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微纳加工公司

摘要：我们报告了基于蒸发非晶铝氧化物（Al₂O₃）的低损耗波导（WG）的制造与表征，适用于近紫外（UV）光谱范围内的集成光子学。采用铬（Cr）硬掩模和电子束光刻（EBL）技术，在150毫米硅晶片上的3微米厚的二氧化硅（SiO₂）层上制造了完全蚀刻的波导。波导核心厚度为130纳米，表面均方根（RMS）粗糙度约为0.4纳米，在405纳米波长下能够实现单模工作，传播损耗为0.68±0.03 dB/cm。通过数值模拟，我们的波导支持最低约200微米弯曲半径下的低损耗操作，并且在蓝光或紫外光子学中的应用具有潜力，包括陷阱离子量子计算、紧凑型紫外激光系统，以及紫外光谱学和显微镜学的组件。

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ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

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waveguides with less than 0.7 dB/cm propagation loss at 405 nm

TUNAHAN GÖK,1,2 RIJIL THOMAS,2 ANASTASIIA SOROKINA,3,4

STEFFEN SAUER,3,4 STEFANIE KROKER,3,4,5 STEPHAN SUCKOW,2,6

AND MAX C. LEMME1,2,7

1RWTH Aachen University, Chair of Electronic Devices, Otto-Blumenthal-Str. 25, 52074, Aachen, Germany

2AMO GmbH, Advanced Microelectronic Center Aachen, Otto-Blumenthal-Str. 25, 52074, Aachen,

Germany

3Technische Universität Braunschweig, Institute of Semiconductor Technology, Hans-Sommer-Str. 66,

38106, Braunschweig, Germany

4Laboratory of Emerging Nanometrology (LENA), Langer Kamp 6a/b, 38106, Braunschweig, Germany

5Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116, Braunschweig, Germany

1.引言
近年来，紫外（UV）光谱范围内集成光子学的进展激发了对低损耗、可扩展且坚固的光子器件的兴趣，这些器件可应用于生化成像与传感[1,2]、紫外拉曼光谱[3,4]以及基于陷阱离子或激光冷却原子的量子计算[5-7]。然而，材料吸收通常在较短波长下增加，这限制了如硅氮化物（Si₃N₄）等已建立光子平台在UV应用中的使用，因为它们相对较小的带隙和450纳米以下较高的吸收损耗[8,9]。
一种适用于UV操作的替代波导材料是氮化铝（AlN），其宽带隙约为6 eV。尽管具有这一理论优势，迄今为止的实际应用显示，在390纳米波长下传播损耗高达8 dB/cm[10]，限制了AlN在UV光子学中的可行性。Al₂O₃是一种介电材料，具有7到8 eV的宽带隙，使其成为适用于UV光谱范围内操作的被动集成光子器件的有前景候选材料。Al₂O₃在UV中的低传播损耗[11–13]，结合与SiO₂的适度折射率对比，使其能够实现弯曲半径达到几百微米级的紧凑设备布局。此外，Al₂O₃的自荧光在405纳米波长下比Si₃N₄低达200倍，这使得Al₂O₃成为基于芯片上的高灵敏度荧光显微镜和光谱学的理想平台[14]。Al₂O₃可以通过多种技术沉积，包括原子层沉积（ALD）[11,13]、溅射[15]和蒸发，使其非常适合晶圆级制造。它与CMOS工艺的兼容性进一步支持其在现有半导体制造流程中的集成。
在这里，我们展示并表征了通过蒸发法制造的无包覆Al₂O₃单模准TE₀模式波导。这些波导在405纳米波长下的传播损耗为0.68 ± 0.03 dB/cm，显著优于之前报道的相似包覆波导配置（1.55 dB/cm）[16]。

2.制造
波导的制造从各层材料的沉积开始，随后进行电子束光刻（EBL）和多个蚀刻步骤。
首先，在150毫米硅晶片上热生长了一层3微米厚的SiO₂层，形成埋氧化物（BOX）层，将Al₂O₃波导层与硅基底光学隔离开。接着，通过FHR Star 200-EVA系统以0.5 Å/s的沉积速率和约10⁻⁶ mbar的腔室压力热蒸发了130纳米厚的Al₂O₃层，并随后进行100纳米厚的Cr层的原位沉积。Cr层作为硬掩模，具有良好的蚀刻选择性，与Al₂O₃波导层的蚀刻对比度较高。为了避免Cr层与旋涂的电子束光刻（EBL）光刻胶氢硅三苯[HSQ]之间的粘附不足，先在Cr层上沉积了20纳米厚的Al₂O₃中间层。一旦整个材料堆叠完成，使用Raith EBPG 5200系统，在450纳米厚的HSQ光刻胶上通过EBL写入波导和光栅耦合器（GC）。在100 kV加速电压、5纳米光束步长和约4.6纳米的光束直径条件下，进行图案化。图1展示了从这一点开始的工艺流程。

