專利名稱：光波導(dǎo)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種晶圓級(jí)光波導(dǎo)及其 制造方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度的要求曰 益提高。以往的"電"互連，也就是以銅線為基礎(chǔ)的電子信號(hào)傳輸線路 所能承栽的信號(hào)帶寬已經(jīng)接近飽和，于是光互連技術(shù)為基礎(chǔ)的光通信應(yīng) 運(yùn)而生。光互連是一種利用光作為傳遞信息的載體，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)內(nèi)各部件之間或各系統(tǒng)之間互連的技術(shù)。從光互連所用的傳輸介質(zhì)來 看，主要有光波導(dǎo)互連、光纖互連以及自由空間光互連等技術(shù)。從光互 連在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所處的層次來看，它可以在計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、背 板與背板、平面內(nèi)芯片與芯片及自由空間內(nèi)芯片與芯片之間等不同層次 實(shí)現(xiàn)光互連。光互連技術(shù)在通信帶寬、等程傳輸、抗電磁干擾及低能耗 等方面比電互連有巨大的優(yōu)勢(shì)。在上述光互連傳輸介質(zhì)中，光波導(dǎo)廣泛應(yīng)用于芯片內(nèi)、芯片間與芯片模塊以及背板之間的光互連。光波導(dǎo)由芯層(core layer)和包層(clad layer)組成，其中芯層構(gòu)成光路，光在光路中必須滿足全反射才能高效 地傳播。因此在光波導(dǎo)中，芯層材料的折射率必須高于外包層材料的折 射率，才能使光在光路中全反射從而沿著設(shè)計(jì)的路線傳輸。光互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中通常包括作為光源的半導(dǎo)體激光器、反射耦合器、 平板光波導(dǎo)(以下筒稱光波導(dǎo))以及作為互連媒介的光纖，光波導(dǎo)的尺 寸通常為微米級(jí)，發(fā)射端與接收端之間的互連通過光波導(dǎo)和光纖完成。 出于芯片、背板的布局、器件尺寸等設(shè)計(jì)因素的考慮，激光器發(fā)出的光 通常不會(huì)以直線的方式進(jìn)入光纖，而是要轉(zhuǎn)換一定角度。圖l為具有光波 導(dǎo)的光互連結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖。如圖l所示，激光器發(fā)出的光20通過反射耦 合器(端面12)進(jìn)入平板光波導(dǎo)IO，平板光波導(dǎo)10將光轉(zhuǎn)換一個(gè)角度后 以全反射的方式耦合進(jìn)入光纖30。上述光波導(dǎo)10的端面12需要削成具有 特定角度的斜面，典型的角度為45。，以便將入射光的方向轉(zhuǎn)換90。， 同時(shí)要求光波導(dǎo)10的端面12為鏡面，以滿足反射耦合器全反射的要求。技術(shù)。納米壓印技術(shù)是利用光刻、刻蝕等半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)在基底表 面的壓模材料，例如氧化硅(Si02)或氮化硅(SiN)中形成與光路形狀 相匹配的納米壓印模具。然后利用納米壓印模具在光波導(dǎo)表面的芯層材 料中壓制出光路。圖2至圖5為說明利用納米壓印技術(shù)形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 流程示意圖。如圖2所示，在基底20表面形成下包層22;然后在下外包層 22表面形成芯層材料層24，如圖3所示；隨后，將納米壓印模具30與芯層 材料層24壓合，如圖4所示，從而在芯層24中形成由芯層材料構(gòu)成的光路 26,如圖5所示。圖6為圖5中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的立體示意圖，如圖6所示，箭 頭所指方向?yàn)楣庑盘?hào)傳輸方向。位于基底20的外包層22表面的光路26， 需要具有非常光滑的頂面和側(cè)面，以保證在形成上包層之后光在光路中 不會(huì)產(chǎn)生漫反射。此外更為重要的是，光路26的端面需為鏡面，以保證 入射光的全反射耦合。這就對(duì)納米壓印模具30的制作工藝提高了很高的 要求，能夠滿足上述要求的納米壓印模具是非常昂貴的，這無疑大大增 加了制造成本。而且，當(dāng)設(shè)計(jì)的光路改變的時(shí)候，就要訂購相應(yīng)的沖莫具， 降低了工藝靈活性，進(jìn)一步增加了成本。軟模轉(zhuǎn)印技術(shù)是在模具上制造好光路之后，再覆蓋結(jié)合到底材之上。 該方法也有它的缺點(diǎn)，首先是制造工藝的過程比較長(zhǎng)。