CN113176628A - 一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片的快速制造方法，利用飞秒激光加工精度高、加工热作用区域小的优势，结合热处理及激光退火等后处理工艺，在薄膜材料上制备了高质量的金属掩膜层，为高品质薄膜材料结构的制备提供了保障。通过使用反应离子束刻蚀工艺，显著提升了制备效率。解决了介质材料薄膜难以加工的问题，加工出的薄膜材料具有传输损耗低、转弯半径小、可高速调制的优点，可用于加工集成度高、性能好的大规模光子芯片。

Description

一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片快速制造方法

技术领域

本发明涉及光子集成芯片制造领域，特别涉及基于薄膜材料的大规模光子集成芯片及其快速制造方法。

背景技术

近年来，人工智能、量子信息、大数据等高技术领域迅猛发展，人们对信息处理能力提出了更高的要求，大规模、大容量光子集成芯片可提供更快速、更高效、成本更低廉的信息处理功能。光子集成芯片是由单一衬底材料上制作出的具有各种功能的光子结构组成。光波导是光子集成芯片的核心和基础单元结构，其横截面的特征尺寸在光波长量级，可实现光波的可控传输和精密操控。光子集成芯片中的光波导，需要同时具备低传输损耗和小弯曲半径这两项特征，对衬底材料特性和结构的精细程度有较高要求，这使得光子集成芯片的制备成为传统微纳加工技术难以应对的挑战。

加工光子集成芯片的传统方法之一是半导体光刻方法，得益于大规模集成电路的广泛应用，半导体光刻方法已发展为一种成熟的微纳制备技术。使用该方法制备的硅基光子集成芯片，具有大规模、低成本的工艺优势。此外，硅的折射率很高，使得硅波导的弯曲半径极小，可实现高密度的光子集成。但是，硅晶体天然缺乏电光系数，因此对硅波导的调控通常只能通过热光效应进行，能耗较高且相应速度慢。此外，硅波导的传输损耗较高，极大影响了大规模光子集成芯片的性能。

使用半导体光刻方法也可以在二氧化硅薄膜上制备薄膜材料结构，这样制备的薄膜材料与单模光纤具有相同的结构设计和材料组分，这样的光子芯片具有极低的传输与耦合损耗。但是，一方面，二氧化硅的非线性系数和电光系数较低，调控功能受限，可实现的功能器件种类受到制约；另一方面，这种薄膜材料导光区域与包层区域折射率差较小，薄膜材料的转弯半径只能做到很大，不适用于大规模集成光子芯片的制备。

铌酸锂晶体具有宽透明窗口、高非线性光学系数、高折射率，以及较强的电光、声光、压电效应等优良的光学性能，是集成光子芯片合适的衬底材料。在铌酸锂晶体衬底上，主要通过离子掺杂或成分调控实现材料折射率变化，形成薄膜材料结构。但这样产生的材料折射率变化较小，形成的薄膜材料具有较大的弯曲半径，同样不适于大规模集成光子芯片。

发明内容

现有的制备方法无法在介质材料薄膜上制备大规模集成的光子芯片。本发明提供一种大规模光子集成芯片的快速制造方法，可在介质材料薄膜、半导体材料薄膜上制备光子芯片，所制备的光子芯片包含尺寸为亚微米乃至厘米量级的光学结构，该方法加工效率高，所加工的光子芯片集成度高且具有极低的损耗。

本发明目的通过采用以下技术方案实现：

一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片，所述薄膜材料由上至下依次包括薄膜层1、辅助层2和衬底3。所述的薄膜层1为介质材料薄膜或半导体材料薄膜。所述的介质材料薄膜为铌酸锂薄膜、二氧化硅薄膜或金刚石薄膜；所述的半导体材料薄膜为硅薄膜或氮化铝薄膜。所述辅助层2为二氧化硅薄膜，所述衬底3为铌酸锂晶体。

一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片快速制造方法，依次包括如下实施步骤：

1)在所述的薄膜材料表面镀金属膜4；

2)将所述镀金属膜后的薄膜材料固定在三维位移平台上，飞秒激光经物镜聚焦至所述金属膜上表面，控制所述三维位移平台移动，使得被飞秒激光扫描过的金属膜被去除，以产生所需要的金属图案层；

3)对金属图案层进行加工处理，使图案边缘粗糙度小于1nm；

4)将加工处理后的薄膜材料放入反应离子刻蚀机，以金属图案层作为掩膜，通入刻蚀气体对所述薄膜层进行刻蚀，保留金属图案层区域下的薄膜层以形成薄膜图案层，由于金属图案层边缘极其光滑，刻蚀得到的薄膜图案层边缘也极其光滑；

5)放入金属腐蚀液中，将剩余的金属图案层腐蚀去除，最终留下薄膜图案层。

其中，步骤2)通过控制所述的三维平移台移动，所述的三维平移台将带动所述的薄膜材料一起移动，在移动过程中，被飞秒激光扫描过的所述金属膜将被去除，未被扫描到的金属膜将被保留，最终产生所需要的金属图案层。

