一种波导测试结构、波导测试晶圆及波导测试方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种波导测试结构、波导测试晶圆及波导测试方法。

背景技术

光波导结构最重要的特性之一就是光波通过光波导结构时产生的衰减，即损耗。根据损耗机理，分为散射损耗，吸收损耗和辐射损耗。这三种损耗中，通常散射损耗为主要的损耗形式，也是光波导结构制作中最关注的部分。

目前测试弯曲波导损耗的方法是连续的插入多个弯曲波导结构，然后测试光波通过这些弯曲波导后的损耗。然而，在实际的器件中并不存在这种结构，反而会由于连续弯曲导致波导侧壁粗糙度增大，引入额外的波导传输损耗，导致实际测试的弯曲波导损耗大于实际应用的真实值。

因此，有必要提供一种更有效、更可靠的技术方案，来精确测试弯曲波导损耗。

发明内容

本申请提供一种波导测试结构、波导测试晶圆及波导测试方法，能够准确测试光通过单个弯曲波导的损耗。

本申请的一个方面提供一种波导测试结构，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗，包括：至少两个波导结构，每个波导结构包括若干呈弧形的弯曲波导以及若干呈直线的直波导，所述若干直波导位于相邻的弯曲波导之间并连接所述若干弯曲波导；所述若干弯曲波导的形状相同，不同波导结构中的弯曲波导数量各不相同。

在本申请的一些实施例中，任意两个波导结构中的弯曲波导的数量差值大于等于24个。

在本申请的一些实施例中，每个波导结构中的弯曲波导的数量大于等于3个小于等于100个。

在本申请的一些实施例中，任意相邻弯曲波导之间的直波导的长度大于等于10微米。

在本申请的一些实施例中，每个波导结构中的直波导的总长度为1厘米至2厘米。

在本申请的一些实施例中，不同波导结构中的直波导的总长度相同。

在本申请的一些实施例中，所述弯曲波导的弯曲半径为2微米至50微米。

在本申请的一些实施例中，所述波导结构呈双螺旋环绕的方式排布。

在本申请的一些实施例中，所述波导结构呈单线往复弯折的方式排布。

本申请的一个方面还提供一种波导测试晶圆，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗，包括：SOI衬底，包括底硅层、绝缘层和顶硅层；如上述所述的波导测试结构，位于所述顶硅层中，由所述顶硅层刻蚀形成。

本申请的另一个方面还提供一种波导测试方法，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗，包括：使光从如上述所述的波导测试结构中的每个波导结构的入射端进入所述波导结构并通过所述波导结构后从所述波导结构的出射端射出；根据光进入波导结构时的功率和光射出该波导结构时的功率获取光通过不同波导结构的功率损耗；根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量获取光通过单个弯曲波导的功率损耗。

在本申请的一些实施例中，根据光进入波导结构时的功率和光射出该波导结构时的功率获取光通过不同波导结构的功率损耗的方法为：利用公式(1)计算所述功率损耗，所述公式(1)为

其中，IL为光通过波导结构的功率损耗，P

在本申请的一些实施例中，根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量获取光通过单个弯曲波导的功率损耗的方法包括：根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量制作光通过不同波导结构的功率损耗的绝对值和对应波导结构中弯曲波导的数量之间的关系拟合直线图，所述拟合直线图的斜率为光通过单个弯曲波导的功率损耗。

在本申请的一些实施例中，根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量获取光通过单个弯曲波导的功率损耗的方法包括：根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量建立光通过不同波导结构的功率损耗的绝对值和对应波导结构中弯曲波导的数量之间的关系，结合不同波导结构中直波导的长度比例关系，求解光通过单个弯曲波导的功率损耗。

本申请提供一种波导测试结构、波导测试晶圆及波导测试方法，测试结构中同时具有弯曲波导和直波导，能够代表实际应用中的波导结构，因而能够准确测试光通过单个弯曲波导的损耗。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。

其中：

图1为本申请一些实施例所述的波导测试结构的结构示意图；

图2为本申请另一些实施例所述的波导测试结构的结构示意图；

图3为本申请一些实施例中所述的波导测试方法中的拟合直线图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。

