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1、(10)申请公布号 CN 103809239 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103809239 A (21)申请号 201210445107.8 (22)申请日 2012.11.09 G02B 6/13(2006.01) G02B 6/136(2006.01) (71)申请人 江苏尚飞光电科技有限公司 地址 226009 江苏省南通市苏通科技产业园 纬 14 路 30 号 申请人 中科院南通光电工程中心 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 (72)发明人 武爱民 甘甫烷 李浩 盛振 王曦 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 。
2、发明名称 亚波长波导及制备方法 (57) 摘要 本发明提供一种亚波长波导及制备方法。首 先， 在含氧基底表面沉积硬掩膜 ； 随后， 在所述 硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层 ； 接 着， 以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单 排周期性硬掩膜图形层 ； 最后， 以单排周期性硬 掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻 蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结 构， 本发明的亚波长波导结构紧凑， 制备方法能与 集成电路工艺兼容。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页。
3、 附图5页 (10)申请公布号 CN 103809239 A CN 103809239 A 1/1 页 2 1. 一种制备亚波长波导的方法， 其特征在于， 所述制备亚波长波导的方法至少包括 ： A） 在含氧基底表面沉积硬掩膜 ； B） 在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层 ； C） 以该周期性单排光刻胶柱体图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层 ； D） 以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输 亚波长波的单排周期性柱体结构。 2. 根据权利要求 1 所述的制备亚波长波导的方法， 其特征在于 ： 以该周期性单排光刻 胶图形层为掩膜、 采用反应离子束刻蚀或者。
4、离子束刻蚀来形成单排周期性硬掩膜图形层。 3. 根据权利要求 1 所述的制备亚波长波导的方法， 其特征在于 ： 以单排周期性硬掩膜 图形层为掩膜、 采用深反应离子束刻蚀或反应离子束刻蚀对所述含氧基底的顶层进行刻蚀 来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。 4. 一种亚波长波导， 其特征在于， 所述亚波长波导至少包括 ： 含氧基底， 其顶层被刻蚀 成形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。 5. 根据权利要求 4 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 所述含氧基底为绝缘体上的硅、 绝 缘体上的硅锗或者绝缘体上的锗。 6. 根据权利要求 4 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 单排周期性柱体结构中。
5、的单个柱 体成圆柱形。 7. 根据权利要求 6 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 单排周期性柱体结构中的单个柱 体的半径范围是 25 纳米 200 纳米。 8. 根据权利要求 6 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 单排周期性柱体结构中的柱体排 列周期是柱体半径的 24 倍。 9. 根据权利要求 4 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 含氧基底的顶层厚度范围在 110 微米。 10. 根据权利要求 4 所述的亚波长波导， 其特征在于 ： 含氧基底的含氧层厚度为 0.53 微米。 权 利 要 求 书 CN 103809239 A 2 1/4 页 3 亚波长波导及制备方法 技术领域 0001 本。
6、发明涉及半导体光电子领域， 特别是涉及一种亚波长波导及制备方法。 背景技术 0002 随着硅集成电路特征尺寸的下降， 单位面积晶体管密度呈指数增长， 2020 年特征 尺寸为 10nm 左右的制造工艺将投入量产， 晶体管密度将是 2009 年的 16 倍。随着芯片的特 征面积越来越小、 信号的时钟频率越来越高、 信号对时钟同步要求越来越复杂等， 以铜互连 为基础的电互连技术将越来越难以满足芯片间高密度光通信和光交换持续增长的需求。 0003 光互连技术由于具备带宽大、 功耗低、 延迟短、 无串扰和匹配及电磁兼容等优势， 成为满足高速计算和海量信息传输要求的关键技术。比较而言， 光通信的延迟主要。