軟^t具覆蓋之后 再去除還易產(chǎn)生殘留物的問題。此外更為嚴(yán)重的就是鏡面問題，軟模具 只能利用光纖材料本身來做鏡面，鏡面的反射效果受材質(zhì)的限制，造成 光信號(hào)損耗的減少程度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種晶圓級(jí)光波導(dǎo)及其制造方法，該方法利 用半導(dǎo)體集成電路制造工藝，能夠制造出接觸面光滑、厚度均勻且端面 為任意角度鏡面的微米級(jí)光波導(dǎo)，同時(shí)大幅度降低制造成本。為達(dá)到上述目的， 一方面，本發(fā)明提供了一種光波導(dǎo)，包括基底和 基底上的限制層，所述限制層中具有凹槽，凹槽兩側(cè)的端面為斜面，至 少在所述斜面表面具有反射鏡面層，在所述凹槽中包括芯層，在所述芯 層的表面具有包層。優(yōu)選地，所述基底和限制層為同一層。所述包層包括位于芯層上表面的第一包層和位于芯層下表面的第 二包層。所述第二包層位于所述基底和所述限制層之間。所述包層僅位于芯層的上表面，所述芯層的下表面為反射鏡面層。所述限制層的材料為硅、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、石英玻璃和 硼磷硅酸鹽玻璃中的一種。所述芯層和包層的材料為可旋涂高分子感光材料。所述反射鏡面層的材料為金屬層。所述芯層的材料為正性光致抗蝕劑、負(fù)性光致抗蝕劑，感光型聚酰亞胺樹脂(PSPI),感光型溶膠凝膠(sol-gel)或其混合物或組合物。 所述斜面與所述基底表面之間的銳角為45度。 相應(yīng)地，提供了一種光波導(dǎo)的制造方法，包括下列步驟 提供一基底；在所述基底上形成限制層并在所述限制層中形成凹槽，所述凹槽兩 側(cè)端面為殺+面；至少在所述斜面表面形成反射鏡面層；在所述凹槽內(nèi)至少旋涂形成芯層；并在所述芯層表面旋涂形成包層。優(yōu)選地，在所述基底中形成凹槽，使所述基底即成為限制層。采用干法刻蝕、機(jī)械切割或激光切割的方法形成所述凹槽。形成所述限制層的方法包括化學(xué)氣相淀積、靜電封接或粘接工藝。所述包層形成于所述芯層的上表面和下表面，或僅形成于所述芯層 的上表面。當(dāng)包層僅形成于所述芯層的上表面時(shí)，所述芯層的下表面為反射鏡 面層。所述反射鏡面層的材料為金屬，利用物理氣相淀積或電鍍工藝形成。所述芯層下表面的包層可形成于所述基底和所述限制層之間。另一方面，提供了一種光波導(dǎo)，包括位于透明底材表面的依次由第 一包層、芯層和第二包層組成的梯形疊層，所述梯形疊層的兩側(cè)面為斜 面，所述斜面表面具有反射鏡面層，所述梯形疊層表面具有半導(dǎo)體基底。所述第一包層、芯層和第二包層的材料為可旋涂高分子感光材料。所述反射鏡面層的材料為金屬。所述斜面與所述透明底材表面之間的銳角為45度。 相應(yīng)地，提供了一種光波導(dǎo)的制造方法，包括 提供一透明底材；在所述透明底材表面依次旋涂第一包層、芯層和第二包層材料并經(jīng) 固化形成由第一包層、芯層和第二包層組成的疊層結(jié)構(gòu)；利用激光將所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)面切割成斜面；在所述斜面表面沉積金屬材料形成反射鏡面層；在所述疊層結(jié)構(gòu)表面接合半導(dǎo)體基底材料。所述第 一 包層、芯層和第二包層中每層的旋涂次數(shù)為 一次或多次。
所述方法還包括移除所述透明底材的步驟。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的晶圓級(jí)光波導(dǎo)及其制造方法以半導(dǎo)體集成電路(IC)制造 工藝方法取代了成本高昂的模壓技術(shù)制造晶圓級(jí)光波導(dǎo)，而且采用的技 術(shù)為常規(guī)半導(dǎo)體工藝和常規(guī)半導(dǎo)體設(shè)備，光波導(dǎo)的芯層和包層均釆用可 旋涂的材料旋涂而成，厚度可以根據(jù)光路的設(shè)計(jì)要求靈活控制。旋涂材 料經(jīng)曝光固化形成光滑的芯層和包層的接觸表面，該芯層和包層光滑的 接觸面有利于降低光傳輸過程中的漫反射。本發(fā)明光波導(dǎo)的端面采用等 離子刻蝕工藝刻蝕或激光切割工藝或機(jī)械切割，能夠形成具有任意角度 的芯層端面，因此能夠非常靈活地滿足各種光路設(shè)計(jì)的需要。并沉積金 屬材料形成全反射的鏡面端面，將光傳輸中光信號(hào)的損耗降低到了最低 程度。本發(fā)明的晶圓級(jí)光波導(dǎo)制造工藝簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本，提高了 生產(chǎn)效率。而且由于本發(fā)明的光波導(dǎo)制造方法能夠與IC工藝兼容，因此 有利于實(shí)現(xiàn)光電器件的集成制造。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上 述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記 指示相同的部分。并未刻意^t姿比例繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主 旨。在附圖中，為清楚明了，放大了層和區(qū)域的厚度。
