CN115774300A - 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法 - Google Patents

异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115774300A
CN115774300A CN202211550101.7A CN202211550101A CN115774300A CN 115774300 A CN115774300 A CN 115774300A CN 202211550101 A CN202211550101 A CN 202211550101A CN 115774300 A CN115774300 A CN 115774300A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
lnoi
wafer
cladding
sio
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211550101.7A
Other languages
English (en)
Inventor
胡文良
齐志强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
717Th Research Institute of CSSC
Original Assignee
717Th Research Institute of CSSC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 717Th Research Institute of CSSC filed Critical 717Th Research Institute of CSSC
Priority to CN202211550101.7A priority Critical patent/CN115774300A/zh
Publication of CN115774300A publication Critical patent/CN115774300A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其包括Si器件层、SiO2包层、衬底Si、LNOI层、传输电极Ti‑Au；SiO2包层置于Si器件层上；衬底Si置于Si器件层上，且置于SiO2包层内；LNOI层通过键合的方式与SiO2包层集成在一起，且LNOI层置于SiO2包层上；传输电极Ti‑Au置于LNOI层上。本发明还提供另一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器。本发明还提供上述异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法。本发明能对LN材料进行集成，且集成方法简单。

Description

异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法
技术领域
本发明属于片上集成调制器技术领域，具体涉及一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法。
背景技术
现在集成光学应用最广的材料是硅，因为集成电路用硅材料造芯片的工艺设备非常成熟，而硅恰好在光通信波段透明并且折射率很大，所以可以将CMOS工艺用来规模化制备硅基集成光路，“硅光子学”就是在这个背景下发展起来的。但硅有一些缺点，譬如不具有电光效应。而铌酸锂(Lithium Niobate,LN)是一种具有优质电光特性的材料，它与硅相比能够突破由载流子迁移速率所制约的电光调制速率上限(～60GHz)，并且在非线性光学领域也具有重要的应用价值。然而传统铌酸锂器件成本较高、集成度差且尺寸较大，这些缺点限制了铌酸锂在光子器件及光通信系统中的应用。
随着高质量晶圆级薄膜铌酸锂材料被开发，加上近年来纳米加工技术的发展，高性能LNOI(薄膜铌酸锂晶圆)光子器件的研发具有巨大的前景，并逐渐成为光子集成领域的研究热点。
因LN是一种化学性质非常稳定且难以刻蚀的材料，在LN上制作波导及其他光学微纳结构具有较高难度。传统体材料LN的加工常采用钛扩散或质子交换工艺。这些工艺方式的主要缺陷是制作出的波导折射率差很小、光学模式限制弱(模式面积在10～100um2之间)、波导弯曲半径大(毫米级)，因此这些工艺方法无法应用于集成度高的光器件与各种微结构器件(如微环、光子晶体)的加工，并且在波导的色散控制上也非常困难。