7、取决于 光交换的体系结构， 功耗主要消耗在光电转换端点上， 而在传递过程中并不增加额外的功 耗， 因此有助于降低全局通信延迟和提高全局通信的带宽 / 功耗比值 ； 而且能够在较低的 损耗条件下， 有效地避免高速信号传输所引起的串扰， 降低信号失真的发生等问题， 实现较 高的信号完整性。此外， 光互连技术不受到芯片引脚的限制， 可大大增加片外带宽， 因此采 用光互连可以克服电互连的电磁干扰和带宽瓶颈， 获得更好的系统性能， 支持更大规模的 集成电路芯片互连网络。低功耗高密度光电接口模块的使用， 还可以降低整个系统的功耗 获得更高的系统密度。 0004 与早期基于 III-V 族光器件和光纤网络组。
8、装构建的光互连系统相比， 基于集成电 路工艺的硅基光电集成技术能够实现光电集成、 可大批量生产、 低成本和高速率的优势， 逐 渐成为解决互连问题的关键技术。构成硅基光电集成芯片的核心无源器件是光波导， 其功 能等同于光纤网络的光纤， 用于光信号的传输， 也是各类核心硅基光电器件的必要组成部 分。目前在硅基光波导中最常用到的单模光波导是 500nm220nm 的纳米线光波导， 与集成 电路发展到 32nm 的主流技术相比， 光波导和对应的光器件显得尤为笨重， 因此低功耗和小 尺寸也是硅基光电集成芯片和核心器件的发展方向， 也是实现光电集成的技术要求。 0005 亚波长波导， 顾名思义就是比光波长。
9、还要小一个数量级的光波导， 对于通信波段 而言就是尺寸在百纳米量级特征线宽的波导。目前这类波导主要由以下几类 ： 金属表面等 离激元亚波长波导、 空气缝波导以及光子晶体波导等。利用金属表面等离激元更容易实现 结构紧凑的亚波长波导， 然而由于金属对于通信波段光波的吸收而且常用到的金银等材质 并不能与集成电路工艺完全兼容， 因此并不是亚波长波导的首选 ； 光子晶体亚波长波导需 要制备光子晶体阵列， 在其中实现线缺陷或者利用自准直原理进行光束传输， 整体看来导 致波导面积过大。 发明内容 0006 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种结构简单且吸收损耗 小的亚波长波导。 0007 。
10、本发明的另一目的在于提供一种能与集成电路工艺兼容的制备亚波长波导的方 说 明 书 CN 103809239 A 3 2/4 页 4 法。 0008 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种制备亚波长波导的方法， 其至 少包括 ： 0009 A） 在含氧基底表面沉积硬掩膜 ； 0010 B） 在所述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层 ； 0011 C） 以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层 ； 0012 D） 以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能 传输亚波长波的单排周期性柱体结构。 0013 优选地， 以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜。
11、、 采用反应离子束刻蚀或者离子束 刻蚀来形成单排周期性硬掩膜图形层。 0014 优选地， 以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜、 采用深反应离子束刻蚀或反应离子 束刻蚀对所述含氧基底的顶层进行刻蚀来形成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。 0015 本发明提供一种亚波长波导， 其至少包括 ： 含氧基底， 其顶层被刻蚀成形成能传输 亚波长波的单排周期性柱体结构。 0016 优选地， 所述含氧基底为绝缘体上的硅、 绝缘体上的硅锗或者绝缘体上的锗。 0017 优选地， 单排周期性柱体结构中的单个柱体成圆柱形。 0018 优选地， 单排周期性柱体结构中的单个柱体的半径范围是 25 纳米 200 纳米。 00。
12、19 优选地， 单排周期性柱体结构中的柱体排列周期是柱体半径的 24 倍。 0020 优选地， 含氧基底的顶层厚度范围在 110 微米。 0021 优选地， 含氧基底的含氧层厚度为 0.53 微米。 0022 如上所述， 本发明的亚波长波导及制备方法， 具有以下有益效果 ： 能够避免采用金 属材料的亚波长波导器件所具有的吸收损耗， 结构紧凑， 而且与集成电路工艺兼容。 附图说明 0023 图 1 至图 6 显示为本发明的制备亚波长波导的方法流程图。 0024 图 7 显示为加工完成的本发明的 SOI 衬底上的亚波长波导、 以及光束在该亚波长 波导中传播的图像示意图。 0025 元件标号说明 0。