圖1為具有光波導(dǎo)的光互連結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖；圖2至圖5為說明利用納米壓印技術(shù)形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的流程示意圖；圖6為圖5中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖7A至圖7G為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第一實(shí)施例流程 的剖面示意圖；圖7G為才艮據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖7H為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖71為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7J為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8A至圖8H為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第二實(shí)施例流程 的剖面示意圖；圖8H為沖艮據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第五實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖81為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第六實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9A至圖9D為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第三實(shí)施例流程 的剖面示意圖；圖9D為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第七實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是 本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公 開的具體實(shí)施的限制。才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光波導(dǎo)的制造方法包括下列步驟首先提供一 基底；在所述基底上形成限制層并在所述限制層中形成凹槽，所述凹槽 兩側(cè)端面為斜面；至少在所述斜面表面形成金屬層；在所述凹槽內(nèi)至少 旋涂形成芯層；并在旋涂形成芯層之前旋涂形成第一包層，在旋涂形成 芯層之后旋涂形成第二包層。在其他實(shí)施例中，可不形成第一包層，直 接在金屬層表面形成芯層；在其他實(shí)施例中，可基底中形成凹槽，直接 利用基底作為限制層。為使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易 懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。圖7A至圖7G為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第一實(shí)施例流程 的剖面示意圖。首先如圖7A所示，本實(shí)施例首先提供一基底100,基 底100可以包括半導(dǎo)體元素，例如單晶、多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺(SiGe)，也可以包括混合的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如碳化硅、銻化錮、碲化 鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或銻化鎵、合金半導(dǎo)體或其組合；也可以 是絕緣體上硅(SOI)。此外，基底100還可以包括其它的材料，例如 外延層或掩埋層的多層結(jié)構(gòu)。雖然在此描述了可以作為基底100的材料 的幾個(gè)示例，但是可以作為半導(dǎo)體襯底的任何材料均落入本發(fā)明的精神 和范圍。本發(fā)明的光波導(dǎo)所使用的基底100的材料并無特殊限制，任何 適合于支撐高分子聚合物的材料均可作為本發(fā)明光波導(dǎo)的基底。