CN108020938A - 一种可兼容cmos工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器,包括：含有集成电路结构的硅基底晶片、键合于硅基底晶片上表面的光学级铌酸锂薄膜及其中的电光调制器光学波导、制作于光学级铌酸锂薄膜上表面的金属薄膜电极、金属薄膜电极与集成电路结构之间的电互连结构。本发明通过常规CMOS工艺实现了硅基集成电路与铌酸锂电光调制器的混合集成，可满足下一代光通信技术发展对光器件与信号处理模块集成化的要求，进一步提升光模块的性能、体积、功耗、可靠性等指标，降低光模块的制造成本。本发明还提供了一种制造的上述的可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的制造方法。

Description

一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器及其 制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传感与光纤通信技术领域，特别是涉及一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器及其制造方法。

背景技术

硅是制造高性能、大规模集成电路的理想材料，然而在集成光学领域，目前尚未出现一种材料，无论是无机材料、有机材料还是半导体材料，能够实现像硅对于集成电子技术一般的巨大作用。当前，基于硅材料的光子学技术正成为学术界和科技企业的研究热点，试图实现激光器、调制器、波导、探测器等集成光学器件在硅基平台的单片集成。对于调制器来说，硅调制器存在着开关消光比较低、插入损耗较大以及调制带宽较低等问题，难以满足当前光纤通信领域对外调制器的需求。因此，人们正在寻找一种复合材料或是一种混合集成的技术手段，能实现硅与异质材料的集成，发挥出硅材料在集成电子技术方面的优势以及这种异质材料在集成光学技术方面的特点。

基于铌酸锂材料的电光调制器有着基于其他材料或原理的调制器所不可比拟的优势。铌酸锂电光调制器有着高带宽范围、高饱和光功率、低频率啁啾、低插入损耗、低驱动电压以及长期稳定性等显著的特点，并以其成熟、低成本的制造技术成为当前光通信网络中广泛应用的调制器产品。

当前的铌酸锂电光调制器是在完成器件封装后，与信号处理电路模块以分立元器件的形式封装于光模块中。下一代光通信技术的发展对光器件与信号处理模块的集成化提出了要求，希望通过光学与电学分立元件的集成，进一步提升光模块的性能、体积、功耗、可靠性等指标，并降低光模块的制造成本，因此需要将铌酸锂材料与硅材料进行混合集成，以实现大规模集成电路与铌酸锂电光调制器的高效集成。

铌酸锂材料和硅的集成，一般可采用在硅晶片表面通过外延生长的方式制备铌酸锂薄膜材料，或通过粘接材料将铌酸锂晶片与硅晶片进行粘接。采用这两种技术手段制备硅基铌酸锂混合集成电光调制器，存在着以下问题：

1)在硅晶片表面通过外延生长的方式制备铌酸锂薄膜材料，由于硅与铌酸锂的晶格失配，难以制备厚度在微米级的铌酸锂薄膜。此外，所制备的铌酸锂薄膜也存在着电光系数低、晶格损耗大等严重问题，难以达到实用化电光调制器的要求。

2)通过粘接材料将铌酸锂晶片与硅晶片进行粘接，所使用的铌酸锂晶片往往是块状体材料晶片，厚度一般在0.2mm至1mm。铌酸锂晶体较难通过干法或湿法刻蚀技术以得到刻蚀深度在10μm以上的通孔结构，而且铌酸锂晶体对化学腐蚀液体的抵抗能力也是各项异性的。因此通过粘接材料将铌酸锂与硅进行集成，很难实现铌酸锂电光调制器结构与硅集成电路的有效互连。

发明内容

本发明的目的是提供一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器及其制造方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器,包括：硅基底晶片1、光学级铌酸锂单晶薄膜2、电光调制器光学波导3、金属薄膜电极4、电互连结构5。所述硅基底晶片1包括有通过CMOS工艺制作的集成电路结构1-1，所述硅基底晶片1的厚度为0.1mm至2mm；所述光学级铌酸锂单晶薄膜2通过键合与减薄工艺制作于硅基底晶片1上，厚度为0.1μm至20μm，晶体切向为X切Y传或Z切Y传；所述电光调制器光学波导3采用退火质子交换工艺或钛扩散工艺制作于光学级铌酸锂单晶薄膜2中，其波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；所述金属薄膜电极4制作于光学级铌酸锂单晶薄膜晶片2上表面，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；电互连结构5制作于金属薄膜电极4与集成电路结构1-1之间，用于实现信号处理电路中的电学结构与电光调制器中的电极结构之间的电互连。

本发明还提供了一种制造的上述的可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的制造方法，包括如下步骤：

1)在硅基底晶片(1)上采用CMOS工艺制备集成电路结构(1-1)；

2)采用键合工艺将光学级铌酸锂体材料晶片与硅基底晶片(1)进行键合；

3)将光学级铌酸锂体材料晶片减薄到0.1μm至20μm，得到光学级铌酸锂单晶薄膜(2)；

4)采用钛扩散工艺或退火质子交换工艺在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)中制作电光调制器光学波导(3)，波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

5)在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)上表面制作电光调制器的金属薄膜电极(4)，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；

6)对光学级铌酸锂单晶薄膜(2)进行刻蚀加工，并制作钝化层与电互连结构(5)，将光学级铌酸锂单晶薄膜(2)的金属薄膜电极(4)与硅基底晶片上的集成电路结构(1-1)通过电互连结构(5)进行连接；