图1. Al₂O₃波导（WG）制造过程流程，包括光栅耦合器（GC）。起始材料堆叠由3微米的SiO₂、130纳米的Al₂O₃、100纳米的Cr、20纳米的Al₂O₃和450纳米的HSQ构成，基底为150毫米的硅晶片。在步骤（i）到（iii）中，Al₂O₃和Cr层通过反应离子刻蚀（RIE）进行图案化，随后在步骤（iv）中进行剩余Cr硬掩模的湿化学蚀刻。

在步骤（i）到（iii）中，Al₂O₃附着层、Cr硬掩模和Al₂O₃波导层通过反应离子刻蚀（RIE）依次进行图案化，使用Oxford PlasmaLab系统100 ICP 380。对于Al₂O₃的RIE蚀刻，使用的气体为BCl₃（20 sccm）、CHF₃（3 sccm）和He（40 sccm），蚀刻在100 W的HF功率和450 W的ICP功率下进行；而对于Cr的RIE蚀刻，使用的气体为Cl₂（42 sccm）、O₂（8 sccm）和He（50 sccm），蚀刻在10 W的HF功率和1200 W的ICP功率下进行。波导图案化后，剩余的Cr硬掩模通过湿化学蚀刻工艺在步骤（iv）中去除，使用的蚀刻液为TechniEtch，包含过氯酸（4.25%）、铈铵硝酸盐（10.9%）和水（84.85%）。这种选择性去除之所以可行，是因为Al₂O₃对该蚀刻液具有化学抗性。

3.结果与讨论
使用J.A. Woollam光谱椭偏仪，在250纳米到1000纳米的光谱范围内，表征了未结构化的蒸发Al₂O₃薄膜在硅晶片上的折射率n和消光系数k（见图2(a)）。通过对测量数据的模型拟合，提取出了在405纳米波长下的n = 1.661和k = 3.7 · 10⁻⁴的值。然而，值得注意的是，椭偏仪在测定低k值时具有一定的准确性限制。根据我们的测量损耗，实际的消光系数应该更低。我们制造了两个130纳米厚的Al₂O₃波导芯片，分别具有703纳米（芯片1）和645纳米（芯片2）的底部宽度，以及47°和59°的侧壁角度。这些尺寸的选择是为了确保单模操作，而侧壁角度则来源于我们的RIE工艺。图2(b)和(c)展示了405纳米下这两种波导设计的准TE₀模式，包括有效折射率neff。对完整材料堆叠的模式仿真结果表明，在具有无限BOX和我们实际配置的情况下，总传播损耗约为7 · 10⁻⁶ dB/cm。这表明波导具有足够的约束力，使得硅基底中的吸收可以忽略不计。

图2.
(a) 蒸发Al₂O₃薄膜在硅晶片上的折射率n和消光系数k，通过椭偏仪测量。
(b) 和 (c) 展示了两种波导设计的基本准TE₀模式的电场分布图，每种设计在405纳米波长下的高度为130纳米。未支持更高阶的TE模式。

波导（WG）和光栅耦合器（GC）的质量对光学损耗有着显著影响。因此，我们通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）检查了它们的形貌，如图3所示。图3(a)和(b)展示了波导的AFM扫描及沿定义的剖面线的高度剖面。图3(c)展示了235 × 235 nm²区域的表面扫描，得到的均方根（RMS）表面粗糙度为0.38纳米。对于扫描区域400 × 400 nm²，测得的RMS粗糙度为0.44纳米。为比较，30纳米厚的未结构化蒸发Al₂O₃薄膜在硅上的RMS粗糙度为0.1纳米，其RMS粗糙度为0.34纳米，表明我们的Al₂O₃蒸发工艺能实现的粗糙度极限。此外，侧壁粗糙度通过SEM图像评估，测量了代表性波导上多个点的线边粗糙度（LER）。平均LER为3.68纳米。根据此，Payne–Lacey模型[17]预测最大侧壁散射损耗为αSWS ≤ 0.71 dB/cm，表明侧壁粗糙度是传播损耗的主要来源。图3(d)展示了用于405纳米入射和出射耦合的光栅耦合器（GC）的SEM图像。在光栅区域可以观察到一些小的瑕疵和结构缺陷，可能是由于GC中的小临界尺寸（141纳米）导致的。

图3.
(a) 制造的波导（WG）的AFM扫描及（b）对应的高度剖面。
(c) 在235 × 235 nm²波导区域的表面粗糙度分析，显示在突出显示的感兴趣区域（ROI）内的RMS粗糙度为0.38纳米。
(d) 用于405纳米波长入射和出射耦合的光栅耦合器（GC）的SEM图像。