13、026 说 明 书 CN 103809239 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0027 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用， 在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。 0028 请参阅图 1 至图 7。需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、 形状及尺寸绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及。
14、比例可为一种随意的改变， 且其 组件布局型态也可能更为复杂。 0029 本发明的制备亚波长波导的方法至少包括以下步骤 ： 0030 第一步 ： 在含氧基底表面沉积硬掩膜。 0031 例如， 提供一片作为含氧基底的SOI基底1， 如图1所示， 该SOI基底1包括硅衬底 11、 二氧化硅埋层 12 及顶层硅 13。其中， 该 SOI 基底 1 厚度 500 微米， 二氧化硅埋层 12 的 厚度为 2 微米， 顶层硅 13 的厚度为 1 微米。 0032 对该 SOI 基底 1 进行氧化， 在顶层硅 13 上形成 100 纳米 SiO2 作为硬掩膜 2， 如图 2 所示。 0033 第二步 ： 在所。
15、述硬掩膜表面制作出周期性单排光刻胶图形层。 0034 例如， 在图 2 所示的结构正面进行光刻， 形成圆状单排光刻胶图形层 3， 如图 3 所 示， 其中， 单排光刻胶图形层 3 由 100 个周期构成， 周期为 300nm， 光刻胶图形层的单个圆柱 图形直径为 100nm。 0035 第三步 ： 以该周期性单排光刻胶图形层为掩膜形成单排周期性硬掩膜图形层。 0036 例如， 以图 3 所示的周期性单排光刻胶图形层为掩膜， 采用反应离子束刻蚀硬掩 膜 2， 也就是刻蚀 SiO2， 来形成单排周期性硬掩膜图形层 4， 如图 4 所示。 0037 第四步 ： 以单排周期性硬掩膜图形层为掩膜对所述含。
16、氧基底的顶层进行刻蚀来形 成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构。 说 明 书 CN 103809239 A 5 4/4 页 6 0038 例如， 以图4所示的单排周期性硬掩膜图形层4为掩膜， 采用深反应离子束刻蚀顶 层硅 13， 形成单排周期性硅圆柱 5， 如图 5 所示， 其中， 硅圆柱 5 高度 1 微米 ； 随后再去除光 刻胶柱体3， 形成能传输用于1.55微米通信波段的亚波长波的单排周期性柱体结构， 如图6 所示。 0039 需要说明的是， 上述所述仅仅只是列示， 而非对本发明的限制， 例如， 采用的含氧 基底还可以为绝缘体上的硅锗 （GeSiOI） 、 或者绝缘体上的锗 （GeOI）。
17、 等 ； 又例如， 也可以在 含氧基底表面沉积一层 SiON 或者 SiNx 作为硬掩膜等。 0040 基于上述制备方法所制备的亚波长波导至少包括 ： 含氧基底， 其顶层被刻蚀成形 成能传输亚波长波的单排周期性柱体结构， 如图 7 所示。其中， 图 7 中标号 a 的图为加工完 成的 SOI 衬底上的亚波长波导示意图、 标号为 b 的图为光束在波导中传播的图像示意图。 0041 其中， 所述含氧基底为绝缘体上的硅 （SOI） 、 绝缘体上的硅锗或者绝缘体上的锗 等 ； 含氧基底的顶层厚度范围在 110 微米 ； 含氧基底的含氧层厚度为 0.53 微米。 0042 其中， 单排周期性柱体结构中的。
18、单个柱体成圆柱形， 单排周期性柱体结构中的单 个柱体的半径范围是 25 纳米 200 纳米 ； 单排周期性柱体结构中的柱体排列周期是柱体半 径的 24 倍。 0043 综上所述， 本发明基于硅锗等集成电路兼容的高折射率材料， 利用类似于金属表 面等离激元的共振耦合原理， 利用单排圆柱结构实现亚波长波导， 相对于常用的硅纳米线 波导尺寸缩小到亚波长尺度， 更利于减小芯片面积以及光电集成 ； 与采用光子晶体线缺陷 和自准直院里的波导相比结构更简单， 与金属表面等离激元原理的金属亚波长波导相比避 免了吸收损耗 ； 而且具有集成电路工艺兼容的特性。 所以， 本发明有效克服了现有技术中的 种种缺点而具高。
19、度产业利用价值。 0044 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修饰或改变。因 此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说 明 书 CN 103809239 A 6 1/5 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103809239 A 7 2/5 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103809239 A 8 3/5 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103809239 A 9 4/5 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103809239 A 10 5/5 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 103809239 A 11 。