具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用

技术领域

本发明属于半导体工艺与材料领域，特别涉及一种具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用，该波导结构可用于大规模片上集成光电器件结构的设计与制备之中。

背景技术

集成光学其概念基于在平面衬底上采用微纳刻蚀的技术以形成特定光学波导结构，基于这一概念人们已经实现了利用硅（Si）作为导波材料集成的光电有源/无源光电平台。

以铌酸锂为代表的电光材料晶体具有较大的非线性光学系数，同时具有优良的光折变、压电和声学特性，且可用做于倍/差频晶体材料。其物理机械性能优秀，损伤阈值高、透明光谱宽且透光损耗很低。此外电光材料成本相对降低，因此十分适合制备光调制器。相比较传统基于CMOS（complementary metal oxide semiconductor）工艺实现的以硅（Si）为代表的电光调制芯片，特别地，电光材料晶体的非线性特性使得其在近年来兴起的光学频率梳的研究与相关应用中展现出诱人的前景。随着技术的发展，这类电光晶体亦可以以薄膜形式集成在6寸甚至更大的晶圆表面。以绝缘层上铌酸锂薄膜（LNOI）为例，其出现解决了传统电光材料波导的低集成密度和易发生极化串扰问题，进一步简化了电光材料波导中非线性效应的产生条件。

然而这类电光材料薄膜的刻蚀一直是工程难题。例如铌酸锂晶体的刻蚀工艺会在反应腔中引入锂离子和铌离子，并且其刻蚀造成的粗糙侧壁无法通过调节刻蚀配方进一步改善。一般做法会在刻蚀之后采用一种特殊的大马士革工艺，通过化学机械研磨的方式将刻蚀侧壁以及顶层的粗糙表面研磨至比较光滑的情况。但这种方法的局限性在于，当芯片结构占空比过小时，由于间隙结构堆叠过于密集可能会导致间隙内的结构侧壁很难通过研磨或化学抛光的方式修复平整，这类间隙结构往往会被用来作为光学耦合区使用，过于粗糙的侧壁结构会使得光学耦合效率大大降低。

与电光材料晶体不同，富硅氮化硅一般采用沉积工艺进行制备，通过调节硅源与氨源的配比以实现不同硅/氮元素组分的氮化硅材料。其折射率随着硅的组分不同可发生改变，典型值为2.0~2.9。例如，铌酸锂的折射率在短波红外（SWIR）内为2.0~2.5，包含于富硅氮化硅的折射率变化范围。在CMOS工艺中，不同组分配比的富硅氮化硅的生长可以作为灵活调节栅极势垒的一种手段。在基于CMOS工艺的集成光学应用中，氮化硅所具有的低传输损耗、相较于氧化硅而言更高的折射率实部以及较强的三阶非线性系数使得其在集成光学频率梳、窄线宽激光等应用中具有极高的应用价值。但氮化硅不具备电光效应以及二阶非线性效应，这成为约束氮化硅成为一种极具潜力的集成光学平台的制约因素之一。但相比较电光材料而言，富硅氮化硅的干法刻蚀工艺成熟且稳定并且可通过氢气退火的方式修复因刻蚀造成的粗糙侧壁。

发明内容

为了解决电光材料波导在干法刻蚀中形成的粗糙表面，本发明提供了一种具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用。与传统提升电光材料波导侧壁光滑度常采用的氢气氧化工艺和大马士革研磨工艺不同，本发明采用富硅氮化硅包层对电光材料芯层进行折射率匹配以实现包芯层形式的波导结构制备。

根据本发明的第一方面，提供一种具有包芯电光材料层的波导结构，由下至上包括硅衬底层、绝缘层和富硅氮化硅包层结构，所述富硅氮化硅包层结构由电光材料芯层包含于富硅氮化硅层形成，所述电光材料芯层的材料特征在于在定向施加电场条件下能够发生材料折射率的改变。

根据本发明的第二方面，提供一种具有包芯电光材料层的波导结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1：提供绝缘层上电光材料薄膜晶圆；