7)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面研磨抛光；

8)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面光纤耦合封装；

9)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的器件封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，通过常规CMOS工艺实现了硅基集成电路与铌酸锂电光调制器的混合集成，可满足下一代光通信技术发展对光器件与信号处理模块集成化的要求，进一步提升光模块的性能、体积、功耗、可靠性等指标，降低光模块的制造成本。

附图说明

图1所示为现有铌酸锂电光调制器的结构示意图；

图2所示为现有铌酸锂电光调制器的横截面示意图；

图3所示为本发明提供的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的结构示意图；

图4所示为本发明提供的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的横截面示意图；

图5所示为本发明提供的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的电互连区域的横截面示意图；

图中，1.硅基底晶片,2.光学级铌酸锂单晶薄膜，3.电光调制器光学波导，4.金属薄膜电极，5.电互连结构，7.二氧化硅缓冲层，8.钝化层，1-1.硅基底晶片中的集成电路结构，A.电互连区域。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图3-图5所示，本实施例提供了一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器,包括：硅基底晶片1、光学级铌酸锂单晶薄膜2、电光调制器光学波导3、金属薄膜电极4、电互连结构5。所述硅基底晶片1包括有通过CMOS工艺制作的集成电路结构1-1，所述硅基底晶片1的厚度为0.1mm至2mm；所述光学级铌酸锂单晶薄膜2通过键合与减薄工艺制作于硅基底晶片1上，厚度为0.1μm至20μm，晶体切向为X切Y传或Z切Y传；所述电光调制器光学波导3采用退火质子交换工艺或钛扩散工艺制作于光学级铌酸锂单晶薄膜2中，其波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；所述金属薄膜电极4制作于光学级铌酸锂单晶薄膜2上表面，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；电互连结构5制作于金属薄膜电极4与集成电路结构1-1之间，用于实现信号处理电路中的电学结构与电光调制器中的电极结构之间的电互连。

另外，本发明实施例还提供了一种制造的上述的可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的制造方法，包括如下步骤：

1)在硅基底晶片(1)上采用CMOS工艺制备集成电路结构(1-1)；

2)采用键合工艺将光学级铌酸锂体材料晶片与硅基底晶片(1)进行键合；

3)将光学级铌酸锂体材料晶片减薄到0.1μm至20μm，得到光学级铌酸锂单晶薄膜(2)；

4)采用钛扩散工艺或退火质子交换工艺在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)中制作电光调制器光学波导(3)，波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

5)在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)上表面制作电光调制器的金属薄膜电极(4)，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；

6)对光学级铌酸锂单晶薄膜(2)进行刻蚀加工，并制作钝化层与电互连结构(5)，将光学级铌酸锂单晶薄膜(2)的金属薄膜电极(4)与硅基底晶片上的集成电路结构(1-1)通过电互连结构(5)进行连接；

7)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面研磨抛光；

8)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面光纤耦合封装；

9)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的器件封装。

本发明提出一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器及其制造方法，通过键合与减薄工艺实现硅晶片与铌酸锂单晶薄膜的集成，并通过常规CMOS工艺实现硅基集成电路的制备、铌酸锂薄膜电光调制器的制备、集成电路结构与电光调制器电极结构的互连，满足下一代光通信技术发展对光器件与信号处理模块集成化的要求，进一步提升光模块的性能、体积、功耗、可靠性等指标，降低光模块的制造成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器,其特征在于，包括：硅基底晶片(1)、光学级铌酸锂单晶薄膜(2)、电光调制器光学波导(3)、金属薄膜电极(4)、电互连结构(5)，所述硅基底晶片(1)包括有通过CMOS工艺制作的集成电路结构(1-1)，所述硅基底晶片(1)的厚度为0.1mm至2mm；所述光学级铌酸锂单晶薄膜(2)通过键合与减薄工艺制作于硅基底晶片(1)上，厚度为0.1μm至20μm，晶体切向为X切Y传或Z切Y传；所述电光调制器光学波导(3)采用退火质子交换工艺或钛扩散工艺制作于光学级铌酸锂单晶薄膜(2)中，其波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；所述金属薄膜电极(4)制作于光学级铌酸锂单晶薄膜(2)上表面，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；电互连结构(5)制作于金属薄膜电极(4)与集成电路结构(1-1)之间，用于实现信号处理电路中的电学结构与电光调制器中的电极结构之间的电互连。

2.一种制造权利要求1中所述的可兼容CMOS工艺的硅基铌酸锂混合集成电光调制器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在硅基底晶片(1)上采用CMOS工艺制备集成电路结构(1-1)；

2)采用键合工艺将光学级铌酸锂体材料晶片与硅基底晶片(1)进行键合；

3)将光学级铌酸锂体材料晶片减薄到0.1μm至20μm，得到光学级铌酸锂单晶薄膜(2)；

4)采用钛扩散工艺或退火质子交换工艺在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)中制作电光调制器光学波导(3)，波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

5)在光学级铌酸锂单晶薄膜(2)上表面制作电光调制器的金属薄膜电极(4)，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；

6)对光学级铌酸锂单晶薄膜(2)进行刻蚀加工，并制作钝化层与电互连结构(5)，将光学级铌酸锂单晶薄膜(2)的金属薄膜电极(4)与硅基底晶片上的集成电路结构(1-1)通过电互连结构(5)进行连接；

7)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面研磨抛光；

8)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的芯片端面光纤耦合封装；

9)完成硅基铌酸锂混合集成电光调制器的器件封装。