光耦合器件及其形成方法
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 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。
【附图说明】
[0036]图1?图9为本发明实施例光耦合器件形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]现有技术的三维封装结构中，通常采用光栅耦合的方式实现两个硅衬底上的平面光波导之间的连接，由于光栅耦合的方式不是反射式的耦合，在耦合的过程中光波的损耗较大，耦合的效率很低，通常光栅耦合的效率只有20%?70%。
[0038]为此，本发明实施例提供了一种光耦合器件及其形成方法，本发明的耦合器件包括: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。
[0039]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0040]图1?图9为本发明实施例光耦合器件的形成过程的结构示意图。
[0041]参考图1，提供第一半导体衬底200,所述第一半导体衬底200包括第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12 ;在第一半导体衬底200表面上形成掩膜层201,所述掩膜层201中具有暴露出第一半导体衬底200表面的开口。
[0042]所述第一半导体衬底200的材料为娃。所述第一半导体衬底200中后续形成第一凹槽，第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角度。
[0043]为了使得后续形成第一凹槽的侧壁的第一倾斜角度具有较高的精度，本发明实施例中，利用四甲基氢氧化铵溶液在刻蚀硅衬底时沿不同晶面的刻蚀速率不同的特性，来形成第一凹槽。本发明实施例中，所述第一半导体衬底200的第一表面11的晶面指数为
(100),第一半导体衬底200中具有晶面指数为(111)的晶面，(100)晶面和(111)晶面的夹角为54.74。，后续在采用四甲基氢氧化铵溶液湿法刻蚀第一半导体衬底200时，沿晶面(111)的刻蚀速率较大，使得形成的第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角度，第一倾斜角度等于54.74°。
[0044]所述掩膜层201作为后续刻蚀第一半导体衬底200时的掩膜，所述掩膜层201为氧化硅或氮化硅等。形成掩膜层201后，在掩膜层201上形成图形化的光刻胶层，然后以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述掩膜层201，在掩膜层201中形成开口。
[0045]参考图2，刻蚀第一半导体衬底200的第一表面11，在所述第一半导体衬底200中形成第一凹槽203，所述第一凹槽203的侧壁具有第一倾斜角。
[0046]刻蚀所述第一半导体衬底200采用湿法刻蚀工艺。本实施例中，所述施法刻蚀工艺采用的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。所述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。，提高形成的第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角的精度。
[0047]四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液刻蚀第一半导体衬底200时，四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液沿晶面(111)的刻蚀速率较快，形成的第一凹槽203具有倾斜侧壁，第一凹槽203的侧壁的晶面指数为(111)，第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角度为54.74。。
[0048]参考图3，在第一凹槽203的侧壁和底部表面上形成第一反射层204。
[0049]所述第一反射层204用于作为光波的反射层，第一凹槽203侧壁上的第一反射层204为光耦合器件的一部分，由于第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角为54.74。，相应的使得第一凹槽203侧壁上形成的第一反射层204的倾斜角度也为54.74。。
[0050]具体的所述第一反射层204的形成过程为:形成覆盖所述第一凹槽203的侧壁和底部表面、以及掩膜层201 (参考图2)表面的第一反射材料层；采用化学机械研磨工艺去除第一半导体衬底200表面上的掩膜层201和第一反射材料层，在第一凹槽203的侧壁和底部表面形成第一反射层204。在本发明的其他实施例中，所述化学机械研磨工艺也可以在后续在第一凹槽中形成第一波导材料层之后进行。
[0051]所述第一反射层204的材料可以为金属，所述金属可以为铜、铝、金或银。金属材料具有较小的折射系数，后续第一光波导中的光波在传输到第一反射层界面时容易发生全反射，较小了传输过程中的光波的损耗，有利于提高光耦合器件的耦合效率。
[0052]所述第一反射层204的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0053]本实施例中，所述第一反射层204的材料为氧化硅。
[0054]参考图4,在所述第一凹槽203 (参考图3)内形成第一光波导205。
[0055]所述第一光波导205材料的折射率要大于第一反射层204材料的折射率,第一光波导205中的光波在传输到第一反射层204时能产生全反射。
[0056]所述第一光波导205的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中,所述第一波导层205的材料为氮化娃,相对于第一反射层204材料(氧化娃),第一波导层205的材料的折射率远大于第一反射层204材料的折射率，后续在将第一半导体衬底200和第二半导体衬底键合后，第一光波导205中光波在传输在第一凹槽203侧壁上的第一反射层容易发生全反射向第二半导体衬底的方向耦合，提高光耦合器件的耦合效率。
[0057]所述第一光波导205的形成过程为:在第一半导体衬底200的第一表面上形成第一光波导材料层，所述第一光波导材料层填充满第一凹槽203 ;平坦化所述第一光波导材料层，在所述第一凹槽203内形成第一光波导。
[0058]本实施例中，所述第一光波导205的厚度小于第一凹槽203 (参考图3)的深度，即第一凹槽203中形成的第一光波导205的表面要低于第一半导体衬底200的第一表面11，后续将第一半导体衬底200的第一表面11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200的第一凹槽203内的第一光波导205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，有利于提闻器件的性能。