在LNOI平台上构建的光子器件具有结构精细、尺寸小的特征，因此传统体材料LN的加工方法难以适用。目前在LNOI平台上加工波导器件主要有以下几种手段：(1)湿法刻蚀；(2)干法刻蚀；(3)光学级物理切割；(4)飞秒激光与化学机械抛光。随着工艺技术的不断提升与优化，LNOI平台上波导界面粗糙、传输损耗大等问题在近年来有很大的改善，但加工设备依然和主流CMOS工艺设备不完全相兼容，很多流片厂商考虑到Li原子对设备的污染都不愿意对LN这种材料进行流片代工，这进一步阻碍了LNOI片上集成器件的发展。因此，我们迫切需要一种新的方法，对LN材料进行集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能对LN材料进行集成，且集成方法简单的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其包括Si器件层、SiO2包层、衬底Si、LNOI层、传输电极Ti-Au；
所述SiO2包层置于Si器件层上；
所述衬底Si置于Si器件层上，且置于SiO2包层内；
所述LNOI层通过键合的方式与SiO2包层集成在一起，且LNOI层置于SiO2包层上；
所述传输电极Ti-Au置于LNOI层上。
本发明还提供一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其包括Si器件层、SiO2包层、衬底Si、LNOI层、第二SiO2包层、传输电极Ti-Au、第二衬底Si；
所述SiO2包层置于Si器件层上；
所述衬底Si置于Si器件层上，且置于SiO2包层内；
所述LNOI层通过键合的方式与SiO2包层、第二SiO2包层集成在一起；且LNOI层置于SiO2包层上，第二SiO2包层下；
所述传输电极Ti-Au置于Si器件层上，且置于SiO2包层内，与衬底Si间隔设置；
所述第二衬底Si置于第二SiO2包层上。
按上述方案，所述Si器件层通过CMOS相兼容的半导体流片工艺制备；所述LNOI层通过商用薄膜铌酸锂晶圆进行切割制备；传输电极Ti-Au采用电子束蒸发方式制备，主要采用普通地-信号-地电极或者特殊设计的容性加载电极；
SiO2包层的厚度为150-220nm，LNOI层的厚度为500-600nm；传输电极Ti-Au的厚度为0.8-1.2um；
LNOI层与传输电极Ti-Au之间保持微米级的间隔距离。
Si器件层包括光输入输出器件，主要包括端面锥形耦合结构或光栅耦合器、MMI分光合光结构(Y分支或者多模干涉分束器)、宽单模波导结构、锥形绝热传输波导结构，窄单模波导结构等。薄膜铌酸锂层(LNOI层)直接从商用铌酸锂晶圆上通过机械划片的方式获得，片子表面形貌除进行有机及RAC清洗之外，不进行其他任何半导体加工工艺处理，避免了对铌酸锂材料进行复杂刻蚀的难题。
本发明还提供一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其包括以下步骤：
a)采用与CMOS工艺相兼容的流片方式制备Si器件层；
b)采用划片方式制备具备特征晶向的LNOI层；
c)采用电子束镀膜的方法制备行波传输电极；
d)采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成；
e)采用研磨抛光或者深刻蚀的方式去除LNOI层的衬底Si；
f)采用湿法腐蚀或者CMP方式去除埋氧层SiO2。
按上述方案，步骤d)中的直接键合为基于范德瓦尔斯力的超洁净晶圆间的直接连接，其降低了对晶圆表面有机及无机颗粒的清除要求及晶圆表面粗糙度要求；步骤d)中的胶接键合为基于BCB胶水的粘接技术进行晶圆间的连接，其降低了对实验环境和晶圆表面的严苛要求，适用于环境条件一般的实验室。
按上述方案，步骤d)中的键合设备为常温下的热板、真空退火炉或者晶圆键合机，实验设备较为宽泛，主要取决于对实验良品率的要求。
按上述方案，步骤d)中采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆(1-0-0晶向p型掺杂)，晶圆衬底选择高阻抗类型，以保证微波信号的低损耗传输；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆，该晶圆衬底后续会进行去除，故不考虑其电阻特性；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件；Si器件主要包括端面耦合器、MMI分束器、绝热波导、窄单模波导等片上器件，也可以通过硅光流片厂进行代加工；
5)利用PECVD在Si器件进行二氧化硅的上包层生长，厚度为400nm，以避免硅上器件在后续工艺中可能的损坏；
6)利用研磨抛光技术(CMP)对生长的二氧化硅包层进行减薄和表面抛光处理，形成SOI片子；保证二氧化硅包层表面的粗糙度＜1nm，这需要对整个SOI晶圆进行椭偏仪测试，挑选出符合要求的区域进行划片选取；二氧化硅包层最终的厚度为200nm；
7)将SOI片子和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；
