光波导制备方法及光波导

技术领域

本发明涉及集成半导体领域，特别涉及一种光波导制备方法及光波导。

背景技术

光芯片，也叫光子芯片。光芯片采用光波作为信息传输或数据运算的载体，可以通过集成光学或光电子学中介质光波导来传输光信号，并将光信号和电信号的调制、传输、解调等集成在同一块衬底或芯片上。

在光源、光路和探测器等功能器件集成制造的基础上，光芯片进一步向小型化、低成本发展。各功能器件对应的波导往往需要特殊的性能要求，为了使各功能器件达到更好的性能，不同的功能器件常常需要不同厚度的波导。然而，光波在不同厚度的波导传播时，通常会面临耦合损耗大的问题，严重影响光芯片的功耗。针对光芯片中不同功能器件对波导厚度的需求，目前波导光刻方法难以满足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种光波导制备方法及光波导。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种光波导制备方法，用于制备光芯片的中的光波导，将掩膜版反向装载并固定至曝光设备；利用所述曝光设备对样品的光刻胶进行曝光处理；对所述样品进行显影处理；在所述样品上刻蚀出光波导。

在本方案中，通过采用以上方法，通过将掩膜版反向装载至曝光设备，从而掩膜版上的图案能够远离样品，曝光设备发出的光线遇到图案之间的缝隙后，能够发生衍射并射至光刻胶，衍射后的光线相对更加扩散，光线轴线位置光照强度最大，随着距离光线轴线尺寸的增加，光照强度逐渐变小，换言之，光线到达光刻胶表面后光照强度不同，暴露在光线照射区域边缘光刻胶进行光反应的充分性相对于暴露在光线照射区域中心的光刻胶更弱，在显影处理中，暴露在光线照射区域中心的光刻胶去除量更多，暴露在光线照射区域边缘光刻胶去除量相对较少，暴露在光线照射区域中心至边缘之间光刻胶去除量逐渐减少。在刻蚀工艺中，光波导的横截面形状与光刻胶的横截面相似，从而使得光波导的横截面逐渐变化，也就是光波导的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

可选地，所述光波导制备方法还包括：将掩膜版反向装载并固定至曝光设备前，在曝光设备内将所述掩膜版与所述样品之间的距离设定为最大值。

在本方案中，通过采用以上方法，将掩膜版与样品之间的距离设定为最大值，可以进一步加大掩膜版图案与样品之间的距离，从而可以使光线扩束更加充分，能够进一步增大光刻胶曝光区域中心至边缘的距离，进而可以使得光波导的厚度变化更加平缓。

可选地，所述曝光设备中的所述掩膜版与所述样品之间距离的范围为0-3mm。

可选地，所述光波导的横截面为四边形，所述光波导的两个侧面自所述光波导的顶面向下延伸，且两个侧面的距离变大。

在本方案中，通过采用以上方法，光波导厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

可选地，所述光波导制备方法还包括：利用低于正常曝光能量的光源对所述样品进行曝光处理。

在本方案中，通过采用以上方法，低于正常曝光能量的光源可以使暴露在光源区域内的边缘的光刻胶进行不充分的光反应，可以进一步增大光刻胶曝光区域中心至边缘的距离，进而可以使得光波导的厚度变化更加平缓。