图1为本申请一些实施例所述的波导测试结构的结构示意图。下面结合附图对本申请一些实施例所述的波导测试结构进行详细说明。

参考图1所示，本申请提供一种波导测试结构100，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗。所述波导测试结构100包括至少两个波导结构。本申请的实施例以两个波导结构作为示范，参考图1所示，所述两个波导结构为第一波导结构110和第二波导结构120。需要说明的是，根据测试需要，以及为了进一步提高测试准确度，所述波导结构的数量可以是更多个，本申请仅是以两个波导结构作为示范。

本申请的波导测试结构中，每个波导结构包括若干呈弧形的弯曲波导以及若干呈直线的直波导，所述若干直波导位于相邻的弯曲波导之间并连接所述若干弯曲波导；所述若干弯曲波导的形状相同，不同波导结构中的弯曲波导数量各不相同。

具体地，继续参考图1所示，所述第一波导结构110包括若干呈弧形的弯曲波导112以及若干呈直线的直波导111，所述若干直波导111位于相邻的弯曲波导112之间并连接所述若干弯曲波导112；所述若干弯曲波导112的形状相同。其中，单个直波导111的长度并不固定，所述直波导111是用于串联所述若干弯曲波导112，以解决目前技术中弯曲波导与弯曲波导直接相连导致测试结果不符合实际工艺的问题。

具体地，继续参考图1所示，所述第二波导结构120包括若干呈弧形的弯曲波导122以及若干呈直线的直波导121，所述若干直波导121位于相邻的弯曲波导122之间并连接所述若干弯曲波导122；所述若干弯曲波导122的形状相同。其中，单个直波导121的长度并不固定，所述直波导121是用于串联所述若干弯曲波导122，以解决目前技术中弯曲波导与弯曲波导直接相连导致测试结果不符合实际工艺的问题。

所述第一波导结构110和第二波导结构120的区别在于弯曲波导数量的不同。其中，以本申请实施例为示范，所述第一波导结构110中的弯曲波导112的数量为6个；所述第二波导结构120中的弯曲波导122的数量为62个。

继续参考图1所示，每个波导结构(第一波导结构110和第二波导结构120)都具有光入射端和光出射端。其中，所述光入射端和光出射端可以与光栅或光纤连接。

继续参考图1所示，在本申请的一些实施例中，所述波导结构(第一波导结构110和第二波导结构120)呈单线往复弯折的方式排布。

图2为本申请另一些实施例所述的波导测试结构的结构示意图。

参考图2所示，在本申请的另一些实施例中，所述波导结构(第一波导结构110和第二波导结构120)呈双螺旋环绕的方式排布。通过增加螺旋圈数即可以增加弯曲波导的数量。

本申请所述的波导测试结构的原理为：光通过波导测试结构的总损耗＝光通过弯曲波导的损耗+光通过直波导的损耗。

进一步地，光通过波导测试结构的总损耗＝光通过单个弯曲波导的损耗×弯曲波导的数量+光通过直波导的损耗。

采用函数方式可以表示为：y＝ax+b(1)

其中，y为光通过波导测试结构的总损耗；a为光通过单个弯曲波导的损耗；x为弯曲波导的数量；b为光通过直波导的损耗。

根据关系函数(1)，只要求出关系函数(1)的斜率a，即可得到光通过单个弯曲波导的损耗。

具体地，y为光通过波导测试结构的总损耗，可以在实验中直接测试得到数据。x为弯曲波导的数量，由波导测试结构中不同波导结构设定。则需要计算的就是a(光通过单个弯曲波导的损耗)和b(光通过直波导的损耗)。

每一个波导结构(例如第一波导结构110和第二波导结构120)都可以对应得到一组关于函数(1)的方程式，设置足够多的波导结构数量(也就是本申请所述的设置至少两个波导结构)，得到数量足够的方程式组，则可以解开方程式，就能够得到a(光通过单个弯曲波导的损耗)。需要说明的是，这里先说明测试原理，后续再详细说明计算细节。

在本申请的另一些实施例中，由于测试过程中不可避免的数据误差(例如测量光损耗产生的误差，波导测试结构由于制作工艺导致的误差)，因此获取的数据可能并不能解开上面所述的方程式，或者计算结果误差比较大。因此，还可以根据获取的数据绘制散点图，根据函数(1)可以知道，该散点图可以拟合成一条直线，该直线的斜率就是a(光通过单个弯曲波导的损耗)。