在較佳 實(shí)施例中使用的基底除半導(dǎo)體材料之外還可以是耐熱玻璃(pyrex), 例如石英玻璃、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG);或有機(jī)高分子樹脂，例如 但不限于聚酯樹月旨(polyester resin )、聚碳酸脂樹月旨(polycarbonate resin )、 酚醛層壓樹脂或聚氨基曱酸酯樹脂(polyurethane resin);或它們的混 合物，此外還可以是PCB板。然后在所述基底表面形成一材料層110，該層作為后續(xù)形成的光波 導(dǎo)的形狀限制層。以下文中將該材料層110稱為限制層。限制層110的 材料優(yōu)選但不限于硅、玻璃(Si02) 二氧化硅，例如可以是氮化硅，氮 氧化硅、石英玻璃或BPSG等。可以采用化學(xué)氣相淀積的方法形成該限 制層110，也可采用靜電封接的方法將玻璃和硅晶片封接在一起形成限 制層110。此外還可用黏結(jié)的方法，用環(huán)氧樹脂等粘接劑將限制層110 與基底黏結(jié)在一起。也可采用旋涂(spinon)的方法，用可旋涂玻璃， 如應(yīng)用材料公司的商標(biāo)為black diamond (BD)的可旋涂氧化硅形成限 制層IIO。根據(jù)光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)尺寸要求，可將限制層IIO切割成所需要 的長(zhǎng)、寬、高等幾何尺寸。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以利用基底直接作為限制層，即在 基底中利用刻蝕、機(jī)械切割或激光切割的方法直接形成凹槽。在接下來的工藝步驟中，如圖7B所示，在限制層110表面涂布光 刻膠，并經(jīng)曝光、顯影、烘焙等光刻工藝圖案化所述光刻膠，形成光刻 膠圖形120，作為后續(xù)刻蝕限制層110的掩膜。然后，以光刻膠圖形120
為掩膜對(duì)限制層110進(jìn)行刻蝕，在限制層110中形成兩側(cè)端面為斜面的凹槽，如圖7C所示?？墒褂酶鞣N適合的干法刻蝕法刻蝕上述限制層110, 例如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或等離子刻蝕(plasmaetch)。在刻蝕期間， 刻蝕的方向性可以通過控制等離子源的偏置功率和陰極(也就是襯底) 偏壓功率來實(shí)現(xiàn)?？涛g氣體包括含氟氣體，例如四氟曱烷CF4、六氟乙 烷C2F6和三氟曱烷CHF3等，以及惰性氣體，例如氬氣Ar。在反應(yīng)室 內(nèi)同時(shí)通入上述氣體，其中氬氣Ar起到稀釋刻蝕氣體的作用，其流量 為50 sccm 400sccm;起刻蝕作用的氣體中，四氟曱烷CF4的流量為 10sccm 100sccm;六氟乙烷C2F6的流量為10sccm 400sccm;三氟甲 烷CHF3的流量為1 Osccm 1 OOsccm。反應(yīng)室內(nèi)將所述氣體電離為等離 子體的射頻功率源的輸出功率為50W 1000W;射頻偏置功率源的輸出 功率為50W 250W。反應(yīng)室內(nèi)的壓力設(shè)置為50mTorr 200mTorr,基底 100溫度控制在20。C和90。C之間。上述等離子刻蝕的過程是一種各向異 性的刻蝕，刻蝕氣體和稀釋氣體的共同作用使刻蝕后限制層110的凹槽 端面115為斜面，且斜面115的傾斜角度為25度至75度，本實(shí)施例優(yōu) 選為45度。在其它實(shí)施例中，形成斜面的方法也可以采用激光切割工藝或機(jī)械 切割，根據(jù)需要得到具有不同角度的斜面的端面115。對(duì)刻蝕后的限制層IIO表面進(jìn)行清洗，去除刻蝕殘留物和微粒。然后，如圖7D所示，在刻蝕后的限制層表面沉積一金屬層130, 以增強(qiáng)光反射效果。可釆用物理氣相淀積(PVD)工藝或電鍍工藝形成 所述金屬層130。所述金屬層130的材料優(yōu)選但不限于金、銀、鋁、鉻 等金屬，其厚度為1 5um。在本發(fā)明方法的其他實(shí)施例中，可將限制層IIO上表面部分的金屬 層130利用化學(xué)機(jī)械研磨或化學(xué)蝕刻工藝移除，并對(duì)表面進(jìn)行清洗。接下來如圖7E所示，利用旋涂(spin on)工藝，在凹槽底部旋涂 下包層140。該層的材料可采用屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的可旋涂材 料，例如但不限于聚壓克力酸面旨(polyacrylate )、聚硅氧烷(polysiloxane )、 聚酰亞胺(polyimide)或聚碳酸脂(polycarbonate),以及其他高分子 感光聚合物，例如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的底部抗反射材料(bare)或富 硅聚合物，如布魯爾科技有限公司商標(biāo)為GF的系列產(chǎn)品，或3-異丁烯 酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPETS )和苯基三乙氧基硅烷(PhTES )的 混合溶液。