8)清完完成后，利用等离子体活化设备在氧气氛围中对SOI片子和LNOI晶圆进行2min的射频功率为150W的等离子体表面活化处理；等离子表面活化的原理是利用等离子的物理化学作用有效清除晶体表面的有机污染物和惰性层，改变晶体表面悬挂基团的成分，增强晶体表面的键合能力；
9)将SOI片子和LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具，调节键合实验参数，进行键合。
按上述方案，步骤d)中采用胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆(1-0-0晶向p型掺杂)，晶圆衬底选择高阻抗类型，以保证微波信号的低损耗传输；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆，该晶圆衬底后续会进行去除，故不考虑其电阻特性；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件，Si器件主要包括端面耦合器、MMI分束器、绝热波导、窄单模波导等片上器件，也可以通过硅光流片厂进行代加工；
5)将Si器件和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；由于Si器件上有无源器件，只需要进行RCA清洗，不可直接进行超声，LNOI晶圆能直接进行超声清洗和RCA清洗；
6)清洗完成后，首先在Si器件和LNOI晶圆表面旋涂助粘剂AP3000，之后旋涂BCB3022-35胶水和均三甲苯的稀释液，保证200℃预固化后BCB厚度为200nm；
7)将Si器件及LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具上进行键合。
按上述方案，SB6晶片键合设备的键合的参数为：
键合机加压到110mBar，历时60min温度从50℃缓慢升温到200℃；保持温度200℃60min后再历时60min缓慢升温到250℃；保持温度250℃60min后，再历时60min缓慢升温到300℃；保持温度300℃120min后，自然冷却到室温(大约降温5个小时)，在这样的参数条件下，可取得了很好的直接键合效果。
清洗方法为：
(a)利用重铬酸钾溶液对烧杯进行浸泡清洗，用去离子水超声清洗镊子15min；
(b)将LNOI晶圆依次放入采用丙酮，异丙醇，无水乙醇活性试剂的50℃超声清洗机中，分别放置20min以有效去除SOI和LNOI晶圆表面蘸附的有机物杂质，其中三种试剂的清洗活性依次为：丙酮>异丙醇>无水乙醇；随后用去离子水冲洗10min，去除活性试剂；清洗完成后用显微镜观察，如果发现未清洗干净，用沾有丙酮的棉棒擦拭干净，依次反复直至显微镜中观察的晶体表面没有脏的物质；
(c)采用标准的湿法清洗工艺RCA清洗，1号标准RCA清洗液的化学配料是NH4OH/H2O2/H2O(氢氧化铵/过氧化氢/去离子水)按1：1：6的配比混合，使用时首先将NH4OH：H2O按1:6混合，并加热到70℃，此时加1份的H2O2，静置2min，待溶液中产生大量气泡后，将SOI片子和LNOI晶圆放入溶液中，并保持溶液温度为40℃，存放时间为10min；然后再用去离子水冲洗4min。
整个光电型号调制过程包含：(1)外部光信号输入光纤通过低损耗端面耦合器与硅波导耦合；(2)光信号在硅基MMI分光结构中均为了两路，其中一路直接以单模波导的方式传输，另一路通过光延时线进行单模传输，此时大部分光均处于硅基波导中；(3)光信号通过硅基绝热波导传输到窄波导区域，在窄波导区域光模场被挤压出硅基，而绝大部分分布于铌酸锂层，通过铌酸锂层上方的微波信号对光信号进行高频调制；(4)经过相位调制的光信号耦合回归到硅基绝热波导中，通过MMI合束器进行相位叠加，实现强度调制效应；(5)硅基中合束的被调制光信号通过端面耦合器输出到光纤中，完成了整个光信号的调制过程。其中，窄区域硅波导厚度为150nm，宽度为280nm。宽区域硅波导厚度为150nm，宽度为650nm。铌酸锂层厚度为500nm，晶体切向为X切，光传输方向为y轴。混合集成调制区长度为1.5-1.7cm。
本发明的有益效果在于：
通过键合的方式对LN材料进行集成，且集成方法简单；
对铌酸锂层的背面衬底进行研磨抛光处理及湿法腐蚀，以实现背面电极对铌酸锂层内部光信号的直接调制；
采用SOI晶圆和LNOI晶圆直接键合及粘接键合的异质集成工艺，一方面保证了LN材料的高带宽调制效果，同时整个器件的流片工艺均在SOI的Si器件层上完成，避免了对LN材料的直接刻蚀，键合工艺也和常规晶圆键合相一致，完全适用于主流的硅光流片代工条件，对推进高带宽低损耗的片上集成调制器的商业化推广有着重要作用；
能实现在硅上进行复杂结构的制备的同时，保证对铌酸锂层的加工的最低要求，并且充分利用铌酸锂层优异的光电特性，实现光信号的高贷款调制特性；
