一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片的制作方法

本实用新型应用于光纤通信、光纤传感、量子通信等技术领域，尤其涉及一种铌酸锂薄膜光波导结构以及芯片。

背景技术：

近年来，随着大尺寸铌酸锂薄膜键合晶圆的制备技术的成熟，基于铌酸锂薄膜材料制备的各种无源光器件和有源光电器件，如光分路器、电光调制器、声光调制器等，体现出了明显优于铌酸锂块状材料的性能，如光波导弯曲半径更小、光调制驱动电压更低、光电集成度更高等，可以制作出体积更小、功耗更低、集成度更高的新型铌酸锂光电器件。

基于铌酸锂薄膜材料制备所得的光波导的显著特征之一是较大的折射率差。例如，对于上包层为空气、下包层为二氧化硅的铌酸锂薄膜基板，其与上包层材料之间的折射率差在1.1～1.2，其与下包层材料之间的折射率差在0.6～0.8。相比之下，在铌酸锂块状材料中制备所得的光波导的折射率差一般在0.01的水平，远小于铌酸锂薄膜光波导。因此，铌酸锂薄膜光波导对光波有着很强的束缚性，可以制作出尺寸更小、弯曲半径更小的光器件。

但是，铌酸锂薄膜基板与上包层、下包层之间较大的折射率差以及不对称的折射率差分布，容易导致如下问题的出现：

(1)对于较大空间尺寸的铌酸锂薄膜光波导，容易激发出高阶光波模式，会导致光波导插入损耗的增加以及基于此光波导而形成的电光调制器的调制相位的混乱。减小光波导空间尺寸可以有效地减少高阶光波模式的出现，但也不可避免地会降低光波导模场的空间分布尺寸，引起其与光纤之间由于光波导模式匹配程度的下降而引起的耦合损耗的增大；

(2)铌酸锂薄膜基板与包层介质之间不对称的折射率分布，会引起光波模式的空间分布呈椭圆形状，而光纤的光波模式呈圆形分布，因此铌酸锂薄膜光波模式与光纤之间由于光波模式的不匹配会而引起二者间耦合损耗的增大。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的第一目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导结构，通过在铌酸锂薄膜基板的上方沉积非金属介质材料薄膜作为上包层，降低光波导的折射率差，减少高阶光波模式在铌酸锂薄膜光波导中的存在，并增大光波模式的空间分布尺寸。

本实用新型的第二目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导芯片，使用上述第一目的所提出的铌酸锂薄膜光波导结构。

为实现本实用新型的第一目的，本实用新型提供了一种铌酸锂薄膜光波导结构，包括下包层、薄膜基板和上包层，所述下包层形成于基底晶片的上方，所述薄膜基板放置于所述下包层的上方；

还包括下述结构中的一种：

第一种：所述薄膜基板的上表面形成有脊形结构，所述脊形结构为在所述薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；所述上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；

第二种：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，所述薄膜基板芯层放置于下包层的上方，所述上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。

进一步地，

在第二种结构中，在薄膜基板芯层两侧形成沟槽，所述沟槽的深度采用下述中的一种：

第一种：沟槽深度等于薄膜基板的厚度，宽度不小于1μm，在薄膜基板上制备出薄膜基板芯层；

第二种：沟槽深度大于薄膜基板的厚度、但小于从薄膜基板的上表面至基底晶片的底面之间的总厚度。

进一步地，对所述上包层进行平坦化处理，使之成为一个平坦的薄膜层，或者，对上包层进行图形化处理。

进一步地，，所述上包层为一层厚度不小于100nm的非金属薄膜，其组成材料为氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氮化硅、苯并环丁烯中的一种。

进一步地，所述上包层采用与下包层相同的组成材料。

进一步地，所述下包层采用介质材料薄膜与键合增强薄膜组成的多层介质材料结构。

进一步地，从薄膜基板向基底晶片方向的材料组成结构分别为：薄膜基板、下包层中的介质材料薄膜、下包层中的键合增强薄膜、基底晶片，且所述下包层中的介质材料薄膜以及键合增强薄膜的厚度均不小于100nm。

为实现本实用新型的第二目的，本实用新型提供了一种铌酸锂薄膜光波导芯片，包括：基底晶片和上述的铌酸锂薄膜光波导结构。

进一步地，薄膜基板的晶体切向为x切或z切，厚度在0.1μm～10μm。

进一步地，所述基底晶片的材料为铌酸锂、钽酸锂、硅、石英、蓝宝石中的一种，厚度在0.2mm至2mm。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

通过在铌酸锂薄膜基板的外部放置了折射率大于空气的上包层介质材料，降低了光波导的折射率差，减少了高阶光波模式的出现，同时也增大了光波模式的空间分布尺寸，降低了光波导的传输损耗及其与光纤之间的耦合损耗；

