光耦合器件及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制作领域，更涉及一种光耦合器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002]光波导(optical waveguide)是由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
[0003]在用于通信波段的众多光波导材料中，绝缘体上硅材料由于其强大的光限制能力，易于制作亚微米级的低损耗光波导，同时制备工艺与微电子集成电路的制作工艺兼容，大大的减少了制备光电芯片的成本，使之成为实现高密度光电集成芯片的最具竞争力的材料之一。
[0004]现有应用绝缘体上硅材料制作光波导的步骤包括:提供绝缘体上硅衬底(S0I)，所述绝缘体上硅衬底包括依次堆叠的基底层、氧化掩埋层和单晶硅层；刻蚀所述单晶硅层露出氧化掩埋层表面，形成光波导的单晶硅内芯；形成覆盖所述内芯和氧化掩膜层表面的介质层，所述介质层和氧化掩埋层构成光波导的包层。由于单晶硅层的折射率大于介质层和氧化掩埋层的折射率，因此光被限制在单晶硅内芯中传输。
[0005]然而随着半导体技术不断发展，目前光波导器件的特征尺寸已经变得非常小，希望在二维的封装结构中增加光波导器件的数量变得越来越困难，因此三维封装成为一种能有效提高光波导器件集成度的方法。
[0006]现有技术通常米用光栅稱合技术和娃光通孔技术(TSPV, Through SiliconPhotonic Via)来连接两块硅衬底上形成的平面光波导器件，从而实现不同光学器件的三维封装。
[0007]但是现有技术的光栅耦合技术的耦合效率低，不利于提高光波导器件的性能。
【发明内容】
[0008]本发明解决的问题是怎样提高光波导器件的耦合效率。
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种光耦合器件的形成方法，包括:提供第一半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；提供第二半导体衬底，所述第二半导体衬底包括第三表面和与第三表面相对的第四表面；刻蚀第一半导体衬底的第一表面，在所述第一半导体衬底中形成第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角；在第一凹槽的侧壁和底部表面上形成第一反射层；刻蚀所述第二半导体衬底的第三表面，在所述第二半导体衬底中形成第二凹槽，所述第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角，所述第一倾斜角与第二倾斜角互余；在所述第二凹槽的侧壁和底部表面上形成第二反射层；将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽相对应。
[0010]可选的，所述第一半导体衬底的第一表面的晶面指数为(100)，第二半导体衬底的第三表面的晶面指数为(110)。
[0011]可选的，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。
[0012]可选的，所述第一凹槽的开口的宽度等于第二凹槽开口的宽度，所述第二凹槽的深度与第一凹槽的深度比为1:2。
[0013]可选的，刻蚀所述第一半导体衬底和第二半导体衬底形成第一凹槽和第二凹槽采用的工艺为湿法刻蚀。
[0014]可选的，所述湿法刻蚀采用的刻蚀溶液为四甲基氢氧化铵溶液，四甲基氢氧化铵溶液的质量百分比浓度为18%?27%，刻蚀时的温度为75?85摄氏度。
[0015]可选的，第一半导体衬底和第二半导体衬底的键合工艺为硅硅直接键合工艺。
[0016]可选的，所述键合工艺后还包括退火工艺。
[0017]可选的，在第一凹槽侧壁和底部形成第一反射层后，还包括:在第一凹槽内形成第一光波导。
[0018]可选的，所述第一光波导的厚度小于第一凹槽的深度。
[0019]可选的，在所述第二凹槽的侧壁和底部表面上形成第二反射层后，还包括在第二凹槽内形成第二光波导。
[0020]可选的，所述第二光波导的厚度小于第二凹槽的深度。
[0021]可选的，所述第一反射层和第二反射层的材料的折射率小于第一光波导和第二光波导的材料的折射率。
[0022]可选的，第一反射层和第二反射层的材料为金属或介质材料，所述金属为铜、铝、金或银，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0023]可选的，所述第一光波导或第二光波导的材料为氮化硅或多晶硅。
[0024]可选的，所述第一反射层或第二反射层为单层或多层堆叠结构。
[0025]本发明还提供了一种光耦合器件，包括:第一半导体衬底，所述第一半导体衬底包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；位于第一半导体衬底内且贯穿第一半导体衬底的第一表面的第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角；位于第一凹槽的侧壁和底部表面上的第一反射层；第二半导体衬底，所述第二半导体衬底包括第三表面和与第三表面相对的第四表面；位于第二半导体衬底内且贯穿第二半导体衬底的第三表面的第二凹槽，所述第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角，所述第一倾斜角与第二倾斜角互余；位于第二凹槽侧壁和底部表面上的第二反射层；第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽对应。
[0026]可选的，所述第一半导体衬底的第一表面的晶面指数为(100)，第二半导体衬底的第三表面的晶面指数为(I 10)，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。
[0027]可选的，还包括:位于第一凹槽内的第一光波导，位于第二凹槽内的第二光波导。
[0028]可选的，所述第一光波导的厚度小于第一凹槽的深度，所述第二光波导的厚度小于第二凹槽的深度。
[0029]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0030]本发明耦合器件的形成方法，刻蚀第一半导体衬底的第一表面，在所述第一半导体衬底中形成第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角；在第一凹槽的侧壁和底部表面上形成第一反射层；刻蚀所述第二半导体衬底的第三表面，在所述第二半导体衬底中形成第二凹槽，所述第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角，所述第一倾斜角与第二倾斜角互余；在所述第二凹槽的侧壁和底部表面上形成第二反射层；将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽相对应。由于形成的第一倾斜角与第二倾斜角互余，使得第一凹槽侧壁上的第一反射层和第二凹槽侧壁上的第二反射层的夹角为90度，当在第一凹槽内形成第一光波导，在第二凹槽内形成第二光波导时，第一光波导传输的光波通过直接通过第一反射层和第二反射层的反射可以传输到第二光波导中，从而实现第一光波导中的光波通过反射耦合的方式传输到第二光波导中，使得耦合效率可以达到90%以上，极大的提闻了I禹合的效率。
[0031]进一步，所述第一半导体衬底的第一表面的晶面指数为(100)，第二半导体衬底的第三表面的晶面指数为(110)，通过四甲基氢氧化铵溶液的刻蚀，可以使得形成的第一凹槽的第一倾斜角为54.74度，第二凹槽的第二倾斜角为35.26度，使得第一倾斜角与第二倾斜角互余，工艺简单，并且第一倾斜角和第二倾斜角的精度高。
[0032]进一步，所述第一凹槽的开口的宽度等于第二凹槽的开口的宽度，所述第二凹槽的深度与第一凹槽的深度比为1:2，在将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起时，使得第一凹槽的侧壁在第一半导体衬底的第一表面上投影宽度等于第二凹槽的侧壁在第二半导体衬底的第三表面上的投影宽度，当第一凹槽侧壁的第一反射层向第二半导体衬底的方向耦合反射光波时，第二凹槽侧壁的第二反射层能接受全部的反射光波，从而防止了光耦合器件在进行光波耦合时光波的损耗或损失，提高了耦合效率。
[0033]本发明的I禹合器件包括:第一半导体衬底和第二半导体衬底，第一半导体衬底内具有贯穿第一半导体衬底的第一表面的第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角，第一凹槽的侧壁和底部表面上具有第一反射层；第二半导体衬底内具有贯穿第二半导体衬底的第三表面的第二凹槽，所述第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角，所述第一倾斜角与第二倾斜角互余；第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽对应。第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起时，第一凹槽一侧侧壁上的第一反射层和第二凹槽同侧侧壁上的第二反射层构成耦合器件，由于第一倾斜角与第二倾斜角互余，使得第一凹槽侧壁上的第一反射层和第二凹槽侧壁上的第二反射层的夹角为90度，当在第一凹槽内形成第一光波导，在第二凹槽内形成第二光波导时，第一光波导传输的光波通过直接通过第一反射层和第二反射层的反射可以传输到第二光波导中，从而实现第一光波导中的光波通过反射耦合的方式传输到第二光波导中，使得耦合效率可以达到90%以上，极大的提高了耦合的效率。
[0034]进一步，所述第一光波导的厚度小于第一凹槽的深度，即第一凹槽中形成的第一光波导的表面要低于第一半导体衬底的第一表面，将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第三表面键合在一起时，防止第一半导体衬底的第一凹槽内的第一光波导的表面与第二半导体衬底的第二凹槽内第二光波导的表面接触，防止了第一光波导和第二光波导之间的相互干扰，有利于提高器件的性能。
[0035]进一步，所述第二光波导的厚度小于第二凹槽的深度，即第二凹槽中形成的第二光波导的表面要低于第一半导体衬底的第三表面，后续