无包覆波导（WG）的传播损耗和耦合损耗是通过无损切割法提取的，该方法使用长度从0.2厘米到1厘米不等的波导（见图4(a)）。在此方法中，激光光束通过相同的光栅耦合器（GC）耦合到不同长度的波导中，并记录相应的传输数据。将传输数据与波导长度的线性拟合可得出传播损耗（以dB/cm为单位），而y轴截距表示总耦合损耗（以dB为单位）。另外，通过一个0.4厘米长的波导，使用六个不同的输入功率（范围从1.5毫瓦到4毫瓦）进行了额外测量，并显示出传输中的线性趋势，线性拟合的R²值为99.7%，确认了不存在非线性效应，如自荧光。

图4.
(a) 通过切割法在405纳米波长下测定的波长405纳米下的两块芯片的耦合和传播损耗。
(b) 与当前文献中报道的适用于弯曲半径小于200微米的准TE₀模式的无包覆Al₂O₃波导（WG）[1,11]、包覆Al₂O₃波导[11,13,16]、包覆Si₃N₄波导[18]和包覆薄膜铌酸锂（TFLN）多模波导[19]的传播损耗的比较。填充标记表示有包覆的波导，而未填充标记表示无包覆的波导。

我们使用了一个切割的、保持偏振的单模光纤（核心直径：3微米，数值孔径（NA）：0.12）将405纳米激光源（Thorlabs S1FC405）的光耦合到波导中，同时一个切割的多模光纤（核心直径：400微米，NA：0.5）捕获耦合出的光。多模光纤的大核心提高了光栅耦合器处的对准容忍度，从而促进了不同波导之间高效且可重复的测量。耦合是在相对于表面法线的入射角12°（芯片1）和11°（芯片2）下进行的。提取的传播损耗为芯片1：0.68 ± 0.08 dB/cm，芯片2：0.68 ± 0.03 dB/cm。基于这一传播损耗和使用制造的几何形状进行的弯曲波导数值仿真，我们的波导支持低损耗操作，弯曲半径可小至约200微米。在此半径下，弯曲区域的附加损耗为0.09 dB/cm，且与直线部分的模式重叠度保持在99.8%以上，导致每90°弯曲的总估算损耗为0.048 dB。包括入射和出射耦合损耗在内的总耦合损耗为：芯片1为27.11 ± 0.05 dB，芯片2为26.42 ± 0.02 dB。与模拟耦合损耗（每个耦合器8.7 dB）相比，这些高值的耦合损耗部分归因于光栅耦合器中的结构缺陷，如图3(d)所示。提取的传播损耗和耦合损耗的不确定性来源于线性拟合的标准偏差。拟合与测量传输数据的匹配程度越好，统计误差越小。因此，芯片2观察到的较小误差反映了从切割法测量中提取数据的更高置信度。此外，光纤与光栅耦合器之间的对准差异，特别是在不同波导测量中的距离变化，可能会引入不准确性。

与当前的最新技术进行比较，如图4(b)所示。近年来，尽管在减少低于450纳米波长的Al₂O₃波导传播损耗方面取得了显著进展，但基于Si₃N₄的平台在该光谱区域内存在根本性限制，因为材料在蓝光区域开始强烈吸收。我们的研究相较于之前报道的最佳包覆单模Al₂O₃波导取得了显著进展，后者在405纳米波长下的准TE₀模式传播损耗为1.55 dB/cm，准TM₀模式为1.13 dB/cm【16】。这些波导是通过溅射法制造的。与这些波导相比，我们的无包覆波导由于表面粗糙度导致的散射较强，因此有一定的损失。对于无包覆单模TE模式波导，最接近的比较点是在450纳米波长下的1.7 dB/cm【11】和370纳米波长下的3.0 dB/cm【1】。对于宽多模平面波导，报告的传播损耗分别为405纳米下0.5 dB/cm【14】和377纳米下0.4 dB/cm【16】。这些配置最小化了来自侧壁散射的损失，并确定了这些材料可实现的损耗下限，但不能用于制造集成电路。

4.结论
我们展示了蒸发的Al₂O₃单模波导和光栅耦合器（GC），它们是在热生长的3微米SiO₂层上，使用Cr硬掩模在硅晶片上制造的。这些波导表现出约0.4纳米的RMS表面粗糙度。结合蒸发Al₂O₃的优异光学特性，我们在405纳米波长下实现了0.68 ± 0.03 dB/cm的传播损耗。405纳米下的低传播损耗突出了Al₂O₃在蓝光和紫外光子学中应用的潜力，包括陷阱离子量子计算以及生化成像和传感。