CN111965855B - 电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层、二氧化硅层、硅波导层、保护层、包覆隔离层和功能薄膜层；保护层的形状与硅波导层的顶部形状相同，用于保护硅波导层；包覆隔离层的材料与所述保护层的材料不相同，且其折射率低于功能薄膜层的折射率，包覆隔离层做平坦化处理。采用本申请提供的方案，通过设置保护层来保护波导层在研磨抛光过程中不受损伤，表面平整性好，不会影响光信号的传播；包覆隔离层厚度可控，厚度偏差小，表面平整，均匀性好，在制备成电光调制器后，确保光信号能在功能薄膜层和硅波导层之间得到很好的耦合，使得制备的器件带宽宽、损耗低，器件一致性好。

Description

电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器。
背景技术
目前，硅材料的加工工艺非常成熟，也是产业化应用较多的半导体材料，因此，硅材料已经广泛应用于电子元器件中。由于硅材料本身是中心对称的晶体结构，导致硅没有线性电光效应，因此，硅材料无法直接用于制备高性能电光调制器。为此，传统的硅基电光调制器通常需要依靠等离子体色散效应来解决上述问题，具体方法是利用离子注入形成PN结，通过改变PN结的载流子浓度来改变硅基电光调制器中硅波导的折射率，进而实现对光波振幅的调制。不过上述方法在改变硅波导的折射率的同时，也会改变硅波导的损耗，是在牺牲消光比的基础上实现高带宽，这使得硅基电光调制器的应用受到限制。
而铌酸锂等晶体具有优良的非线性光学特性、电光特性、声光特性，在光信号处理、信息存储等方面具有广泛的应用。因此，目前有研究人员提出将硅材料与铌酸锂晶体结合制成电光晶体薄膜应用于电光调制器，这样可以利用硅波导导光和铌酸锂电光调制特性的特点，即光场的一部分以硅波导作为行进的光路，另一部分在铌酸锂薄膜层中得到调制，也就是借助铌酸锂晶体的优势，有效的弥补硅材料的短板，提升电光调制器的性能。
目前，硅材料与铌酸锂晶体结合的方式是利用粘黏剂进行粘结，但是，电光调制器中的硅波导层在制备过程中需要对其抛光研磨使其平坦化，以控制其表面平整性，而抛光研磨操作可能会使硅波导局部受损，导致硅波导的表面平整度变差，影响光信号的传播，进而影响电光调制器的性能。
发明内容
本申请提供了电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器，以解决抛光研磨操作会使硅波导局部受损，导致硅波导的表面平整度变差，影响光信号的传播，进而影响电光调制器性能的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种电光晶体薄膜，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层、二氧化硅层、硅波导层、保护层、包覆隔离层和功能薄膜层；其中，所述保护层和硅波导层嵌入到包覆隔离层中；
所述包覆隔离层的折射率低于功能薄膜层的折射率；
所述保护层的形状与所述硅波导层的顶部形状相同，所述保护层用于保护所述硅波导层；
所述包覆隔离层的材料与所述保护层的材料不相同，所述包覆隔离层做平坦化处理。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述保护层为氮化硅、氧化铝或碳化硅；所述保护层的厚度20nm-2000nm；
结合第一方面，在一种实现方式中，所述包覆隔离层为二氧化硅或氮化硅，所述包覆隔离层的平坦度小于0.8nm，粗糙度小于0.5nm；
所述包覆隔离层由第一包覆隔离层和第二包覆隔离层组成，所述第一包覆隔离层的厚度20nm-2000nm，所述第二包覆隔离层的厚度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和；
所述第一包覆隔离层和第二包覆隔离层一体成型。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述硅波导层的形状为脊型条状结构，所述硅波导层中硅波导的厚度为50nm-50μm，所述硅波导的宽度50nm-50μm。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述功能薄膜层为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、磷酸钛氧铷晶体或磷酸钛氧钾晶体，所述功能薄膜层的厚度为50-3000nm或400nm-100μm。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述硅波导层和二氧化硅层之间设置有硅层，所述硅波导层和硅层的厚度之和为50nm-50μm，所述二氧化硅层的厚度为50nm-5μm。
