon）层，第一波导光栅12条形刻痕位于波导层上表面，横向向上，刻蚀深度为100nm，光栅周期为550nm，为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°；第二光波导结构22材料为多晶硅（polysilicon）层，厚度为270nm，第二波导光栅ⅰ21和第二波导光栅ⅱ23的条形刻痕分别位于第二波导层2两端的下表面和上表面，两波导的刻蚀深度为100nm，光栅周期为550nm，均为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°。第二波导光栅ⅰ21的中心与第一波导光栅12的中心对齐。

本器件的工艺如图4所示，厚度为720µm的硅片作为衬底，通过pecvd工艺沉积2µm的二氧化硅（sio2）作为埋氧层，如图4-1至图4-2所示。同实例1所述，在埋氧层上制备出反射层，反射层上的包层厚度为800nm，如图4-3至4-5所示。在含反射层的晶圆上通过pecvd技术沉积一层厚度为270nm的α-si，在560℃下退火10小时形成多晶硅层，通过两次光刻/刻蚀工艺在第一波导层形成第一波导光栅和第一波导结构图形，沉积一层厚的二氧化硅（sio2）包层，通过反刻蚀和抛光工艺，制备出平整光滑的包层表面，如图4-6至4-8所示。重复制备反射层的半导体工艺，在包层上制备出反射层，覆盖在反射层的包层厚度为800nm，如图4-9至4-11所示。在包层上的合适位置通过刻蚀工艺制备出第二波导光栅ⅰ齿状图形的槽，槽的深度为100nm，通过pecvd技术沉积一层厚度为270nm的α-si，在560℃下退火10小时形成多晶硅层，形成第二波导光栅ⅰ初步图形，如图4-12、4-13所示。通过两次光刻/刻蚀工艺在第二波导层形成第二波导光栅ⅱ和第二波导结构图形，并沉积一层据第二波导光栅ⅱ顶部700nm的二氧化硅（sio2）材料，作为包层，如图4-14至4-16所示。在包层上再制备出一层反射层，制备工艺与前面所述一致，如图4-17、图4-18所示。

实施例3

该多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的soi晶圆衬底111、晶圆埋氧层112、反射层113、2层光波导层和波导的包层114，所述2层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括3个波导光栅，最下方的第一光波导层1输入端连接正向的第一波导光栅12，其余1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅12上方设有倒置的第二波导光栅ⅰ21，第二波导光栅ⅰ21通过第二光波导结构22连接正向的第二波导光栅ⅱ23。

该入射光波长为1550nm，soi晶圆衬底111硅片厚度为720µm，尺寸为8英寸；晶圆埋氧层112厚度为2µm；反射层113氮化硅层厚度为200nm，二氧化硅层厚度为100nm，反射层顶端距离波导光栅垂直距离为800nm。第一光波导层1为300nm厚的氮化硅（sin）层，第一波导光栅12条形刻痕位于波导层上表面，横向向上，刻蚀深度为90nm，光栅周期为1000nm，为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°；第二光波导结构22材料为氮化硅（sin）层，厚度为300nm，第二波导光栅ⅰ21和第二波导光栅ⅱ23的条形刻痕分别位于第二波导层2两端的下表面和上表面，两波导的刻蚀深度为90nm，光栅周期为1000nm，均为余弦切趾光栅，光栅齿的倾斜为角度9°。第二波导光栅ⅰ21的中心与第一波导光栅12的中心对齐。

本器件的工艺如图5所示，厚度为720µm的硅片作为衬底，通过pecvd工艺沉积2µm的二氧化硅（sio2）作为埋氧层，如图5-1、图5-2所示。同实例1所述，在埋氧层上制备出反射层，反射层上的包层厚度为800nm，如图5-3至5-5所示。在含反射层的晶圆上沉积厚为350nm氮化硅（sin）材料，抛光移除50nm，通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第一波导光栅和第一波导结构，经pecvd沉积一层二氧化硅（sio2）作为包层，通过反刻蚀和抛光工艺，制备出平整光滑的包层表面，如图5-6至5-8所示。重复制备反射层的半导体工艺，在包层上制备出反射层，覆盖在反射层的包层厚度为800nm，如图5-9至5-11所示。在包层通过一次刻蚀形成如图5-12所示图形，刻蚀深度为90nm，该图形为第二波导光栅ⅰ的条形刻痕，沉积350nm的氮化硅（sin）材料，并进行抛光，通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第二波导光栅ⅰ、第二波导光栅ⅱ和第二波导结构的完整图形，通过pecvd沉积一层厚度为800nm的二氧化硅（sio2）作为包层，通过反刻蚀和抛光工艺，制备出平整光滑的包层表面，如图5-13至5-15所示。在包层上制备出一层反射层，制备工艺与前面所述一致，如图5-16至5-18所示。

以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。