亞波長(zhǎng)波導(dǎo)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種亞波長(zhǎng)波導(dǎo)及制備方法。首先，在含氧基底表面沉積硬掩膜；隨后，在所述硬掩膜表面制作出周期性單排光刻膠圖形層；接著，以該周期性單排光刻膠圖形層為掩膜形成單排周期性硬掩膜圖形層；最后，以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)緊湊，制備方法能與集成電路工藝兼容。
【專利說明】亞波長(zhǎng)波導(dǎo)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，特別是涉及一種亞波長(zhǎng)波導(dǎo)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著硅集成電路特征尺寸的下降，單位面積晶體管密度呈指數(shù)增長(zhǎng)，2020年特征尺寸為IOnm左右的制造工藝將投入量產(chǎn)，晶體管密度將是2009年的16倍。隨著芯片的特征面積越來越小、信號(hào)的時(shí)鐘頻率越來越高、信號(hào)對(duì)時(shí)鐘同步要求越來越復(fù)雜等，以銅互連為基礎(chǔ)的電互連技術(shù)將越來越難以滿足芯片間高密度光通信和光交換持續(xù)增長(zhǎng)的需求。
[0003]光互連技術(shù)由于具備帶寬大、功耗低、延遲短、無串?dāng)_和匹配及電磁兼容等優(yōu)勢(shì)，成為滿足高速計(jì)算和海量信息傳輸要求的關(guān)鍵技術(shù)。比較而言，光通信的延遲主要取決于光交換的體系結(jié)構(gòu)，功耗主要消耗在光電轉(zhuǎn)換端點(diǎn)上，而在傳遞過程中并不增加額外的功耗，因此有助于降低全局通信延遲和提高全局通信的帶寬/功耗比值；而且能夠在較低的損耗條件下，有效地避免高速信號(hào)傳輸所引起的串?dāng)_，降低信號(hào)失真的發(fā)生等問題，實(shí)現(xiàn)較高的信號(hào)完整性。此外，光互連技術(shù)不受到芯片引腳的限制，可大大增加片外帶寬，因此采用光互連可以克服電互連的電磁干擾和帶寬瓶頸，獲得更好的系統(tǒng)性能，支持更大規(guī)模的集成電路芯片互連網(wǎng)絡(luò)。低功耗高密度光電接口模塊的使用，還可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗獲得更高的系統(tǒng)密度。
[0004]與早期基于II1-V族光器件和光纖網(wǎng)絡(luò)組裝構(gòu)建的光互連系統(tǒng)相比，基于集成電路工藝的硅基光電集成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光電集成、可大批量生產(chǎn)、低成本和高速率的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為解決互連問題的關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)成硅基光電集成芯片的核心無源器件是光波導(dǎo)，其功能等同于光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖，用于光信號(hào)的傳輸，也是各類核心硅基光電器件的必要組成部分。目前在硅基光波導(dǎo)中最常用到的單模光波導(dǎo)是500nmX220nm的納米線光波導(dǎo)，與集成電路發(fā)展到32nm的主流技術(shù)相比，光波導(dǎo)和對(duì)應(yīng)的光器件顯得尤為笨重，因此低功耗和小尺寸也是硅基光電集成芯片和核心器件的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)光電集成的技術(shù)要求。
[0005]亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，顧名思義就是比光波長(zhǎng)還要小一個(gè)數(shù)量級(jí)的光波導(dǎo)，對(duì)于通信波段而言就是尺寸在百納米量級(jí)特征線寬的波導(dǎo)。目前這類波導(dǎo)主要由以下幾類:金屬表面等離激元亞波長(zhǎng)波導(dǎo)、空氣縫波導(dǎo)以及光子晶體波導(dǎo)等。利用金屬表面等離激元更容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，然而由于金屬對(duì)于通信波段光波的吸收而且常用到的金銀等材質(zhì)并不能與集成電路工藝完全兼容，因此并不是亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的首選；光子晶體亞波長(zhǎng)波導(dǎo)需要制備光子晶體陣列，在其中實(shí)現(xiàn)線缺陷或者利用自準(zhǔn)直原理進(jìn)行光束傳輸，整體看來導(dǎo)致波導(dǎo)面積過大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且吸收損耗小的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種能與集成電路工藝兼容的制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法，其至少包括:
[0009]A)在含氧基底表面沉積硬掩膜；
[0010]B)在所述硬掩膜表面制作出周期性單排光刻膠圖形層；
[0011]C)以該周期性單排光刻膠圖形層為掩膜形成單排周期性硬掩膜圖形層；
[0012]D)以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選地，以該周期性單排光刻膠圖形層為掩膜、采用反應(yīng)離子束刻蝕或者離子束刻蝕來形成單排周期性硬掩膜圖形層。
[0014]優(yōu)選地，以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜、采用深反應(yīng)離子束刻蝕或反應(yīng)離子束刻蝕對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明提供一種亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地,所述含氧基底為絕緣體上的娃、絕緣體上的娃鍺或者絕緣體上的鍺。
[0017]優(yōu)選地，單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形。
[0018]優(yōu)選地，單排周期性`柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米~200納米。
[0019]優(yōu)選地，單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2~4倍。
[0020]優(yōu)選地，含氧基底的頂層厚度范圍在f 10微米。
[0021]優(yōu)選地，含氧基底的含氧層厚度為0.5^3微米。
[0022]如上所述，本發(fā)明的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)及制備方法，具有以下有益效果:能夠避免采用金屬材料的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)器件所具有的吸收損耗，結(jié)構(gòu)緊湊，而且與集成電路工藝兼容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1至圖6顯示為本發(fā)明的制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法流程圖。
