一種硅基光子材料器件制備方法與流程

本發明涉及硅基光子技術領域，具體為一種硅基光子材料器件制備方法。

背景技術：

硅基光子集成技術在過去十幾年受到了廣泛的關注，分別在通信傳輸、數據處理以及生化傳感等領域得到了快速的發展。伴隨著這些技術的發展，硅基光子芯片的耦合封裝技術也被廣泛的研究，針對硅基光子集成芯片，目前主要有兩種耦合方式，一種是端面耦合，即光波導的端面與光纖的端面平行對準，利用光纖或者波導出射的光一定程度的準直性直接進行信號的發送和接收；另外一種是垂直耦合，通過芯片上制作好的垂直耦合光柵結構進行信號的接收和傳送。

目前，將結構調整和材料填充兩種方式有機地結合在一起，來系統研究硅基光子材料器件的制備方法尚未發現。

技術實現要素：

本發明旨在解決背景技術中存在的問題，提出一種新型的硅基光子材料器件制備方法。

本發明采用的技術方案如下：

一種硅基光子材料器件制備方法，包括以下步驟：

a)加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅納米晶粒：

首先，通過切片、磨片和拋光的工序進行粗硅制備，粗硅經過提純后得到晶體生長的原料；然后將晶體生長的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體；最后通過切割機將晶體切成厚度為幾百微米的晶粒；

b)通過光刻工藝的方式對晶粒進行加工：

首先，利用光刻膠處理設備把光刻膠旋涂到晶粒表面；然后將掩膜圖形轉移到晶粒表面的光刻膠上，再經過分步重復曝光和顯影處理之后，在晶粒上形成需要的圖形；

c)采用uhv/cvd在硅襯底上生長ge量子點：

首先，在硅襯底上生長一層緩沖層；然后交替生長ge量子點和硅間隔層以形成有源區；最后在硅頂層上生長厚度為1.5nm的氧化層，構成mos結構的柵氧；

d)對加工過后的晶粒摻雜化學混合元素；

e)利用步驟d)制備得到的晶粒形成光開關陣列構成光波導開關；

f)化學研磨與物理成型：

首先采用化學機械拋光技術，使用拋光墊和化學研磨劑選擇性拋光沉積層使其平坦化；然后利用銅鑲嵌互連工藝，采用精細的線寬技術和低k介電材料加工出硅基光子電路板；

g)對加工出的硅基光子電路板進行晶粒探針測試。

本發明的優點在于：(1)可獲得熱導性好、電學性能好的硅基光子材料器件；(2)制備的材料與硅微電子工藝兼容，適合制作硅基光電子集成芯片；(3)制備方法簡單，且成本低廉，工藝可靠；(4)本發明的研究極大地促進了相鄰學科的交叉和發展。

附圖說明

圖1為本發明一種硅基光子材料器件制備方法流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參見圖1，本實施例的一種硅基光子材料器件制備方法，包括以下步驟：

a,加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅納米晶粒：

首先通過切、磨和拋等方式，先進行粗硅制備：sio2+2h2＝si+2h2o，粗硅經過提純后，晶體純度達到99％；然后再將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體；最后通過高精度切割機將晶體切成厚度約幾百微米的晶粒。

b,通過光刻工藝的方式對晶粒進行加工：

首先，利用光刻膠處理設備把光刻膠旋涂到晶粒表面；然后將掩膜圖形轉移到晶粒表面的光刻膠上，再經過分步重復曝光和顯影處理之后，在晶粒上形成需要的圖形，以一個制程所需要經過掩膜數量來表示這個制程。其中，光刻選用投影式對晶粒雙面對準光刻，并采用薄膠光刻，光刻流程包括前處理、勻膠、前烘、對準曝光、顯影、后烘等流程。

c，采用超高真空化學氣相淀積系統(uhv/cvd)在硅襯底上生長ge量子點：

先生長一層緩沖層，然后交替生長ge量子點和硅間隔層以形成有源區，生長過程中，由于晶粒失配會引入應力，自組織的ge量子點的尺寸和密度就由應力的大小決定，而量子點的位置可以通過納米刻印的方法來控制，生長數個周期的ge量子點以后，在硅頂層上生長厚度僅為1.5nm的氧化層，構成mos結構的柵氧。

d，對加工過后的晶粒摻雜化學混合元素，將需要的雜質摻入特定的半導體區域中，以達到改變半導體電學性質，形成pn結、電阻歐姆接觸，通過摻雜可以在硅襯底上形成不同類型的半導體區域，構成各種器件結構，摻雜工藝的基本思想就是通過某種技術措施，將濃度在78％-92％之間的三價元素或五價元素，包含磷、砷摻入半導體襯底。具體的摻雜方法有兩種：s1，擴散法，將摻雜氣體導入放有硅片的高溫爐，將雜質擴散到硅片內一種方法；s2，離子注入法，利用電場加速雜質離子，將其注入硅襯底中，精密地控制擴散得到的低濃度雜質分布。

e，利用步驟d制備得到的晶粒形成光開關陣列構成光波導開關：

硅中載流子濃度的變化會引起硅的折射率的變化，與gaas的電光效應水平相當，利用硅的自由載流子等離子色散效應容易實現電光開關作用，電光開關的開關速度由自由載流子的壽命決定，因而開關速度快，可達納秒量級，以2×2光開關為基本單元，可以構成光開關陣列。光開關陣列拓撲結構的主要參數有損耗、串擾、偏振敏感性和集成的開關單元級數和數目等，開關單元的性能和光開關陣列的網絡結構形式直接決定陣列性能的好壞，光開關陣列的損耗主要包括：光纖同開關間的耦合損耗、介質中的傳輸損耗、彎曲波導引入的輻射損耗和開關單元本身的損耗，陣列的損耗中很大一部分是與開關元數目和光路的長度成正比，陣列開關的串擾主要由兩部分組成：交叉波導帶來的串擾和開關單元自身兩條光路之間耦合引起的串擾，前者可以通過優化交叉波導的交叉角而大幅度地降低。

f，化學研磨與物理成型：

首先采用化學機械拋光技術(cmp)技術，使用拋光墊和化學研磨劑選擇性拋光沉積層使其平坦化，包括多晶硅金屬介質平坦化、層間絕緣膜平坦化和鎢平坦化；然后使用銅鑲嵌互連工藝，采用精細的線寬技術和低k介電材料使得加工出硅基光子電路板。

g，對加工出的硅基光子電路板進行晶粒探針測試：

在測試過程中，每一個芯片的電性能和電路機能都被檢測到，不合格的晶粒會被標上記號，而后當芯片切割成獨立的芯片顆粒時，淘汰標有記號的不合格芯片顆粒。

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。