可选地，所述曝光能量的范围为120mj-150mj。

在本方案中，通过采用以上方法，曝光能量在该范围内，可以同证光刻胶的光反应，也能保证光刻胶曝光区域中心至边缘的距离。

可选地，所述光波导制备方法还包括：对所述样品的光刻胶进行曝光处理前，将光刻胶涂至样品的表面，对所述光刻胶进行固化处理。

在本方案中，通过采用以上方法，固化处理后可以避免光刻胶流动，也可以避免光刻胶沾污掩膜版。

可选地，所述光波导制备方法还包括：将所述掩膜版反向装载至所述曝光设备的掩膜版架，并利用真空吸附部固定所述掩膜版。

在本方案中，通过采用以上方法，真空吸附部及掩膜版架可以提高掩膜版的稳定性。

可选地，所述光波导制备方法还包括：对所述样品进行显影处理后，对所述光刻胶进行烘烤，以提高所述光刻胶的硬度。

在本方案中，通过采用以上方法，烘烤以提高光刻胶的硬度，便于后续刻蚀处理。

一种光波导，所述光波导采用如上所述光波导制备方法制作，所述光波导的横截面具有斜坡。

在本方案中，通过采用以上方法，光波导的横截面形状与光刻胶的横截面相似，从而使得光波导的横截面逐渐变化，也就是光波导的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明通过将掩膜版反向装载至曝光设备，从而掩膜版上的图案能够远离样品，曝光设备发出的光线遇到图案之间的缝隙后，能够发生衍射并射至光刻胶，衍射后的光线相对更加扩散，光线轴线位置光照强度最大，随着距离光线轴线尺寸的增加，光照强度逐渐变小，换言之，光线到达光刻胶表面后光照强度不同，暴露在光线照射区域边缘光刻胶进行光反应的充分性相对于暴露在光线照射区域中心的光刻胶更弱，在显影处理中，暴露在光线照射区域中心的光刻胶去除量更多，暴露在光线照射区域边缘光刻胶去除量相对较少，暴露在光线照射区域中心至边缘之间光刻胶去除量逐渐减少。在刻蚀工艺中，光波导的横截面形状与光刻胶的横截面相似，从而使得光波导的横截面逐渐变化，也就是光波导的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

附图说明

图1为本发明光波导制备方法的流程示意图。

图2为图1光波导制备方法中曝光设备对样品的光刻胶进行曝光处理的示意图。

图3为图1光波导制备方法中掩膜版的示意图。

图4为图1光波导制备方法中光线穿过缝隙后强度分布的示意图。

图5为图1光波导制备方法中显影处理后光刻胶横截面的示意图。

图6为图1光波导制备方法中显影处理后两条光刻胶横截面的示意图。图7为图6光波导制备方法中显影处理后光刻胶的照片。

图8为利用台阶仪测量图7光刻胶横截面的曲线图。

图9为图1光波导制备方法中刻蚀出的光波导横截面的示意图。

附图标记说明：

掩膜版11；图案111；缝隙112；样品12；光刻胶13；侧面131；光线14；轴线141；光波导15。

具体实施方式

下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在实施例的范围之中。

如图1到图9所示，本实施例包括光波导制备方法及光波导15，其中，光波导15采用光波导制备方法制作。

光波导制备方法用于制备光芯片的中的光波导15，光波导制备方法的步骤如下：

S1：将掩膜版11反向装载并固定至曝光设备；

S2：利用曝光设备对样品12的光刻胶13进行曝光处理；

S3：对样品12进行显影处理；

S4：在样品12上刻蚀出光波导15。

通过将掩膜版11反向装载至曝光设备，从而掩膜版11上的图案111能够远离样品12，曝光设备发出的光线14遇到图案111之间的缝隙112后，能够发生衍射并射至光刻胶13，衍射后的光线14相对更加扩散，光线14轴线141位置光照强度最大，随着距离光线14轴线141尺寸的增加，光照强度逐渐变小，换言之，光线14到达光刻胶13表面后光照强度不同，暴露在光线14照射区域边缘光刻胶13进行光反应的充分性相对于暴露在光线14照射区域中心的光刻胶13更弱，在显影处理中，暴露在光线14照射区域中心的光刻胶13去除量更多，暴露在光线14照射区域边缘光刻胶13去除量相对较少，暴露在光线14照射区域中心至边缘之间光刻胶13去除量逐渐减少。在刻蚀工艺中，光波导15的横截面形状与光刻胶13的横截面相似，从而使得光波导15的横截面逐渐变化，也就是光波导15的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

在本示例中，掩膜版11反向装载可以理解为掩膜版11上的图案111远离样品12。相应的，掩膜版11正向装载可以理解为掩膜版11上的图案111靠近样品12。

作为一种实施方式，掩膜版11也可以称为光学掩模版，是微纳加工技术常用的光刻工艺所使用的图形母版。通常可以采用不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，再通过曝光过程将图形信息转移到产品基片上。在图2中，掩膜版11上黑色的线条可以表示图案111，线条之间形成缝隙112。通常情况下，该缝隙112的尺寸微米级别。光线14的光波长在365-405nm之间。