在本申请的一些实施例中，任意两个波导结构中的弯曲波导的数量差值大于等于24个。

在本申请的一些实施例中，每个波导结构中的弯曲波导的数量大于等于3个小于等于100个。

在本申请的一些实施例中，任意相邻弯曲波导之间的直波导的长度大于等于10微米。

在本申请的一些实施例中，每个波导结构中的直波导的总长度为1厘米至2厘米。

在本申请的一些实施例中，所述弯曲波导的弯曲半径为2微米至50微米。

上述关于波导测试结构的详细设置均是为了提高测试准确度。如前所述，本申请可以通过绘制散点图，再拟合成直线求斜率的方式来获取光通过单个弯曲波导的损耗。因此，散点图中，散点数量以及散点分布情况十分重要。根据申请人的实验分析，在上述设置下，可以保证散点图的集中程度，提高散点图拟合直线的准确度，进而提高测试准确度。

在本申请的一些实施例中，不同波导结构中的直波导的总长度相同。在函数(1)中，b也是未知数，不同的数据b会增加拟合难度。因此本申请将不同波导结构中的直波导的总长度设置为相等，也就是方程组中的b都是相等的，可以降低计算难度。

本申请提供一种波导测试结构，测试结构中同时具有弯曲波导和直波导，能够代表实际应用中的波导结构，因而能够准确测试光通过单个弯曲波导的损耗。

本申请的实施例还提供一种波导测试晶圆，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗，包括：SOI衬底，包括底硅层、绝缘层和顶硅层；如上述所述的波导测试结构，位于所述顶硅层中，由所述顶硅层刻蚀形成。

SOI衬底(绝缘体上硅衬底)是半导体领域的一种常见衬底，因此出于节约篇幅的目的其详细结构和形成方法在此不再赘述。此外，在SOI衬底上刻蚀形成硅波导的方法也是本领域的常规技术，在此也不做赘述。本领域技术人员应当理解，前文所述的波导测试结构中的第一波导结构和第二波导结构均可以为硅波导，并且是由在SOI衬底上刻蚀顶硅层而形成。

本申请的实施例还提供一种波导测试方法，用于测试光通过弯曲波导时产生的损耗，包括：使光从如上述所述的波导测试结构100中的每个波导结构的入射端进入所述波导结构并通过所述波导结构后从所述波导结构的出射端射出；根据光进入波导结构时的功率和光射出该波导结构时的功率获取光通过不同波导结构的功率损耗；根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量获取光通过单个弯曲波导的功率损耗。

在本申请的一些实施例中，根据光进入波导结构时的功率和光射出该波导结构时的功率获取光通过不同波导结构的功率损耗的方法为：利用公式(1)计算所述功率损耗，所述公式(1)为

其中，IL为光通过波导结构的功率损耗，P

在本申请的一些实施例中，根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量获取光通过单个弯曲波导的功率损耗的方法包括：根据光通过不同波导结构的功率损耗和对应波导结构中弯曲波导的数量制作光通过不同波导结构的功率损耗的绝对值和对应波导结构中弯曲波导的数量之间的关系拟合直线图，所述拟合直线图的斜率为光通过单个弯曲波导的功率损耗。

实施例1：采用解方程的方式获取光通过单个弯曲波导的功率损耗根据第一波导结构得到方程式(1)y

其中，y

根据第二波导结构得到方程式(2)y

其中，y

联立上述两个方程式，可以得出a(光通过单个弯曲波导的损耗)。具体地，y

实施例2：采用拟合直线的方式获取光通过单个弯曲波导的功率损耗

根据第一波导结构得到光通过第一波导结构的总损耗y

图3为本申请一些实施例中所述的波导测试方法中的拟合直线图。

参考图3所示，横坐标为弯曲波导数量，纵坐标为光通过波导结构的总损耗。将不同波导结构对应的弯曲波导数量和光损耗绘制成散点图后再拟合呈直线，则该直线的斜率为a，与y轴的交点为b。

本申请提供一种波导测试结构、波导测试晶圆及波导测试方法，测试结构中同时具有弯曲波导和直波导，能够代表实际应用中的波导结构，因而能够准确测试光通过单个弯曲波导的损耗。

综上所述，在阅读本申请内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本申请的示例性实施例的精神和范围内。

应当理解，本实施例使用的术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。还应当理解，术语“包含”、“包含着”、“包括”或者“包括着”，在本申请文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。

此外，本申请说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。