基于集成氮化硅微腔的光學(xué)傳感芯片研究

翟珊，顧昌林，馮吉軍，盧紅亮

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，光傳感芯片逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，其原理是通過(guò)環(huán)境中物質(zhì)濃度變化使芯片中光折射率發(fā)生改變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的光學(xué)傳播常量[2]。光學(xué)傳感芯片體積小、靈敏度高，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)療衛(wèi)生等方面[1]，如無(wú)標(biāo)記光子生物傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)器等?，F(xiàn)今高靈敏度的傳感器大多基于馬赫澤德、光子晶體[3]、光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)。其中馬赫澤德結(jié)構(gòu)傳感器可以實(shí)現(xiàn)陣列化集成多目標(biāo)檢測(cè)，但探測(cè)極限低，且提高探測(cè)靈敏度需要增強(qiáng)光與待測(cè)物之間的相互作用，會(huì)導(dǎo)致器件尺寸增加，空間結(jié)構(gòu)變大[4-5]；光子晶體結(jié)構(gòu)傳感器可以應(yīng)用于探測(cè)微小的折射率變化[6]，但在納米量級(jí)的制作過(guò)程中，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失配，給制造工藝增加了難度；光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)傳感器具有可集成應(yīng)用的高靈敏度特性。而且光在其諧振腔結(jié)構(gòu)中往返傳輸，可減小器件結(jié)構(gòu)尺寸，降低成本。現(xiàn)今基于微腔的諧振器如微球、微環(huán)、亞波長(zhǎng)光纖波導(dǎo)已經(jīng)出現(xiàn)[7-8]。同時(shí)為了增加器件的靈敏度和實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，又提出了三維垂直耦合諧振器[9-11]。

微腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感器，滿足人們對(duì)低成本、高靈敏度、便攜的要求，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于光學(xué)集成領(lǐng)域[12]。光學(xué)微腔是指尺寸在5～500 μm的光學(xué)振蕩器[13]。其中回音壁光學(xué)微腔(Whispering Gallery Mode，簡(jiǎn)稱WGM)是指光在內(nèi)壁之間不斷反射環(huán)繞傳播形成駐波、共振模等間隔分布的光學(xué)微腔。這種光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子更高、模式體積更小，易應(yīng)用于集成領(lǐng)域。常見(jiàn)的光學(xué)微腔諧振器制作材料有硅基材料、聚合物、III-V族材料等。在材料選擇上，成本和性能是考慮的重點(diǎn)。其中，二氧化硅材料作為波導(dǎo)芯層制作的傳感器芯片彎曲半徑較大，多在毫米量級(jí)以上，制造成本高不宜應(yīng)用。聚合物材料性質(zhì)不穩(wěn)定，易發(fā)生變質(zhì)；III-V族材料在波導(dǎo)寬度方向上有較高折射率差，同時(shí)也存在制作成本高的缺點(diǎn)。而氮化硅材料制作成本低，擁有較大的透明帶寬和可忽略的非線性吸收效應(yīng)，且與CMOS[14]制作工藝相兼容。相對(duì)于高折射率平臺(tái)(如絕緣體上硅)[15]，氮化硅波導(dǎo)折射率適中，擁有更少的模式約束，不易發(fā)生變質(zhì)，穩(wěn)定性好，芯、包層折射率差大，制備簡(jiǎn)單。此外，光在氮化硅波導(dǎo)中傳播和耦合損耗也很小[16]，氮化硅材料在器件制造方面可以提供大的制造容差[17]，被證明是一種很有前景的光波導(dǎo)傳感材料[18]，逐漸被人們應(yīng)用于光學(xué)集成器件的制造中。

