摘要：我们制造了高 Q 值的 Ta2O5 微谐振器，其中 i 线紫外光刻用于对光刻胶进行图案化以进行晶圆级制造，显示微谐振器的固有 Q 值超过 4 百万。

简介

低损耗波导在非线性集成光子学应用中起着至关重要的作用，例如产生微谐振器频率梳、光谱展宽超短脉冲、全光信号处理和量子信息处理。对于微梳生成，基于 Si3N4 的微谐振器已经得到了广泛的研究，即使波导厚度超过 500 nm，Q 值也超过 10E7，从而允许在 mW 范围内生成泵浦功率的微梳 [1]。然而，使用低压化学气相沉积 (LPCVD) 沉积 Si3N4 容易形成裂纹，因为材料具有较大的拉伸应力 [2]。此外，LPCVD 是一种高温工艺，这对将 Si3N4 与预处理 Si 或其他光子器件集成提出了挑战。最近出现了一种基于 Ta2O5 的新平台 [3]，该平台通过离子束溅射沉积，不会产生裂纹。此外，Ta2O5 表现出更高的非线性和更小的热光系数，从而降低了泵浦功率要求并降低了微梳的相位噪声。然而，参考文献 [3] 中报道的通过电子束光刻对 Ta2O5 波导进行图案化阻碍了晶圆级制造。在本报告中，我们展示了高 Q Ta2O5 微谐振器的晶圆级制造，其中我们使用 i 线 UV 光刻对波导进行图案化。我们表明，光刻胶图案化后的回流工艺增强了波导侧壁的光滑度，使得直径为 65 μm（对应 340 GHz 的自由光谱范围）、宽度为 3 μm、高度为 570 nm 的微谐振器的固有 Q 值超过 400 万。

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制造和结果

图 1. (a) 制造过程说明。 (b) 包含多个 1 cm² 芯片的 4 英寸晶圆的照片，以及微谐振器的 SEM 图像。

图 1 (a) 描绘了制造高 Q Ta2O5 微谐振器的工艺流程。制造过程从一块涂有 3 µm 热氧化物的 4 英寸 Si 晶片开始 (i)。接下来，通过离子束溅射在热氧化物上沉积一层 570 nm 厚的 Ta2O5 层 (ii)。然后在 Ta2O5 层上涂上光刻胶，并使用 i 线紫外光刻技术对光刻胶进行图案化。为了改善蚀刻后光刻胶和 Ta2O5 波导的侧壁粗糙度，将光刻胶在约 160 °C 的温度下回流 15 分钟 [4]。然后使用回流的光刻胶作为掩模，主要使用 C4F8 气体对 Ta2O5 层进行干蚀刻。图 1(b) 显示了经过加工的 4 英寸晶圆，其中有数十个 1 cm2 芯片，以及放大的微谐振器的 SEM 图像。

图 2：回流前 (a) 和回流后 (b) 的光刻胶 SEM 图像，以及未回流 (c) 和有回流 (d) 的 Ta2O5 波导。(e) 微谐振器的固有 Q。(f) 五个微谐振器的固有 Q 直方图。(g) 微谐振器的谐振传输 (红色)，以及 Lorentz 函数拟合 (黑色)。还包括频率校准曲线 (蓝色)。

为了研究回流的影响，在蚀刻之前和之后拍摄了 SEM 图像，包括回流和不回流。如图 2(a) 和 (b) 所示，光刻胶的侧壁粗糙度得到了改善，但垂直度却有所降低。此外，Ta2O5 侧壁的粗糙度也得到了改善，消除了未应用回流时观察到的条纹（图 2(c) 和 (d)）。为了评估微谐振器的 Q，波长范围为 1530 - 1590 nm 的可调单频 CW 激光器通过透镜光纤耦合到芯片中，并由偏振控制器进行偏振调节。芯片的输出由另一根透镜光纤收集并引导到光电探测器中。 CW 激光器的另一个输出通过不平衡的 Mach-Zehnder 干涉仪 (i-MZI)，其光程差约为 1 m 光纤，以校准 CW 激光器的扫描频率。图 2(e) 显示了微谐振器基模系列谐振的固有 Q 值随波长的变化，表明对波长没有很强的依赖性，大多数固有 Q 值在 2 – 3 × 106 之间。为了进行统计分析，测量了五个具有相同设计的谐振器的固有 Q 值，如图 2(f) 所示，虽然大多数谐振的固有 Q 值约为 2 × 106，但一些谐振的固有 Q 值高于 3 × 106。图 2(g) 显示了具有高 Q 值的谐振示例，其 FWHM 为 64 MHz，对应于 3 × 106 的加载 Q。对于这种特定的谐振，固有 Q 值高达 4.4 × 106，高于之前报道的使用电子束光刻技术制造的用于生成微梳的 Ta2O5 基微谐振器 [3]。

结论

总之，我们已成功制造出 Ta2O5 微谐振器，其固有 Q 值在最佳情况下超过 400 万。我们的制造工艺采用 i 线紫外光刻技术进行晶圆级生产，而回流在平滑侧壁粗糙度方面发挥了关键作用。

作者：Hiroki Kitora1, Mayu Funakoshi2, Kenji Nishimoto1, Kaoru Minoshima1,3, and Naoya Kuse3

单位：

1

Institute of Post-LED Photonics, Tokushima University, 2-1, Minami-Josanjima, Tokushima, Tokushima 770-8506, Japan

2

PRESTO, Japan Science and Technology Agency, 4-1-8 Honcho, Kawaguchi, Saitama, 332-0012, Japan

3

Graduate School of Sciences and Technology for Innovation, Tokushima University, 2-1, Minami-Josanjima, Tokushima, Tokushima 770-8506,  

Japan

4 

Graduate School of Informatics and Engineering, The University of Electro-Communications, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokyo 182-8585,  

Japan