一种硅基光子材料器件制备方法与流程

本发明涉及硅基光子技术领域，具体为一种硅基光子材料器件制备方法。

背景技术：

硅基光子集成技术在过去十几年受到了广泛的关注，分别在通信传输、数据处理以及生化传感等领域得到了快速的发展。伴随着这些技术的发展，硅基光子芯片的耦合封装技术也被广泛的研究，针对硅基光子集成芯片，目前主要有两种耦合方式，一种是端面耦合，即光波导的端面与光纤的端面平行对准，利用光纤或者波导出射的光一定程度的准直性直接进行信号的发送和接收；另外一种是垂直耦合，通过芯片上制作好的垂直耦合光栅结构进行信号的接收和传送。

目前，将结构调整和材料填充两种方式有机地结合在一起，来系统研究硅基光子材料器件的制备方法尚未发现。

技术实现要素：

本发明旨在解决背景技术中存在的问题，提出一种新型的硅基光子材料器件制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种硅基光子材料器件制备方法，包括以下步骤：

a)加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒：

首先，通过切片、磨片和抛光的工序进行粗硅制备，粗硅经过提纯后得到晶体生长的原料；然后将晶体生长的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体；最后通过切割机将晶体切成厚度为几百微米的晶粒；

b)通过光刻工艺的方式对晶粒进行加工：

首先，利用光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶粒表面；然后将掩膜图形转移到晶粒表面的光刻胶上，再经过分步重复曝光和显影处理之后，在晶粒上形成需要的图形；

c)采用uhv/cvd在硅衬底上生长ge量子点：

首先，在硅衬底上生长一层缓冲层；然后交替生长ge量子点和硅间隔层以形成有源区；最后在硅顶层上生长厚度为1.5nm的氧化层，构成mos结构的栅氧；

d)对加工过后的晶粒掺杂化学混合元素；

e)利用步骤d)制备得到的晶粒形成光开关阵列构成光波导开关；

f)化学研磨与物理成型：

首先采用化学机械抛光技术，使用抛光垫和化学研磨剂选择性抛光沉积层使其平坦化；然后利用铜镶嵌互连工艺，采用精细的线宽技术和低k介电材料加工出硅基光子电路板；

g)对加工出的硅基光子电路板进行晶粒探针测试。

本发明的优点在于：(1)可获得热导性好、电学性能好的硅基光子材料器件；(2)制备的材料与硅微电子工艺兼容，适合制作硅基光电子集成芯片；(3)制备方法简单，且成本低廉，工艺可靠；(4)本发明的研究极大地促进了相邻学科的交叉和发展。

附图说明

图1为本发明一种硅基光子材料器件制备方法流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

参见图1，本实施例的一种硅基光子材料器件制备方法，包括以下步骤：

a,加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒：

首先通过切、磨和抛等方式，先进行粗硅制备：sio2+2h2＝si+2h2o，粗硅经过提纯后，晶体纯度达到99％；然后再将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体；最后通过高精度切割机将晶体切成厚度约几百微米的晶粒。

b,通过光刻工艺的方式对晶粒进行加工：

首先，利用光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶粒表面；然后将掩膜图形转移到晶粒表面的光刻胶上，再经过分步重复曝光和显影处理之后，在晶粒上形成需要的图形，以一个制程所需要经过掩膜数量来表示这个制程。其中，光刻选用投影式对晶粒双面对准光刻，并采用薄胶光刻，光刻流程包括前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘等流程。

c，采用超高真空化学气相淀积系统(uhv/cvd)在硅衬底上生长ge量子点：

先生长一层缓冲层，然后交替生长ge量子点和硅间隔层以形成有源区，生长过程中，由于晶粒失配会引入应力，自组织的ge量子点的尺寸和密度就由应力的大小决定，而量子点的位置可以通过纳米刻印的方法来控制，生长数个周期的ge量子点以后，在硅顶层上生长厚度仅为1.5nm的氧化层，构成mos结构的栅氧。

d，对加工过后的晶粒掺杂化学混合元素，将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成pn结、电阻欧姆接触，通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成各种器件结构，掺杂工艺的基本思想就是通过某种技术措施，将浓度在78％-92％之间的三价元素或五价元素，包含磷、砷掺入半导体衬底。具体的掺杂方法有两种：s1，扩散法，将掺杂气体导入放有硅片的高温炉，将杂质扩散到硅片内一种方法；s2，离子注入法，利用电场加速杂质离子，将其注入硅衬底中，精密地控制扩散得到的低浓度杂质分布。

e，利用步骤d制备得到的晶粒形成光开关阵列构成光波导开关：

硅中载流子浓度的变化会引起硅的折射率的变化，与gaas的电光效应水平相当，利用硅的自由载流子等离子色散效应容易实现电光开关作用，电光开关的开关速度由自由载流子的寿命决定，因而开关速度快，可达纳秒量级，以2×2光开关为基本单元，可以构成光开关阵列。光开关阵列拓扑结构的主要参数有损耗、串扰、偏振敏感性和集成的开关单元级数和数目等，开关单元的性能和光开关阵列的网络结构形式直接决定阵列性能的好坏，光开关阵列的损耗主要包括：光纤同开关间的耦合损耗、介质中的传输损耗、弯曲波导引入的辐射损耗和开关单元本身的损耗，阵列的损耗中很大一部分是与开关元数目和光路的长度成正比，阵列开关的串扰主要由两部分组成：交叉波导带来的串扰和开关单元自身两条光路之间耦合引起的串扰，前者可以通过优化交叉波导的交叉角而大幅度地降低。

f，化学研磨与物理成型：

首先采用化学机械抛光技术(cmp)技术，使用抛光垫和化学研磨剂选择性抛光沉积层使其平坦化，包括多晶硅金属介质平坦化、层间绝缘膜平坦化和钨平坦化；然后使用铜镶嵌互连工艺，采用精细的线宽技术和低k介电材料使得加工出硅基光子电路板。

g，对加工出的硅基光子电路板进行晶粒探针测试：

在测试过程中，每一个芯片的电性能和电路机能都被检测到，不合格的晶粒会被标上记号，而后当芯片切割成独立的芯片颗粒时，淘汰标有记号的不合格芯片颗粒。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。