结合图3，光线14遇到缝隙112时，会发生衍射现象。穿过缝隙112后的光线14经掩膜版11射入光刻胶13。

结合图4，图中显示了光线14穿过缝隙112后强度分布，可以看出，透过缝隙112的光线14强度相对于轴线141对称。离轴线141距离越近，光线14强度越强；离轴线141的距离逐渐变大，光线14的强度也随之变弱。轴线141可以理解为光线14光束沿传播方向的中心线。光线14照射区域中心可以理解为轴线141及其附近的区域。在光线14照射区域边缘可以理解为远离轴线141的区域。

在本实施例中，光刻胶13为正胶，在其他实施例中，光刻胶13也可以为反胶。

光线14照射至光刻胶13后，光刻胶13发生光反应，离轴线141越近，光刻胶13的光反应越充分，随着与轴线141距离的增加，光刻胶13的光反应逐渐减弱。

进入显影处理后，光刻胶13被溶解脱落。离轴线141越近，光刻胶13的光反应越充分，光刻胶13溶解脱落的量越大；随着与轴线141距离的增加，光刻胶13的光反应逐渐减弱，光刻胶13溶解脱落的量逐渐减少。显影处理完毕后，光刻胶13的横截面可以如图5所示。可以理解，图5中的横截面图形仅为示意，并不表示光刻胶13显影处理后的横截面与图5完全一致。图5中的光刻胶13的侧面131具有坡度，实现了长距离缓斜坡变化。

在图5中，图中仅显示了一条光刻胶13，未显示其他区域的光刻胶，呈现出中间凸两边凹的形状。图5可以理解为其他区域的光刻胶13均被去除掉，也可以理解为其他预保留的光刻胶13与图5中的光刻胶13距离较远。

如图6所示，如果存在两条或更多的光刻胶13，则会呈现多个图5中的光刻胶13及凹陷重复出现的形状，呈现出中间凹两边凸的形状。

结合图9，随后进入刻蚀处理，刻蚀液对样品12进行刻蚀。未被光刻胶13覆盖的区域，将会被刻蚀；对于光刻胶13覆盖的区域，随着光刻胶13厚度的增加，样品12被刻蚀的量逐渐减少，光刻胶13的最厚的区域，样品12被光刻胶13保护，样品12不会被刻蚀。换言之，样品12被刻蚀后，未被刻蚀区域与刻蚀量最大区域之间将形成过渡斜坡，该过渡斜坡的横截面与光刻胶13中侧面131的横截面相近。如果样品12被刻蚀层为波导层，则刻蚀出的波导横截面逐渐变化，也就是光波导15的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

光波导15的横截面为四边形，光波导15的两个侧面131自光波导15的顶面向下延伸，且两个侧面131的距离变大。光波导15厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。光波导15的横截面接近梯形，

作为一种实施方式，样品12的波导层可以包括硅、铌酸锂、氮化硅等。样品12还可以包括其他层，比如基底层、掩埋层等。

光波导制备方法还包括：将掩膜版11反向装载并固定至曝光设备前，在曝光设备内将掩膜版11与样品12之间的距离设定为最大值。将掩膜版11与样品12之间的距离设定为最大值，可以进一步加大掩膜版11图案111与样品12之间的距离，从而可以使光线14扩束更加充分，能够进一步增大光刻胶13曝光区域中心至边缘的距离，进而可以使得光波导15的厚度变化更加平缓。

在半导体加工领域，为了提高光刻精度，通常需要将掩膜版11的图案111尽量靠近样品12。本实施例反其道而行，通过将掩膜版11反向装载、并同步将掩膜版11与样品12之间的距离设定为最大值，加大了掩膜版11的图案111与样品12之间的距离，从而使得光线14能够更加充分的扩散，减少光线14光束的集中度，进而实现对光刻胶13的光反应的控制，使得光刻胶13、及光波导15实现长距离缓斜坡变化。

