CN117991448A - 一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 - Google Patents
一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117991448A CN117991448A CN202410407840.3A CN202410407840A CN117991448A CN 117991448 A CN117991448 A CN 117991448A CN 202410407840 A CN202410407840 A CN 202410407840A CN 117991448 A CN117991448 A CN 117991448A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium niobate
- thin film
- grating
- niobate thin
- waveguide
- 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.)
- Granted
Links
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 137
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 85
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 91
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 34
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 31
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 20
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 16
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 8
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000002164 ion-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000000678 plasma activation Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本申请提供一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，包括如下步骤:在硅基的铌酸锂薄膜晶圆A上光刻和刻蚀光栅；在具有光栅的铌酸锂薄膜层上沉积二氧化硅介质膜并进行化学机械抛光以使表面平坦化并降低表面粗糙度；此晶圆A和已经离子注入的铌酸锂晶圆B合并在高温下同时完成A‑B晶圆键合和铌酸锂薄膜的剥离；在顶层铌酸锂薄膜上形成脊波导；脊波导上沉积二氧化硅介质膜并形成所需电极。本申请可以有效将光栅与铌酸锂薄膜波导集成形成紧凑光电器件，在获得高光栅藕合效率同时可达到低传输损耗，降低制造成本，可应用于多种光电子集成器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法。
背景技术
布拉格光栅（DBR）是功能光学器件的基本组成部分，在各种光子平台（光纤、硅和其他半导体）具有通信、激光和传感等多种应用。布拉格光栅和铌酸锂（LiNbO3，LN）等材料的非线性光学和电光特性组合在一起时尤其具备独特的性能。诸如频率转换，光切换，调制器和量子光学器件可以极大地受益于在铌酸锂薄膜波导中嵌入布拉格光栅反射器和滤波器功能，因为这可以实现超紧凑的电调制光开关和调制器以及紧凑的非线性光学器件(例如光学参量振荡器)。
但是铌酸锂单晶材料无合适的晶格匹配DBR材料而且难以采用外延生长技术，因而无法像砷化镓或磷化铟材料可通过底部光栅刻蚀和二次外延技术实现例如光通市场广泛应用的砷化镓或磷化铟DFB激光器。目前，光栅和铌酸锂薄膜波导的集成制作技术主要有以下几种方法:
1)钛扩散折射、质子交换折射、飞秒激光注入或表面沉积异质材质光栅, (见IEEEPhotonics and Technology Letters, Vol. 14,2002, pp. 1430-1432, AppliedPhysics B Vol. 106, 2021, pp. 51-56, Electronic Letters Vol. 35, 1999, pp.1636 和 Journal of Optics A, Vol. 2, 2000, pp. 481-487 )。这些方法虽然相对易于实现，但是它们的共同缺点是折射系数差异很小，耦合效率低，不能制成紧凑高效的器件。同时扩散和离子交换还存在过程可控性的难题。
2)在波导上刻蚀光栅, (见Optics Letters, Vol. 39, 2014, pp. 371-374)。这种方法采用离子束刻蚀在钛扩散的波导上深度刻蚀光栅，利用空气和铌酸锂的折射系数差别，数个光栅对可达到>50%的反射率从而使器件更为紧凑。但是这种方法对光栅的刻蚀角度要求非常高，在刻蚀理想角度90°条件下，大于90±2°的角度会导致波导光通的完全损失。无法达到规模化生产的条件。
3)在脊波导的侧面刻蚀光栅, (见ACS Photonics, Vol.8, 2021, pp. 2923-2930)。 由于脊波导的顶部光栅和光波耦合效率低, 这种方法采用电子束光刻波导形成锯齿形边缘，随后的离子束刻束在波导的侧面形成光栅，但是这种方法生产成本昂贵，效率低下，而且其传输损耗高达2.9dB/cm，只能用在极短的波导器件上。
发明内容
本申请的目的是提出一种光栅和波导集成器件中的铌酸锂薄膜光栅和波导的集成方法。采用这种方法可以降低当前光栅和铌酸锂薄膜波导集成制作的难度，由于不需要在脊波导上形成光栅，在铌酸锂薄膜波导底部形成的高对比度光栅，在获得高反射的同时可以将传输损耗降低至0.1dB/cm以下，改善器件的光电性能，例如提高频率转换效率，调制器的强度调制效率，以及波导器件的电光效果。该方法可以广泛应用于非线性材料的光电器件制作中，例如超紧凑的电调制光开关和调制器以及紧凑的非线性光学参量振荡器。