[0059]本发明实施例中，可以通过回刻蚀工艺使得第一光波导205的表面低于第一半导体衬底200的第一表面11，第一光波导205的表面低于第一半导体衬底200的第一表面11的距离为20?100埃。
[0060]在本发明的其他实施例中，第一光波导的表面低于第一半导体衬底的第一表面时，在第一光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第一光波导材料的折射率，所述介质层材料可以为氧化硅等，所述介质层材料可以限定光波在第一光波导中传输，后续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，并能防止第一光波导与第二光波导直接接触。
[0061]在本发明的其他实施例中，在第一凹槽内形成第一光波导后，刻蚀所述第一光波导，在第一凹槽内形成若干平行的子波导，所述子波导从第一凹槽的一侧指向第一凹槽的另一侧。
[0062]在本发明的其他实施例中，在形成第一光波导后，还可以刻蚀第一光波导，将第一光波导从中间断开，形成两个子波导，后续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，两个子波导可以分别从第一凹槽中相对应侧壁上第一反射层向第二半导体衬底的方向耦合光波。
[0063]在本发明的其他实施例中，还包括:在第一半导体衬底的第一表面以及第一光波导表面形成一层氧化娃层，所述氧化娃层在后续将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第二表面键合在一起时，能提高键合面的牢固度，另外所述氧化硅层还可以用于第一光波导和第二光波导之间的隔离。
[0064]参考图5，提供第二半导体衬底300，所述第二半导体衬底300包括第三表面13和与第三表面13相对的第四表面14 ;在所述第二半导体衬底300的第三表面13上形成掩膜层301，所述掩膜层301中具有暴露第二半导体衬底300的第三表面13的开口。
[0065]所述第二半导体衬底300的材料为硅。所述第二半导体衬底300中后续形成第二 凹槽，第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角度。
[0066]为了使得后续形成第二凹槽的侧壁的第二倾斜角度具有较高的精度，本发明实施例中，利用四甲基氢氧化铵溶液在刻蚀硅衬底时沿不同晶面的刻蚀速率不同的特性，来形成第二凹槽。本发明实施例中，所述第二半导体衬底300的第三表面13的晶面指数为
(110)，第二半导体衬底300中具有晶面指数为(111)的晶面，(110)晶面和(111)晶面的夹角为25.26°，后续在采用四甲基氢氧化铵溶液湿法刻蚀第二半导体衬底300时，沿晶面
(111)的刻蚀速率较大，使得形成的第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角度，第二倾斜角度等于25.26°。
[0067]所述掩膜层301作为后续刻蚀第二半导体衬底300时的掩膜，所述掩膜层301为氧化硅或氮化硅等。形成掩膜层301后，在掩膜层301上形成图形化的光刻胶层，然后以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述掩膜层301，在掩膜层301中形成开口。
[0068]参考图6，刻蚀所述第二半导体衬底300的第三表面13，在所述第二半导体衬底300中形成第二凹槽303，所述第二凹槽303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。
[0069]刻蚀所述第二半导体衬底300采用湿法刻蚀工艺。本实施例中，所述施法刻蚀工艺采用的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。所述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。，提高形成的第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角的精度。
[0070]四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液刻蚀第二半导体衬底300时，四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液沿晶面(111)的刻蚀速率较快，形成的第二凹槽303具有倾斜侧壁，形成的第二凹槽303的侧壁的晶面指数为(111)，第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角度为25.26°。
[0071]本发明的实施例中，第一凹槽203(参考图2)的第一倾斜角的角度与第二凹槽303的第二倾斜角的角度互余，后续在将第一半导体衬底200 (请参考图2)的第一表面11 (请参考图2)和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，使得第一凹槽203侧壁的第一反射层与第二凹槽303侧壁上的第二反射层的夹角为90°，从而实现第一凹槽203中的第一光波导205的光波向第二凹槽303中的第二光波导传输时的全反射耦合，提高耦合的效率。并且，所述第一凹槽203 (参考图2)的开口的宽度等于第二凹槽303的开口的宽度，所述第二凹槽303的深度与第一凹槽203的深度比为1:2，在将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，使得第一凹槽203的侧壁在第一半导体衬底200的第一表面11上投影宽度等于第二凹槽303的侧壁在第二半导体衬底300的第三表面13上的投影宽度，当第一凹槽203侧壁的第一反射层204 (参考图
3)向第二半导体衬底300的方向耦合反射光波时，第二凹槽303侧壁的第二反射层能接受全部的反射光波，并反射，从而防止了光耦合器件在进行光波耦合时光波的损耗，提高了耦合效率。
[0072]参考图7，在所述第二凹槽303的侧壁和底部表面上形成第二反射层304。
[0073]所述第二反射层304用于作为光波的反射层，第二凹槽303侧壁上的第二反射层304为光耦合器件的一部分，由于第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角为25.26°，相应的使得第二凹槽303侧壁上形成的第二反射层304的倾斜角度也为25.26°。
[0074]具体的所述第二反射层304的形成过程为:形成覆盖所述第二凹槽303的侧壁和底部表面、以及掩膜层301 (参考图6)表面的第二反射材料层；采用化学机械研磨工艺去除第二半导体衬底300表面上的掩膜层301和第二反射材料层，在第二凹槽303的侧壁和底部表面形成第二反射层304。在本发明的其他实施例中，所述化学机械研磨工艺也可以在后续在第二凹槽中形成第二波导材料层之后进行。
