专利名称：基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光通信领域的集成光学芯片，尤其涉及基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及制作方法。
背景技术：
目前，市场上应用于光通信的集成光学芯片，主要基于PECVD技术制造而成。PECVD技术即等离子增强的化学气相沉积技术，其技术原理是利用低温等离子体作为能量源，将晶圆置于低气压下辉光放电的阴极上，采用辉光放电或额外发热体使样品升温到预定温度，然后通入适量的反应气体，气体在微波或射频的作用下发生电离，在局部形成等离子体，由于等离子体活性很强，气体经过一系列化学反应与等离子体反应，在晶圆表面形 成固态的薄膜，进而通过退火工艺形成可用于制备光波导的膜层。而PECVD的平面光波导制备技术还包含了多重膜生长、退火以及膜层刻蚀技术。其制备得到的光波导如图4所示，光波导呈四层结构，最下层为衬底层7，衬底层7上生长了一层下包层8，下包层8上为经过多重膜生长、刻蚀的波导芯层10，呈矩形结构，芯层10上再覆以上包层+作为保护。虽然基于PECVD技术的集成光学芯片具有良好的光学特性，但是由于其波导区的截面呈现矩形结构，使得其具有较大的偏振依赖性，同时基于PECVD技术的集成光学芯片的制作方法采用了多重膜生长、退火技术，工艺要求很高并且芯片内部残留的应力会影响芯片长期使用的稳定性和可靠性。
发明内容本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可减小芯片的偏振依赖性以及消除芯片的内部应力，寿命长、稳定可靠的基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及其制法。本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0 7500 u mD所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为离子交换掩埋光波导的波导边缘与玻璃衬底上表面的距离，当离子交换掩埋光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离时，所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为0 i! m。所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。所述的输入波导区由单直波导或2 256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的拓扑结构；所述的输出波导区为单直波导或2 256端口的直波导阵列。[0008]所述的功能结构区的结构为分路结构或耦合结构。—种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤I)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为50 IOOOnm的掩膜；2)光刻通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的图样转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；4)去胶将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) 一次交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过源离子的自由热扩散或是电场辅助扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导；6) 二次交换去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过自由热扩散或是电场辅助扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方0 7500um处；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。步骤(I)所述的掩膜的镀膜材料为金属镀膜材料或非金属镀膜材料，所述的金属镀膜材料为耐高温抗强氧化性的金属镀膜材料，所述的非金属镀膜材料为氧化物或氮化物镀膜材料。所述的金属镀膜材料为铝、金、钛或钼；所述的非金属镀膜材料为二氧化硅、氧化
招、三氧化二铬、氧化铜或氮化娃。步骤(2)所述的光刻板上的图样以集成光学芯片的器件设计图为单元，通过周期型排列组合而成。所述的光刻板上的图样为1X8的光分路器设计单元周期型排列组合而成的光刻板图样。步骤(2)所述的加热烘烤方式为热板或烘箱加热烘烤方式，加热烘烤的温度为90-100°C，时间为 0. 5-lho步骤(3)所述的腐蚀液的腐蚀温度为30 300°C ;腐蚀液为掩膜材料对应的常规化学腐蚀剂。所述的腐蚀液的腐蚀温度为40 200°C ;所述的腐蚀液为磷酸腐蚀液、氢氟酸腐蚀液、稀硫酸腐蚀液、王水腐蚀液或双氧水加氟化铵混合液。步骤⑷所述的去胶通过选择性溶解、剥离或腐蚀方法。步骤(5)所述的一次交换的源离子为银离子、钾离子或铊离子中的一种或几种的组合；所述的一次交换的熔盐为硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合，或是硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合再与硝酸钠、硝酸镁、硝酸钙的一种及以上混合而成的熔盐。[0027]步骤(6)所述的二次交换的熔盐为硝酸纳、硝酸钙、硝酸镁中的一种或几种的组合，或是硝酸纳、硝酸钙、硝酸镁中的单组份熔盐或组合熔盐再与硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合混合而成的熔盐。所述的自由热扩散的温度范围为180 600°C，所述的电场辅助扩散的温度范围为180 800°C，电压范围为50 1000V。所述的自由热扩散的温度范围为200 400°C，所述的电场辅助扩散的温度范围为200 400°C，电压范围为100 600V。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点一、工艺简单工艺步骤简短，控制相对容易。二、工艺容差大不具有如PECVD工艺的成膜、退火等严格工艺过程，且离子交换工艺还具有一定的瑕疵修正能力。 三、偏振不依赖性该发明具有很低的偏振相关损耗，不会因输入光的偏振态的变化引起芯片性能较大的变化。四、稳定性与可靠性该发明具有的应力很小，对芯片的长期使用和环境考验不会造成质的影响。五、成本低廉实现该发明所需的设备简单，成本低廉，具有与基于PECVD技术的同类产品的竞争优势。