S2：在绝缘层上电光材料薄膜晶圆上形成第一掩膜层；

S3：通过干法刻蚀的方式将第一掩膜层上形成的光学波导图形转移到绝缘层上电光材料薄膜晶圆的电光材料层上，形成电光材料芯层；

S4：除去第一掩膜层，在电光材料芯层周围及顶部形成富硅氮化硅层；

S5：对富硅氮化硅层进行平坦化处理，得到光洁晶圆表面；

S6：在富硅氮化硅层上形成第二掩膜层，通过光刻的方式将光学波导图形转移到第二掩膜层上；

S7：通过刻蚀将第二掩膜层上的光学波导图形转移到富硅氮化硅层上，形成富硅氮化硅包层结构；

S8：除去第二掩膜层并清洗晶圆，得到具有包芯电光材料层的波导结构。

进一步地，所述富硅氮化硅层中富硅氮化硅材料与所述电光材料芯层中电光材料之间需满足折射率匹配。

进一步地，所述富硅氮化硅层中富硅氮化硅的组分根据电光材料芯层的实测折射率进行调整，用于实现折射率匹配，匹配条件须满足：

其中，

进一步地，所述电光材料芯层无需全部包含在富硅氮化硅包层结构当中；依据针对波导结构应用场景设计的光学波导图形，选择性调整富硅氮化硅包层结构中是否含有电光材料芯层。

进一步地，所述绝缘层上电光材料薄膜晶圆由下至上包括硅衬底层、绝缘层和电光材料层；所述电光材料层通过He+或H+离子注入并进行加热剥离进行制备，后续步骤无需执行化学机械研磨得到平坦表面。

进一步地，所述第一掩膜层用于形成具有足够厚度阶梯的电光材料芯层，所述第二掩膜层在刻蚀过程结束后需保证残留的第二掩膜层均匀且一体地覆盖在富硅氮化硅层上。

进一步地，采用Ar+等离子轰击的形式来形成电光材料芯层，所述电光材料芯层的顶层部分能够承受由Ar+等离子过度轰击造成的过度刻蚀。

根据本发明的第三方面，提供一种上述方法制备的具有包芯电光材料层的波导结构在光电器件中的应用，采用平板电极，通过电光材料芯层提供的电光效应实现光学相位调整。

根据本发明的第四方面，提供一种上述方法制备的具有包芯电光材料层的波导结构在光电器件中的应用，电光材料芯层作为非线性光学增益材料，通过引入非线性光学效应，实现光混频和光差/倍频功能。

本发明的有益效果是：无需对电光材料波导的表面和侧壁进行研磨处理，通过引入外包层为富硅氮化硅的结构，可将波导侧壁刻蚀难度降低，更加容易得到光滑的波导侧壁。本发明提供的波导结构制备方法工艺简单、成本低廉、且可以集成到CMOS工艺，十分适合大规模非线性光电芯片的设计与制备。

附图说明

图1是本公开提供的具有包芯电光材料层的波导结构示意图；

图2是本公开提供的具有包芯电光材料层的波导结构的制备流程图；

图3中（a）是本公开提供的制备步骤S1的结构示意图，（b）是本公开提供的制备步骤S2的结构示意图，（c）是本公开提供的制备步骤S3的结构示意图，（d）是本公开提供的制备步骤S4的结构示意图；

图4中（a）是本公开提供的制备步骤S5的结构示意图，（b）是本公开提供的制备步骤S6的结构示意图，（c）是本公开提供的制备步骤S7的结构示意图，（d）是本公开提供的制备步骤S8的结构示意图；

图5中（a）是本公开提供的裸露电光材料波导模式示意图，（b）是本公开提供的包芯电光材料波导模式示意图；

图6（a）是本公开提供的一种基于Mach-Zender结构的包层电光材料波导的器件结构示例；

图6（b）是本公开提供的一种基于微环结构的包层电光材料波导的器件结构示例；

图中，101为硅衬底层，102为绝缘层，103为富硅氮化硅层，104电光材料层，105为电光材料芯层，110为绝缘层上电光材料薄膜晶圆，301第一掩膜层，401为第二掩膜层，402为富硅氮化硅包层结构，501为富硅氮化硅波导结构，502为平板电极。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例提供一种具有包芯电光材料层的波导结构，该波导结构由下至上包括硅衬底层101、绝缘层102、富硅氮化硅包层结构402，富硅氮化硅包层结构402由电光材料芯层105包含于富硅氮化硅层103形成，电光材料芯层105的材料特征在于在定向施加电场条件下能够发生材料折射率的改变。

