一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片及其制备方法，属于集成 光学折射率传感器领域。
【背景技术】
[0002] 波导布拉格光栅是一种带阻滤波器，决定其中屯、波长的波导模式的有效折射率和 光栅周期可W受外界环境影响，从而通过检测其中屯、波长可W实现光传感领域的折射率传 感、生化传感、温度传感和应力传感。
[0003] 近年来，随着集成光学和生化传感技术的发展，已经出现了各种波导光栅折射率 传感器。常见的波导光栅折射率传感器类型包括：光纤布拉格光栅折射率传感器、基于二氧 化娃光波导（planarli曲twavecircuit,化C)的波导布拉格光栅折射率传感器、基于娃基 二氧化娃（SOI)的波导布拉格光栅折射率传感器。光纤布拉格光栅折射率传感器的巧层和 包层折射率差小，折射率传感范围较小，灵敏度也较低，体积也相对较大，不利于集成；二氧 化娃波导布拉格光栅折射率传感器巧层和包层的折射率差小，折射率传感范围较小，灵敏 度也较低，材料和加工成本较高；娃基二氧化娃波导布拉格光栅折射率传感器巧层和包层 折的射率差大，但是器件插入损耗较大，加工工艺复杂，成本很高。
【发明内容】
[0004] 发明目的；为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种氮化娃波导布拉格 光栅折射率传感巧片及其制备方法，具有折射率传感范围大、灵敏度高、加工工艺简单且与 半导体CMOS工艺兼容的特点。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片，包括从下而上依次设置的基底、下 包层、巧层W及上包层；所述下包层和上包层均采用折射率为1. 44~1. 45的二氧化娃制 备，所述巧层包括依次顺序设置的输入光波导、波导布拉格光栅W及输出光波导，所述波导 布拉格光栅采用折射率为2.0的氮化娃制备；所述上包层为环状结构，所述波导布拉格光 栅正对所述环状结构的上包层所形成的通孔中央位置，所述环状结构的上包层所形成的通 孔用于容纳待测液体。
[0007] 作为本发明的优选方案，所述波导布拉格光栅采用波导宽度周期性分布的光栅结 构。
[000引一种氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片的制备方法，包括W下步骤：
[0009] 第一步：在基底上通过热氧化法、或水热水解法、或等离子增强化学气相沉积法制 作二氧化娃下包层；
[0010] 第二步：在下包层上通过低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法制作 氮化娃层；
[0011] 第=步；在氮化娃层上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，形成光刻胶层；然后通过光 亥Ij、显影过程在光刻胶层中部形成光栅结构图形，并在光刻胶层两端形成光波导图形；
[0012] 第四步；W所述光栅结构图形和光波导图形作为掩膜，通过反应离子刻蚀法或感 应禪合等离子刻蚀法刻蚀所述氮化娃层，刻蚀深度为氮化娃层的厚度，然后去除残留光刻 胶，形成包括波导布拉格光栅、输入光波导W及输出光波导的巧层；
[0013] 第五步：在所述巧层和下包层上通过等离子增强化学气相沉积法制作二氧化娃上 包层；
[0014] 第六步：在二氧化娃上包层上通过热蒸发或电子束蒸发法制备厚度为100~ 200nm的金属薄膜；
[0015] 第走步：在所述金属薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在 所述金属薄膜中部形成通孔掩膜图形，然后用酸腐蚀液对所述金属薄膜进行腐蚀，形成通 孔掩膜图形的金属阻挡层；
[0016] 第八步；W所述金属阻挡层作为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应禪合等离子刻蚀 法对所述二氧化娃上包层进行选择性刻蚀，刻蚀波导布拉格光栅周围的二氧化娃上包层后 形成环状结构的上包层。
[0017]有益效果；本发明提供的一种氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片：
[001引 （1)与现有技术相比，本发明的折射率传感器结构采用二氧化娃和氮化娃作为器 件材料，与半导体COMS工艺兼容且工艺流程简单，适合大批量生产，器件具有体积小、重量 轻、成本低和易于集成的优点。
[0019] (2)采用高折射率差的二氧化娃和氮化娃作为包层和巧层材料，并使具有波导布 拉格光栅的巧层的两个侧面和顶面与待测液体接触，可W增大折射率传感范围、提高折射 率传感灵敏度。
[0020] (3)波导布拉格光栅采用波导宽度周期性分布的光栅结构，易于通过微加工工艺 制备。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明器件结构的S维图；
[0022] 图2为本发明器件结构的顶面俯视图；
[0023] 图3为本发明器件结构中中屯、处的正面剖视图；
[0024] 图4为本发明器件结构中中屯、处的侧面剖视图；
[0025]图5为本发明器件在不同折射率液体中的透射光谱示意图；
[0026] 图6为本发明器件的透射光谱中屯、波长与外界液体折射率的关系示意图；
[0027]图7为本发明器件的折射率传感灵敏度与外界液体折射率的关系示意图；
[002引图中有：基底1，下包层2,巧层3,上包层4,波导布拉格光栅5,输入光波导6,输出 光波导7。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0030] 如图1至图4所示，一种氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片，包括从下而上 依次设置的基底1、下包层2、巧层3W及上包层4。下包层2和上包层4均采用折射率为 1. 44~1. 45的二氧化娃制备。巧层3为长条形，巧层3的宽度小于上、下包层的宽度，巧层 的长度与上、下包层长度一致；巧层3包括从左往右依次顺序设置的输入光波导6、波导布 拉格光栅5W及输出光波导7,其中波导布拉格光栅5采用波导宽度周期性分布的光栅结 构，并采用折射率为2. 0的氮化娃制备。上包层4为环状结构，波导布拉格光栅5正对环状 结构的上包层4所形成的通孔中央位置，环状结构的上包层4所形成的通孔用于容纳待测 液体。
[003U本氮化娃波导布拉格光栅折射率传感巧片的下包层