第二方面，本申请实施例部分提供了一种电光调制器，包括如第一方面任一项所述的电光晶体薄膜。
第三方面，本申请实施例部分提供了一种电光晶体薄膜的制备方法，所述制备方法用于制备第一方面任一项所述的电光晶体薄膜，所述制备方法包括以下步骤：
准备绝缘体上硅结构，在所述绝缘体上硅结构的顶层硅上制备保护层前体；其中，所述绝缘体上硅结构从下至上依次为硅衬底层、二氧化硅层和顶层硅；
用刻蚀法对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和硅波导层，其中刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和；
在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，并对其进行平坦化，制备包覆隔离层；
在所述包覆隔离层上制备功能薄膜层，得到电光晶体薄膜。
结合第三方面，在一种实现方式中，在所述绝缘体上硅结构的顶层硅上制备目标厚度的保护层前体的方法为LPCVD、PECVD或热氧化法。
结合第三方面，在一种实现方式中，对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，包括，采用干法刻蚀法对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，将顶层硅刻蚀成脊型条状结构，形成硅波导层，同时将保护层前体刻蚀成与所述硅波导层的顶部形状相同，形成保护层；其中，顶层硅完全被刻蚀或部分被刻蚀。
结合第三方面，在一种实现方式中，在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，并对其进行平坦化，包括：在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，所述包覆隔离层将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，对所述包覆隔离层进行抛光至保护层，当抛光去除速率几乎为零时，即停止抛光，本步骤重复至少三次；
其中，最后一次抛光在保护层上方保留目标厚度的包覆隔离层，所述包覆隔离层的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
结合第三方面，在一种实现方式中，所述包覆隔离层的生长方式为PECVD、溅射、蒸发或者电镀。
结合第三方面，在一种实现方式中，利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法，在所述包覆隔离层上制备功能薄膜层。其中，采用离子注入法和键合分离法制备的功能薄膜层的厚度为50nm-3000nm；采用键合法和研磨抛光法制备的功能薄膜层的厚度为400nm-100μm。
本申请提供一种电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层、二氧化硅层、硅波导层、保护层、包覆隔离层和功能薄膜层；所述包覆隔离层的折射率低于功能薄膜层的折射率，所述保护层的形状与所述硅波导层的顶部形状相同，所述保护层用于保护所述硅波导层，所述包覆隔离层的材料与所述保护层的材料不相同，所述包覆隔离层做平坦化处理。本申请提供的方案，通过在结构中设置保护层和包覆隔离层，并且保护层的图形与硅波导的图形形状一致，保护层能够保护波导层在研磨抛光过程中不受损伤，表面平整性好，不会影响光信号的传播。
进一步地，包覆隔离层做平坦化处理，包覆隔离层厚度可控，厚度偏差小，表面平整，均匀性好，在制备成电光调制器后，确保光信号能在功能薄膜层和硅波导层之间得到很好的耦合，使得制备的器件带宽宽、损耗低，器件一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种电光晶体薄膜的结构示意图；
图2是本申请一个实施例中硅波导平坦化的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种电光晶体薄膜的制备方法的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种电光晶体薄膜的制备方法的流程示意图。
其中，100-顶层硅；110-硅衬底层；120-二氧化硅层；130-硅波导层；140-保护层；150-包覆隔离层，1501-第一包覆隔离层，1502-第二包覆隔离层；160-功能薄膜层；170-保护层前体。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如本申请背景技术所述，现有技术中，硅材料与铌酸锂晶体结合的方式通常是利用粘黏剂进行粘结，而目前较常使用的粘黏剂为苯并环丁烯树脂，但是，苯并环丁烯树脂作为粘结剂粘结铌酸锂与硅材料固化过程中容易产生气泡，尤其是制备大尺寸(4inch及以上尺寸)铌酸锂与硅材料键合时这种问题会更为明显，另外，苯并环丁烯树脂的使用温度通常低于400℃，高于这个温度可能会失效，而离子注入对铌酸锂等的损伤恢复通常需要400℃以上的温度，因此，同样限制苯并环丁烯树脂粘结法制备几百纳米厚度铌酸锂单晶薄膜。进一步地，苯并环丁烯树脂属于高聚物，无法使用常规的化学机械抛光工艺使其平坦化，导致硅材料与铌酸锂晶体无法紧密贴合，影响电光调制器的性能。