隨后對(duì)下包層140進(jìn)行固化。固化的方法，并無特殊限制，為所屬 領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知，例如但不限于光照固化或熱固化，較佳實(shí)施例 中以非偏振光照射方式加以固化。 一般而言，非偏振光泛指無特定電場(chǎng) 震蕩方向限制，且具有一定波長(zhǎng)范圍的光源，例如紫外線、紅外線或熱 射線等，較好為以紫外光固化。然后，如圖7F所示，在上述下包層140表面旋涂芯層材料并經(jīng)紫 外線固化后形成芯層150。根據(jù)芯層的厚度要求，芯層150的表面優(yōu)選 與金屬層130的表面齊平，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，芯層150的表面 可低于金屬層130的表面。芯層材料為感光型高分子材料，且不添加光 起始劑，所以該材料必須在特定波長(zhǎng)的偏振光下照射，可以直接吸收光 能量成為受激態(tài)(exciting state)，誘發(fā)產(chǎn)生方向性的鏈接，從而改變合適的感光材料包括但不限于例如各種光致抗蝕劑(包括正性光致抗蝕 劑和負(fù)性光致抗蝕劑)，感光型聚酰亞胺樹脂(PSPI),感光型溶膠凝 膠(sol-gel )或其混合物或組合物，或PhTES、N-曱基-2-吡咯烷酮(NMP )、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的混合溶液。繼續(xù)利用旋涂工藝在芯層150表面上包層160，如圖7G所示。該 層的材料與上包層相同，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的可旋涂材料，例如 但不限于聚壓克力酸酯(polyacrylate)、聚硅氧烷(polysiloxane)、聚 酰亞胺(polyimide)或聚碳酸脂(polycarbonate),以及其他高分子感
光聚合物，例如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的底部抗反射材料(bare)或富硅 聚合物等。然后對(duì)上包層160進(jìn)行固化，固化的方法優(yōu)選為紫外光照射。 由光固化性樹脂形成光波導(dǎo)的上部包層和芯層時(shí)，樹脂根據(jù)固化時(shí)的紫 外線照射量，折射率發(fā)生變化。所以有必要以高精度控制紫外線照射量， 對(duì)上、下包層140和160固化時(shí)，紫外線的中心波長(zhǎng)為365nm、強(qiáng)度 200mW/cm2,距離10mm的紫外線光源，照射時(shí)間約30分鐘，使其固 化形成包層。在旋涂整片的芯層150后，需要按需求把它曝光顯影成光 波導(dǎo)線狀結(jié)構(gòu)，也就是光路。顯影顯開的部分會(huì)被上包層160填補(bǔ)，形 成完整三維的光^各。對(duì)芯層140進(jìn)行固化時(shí)，紫外線的中心波長(zhǎng)650nm、 強(qiáng)度100mW/cm2，距離10mm的紫外線光源，照射時(shí)間約30分鐘，使 其固化形成芯層。圖7G為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7G 所示，箭頭所示為光線傳輸路徑。根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 包括形成于基底表面的限制層110,所述限制層110中形成有凹槽，凹 槽兩側(cè)的端面為斜面，至少在凹槽底部和斜面表面具有金屬層130，以 增加入射光的反射率。在限制層110的凹槽中至少包括依次堆疊的下包 層140和芯層150，以及覆蓋芯層150和限制層IIO表面的上包層160。 其中芯層150的折射率遠(yuǎn)大于上包層160和下包層140的折射率。上述 下包層140、芯層150和上包層160均采用可旋涂材料，利用旋涂工藝 形成，因此得到的各層表面非常光滑，而且厚度一致性較高。圖7H為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7H 所示，箭頭所示為光線傳輸路徑。根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 與上述第一實(shí)施例的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，包括下包層140、芯層150和上 包層160的疊層結(jié)構(gòu)被容納于凹槽限制的范圍內(nèi)，因此下包層140、芯 層150和上包層160的厚度一致性更加均勻。圖7I為才艮據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7J為 根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。箭頭所示為光信號(hào)傳 輸路徑。