图I为本实用新型实施例I的基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的整体结构示意图；图2为图I的A-A垂直截面图，也是掩埋光波导的垂直截面示意图；图3为本实用新型的制作方法的工艺流程图；图4为现有光波导的结构示意图。图中1、玻璃衬底,2、离子交换掩埋光波导,3、输入波导区,4、功能结构区,5、输出波导区，6、距玻璃衬底上表面距尚，7、衬底层，8、下包层，9、上包层，10、心层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。实施例I如图1-4所示，以基于玻璃基离子交换掩埋光波导的1X4光分路器芯片进行说明。该芯片主要由玻璃衬底I、离子交换掩埋光波导2两部分组成；离子交换掩埋光波导2位于玻璃衬底I内部，距玻璃衬底上表面距离6为15 ii m。离子交换掩埋光波导在玻璃衬底内水平方向上分为三部分输入波导区3、功能结构区4和输出波导区5，所述的功能结构区4连接输入波导区3和输出波导区5，本实施例中，输入波导区3为输入单端口直波导区、功能结构区4为级联分支结构区，输出波导区5为输出四端口直波导阵列区。整体离子交换掩埋光波导2实现了一分四的光分路功能。离子交换掩埋光波导为渐变折射率波导，垂直截面轮廓呈“彗星”形，靠近“彗核”部分折射率最大，向外的部分折射率渐渐变小，呈现“彗尾”分布，如图3所示。该芯片的制作工艺流程如图4所示，具体包括以下步骤1)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为80nm的铝掩膜；2)光刻对于镀膜完成的晶圆，首先通过旋涂在铝掩膜上形成一层光刻胶膜，膜厚50nm，接着采用烘箱90°C加热固化光刻胶膜I小时，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的I X 4光分路器图样转印至光刻胶膜上，曝光光强3mW/cm2，曝光时间15秒，最后采用烘箱100°C烘烤30分钟完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于40°C水浴的磷酸腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上。4)去胶采用丙酮溶解光刻胶，使光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) 一次交换采用银钠离子交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过银离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成银钠离子交换表面光波导，交换熔盐为100%硝酸银，交换温度320°C，交换时间为2小时；6) 二次交换采用磷酸腐蚀液去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过电场辅助离子扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方lOum， 交换熔盐为硝酸钠与硝酸钙质量比I : 1，交换温度280°C，电压为100V，时间为4小时；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元，芯片尺寸为12. 5X2. 2X2. 5mm3 ；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。芯片的偏振相关损耗小于0. 05dB,内部应力小于测试仪器的最低精度。实施例2参见图1-4所示，一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的2X2光耦合器芯片，该芯片主要由玻璃衬底、离子交换掩埋光波导两部分组成；离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，距玻璃衬底上表面距离6为7000 u m。离子交换掩埋光波导在玻璃衬底内分为三部分输入两端口直波导阵列区、2X2耦合区和输出两端口直波导阵列区。整体离子交换掩埋光波导实现了 2X2的光耦合器功能。离子交换掩埋光波导为渐变折射率波导，垂直截面轮廓呈“彗星”形，靠近“彗核”部分折射率最大，向外的部分折射率渐渐变小，呈现“彗尾”分布。该芯片的制作方法为1)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为IOOOnm的二氧化硅掩膜；2)光刻对于镀膜完成的晶圆，首先通过旋涂在二氧化硅掩膜上形成一层光刻胶膜，膜厚lOOOnm，接着采用烘箱100°C加热固化光刻胶膜I. 5小时，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的2X2光稱合器图样转印至光刻胶膜上,曝光光强4mW/cm2,曝光时间40秒，最后采用烘箱120°C烘烤40分钟完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于30°C水浴的氟化铵配双氧水I : 9腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上。4)去胶采用丙酮溶解光刻胶，使光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) —次交换采用银钠离子交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过银离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成银钠离子交换表面光波导，交换熔盐为100%硝酸银，交换温度320°C，交换时间为2小时；6) 二次交换采用磷酸腐蚀液去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过电场辅助离子扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方lOum，交换熔盐为硝酸钠与硝酸钙质量比I : 1，交换温度280°C，电压为100V，时间为4小时；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元，芯片尺寸为12. 5X2. 2X2. 5mm3 ；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。芯片的偏振相关损耗小于0. 05dB,内部应力小于测试仪器的最低精度。实施例3一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；离子交换掩埋光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离，离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为0 y m。所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。其中所述的输入波导区由单直波导；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的分路结构；所述的输出波导区为八端口直波导。 上述基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制备方法，包括以下步骤I)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为50nm的金掩膜；2)光刻通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用热板加热烘烤方式固化光刻胶膜，加热烘烤的温度为90°C，时间为0. 5h，然后将1X8的光分路器设计单元周期型排列组合而成的光刻板图样，采用曝光和显影技术转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化，加热烘烤的温度为90°C，时间为0. 