更重要的是，电光调制器中的硅波导层在制备过程中需要对其抛光研磨使其平坦化，以控制其表面平整性，而抛光研磨操作会使硅波导局部受损，厚度均匀性不好，表面平整度较差，影响光信号的传播性能，这些同时会导致光在铌酸锂和波导层中的耦合不可控，从而导致器件的一致性较差，非常不适合于工业生产。
因此，为了解决上述问题，本申请实施例提供一种电光晶体薄膜的结构图，如图1所示，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层110、二氧化硅层120、硅波导层130、保护层140、包覆隔离层150和功能薄膜层160。
所述保护层和硅波导层嵌入到包覆隔离层中，也就是说，包覆隔离层将所述保护层与硅波导层包覆。
所述功能薄膜层160可以为铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧铷或磷酸钛氧钾等电光晶体，所述功能薄膜层的厚度为50-3000nm或400nm-100μm。
其中，所述硅衬底层110和二氧化硅层120可由绝缘体上硅(SOI)结构获得。
所述保护层140的形状与所述硅波导层130的顶部形状相同，所述保护层140用于保护所述硅波导层130。
其中，所述保护层140选择硬度较大的材料，使其能够保护硅波导层130在研磨抛光过程(即平坦化)中不受损伤，表面平整性好。
所述包覆隔离层150的折射率低于功能薄膜层160的折射率；所述包覆隔离层150的材料与所述保护层140的材料不相同，所述包覆隔离层150做平坦化处理。
其中，保持所述包覆隔离层150的材料与所述保护层140的材料不相同，是为了在对包覆隔离层150做平坦化处理时，保护层140不会被研磨抛光，且，所述包覆隔离层150的厚度可控，平坦化处理之后，能够使其表面更平整，厚度均匀性好，进而使得制备成电光调制器后光信号能在功能薄膜层160和硅波导层130之间得到很好的耦合，提升电光晶体薄膜的电光性能，一致性好，使最终制备的电光调制器带宽宽、损耗低，器件一致性好。
此外，所述包覆隔离层150的材料是选择折射率低于功能薄膜层160的材料的折射率，功能薄膜层160与包覆隔离层150之间存在的折射率差，可以更好地减小光信号的损耗。
本申请提供一种电光晶体薄膜，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层110、二氧化硅层120、硅波导层130、保护层140、包覆隔离层150和功能薄膜层160；所述包覆隔离层150的折射率低于功能薄膜层160的折射率；所述保护层140的形状与所述硅波导层130的顶部形状相同，所述保护层140用于保护所述硅波导层130；所述包覆隔离层150的材料与所述保护层140的材料不相同，所述包覆隔离层150做平坦化处理。采用本申请实施例提供的方案，通过在结构中设置保护层140和包覆隔离层150，并且保护层140的图形与硅波导的图形形状一致，保护层140能够保护波导层在研磨抛光过程中不受损伤，表面平整性好，包覆隔离层150做平坦化处理，包覆隔离层150厚度可控，厚度偏差小，表面平整，均匀性好，在制备成电光调制器光信号能在功能薄膜层160和硅波导层130之间得到很好的耦合，使得制备的器件带宽宽、损耗低，器件一致性好。
在一具体实施例中，所述保护层140为氮化硅、氧化铝或碳化硅；所述保护层140的厚度为：20nm-2000nm。
其中，氮化硅、氧化铝或碳化硅的硬度大于硅或者二氧化硅，能够保护硅波导在研磨抛光等过程中不受损伤。
在一具体实施例中，所述包覆隔离层150为二氧化硅或氮化硅，所述包覆隔离层150的平坦度小于0.8nm，粗糙度小于0.5nm。
所述包覆隔离层150由第一包覆隔离层1501和第二包覆隔离层1502组成，所述第一包覆隔离层1501和第二包覆隔离层1502一体成型；所述第一包覆隔离层1501的厚度20nm-2000nm，所述第二包覆隔离层1502的厚度等于保护层厚度和硅波导层130厚度之和。
其中，在选择材料时，所述包覆隔离层150材料与保护层140材料不相同，例如，如果保护层140为氮化硅，则包覆隔离层150选择二氧化硅，如果保护层140为氧化铝，则包覆隔离层150可以选择二氧化硅或者氮化硅。