現(xiàn)有懸空結(jié)構(gòu)大多是基于微盤(pán)[19-20]或波導(dǎo)[21]的。故設(shè)計(jì)二維T型懸空結(jié)構(gòu)的氮化硅微環(huán)靈敏型光傳感芯片和三維垂直耦合氮化硅微腔傳感器芯片。相比其它芯片，氮化硅微腔類(lèi)結(jié)構(gòu)成本低、靈敏度高。經(jīng)過(guò)一系列膜沉積、刻蝕工藝制備并進(jìn)行測(cè)試，得到的芯片具有良好的品質(zhì)因子、最小光譜偏移量，提高了芯片的檢測(cè)極限[22-23]。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)覆蓋不同有機(jī)液體后，在芯片表面進(jìn)行透射光譜分析，得到光傳感芯片在液體濃度檢測(cè)方面的數(shù)據(jù)，證明芯片可應(yīng)用于探測(cè)有機(jī)液體濃度。基于氮化硅材料的特性，也可以將其應(yīng)用在紅外光領(lǐng)域。

1 二維懸空氮化硅微環(huán)探測(cè)芯片

1.1 二維T型懸空氮化硅微環(huán)傳感器芯片設(shè)計(jì)原理

懸空結(jié)構(gòu)波導(dǎo)相比于普通的脊型波導(dǎo)可以提高芯片與被檢測(cè)介質(zhì)的接觸面積[24]，容易獲得更高的靈敏度，且節(jié)省了制造空間。對(duì)二維懸空結(jié)構(gòu)的氮化硅微環(huán)諧振器進(jìn)行性能測(cè)試。圖1是二維懸空氮化硅微環(huán)諧振器的放大圖像，它是由一個(gè)定向耦合器和一個(gè)20 μm半徑的跑道型微環(huán)結(jié)構(gòu)組成，將圖1中直線波導(dǎo)部分放大得到定向耦合器的橫截面SEM圖形如圖2所示。其中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由一個(gè)SiO2基座作為支撐底座，上面懸空氮化硅波導(dǎo)，形成空氣包層的懸空結(jié)構(gòu)。在制作過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)直波導(dǎo)腐蝕速率，得到目標(biāo)氮化硅波導(dǎo)寬度1.3 μm，刻蝕厚度310 nm。氮化硅微環(huán)結(jié)構(gòu)芯片的強(qiáng)偏振相關(guān)性，對(duì)光具有一定的選擇作用，滿足微環(huán)諧振方程的光可以發(fā)生耦合。得出TE偏振光耦合進(jìn)微腔，而TM偏振光未發(fā)生耦合。衡量微腔傳感器的主要參數(shù)有品質(zhì)因子Q和靈敏度S，在諧振波長(zhǎng)λres下,傳統(tǒng)模式仿真可以得出群折射率ng，然后計(jì)算出器件靈敏度S。其中,波導(dǎo)模式的有效指數(shù)Δneff受包層折射率Δncl變化的影響，波導(dǎo)靈敏度Swg是一個(gè)無(wú)量綱的量，S單位為nm/RIU，R為微環(huán)半徑。

微環(huán)耦合諧振方程

2πRΔneff=mλres

(1)

由式(2),式(3)計(jì)算芯片靈敏度S為[25]

(2)

(3)

圖1 懸空跑道諧振器 圖2 T型懸空直波導(dǎo)定向耦合器 顯微鏡圖像的SEM橫截面圖

使用Rsoft軟件計(jì)算，其中圖3顯示的是使用有限元方法計(jì)算尺寸相同的懸空結(jié)構(gòu)和非懸空結(jié)構(gòu)波導(dǎo)有效折射率neff和靈敏度Swg之間的關(guān)系，圖4表示的是相應(yīng)的模式場(chǎng)分布圖。懸空結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)梯形形狀，其中，二氧化硅底座頂部寬是200 nm。波長(zhǎng)在1550 nm時(shí)，二氧化硅和氮化硅的折射率分別為1.45和2.01，形成高的折射率差，提高了集成密度。從圖3中可以看出懸空結(jié)構(gòu)的靈敏度總是好于非懸空結(jié)構(gòu)。同時(shí)懸空結(jié)構(gòu)底座的寬度對(duì)器件的靈敏度具有一定的影響，當(dāng)?shù)鬃鶎挾葴p小時(shí)相應(yīng)的靈敏度會(huì)提高，而過(guò)窄的底座又會(huì)引起結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性不好。當(dāng)?shù)鬃蠈挒榱銜r(shí)，得到Swg為0.3272，相應(yīng)的ncl為1.34(此結(jié)果模擬中沒(méi)有顯示)。因此，制備芯片時(shí)需要權(quán)衡穩(wěn)定性和靈敏度以選取底座寬度。

圖3 懸空結(jié)構(gòu)和非懸空結(jié)構(gòu)時(shí)波導(dǎo)有效折射率和靈敏度相對(duì)于包層折射率變化的函數(shù)曲線圖

圖4 非懸空波導(dǎo)懸空波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的模式場(chǎng)分布圖

圖5是一個(gè)懸空結(jié)構(gòu)的定向耦合器在不同耦合間隙下的奇、偶高階模式有效折射率和耦合長(zhǎng)度的關(guān)系圖，其中，插圖是耦合間為350 nm時(shí)的偶階模場(chǎng)分布圖。定義光完全耦合進(jìn)交叉波導(dǎo)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)cou，計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

由圖5可以看出100 nm耦合間隙對(duì)應(yīng)Lcou為44 μm。350 nm間隙對(duì)應(yīng)耦合長(zhǎng)度為167 μm。綜合考慮芯片結(jié)構(gòu)緊密性以及過(guò)小耦合間隙腐蝕速率不均問(wèn)題，選取40 μm耦合長(zhǎng)度的定向耦合器，相應(yīng)耦合比是8.7 dB。實(shí)際在定向耦合器制備時(shí)會(huì)由于間隙區(qū)域濕法刻蝕速率不均引起懸空波導(dǎo)細(xì)微不對(duì)稱。所以實(shí)際計(jì)算出芯片的耦合長(zhǎng)度為173.7 μm，相應(yīng)耦合比為9 dB。

圖5 懸空型定向耦合器的奇、偶高階模的有效折射率和對(duì)應(yīng)的耦合長(zhǎng)度作為耦合間隙的函數(shù)關(guān)系圖

1.2 制造工藝

實(shí)驗(yàn)中，二維懸空結(jié)構(gòu)的制備工藝與微電子器件類(lèi)似，均是一系列的薄膜沉積、光刻和腐蝕的組合過(guò)程?？紤]到晶片的易分裂性，首先在InP 襯底上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱PECVD)制備4 μm厚的SiO2膜，然后經(jīng)電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,簡(jiǎn)稱ECR)制備Si3N4膜。選用ZEP520A 做電子束光刻的掩模材料，通過(guò)電子束光刻和反應(yīng)離子圖案化蝕刻(Reactive Ion Etching,簡(jiǎn)稱RIE)工藝在制備好的氮化硅膜上進(jìn)行圖案化刻蝕，得到集成光路圖案。再沉積3 μm 厚的SiO2包層以增強(qiáng)耦合效果。通過(guò)AZ1500光刻膠掩模對(duì)準(zhǔn)濕腐蝕工藝腐蝕對(duì)稱窗口，然后將制備樣品放入氫氟酸中形成T型懸空結(jié)構(gòu)[26-27]。制備空氣懸空結(jié)構(gòu)過(guò)程如圖6所示。在制備過(guò)程中，腐蝕速率不均將引起T型結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致芯片性能下降。實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同寬度氮化硅波導(dǎo)進(jìn)行腐蝕，對(duì)比制備結(jié)果得出最佳腐蝕效果的波導(dǎo)寬度。如圖7所示，從左到右波導(dǎo)寬度逐漸減小，可以看出在實(shí)際制作時(shí)，波導(dǎo)寬度越寬制備效果越好，波導(dǎo)寬度較窄會(huì)出現(xiàn)腐蝕失真，T型結(jié)構(gòu)波導(dǎo)偏移。對(duì)比制備結(jié)果確定芯片波導(dǎo)寬度為1.3 μm。

圖6 基于二氧化硅基座的T型懸空跑道環(huán)形氮化硅微腔諧振器芯片制作流程

圖7 制備不同寬度直波導(dǎo)顯微鏡圖像

1)PECVD膜沉積

PECVD技術(shù)可以在低溫情況下實(shí)現(xiàn)光滑、均勻的膜沉積。它是通過(guò)電能電離氣體產(chǎn)生等離子體，等離子體中活性高的化學(xué)基團(tuán)經(jīng)化學(xué)反應(yīng)沉積形成固態(tài)薄膜。由于活性反應(yīng)物質(zhì)是通過(guò)氣體相撞擊而產(chǎn)生的，因此機(jī)器的基底溫度可以控制在低溫的狀態(tài)。此技術(shù)廣泛應(yīng)用于溫度敏感器件以及低熱失配應(yīng)力膜的沉積上。

2)濕法腐蝕

腐蝕包括濕法腐蝕和干法腐蝕。試驗(yàn)中選擇設(shè)備要求低、簡(jiǎn)單易行的濕法腐蝕工藝，將基片直接浸泡在選定的腐蝕液中，基片未被光刻膠覆蓋的部分會(huì)與腐蝕液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為可溶性物質(zhì)而被去除。同時(shí)，在加工時(shí)，濕法腐蝕相比干法腐蝕側(cè)向腐蝕的效果更好，有利于側(cè)向腐蝕得到T型的懸空結(jié)構(gòu)[28]。制備時(shí)對(duì)腐蝕步驟進(jìn)行監(jiān)控，避免形成底座過(guò)窄的懸空結(jié)構(gòu)。過(guò)窄的底座機(jī)械穩(wěn)定性差，會(huì)使波導(dǎo)位置偏移。懸空結(jié)構(gòu)形成后，對(duì)樣品背面拋光進(jìn)行下一步測(cè)量。

2.3 芯片性能測(cè)試

測(cè)量芯片性能是通過(guò)放大自發(fā)發(fā)射源(Amplified Spontaneous Emission，簡(jiǎn)稱ASE)發(fā)出非偏振光經(jīng)偏振器和物鏡后耦合進(jìn)波導(dǎo)，最終得到耦合光波由光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer,簡(jiǎn)稱OSA)測(cè)量分析的過(guò)程。圖8給出懸空諧振器頻帶在C+L帶寬的歸一化透射光譜，其中的小羅紋來(lái)自懸空和非懸空周?chē)h(huán)繞波導(dǎo)引起的法布里-泊羅干涉。在1550.4 nm諧振波長(zhǎng)處，自由光譜(Free Spectrum Range，簡(jiǎn)稱FSR)范圍是5.48 nm，接近理論值5.74 nm，其中自由光譜算法如式(5)、式(6)所示。[29]

(5)

Lres=40×2+2π×20 μm

(6)

式中：Lres為實(shí)際微環(huán)諧振器長(zhǎng)度。

圖9顯示的是1550 nm波長(zhǎng)附近的放大光譜，其中品質(zhì)因子Q達(dá)到1.6×104，半峰全寬0.094 nm。半峰全寬是指輸出峰值功率的一半所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相鄰的光波差，因此也稱為3 dB帶寬，Δλ3dB帶寬是微環(huán)諧振器的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了微環(huán)諧振器的光通道所能處理的最大數(shù)據(jù)率。3 dB帶寬越窄表明微環(huán)諧振器對(duì)于波長(zhǎng)的敏感性越高。3 dB帶寬的表達(dá)式如式(7)所示。[11]

(7)

式中：K為直波導(dǎo)與微環(huán)的互耦合系數(shù)；t為直波導(dǎo)與微環(huán)的自耦合系數(shù)；α為傳輸因子。

品質(zhì)因子Q反應(yīng)了輸出光譜的銳利度。當(dāng)Q值越大時(shí)，說(shuō)明譜線越尖銳，對(duì)波長(zhǎng)的選擇性越好，靈敏度越高，可表示為諧振波長(zhǎng)與3 dB帶寬的比值。

(8)

高品質(zhì)因子Q有利于提高檢測(cè)線，精確讀出模式波長(zhǎng)，但Q會(huì)受到諧振器損耗影響，包括輻射損耗、波導(dǎo)邊緣和表面的散射損耗、直線和彎曲部分的模式失配損耗以及材料吸收損失[30]。由耦合和損耗關(guān)系得出該環(huán)形諧振器的消光比大約為9.2 dB。在實(shí)際測(cè)量中，應(yīng)該注意到，半峰全寬和抑制比會(huì)受到光譜分析儀精度的影響，由于測(cè)量的半峰全寬很接近光譜分析儀的分辨極限，所以測(cè)量值可能不太精確，但足以大致證實(shí)該器件的性能。

圖9 在1550 nm波長(zhǎng)附近的放大光譜與理論結(jié)果比較

測(cè)量得到懸空結(jié)構(gòu)芯片具有強(qiáng)偏振相關(guān)性以及高品質(zhì)因子后，對(duì)懸空諧振器芯片表面滴加不同有機(jī)溶液進(jìn)一步測(cè)量芯片靈敏度[4]。折射率是物質(zhì)自帶的內(nèi)部屬性，不同物質(zhì)折射率不同，同時(shí)外界環(huán)境變化也會(huì)引起折射率的變化，基于此原理制造出多種折射率傳感器。由于氮化硅微腔的強(qiáng)靈敏度，芯片表面滴加不同有機(jī)容液引起內(nèi)部折射率變化，可以得到明顯的光譜圖像，由此實(shí)現(xiàn)氮化硅微腔傳感器對(duì)不同溶液的傳感應(yīng)用。圖10和圖11給出滴加水(n=1.316)，甲醇(n=1.326)，乙醇(n=1.354)和異丙醇(IPA，n=1.364)的透射光譜，諧振器的模式被標(biāo)記為如TEm的方式,其中m是方位序數(shù)[2]

(9)

由圖10和圖11可觀察到覆蓋不同有機(jī)溶液的芯片整體仍表現(xiàn)明顯的周期消光比和良好的偏振相關(guān)性，但不同的溶液對(duì)應(yīng)的自由光譜范圍、消光比有明顯區(qū)別。芯片品質(zhì)因子和消光比隨覆蓋物折射率的上升而下降，這是由于懸空諧振器的過(guò)耦合和增加的損耗引起的，其中損耗來(lái)自于材料在紅外區(qū)的光吸收以及輻射損失。因此，芯片即可應(yīng)用于有機(jī)液體濃度的傳感測(cè)量，也可用于可見(jiàn)光范圍的探測(cè)[2]。圖11所示，在芯片靈敏度確定下，覆蓋液體有效折射率的變化引起了諧振偏移波長(zhǎng)的變化，變化基本滿足線性相關(guān)性。其中水液體覆蓋層的群折射率大概在1.944附近，隨著液體的變化群折射率也會(huì)有細(xì)微變化。實(shí)驗(yàn)得到該懸空結(jié)構(gòu)諧振器的靈敏度為247 nm/RIU，與理論計(jì)算值234 nm/RIU很接近。靈敏度受到制備過(guò)程中腐蝕速率的影響，不均勻的腐蝕速率導(dǎo)致制備二氧化硅底座不對(duì)稱進(jìn)而影響芯片靈敏度。由于波導(dǎo)彎曲位置模式輪廓外移和覆蓋的有機(jī)溶液導(dǎo)致消逝場(chǎng)增強(qiáng)，使得實(shí)際靈敏度高于理論值，盡管如此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也近似理論數(shù)值，得出芯片可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)靈敏度的效果。

圖10 覆蓋不同有機(jī)溶液的懸空諧振器歸一化透射光譜

圖11 隨液體折射率變化的諧振偏移波長(zhǎng)

2 三維氮化硅微盤(pán)檢測(cè)器

2.1芯片原理及制造工藝

通過(guò)對(duì)于T型懸空結(jié)構(gòu)芯片的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，證明懸空結(jié)構(gòu)波導(dǎo)芯片可以增大與探測(cè)物質(zhì)的接觸面積，相比非懸空結(jié)構(gòu)靈敏度更好，集成密度高。同時(shí)，這種懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)末端容易實(shí)現(xiàn)硅基可見(jiàn)光探測(cè)器的單片集成，但T型結(jié)構(gòu)中制備SiO2基座時(shí)，腐蝕區(qū)由于濕法腐蝕速率的不一致性導(dǎo)致基座不對(duì)稱，上層氮化硅出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，不容易保證芯片機(jī)械穩(wěn)定性，針對(duì)這個(gè)缺陷接下來(lái)提出三維垂直耦合的結(jié)構(gòu)，即微盤(pán)諧振腔與波導(dǎo)不在同一平面，采用將微盤(pán)懸空于波導(dǎo)上方的方式，得到穩(wěn)定的懸空結(jié)構(gòu)。并測(cè)驗(yàn)得出三維垂直Si3N4諧振器的強(qiáng)偏振相關(guān)性，在SiO2包層結(jié)構(gòu)中只發(fā)生TE光的共振耦合，在空氣包層的懸空結(jié)構(gòu)中發(fā)生增強(qiáng)的TM光耦合。入射光由入射口進(jìn)入，在傳播過(guò)程中與上層微盤(pán)發(fā)生耦合?？諝獍驳膽铱战Y(jié)構(gòu)中TM光與波導(dǎo)發(fā)生耦合，得到周期性消光比。但對(duì)TE光則只有微小影響。當(dāng)包覆層為二氧化硅時(shí)，諧振特性發(fā)生變化，對(duì)TE光有作用，但對(duì)TM光無(wú)明顯影響。垂直結(jié)構(gòu)如圖12所示，圖12(a)給出了垂直結(jié)構(gòu)的空間三維設(shè)計(jì)圖形，其中下層選擇SiO2材料做包層，上層放置Si3N4波導(dǎo)，又在波導(dǎo)上層懸空氮化硅微盤(pán)。圖12(b)給出空氣懸空結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖，在氮化硅波導(dǎo)和微盤(pán)之間存在二氧化硅間隙層以支持上層氮化硅微盤(pán)，呈現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)。圖12(c)展現(xiàn)了芯片制備后的顯微鏡圖。

圖12 垂直結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中對(duì)垂直結(jié)構(gòu)的制備和二維結(jié)構(gòu)相似。考慮到光滑平面可以高效耦合以及晶圓的濺射，采用ECR等離子體增強(qiáng)濺射的方法制備氮化硅。第一步在InP沉底上利用PECVD方式沉積4 μm厚SiO2膜，膜表面平坦化后再準(zhǔn)備沉積200 nm厚的光滑Si3N4膜；第二步，對(duì)得到的沉積膜采用電子束光刻和反應(yīng)離子束刻蝕工藝，得到設(shè)計(jì)的光子集成電路。其中選擇抗蝕劑ZEP520A做電子束刻蝕的掩膜材料。然后繼續(xù)沉積1.5 μm厚SiO2膜作為微盤(pán)與波導(dǎo)的間隙包層；第三步，對(duì)二氧化硅沉積后得到表面不平整的包附層，選擇基于偏振技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光(chemical-mechanical polishing，簡(jiǎn)稱CMP)和反應(yīng)離子圖案化刻蝕(RIE)技術(shù)平坦二氧化硅表面。CMP技術(shù)中使用膠體二氧化硅做拋光液，完成后在二氧化硅表面得到一層400 nm厚的平滑ZEP520A覆蓋層。然后選擇CHF3/O2刻蝕氣體采用RIE干刻蝕平坦膜表面。氣體流量為40/3 sccm，射頻功率為50 W。對(duì)掩膜物質(zhì)刻蝕完全結(jié)束后，繼續(xù)刻蝕二氧化硅層，當(dāng)掩膜物質(zhì)和二氧化硅層刻蝕速度相同時(shí)可以得到最佳刻蝕效果。并基于反射光譜學(xué)原理通過(guò)膜厚測(cè)量?jī)x器監(jiān)測(cè)刻蝕深度。最后得到平坦的二氧化硅層；第四步，在平滑二氧化硅層上再次沉積200 nm Si3N4層并基于電子阻擋層(electron-blocking layer，簡(jiǎn)稱EBL)和RIE技術(shù)刻蝕氮化硅微盤(pán)。然后在形成的光路上通過(guò)PECVD沉積2 μm的二氧化硅包層。最后通過(guò)光刻膠AZ1500掩模腐蝕窗口，放入氫氟酸中形成懸浮結(jié)構(gòu)。在對(duì)氮化硅膜進(jìn)行刻蝕波導(dǎo)時(shí)，為了使沉積的1.5 μmSiO2包覆層與微盤(pán)形成更好的集成結(jié)構(gòu)，采用CMP-RIE的平坦化技術(shù)拋光表面。這是因?yàn)椴捎矛F(xiàn)有的基于化學(xué)機(jī)械拋光方法去精細(xì)的控制氮化硅波導(dǎo)恰好露出并與微盤(pán)集成是很困難的。所以實(shí)驗(yàn)中采用通過(guò)優(yōu)化光刻膠的烘干工藝及等離子體刻蝕的參數(shù)設(shè)置方法。當(dāng)光刻膠的刻蝕速度與氧化硅的刻蝕速度完全一致時(shí)，波導(dǎo)的凸起結(jié)構(gòu)在勻上光刻膠之后，可以獲得相對(duì)平坦的膠平面。等離子體刻蝕過(guò)程中，波導(dǎo)基片的表面可被均勻的刻蝕掉。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，刻蝕到達(dá)氮化硅波導(dǎo)層時(shí)停止。最后放入氫氟酸緩沖液中腐蝕窗口形成懸空結(jié)構(gòu)。制備空氣懸空結(jié)構(gòu)過(guò)程如圖13所示。

圖13 三維懸空結(jié)構(gòu)制作流程圖

2.2 芯片性能測(cè)試

檢驗(yàn)制備芯片特性的方法是：利用放大自發(fā)發(fā)射源(ASE)發(fā)射出非偏振光，將光通過(guò)消光比大于50 dB的偏振器得到偏振光，再經(jīng)物鏡耦合進(jìn)芯片和微盤(pán)諧振器相互作用后，輸出的光由一個(gè)光纖透鏡收集傳入分辨率帶寬在0.01 nm的光譜分析儀中進(jìn)行測(cè)量。如果選擇分辨率可以達(dá)到pm級(jí)別的光譜分析儀效果會(huì)更好。圖14給出了二氧化硅包層下不同半徑的氮化硅微盤(pán)透射光譜，測(cè)量譜中直線是最大透射的標(biāo)準(zhǔn)參考線。出現(xiàn)的小波紋源于芯片面與面之間的法布里-泊羅干涉。分析測(cè)量結(jié)果得到：對(duì)TE光(圖14中的實(shí)線)，微盤(pán)半徑增大，抑制比增加。微腔中的光模式可由麥克斯韋方程的復(fù)雜解得出，也可在計(jì)算中將微盤(pán)減少到二維近似，通過(guò)求解由貝塞爾函數(shù)[30]組成的超越方程來(lái)粗略地獲得微腔有效模式。當(dāng)腔和波導(dǎo)的模式有效折射率相等時(shí)，垂直耦合相位匹配。半徑接近90 μm的微腔諧振耦合性能比較好。耦合的強(qiáng)度取決于相應(yīng)的場(chǎng)重疊和波導(dǎo)與腔之間的相位失配。當(dāng)由波導(dǎo)耦合進(jìn)微腔諧振器中的能量與微腔損耗的能量平衡時(shí)，波導(dǎo)和微腔實(shí)現(xiàn)最大耦合。最好的耦合點(diǎn)在微腔半徑90 μm處，此時(shí)TE光的有效模式與波導(dǎo)發(fā)生臨界耦合，TM光的有效模式大于波導(dǎo)，不能耦合。對(duì)于空氣懸浮型結(jié)構(gòu)，TM光有效模式相應(yīng)減小，達(dá)到可以與波導(dǎo)有效耦合的范圍，而TE光模式由于直線波導(dǎo)具有較高的基模有效指數(shù)，導(dǎo)致微盤(pán)高階模式被激發(fā)，出現(xiàn)圖15中的現(xiàn)象，這與理論結(jié)果相似。實(shí)際上，直線波導(dǎo)的彎曲使得散射損耗減小，質(zhì)量因子提高，同時(shí)自由光譜范圍(FSR)隨著微盤(pán)半徑的變化而變化，使得理論與實(shí)際值存在微小偏差。