能够充分利用薄膜铌酸锂层的电光调制性能，在其内部形成对绝大部分光模场的电光调制效应，最高可实现100GHz以上的高带宽调制效果；
采用的直接键合工艺方案，可以最大限度的提供低损耗、高强度的异质集成键合效果，键合后的器件在后续加工过程中不发生解键合等不良后果，制备完成的器件在后续使用过程中可耐高温及严苛的物化环境，有利于恶劣工作环境的使用；
BCB粘接键合方式，可以最大限度的降低了对实验洁净环境、晶圆表面有机无机污染颗粒和晶圆表面粗糙度的要求，且键合后的器件在后续加工过程中不发生解键合等不良后果，是一种快速可靠的粘接键合方式。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是实施例1的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的结构示意图；
图2是实施例2的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的结构示意图；
图3是衬底去除法制作实施例1异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的流程顺序图；
图4是电极包裹法制作实施例1异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的流程顺序图。
图中：1、Si器件层，2、SiO2包层，3、衬底Si，4、LNOI层，5、传输电极Ti-Au，6、第二SiO2包层，7、第二衬底Si。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1，一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其包括Si器件层1、SiO2包层2、衬底Si 3、LNOI层4、传输电极Ti-Au 5。SiO2包层2置于Si器件层1上。衬底Si 3置于Si器件层1上，且置于SiO2包层2内。LNOI层4通过键合的方式与SiO2包层1集成在一起，且LNOI层4置于SiO2包层2上。传输电极Ti-Au置于LNOI层上。SiO2包层2的厚度为150-220nm，LNOI层4的厚度为500-600nm；传输电极Ti-Au 5的厚度为0.8-1.2um；LNOI层4与传输电极Ti-Au 5之间保持微米级的间隔距离。
实施例2
参见图2，一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其包括Si器件层1、SiO2包层2、衬底Si 3、LNOI层4、第二SiO2包层6、传输电极Ti-Au 5、第二衬底Si 7。SiO2包层2置于Si器件层1上。衬底Si 3置于Si器件层1上，且置于SiO2包层2内。LNOI层4通过键合的方式与SiO2包层2、第二SiO2包层6集成在一起；且LNOI层4置于SiO2包层2上，第二SiO2包层6下。传输电极Ti-Au 5置于Si器件层1上，且置于SiO2包层2内，与衬底Si 3间隔设置；第二衬底Si 7置于第二SiO2包层6上。
实施例1和实施例2中，Si器件层1通过CMOS相兼容的半导体流片工艺制备；LNOI层4通过商用薄膜铌酸锂晶圆进行切割制备；传输电极Ti-Au 5采用电子束蒸发方式制备，主要采用普通地-信号-地电极或者特殊设计的容性加载电极。
实施例1和实施例2中，Si器件层1包括光输入输出器件，主要包括端面锥形耦合结构或光栅耦合器、MMI分光合光结构(Y分支或者多模干涉分束器)、宽单模波导结构、锥形绝热传输波导结构，窄单模波导结构等。薄膜铌酸锂层(LNOI层)直接从商用铌酸锂晶圆上通过机械划片的方式获得，片子表面形貌除进行有机及RAC清洗之外，不进行其他任何半导体加工工艺处理，避免了对铌酸锂材料进行复杂刻蚀的难题。
实施例3
一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其包括以下步骤：
a)采用与CMOS工艺相兼容的流片方式制备Si器件层；
b)采用划片方式制备具备特征晶向的LNOI层；
c)采用电子束镀膜的方法制备行波传输电极；
d)采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成；
e)采用研磨抛光或者深刻蚀的方式去除LNOI层的衬底Si；
f)采用湿法腐蚀或者CMP方式去除埋氧层SiO2。
步骤d)中采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆(1-0-0晶向p型掺杂)，晶圆衬底选择高阻抗类型，以保证微波信号的低损耗传输；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆，该晶圆衬底后续会进行去除，故不考虑其电阻特性；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件；Si器件主要包括端面耦合器、MMI分束器、绝热波导、窄单模波导等片上器件，也可以通过硅光流片厂进行代加工；