另外，通过将铌酸锂薄膜基板芯层的下包层与上包层设置为相同的材料，可以达到铌酸锂薄膜光波导的折射率在与光波传输方向垂直的水平面上呈对称分布的效果，使光波模式空间分布呈圆形状，有利于进一步地降低铌酸锂薄膜光波导与光纤之间的耦合损耗。

附图说明

图1：现有技术中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图2：本实用新型第一实施例中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图3：本实用新型第二实施例中铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图4a：本实用新型第三实施例中铌酸锂薄膜键合晶片结构及薄膜基板芯层的示意图；

图4b：本实用新型第三实施例中形成有上包层的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图4c：本实用新型第三实施例中对上包层进行平坦化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图4d：本实用新型第三实施例中对上包层进行图形化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图5a：本实用新型第四实施例中铌酸锂薄膜键合晶片结构及薄膜基板芯层的示意图；

图5b：本实用新型第四实施例中形成有上包层的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图5c：本实用新型第四实施例中对上包层进行平坦化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图5d：本实用新型第四实施例中对上包层进行图形化处理后的铌酸锂薄膜光波导结构的示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：1、基底晶片；2、下包层；21、介质材料薄膜；22、键合增强薄膜；3、薄膜基板；31、脊形结构；32、薄膜基板芯层；4、光波导；5、上包层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一

在本实施例中，提出如下一种铌酸锂薄膜光波导结构，包括：下包层2、薄膜基板3、上包层5。

下包层2形成于基底晶片1的上方，一方面可以作为键合粘接层以加强基底晶片1与薄膜基板3之间的键合效果，另一方面也可以作为下包层以实现对形成于薄膜基板3中的光波模式在竖直方向上的束缚作用。

下包层2的组成材料可以是氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氮化硅等非金属材料中的任一种，也可以是苯并环丁烯(bcb)聚合物材料。优选的，下包层2采用二氧化硅。下包层2的厚度不小于100nm。

下包层2的形成方式可以采用薄膜沉积的方法。例如，可以通过pecvd等镀膜工艺方法在基底晶片1的上表面制作出下包层2。此外，对于采用硅作为组成材料的基底晶片1，除前述方法外，还可以通过热氧化工艺在硅晶体的表面制备出一层二氧化硅薄膜，作为下包层2。

下包层2的上方放置有薄膜基板3，薄膜基板3的组成材料为具有pockels线性电光效应的光学级晶体，如铌酸锂、钽酸锂、磷酸氧钛钾、砷化镓等，也可以是镁掺杂或氧化镁掺杂的铌酸锂或钽酸锂，或是近化学计量比的铌酸锂或钽酸锂等。薄膜基板3的晶体切向为x切或z切，厚度在0.1μm～10μm。

基底晶片1可为薄膜基板3提供机械支撑，其材料可以选择铌酸锂、钽酸锂、硅、石英、蓝宝石等晶体材料中的任一种，优选为硅。基底晶片1的厚度可以在0.2mm至2mm，优选为1mm。

其中，脊形结构31形成于薄膜基板3的上表面，通过采用干法刻蚀或湿法腐蚀或光学精密切割等工艺方法在薄膜基板3的上表面形成得到的凸起结构。脊形结构31在薄膜基板3中形成了局部的有效折射率的增大，因而形成了等效的光波导4，可以对入射进薄膜基板3的光波实现局域束缚。脊形结构31的高度h31不超过薄膜基板3的厚度d，宽度w31不大于10μm。

上包层5由形成于脊形结构31的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。

参考图1所示，现有技术中的上包层为薄膜基板3及脊形结构31上方的空气(折射率为1.0)，因此光波导4与上包层之间的折射率差在1.1～1.2。此种情况，对于较大的折射率差值以及较大的光波导空间尺寸，传输于光波导4中的光波是较容易被激发出高阶光波导模式的，会导致光波导的插入损耗增加以及基于此光波导而形成的电光调制器的调制相位的混乱。为抑制高阶光波导模式的出现，可以采用减小光波导空间尺寸或降低折射率差值等方式。对于减小光波导空间尺寸的方法，虽然可以有效地减少高阶光波导模式的出现，但也不可避免地会缩小光波导4的光波导模场分布尺寸，引起其与光纤波导模式之间更大的耦合损耗。

参考图2所示，是本实施例所提出的铌酸锂薄膜光波导结构，在薄膜基板3和脊形结构31的上方放置一层折射率大于空气的介质材料，通过降低光波导4与上包层5之间的折射率差的方式来减少高阶光波导模式的出现。

