一种模斑转换器的制作方法及模斑转换器
阅读说明：本技术 一种模斑转换器的制作方法及模斑转换器 (Manufacturing method of spot size converter and spot size converter ) 是由 王亮 蒋凯 蒋忠君 张博健 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种模斑转换器的制作方法及模斑转换器,其中,模斑转换器的制作方法包括：提供一衬底；在上述衬底上生长保护层；在上述保护层上定义楔形结构区域；在上述楔形结构区域,通过一次接触式曝光得到光栅式结构；通过热熔上述光栅式结构,得到楔形结构；通过刻蚀,将上述楔形结构转移至上述衬底上；在上述楔形结构上制作脊波导结构,得到模斑转换器。(The present disclosure provides a method for manufacturing a spot size converter and a spot size converter, wherein the method for manufacturing the spot size converter includes: providing a substrate; growing a protective layer on the substrate; defining a wedge-shaped structure area on the protective layer; obtaining a grating structure in the wedge-shaped structure area through one-time contact exposure; obtaining a wedge-shaped structure by hot melting the grating structure; transferring the wedge-shaped structure to the substrate by etching; and manufacturing a ridge waveguide structure on the wedge-shaped structure to obtain the spot-size converter.)
技术领域
本公开涉及光电子技术领域，具体涉及一种模斑转换器的制作方法及模斑转换器。
背景技术
近年来，随着光通信技术的发展，光电子器件的集成度越来越高。在光通信系统中，光在光子芯片中传输的模斑尺寸通常在几百纳米到二微米的范围，而光在光纤中的模斑尺寸则为十个微米左右，光在光纤和光子芯片中传输的模斑尺寸存在严重的尺寸失配，进一步导致光传输的模式失配，传输效率大大降低。
为了解决此问题，人们提出使用模斑转换器实现光子芯片与光纤的高效耦合。模斑转换器通常分为水平楔形模斑转换器和垂直楔形模斑转换器，水平方向上的楔形因其制作简单引起了广泛的关注，但转换效率仍受到垂直方向的限制。垂直楔形结构能够达到很高的转换效率，具有极大的使用价值，但因其工艺难度难以实现大规模生产。
对于垂直楔形模斑转换器，现有的制作工艺主要包括灰度曝光、干法刻蚀、移动掩模版和纳米压印等方案。灰度曝光方案需要制作灰度掩模版，这种方案设计难度较大、成本高昂且不适用于大尺寸的垂直楔形，无法有效转化为工业化方案。通过干法刻蚀制造垂直楔形结构难以保证楔形的尺寸，同样无法实现工业化生产。移动掩模版的方案相对简单，但此方案对高端半导体设备的依赖程度较高，普通的接触式光刻机无法实现此功能且每次曝光需要大量时间。纳米压印虽能得到很好的楔形结构，但增加了额外的工艺流程。
发明内容
有鉴于上述问题，本公开提供了一种模斑转换器的制作方法及模斑转换器，具体如下。