本实施例中，所述包覆隔离层150可以包括两部分，第一包覆隔离层1501和第二包覆隔离层1502，其中，第二包覆隔离层1502的厚度是硅波导层130的厚度与保护层140的厚度之和，第一包覆隔离层1501介于保护层140与功能薄膜层160之间，其作用是与功能薄膜层160键合。
所述包覆隔离层150做平坦化处理后，使其表面粗糙度小于0.5mm，平坦度小于0.8nm，可有利于其与功能薄膜层160键合，使光信号能在功能薄膜层160和硅波导层130之间得到很好的耦合。
本申请实施例中，利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法将功能薄膜层160与包覆隔离层150键合起来。键合指的是将两个待键合材料贴合在一起，在没有中间层和外力场的作用下完成的键合过程。二氧化硅中的Si-O结构，或者，氮化硅中的Si-N结构，均为亲水性结构，容易与-OH结合，在两个待键合材料的接触面形成基于物理力的弱键，从而将包覆隔离层150与功能薄膜层160键合在一起。
在一具体实施例中，所述硅波导层130的形状为脊型条状结构，所述硅波导层130的厚度为50nm-50μm，所述硅波导层中硅波导的宽度50nm-50μm。
本实施例中，所述硅波导层可包含多个均匀分布脊型硅波导，各脊型条状的硅波导之间存在波导槽(凹槽结构)，脊型硅波导处的包覆隔离层150会比波导槽处的高，当抛光至波导保护层140时，波导槽处的包覆隔离层150会被过度抛光，如图2所示，如果采用单次抛光工艺无法起到硅波导平坦化的效果，本申请采用多次抛光，每次抛光至保护层140后再重复沉积再抛光的工艺，以此达到硅波导平坦化的目的，最终，波导槽处沉积的材料即为第二包覆隔离层1502，与最终形成的所述第一包覆隔离层1501是一体成型的，提高了功能薄膜层160和硅波导层130之间的耦合效果。
在一具体实施例中，所述电光晶体薄膜可制成的厚度为50nm-3000nm。
可选地，所述硅波导层130和二氧化硅层120设置有硅层，所述硅波导层130和硅层的厚度之和为50nm-50μm，所述二氧化硅层的厚度为50nm-5μm。
本实施例中，在硅波导层130与二氧化硅层120之间还有可能存在一层硅层，其与硅波导的厚度之和为50nm-50μm；由于SOI晶圆结构自上而下为50nm-50μm Si/50nm-5μmSiO2/Si，如果顶层硅的刻蚀深度等于该顶层硅的厚度，即完全刻蚀的情况下，经过刻蚀处理的SOI晶圆形成硅衬底层110、二氧化硅层120以及硅波导层130三层结构。由于完全刻蚀对工艺要求较高，容易出现过度刻蚀的情况，一旦刻蚀到二氧化硅层，将影响硅波导层130的平坦化效果，因此，在另一种实施例中，采用不完全刻蚀的工艺，即刻蚀深度小于顶层硅的厚度，使得硅波导层130与二氧化硅层120之间形成硅层。这种不完全刻蚀的方式使得硅波导层130的刻蚀深度能够在一定的范围内调控，刻蚀深度不同，即硅波导层的厚度不同，则对于光的传输性能得以调控。另外，顶层硅被刻蚀成硅波导层后，强度会变低，硅层可以改善被刻蚀后的强度。
基于本申请前述实施例所提供的电光晶体薄膜，本申请实施例还提供了一种电光调制器，所述电光调制器包括上述实施例中任一项所述的电光晶体薄膜。
将本申请实施例提供的电光晶体薄膜应用于电光调制器中，该电光调制器具备硅和铌酸锂等电光晶体这两种材料的优点，以高折射率的硅波导层作为加载条，同时实现在铌酸锂层的光调制效果，可广泛应用。
本申请实施例，还提供一种制备上述电光晶体薄膜的方法，如图3所示，图3示出了电光晶体薄膜的制备过程的结构示意图。
具体的，如图4所示，所述制备方法包括以下步骤：
S11，准备绝缘体上硅结构，在所述绝缘体上硅结构的顶层硅上制备保护层前体170；其中，所述绝缘体上硅结构从下至上依次为硅衬底层110、二氧化硅层120和顶层硅100。
本步骤中，绝缘体上硅结构又称为SOI晶圆，所述SOI晶圆结构自上而下为：50nm-50μmSi/，50nm-5μmSiO2/Si，在顶层硅100使用LPCVD沉积一层保护层前体170，其厚度可以为：20nm-2000nm，当然保护层前体170的制备还可以选择PECVD或热氧化法，本步骤不做具体限定。
S12，用刻蚀法对所述保护层前体170和顶层硅100进行刻蚀，形成保护层140和硅波导层130，其中刻蚀后在保护层140和硅波导层130中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层140厚度和硅波导层130厚度之和。
可选地，本步骤是在所述保护层前体170的一面用干法刻蚀法对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成脊型条状结构的硅波导层130，同时所述保护层前体170被刻蚀成形状与所述硅波导层130顶部形状相同的结构，形成保护层140；其中，顶层硅100完全被刻蚀或部分被刻蚀。
其中，所述硅波导层130中硅波导的尺寸为宽度：50nm-50μm，厚度：50nm-50μm。