如圖7I和7J所示，上述方法可以不形成下包層，而是在凹槽 中直接旋涂芯層150,然后在芯層150表面形成上包層160,從而形成 圖7I和7J所示的結(jié)構(gòu)。圖8A至圖8H為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第二實(shí)施例流程 的剖面示意圖。首先如圖8A所示，首先提供一基底200，基底200與 本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第二實(shí)施例相同，除半導(dǎo)體材料之外，本發(fā)明的 光波導(dǎo)所使用的基底200的材料并無特殊限制，任何適合于支撐高分子 聚合物的材料均可作為本發(fā)明光波導(dǎo)的基底。在較佳實(shí)施例中使用的基 底除半導(dǎo)體材料之外還可以是耐熱玻璃(pyrex),例如石英玻璃、硼 磷硅酸鹽玻璃(BPSG);或有機(jī)高分子樹脂，例如但不限于聚酯樹脂 (polyester resin)、聚碳臥復(fù)脂樹脂(polycarbonate resin)、酚醛層壓樹 脂或聚氨基甲酸酯樹脂(polyurethaneresin);或它們的混合物。在基底200表面旋涂高分子感光聚合物，如聚壓克力酸酯 (polyacrylate )、聚硅氧烷(polysiloxane )、聚酰亞胺(polyimide )或 聚碳酸脂(polycarbonate)等，并利用紫外線照射使其固化形成下包層 210。隨后，如圖8B所示，在所述下包層210表面通過CVD、靜電封接、 黏結(jié)等方法形成限制層220。在所述限制層220表面利用光刻工藝形成 光刻膠掩膜圖形230，如圖8C所示。以上述光刻膠掩膜圖形230為掩 膜刻蝕限制層220，通過前述等離子刻蝕或RIE工藝在限制層220中形 成凹槽，凹槽兩側(cè)的端面能夠形成斜面225。在其他實(shí)施例中，可利用 激光切割的方法形成兩側(cè)的端面為斜面225的凹槽。斜面225的傾斜角 度為25度至75度，本實(shí)施例優(yōu)選為45度，如圖8D所示。然后，在刻蝕后的限制層220和下包層210表面沉積一金屬層230， 如圖8E所示，以增強(qiáng)光反射率。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，將限制層 220表面的金屬層研磨去除，或以其他方法去除。之后如圖8F所示， 本實(shí)施例優(yōu)選形成光刻膠圖形226將凹槽底部下包層210表面的所述金
屬層230露出，通過可等離子刻蝕工藝或RIE工藝刻蝕掉所述露出的金 屬層230，刻蝕劑采用含氯或含溴氣體。移除光刻膠圖形226,并對(duì)下 包層210和金屬層230表面進(jìn)行清洗去除刻蝕殘留物和微粒，以保證芯 層和下包層210、金屬層230的接觸面沒有雜質(zhì)。在接下來的工藝步驟中，利用旋涂工藝凹槽中旋涂芯層材料，經(jīng)紫 外線固化后形成芯層240,如圖8G所示。芯層材料為感光型高分子材 料，且不添加光起始劑，所以該材料必須在特定波長(zhǎng)的偏振光下照射， 可以直接吸收光能量成為受激態(tài)，誘發(fā)產(chǎn)生方向性的鏈接，從而改變折 射率。本實(shí)施例中所使用的偏振光的波長(zhǎng)視所使用的感光材料而定。合 適的感光材料包括但不限于例如各種光致抗蝕劑(包括正性光致抗蝕劑 和負(fù)性光致抗蝕劑)，感光型聚酰亞胺樹脂(PSPI),感光型溶膠凝月交 (sol-gel )或其混合物或組合物，或PhTES、 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP )、 聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)的混合溶液。芯層240形成于整個(gè)凹槽內(nèi)， 其上表面與限制層220表面齊平，在芯層240表面旋涂高分子感光聚合 物，如聚壓克力酸酯(polyacrylate )、聚硅氧烷(polysiloxane )、聚酰 亞胺(polyimide)或聚碳酸脂(polycarbonate)等，并經(jīng)紫外線照射使 其固化形成上包層250,如圖8H所示。圖8H為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第五實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖8 所示的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，箭頭所指為光信號(hào)傳輸方向。下包層210、芯層 240和上包層250構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)。其中芯層240的折射率大于下包層210 和上包層250的折射率。芯層240全部位于凹槽內(nèi)，因此斜面的鏡面反 射面積更大，全反射的效果更好。下包層210、芯層240和上包層250 的接觸面更加筆直光滑。圖81為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第六實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，箭頭所 指為光信號(hào)傳輸方向。在本實(shí)施例中，凹槽底部的金屬反射層予以保留。圖9A至圖9D為說明根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)制造方法第三實(shí)施例流程 的剖面示意圖。首先如圖9A所示，在透明材料、例如玻璃和石英的襯