5)利用PECVD在Si器件进行二氧化硅的上包层生长，厚度为400nm，以避免硅上器件在后续工艺中可能的损坏；
6)利用研磨抛光技术(CMP)对生长的二氧化硅包层进行减薄和表面抛光处理，形成SOI片子；保证二氧化硅包层表面的粗糙度＜1nm，这需要对整个SOI晶圆进行椭偏仪测试，挑选出符合要求的区域进行划片选取；二氧化硅包层最终的厚度为200nm；
7)将SOI片子和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；
8)清完完成后，利用等离子体活化设备在氧气氛围中对SOI片子和LNOI晶圆进行2min的射频功率为150W的等离子体表面活化处理；等离子表面活化的原理是利用等离子的物理化学作用有效清除晶体表面的有机污染物和惰性层，改变晶体表面悬挂基团的成分，增强晶体表面的键合能力；
9)将SOI片子和LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具，调节键合实验参数，进行键合。
步骤d)中采用胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆(1-0-0晶向p型掺杂)，晶圆衬底选择高阻抗类型，以保证微波信号的低损耗传输；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆，该晶圆衬底后续会进行去除，故不考虑其电阻特性；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件，Si器件主要包括端面耦合器、MMI分束器、绝热波导、窄单模波导等片上器件，也可以通过硅光流片厂进行代加工；
5)将Si器件和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；由于Si器件上有无源器件，只需要进行RCA清洗，不可直接进行超声，LNOI晶圆能直接进行超声清洗和RCA清洗；
6)清洗完成后，首先在Si器件和LNOI晶圆表面旋涂助粘剂AP3000，之后旋涂BCB3022-35胶水和均三甲苯的稀释液，保证200℃预固化后BCB厚度为200nm；
7)将Si器件及LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具上进行键合。
本实施例中，SB6晶片键合设备的键合的参数为：
键合机加压到110mBar，历时60min温度从50℃缓慢升温到200℃；保持温度200℃60min后再历时60min缓慢升温到250℃；保持温度250℃60min后，再历时60min缓慢升温到300℃；保持温度300℃120min后，自然冷却到室温(大约降温5个小时)，在这样的参数条件下，可取得了很好的直接键合效果。
本实施例中，清洗方法为：
(a)利用重铬酸钾溶液对烧杯进行浸泡清洗，用去离子水超声清洗镊子15min；
(b)将LNOI晶圆依次放入采用丙酮，异丙醇，无水乙醇活性试剂的50℃超声清洗机中，分别放置20min以有效去除SOI和LNOI晶圆表面蘸附的有机物杂质，其中三种试剂的清洗活性依次为：丙酮>异丙醇>无水乙醇；随后用去离子水冲洗10min，去除活性试剂；清洗完成后用显微镜观察，如果发现未清洗干净，用沾有丙酮的棉棒擦拭干净，依次反复直至显微镜中观察的晶体表面没有脏的物质；
(c)采用标准的湿法清洗工艺RCA清洗，1号标准RCA清洗液的化学配料是NH4OH/H2O2/H2O(氢氧化铵/过氧化氢/去离子水)按1：1：6的配比混合，使用时首先将NH4OH：H2O按1:6混合，并加热到70℃，此时加1份的H2O2，静置2min，待溶液中产生大量气泡后，将SOI片子和LNOI晶圆放入溶液中，并保持溶液温度为40℃，存放时间为10min；然后再用去离子水冲洗4min。
根据硅基薄膜铌酸锂片上集成调制器的后续调制需求，GSG电极需要对LN中的光模场进行高效的调制作用，才能实现高带宽调制器的制备。下面结合实施例对GSG电极的制备提出两种基本方式，并做进一步说明。
基于行波传输线的GSG电极需要和LN波导结构保持微米级的间隔距离，才能实现射频场对光场的有效耦合和匹配，实现最大效率的电光调制过程。这就意味着需要将GSG电极制备在LN层的附近而非远离。针对此近距离的调制需求，本发明提出来两种GSG电极制备方法，分别为衬底去除法和电极包裹法。
实施例4
参见图3，衬底去除法制作异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的方法为：
1)保护层制备
键和完成的Si-LNOI芯片首先在器件上表面用PECVD生长一层2um的二氧化硅薄膜作为Si上器件的保护层；