S13，在所述凹槽结构内填充包覆隔离层150，并对其进行平坦化，制备包覆隔离层150。
可选地，本步骤是先在硅波导面形成的凹槽结构内沉积包覆隔离层150，所述包覆隔离层150将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，对所述包覆隔离层150进行抛光至保护层140，当抛光去除速率几乎为零时，即停止抛光，本步骤重复至少三次；其中，最后一次抛光在保护层上方保留目标厚度的包覆隔离层，直至所述包覆隔离层150的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
其中，所述包覆隔离层150的沉积方法是PECVD、溅射、蒸发、电镀等；其抛光方法可采用CMP。
S14，在所述包覆隔离层150上制备的功能薄膜层160，得到电光晶体薄膜。
本步骤中，所述功能薄膜层160的制备方法可以选择利用离子注入法和键合分离法，也可以选择利用键合法和研磨抛光法，本申请不做具体限定。
当选择利用离子注入法和键合分离法时，其方案包括：对所述功能薄膜进行离子注入，所述离子注入的注入能量为50-1000KeV，剂量为1E16-1E17ions/cm2，形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的功能薄膜晶圆；采用等离子体键合的方式制备形成键合体；在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行；其中，保温温度为100～600℃，保温时间1min～48h，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂单晶薄膜；将铌酸锂单晶薄膜抛光至50-3000nm，得到具有纳米级厚度的电光晶体薄膜。
当选择利用键合法和研磨抛光法时，其方案包括：采用等离子体键合的方式制备形成键合体；在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行；其中，保温温度为100～600℃，保温时间1min～48h；采用机械研磨的方式减薄至1-102μm，然后抛光至400nm-100μm，得到具有微米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。
所述键合体保温的目的是提升键合体的键合力，使其大于10MPa。
由上述公开的制备方法可以看出，本申请实施例公开的电光晶体薄膜的制备方法，过程简单，易操作，适合大范围推广应用。
本申请实施例中，结构部分的实施例与制备方法部分的实施例可以相互参见，此处不再赘述。
为了使本申请的方案更清楚，本申请实施例进一步公开了具体示例。
实施例1(离子注入+键合分离方法)
1)准备尺寸为4英寸，厚度为0.5mm并且具有光滑面的SOI晶圆，SOI晶圆结构自上而下为220nmSi/2μmSiO2/Si，对所述SOI晶圆的顶层硅(Si)清洗，然后使用LPCVD沉积一层氮化硅(SiNx)作为保护层前体，其中SiNx的厚度为50nm。
2)对步骤1)中所述晶圆含保护层前体的一面使用干法刻蚀法对保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和硅波导。顶层硅被完全刻透，刻蚀成脊型条状硅波导，脊型条状硅波导的尺寸为宽度1μm*厚度220nm，同时氮化硅也被刻蚀成宽度与硅波导宽度一致的保护层，刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和。
3)将刻蚀后的脊型条状硅波导面清洗，并采用PECVD(或者采用溅射、蒸发、电镀等)在凹槽结构内沉积一层二氧化硅(SiO2)作为包覆隔离层，二氧化硅将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，然后对覆盖硅保护层的二氧化硅采用CMP抛光至氮化硅保护层。由于氮化硅硬度比二氧化硅大，当抛光至氮化硅保护层时，抛光的去除速率几乎为零，即停止抛光。重复PECVD沉积二氧化硅，然后再抛光至氮化硅保护层的工艺共3次，最后一次抛光在保护层上方保留厚度为1000nm的包覆隔离层，最终改善包覆隔离层二氧化硅的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
4)准备尺寸为4英寸的铌酸锂晶圆，采用离子注入的方法，将氦离子(He+)注入铌酸锂晶片中，氦离子的注入能量为200KeV，剂量为4E16ions/cm2，形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的铌酸锂晶圆。