[0075]所述第二反射层304的材料可以为金属，所述金属可以为铜、铝、金或银。所述第二反射层304的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0076]本实施例中，所述第二反射层304的材料与第一反射层204 (请参考图3)的材料相同，使得第二反射层304与第一反射层204的折射率相同,有利于光稱合器件在光波反射时的全反射和传输精度，所述第二反射层304的材料为氧化娃。
[0077]参考图8，在第二凹槽303 (参考图7)内形成第二光波导305。
[0078]所述第二光波导305材料的折射率要大于第二反射层304材料的折射率所述第二光波导305的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中，所述第二光波导305的材料为氮化硅。
[0079]第二光波导305的形成过程为:在第二半导体衬底300的第三表面13上形成第二光波导材料层，所述第一光波导材料层填充满第二凹槽303 ;平坦化所述第二光波导材料层，在所述第二凹槽内形成第二光波导305。
[0080]本实施例中，所述第二光波导305的厚度小于第二凹槽303 (参考图7)的深度，即第二凹槽303中形成的第二光波导305的表面要低于第二半导体衬底300的第三表面13，后续将第一半导体衬底200的第一表面11 (参考图4)和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，防止第一半导体衬底200的第一凹槽203内的第一光波导205 (参考图
4)的表面与第二半导体衬底300的第二凹槽303内第二光波导305的表面接触，防止了第一光波导205和第二光波导305之间的相互干扰,有利于提高器件的性能。
[0081]本发明实施例中，可以通过回刻蚀工艺使得第二光波导305的表面低于第二半导体衬底300的第三表面13,第二光波导305的表面低于第二半导体衬底300的第三表面13的距离为20?100埃。
[0082]在本发明的其他实施例中，第二光波导的表面低于第二半导体衬底的第三表面时，在第二光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第二光波导材料的折射率，所述介质层材料可以为氧化硅等，所述介质层材料可以限定光波在第二光波导中传输，后续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，并能防止第一光波导与第二光波导直接接触。
[0083]在本发明的其他实施例中，在第二凹槽内形成第二光波导后，刻蚀所述第二光波导，在第二凹槽内形成若干平行的子波导，所述子波导从第二凹槽的一侧指向第二凹槽的另一侧。
[0084]在本发明的其他实施例中，在形成第二光波导后，还可以刻蚀第二光波导，将第二光波导从中间断开，形成两个子波导。
[0085]在本发明的其他实施例中，还包括:在第二半导体衬底的第三表面以及第二光波导表面形成一层氧化娃层，所述氧化娃层在后续将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第二表面键合在一起时，能提高键合面的牢固度，另外所述氧化硅层还可以用于第一光波导和第二光波导之间的隔离。
[0086]参考图9，将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起，使第一凹槽203 (参考图3)与第二凹槽303 (参考图6)相对应。
[0087]通过硅硅直接键合工艺将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起。
[0088]在键合之后，还包括退火工艺，退火的温度为200?700摄氏度，退火时间为30分钟?6小时，通过退火有利于键合面晶粒的生长，使得键合面更加牢固。
[0089]在将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起后，第一凹槽203与第二凹槽303相对应(第一凹槽203和第二凹槽303上下位置对应)，第一凹槽203内的第一光波导205与第二凹槽303内的第二光波导305对应(第一光波导205和第二光波导305上下位置对应)，第一凹槽203侧壁上的第一反射层204与第二凹槽侧壁上的第二反射层304的夹角为90°，本实施例中，以第一光波导205中的光波向第二光波导305中传输做示例性说明，第一光波导205中与第一半导体衬底200的第一表面11平行的方向传输的光波，在第一凹槽203侧壁的第一反射层204上发生全反射，向第二半导体衬底300方向(向上)I禹合传输，第二半导体衬底300方向(向上)I禹合传输的光波在第二半导体衬底300的第二凹槽303侧壁上的第二反射层304上发生全反射，转变为与第一半导体衬底200的第一表面11平行的光波被第二光波导305接收，实现第一光波导205中的光波向第二光波导305传输，由于传输过程采用全反射耦合的方式，光波的损耗或者损失很小，耦合效率能达到90%以上，极大的提高了耦合效率。
[0090]本发明实施例还提供了一种光耦合器件，请参考图9，包括:
[0091]第一半导体衬底200，所述第一半导体衬底200包括第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12 ；
[0092]位于第一半导体衬底200内且贯穿第一半导体衬底200的第一表面11的第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角；
[0093]位于第一凹槽的侧壁和底部表面上的第一反射层204 ；
[0094]第二半导体衬底300，所述第二半导体衬底300包括第三表面13和与第三表面13相对 的第四表面14 ；
[0095]位于第二半导体衬底300内且贯穿第二半导体衬底300的第三表面13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；
[0096]位于第二凹槽侧壁和底部表面上的第二反射层304 ；
[0097]第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽对应。
[0098]具体的，所述第一半导体衬底200的第一表面11的晶面指数为(110)，第一凹槽侧壁的晶面指数为(111)，第二半导体衬底的第三表面的晶面指数为(110)，第二凹槽侧壁的晶面指数为(111)，第一凹槽的侧壁的第一倾斜角为54.74度，第二凹槽侧壁的第二倾斜角为35.26度。
[0099]还包括:位于第一凹槽内的第一光波导205，位于第二凹槽内的第二光波导305。
[0100]所述第一光波导205和第二光波导305材料的折射率要大于第一反射层204材料的折射率，所述第一光波导205和第二光波导305的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中，所述第一波导层205和第二光波导305的材料为氮化娃。