步骤3)的加工处理为热处理或激光退火。热处理的方式包括高温炉退火或氢氧焰烘。激光退火的方式包括使用二氧化碳激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器或准分子激光器对金属图案层边缘进行扫描照射。

步骤4)中将薄膜材料放入反应离子刻蚀机中，通入刻蚀气体对薄膜层进行刻蚀。薄膜材料上的金属图案层将保护其下的薄膜层，所以有金属图案层的区域下的薄膜层得到保留，而没有金属图案层保护的薄膜层被完全刻蚀去除，形成薄膜层图案。

步骤5)的腐蚀过程通过将薄膜材料放入金属腐蚀液中，将剩余的金属图案层图案全部腐蚀去除，最终仅留下薄膜层图案。更进一步的，还包括将辅助层腐蚀为支柱结构，可对悬空薄膜图案层起支撑作用。

本发明利用飞秒激光加工精度高、加工热作用区域小的优势，结合热处理及激光退火等后处理工艺，在薄膜材料上制备了高质量的金属掩膜层，为高品质薄膜材料结构的制备提供了保障。通过使用反应离子束刻蚀工艺，显著提升了制备效率。本方法解决了介质材料薄膜难以加工的问题，加工出的薄膜材料具有传输损耗低、转弯半径小、可高速调制的优点，可用于加工集成度高、性能好的大规模光子芯片。

附图说明

图1是本发明光子集成芯片快速制造方法的流程图。

图中示出：1-薄膜层、2-辅助层、3-衬底、4-金属膜。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，薄膜材料结构从上至下依次为：厚度约700nm的铌酸锂薄膜、厚度约2μm的二氧化硅薄膜、及厚度约为500μm的铌酸锂晶体衬底。

如图1所示，具体的制造方法流程如下：

1)在薄膜材料的铌酸锂薄膜上表面镀厚度约800nm的铬膜；

2)将薄膜材料固定在三维位移平台上。所用飞秒激光脉宽为200fs，中心波长为1030nm，重复频率为100kHz，平均功率为10mW。使用放大倍率为100倍的物镜将飞秒激光聚焦至薄膜材料上表面。控制三维平移台移动，移动速率为1mm/s，飞秒激光将铬膜烧蚀去除，留下宽度1μm、长度1cm的长条形铬膜图案。

3)使用二氧化碳激光对铬膜图案进行退火处理。所用二氧化碳激光器输出光波长为10.6μm，激光功率为400W，使用焦距为100mm的透镜将激光聚焦至铬膜图案边缘处，聚焦焦斑沿铬膜图案边缘进行扫描，扫描速度为10mm/s。

4)将薄膜材料放入反应离子刻蚀机中，通入氩气，刻蚀时间20min，将未被铬膜图案覆盖的铌酸锂薄膜层全部去除。

5)将薄膜材料放入铬腐蚀液中，腐蚀液成分为硝酸与硝酸铈铵，将铬膜图案全部腐蚀去除，剩下的结构即为极低损耗的单模直波导。这样薄膜材料可进行光束的片上传输，同时也可构成具有各种功能的集成光子芯片。

Claims (8)

1.一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片，其特征在于，所述薄膜材料由上至下依次包括薄膜层(1)、辅助层(2)和衬底(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片，其特征在于，所述的薄膜层(1)为介质材料薄膜或半导体材料薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种基于薄膜材料的大规模光子集成芯片，其特征在于，所述的介质材料薄膜为铌酸锂薄膜、二氧化硅薄膜或金刚石薄膜；所述的半导体材料薄膜为硅薄膜或氮化铝薄膜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于薄膜材料的大规模光子集成芯片的快速制造方法，所述薄膜材料由上至下依次包括薄膜层(1)、辅助层(2)和衬底(3)，其特征在于，依次包括如下步骤：

1)在所述的薄膜材料表面镀金属膜(4)；

2)将所述镀金属膜后的薄膜材料固定在三维位移平台上，飞秒激光经物镜聚焦至所述金属膜上表面，控制所述三维位移平台移动，使得被飞秒激光扫描过的金属膜被去除，以产生所需要的金属图案层；

3)对金属图案层进行加工处理，使图案边缘粗糙度小于1nm；

4)将加工处理后的薄膜材料放入反应离子刻蚀机，以金属图案层作为掩膜，通入刻蚀气体对所述薄膜层进行刻蚀，保留金属图案层区域下的薄膜层以形成薄膜图案层；

5)放入金属腐蚀液中，将剩余的金属图案层腐蚀去除，最终留下薄膜图案层。

5.根据权利要求4所述的快速制造方法，其特征在于，所述金属图案层加工处理为热处理或激光退火。

6.根据权利要求5所述的快速制造方法，其特征在于，所述热处理的方式包括高温炉退火或氢氧焰烘。

7.根据权利要求5所述的快速制造方法，其特征在于，所述激光退火的方式包括使用二氧化碳激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器或准分子激光器对金属图案层边缘进行扫描照射。

8.根据权利要求4-7任一项所述的快速制造方法，其特征在于，所述步骤5)还包括将辅助层腐蚀为支柱结构，可对悬空薄膜图案层起支撑作用。

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