本申请提出一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，包括如下步骤：
在第一晶圆的第一铌酸锂薄膜上用光刻形成光栅图案，并通过刻蚀形成光栅层；
在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光；
对第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入，并在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光；
将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合，并同时将所述第二铌酸锂从所述第二晶圆上剥离；
对剥离后的所述第二铌酸锂薄膜进行刻蚀以使得所述第二铌酸锂薄膜表面平坦化；
在所述第二铌酸锂薄膜表面沉积铬金属以作为脊刻蚀的掩模；
对所述第二铌酸锂薄膜进行光刻，并通过刻蚀形成脊波导；
在所述脊波导上沉积第三介质膜，然后在所述脊波导的两边沉积电极。
可选的，所述第一铌酸锂薄膜厚度为300-900nm，所述光栅层刻蚀深度为20-500nm。
可选的，所述第一介质膜厚度不小于所述光栅层厚度的三倍。
可选的，在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第一介质膜厚度大于100nm；
在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第二介质膜厚度大于100nm。
可选的，在对所述第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入步骤中，离子注入深度在0.3-20 um之间。
可选的，将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合步骤后，所述第一介质膜和所述第二介质膜总厚度200-1000nm之间。
可选的，所述第一晶圆的铌酸锂薄膜为硅基铌酸锂薄膜。
可选的，所述光刻为电子束光刻。
可选的，所述蚀刻为感应耦合电浆蚀刻。
可选的，所述第一介质膜和所述第二介质膜为二氧化硅介质膜。
本申请还提出了一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，包括如下步骤：
（1）在A硅基铌酸锂薄膜晶圆上用电子束光刻形成光栅图案，随后采用感应耦合电浆蚀刻在铌酸锂薄膜上刻蚀光栅结构形成光栅层；
（2）在铌酸锂光栅上沉积二氧化硅介质膜并进行化学机械抛光以使表面平坦化并降低表面粗糙度以便与B晶圆铌酸锂薄膜波导层的键合；
（3）在已经过离子注入的铌酸锂晶圆B上沉积二氧化硅介质膜并进行化学机械抛光以降低表面粗糙度，并将其与有光栅层的晶圆A键合，其表面形成SiO2-SiO2键合并加热至>220C；以加强键合强度并实现离子注入铌酸锂单晶薄膜的剥离；
（4）采用氩离子刻蚀已剥离的铌酸锂薄膜表面以降低其表面粗糙度，然后在其表面沉积铬金属薄膜作为脊刻蚀的掩模，在光刻图案化后用感应耦合电浆蚀刻在铌酸锂薄膜上刻蚀脊波导；
（5）在铌酸锂薄膜脊波导上沉积二氧化硅介质膜，然后在脊的两边沉积所需的电极,形成集成光电器件。
其中所述的；其中在A硅基铌酸锂薄膜上形成光栅结构，铌酸锂薄膜的厚度为300-900nm，光栅的刻蚀深度为20-500nm，形成铌酸锂波导的底部光栅结构。
其中另一B铌酸锂晶圆经过离子注入工艺过程，离子注入破坏层深度可介于0.3-20um。
其中采用本申请制作集成铌酸锂波导器件时，在A晶圆光栅层上沉积大于3倍光栅刻蚀深度的二氧化硅介质膜并以化学机械抛光的手段去除光栅造成的波形轮廓，使二氧化硅表面平坦化，同时达到表面粗糙度小于1nm（RMS）。
其中采用本申请制作集成铌酸锂波导器件时，在B铌酸锂晶圆离子注入面沉积二氧化硅介质膜，这层二氧化硅薄膜厚度可根据器件性能要求设置。沉积后的二氧化硅介质膜通过化学机械抛光的手段减少表面粗糙度并达到小于1nm（RMS）。
其中采用本申请制作集成铌酸锂波导器件时，将A和B晶圆的二氧化硅表面进行直接键合并缓慢加热至高于220度。其目的是剥离离子注入铌酸锂薄膜的同时强化SiO2-SiO2间面粘合力。
其中采用本申请制作集成铌酸锂波导器件时，在剥离的铌酸锂薄膜表面以氩离子刻蚀减少表面粗糙度至4-6nm(RMS)，降低波导的传输损耗。
本申请的特点在于在A硅基的薄膜铌酸锂衬底上通过一种特殊的光栅形成和表面平整化过程，并与B离子切割薄膜的铌酸锂晶圆实现SiO2-SiO2直接结合，形成具备底部光栅的铌酸锂波导器件。这种方法避免了在脊波导特殊轮廓上形成光栅的需求，可显著降低集成器件成本，降低波导传输损耗，改进器件光电性能。而且这种方法具有普适性，可推广应用于多种材料的波导和光栅结构的集成制作中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 在A硅基的铌酸锂薄膜上形成的光栅和经化学机械抛光平坦化的二氧化硅覆盖膜示意图；
图2 在B铌酸锂晶圆离子注入面沉积二氧化硅介质膜的示意图；
图3 将A和B晶圆键合后的示意图；
图4 键合后经高温处理铌酸锂薄膜剥离后的示意图；
图5为集成光栅和铌酸锂薄膜波导光电器件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
在本申请的一个实施例中，提出一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，包括如下步骤：
在第一晶圆的第一铌酸锂薄膜上用光刻形成光栅图案，并通过刻蚀形成光栅层；
在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光；
对所述第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入，并在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光；