2)BB220旋涂
利用BB220胶水对暴露的硅上器件和SOI衬底进行旋涂保护，BB220的固化温度为80℃3min，180℃3min，220℃5min；
3)LNOI的二氧化硅保护层去除
利用氢氟酸溶液对芯片进行2s的腐蚀，去除1)中制备的LNOI衬底背面的二氧化硅保护层；
4)LNOI的Si衬底去除
利用XeF2刻蚀工艺对LNOI衬底进行200循环的刻蚀清除；
5)SiO2埋氧层去除
利用氢氟酸溶液对芯片进行2s的腐蚀；
6)GSG电极图像的曝光
利用672.11进行匀胶工艺，利用电子书曝光设备进行GSG电极的曝光，利用MIBK溶液进行30s的显影，IPA溶液进行70s定影；
7)电极蒸发
利用电子束蒸发设备进行GSG电极的蒸镀，分别镀制150nmTi，1.2umAu及100nmTi。
8)电极剥离工艺
将芯片浸泡在丙酮溶液中24h，取出后用清水冲洗去除多余的光刻胶和黏附其上的金属层，实现GSG电极的制备。
实施例5
参见图4，电极包裹法制作异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的方法为：
1)GSG电极图像的曝光
在SOI上无源器件制备完成后，直接在其上方旋涂672.11电子束胶，利用电子书曝光设备进行GSG电极的曝光，利用MIBK溶液进行30s的显影，IPA溶液进行70s定影；
2)电极蒸发
利用电子束蒸发设备进行GSG电极的蒸镀，分别镀制150nmTi，1.2umAu及100nmTi；
3)电极剥离工艺
将芯片浸泡在丙酮溶液中24h，取出后用清水冲洗去除多余的光刻胶和黏附其上的金属层，实现GSG电极的制备；
4)将曝光后的样品投入到MIBK:IPA(3:1)组成的显影液中显影1min左右，以除去被曝光的PMMA抗蚀剂实现PMMA的图案化；
5)利用PECVD在制备完成的Si器件进行二氧化硅的上包层生长，厚度为400nm左右，避免硅上器件在后续工艺中可能的损坏；
6)利用研磨抛光技术(CMP)对生长的氧化硅包层进行减薄和表面抛光处理，注意要保证二氧化硅表面的粗糙度＜1nm的标准，这需要对整个SOI晶圆进行椭偏仪测试，挑选出符合要求的区域进行划片选取；二氧化硅包层最终的厚度在200nm左右；
7)将抛光后的SOI片子和商用LNOI上直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗，并进行直接键合工艺。后续无需进行LNOI衬底的去除等复杂步骤，即完成了硅基薄膜铌酸锂调制器的异质集成工艺。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：包括Si器件层、SiO2包层、衬底Si、LNOI层、传输电极Ti-Au；
所述SiO2包层置于Si器件层上；
所述衬底Si置于Si器件层上，且置于SiO2包层内；
所述LNOI层通过键合的方式与SiO2包层集成在一起，且LNOI层置于SiO2包层上；
所述传输电极Ti-Au置于LNOI层上。
2.一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：包括Si器件层、SiO2包层、衬底Si、LNOI层、第二SiO2包层、传输电极Ti-Au、第二衬底Si；
所述SiO2包层置于Si器件层上；
所述衬底Si置于Si器件层上，且置于SiO2包层内；
所述LNOI层通过键合的方式与SiO2包层、第二SiO2包层集成在一起；且LNOI层置于SiO2包层上，第二SiO2包层下；
所述传输电极Ti-Au置于Si器件层上，且置于SiO2包层内，与衬底Si间隔设置；
所述第二衬底Si置于第二SiO2包层上。
3.根据权利要求1或2所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：
所述Si器件层通过CMOS相兼容的半导体流片工艺制备；所述LNOI层通过商用薄膜铌酸锂晶圆进行切割制备；传输电极Ti-Au采用电子束蒸发方式制备；
SiO2包层的厚度为150-220nm，LNOI层的厚度为500-600nm；传输电极Ti-Au的厚度为0.8-1.2um；
LNOI层与传输电极Ti-Au之间保持微米级的间隔距离。
4.一种异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)采用与CMOS工艺相兼容的流片方式制备Si器件层；
b)采用划片方式制备具备特征晶向的LNOI层；
c)采用电子束镀膜的方法制备行波传输电极；
d)采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成；
e)采用研磨抛光或者深刻蚀的方式去除LNOI层的衬底Si；
f)采用湿法腐蚀或者CMP方式去除埋氧层SiO2。
5.根据权利要求4所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