5)对步骤3)制备的二氧化硅面(包覆隔离层)和步骤4)中形成的薄膜层面进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的铌酸锂晶圆的薄膜层与二氧化硅面(包覆隔离层)进行键合，形成键合体。
6)然后将键合体放入加热设备内在高温下进行保温，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂单晶薄膜。保温工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度为400℃，保温时间3h。此环节可以提升键合力大于10MPa，并且能够恢复离子注入对薄膜层的损伤，使得所获得的铌酸锂薄膜层接近铌酸锂晶圆的性质。
7)之后对铌酸锂单晶薄膜进行抛光减薄至400nm，得到具有纳米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。
可见，实施例1是采用离子注入+键合分离的方法，其中，保护层为SiNx，包覆隔离层为SiO2，功能薄膜层为铌酸锂，功能薄膜层是离子注入后，再与包覆隔离层键合分离制得。
实施例2(直接键合+研磨抛光的方法)
1)准备尺寸为4英寸，厚度为0.5mm并且具有光滑面的SOI晶圆，SOI晶圆结构自上而下为220nmSi/2μmSiO2/Si，对所述SOI晶圆的顶层Si清洗，然后使用LPCVD沉积一层碳化硅作为保护层前体，其中碳化硅的厚度为50nm。
2)对步骤1)中所述晶圆含保护层前体的一面使用干法刻蚀法对保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和硅波导。顶层硅未被完全刻透，刻蚀成脊型条状硅波导，脊型条状硅波导的尺寸为宽度1μm*厚度50nm，同时碳化硅也被刻蚀成宽度与硅波导宽度一致的保护层，刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和。
3)将刻蚀后的脊型条状硅波导面清洗，并采用PECVD(或者采用溅射、蒸发、电镀等)在凹槽结构内沉积一层二氧化硅(SiO2)作为包覆隔离层，将凹槽结构填充，并保护层覆盖，然后对覆盖保护层的二氧化硅采用CMP抛光至碳化硅保护层。由于碳化硅的硬度比二氧化硅大，当抛光至碳化硅保护层时，抛光去除速率几乎为零，即停止抛光。重复PECVD沉积二氧化硅，然后再抛光至碳化硅保护层的工艺共3次，最后一次抛光在保护层上方保留厚度为100nm的包覆隔离层，最终改善包覆隔离层二氧化硅的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
4)准备尺寸为4英寸的铌酸锂晶圆，对工艺面进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的铌酸锂晶圆的工艺面与步骤3)制备的二氧化硅面(包覆隔离层)进行键合，形成键合体。
5)然后将键合体放入加热设备内在高温下进行保温，保温工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度为400℃，保温时间3h。此环节可以提升键合力大于10MPa。
6)之后对铌酸锂单晶薄膜采用机械研磨的方式减薄至22μm，然后抛光至20μm，得到具有微米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。
可见，实施例2是采用直接键合+研磨抛光的方法，其中，保护层为碳化硅，包覆隔离层为二氧化硅，功能薄膜层为铌酸锂，功能薄膜层直接与包覆隔离层键合，然后研磨抛光制得。
实施例3(离子注入+键合分离方法)
1)准备尺寸为4英寸，厚度为0.5mm并且具有光滑面的SOI晶圆，SOI晶圆结构自上而下为220nmSi/2μmSiO2/Si，对所述SOI晶圆的顶层Si清洗，然后使用LPCVD沉积一层氧化铝(Al2O3)作为保护层前体，其中氧化铝的厚度为100nm。
2)对1)所述晶圆含保护层前体的一面使用干法刻蚀法对保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和顶层硅，顶层硅被完全刻透，刻蚀成脊型条状硅波导，脊型条状硅波导的尺寸为宽度1μm*厚度220nm，同时氧化铝也被刻蚀成宽度与硅波导宽度一致的保护层，刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和。
3)将刻蚀后的脊型条状硅波导面清洗，并采用PECVD(或者采用溅射、蒸发、电镀等)在凹槽结构内沉积一层二氧化硅(SiO2)作为包覆隔离层，二氧化硅将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，然后对覆盖保护层的二氧化硅采用CMP抛光至氧化铝保护层。由于氧化铝硬度比二氧化硅大，当抛光至氧化铝保护层时，抛光去除速率几乎为零，即停止抛光。重复PECVD沉积氮化硅，然后再抛光至氧化铝保护层的工艺共3次，最后一次抛光在保护层上方保留厚度为500nm的包覆隔离层，最终改善包覆隔离层二氧化硅的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