在另一个实施例中，提供一种具有包芯电光材料层的波导结构的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：如图3中（a）所示，提供绝缘层上电光材料薄膜晶圆110；绝缘层上电光材料薄膜晶圆110包含下述三层结构，且其优选厚度已给出：

电光材料层104，厚度为0.1-1微米；

绝缘层102，可采用氧化硅，厚度为1-10微米；

硅衬底层101，厚度为100-1000微米。

优选地，绝缘层上电光材料薄膜晶圆110的尺寸范围为2-12英寸。

优选地，绝缘层上电光材料薄膜晶圆110上的电光材料层104可通过He+或H+离子注入并进行加热剥离进行制备。

优选地，绝缘层上电光材料薄膜晶圆110上的电光材料层104无需预先执行化学机械研磨得到平坦表面。

优选地，绝缘层上电光材料薄膜晶圆110上的电光材料层104可直接通过干法/湿法刻蚀减薄至所需厚度。

S2：如图3中（b）所示，在绝缘层上电光材料薄膜晶圆110上形成第一掩膜层301；

优选地，第一掩膜层301可使用光刻胶或电子束胶，通过旋涂、固胶、曝光、显影等步骤形成所需光学波导图形。

特别地，第一掩膜层301可使用与电光材料的刻蚀选择比差别更小的阻挡层材料。

特别地，第一掩膜层301对光刻胶或电子束胶的厚度要求更低。

S3：如图3中（c）所示，通过干法刻蚀的方式将第一掩膜层301上形成的光学波导图形转移到电光材料层104上，形成电光材料芯层105；电光材料芯层105的顶层和侧壁均可以为粗糙结构，经由后续步骤可实现波导传播损耗与电光材料芯层表面粗糙度不相关的波导制备；

优选地，干法刻蚀可选择采用Ar+等离子轰击的形式来形成电光材料芯层105。

优选地，电光材料芯层105的顶层部分可承受由Ar+等离子过度轰击造成的过度刻蚀。

S4：如图3中（d）所示，除去第一掩膜层301，并在电光材料芯层105周围及顶部形成富硅氮化硅层103；

优选地，富硅氮化硅(Si

其中，

优选地，富硅氮化硅层103的厚度范围为0.1-2微米。

S5：如图4中（a）所示，对富硅氮化硅层103进行平坦化处理，以得到光洁晶圆表面；

优选地，对富硅氮化硅层103 的平坦化处理可由化学机械研磨得到，在化学机械研磨过程中可使用CeO

优选地，要求研磨后的晶圆表面的粗糙度应达到均方根值小于或等于1nm，晶圆表面的观测范围至少为10×10μm

S6：如图4中（b）所示，在富硅氮化硅层103上形成第二掩膜层401，并通过光刻的方式将光学波导图形转移至第二掩膜层401上；

优选地，第二掩膜层401可使用光刻胶或电子束胶，通过旋涂、固胶、曝光、显影等步骤形成所需光学波导图形。

优选地，在刻蚀过程结束后需保证残留的第二掩膜层401均匀且一体地覆盖在富硅氮化硅层103上。

S7：如图4中（c）所示，通过刻蚀将第二掩膜层401上的光学波导图形转移到富硅氮化硅层103上，形成富硅氮化硅包层结构402；

特别地，需选择干法刻蚀的方式，刻蚀反应气体包括但不限于Ar、He、SF

S8：如图4中（d）所示，除去第二掩膜层401并清洗晶圆，得到具有包芯电光材料层的波导结构。

特别地，需在晶圆清洗后额外进行灰化工艺以除去表面及刻蚀沟道中的残留杂质。

特别地，第一掩膜层301的阻挡层材料相比较于第二掩膜层401的阻挡层材料相比选择范围更广。这是因为在本公开中，电光材料层的制备仅在芯层区域制备时考虑，其厚度、宽度以及表面粗糙度并不影响后续包层结构的制备。在选择阻挡层材料时，往往需要考虑提供足够高的刻蚀选择比（定义为相同时间内目标材料刻蚀厚度与阻挡层材料刻蚀厚度的比值）以防止目标材料表面由于阻挡层被提前蚀刻后形成不规则图案。一般而言，刻蚀选择比需大于或等于2。在本公开中，第一掩膜层301的刻蚀选择比仅需大于1即可。需注意，在本实施例中，第一掩膜层301的作用仅为形成具有足够厚度阶梯的电光材料芯层105结构，电光材料芯层105无需全部包含在由随后沉积形成的富硅氮化硅包层结构402当中。依据针对波导结构应用场景设计的光学波导图形，可以通过选择性调整富硅氮化硅包层结构402中是否含有电光材料芯层105的方式，降低由密集图形定义造成的刻蚀图形粘连和槽形结构中的刻蚀副产物聚集效应。