步骤d)中的直接键合为基于范德瓦尔斯力的超洁净晶圆间的直接连接；
步骤d)中的胶接键合为基于BCB胶水的粘接技术进行晶圆间的连接。
6.根据权利要求4所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
步骤d)中的键合设备为常温下的热板、真空退火炉或者晶圆键合机。
7.根据权利要求4所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
步骤d)中采用直接键合或者胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆，晶圆衬底选择高阻抗类型；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件；
5)利用PECVD在Si器件进行二氧化硅的上包层生长，厚度为400nm；
6)利用研磨抛光技术对生长的二氧化硅包层进行减薄和表面抛光处理，形成SOI片子；保证二氧化硅包层表面的粗糙度＜1nm；二氧化硅包层最终的厚度为200nm；
7)将SOI片子和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；由于SOI片子有无源器件，只需要进行RCA清洗，不可直接进行超声清洗，LNOI晶圆能直接进行超声清洗和RCA清洗；
8)清完完成后，利用等离子体活化设备在氧气氛围中对SOI片子和LNOI晶圆进行2min的射频功率为150W的等离子体表面活化处理；
9)将SOI片子和LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具，调节键合实验参数，进行键合。
8.根据权利要求4所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
步骤d)中采用胶接键合的方式实现LNOI层和Si器件层上的SiO2包层的异质集成的方法为：
1)选择2.5um埋氧层，300nm器件层的SOI晶圆，晶圆衬底选择高阻抗类型；
2)选择2.7um埋氧层，500nm厚器件层的LNOI晶圆；
3)通过刻蚀处理将SOI晶圆的Si去除150nm，达到150nm；
4)利用CMOS工艺制备硅上无源器件，得到Si器件；
5)将Si器件和LNOI晶圆直接进行有机清洗和RCA-1标准液清洗；由于Si器件上有无源器件，只需要进行RCA清洗，不可直接进行超声清洗，LNOI晶圆能直接进行超声清洗和RCA清洗；
6)清洗完成后，首先在Si器件和LNOI晶圆表面旋涂助粘剂AP3000，之后旋涂BCB3022-35胶水和均三甲苯的稀释液，保证200℃预固化后BCB厚度为200nm；
7)将Si器件及LNOI晶圆分别放置在SB6晶片键合设备的夹具上进行键合。
9.根据权利要求7或8所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
SB6晶片键合设备的键合的参数为：
键合机加压到110mBar，历时60min温度从50℃缓慢升温到200℃；保持温度200℃60min后再历时60min缓慢升温到250℃；保持温度250℃60min后，再历时60min缓慢升温到300℃；保持温度300℃120min后，自然冷却到室温。
10.根据权利要求7或8所述的异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器的制造方法，其特征在于：
清洗方法为：
(a)利用重铬酸钾溶液对烧杯进行浸泡清洗，用去离子水超声清洗镊子15min；
(b)将LNOI晶圆依次放入采用丙酮，异丙醇，无水乙醇活性试剂的50℃超声清洗机中，分别放置20min，随后用去离子水冲洗10min，去除活性试剂；清洗完成后用显微镜观察，如果发现未清洗干净，用沾有丙酮的棉棒擦拭干净；
(c)采用标准的湿法清洗工艺RCA清洗，1号标准RCA清洗液的化学配料是NH4OH/H2O2/H2O按1：1：6的配比混合，使用时首先将NH4OH：H2O按1:6混合，并加热到70℃，此时加1份的H2O2，静置2min，待溶液中产生大量气泡后，将SOI片子和LNOI晶圆放入溶液中，并保持溶液温度为40℃，存放时间为10min；然后再用去离子水冲洗4min。
CN202211550101.7A 2022-12-05 2022-12-05 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法 Pending CN115774300A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211550101.7A CN115774300A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211550101.7A CN115774300A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115774300A true CN115774300A (zh) 2023-03-10