曝光设备中的掩膜版11与样品12之间距离的范围为0-3mm。在其他示例中，曝光设备也可以为非接触式曝光机。曝光设备可以理解为包括能够发出光线14的设备。

作为一种具体的实施方式，曝光设备具体可以为型号为 SUSSMA/BA6Gen4，该型号的曝光设备是一款集接触式、接近式为一体的曝光机，也是一种半自动曝光机。在其他示例中，曝光设备也可以为其他型号的接触式曝光设备、接近式曝光设备或集接触式、接近式为一体的曝光机。

在本示例中，曝光设备的光源可以为LED灯，LED灯发出的光线14经掩膜版11后射至光刻胶13。在其他示例中，曝光设备的光源也可以为其他部件。

光波导制备方法还包括：利用低于正常曝光能量的光源对样品12进行曝光处理。低于正常曝光能量的光源可以使暴露在光源区域内的边缘的光刻胶13进行不充分的光反应，可以进一步增大光刻胶13曝光区域中心至边缘的距离，进而可以使得光波导15的厚度变化更加平缓。

曝光能量的范围具体可以为120mj-150mj。曝光能量在该范围内，可以同证光刻胶13的光反应，也能保证光刻胶13曝光区域中心至边缘的距离。

光波导制备方法还包括：对样品12的光刻胶13进行曝光处理前，将光刻胶13涂至样品12的表面，对光刻胶13进行固化处理。固化处理后可以避免光刻胶13流动，也可以避免光刻胶13沾污掩膜版11。

光波导制备方法还包括：将掩膜版11反向装载至曝光设备的掩膜版架，并利用真空吸附部固定掩膜版11。真空吸附部及掩膜版架可以提高掩膜版11的稳定性。掩膜版架可以理解为曝光设备中放置掩膜版11的支架。真空吸附部可以理解为曝光设备中利用真空将掩膜版11固定的设备。

光波导制备方法还包括：对样品12进行显影处理后，对光刻胶13进行烘烤，以提高光刻胶13的硬度。烘烤以提高光刻胶13的硬度，便于后续刻蚀处理。

作为一种具体的实施方式，可以采用以下步骤实施光波导制备方法。

首先，在干净的样品12表面均匀的旋涂一层光刻胶13。本示例中使用的光刻胶13为正性光刻胶13AZ 5214，光刻胶13的胶厚范围可以为1-2μm，光刻胶13的厚度具体可以控制在1.2±0.2μm；衬底可以为Si、石英、或已镀金属膜层的衬底。

对样品12表面的光刻胶13进行固化处理，烘烤蒸发光刻胶13内的部分溶剂，防止光刻胶13流动沾污掩膜版11，烘烤温度在90-110℃之间。

曝光处理之前，将接触式曝光机程序内的掩膜版11与已旋涂光刻胶13的样品12之间的间距调至最大距离1mm，在其他示例中，该距离的范围可以为0-3mm。

再将掩膜版11反向装载在接触式曝光机的掩膜版架上，使掩膜版11正向面正对光源，掩膜版11反向面正对匀胶后的样品12，点击真空吸附，将反向的掩膜版11固定在掩膜版架上，防止掉落。

通常情况下，掩膜版11的厚度可以为1.5mm、3mm、5mm、7mm，在本示例中，掩膜版11的厚度为3mm。此时掩膜版11上图案111与样品12距离为4mm，远超接触式曝光机的极限距离1mm。掩膜版11的材质可以包括石英玻璃、苏打玻璃及其他材质，其中石英材质的掩膜版11通常应用于高精度掩膜版11产品，苏打玻璃应用于中低精度掩膜版11产品，其他材质主要用于液晶显示制造和电路板制造等领域。在本实施例中，所涉及的领域中使用的掩膜版11多为石英玻璃及苏打玻璃。具体而言，本实施例使用的是苏打玻璃。石英玻璃以高纯石英玻璃为基材，具有高透过率、高平坦度、低膨胀系数等优点，各性能更优于苏打玻璃。在其他实施例中，也可以使用石英玻璃，其结果会优于苏打玻璃做出的效果。