[0101]所述第一光波导205的厚度小于第一凹槽的深度，所述第二光波导305的厚度小于第二凹槽的深度。
[0102]在本发明的其他实施例中，第一光波导的表面低于第一半导体衬底的第一表面时，在第一光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第一光波导材料的折射率。
[0103]在本发明的其他实施例中，所述第一光波导包括位于第一凹槽内的若干平行的子波导，所述子波导从第一凹槽的一侧指向第一凹槽的另一侧。
[0104]在本发明的其他实施例中，所述第一光波导包括从中间断开的两个子波导。
[0105]在本发明的其他实施例中，第二光波导的表面低于第二半导体衬底的第三表面时，在第二光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第二光波导材料的折射率。
[0106]在本发明的其他实施例中，所述第二光波导包括位于第二凹槽内的若干平行的子波导，所述子波导从第二凹槽的一侧指向第二凹槽的另一侧。
[0107]在本发明的其他实施例中，所述第二光波导包括从中间断开的两个子波导。
[0108]第一凹槽侧壁的第一反射层204与第二凹槽侧壁上的第二反射层304的夹角为90°，从而实现第一凹槽中的第一光波导205的光波向第二凹槽中的第二光波导305传输时的的全反射耦合，提高耦合的效率。并且，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，使得第一凹槽的侧壁在第一半导体衬底200的第一表面11上投影宽度等于第二凹槽的侧壁在第二半导体衬底300的第三表面13上的投影宽度，当第一凹槽侧壁的第一反射层204向第二半导体衬底300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，并反射，从而防止了光耦合器件在进行光波耦合时光波的损耗，提高了耦合效率。
[0109]所述第一反射层204或第二反射层304的材料可以为金属，所述金属可以为铜、招、金或银。
[0110]所述第一反射层204或第二反射层304的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0111]本实施例中，所述第一反射层204和第二反射层304的材料相同,第一反射层204和第二反射层304的材料为氧化硅。
[0112]综上，本发明实施例光耦合器件及其形成方法，通过全反射的方式实现光波的耦合，提高了耦合的效率。
[0113]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【主权项】
1.一种光稱合器件的形成方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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)。3.如权利要求2所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。4.如权利要求1或3所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。5.如权利要求1或3所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。6.如权利要求5所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。7.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。8.如权利要求7所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述键合工艺后还包括退火工艺。9.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。10.如权利要求9所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一光波导的厚度小于第一凹槽的深度。11.如权利要求9所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。12.如权利要求11所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第二光波导的厚度小于第二凹槽的深度。13.如权利要求11所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。14.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。15.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一光波导或第二光波导的材料为氮化硅或多晶硅。16.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一反射层或第二反射层为单层或多层堆叠结构。17.—种光稱合器件,其特征在于,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。18.如权利要求17所述的光耦合器件，其特征在于，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)，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。19.如权利要求17所述的光耦合器件，其特征在于，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。20.如权利要求19所述的光耦合器件，其特征在于，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。
【专利摘要】一种光耦合器件及其形成方法，所述光耦合器件包括：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，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，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，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。本发明的耦合器件提高了耦合效率。
【IPC分类】G02B6/24, H01L31/18, H01L31/12
【公开号】CN104900749
【申请号】CN201410077106
【发明人】陈福成, 洪中山