在本实施例所提供的铌酸锂薄膜光波导结构中，上包层5为一层厚度不小于100nm的非金属薄膜，其组成材料可以是氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氮化硅等其中一种。

优选的，上包层5采用与下包层2相同的组成材料。例如，下包层2和上包层5均采用二氧化硅材料(折射率在1.4～1.5)，则光波导4与上包层5之间的折射率差由图1所示结构的1.1～1.2降低至本实施例中的0.6～0.8。一方面，有利于减少高阶光波导模式的出现；另一方面，光波导4与下包层2、光波导4与上包层5之间的折射率差是对称的，因此光波的空间模式分布在竖直方向上是更为对称的。

另外，本实施例还提供一种铌酸锂薄膜光波导芯片，包括：基底晶片1和本实施例中的铌酸锂薄膜光波导结构。

本实施例所提供的铌酸锂薄膜光波导结构的制备方法，主要包括如下步骤：

步骤一：在基底晶片1的上表面采用pecvd等镀膜工艺方法制备一层介质材料薄膜，作为下包层2，并对此薄膜层的表面进行抛光处理；

步骤2：将表面注入有离子的铌酸锂晶片与步骤一得到的基底晶片1进行晶圆键合，键合的晶面为铌酸锂晶片中注入了离子的晶面以及基底晶片1中镀有下包层2的晶面；

步骤3：对键合后的晶片进行加温处理以实现注入有离子的铌酸锂晶片在离子注入层的断裂，在基底晶片1上留下铌酸锂薄膜基板3，并对此薄膜基板3的表面进行抛光处理以降低该表面的粗糙度；

步骤4：采用常规的半导体工艺技术在薄膜基板3的表面制作出一层具有光波导图形的掩膜，掩膜材料可以是光刻胶、二氧化硅或金属铬等；

步骤5：对制作有掩膜的晶片进行干法刻蚀或湿法腐蚀处理，得到脊形结构31；

步骤6：在形成有脊形结构31的薄膜基板3的上表面采用薄膜沉积工艺制作一层非金属薄膜介质材料薄膜，作为上包层5，此上包层可以在薄膜基板3的上表面整面地沉积，也可以结合常规的光刻、刻蚀等半导体工艺对此上包层介质材料薄膜进行图形化处理。

需要指出的是，在键合晶片的制备过程中，可以进行必要的加温退火处理以实现减少氧化物层中的气体以及增大键合强度等作用。

此外，上述制备工艺顺序是可以进行一些变换的。例如，可以在铌酸锂晶片中进行了离子注入的晶面进行下包层2的介质材料薄膜沉积，在将该层进行抛光后与基底晶片1进行键合。也可以，在基底晶片1的表面制备一层非金属薄膜，例如采用热氧化工艺在硅晶片表面制备一层二氧化硅薄膜，并将该层与形成有下包层2的介质材料薄膜的铌酸锂晶片进行键合。

实施例二

如图3所示，为本实用新型所提供的铌酸锂薄膜光波导结构的第二实施例。

为进一步降低光波导4与下包层2、光波导4与上包层5之间的折射率差并获得对称的折射率差分布，在第一实施例的基础上，本实施例采用折射率大于二氧化硅的介质材料，如氮化硅或五氧化二钽，作为下包层2和上包层5的组成材料。因此，光波导4与下包层2、上包层5之间的折射率差可以进一步地降低至约0.2，且光波导4与下包层2、光波导4与上包层5之间的折射率差是对称的。

为实现更好的键合效果，下包层2优选采用由介质材料薄膜21与键合增强薄膜22组成的多层介质材料结构。例如，可以是氮化硅/二氧化硅的多层介质，或是五氧化二钽/二氧化硅的多层介质，其中氮化硅或五氧化二钽是介质材料薄膜21的组成材料，二氧化硅是键合增强薄膜22的组成材料。

其中，从薄膜基板3向基底晶片1方向的材料组成结构分别为：薄膜基板3、下包层2中的介质材料薄膜21、下包层2中的键合增强薄膜22、基底晶片1；

其中，下包层2中的介质材料薄膜21以及键合增强薄膜22的厚度均不小于100nm。

另外，本实施例还提供一种铌酸锂薄膜光波导芯片，包括：基底晶片1和本实施例中的铌酸锂薄膜光波导结构。

本实施例所提供的铌酸锂薄膜光波导的制备方法，与第一实施例相比，其区别主要在于下包层2的制备。在本实施例中，可以在铌酸锂晶片中进行了离子注入的晶面先镀制一层氮化硅或五氧化二钽等非金属薄膜，在其上再进行二氧化硅薄膜的制备。将二氧化硅层抛光后，与基底晶片1进行键合。