将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合，并同时将所述第二铌酸锂从所述第二晶圆上剥离；
对剥离后的所述第二铌酸锂薄膜进行刻蚀以使得所述第二铌酸锂薄膜表面平坦化；
在所述第二铌酸锂薄膜表面沉积铬金属以作为脊刻蚀的掩模；
对所述第二铌酸锂薄膜进行光刻，并通过刻蚀形成脊波导；
在所述脊波导上沉积第三介质膜，然后在所述脊波导的两边沉积电极。
可选的，所述第一铌酸锂薄膜厚度为300-900nm，所述光栅层刻蚀深度为20-500nm。
可选的，所述第一介质膜厚度不小于所述光栅层厚度的三倍。
可选的，在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第一介质膜厚度大于100nm；
在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第二介质膜厚度大于100nm。
可选的，在对所述第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入步骤中，离子注入深度在0.3-20 um之间。
可选的，将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合步骤后，所述第一介质膜和所述第二介质膜总厚度在200-1000nm之间。
可选的，所述第一晶圆的铌酸锂薄膜为硅基铌酸锂薄膜。
可选的，所述光刻为电子束光刻。
可选的，所述蚀刻为感应耦合电浆蚀刻。
可选的，所述第一介质膜和所述第二介质膜为二氧化硅介质膜
请参阅图1至图4，在本申请的另一个实施例中，提出了一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，实施过程中包括如下步骤:
步骤1：如图1所示，首先在A硅基的薄膜铌酸锂晶圆上110、120、130进行电子束光刻形成光栅的表面图案，然后采用感应耦合电浆蚀刻在铌酸锂薄膜130上刻蚀光栅结构形成光栅层， 其中硅基为110层，二氧化硅粘合层为120，铌酸锂薄膜为130。
在具体实施中，亦可选在铌酸锂基，石英基，熔融石英基薄膜铌酸锂晶圆，或者直接在铌酸锂衬底上形成光栅层。
在具体实施中，本申请选择铌酸锂薄膜130作为高折射的光栅材料，其厚度为300-900nm，同时可匹配后续铌酸锂波导（图3中的 151）的透光范围。根据应用需要高折射光栅材料亦可选择其它光学薄膜材料，如钽酸锂，二氧化铪，氧化钇等材料。
在具体实施中，由于光栅在平整表面上形成，其光刻工艺除了电子束直写外，亦可采用纳米压印和激光干涉等工艺手段实现，和现用电子束光刻工艺相比，可有效降低光刻工艺成本，提高制造灵活性和光栅质量。
在具体实施中，光栅刻蚀采用感应耦合电浆过程，化学反应气体可采用含氯气体，氩气和氦气以及这些气体的组合。刻蚀深度范围在20-500nm之间，形成铌酸锂波导的底部光栅结构。
步骤二：继续参照图1，本申请实施例中，在A 铌酸锂薄膜光栅表面，使用二氧化硅介质膜141作为光栅的低折射系数对比材料，在铌酸锂光栅上沉积3倍于二氧化硅介质膜141作为刻蚀光栅填充层和晶圆表面键合层，并对介质膜141进行化学机械抛光以使表面平坦化和降低表面粗糙度以便与B铌酸锂薄膜波导层晶圆（见图2）的键合, 其表面粗糙度须控制在1nm以下以满足后续SiO2-SiO2直接键合要求；
请参阅图2，在具体实施中，本申请采用的B晶圆为铌酸锂单晶材料150，其中氦离子注入表面铌酸锂薄膜151深度可以在0.3-20um之间。
在具体实施中，随后在B晶圆表面沉积二氧化硅介质膜142并进行化学机械抛光，其表面粗糙度须控制在1nm以下以达到后续SiO2-SiO2直接键合；
步骤三：如图3所示，将A和B晶圆的二氧化硅表面进行直接键合并缓慢加热至高于220度。
需要说明的是，在加热过程中，铌酸锂薄膜151从供体铌酸锂晶圆B上分离作为铌酸锂单晶薄膜波导材料， 同时SiO2-SiO2界面键合在加热过程得到强化。
在具体实施中，SiO2表面可通过等离子体激活，表面活化和原子扩散等表面处理工艺手段加强SiO2-SiO2键合强度。
在具体实施中，供体铌酸锂晶圆在薄膜剥离后（150），表面经化学机械抛光后，可以重复利用以降低制作成本。
步骤四：在本申请实施例中，图4显示硅基铌酸锂光栅薄膜晶圆A和151铌酸锂薄膜波导的组成示意图。两层铌酸锂薄膜间有141和142键合后的二氧化硅介质膜140隔离。其中140的厚度由光栅耦合强度和铌酸锂波导底部覆盖层等综合因素决定，此处不做限定。
在具体实施中，因剥离的151铌酸锂波导薄膜有相当的表面粗糙度，需要用氩离子刻蚀大于70nm的铌酸锂表面材料以降低表面粗糙度至4-6nm(rms)，降低铌酸锂波导的传输损耗。
集成光栅和铌酸锂（LiNbO3，LN）等材料的非线性光学和电光特性组合是一种非常重要的光电器件。在铌酸锂薄膜波导中嵌入布拉格光栅反射器和滤波器功能，可以实现超紧凑的电调制光开关和调制器以及紧凑的非线性光学器件。本申请该方法的特点在于在硅基的薄膜铌酸锂衬底上通过一种特殊的光栅形成和表面平整化过程，并与离子切割铌酸锂薄膜的铌酸锂晶圆实现直接结合，形成具备底部光栅的铌酸锂波导器件。这种方法避免了在脊波导特殊轮廓上形成光栅的需求，显著降低集成器件成本，降低波导传输损耗，改进器件光电性能。
图5就是集成光栅和铌酸锂波导的光电器件的示意图。 参照以上具体制作步骤(1)-(4)，在图5的结构基础上实现集成光栅和铌酸锂波导的完整光电器件。
在具体实施中，在图5的铌酸锂薄膜160沉积金属薄膜作为脊刻蚀的硬掩模层，例如可以采用铬金属等金属材料。然后以光刻和感应耦合电浆刻蚀将脊图形转移至金属膜上，最后在金属掩模下通过感应耦合电浆蚀刻铌酸锂薄膜并形成脊条波导。化学反应气体可采用含氯气体，氩气和氦气以及这些气体的组合。刻蚀后形成的铌酸锂脊结构如图5的152所示。
在具体实施中，在铌酸锂脊结构152上沉积二氧化硅介质膜160以形成铌酸锂脊波导的覆盖层以降低波导传输损失。亦可以根据波导性能需求采用其它氧化物或氮化物介质材料。
在一种可能的实现方式中，信号电极170和171可以沉积在波导的两侧，信号电极材料可以采用例如金(Au)等金属材料，此处不做限定。