5h ；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于温度为30°C的王水腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；4)去胶通过选择性溶解、剥离或腐蚀方法将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) 一次交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的硝酸钾熔盐中，通过钾离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导，所述的自由热扩散的温度范围为180°C ；6) 二次交换去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的硝酸纳熔盐中，通过自由热扩散将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方Oum处，所述的自由热扩散的温度范围为180°C ；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。实施例4一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；离子交换掩埋光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离，离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为7500 u m。所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。其中所述的输入波导区由256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的耦合结构；所述的输出波导区为256端口的直波导阵列。上述基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制备方法，包括以下步骤I)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为IOOOnm的钼掩膜；2)光刻通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用热板加热烘烤方式固化光刻胶膜，加热烘烤的温度为100°c，时间为lh，然后将256X256的光分路器设计单元周期型排列组合而成的光刻板图样，采用曝光和显影技术转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化，加热烘烤的温度为100°C，时间为Ih ；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于温度为30°C的王水腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；4)去胶通过剥离方法将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) 一次交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的硝酸铊熔盐中，通过铊离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导，所述的自由热扩散的温度为600°C ；6) 二次交换去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的硝酸纳熔盐中，通过电场辅助扩散将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方7500um处，所述的电场辅助扩散的温度为800°C，电压范围为1000V ；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。实施例5所述的掩膜的镀膜材料为氧化铝，腐蚀液为磷酸腐蚀液，腐蚀温度为300°C，去胶通过腐蚀方法，一次交换的源离子为钾离子，所述的一次交换的熔盐为硝酸钾，二次交换的熔盐为硝酸钙，一次交换和二次交换均采用电场辅助扩散，采用电场辅助扩散的温度范围为180°C，电压范围为50V。其余同实施例I。实施例6所述的掩膜的镀膜材料为氧化铝，腐蚀液为磷酸腐蚀液，腐蚀温度为200°C，去胶通过腐蚀方法，一次交换的源离子为钾离子，所述的一次交换的熔盐为硝酸钾，二次交换的熔盐为硝酸钙，一次交换和二次交换均采用电场辅助扩散，采用电场辅助扩散的温度范围为800°C，电压范围为1000V。其余同实施例I。实施例7所述的掩膜的镀膜材料为三氧化二铬，腐蚀液为稀硫酸腐蚀液，腐蚀温度为100°C，去胶通过腐蚀方法，一次交换的源离子为钾离子与铊离子的组合，所述的一次交换的熔盐为硝酸钾与硝酸铊的组合，二次交换的熔盐为硝酸钙与硝酸镁的组合，一次交换采用自由热扩散，自由热扩散的温度范围为200°c，二次交换采用电场辅助扩散，采用电场辅助扩散的温度范围为200°C，电压范围为800V。其余同实施例I。[0081]实施例8所述的掩膜的镀膜材料为氮化硅，腐蚀液为双氧水加氟化铵混合液，腐蚀温度为40°C，去胶通过剥离方法，一次交换的源离子为钾离子与银离子的组合，所述的一次交换的熔盐为硝酸钾与银离子的组合后再与硝酸钠、硝酸镁混合的混合物，二次交换的熔盐为硝酸钙与硝酸镁的组合再与硝酸银、硝酸钾混合得到的混合物，一次交换采用自由热扩散，自由热扩散的温度范围为300°C，二次交换采用电 场辅助扩散，采用电场辅助扩散的温度范围为300°C，电压范围为500V。其余同实施例I。
权利要求1.一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为O 7500 μ m。
2.根据权利要求I所述的一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为离子交换掩埋光波导的波导边缘与玻璃衬底上表面的距离。
3.根据权利要求I所述的一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。
4.根据权利要求3所述的一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，所述的输入波导区由单直波导或2 256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的拓扑结构；所述的输出波导区为单直波导或2 256端口的直波导阵列。
5.根据权利要求4所述的一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，所述的功能结构区的结构为分路结构或耦合结构。
专利摘要本实用新型涉及一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0～7500μm。制法包括以下步骤镀膜、光刻、腐蚀、去胶、一次交换、二次交换、划片、研磨抛光。与现有技术相比，本实用新型可减小芯片的偏振依赖性以及消除芯片的内部应力，具有寿命长、稳定可靠等优点。
文档编号G02B6/125GK202533603SQ20122014015
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者商惠琴, 杨建义, 王明华, 王毅强, 郑伟伟, 郝寅雷 申请人:上海光芯集成光学股份有限公司