底300表面通過旋涂工藝依次旋涂下包層材料、芯層材料和上包層材料， 經(jīng)紫外線照射使其固化，依次形成下包層310、芯層320和上包層330。 下包層310、芯層320和上包層330的材料與前述實(shí)施例中所述相同， 在此不再贅述。然后，如圖9B所示，利用等離子刻蝕方式，優(yōu)選通過激光切割或 機(jī)械切割的方式，將下包層310、芯層320和上包層330組成的疊層結(jié) 構(gòu)的兩側(cè)切割成特定角度的斜面325，本實(shí)施例優(yōu)選為45度。隨后在斜面325表面沉積或電鍍一層金屬層340,金屬層340的材 料與前述金屬層相同，以增強(qiáng)光反射率，如圖9C所示。然后，將由襯 底300、下包層310、芯層320和上包層330組成的、側(cè)面具有金屬層 340的梯形疊層結(jié)構(gòu)粘接于硅或其他半導(dǎo)體材料基底350，如圖9D所示。圖9D為根據(jù)本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)第七實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。箭頭所 指方向?yàn)楣庑盘?hào)傳輸方向。圖9中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的下包層310、芯層320 和上包層330三層材料都是旋涂上的，并且旋涂時(shí)沒有像前述實(shí)施例中 一樣的限制層凹槽，因此下包層310、芯層320和上包層330之間的界 面相對(duì)更加的平滑筆直。半導(dǎo)體材料基底350、包括下包層310、芯層320和上包層330的 光波導(dǎo)層和襯底300形成了三明治結(jié)構(gòu)。因?yàn)橐r底300的材料為玻璃， 因此光信號(hào)也可以透過玻璃傳輸出去。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，如果 要降低因?yàn)榇┻^襯底300造成的損耗，可以根據(jù)需要研磨去除該玻璃襯 底300。需要說明的是，在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，下包層、芯層和上包層中，每層即可以通過一次;旋涂完成，也可以通過多次:旋涂完成，以達(dá)到準(zhǔn)確的厚度控制要求。斜面的角度均是指斜面與基底表面所成的銳角的 角度。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形
式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定 本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情 況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多 可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫 離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的 任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1、 一種光波導(dǎo)，包括基底和基底上的限制層，所述限制層中具有 凹槽，凹槽兩側(cè)的端面為斜面，至少在所述斜面表面具有反射鏡面層， 在所述凹槽中包括芯層，在所述芯層的表面具有包層。
2、 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述基底和限制層 為同一層。
3、 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述包層包括位于 芯層上表面的第 一 包層和位于芯層下表面的第二包層。
4、 如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述第二包層位于 所述基底和所述限制層之間。
5、 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述包層僅位于芯 層的上表面，所述芯層的下表面為反射鏡面層。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述限制層的 材料為硅、氧化硅，氮化硅，氮氧化硅、石英玻璃和硼磷硅酸鹽玻璃中 的一種。