在具体实施中，最后通过砂轮切割和端面抛光或者激光切割形成光输入和输出端面，并在端面镀增透膜180，完成整个器件的制作。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在第一晶圆的第一铌酸锂薄膜上用光刻形成光栅图案，并通过刻蚀形成光栅层；
在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光；
对第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入，并在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光；
将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合，并同时将所述第二铌酸锂从所述第二晶圆上剥离；
对剥离后的所述第二铌酸锂薄膜进行刻蚀以使得所述第二铌酸锂薄膜表面平坦化；
在所述第二铌酸锂薄膜表面沉积铬金属以作为脊刻蚀的掩模；
对所述第二铌酸锂薄膜进行光刻，并通过刻蚀形成脊波导；
在所述脊波导上沉积第三介质膜，然后在所述脊波导的两边沉积电极。
2.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，所述第一铌酸锂薄膜厚度为300-900nm，所述光栅层刻蚀深度为20-500nm。
3.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，所述第一介质膜厚度不小于所述光栅层厚度的三倍。
4.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，
在所述光栅层上沉积第一介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第一介质膜厚度大于100nm；
在经过离子注入的所述第二铌酸锂薄膜上沉积第二介质膜并进行化学机械抛光步骤之后，所述第二介质膜厚度大于100nm。
5.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，在对所述第二晶圆的第二铌酸锂薄膜进行离子注入步骤中，离子注入深度在0.3-20 um之间。
6.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，
将所述第一晶圆的第一介质膜一侧和所述第二晶圆的第二介质膜一侧进行键合步骤后，所述第一介质膜和所述第二介质膜总厚度在200-1000nm之间。
7.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，所述第一晶圆的铌酸锂薄膜为硅基铌酸锂薄膜。
8.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，其特征在于，所述光刻为电子束光刻。
9.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，所述蚀刻为感应耦合电浆蚀刻。
10.根据权利要求1所述的集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法，所述第一介质膜和所述第二介质膜为二氧化硅介质膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410407840.3A CN117991448B (zh) | 2024-04-07 | 一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410407840.3A CN117991448B (zh) | 2024-04-07 | 一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117991448A true CN117991448A (zh) | 2024-05-07 |
| CN117991448B CN117991448B (zh) | 2024-06-04 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001116943A (ja) * | 1999-10-20 | 2001-04-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 金属酸化物薄膜素子の製造方法 |
| WO2004034108A1 (en) * | 2002-10-09 | 2004-04-22 | Agere Systems Inc. | Lithium niobate grating structure with high refractive index overlay |
| CN104914502A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-09-16 | 天津理工大学 | 一种在铌酸锂晶体上同时制备波导及光栅的方法 |
| CN107843957A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-03-27 | 上海理工大学 | 氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法 |
| CN108732795A (zh) * | 2017-04-14 | 2018-11-02 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法 |
| CN111061072A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-04-24 | 南京南智先进光电集成技术研究院有限公司 | 一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法 |
| CN116454170A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-07-18 | 平湖科谱激光科技有限公司 | 一种光电器件及其制备工艺 |