4)准备尺寸为4英寸的铌酸锂晶圆，采用离子注入的方法，将氦离子(He+)注入铌酸锂晶片中，氦离子的注入能量为200KeV，剂量为4E16ions/cm2，形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的铌酸锂晶圆。
5)对步骤3)制备的二氧化硅面(包覆隔离层)和步骤4)中形成的薄膜层面进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的铌酸锂晶圆的薄膜层与二氧化硅面(包覆隔离层)进行键合，形成键合体。
6)然后将键合体放入加热设备内在高温下进行保温，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂单晶薄膜。保温工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度为400℃，保温时间3h。此环节可以提升键合力大于10MPa，并且能够恢复离子注入对薄膜层的损伤，使得所获得的铌酸锂薄膜层接近铌酸锂晶圆的性质。
7)之后对铌酸锂单晶薄膜进行抛光减薄至100nm，得到具有纳米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。
可见，实施例3是采用离子注入+键合分离的方法，其中，保护层为Al2O3，包覆隔离层为SiO2，功能薄膜层为铌酸锂，功能薄膜层是离子注入后与包覆隔离层键合，然后研磨抛光。
实施例4(直接键合+研磨抛光的方法)
1)准备尺寸为4英寸，厚度为0.5mm并且具有光滑面的SOI晶圆，SOI晶圆结构自上而下为220nmSi/2μmSiO2/Si，对所述SOI晶圆的顶层Si清洗，然后使用LPCVD沉积一层氧化铝(Al2O3)作为保护层前体，其中氧化铝的厚度为200nm。
2)对步骤1)中所述晶圆含保护层前体的一面使用干法刻蚀法刻蚀对保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和硅波导。顶层硅未被完全刻透，刻蚀成脊型条状硅波导，脊型条状硅波导的尺寸为宽度1μm*厚度220nm，同时氧化铝也被刻蚀成宽度与硅波导宽度一致的保护层，刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和。
3)将刻蚀后的脊型条状硅波导面清洗，并采用PECVD(或者采用溅射、蒸发、电镀等)在凹槽结构内沉积一层氮化硅(SiNx)作为包覆隔离层，将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，然后对覆盖保护层的的氮化硅采用CMP抛光至氧化铝保护层。由于氧化铝硬度比氮化硅大，当抛光至氧化铝保护层时，抛光的去除速率几乎为零，即停止抛光。重复PECVD沉积氮化硅，然后再抛光至氧化铝保护层的工艺共3次，最后一次抛光在保护层上方厚度为200nm的包覆隔离层，最终改善包覆隔离层氮化硅的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
4)准备尺寸为4英寸的铌酸锂晶圆，对工艺面进行清洗，采用等离子体键合的方法将清洗后的铌酸锂晶圆的工艺面与步骤3)制备的氮化硅层(包覆隔离层)进行键合，形成键合体。
5)然后将键合体放入加热设备内在高温下进行保温，保温工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度为400℃，保温时间3h。此环节可以提升键合力大于10MPa。
6)之后对铌酸锂单晶薄膜采用机械研磨的方式减薄至22μm，然后抛光至20μm，得到具有微米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。
可见，实施例4是采用直接键合+研磨抛光的方法，其中，保护层为Al2O3，包覆隔离层为SiNx，功能薄膜层为铌酸锂，功能薄膜层直接与包覆隔离层键合，然后研磨抛光制得。
另外，在上述实施例的基础上，还可以衍生其他的实施例，例如：在各实施例的基础上，将实施例中的功能薄膜层替换为钽酸锂或者KTP或者RTP，其他工艺参数均可以不用改变或者根据需要改变；也就是说，本领域技术人员可以根据上述实施例自行组合替换材料以及工艺参数，本申请不做具体限定。
