一种三维硅基模式选择开关及其制备方法与流程

本发明涉及一种三维硅基模式选择开关及其制备方法，可用于光通信器件技术领域。

背景技术：

随着5g的兴起和大数据、高清视频等互联网业务的迅猛发展，对通信网络的传输带宽和容量提出了更高的要求。传统基于波分复用(waveguide-divisionmultiplexing，wdm)技术的光通信系统必将逐步无法满足人们对通信的更高带宽和更高速率的要求。近期，模分复用技术(mode-divisionmultiplexing，mdm)技术成为提高通讯系统容量的新技术，已经吸引了人们的关注，成为研究热点。mdm技术通过复用几个独立正交模式作为通信信道，可极大地提升光通信系统的传输带宽，实现系统容量的倍增。并且，mdm技术可以与wdm技术相兼容，可以很容易地增大现有通信网络构架，实现了大系统容量。

可重构mdm网络提供了在不同通道里选择和路由不同信号的能力，这将成为未来模分复用系统的主要发展趋势之一。模式选择开关是可重构mdm网络中的基本组成部件，可实现模式切换与路由。目前，实现模式选择开关的方案主要包括：使用由两个平衡的马赫-曾德尔干涉仪，两个2×2mmi和两个相位匹配器组成的可重构光子集成模分复用器/解复用器的方案；一个由相位匹配器辅助的马赫-曾德尔干涉仪组成的可重构模分复用器的方案；一种使用微环谐振器的可重构模分复用器/解复用器的方案：一个1×2硅微环谐振器的多模开关。

为了减少开关时间和功耗，模式选择开关内部的光与物质互作用必须加强。最近，许多硅调制器和开关已经被提出：使用cmos兼容的透明传导氧化物的方案、使用金属氧化物半导体混合波导和铟锡氧化物的方案、基于电光调制器的铟锡氧化物和石墨烯的方案。尽管这几种方案转换速度快、功耗小、尺寸小，但是这些方案是基于单模工作条件，仅仅考虑到基模，无法应用在模分复用网络中。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种三维硅基模式选择开关及其制备方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种三维硅基模式选择开关，包括：衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上铺设有第一下层波导和第二下层波导，在第一下层波导和第二下层波导上均铺设有第一中间隔离层，在第一中间隔离层上再铺设有中间波导，在中间波导上铺设第二中间隔离层，在第二中间隔离层上再铺设有第一上层波导和第二上层波导，在第一上层波导和第二上层波导上方覆盖上覆盖层，其中中间波导通过外加电压能够实现第一下层波导和第二上层波导之间任意的高阶模开关转换。

优选地，所述中间波导的构成材料为铟硒氧化物ito、石墨烯、g2s2t5和g2s2s4t1。

本发明还揭示了一种三维硅基模式选择开关的制备方法，该方法包括以下步骤：

s1：取一片硅衬底，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的二氧化硅包层，该包层为下包层，沉积二氧化硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；

s2：在二氧化硅下包层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm³，沉积掺杂硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；

s3：在掺杂硅层上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm²，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv；得到第一下层波导和第二下层波导；

s4：在第一下层波导和第二下层波导上进行刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6的流量为10.7sccm，c4f8的流量为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强1mtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第一中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；

s5：利用电子束在第一中间隔离层上生长5-50nm相变材料层薄膜，生长过程中氧气流量保持为2sccm；将新生长的薄膜放入快速热退火炉中在n2：o2，流量为200sccm：35sccm的气体氛围下进行3min的高温处理，为对比不同的退火温度对薄膜的影响，选取了500℃和600℃两种退火温度，得到相变材料层；

s6：在相变材料层上进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度8-12nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行二次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm²，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到中间波导；

s7：在中间波导上进行二次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6为10.7sccm，c4f8为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强1mtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s，对二次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第二中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分；

s8：在第二中间隔离层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，沉积掺杂多晶硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700w，腔体压强为300mtorr，n2o流量为2000sccm，sih4流量为17sccm，得到多晶硅波导层；

s9：在多晶硅波导层上进行三次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，典型高转速的速度在4000-4250r/min，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行三次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm²，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到第一上层波导和第二上层波导；

s10：在第一上层波导和第二上层波导上进行三次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6为10.7sccm，c4f8为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强1mtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对三次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上覆盖层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分。