| CN117192686A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-12-08 | 中国科学院半导体研究所 | 高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法 |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001116943A (ja) * | 1999-10-20 | 2001-04-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 金属酸化物薄膜素子の製造方法 |
| WO2004034108A1 (en) * | 2002-10-09 | 2004-04-22 | Agere Systems Inc. | Lithium niobate grating structure with high refractive index overlay |
| CN104914502A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-09-16 | 天津理工大学 | 一种在铌酸锂晶体上同时制备波导及光栅的方法 |
| CN108732795A (zh) * | 2017-04-14 | 2018-11-02 | 天津领芯科技发展有限公司 | 一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法 |
| CN107843957A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-03-27 | 上海理工大学 | 氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法 |
| CN111061072A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-04-24 | 南京南智先进光电集成技术研究院有限公司 | 一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法 |
| CN116454170A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-07-18 | 平湖科谱激光科技有限公司 | 一种光电器件及其制备工艺 |
| CN117192686A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-12-08 | 中国科学院半导体研究所 | 高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5408566A (en) | Optical guided-wave device and manufacturing method | |
| US9111730B2 (en) | Method for production of optical waveguides and coupling and devices made from the same | |
| CN111965854B (zh) | 电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器 | |
| CN111965856B (zh) | 一种电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器 | |
| WO2024007586A1 (zh) | 一种三层堆叠结构晶圆的制备方法及应用 | |
| CN211786214U (zh) | 一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片 | |
| WO2024104022A1 (zh) | 具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用 | |
| CN117991448B (zh) | 一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 | |
| CN117991448A (zh) | 一种集成光栅和铌酸锂薄膜波导的方法 | |
| US6856746B2 (en) | Titanium-indiffusion waveguides and methods of fabrication | |
| JP2574606B2 (ja) | 誘電体光導波路素子およびその製造方法 | |
| JP4653391B2 (ja) | 光制御素子の製造方法 | |
| CN111781676A (zh) | 一种布拉格波导光栅调制器 | |
| WO2021014606A1 (ja) | プラズモニック導波路 | |
| CN111965858B (zh) | 一种电光晶体薄膜及其制备方法，及电光调制器 | |
| JPH06289347A (ja) | 光導波路素子とその製造方法 | |
| CN109683354B (zh) | 一种中红外波段调制器及其制备方法 | |
| CN114114538A (zh) | 光耦合结构及其制备方法、包括光耦合结构的硅基芯片 | |
| JP2581486B2 (ja) | 光導波路素子およびその製造方法 | |
| CN111487791B (zh) | 一种集成光学复合基板 | |
| CN113224187A (zh) | 复合薄膜及其制造方法 | |
| WO2023238184A1 (ja) | 光変調器 | |
| CN112764244B (zh) | 一种电光晶体薄膜、制备方法及电子元器件 | |
| Duan et al. | III–V on silicon transmitters | |
| US20230059629A1 (en) | Composite Film and Fabrication Method Therefor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |