[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及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，属于集成光学折射率传感器领域。

背景技术

波导布拉格光栅是一种带阻滤波器，决定其中心波长的波导模式的有效折射率和光栅周期可以受外界环境影响，从而通过检测其中心波长可以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。

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、基于二氧化硅光波导(planar lightwave circuit，PLC)的波导布拉格光栅折射率传感器、基于硅基二氧化硅(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芯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；二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯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；硅基二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯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

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硅波导布拉格光栅折射率传感芯片及其制备方法，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。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片，包括从下而上依次设置的基底、下包层、芯层以及上包层；所述下包层和上包层均采用折射率为1.44～1.45的二氧化硅制备，所述芯层包括依次顺序设置的输入光波导、波导布拉格光栅以及输出光波导，所述波导布拉格光栅采用折射率为2.0的氮化硅制备；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。

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。

一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片的制备方法，包括以下步骤：

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硅下包层；

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硅层；

第三步：在氮化硅层上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，形成光刻胶层；然后通过光刻、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；

第四步：以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耦合等离子刻蚀法刻蚀所述氮化硅层，刻蚀深度为氮化硅层的厚度，然后去除残留光刻胶，形成包括波导布拉格光栅、输入光波导以及输出光波导的芯层；

第五步：在所述芯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硅上包层；

第六步：在二氧化硅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；

第七步：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；

第八步：以所述金属阻挡层作为掩膜，通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法对所述二氧化硅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硅上包层后形成环状结构的上包层。

有益效果：本发明提供的一种氮化硅波导布拉格光栅折射率传感芯片：

(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硅和氮化硅作为器件材料，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。

(2)采用高折射率差的二氧化硅和氮化硅作为包层和芯层材料，并使具有波导布拉格光栅的芯层的两个侧面和顶面与待测液体接触，可以增大折射率传感范围、提高折射率传感灵敏度。

(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

图1为本发明器件结构的三维图；

图2为本发明器件结构的顶面俯视图；

图3为本发明器件结构中中心处的正面剖视图；

图4为本发明器件结构中中心处的侧面剖视图；

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；