[0024]圖7顯示為加工完成的本發(fā)明的SOI襯底上的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)、以及光束在該亞波長(zhǎng)波導(dǎo)中傳播的圖像示意圖。
[0025]元件標(biāo)號(hào)說明
[0026] 1SOI基底
11硅襯底
12二氧化硅埋層
13頂層硅
2硬掩膜
3光刻膠圖形層
4硬掩膜圖形層
5娃圓柱
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0028]請(qǐng)參閱圖1至圖7。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0029]本發(fā)明的制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法至少包括以下步驟:
[0030]第一步:在含氧基底表面沉積硬掩膜。
[0031]例如，提供一片作為含氧基底的SOI基底1，如圖1所示，該SOI基底I包括硅襯底
11、二氧化硅埋層12及頂層硅13。其中，該SOI基底I厚度500微米，二氧化硅埋層12的厚度為2微米，頂層硅13的厚度為I微米。
[0032]對(duì)該SOI基底I進(jìn)行氧化，在頂層硅13上形成100納米Si02作為硬掩膜2，如圖2所示。
[0033]第二步:在所述硬掩膜表面制作出周期性單排光刻膠圖形層。
[0034]例如，在圖2所示的結(jié)構(gòu)正面進(jìn)行光刻，形成圓狀單排光刻膠圖形層3，如圖3所示，其中，單排光刻膠圖形層3由100個(gè)周期構(gòu)成，周期為300nm，光刻膠圖形層的單個(gè)圓柱圖形直徑為lOOnm。
[0035]第三步:以該周期性單排光刻膠圖形層為掩膜形成單排周期性硬掩膜圖形層。
[0036]例如，以圖3所示的周期性單排光刻膠圖形層為掩膜，采用反應(yīng)離子束刻蝕硬掩膜2，也就是刻蝕Si02，來形成單排周期性硬掩膜圖形層4，如圖4所示。
[0037]第四步:以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。[0038]例如，以圖4所示的單排周期性硬掩膜圖形層4為掩膜，采用深反應(yīng)離子束刻蝕頂層硅13，形成單排周期性硅圓柱5，如圖5所示，其中，硅圓柱5高度I微米；隨后再去除光刻膠柱體3，形成能傳輸用于1.55微米通信波段的亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。
[0039]需要說明的是，上述所述僅僅只是列示，而非對(duì)本發(fā)明的限制，例如，采用的含氧基底還可以為絕緣體上的硅鍺(GeSiOI)、或者絕緣體上的鍺(GeOI)等；又例如，也可以在含氧基底表面沉積一層SiON或者SiNx作為硬掩膜等。
[0040]基于上述制備方法所制備的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)，如圖7所示。其中，圖7中標(biāo)號(hào)a的圖為加工完成的SOI襯底上的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)示意圖、標(biāo)號(hào)為b的圖為光束在波導(dǎo)中傳播的圖像示意圖。
[0041]其中，所述含氧基底為絕緣體上的娃(SOI)、絕緣體上的娃鍺或者絕緣體上的鍺等；含氧基底的頂層厚度范圍在f 10微米；含氧基底的含氧層厚度為0.5^3微米。
[0042]其中，單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形，單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米~200納米；單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2~4倍。
[0043]綜上所述，本發(fā)明基于硅鍺等集成電路兼容的高折射率材料，利用類似于金屬表面等離激元的共振耦合原理，利用單排圓柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，相對(duì)于常用的硅納米線波導(dǎo)尺寸縮小到亞波長(zhǎng)尺度，更利于減小芯片面積以及光電集成；與采用光子晶體線缺陷和自準(zhǔn)直院里的波導(dǎo)相比結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，與金屬表面等離激元原理的金屬亞波長(zhǎng)波導(dǎo)相比避免了吸收損耗；而且具有集成電路工藝兼容的特性。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0044]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法，其特征在于，所述制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法至少包括: A)在含氧基底表面沉積硬掩膜； B)在所述硬掩膜表面制作出周期性單排光刻膠圖形層； C)以該周期性單排光刻膠柱體圖形層為掩膜形成單排周期性硬掩膜圖形層； D)以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法，其特征在于:以該周期性單排光刻膠圖形層為掩膜、采用反應(yīng)離子束刻蝕或者離子束刻蝕來形成單排周期性硬掩膜圖形層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的方法，其特征在于:以單排周期性硬掩膜圖形層為掩膜、采用深反應(yīng)離子束刻蝕或反應(yīng)離子束刻蝕對(duì)所述含氧基底的頂層進(jìn)行刻蝕來形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
4.一種亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于，所述亞波長(zhǎng)波導(dǎo)至少包括:含氧基底，其頂層被刻蝕成形成能傳輸亞波長(zhǎng)波的單排周期性柱體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:所述含氧基底為絕緣體上的硅、絕緣體上的硅鍺或者絕緣體上的鍺。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體成圓柱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)柱體的半徑范圍是25納米?200納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:單排周期性柱體結(jié)構(gòu)中的柱體排列周期是柱體半徑的2?4倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:含氧基底的頂層厚度范圍在廣10微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)，其特征在于:含氧基底的含氧層厚度為0.5?3微米。
【文檔編號(hào)】G02B6/136GK103809239SQ201210445107
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】武愛民, 甘甫烷, 李 浩, 盛振, 王曦 申請(qǐng)人:江蘇尚飛光電科技有限公司, 中科院南通光電工程中心, 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所