特别地，在第一掩膜层301的形成过程中，并未严格指定刻蚀气体的阻挡材料一定是光刻胶或者电子束胶。由于第一掩膜层301所构成的电光材料芯层105对侧壁和顶层的平面粗糙度要求很低，因此其内部的波导模式并不会被真正用于波导结构当中。如图5中（a）所示，在仅有电光材料芯层105存在的情况下，由于刻蚀造成的粗糙侧壁和未经研磨处理得到的电光材料薄膜表面共同导致在电光材料芯层105中的波导模式分布（以C波段为例）非均匀且存在模式泄露现象。这种波导模式会引入极大的光学能量损耗，不适用于光波导的制备与评价。

特别地，当通过第二掩膜层401的光学波导图形转移形成了富硅氮化硅包层结构402时，通过富硅氮化硅材料与电光材料（以铌酸锂为例，包括但不限于如钽酸锂及其他无机电光材料）之间的折射率匹配可以实现对光波导中波导模式的修正。如图5中（b）所示，在形成了富硅氮化硅包层结构402之后，光波导中的波导模式分布被重新分配至经过折射率匹配后的富硅氮化硅包层结构402中，在此例中富硅氮化硅与电光材料之间的折射率差为0.1，其具体数值可根据实际采用的电光材料折射率及插入损耗容忍度进行调整。在富硅氮化硅的沉积过程当中，由反应腔内的温度、气体压力以及气体组分的变化与浮动造成的富硅氮化硅层103可存在折射率漂移，形成诸如连续阶梯、尖峰或低谷及其随机组合形式的折射率分布。在图5的（b）中可以看到即便存在折射率差异，其光场局域效果与波导模式分布仍十分稳定。因此，该实例在折射率无法完全匹配的情况下，依旧体现出了足够优秀的容错性，可应用于一些无法精确匹配材料折射率的生产场景，同时能够进一步降低生产成本。

接下来阐述基于该类型波导结构实现的光芯片平台上的两种器件结构，如图6（a）和图6（b）所示，在这两种器件结构中采用了铌酸锂晶体作为电光材料进行阐述。

在图6（a）中，介绍了一种利用经典马赫-曾德尔（Mach-Zender）结构实现的电光调制器结构。在本结构中，光信号经由富硅氮化硅波导结构501传导至富硅氮化硅包层结构402中。富硅氮化硅包层结构402的两侧分布有平板电极502，其材料可为金、银或其他常见金属材料。由于富硅氮化硅不具有电光效应，通过对平板电极印加电压的方式，可调节富硅氮化硅包层结构402中电光材料芯层105上的分压，利用铌酸锂材料的电光效应，可实现零静态功耗的光学相位调制。

在图6（b）中，介绍了一种利用微环结构实现的电光调制器结构。在本结构中，光信号的相位调制亦可通过电光材料芯层105提供的电光效应实现。

特别地，对于图6（b）所述微环结构，电光材料芯层105相比较于富硅氮化硅材料，可提供额外的二阶非线性光学效应，更适合灵活实现基于微环结构或跑道型微环结构制备的高Q值非线性光学谐振腔。这类谐振腔已被广泛应用于光学频率梳和高品质窄线宽激光器的制备当中。

特别地，对于图6（b）所述微环结构，其耦合区域由富硅氮化硅波导结构501构成，其刻蚀工艺相比较于电光材料芯层105而言更为简单，侧壁光滑度控制也更为容易。

此外，在不包括平板电极502的光电器件结构中，电光材料芯层105可作为非线性光学增益材料，通过引入如二阶或三阶非线性光学效应，可实现光混频和光差/倍频等功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。