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司, 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
【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 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。
【附图说明】
[0036]图1?图9为本发明实施例光耦合器件形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]现有技术的三维封装结构中，通常采用光栅耦合的方式实现两个硅衬底上的平面光波导之间的连接，由于光栅耦合的方式不是反射式的耦合，在耦合的过程中光波的损耗较大，耦合的效率很低，通常光栅耦合的效率只有20%?70%。
[0038]为此，本发明实施例提供了一种光耦合器件及其形成方法，本发明的耦合器件包括: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。
[0039]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0040]图1?图9为本发明实施例光耦合器件的形成过程的结构示意图。
[0041]参考图1，提供第一半导体衬底200,所述第一半导体衬底200包括第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12 ;在第一半导体衬底200表面上形成掩膜层201,所述掩膜层201中具有暴露出第一半导体衬底200表面的开口。
[0042]所述第一半导体衬底200的材料为娃。所述第一半导体衬底200中后续形成第一凹槽，第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角度。
[0043]为了使得后续形成第一凹槽的侧壁的第一倾斜角度具有较高的精度，本发明实施例中，利用四甲基氢氧化铵溶液在刻蚀硅衬底时沿不同晶面的刻蚀速率不同的特性，来形成第一凹槽。本发明实施例中，所述第一半导体衬底200的第一表面11的晶面指数为
(100),第一半导体衬底200中具有晶面指数为(111)的晶面，(100)晶面和(111)晶面的夹角为54.74。，后续在采用四甲基氢氧化铵溶液湿法刻蚀第一半导体衬底200时，沿晶面(111)的刻蚀速率较大，使得形成的第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角度，第一倾斜角度等于54.74°。
[0044]所述掩膜层201作为后续刻蚀第一半导体衬底200时的掩膜，所述掩膜层201为氧化硅或氮化硅等。形成掩膜层201后，在掩膜层201上形成图形化的光刻胶层，然后以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述掩膜层201，在掩膜层201中形成开口。
[0045]参考图2，刻蚀第一半导体衬底200的第一表面11，在所述第一半导体衬底200中形成第一凹槽203，所述第一凹槽203的侧壁具有第一倾斜角。
[0046]刻蚀所述第一半导体衬底200采用湿法刻蚀工艺。本实施例中，所述施法刻蚀工艺采用的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。所述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。，提高形成的第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角的精度。
[0047]四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液刻蚀第一半导体衬底200时，四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液沿晶面(111)的刻蚀速率较快，形成的第一凹槽203具有倾斜侧壁，第一凹槽203的侧壁的晶面指数为(111)，第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角度为54.74。。
[0048]参考图3，在第一凹槽203的侧壁和底部表面上形成第一反射层204。
[0049]所述第一反射层204用于作为光波的反射层，第一凹槽203侧壁上的第一反射层204为光耦合器件的一部分，由于第一凹槽203的侧壁的第一倾斜角为54.74。，相应的使得第一凹槽203侧壁上形成的第一反射层204的倾斜角度也为54.74。。
[0050]具体的所述第一反射层204的形成过程为:形成覆盖所述第一凹槽203的侧壁和底部表面、以及掩膜层201 (参考图2)表面的第一反射材料层；采用化学机械研磨工艺去除第一半导体衬底200表面上的掩膜层201和第一反射材料层，在第一凹槽203的侧壁和底部表面形成第一反射层204。在本发明的其他实施例中，所述化学机械研磨工艺也可以在后续在第一凹槽中形成第一波导材料层之后进行。
[0051]所述第一反射层204的材料可以为金属，所述金属可以为铜、铝、金或银。金属材料具有较小的折射系数，后续第一光波导中的光波在传输到第一反射层界面时容易发生全反射，较小了传输过程中的光波的损耗，有利于提高光耦合器件的耦合效率。
[0052]所述第一反射层204的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0053]本实施例中，所述第一反射层204的材料为氧化硅。
[0054]参考图4,在所述第一凹槽203 (参考图3)内形成第一光波导205。
[0055]所述第一光波导205材料的折射率要大于第一反射层204材料的折射率,第一光波导205中的光波在传输到第一反射层204时能产生全反射。
[0056]所述第一光波导205的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中,所述第一波导层205的材料为氮化娃,相对于第一反射层204材料(氧化娃),第一波导层205的材料的折射率远大于第一反射层204材料的折射率，后续在将第一半导体衬底200和第二半导体衬底键合后，第一光波导205中光波在传输在第一凹槽203侧壁上的第一反射层容易发生全反射向第二半导体衬底的方向耦合，提高光耦合器件的耦合效率。
[0057]所述第一光波导205的形成过程为:在第一半导体衬底200的第一表面上形成第一光波导材料层，所述第一光波导材料层填充满第一凹槽203 ;平坦化所述第一光波导材料层，在所述第一凹槽203内形成第一光波导。
