[发明专利]一种硅基长波红外光波导及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学器件，特别涉及一种基于湿法腐蚀工艺制备梯形平台支撑倒梯形下端面的硅基长波红外（3um以上）光波导结构及其制备方法。

背景技术

新世纪以来，以互联网、新一代移动通信技术为代表的IT产业极大的促进了集成光电子器件的研究和发展，而其自身的发展同样推广了它们的应用范围，从通信领域逐步拓展到了工业、军事、能源、医疗、生物、传感等领域。特别是与目前发展成熟的CMOS工艺相结合的硅基光电子器件为实现低成本、大规模的功能化、模块化创造了可能。

目前我们所应用的硅基光波导器件主要在1.55um附近的通信波段，但是在波长更长的红外波段同样有它的用处，比如传感、成像、红外光谱分析等。对于长波红外的定义，不同的文献有着不同的论述在本文中，我们将其定义为从3um以上。在这个波段范围内，器件可以有更大的尺寸，更大的工艺容差，从而降低了制备的工艺要求。但是长波红外下光波导器件的发展同样面临着一个巨大的挑战，即如何实现一个低损耗的波导结构。

目前长波红外波导的主要结构主要分为以下四种：1.Ge/Si、Sapphire/Si等异质结结构波导；2.HOLLOW-CORE结构的中空波导；3.在SOI片背向开空气槽的Undercut SOI波导结构；4.利用质子束直写法制备的Freestanding结构的波导。和异质结结构波导相比，本发明不需要采用PECVD、溅射等制膜技术，降低了工艺设备的要求； HOLLOW-CORE结构的中空波导是由英国萨里大学Reed课题组提出的，它不同于传统的光在高折射率区传播的光波导，是在空心波导外包裹着多层包层，将光场限制在折射率低的芯层中传播。Hollow-core结构的光波导主要有两种结构：基于Bragg-mirror的包层和基于ARROW(anti-resonant reflecting optical waveguide)的包层。这种结构对工艺要求的难度更大，需要反复沉积不同材料的包层；而Undercut SOI波导结构和本发明相比需要采用自停止工艺做深刻蚀，同样需要在衬底硅上做二次氧化和二次光刻，并且存在一个对准的问题。此外，由于需要腐蚀多达350um以上的整个衬底硅，作为掩膜的二氧化硅层的厚度大大增加，仅仅采用热氧化法不能达到所要求的厚度，还需要采用溅射等方法；利用质子束直写法制备的Freestanding结构的波导对设备要求太高，并且很难制备出较大的尺寸，在长波红外的应用中损耗比较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅基长波红外光波导及其制备方法。本发明基于侧面开槽工艺，通过减小波导衬底的折射率（硅变成了空气），从而避免了光场向衬底泄漏的问题，实现了低传输损耗的波导结构。

本发明采用的技术方案如下：

一种硅基长波红外光波导，它是将衬底硅上的波导下端面两侧利用湿法腐蚀中硅的各向异性腐蚀掏空，形成两个空气槽，仅保留一个梯形支撑柱。

进一步地，所述梯形支撑柱的宽度为：

；其中，为等效波长，为光源波长，为硅的折射率，为波导宽度。

一种上述硅基长波红外光波导的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备：将普通硅片解理成与匀胶机载物台匹配的尺寸，清洗硅片、烘干备用，同时清洗光刻板；

（2）生长二氧化硅作为掩膜：将硅片放入热氧化炉中，干氧和湿氧交替进行两次，时间分别为30分钟和60分钟，在硅片表面生长一层致密的氧化层，厚度为600-800nm；

（3）光刻工艺：利用匀胶机旋涂光刻胶后前烘28-30分钟，再使用光刻机将光刻板上的波导图形转移到硅片上，显影、定型以及后烘、坚膜；

（4）波导图形的刻蚀：使用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺将波导刻蚀出来；

（5）二次氧化，制备二氧化硅掩膜：再次清洗硅片，将其放入热氧化炉中进行二次氧化制备二氧化硅掩膜；

（6）二次光刻：方法同步骤3，在波导区域的两侧开出一个二氧化硅的窗口，作为下一步湿法腐蚀工艺开空气槽的位置；

（7）湿法腐蚀工艺制备空气槽：使用KOH+IPA+H₂O作为刻蚀液，设定温度在55-60摄氏度，进行硅的各向异性湿法腐蚀。利用不同的晶向具有不同的刻蚀速率这一特点，即在其侧面会出现一定程度地钻蚀，将二氧化硅掩膜下方的硅衬底掏空；

（8）形成波导图形：当腐蚀侧壁超过掩膜后，腐蚀液同样会对波导的下端面产生腐蚀，使波导不再是一个标准的矩形，对波导下端面的吃进深度可以由空气槽的刻蚀深度，即反应时间控制；