优选地，在所述s1步骤中，沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700w，腔体压强为300mtorr，n2o流量为2000sccm，sih4流量为17sccm。

优选地，在所述s2步骤中，沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700w，腔体压强为300mtorr，n2o流量为2000sccm，sih4流量为17sccm。

优选地，在所述s3步骤中，使用负胶ma-n2403。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明突破传统二维平面波导结构，实现三维多层波导模式选择开关结构，增加器件集成维度，提高器件集成度和模式路由灵活性，从而进步提高系统通信容量。

2.本发明通过引进相变材料层，使相变材料夹在两个二氧化硅中间，实现双偏操作，同时从顶部和底部同时偏置相变材料层，在每个相变材料-二氧化硅表面实现两个堆积层。克服了传统的双波导等离子体器件金属基等离子体结构损耗大的问题。实现了高速开关转换，提高了光与物质互作用，从而大大提高了模式开关速度，降低了开关功耗。

3.本发明通过在中心等离子体波导上施加电压偏置，控制铟硒氧化物中的载流子浓度或石墨烯、g2s2t5和g2s2s4t1相变晶态，达到快速相变，进而实现了模分复用的开关选择。

4.本发明应用了三维硅基模式选择开关，具有在不同通道里选择和路由不同信号的能力，本发明开关转换速度快、内存小、功耗小、尺寸小，实现了不同模式之间的转换。

5.本发明可基于成熟的cmos工艺制备，通过对现有技术的利用，其操作成本低，可实现批量化制造，由于现有技术成熟，其生产效率较高，存在竞争性的优势。

6.本发明与现有复用技术(wdm、pdm等)可兼容使用，与多种复用技术兼容使用，拓宽其应用范围及带宽容量，兼容性高，应用范围广。

本发明结构简单、具有易于实现、工艺成熟、尺寸结构紧密、cmos工艺兼容性高的优点，引进相变材料层，可通过施加电压控制gst相变温度，达到快速相变来实现模式复用的状态转换，实现了高速开关转换，提高了光与物质互作用，为片上模式复用技术打下良好基础，进一步实现应用于模分复用网络的灵活模式路由，为实现光通信、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。

本技术方案通过三维多层波导集成结构，突破传统二维平面波导结构限制，提高器件集成度和模式路由灵活性，从而进一步提高系统通信容量。通过引进相变材料层，实现了高速开关转换，提高了光与物质互作用。

附图说明

图1是本发明的一种三维硅基模式选择开关示意图。

图2是本发明的一种三维硅基模式选择开关波导截面示意图。

图3是本发明的一种三维硅基模式选择开关的超模tm-a场分布图。

图4是本发明的一种三维硅基模式选择开关的超模tm-b场分布图。

图5是本发明的一种三维硅基模式选择开关的超模tm-c场分布图。

图6是本发明的一种三维硅基模式选择开关工作在波长为1550nm沿z方向底层hx传播场图，其中基模由下层波导4入射，开关在“关”的状态。

图7是本发明的种三维硅基模式选择开关在工作波长为1550nm沿z方向上层hx传播场图，其中基模由下层波导4入射，开关在“关”的状态。

图8是本发明的一种三维硅基模式选择开关在工作波长为1550nm沿z方向下层ey传播场图，其中基模由下层波导4入射，开关在“开”的状态。

图9是本发明的一种三维硅基模式选择开关工作在波长为1550nm沿z方向上层ey传播场图，其中基模由下层波导4入射，开关在“开”的状态。

图10是本发明的一种三维硅基模式选择开关在工作波长为1500nm沿z方向上层ey传播场图，其中基模由上层波导12入射。

图11是本发明的衬底层示意图。

图12是本发明的下包层制作示意图。

图13是本发明的下层掺杂硅波导层制作示意图。

图14是本发明的下层波导示意图。

图15是本发明的中间二氧化硅隔离层制作示意图。

图16是本发明的中间等离子体波导相变材料层制作示意图。

图17是本发明的中层波导示意图。

图18是本发明的中间二氧化硅隔离层制作完成示意图。

图19是本发明的上层掺杂多晶硅波导层制作示意图。

图20是本发明的上层波导示意图。

图21是本发明的上覆盖层制作完成示意图。

图中附图标记为：1是衬底层，2是下包层，3是下层掺杂硅的波导层，4是第一下层波导，5是第二下层波导，6是二氧化硅中间隔离层，7是相变材料层，8是中间波导，9是二氧化硅中间隔离层，10是掺杂的多晶硅的波导层，11是第一上层波导，12是第二上层波导，13是上覆盖层。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种三维硅基模式选择开关，如图1和图2所示，该三维硅基模式选择开关结构包括：衬底层1，在衬底层上设有下包层2，在下包层2上铺设掺杂硅的波导层3，由掺杂硅的波导层3形成第一下层波导4和第二下层波导5，在第一下层波导4和第二下层波导5上铺设有中间隔离层6，在中间隔离层6上铺设相变材料层7，由相变材料层形成中间波导8，在中间波导8上铺设有中间隔离层9，在中间隔离层9上铺设有掺杂的多晶硅层10，由掺杂的多晶硅层形成第一上层波导11和第二上层波导12，在第一上层波导11、第二上层波导12上覆盖有上覆盖层13。

第二下层波导5、中间波导8和第一上层波导11处于堆积状态，通过在中间波8上加外加电压，改变相位匹配条件，实现模式选择开关，可实现第一下层波导4和第二上层波导12之间任意高阶模开关转换，提高模式转换数量。通过控制模式在三维多层结构中切换，实现模式的灵活选择，突破传统二维集成器件对自由度的限制。

在此模式选择开关结构中，包括一个第一下层硅波导4、一个含有相变材料的中间等离子体水平狭缝波导，包括第二下层波导5、中间波导层8和第一上层波导11；还有一个第二上层掺杂多晶硅波导12。

图3、图4、图5是三维硅基模式选择开关的超模场分布图；图3代表y域的tm-a超模，图4代表z域的tm-b超模，图5代表y域的tm-c超模。图6、图7、图8、图9、图10所示的一种三维硅基模式选择开关，属于特定情况分析实例，计算了在1550nm工作波长下，以二氧化硅的厚度10nm，铟锡氧化物层的厚度10nm、中心等离子体波导宽度140nm、下层的掺杂硅波导、中心等离子体波导和上层的掺杂多晶硅波导它们两两之间的间距300nm为参数的优化设计的传播场。

所述第一中间隔离层6和第二中间隔离层9均为二氧化硅，所述二氧化硅的厚度为10nm。所述第二下层波导5、中间波导8和第一上层波导11处于堆积状态，组合成中心等离子体波导，宽度为140nm。所述中间波导8为铟锡氧化物层，铟锡氧化物层的厚度10nm。

模式选择开关工作原理如下：

(1)对于关状态，中心等离子体波导没有外加电场。该三维波导非对称定向耦合器具有相位匹配的特性。沿中间等离子体水平位置波导5中一段耦合长度为lc的方向传播，由第一下层波导4入射的基模可以与第二上层波导12中的任意高阶模耦合，实现模式由下波导层到上波导层的切换路由；

(2)对于开状态，在中间波导8上施加优化的电压偏置，从而增加了中间波导8中的载流子浓度或者改变相变材料晶态，将部分等离子体混合模集中到纳米薄层区域，通过调节相变材料的复折射率，进而调节超模的有效折射率，使得三波导耦合器结构无法实现相位匹配，从而入射到第一下层波导4中的基模将不会耦合到上层波导，继续在下波导层传输。

本发明还揭示了一种三维硅基模式选择开关的制备方法，该方法包括以下步骤：

s1：如图11、图12所示，取一片硅衬底，对硅片表面进行处理，在硅衬底表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的二氧化硅包层，该包层为下包层，沉积二氧化硅的反应气体为硅烷和一氧化氮。

s2：如图13所示，在二氧化硅下包层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，掺杂浓度为1×1018cm3，沉积掺杂硅的反应气体为硅烷和一氧化氮。

s3：如图14所示，在掺杂硅层上进行匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv；得到第一下层波导和第二下层波导。

s4：在第一下层波导和第二下层波导上进行刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6的流量为10.7sccm，c4f8的流量为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强lmtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第一中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分，如图15所示。

s5：如图16所示，利用电子束在第一中间隔离层上生长5-50nm相变材料层薄膜，生长过程中氧气流量保持为2sccm；将新生长的薄膜放入快速热退火炉中在n2：o2，流量为200sccm：35sccm的气体氛围下进行3min的高温处理，为对比不同的退火温度对薄膜的影响，选取了500℃和600℃两种退火温度，得到相变材料层。

s6：如图17所示，在相变材料层上进行二次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度8-12nm，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行二次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到中间波导。

s7：在中间波导上进行二次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6为10.7sccm，c4f8为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强1mtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s，对二次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为8-12nm的第二中间隔离层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分，如图18所示。

s8：如图19所示，在第二中间隔离层表面通过化学气相沉积法沉积210-230nm的波导层，沉积掺杂多晶硅的反应气体为硅烷和一氧化氮；沉积过程中，上级板温度为300℃，下级板温度为300℃，射频源功率为700w，腔体压强为300mtorr，n2o流量为2000sccm，sih4流量为17sccm，得到多晶硅波导层。

s9：如图20所示，在多晶硅波导层上进行三次匀胶光刻，低转速将光刻胶在芯片表面铺开，典型低转速的速度在1500-1750r/min，时间3-5s；之后高转速使光刻胶挥发以达到理想厚度210-230nm，典型高转速的速度在4000-4250r/min，29-40s，然后，洗掉多余的胶；进行三次光刻步骤，利用光刻和刻蚀工艺制备波导结构，曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光主要的参数是剂量和扫描步长，基本剂量为70μc/cm2，工作步长为10μm设备曝光时，加速电压为20kv，得到第一上层波导和第二上层波导。

s10：在第一上层波导和第二上层波导上进行三次刻蚀，采用感应耦合等离子体技术，反应气体选择sf6和c4f8，sf6为10.7sccm，c4f8为4.9sccm，线圈rf的功率为500w，频率为13.56mhz，基板rf的功率为20w，频率为13.56mhz，工作压强1mtorr，腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；对三次刻蚀后的样片经过去除残留掩膜、沉积厚度为2-3μm的二氧化硅上覆盖层，沉积结束，利用化学机械法去除中间隔离层突出部分，如图21所示。

实施例2：

参照图1所示，包括衬底层1，下包层2，第一下层波导4和第二下层波导5，二氧化硅中间隔离层6，中间波导8，二氧化硅中间隔离层9，第一上层波导11和第二上层波导12，上覆盖层13。

图3、图4、图5是三维硅基模式选择开关的超模场分布图；图3代表y域的tm-a超模，图4代表z域的tm-b超模，图5代表y域的tm-c超模。

图6、图7、图8、图9、图10所示的一种三维硅基模式选择开关，属于特定情况分析实例，计算了在1550nm工作波长下，以二氧化硅的厚度10nm，铟锡氧化物层的厚度10nm、中心等离子体波导宽度140nm、下层的掺杂硅波导、中心等离子体波导和上层的掺杂多晶硅波导它们两两之间的间距300nm为参数的优化设计的传播场。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。