[0058]本实施例中，所述第一光波导205的厚度小于第一凹槽203 (参考图3)的深度，即第一凹槽203中形成的第一光波导205的表面要低于第一半导体衬底200的第一表面11，后续将第一半导体衬底200的第一表面11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200的第一凹槽203内的第一光波导205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，有利于提闻器件的性能。
[0059]本发明实施例中，可以通过回刻蚀工艺使得第一光波导205的表面低于第一半导体衬底200的第一表面11，第一光波导205的表面低于第一半导体衬底200的第一表面11的距离为20?100埃。
[0060]在本发明的其他实施例中，第一光波导的表面低于第一半导体衬底的第一表面时，在第一光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第一光波导材料的折射率，所述介质层材料可以为氧化硅等，所述介质层材料可以限定光波在第一光波导中传输，后续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，并能防止第一光波导与第二光波导直接接触。
[0061]在本发明的其他实施例中，在第一凹槽内形成第一光波导后，刻蚀所述第一光波导，在第一凹槽内形成若干平行的子波导，所述子波导从第一凹槽的一侧指向第一凹槽的另一侧。
[0062]在本发明的其他实施例中，在形成第一光波导后，还可以刻蚀第一光波导，将第一光波导从中间断开，形成两个子波导，后续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，两个子波导可以分别从第一凹槽中相对应侧壁上第一反射层向第二半导体衬底的方向耦合光波。
[0063]在本发明的其他实施例中，还包括:在第一半导体衬底的第一表面以及第一光波导表面形成一层氧化娃层，所述氧化娃层在后续将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第二表面键合在一起时，能提高键合面的牢固度，另外所述氧化硅层还可以用于第一光波导和第二光波导之间的隔离。
[0064]参考图5，提供第二半导体衬底300，所述第二半导体衬底300包括第三表面13和与第三表面13相对的第四表面14 ;在所述第二半导体衬底300的第三表面13上形成掩膜层301，所述掩膜层301中具有暴露第二半导体衬底300的第三表面13的开口。
[0065]所述第二半导体衬底300的材料为硅。所述第二半导体衬底300中后续形成第二 凹槽，第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角度。
[0066]为了使得后续形成第二凹槽的侧壁的第二倾斜角度具有较高的精度，本发明实施例中，利用四甲基氢氧化铵溶液在刻蚀硅衬底时沿不同晶面的刻蚀速率不同的特性，来形成第二凹槽。本发明实施例中，所述第二半导体衬底300的第三表面13的晶面指数为
(110)，第二半导体衬底300中具有晶面指数为(111)的晶面，(110)晶面和(111)晶面的夹角为25.26°，后续在采用四甲基氢氧化铵溶液湿法刻蚀第二半导体衬底300时，沿晶面
(111)的刻蚀速率较大，使得形成的第二凹槽的侧壁具有第二倾斜角度，第二倾斜角度等于25.26°。
[0067]所述掩膜层301作为后续刻蚀第二半导体衬底300时的掩膜，所述掩膜层301为氧化硅或氮化硅等。形成掩膜层301后，在掩膜层301上形成图形化的光刻胶层，然后以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述掩膜层301，在掩膜层301中形成开口。
[0068]参考图6，刻蚀所述第二半导体衬底300的第三表面13，在所述第二半导体衬底300中形成第二凹槽303，所述第二凹槽303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。
[0069]刻蚀所述第二半导体衬底300采用湿法刻蚀工艺。本实施例中，所述施法刻蚀工艺采用的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。所述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。，提高形成的第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角的精度。
[0070]四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液刻蚀第二半导体衬底300时，四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液沿晶面(111)的刻蚀速率较快，形成的第二凹槽303具有倾斜侧壁，形成的第二凹槽303的侧壁的晶面指数为(111)，第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角度为25.26°。
[0071]本发明的实施例中，第一凹槽203(参考图2)的第一倾斜角的角度与第二凹槽303的第二倾斜角的角度互余，后续在将第一半导体衬底200 (请参考图2)的第一表面11 (请参考图2)和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，使得第一凹槽203侧壁的第一反射层与第二凹槽303侧壁上的第二反射层的夹角为90°，从而实现第一凹槽203中的第一光波导205的光波向第二凹槽303中的第二光波导传输时的全反射耦合，提高耦合的效率。并且，所述第一凹槽203 (参考图2)的开口的宽度等于第二凹槽303的开口的宽度，所述第二凹槽303的深度与第一凹槽203的深度比为1:2，在将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，使得第一凹槽203的侧壁在第一半导体衬底200的第一表面11上投影宽度等于第二凹槽303的侧壁在第二半导体衬底300的第三表面13上的投影宽度，当第一凹槽203侧壁的第一反射层204 (参考图
3)向第二半导体衬底300的方向耦合反射光波时，第二凹槽303侧壁的第二反射层能接受全部的反射光波，并反射，从而防止了光耦合器件在进行光波耦合时光波的损耗，提高了耦合效率。
[0072]参考图7，在所述第二凹槽303的侧壁和底部表面上形成第二反射层304。
[0073]所述第二反射层304用于作为光波的反射层，第二凹槽303侧壁上的第二反射层304为光耦合器件的一部分，由于第二凹槽303的侧壁的第二倾斜角为25.26°，相应的使得第二凹槽303侧壁上形成的第二反射层304的倾斜角度也为25.26°。
[0074]具体的所述第二反射层304的形成过程为:形成覆盖所述第二凹槽303的侧壁和底部表面、以及掩膜层301 (参考图6)表面的第二反射材料层；采用化学机械研磨工艺去除第二半导体衬底300表面上的掩膜层301和第二反射材料层，在第二凹槽303的侧壁和底部表面形成第二反射层304。在本发明的其他实施例中，所述化学机械研磨工艺也可以在后续在第二凹槽中形成第二波导材料层之后进行。
[0075]所述第二反射层304的材料可以为金属，所述金属可以为铜、铝、金或银。所述第二反射层304的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0076]本实施例中，所述第二反射层304的材料与第一反射层204 (请参考图3)的材料相同，使得第二反射层304与第一反射层204的折射率相同,有利于光稱合器件在光波反射时的全反射和传输精度，所述第二反射层304的材料为氧化娃。
[0077]参考图8，在第二凹槽303 (参考图7)内形成第二光波导305。
[0078]所述第二光波导305材料的折射率要大于第二反射层304材料的折射率所述第二光波导305的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中，所述第二光波导305的材料为氮化硅。
[0079]第二光波导305的形成过程为:在第二半导体衬底300的第三表面13上形成第二光波导材料层，所述第一光波导材料层填充满第二凹槽303 ;平坦化所述第二光波导材料层，在所述第二凹槽内形成第二光波导305。
[0080]本实施例中，所述第二光波导305的厚度小于第二凹槽303 (参考图7)的深度，即第二凹槽303中形成的第二光波导305的表面要低于第二半导体衬底300的第三表面13，后续将第一半导体衬底200的第一表面11 (参考图4)和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起时，防止第一半导体衬底200的第一凹槽203内的第一光波导205 (参考图
4)的表面与第二半导体衬底300的第二凹槽303内第二光波导305的表面接触，防止了第一光波导205和第二光波导305之间的相互干扰,有利于提高器件的性能。
[0081]本发明实施例中，可以通过回刻蚀工艺使得第二光波导305的表面低于第二半导体衬底300的第三表面13,第二光波导305的表面低于第二半导体衬底300的第三表面13的距离为20?100埃。
[0082]在本发明的其他实施例中，第二光波导的表面低于第二半导体衬底的第三表面时，在第二光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第二光波导材料的折射率，所述介质层材料可以为氧化硅等，所述介质层材料可以限定光波在第二光波导中传输，后续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，并能防止第一光波导与第二光波导直接接触。
[0083]在本发明的其他实施例中，在第二凹槽内形成第二光波导后，刻蚀所述第二光波导，在第二凹槽内形成若干平行的子波导，所述子波导从第二凹槽的一侧指向第二凹槽的另一侧。
[0084]在本发明的其他实施例中，在形成第二光波导后，还可以刻蚀第二光波导，将第二光波导从中间断开，形成两个子波导。
[0085]在本发明的其他实施例中，还包括:在第二半导体衬底的第三表面以及第二光波导表面形成一层氧化娃层，所述氧化娃层在后续将第一半导体衬底的第一表面和第二半导体衬底的第二表面键合在一起时，能提高键合面的牢固度，另外所述氧化硅层还可以用于第一光波导和第二光波导之间的隔离。
[0086]参考图9，将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起，使第一凹槽203 (参考图3)与第二凹槽303 (参考图6)相对应。
[0087]通过硅硅直接键合工艺将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起。
[0088]在键合之后，还包括退火工艺，退火的温度为200?700摄氏度，退火时间为30分钟?6小时，通过退火有利于键合面晶粒的生长，使得键合面更加牢固。
[0089]在将第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起后，第一凹槽203与第二凹槽303相对应(第一凹槽203和第二凹槽303上下位置对应)，第一凹槽203内的第一光波导205与第二凹槽303内的第二光波导305对应(第一光波导205和第二光波导305上下位置对应)，第一凹槽203侧壁上的第一反射层204与第二凹槽侧壁上的第二反射层304的夹角为90°，本实施例中，以第一光波导205中的光波向第二光波导305中传输做示例性说明，第一光波导205中与第一半导体衬底200的第一表面11平行的方向传输的光波，在第一凹槽203侧壁的第一反射层204上发生全反射，向第二半导体衬底300方向(向上)I禹合传输，第二半导体衬底300方向(向上)I禹合传输的光波在第二半导体衬底300的第二凹槽303侧壁上的第二反射层304上发生全反射，转变为与第一半导体衬底200的第一表面11平行的光波被第二光波导305接收，实现第一光波导205中的光波向第二光波导305传输，由于传输过程采用全反射耦合的方式，光波的损耗或者损失很小，耦合效率能达到90%以上，极大的提高了耦合效率。
[0090]本发明实施例还提供了一种光耦合器件，请参考图9，包括:
[0091]第一半导体衬底200，所述第一半导体衬底200包括第一表面11和与第一表面11相对的第二表面12 ；
[0092]位于第一半导体衬底200内且贯穿第一半导体衬底200的第一表面11的第一凹槽，所述第一凹槽的侧壁具有第一倾斜角；
[0093]位于第一凹槽的侧壁和底部表面上的第一反射层204 ；
[0094]第二半导体衬底300，所述第二半导体衬底300包括第三表面13和与第三表面13相对 的第四表面14 ；
[0095]位于第二半导体衬底300内且贯穿第二半导体衬底300的第三表面13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；
[0096]位于第二凹槽侧壁和底部表面上的第二反射层304 ；
[0097]第一半导体衬底200的第一表面11和第二半导体衬底300的第三表面13键合在一起，使第一凹槽与第二凹槽对应。
[0098]具体的，所述第一半导体衬底200的第一表面11的晶面指数为(110)，第一凹槽侧壁的晶面指数为(111)，第二半导体衬底的第三表面的晶面指数为(110)，第二凹槽侧壁的晶面指数为(111)，第一凹槽的侧壁的第一倾斜角为54.74度，第二凹槽侧壁的第二倾斜角为35.26度。
[0099]还包括:位于第一凹槽内的第一光波导205，位于第二凹槽内的第二光波导305。
[0100]所述第一光波导205和第二光波导305材料的折射率要大于第一反射层204材料的折射率，所述第一光波导205和第二光波导305的材料为氮化娃(Si3N4)或多晶娃。本实施例中，所述第一波导层205和第二光波导305的材料为氮化娃。
[0101]所述第一光波导205的厚度小于第一凹槽的深度，所述第二光波导305的厚度小于第二凹槽的深度。
[0102]在本发明的其他实施例中，第一光波导的表面低于第一半导体衬底的第一表面时，在第一光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第一光波导材料的折射率。
[0103]在本发明的其他实施例中，所述第一光波导包括位于第一凹槽内的若干平行的子波导，所述子波导从第一凹槽的一侧指向第一凹槽的另一侧。
[0104]在本发明的其他实施例中，所述第一光波导包括从中间断开的两个子波导。
[0105]在本发明的其他实施例中，第二光波导的表面低于第二半导体衬底的第三表面时，在第二光波导的表面形成介质层，所述介质层材料的折射率小于第二光波导材料的折射率。
[0106]在本发明的其他实施例中，所述第二光波导包括位于第二凹槽内的若干平行的子波导，所述子波导从第二凹槽的一侧指向第二凹槽的另一侧。
[0107]在本发明的其他实施例中，所述第二光波导包括从中间断开的两个子波导。
[0108]第一凹槽侧壁的第一反射层204与第二凹槽侧壁上的第二反射层304的夹角为90°，从而实现第一凹槽中的第一光波导205的光波向第二凹槽中的第二光波导305传输时的的全反射耦合，提高耦合的效率。并且，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，使得第一凹槽的侧壁在第一半导体衬底200的第一表面11上投影宽度等于第二凹槽的侧壁在第二半导体衬底300的第三表面13上的投影宽度，当第一凹槽侧壁的第一反射层204向第二半导体衬底300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，并反射，从而防止了光耦合器件在进行光波耦合时光波的损耗，提高了耦合效率。
[0109]所述第一反射层204或第二反射层304的材料可以为金属，所述金属可以为铜、招、金或银。
[0110]所述第一反射层204或第二反射层304的材料还可以为介质材料，所述介质材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。
[0111]本实施例中，所述第一反射层204和第二反射层304的材料相同,第一反射层204和第二反射层304的材料为氧化硅。
[0112]综上，本发明实施例光耦合器件及其形成方法，通过全反射的方式实现光波的耦合，提高了耦合的效率。
[0113]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【主权项】
1.一种光稱合器件的形成方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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)。3.如权利要求2所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。4.如权利要求1或3所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。5.如权利要求1或3所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。6.如权利要求5所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。7.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。8.如权利要求7所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述键合工艺后还包括退火工艺。9.如权利要求1所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。10.如权利要求9所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一光波导的厚度小于第一凹槽的深度。11.如权利要求9所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。12.如权利要求11所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第二光波导的厚度小于第二凹槽的深度。13.如权利要求11所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。14.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，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。15.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一光波导或第二光波导的材料为氮化硅或多晶硅。16.如权利要求13所述的光耦合器件的形成方法，其特征在于，所述第一反射层或第二反射层为单层或多层堆叠结构。17.—种光稱合器件,其特征在于,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。18.如权利要求17所述的光耦合器件，其特征在于，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)，所述第一倾斜角为54.74度，第二倾斜角为35.26度。19.如权利要求17所述的光耦合器件，其特征在于，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。20.如权利要求19所述的光耦合器件，其特征在于，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。
【专利摘要】一种光耦合器件及其形成方法，所述光耦合器件包括：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，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，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，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。本发明的耦合器件提高了耦合效率。
【IPC分类】G02B6/24, H01L31/18, H01L31/12
【公开号】CN104900749
【申请号】CN201410077106
【发明人】陈福成, 洪中山
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司, 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
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