上述实施例1和3是采用离子注入+键合分离方法制备，可得到具有纳米级厚度的铌酸锂单晶薄膜；实施例2和4是采用直接键合+研磨抛光的方法制备，得到具有微米级厚度的铌酸锂单晶薄膜，该单晶薄膜同时具备了硅波导的易加工、铌酸锂晶体优异的电光特性的优点，因此，本申请实施例公开的电光晶体薄膜及制备方法可广泛应用。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电光晶体薄膜，其特征在于，所述电光晶体薄膜从下到上依次包括：硅衬底层、二氧化硅层、硅波导层、保护层、包覆隔离层和功能薄膜层；其中，所述保护层和硅波导层嵌入到包覆隔离层中；
所述包覆隔离层的折射率低于功能薄膜层的折射率；
所述保护层的形状与所述硅波导层的顶部形状相同，所述保护层用于保护所述硅波导层；
所述包覆隔离层的材料与所述保护层的材料不相同，所述包覆隔离层做平坦化处理；
所述保护层为氮化硅、氧化铝或碳化硅；所述保护层的厚度为：20nm-2000nm；
所述包覆隔离层由第一包覆隔离层和第二包覆隔离层组成，所述第一包覆隔离层的厚度20nm-2000nm，所述第二包覆隔离层的厚度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和；
所述第一包覆隔离层和第二包覆隔离层一体成型。
2.根据权利要求1所述的电光晶体薄膜，其特征在于，所述保护层为氮化硅时，所述包覆隔离层为二氧化硅；所述保护层为氧化铝或碳化硅时，所述包覆隔离层为二氧化硅或氮化硅；所述包覆隔离层的平坦度小于0.8nm，粗糙度小于0.5nm。
3.根据权利要求1所述的电光晶体薄膜，其特征在于，所述硅波导层的形状为脊型条状结构，所述硅波导层中硅波导的厚度为50nm-50μm，所述硅波导的宽度50nm-50μm。
4.根据权利要求1所述的电光晶体薄膜，其特征在于，所述功能薄膜层为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、磷酸钛氧铷晶体或磷酸钛氧钾晶体，所述功能薄膜层的厚度为50-3000nm或400nm-100μm。
5.根据权利要求1所述的电光晶体薄膜，其特征在于，所述硅波导层和二氧化硅层之间设置有硅层，所述硅波导层和硅层的厚度之和为50nm-50μm，所述二氧化硅层的厚度为50nm-5μm。
6.一种电光调制器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的电光晶体薄膜。
7.一种电光晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-5任一项所述的电光晶体薄膜，所述制备方法包括以下步骤：
准备绝缘体上硅结构，在所述绝缘体上硅结构的顶层硅上制备保护层前体；其中，所述绝缘体上硅结构从下至上依次为硅衬底层、二氧化硅层和顶层硅；
用刻蚀法对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，形成保护层和硅波导层，其中刻蚀后在保护层和硅波导层中形成凹槽结构，所述凹槽结构的高度等于保护层厚度和硅波导层厚度之和；
在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，并对其进行平坦化，制备包覆隔离层；
在所述包覆隔离层上制备功能薄膜层，得到电光晶体薄膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述绝缘体上硅结构的顶层硅上制备保护层前体的方法为LPCVD、PECVD或热氧化法。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，包括，采用干法刻蚀法对所述保护层前体和顶层硅进行刻蚀，将顶层硅刻蚀成脊型条状结构，形成硅波导层，同时将保护层前体刻蚀成与所述硅波导层的顶部形状相同的结构，形成保护层；其中，顶层硅完全被刻蚀或部分被刻蚀。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，并对其进行平坦化，包括：在所述凹槽结构内填充包覆隔离层，所述包覆隔离层将凹槽结构填充，并将保护层覆盖，对所述包覆隔离层进行抛光至保护层，当抛光去除速率几乎为零时，即停止抛光，本步骤重复至少三次；
其中，最后一次抛光在保护层上方保留目标厚度的包覆隔离层，所述包覆隔离层的粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于0.8nm。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述包覆隔离层的生长方式为PECVD、溅射、蒸发或者电镀。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法，在所述包覆隔离层上制备功能薄膜层。
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