本公开的一方面提供了一种模斑转换器的制作方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长保护层；在上述保护层上定义楔形结构区域；在上述楔形结构区域，通过一次接触式曝光得到光栅式结构；通过热熔上述光栅式结构，得到楔形结构；通过刻蚀，将上述楔形结构转移至上述衬底上；在上述楔形结构上制作脊波导结构，得到模斑转换器。
根据本公开的实施例，其中，上述保护层包括氧化硅层、氮化硅层的任意一种。
根据本公开的实施例，其中，上述在上述衬底上生长保护层包括通过等离子体增强化学气相沉积法，在上述衬底上生长上述保护层。
根据本公开的实施例，其中，上述光栅式结构包括间隔设置的曝光区条形结构和非曝光区条形结构。
根据本公开的实施例，其中，上述光栅式结构包括至少三个曝光区条形结构和两个非曝光区条形结构，且相邻上述非曝光区条形结构的宽度相等，相邻上述曝光区条形结构的宽度自左向右依次增大或减小。
根据本公开的实施例，其中，上述光栅式结构包括至少三个非曝光区条形结构和两个曝光区条形结构，且相邻上述曝光区条形结构的宽度相等，相邻上述非曝光区条形结构的宽度自左向右依次增大或减小。
根据本公开的实施例，其中，上述曝光区条形结构的宽度包括1～4μm。根据本公开的实施例，其中，上述光栅式结构的厚度包括3～6μm。
根据本公开的实施例，其中，上述通过刻蚀将上述楔形结构转移至上述衬底上，包括通过刻蚀选择比为1～2的刻蚀工艺将上述楔形结构转移至上述衬底上。
本公开的另一方面还提供了一种模斑转换器，包括，采用权利要求1～9任意一项所述的方法制备的模斑转换器。
本公开提供的模斑转换器制作方法通过一次接触式曝光得到光栅式的光刻胶结构，再通过热熔回流得到楔形结构，再将楔形结构转移至衬底上，并在楔形结构上制作脊波导，得到模斑转换器。该方法简单，快速，成本低，对高端半导体设备依赖程度低，能满足高速的工艺生产目标。
附图说明
图1示意性地示出了本公开实施例中模斑转换器的制作流程；
图2(a)示意性地示出了衬底的剖面结构示意图；
图2(b)示意性地示出了带有保护层的衬底的剖面结构示意图；
图2(c)示意性地示出了带有光栅式结构光刻胶的衬底的剖面结构示意图；
图2(d)示意性地示出了带有楔形结构光刻胶的衬底的剖面结构示意图；
图2(e)示意性地示出了带有楔形结构的衬底的剖面结构示意图；
图2(f)示意性地示出了带有脊波导结构的衬底的剖面结构示意图；
图2(g)示意性地示出了带有脊波导结构的衬底的俯视图；
图3示意性地示出了模斑转换器制作过程中的楔形结构表征结果图
图4示意性地示出了本公开所制作的模斑转换器整体结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
本公开的一方面提供了一种模斑转换器的制作方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长保护层；在上述保护层上定义楔形结构区域；在上述楔形结构区域，通过一次接触式曝光得到光栅式结构；通过热熔上述光栅式结构，得到楔形结构；通过刻蚀，将上述楔形结构转移至上述衬底上；在上述楔形结构上制作脊波导结构，得到模斑转换器。
图1示意性地示出了本公开实施例中模斑转换器的制作流程。
如图1所示，该制作流程为：提供一衬底；在上述衬底上生长保护层；在上述保护层上定义楔形结构区域；在上述楔形结构区域，通过一次接触式曝光得到光栅式结构；通过热熔上述光栅式结构，得到楔形结构；通过刻蚀，将上述楔形结构转移至上述衬底上；在上述楔形结构上制作脊波导结构，得到模斑转换器。
图2(a)～图2(f)为制作模斑转换器流程中每一步骤得到的结构剖面示意图。
根据楔形结构的尺寸设计满足需求的掩模板，掩模板的曝光尺度范围为1～4μm。根据本公开的实施例，掩模板的曝光尺度可以是1μm、2.5μm和4μm。
图2(a)示意性地示出了衬底的剖面结构示意图。
如图2(a)所示，该外延衬底1包括脊波导层2和楔形结构层3。其中，外延衬底1由多层材料构成，图2(a)中仅示出了自上至下的第一层为脊波导层2和自上至下的第二层楔形结构层3，其余部分未示出。