对于不同材质、厚度的掩膜版11，为了控制光线14的变形，可以通过调整光波导制备方法中的显影处理后烘烤光刻胶13的温度和时间，以此来控制光线14的变形。

使用低于正常曝光能量的光源透过反置的掩膜版11正向面，再透过掩膜版11反向面照射到匀胶后的样品12表面，使暴露在光源区域内的边缘的光刻胶13进行不充分的光反应。通常情况下，正常的曝光能量为150mj，在本示例中，曝光能量的范围为120-150mj。

然后，移去光刻掩膜版11，并将照射后的光刻胶13在显影液中进行处理以去除光刻胶13，使光刻胶13表面形成长距离缓斜坡，斜坡长度达70μm的形貌结构；通常情况下，斜坡的长度范围可以为50-100μm，结合图5，光刻胶13斜面的长度范围可以为50-100μm。

随后，进行烘烤进一步提高光刻胶13斜坡的硬度。进行烘烤时，可以通过控制烘烤的温度和时间，从而提高光刻胶13的流动性，使光刻胶13的形变位置变得平缓，同时蒸发光刻胶13中的溶剂，提高光刻胶13的硬度，提光刻胶13的高稳定性。烘烤在一定程度上也可以称为热回流，通过一定的温度让光刻胶13流动，最终得到想要的光刻胶13形貌。

最后，对样品12进行刻蚀，制作出光波导15。

显影处理后的光刻胶13斜坡可能存在局部的凸起或凹陷，在烘烤过程中，凸起或凹陷受热面较大，更容易吸收热量而发生形变，形变后的光刻胶13的斜坡会更加平整，最终得到具有厚度变化的缓斜坡图形。换言之，在对光刻胶13烘烤的过程中，光刻胶13的温度逐渐发生变化，局部凸起或凹陷也将随之发生形变，从而能够使局部凸起或凹陷变得更加平缓，最终得到厚度呈期望变化的缓斜坡图形。

结合图7和图8，图7显示了显影处理后光刻胶13的照片，图8显示利用台阶仪测量图7光刻胶横截面的曲线图。图8中的曲线即为光刻胶侧面高度曲线。由此可见，图7中的光刻胶13形成了长距离缓斜坡，图7中光刻胶13具有厚度变化的缓斜坡图形，图7光刻胶13的厚度变化曲线与图5中光刻胶13的横截面一致。

结合图4、图5及图9，对于光刻胶13中间凸起的平台部分，可以理解为对应掩膜版11的图案111，换言之，也可以理解为光线14未照射至光刻胶13中间凸起的平台部分。相应的，光刻胶13中间凸起的平台部分对应刻蚀后光波导15中间凸起的平台部分。

对于光刻胶13两侧的缓斜坡，可以理解为对应掩膜版11图案111之间的缝隙112，换言之，也可以理解为光线12穿过缝隙112射入掩膜版11，并在掩膜版11内发生扩束，光线14在垂直于传播方向变得更加扩散。随后，光线14射出掩膜版11，穿过掩膜版11与样品12之间的空隙。在光学14穿过空隙的过程中，光线14将进一步扩散。扩散后的光线14形成如图4所示的中间强、周边弱的形态。最后，光线14照射至缓斜坡区域，以轴线141为中心，随着与轴线141距离的加大，光线14的强度逐渐减弱，光刻胶13的光反应也随着光线14的强度减弱而变弱，从而，显影处理后，光刻胶13的横截面呈现出如图5的形状，光刻胶13具有缓斜坡。

本实施例还包括一种光波导15，光波导15采用如上光波导制备方法制作，光波导15的横截面具有斜坡。光波导15的横截面形状与光刻胶13的横截面相似，从而使得光波导15的横截面逐渐变化，也就是光波导15的厚度能够实现长距离缓斜坡变化，进而便于实现不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。

对于不同功能的光学器件，常常需要不同模式的光波；不同模式的光波，需要在相应厚度光波导15中传播。如果两种不同厚度的光波导15直接对接，则会造成严重的损耗。为了减少光波在模式转换过程的损耗，可以通过在两个厚度不同的光波导15之间设置厚度渐变的光波导15，厚度渐变的光波导15沿光波传播方向的截面可以具有缓斜坡。厚度渐变的光波导15可以采用本实施例中光波导制备方法制备。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。