实施例三

图4a～图4d所示为本实用新型所提供的铌酸锂薄膜光波导结构的第三实施例。

从图1至图3可以看出，光波导4在竖直方向由于下包层2和上包层5的存在而可以实现较强的光波模式束缚。但是，光波导4在水平方向并无明显的介质材料变化，光波在水平方向的束缚主要是靠脊形结构31的存在所引起的局域有效折射率的增加。因此，为进一步提高光波导4中光波模式在水平方向的束缚、提高光波模式空间分布的对称性，本实施例采用将薄膜基板3进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层32，其组成材料与薄膜基板3相同。其中，在薄膜基板芯层32两侧形成沟槽。

本实施例所提供的薄膜基板芯层32的结构及功能与光纤的芯层是类似的。在光纤中，锗掺杂的石英材料作为芯层与周围作为包层的无掺杂纯石英材料之间具有折射率差，其中锗掺杂的芯层区域具有更高的折射率，因此可以实现光波的束缚以及导波传输。类似的，在本实施例中，薄膜基板芯层32与包覆在其周围的介质材料，如氧化硅、氧化钽、氮化硅等非金属材料，相比具有更高的折射率，因此可以实现将光波束缚在芯层中传输。并且，这种束缚在与光波传输方向垂直的平面上是对称分布的，因此光波模式空间分布是近似于圆形的。

在本实施例中，上包层5由形成于薄膜基板芯层32的左侧、右侧以及上方的介质层所构成。对薄膜基板3所进行的完全刻蚀处理，可以采用干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺手段，也可以采用光学精密切割的方法在包含有薄膜基板3、下包层2和基底晶片1的键合晶片上通过精密划切制得。

薄膜基板芯层32的高度h32不超过薄膜基板3的厚度d，宽度w32不超过10μm。优选的，薄膜基板芯层32的宽度w32与高度h32相同，即构成具有正方形形状的薄膜基板芯层32。薄膜基板芯层32放置于下包层2的上方。上包层5形成于薄膜基板芯层32的左侧、右侧以及上方。下包层2的厚度d2不小于100nm，上包层5的厚度d5不小于薄膜基板芯层32的高度h32。

构成下包层2和上包层5的材料为非金属介质薄膜，如氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钛、氮化硅等。下包层2和上包层5优选采用同一种材料。其中，下包层2可以为单层的非金属介质薄膜，也可以为由介质材料薄膜21与键合增强薄膜22组成的多层介质材料结构，例如氮化硅/二氧化硅或是五氧化二钽/二氧化硅的多层介质。

在第二实施例所提供的铌酸锂薄膜光波导的制备方法的基础上，在完成薄膜基板3的制备后，采用干法刻蚀、湿法腐蚀或光学精密切割等工艺方法在薄膜基板3上制备出薄膜基板芯层32，如图4a所示。进一步的，采用pecvd等镀膜工艺方法在键合晶片的表面镀制一层氮化硅或五氧化二钽等非金属薄膜，作为上包层5，如图4b所示。此外，可以对上包层5进行如图4c所示的平坦化处理，使之成为一个平坦的非金属薄膜层。也可以如图4d所示，结合常规的光刻、刻蚀等半导体工艺对上包层5进行图形化处理。

实施例四

本实施例是在实施例三基础上的改进。

图5a所示出的是在制备薄膜基板芯层32时对键合晶片的刻蚀深度he大于薄膜基板3的厚度的示例。一般来说，采用干法刻蚀、湿法腐蚀或光学精密切割等工艺方法在薄膜基板3上制备薄膜基板芯层32时，其刻蚀深度he难以进行十分精准的控制，因此多为刻蚀深度大于薄膜基板3的厚度。图5所示出的是刻蚀深度he大于薄膜基板3、介质材料薄膜21以及键合增强薄膜22这三层薄膜材料的总厚度的情况。在本实施例中，刻蚀深度he不小于薄膜基板3的厚度d、不大于从薄膜基板3的上表面至基底晶片1的底面之间的总厚度。

在薄膜基板3上制备出薄膜基板芯层32后，进一步的，采用pecvd等镀膜工艺方法在键合晶片的表面镀制一层氮化硅或五氧化二钽等非金属薄膜，作为上包层5，如图5b所示。由于刻蚀深度he较大，上包层5的镀膜厚度也较大，过厚的上包层5，特别是形成于薄膜基板芯层32上表面的上包层介质薄膜材料往往会存在着较大的应力，因此优选对上包层5进行如图5c所示的平坦化处理，使之成为一个平坦的薄膜层。此外，也可以如图5d所示，结合常规的光刻、刻蚀等半导体工艺对上包层5进行图形化处理。

需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。