對(duì)一個(gè)100 μm半徑的諧振器在1550.6 nm的諧振波長(zhǎng)下，品質(zhì)因子約為1.9×104，而耦合的半峰全寬(FWHM)寬度約為0.081 nm。一般情況測(cè)量的半峰寬度和抑制比會(huì)受到儀器分辨力的影響，可能不是很準(zhǔn)確，但仍然可以大致證明共振性能。由理論和實(shí)際透射可知，TM光在有包層的微腔濾波器中僅存在弱諧振耦合。由圖14中虛線可以看出其中透射率只有0.25 dB，幾乎類(lèi)似直線參考系，損耗只來(lái)自微盤(pán)的弱諧振耦合，與法布里-泊羅干擾相當(dāng)。如圖15所示相較于空氣結(jié)構(gòu)的裝置，它的偏振相關(guān)性完全不同，在1550 nm波長(zhǎng)處TM光抑制比大于15 dB，自由光譜范圍在2.2 nm左右，質(zhì)量因子約為104，TE光則以相對(duì)少很多的消光比獲得透射性能。

圖14 直的參考線和不同半徑微盤(pán)諧振器輸出的透射光譜

圖15 半徑100 μm的空氣懸空結(jié)構(gòu)諧振器的透射光譜

3 結(jié)論

介紹了基于二氧化硅基座的相對(duì)穩(wěn)定性較高的T型懸空跑道環(huán)形氮化硅微腔諧振器。分析TE光特性，得到高于104的品質(zhì)因子，約9.2 dB的中等消光比，自由光譜范圍5.48 nm，靈敏度達(dá)到247 nm/RIU，可廣泛應(yīng)用在光學(xué)傳感方面。對(duì)多層氮化硅垂直耦合微盤(pán)諧振濾波器研究得到其強(qiáng)極化偏振相關(guān)性的結(jié)構(gòu)。二氧化硅包覆的微盤(pán)，品質(zhì)因子超過(guò)104，TE偏振光可實(shí)現(xiàn)20 dB以上的抑制比，TM光則只有較弱的諧振耦合；對(duì)空氣懸空結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果則恰恰相反，得到品質(zhì)因子為4×103，自由光譜范圍2.2 nm，對(duì)TM光刻實(shí)現(xiàn)大于15 dB的抑制比，而對(duì)于TE波，會(huì)激發(fā)出高次諧振模式，并且獲得更復(fù)雜的傳輸特性，同時(shí)具有非常低的消光比，得到器件可以應(yīng)用于傳感器、偏振、波長(zhǎng)解復(fù)用等方面。

對(duì)氮化硅微腔芯片二維和三維結(jié)構(gòu)性能研究，得出懸空結(jié)構(gòu)相較于以往的包埋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大節(jié)省空間，增加與探測(cè)物質(zhì)的接觸面積，提高芯片靈敏度，氮化硅的微腔結(jié)構(gòu)得到高品質(zhì)因子芯片，優(yōu)化制造工藝使得芯片可以工業(yè)批量生產(chǎn)。證明了懸空結(jié)構(gòu)芯片的優(yōu)越性能，以及三維結(jié)構(gòu)光子芯片的應(yīng)用前景廣泛。