7、 如權(quán)利要求3或5所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述芯層和包 層的材料為可旋涂高分子感光材料。
8、 如權(quán)利要求1或5所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述反射鏡面 層的材料為金屬層。
9、 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述芯層的材料為 正性光致抗蝕劑、負(fù)性光致抗蝕劑，感光型聚酰亞胺樹脂(PSPI)，感 光型溶膠凝膠(sol-gel)或其混合物或組合物。
10、 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述斜面與所述基 底表面之間的銳角為45度。
11、 一種光波導(dǎo)的制造方法，包括下列步驟 提供一基底；在所述基底上形成限制層并在所述限制層中形成凹槽，所述凹槽兩側(cè)端面為斜面；至少在所述斜面表面形成反射鏡面層；在所述凹槽內(nèi)至少旋涂形成芯層；并在所述芯層表面旋涂形成包層。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在所述基底中形成 凹槽，使所述基底即成為限制層。
13、 如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于采用干法刻蝕、 機(jī)械切割或激光切割的方法形成所述凹槽。
14、 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于形成所述限制層的 方法包括化學(xué)氣相淀積、靜電封接或粘接工藝。
15、 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述包層形成于所 述芯層的上表面和下表面，或僅形成于所述芯層的上表面。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于當(dāng)包層僅形成于所 述芯層的上表面時(shí)，所述芯層的下表面為反射鏡面層。
17、 如權(quán)利要求11或15所述的方法，其特征在于所述反射鏡面 層的材料為金屬，利用物理氣相淀積或電鍍工藝形成。
18、 如權(quán)利要求11或15所述的方法，其特征在于所述芯層下表 面的包層可形成于所述基底和所述限制層之間。
19、 一種光波導(dǎo)，包括位于透明底材表面的依次由第一包層、芯層 和第二包層組成的梯形疊層，所述梯形疊層的兩側(cè)面為斜面，所述斜面 表面具有反射鏡面層，所述梯形疊層表面具有半導(dǎo)體基底。
20、 如權(quán)利要求19所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述第一包層、 芯層和第二包層的材料為可旋涂高分子感光材料。
21、 如權(quán)利要求19所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述反射鏡面層 的材料為金屬。
22、 如權(quán)利要求19所述的光波導(dǎo)，其特征在于所述斜面與所述 透明底材表面之間的銳角為45度。
23、 一種光波導(dǎo)的制造方法，包括 提供一透明底材；在所述透明底材表面依次旋涂第 一包層、芯層和第二包層材料并經(jīng) 固化形成由第一包層、芯層和第二包層組成的疊層結(jié)構(gòu)；利用激光將所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)面切割成斜面；在所述斜面表面沉積金屬材料形成反射鏡面層；在所述疊層結(jié)構(gòu)表面接合半導(dǎo)體基底材料。
24、 如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述第一包層、芯 層和第二包層中每層的旋涂次數(shù)為 一次或多次。
25、 如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述方法還包括移 除所述透明底材的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種晶圓級(jí)光波導(dǎo)及其制造方法，利用半導(dǎo)體集成電路制造工藝，能夠制造出接觸面光滑、厚度均勻且端面為任意角度鏡面的微米級(jí)光波導(dǎo)，同時(shí)大幅度降低制造成本。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101122655SQ20071015133
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者俞國慶, 徐琴琴, 蔚 王, 王文龍, 邵鳴達(dá) 申請(qǐng)人:晶方半導(dǎo)體科技(蘇州)有限公司