图2(b)示意性地示出了带有保护层的衬底的剖面结构示意图。
如图2(b)所示，在衬底上设置有一保护层4。
图2(c)示意性地示出了带有光栅式结构光刻胶的衬底的剖面结构示意图。
如图2(c)所示，在该楔形结构区域，通过一次接触式曝光得到光栅式结构5。
图2(d)示意性地示出了带有楔形结构光刻胶的衬底的剖面结构示意图。
如图2(d)所示，将衬底上的光栅式结构热熔得到楔形结构，其中楔形结构的特征尺寸(h1-h2)/L范围为0.7/1000～1.4/1000。
图2(e)示意性地示出了带有楔形结构的衬底的剖面结构示意图。
如图2(e)所示，通过刻蚀，将楔形结构转移至衬底上。
图2(f)示意性地示出了带有脊波导结构的衬底的剖面结构示意图。
如图2(f)所示，在衬底的楔形结构上制作脊波导结构，得到模斑转换器。
本公开提供的模斑转换器制作方法通过一次接触式曝光得到光栅式的光刻胶结构，再通过热熔回流得到楔形结构，再将楔形结构转移至衬底上，并在楔形结构上制作脊波导，得到模斑转换器。该方法简单，快速，成本低，对高端半导体设备依赖程度低，能满足高速的工艺生产目标。
根据本公开的实施例，其中，保护层包括氧化硅层、氮化硅层的任意一种。
根据本公开的实施例，其中，在衬底上生长保护层包括通过等离子体增强化学气相沉积法，在衬底上生长保护层。
根据本公开的实施例，其中，光栅式结构包括间隔设置的曝光区条形结构和非曝光区条形结构。
根据本公开的实施例，其中，光栅式结构包括至少三个非曝光区条形结构和两个曝光区条形结构，且相邻曝光区条形结构的宽度相等，相邻非曝光区条形结构的宽度自左向右依次增大或减小。
通过进一步限定光栅式结构中非曝光区的条形结构宽度是自左向右逐渐增大或逐渐减小的，使得非曝光区的条形结构宽度是不等的，从而确保在热熔过程中形成均匀的楔形结构。
根据本公开的实施例，其中，曝光区条形结构的宽度包括1～4μm。根据本公开的实施例，曝光区条形结构的宽度例如可以是1μm、2.5μm或4μm。
根据本公开的实施例，其中，光栅式结构包括至少三个曝光区条形结构和两个非曝光区条形结构，且相邻非曝光区条形结构的宽度相等，上述曝光区条形结构的宽度自左向右依次增大或减小。
通过进一步限定光栅式结构中曝光区的条形结构宽度是自左向右逐渐增大或逐渐减小的，使得曝光区的条形结构宽度是不等的，从而确保在热熔过程中形成均匀的楔形结构。
根据本公开的实施例，其中，光栅式结构的厚度包括3～6μm。根据本公开的实施例，光栅式结构的厚度例如可以是3μm、4μm、5μm或6μm。
根据本公开的实施例，其中，通过刻蚀将楔形结构转移至衬底上，包括通过刻蚀选择比为1～2的刻蚀工艺将楔形结构转移至衬底上。根据本公开的实施例，其中刻蚀选择比可以是1、1.5或2。
本公开实施例中，限定刻蚀选择比，可以确保通过刻蚀，楔形结构能够按照尺寸需求平稳地转移至衬底上。
图2(g)示意性地示出了带有脊波导结构的衬底的俯视图。
如图2(g)所示，根据本公开的实施例，本公开制作得到的模斑转换器上的脊型波导的特征尺寸W1为1.7～2.5μm，深度为170～250nm，模斑转换器的特征尺寸W2为12～16μm。
图3示意性地示出了模斑转换器制作过程中的楔形结构表征结果图。
如图3所示，图中测得的楔形结果特征尺寸(h1-h2)/L范围0.8/800，通过调整曝光区域宽度与非曝光区域的宽度之间的比值或光刻胶的厚度，该特征尺寸的范围为0.7/1000～1.4/1000。
图4示意性地示出了本公开所制作的模斑转换器整体结构示意图。
如图4所示，本公开另一方面还提供了一种模斑转换器，利用上述方法制成。该模斑转换器包括一带有楔形结构的衬底，衬底的上表面有脊波导结构。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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