Family

ID=85391399

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211550101.7A Pending CN115774300A (zh) 2022-12-05 2022-12-05 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115774300A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117096065A (zh) * 2023-10-17 2023-11-21 天通控股股份有限公司 一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117096065A (zh) * 2023-10-17 2023-11-21 天通控股股份有限公司 一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法
CN117096065B (zh) * 2023-10-17 2024-01-30 天通控股股份有限公司 一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5408566A (en) Optical guided-wave device and manufacturing method
US5785874A (en) Optical waveguide device bonded through direct bonding and a method for fabricating the same
CN109613647B (zh) 一种铌酸锂/氮化硅光波导集成结构及其制备方法
CN111965761B (zh) 基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法
CN111665592B (zh) 一种lnoi悬空模斑转换器及其工艺实现方法
CN109324372B (zh) 一种硅光波导端面耦合器
CN115774300A (zh) 异质集成硅基薄膜铌酸锂调制器及其制造方法
JP6992961B2 (ja) 電気光学変調器
CN111175892A (zh) 一种铌酸锂光波导器件及其制备方法
CN114153027A (zh) 一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器及其制备方法
CN114153025B (zh) 一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法
CN103777283B (zh) 一种输入位置控制的多模干涉型光开关及其制备方法
CN100489579C (zh) 离子交换玻璃光波导器件的制作方法
Saha et al. Fabrication and characterization of optical devices on lithium niobate on insulator chips
CN103698905A (zh) 一种在线可调的光功率衰减器及其制备方法
CN115951454A (zh) 铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法
JPH06289346A (ja) 誘電体光導波路素子およびその製造方法
CN112612078B (zh) 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法
CN109683354B (zh) 一种中红外波段调制器及其制备方法
CN113109902A (zh) 片上铌酸锂薄膜偏振分集器及其制备方法
CN113437162A (zh) 一种混合集成光电芯片衬底结构的制备方法及衬底结构
CN103760691B (zh) 一种偏振态控制的多模干涉型光开关及其制备方法
Reis et al. Large size gallium phosphide micro-transfer printing for integrated nonlinear photonics
CN210222292U (zh) 一种光波导模斑转换器
CN106098745B (zh) 一种内嵌双层膜的lnoi晶片及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination