划重点 ：

提供基于减薄+抛光+精修方案 SICOI晶圆

提供SMARTCUT工艺SICOI晶圆

本文重点：

采用更高的退火温度，来修复注入对sic造成的损伤，目标是为了达成sic薄膜晶圆的高质量，大批量制造。

一般结构si-sio2-sic，但是si不耐高温，且和sic热膨胀差异大，高温退货容易崩，但是低温对于sic晶体质量的修复效果有限，因此采用 多晶sic-sio2-单晶sic膜，sio作为包层 sic作为波导层，多晶sic作为支撑衬底

当然还有另外一种办法可以修复，小编先保个密

关键词：碳化硅绝缘基板（SiCOI），智能切割™技术，转移层，弯曲补偿，光子器件，仿真。

摘要：碳化硅绝缘基板（SiCOI）是光子集成电路的一个有前景的平台。然而，受限于高质量商业化碳化硅绝缘基板的缺乏，该新型光子平台的开发受到阻碍。本研究展示了利用智能切割™技术，在150毫米晶圆尺度上将单晶半绝缘4H-SiC薄膜转移到SiO2绝缘基板上的过程。我们描述了SiCOI基板的开发及其在每个关键步骤中的表征。特别是，我们对与植入的SiC供体基板相关的弯曲补偿进行了详细研究。转移后的SiC层的质量是根据所施加的最终退火温度进行研究的。使用光谱椭圆偏振法测量了块状SiC的光学指数，并采用先进的模型考虑了碳化硅薄膜的强双折射。最后，我们进行了仿真，以设计一组基础和高级的光子器件。

引言：多年来，碳化硅（SiC）因其卓越的性能，如高物理硬度、优异的热导率（480 W·m-1·K-1）、化学惰性和宽带隙（2.4-3.2 eV），已被确定为功率电子学应用的首选材料。这些独特的特性意味着SiC功率半导体可以比传统的硅基器件提高能量转换效率，承受更高的电压、电流及更高的工作温度。最近的演示表明，SiC是实现量子和非线性光子电路的有前景材料。实际上，它结合了许多有趣的光学特性：宽透光窗口（紫外到中红外）、高二阶和三阶光学非线性系数（χ(2)，χ(3)）、高折射率以及在近红外波长下没有双光子吸收（TPA）。SiC还表现出点缺陷（着色中心），这些点缺陷由于其较长的自旋相干时间和室温操作特性，对量子比特（Qubit）实现具有潜力。

SiC光子学已被研究多年，最近的突破性演示包括低损耗波导、高质量因子谐振腔、高效的芯片内频率转换（通过χ(2)）以及单自旋量子比特与纳米光子腔的集成。这将SiC推向了量子与非线性光子学单片平台发展的前沿。然而，这些发展受限于商业化碳化硅绝缘基板（SiCOI）的缺乏。事实上，前述的演示依赖于通过键合和薄化方法获得的极其昂贵且实验性的SiCOI芯片。尽管在材料质量方面提供了更好的性能，具有最低的光学损耗（<0.38 dB/cm），但键合的SiC层厚度在晶圆上具有较大的变异性，同时由于大部分材料被浪费，这种方法极其低效。受到硅绝缘基板（SOI）制造的启发，采用离子切割（也称智能切割™）方法制造的SiCOI基板受到了越来越多的关注。尽管由于离子注入导致材料光学损耗较高，但最近在学术机构中已演示出具有合理Q因子（最高可达7.3×10^4，约7 dB/cm）的微环，这为进一步改进留下了空间。因此，良好的厚度均匀性以及有限的成本是实现未来商业化器件的显著优势。然而，转移的SiC层的愈合似乎是该技术未来发展的关键。基于在智能切割™工艺中用于功率组件和光学器件制造的广泛经验和专业知识，本研究旨在展示高质量SiCOI晶圆的成本效益生产。

本文重点介绍了智能切割™SiCOI制造过程。描述并发展了关键工艺步骤，并通过详细表征加以说明。基于Rouchier等人[16]和Gelineau等人[17]关于功率电子学用转移SiC基板的工作，我们将展示如何将该制造过程适应于光子应用。在本研究中，我们选择使用单晶SiC（mSiC）处理基板（而非硅），以便了解高温退火（在1200°C到1600°C之间）对转移SiC层愈合及其光学性质的影响。如果选择硅基板，这项研究将无法进行，因为硅的熔点为1410°C，并且硅与单晶SiC之间有很大的热膨胀系数差异。考虑到工业化，处理用单晶SiC基板可以替换为多晶SiC基板。本文的第二部分将致力于设计首批组件，并进行波导和谐振腔的仿真。

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作者：Stéphanie HUET1,a*, Sylvain GUERBER1,b, Emmanuel ROLLAND1,c,Bertrand SZELAG1,d, Guillaume GELINEAU1,e, Alexandre MOULIN1,f,  Vladimir PRUDKOVSKIY1,g, Nicolas TROUTOT1,h, Christophe LICITRA1,i,  Patrice GERGAUD1,j, Sophie BARBET1,k, Mathieu DELCROIX1,l,  Simon CARIDROIT1,m, Vincent AMALBERT1,n, Carlos ALONSO-RAMOS2,o,  Daniele MELATI2,p, Samson EDMOND2,q, Laurent VIVIEN2,r, Karine MONY3,s ,  Gérard LAPERTOT3,t and Julie WIDIEZ1,u 

Univ. Paris-Saclay, CNRS, C2N, F-91120 Palaiseau, France

Univ. Grenoble Alpes, CEA, IRIG, PHELIQS, F-38000 Grenoble, France

碳化硅绝缘基板制造工艺流程

利用智能切割™技术开发的SiCOI基板的制造工艺如图1所示。

图1. 碳化硅绝缘基板的技术流程

首先，使用高纯度4H-SiC半绝缘供体晶圆（N掺杂≈5×10¹¹ cm⁻³，直径150毫米，厚度500微米，来自SICC）和N掺杂（≈5×10¹⁸ cm⁻³）单晶4H-SiC接收晶圆（直径150毫米，厚度350微米，来自DOW CORNING）。在供体基板的正面（550纳米）和接收基板的正反面（3500纳米）上，通过PECVD（等离子增强化学气相沉积）沉积一层保护的电绝缘硅氧化物层，以补偿晶圆的弯曲。然后，SiO₂层通过在氮气气氛中，常压下于1100°C退火1小时进行致密化。氢离子（H⁺）在室温下通过550纳米氧化层注入供体基板的正面。在注入步骤中，晶圆倾斜7°以最小化通道效应。H⁺离子注入在注入表面下方形成一个损伤层，称为“断裂区”，其深度可根据注入能量进行控制[10, 18]。完成正面H⁺注入后，采用背面氢注入的弯曲补偿技术，注入剂量低于智能切割™注入量（足够低以防止晶圆背面起泡）。这一关键步骤通过弯曲测量进行表征。因为弯曲度过大会降低键合质量，且会使未来光子平台处理设备的自动化使用变得复杂，所以这一过程非常重要。

为了确保高质量的键合，我们抛光了两种基板上的PECVD氧化物，以减少表面粗糙度。随后将两种基板接触，进行直接SiO₂/SiO₂键合。然后，将键合后的基板进行热退火处理，温度低于1000°C，氮气气氛下退火，以实现自发断裂（也称为分裂）（如图1所示），并将一层半绝缘4H-SiC转移到SiO₂/SiC接收基板上。之后，将其中一个SiCOI基板在1200°C、氮气气氛下常压退火1小时，以提高键合强度并修复转移SiC层晶体中由离子注入引起的缺陷[18]。另一个SiCOI基板被切割成2×3 cm²的样品。其中一个样品在1300°C退火，一个在1400°C退火，一个在1500°C退火，一个在1600°C退火，每次退火30分钟。最后一个样品保持原状，用于表征转移层的初始状态。

最后，进行化学机械抛光（CMP），去除离子注入引起的缺陷区域，以达到转移的单晶SiC层的低表面粗糙度。通过光谱椭圆偏振法监测转移层的厚度和均匀性。使用原子力显微镜（AFM）表征转移层的表面形貌。每一步都使用双光谱白光（CWL）传感器进行晶圆翘曲度测量。转移的4H-SiC层的晶体质量通过X射线衍射（XRD）进行表征。

因此，一旦获得SiCOI基板，光子器件便使用电子束光刻（e-beam lithography）进行定义。然后，采用SF₆/O₂反应离子刻蚀（RIE）将图案转移到SiC层上。

结果与讨论

我们已成功制作出150毫米的SiCOI晶圆，将400纳米厚的单晶SiC层通过直接SiO₂/SiO₂键合工艺转移到单晶SiC接收基板上。

图2. 6英寸碳化硅绝缘基板分裂后的图片和横截面示意图

图2展示了所得SiCOI基板的示意横截面和分割后的晶圆图片。这些基板的外观质量非常好，只有极少数的键合缺陷，并且薄边缘排除区域（<3毫米）。

厚度测量：

图3. 通过光谱椭圆偏振法获得的（a）埋层氧化物，（b）转移后的4H-SiC层和（c）CMP后转移的4H-SiC层的25点厚度图

埋层氧化物（图3(a)）和单晶SiC层（转移前图3(b)与CMP后图3(c)）的厚度通过光谱椭圆偏振法进行了测定。氧化物层的平均厚度为3.6微米。转移后的4H-SiC薄膜的平均厚度为640纳米，整个晶圆表面的均匀性非常好（<2.5%），如图3(b)所示的25点厚度图所示。抛光后，晶圆的均匀性下降至14.3%，平均厚度降至376纳米。正如我们稍后讨论的，针对最佳光学性能，单晶SiC的目标厚度为500纳米。目前，我们的研究重点是优化抛光工艺，以最小化材料去除，并实现大约500纳米的最终厚度。

AFM测量
通过AFM在150毫米SiCOI晶圆的中心和边缘测量了转移的4H-SiC薄膜的表面粗糙度，如图4(a)-(d)所示。

图4. 转移后的4H-SiC薄膜的AFM高度测量图：
(a) 基板边缘和(b) 中心的测量图；
(c) CMP后4H-SiC薄膜的AFM图像：基板边缘和(d) 中心的测量图。

分裂后，晶圆的边缘和中心的表面粗糙度都非常重要（分别如图4(a)和图4(b)所示），在5×5 µm²的扫描范围内，根均方根（RMS）粗糙度约为6纳米。为了获得与光学组件制造兼容的更平滑的表面，通过CMP优化了整个150毫米区域的SiCOI基板表面，如图4(c)-(d)所示。经过CMP步骤后，晶圆边缘的RMS粗糙度降至0.16纳米（图4(c)），中心的RMS粗糙度降至0.18纳米（图4(d)）。最终基板显示出非常好的CMP后表面质量。

弯曲补偿与直接键合前的处理

图5. 供体晶圆的弯曲测量：接收时、500纳米SiO₂沉积和退火后、正面H⁺离子注入后以及背面H⁺离子注入后的测量结果。

在原始状态下，SiC晶圆显示出很小的弯曲（图5，“初始晶圆”）。然而，一些工艺步骤，如氧化膜沉积或离子注入步骤，可能会由于机械应力引起弯曲。我们通过双光谱白光（CWL）传感器在样品的上下方监测供体晶圆在每个步骤后的弯曲情况。图5显示了供体晶圆在沉积500纳米SiO₂并退火、正面H⁺离子注入以及背面H⁺离子注入后的弯曲测量结果。正面H⁺注入会产生233.2微米的大弯曲，这使得随后在未优化设备上进行的键合步骤变得困难。在背面H⁺注入后，使用低于正面注入剂量的注入量（以防止晶圆背面起泡），弯曲值为36微米，这对于直接键合是可兼容的（图5）。因此，这一技术可以补偿氢离子注入在SiC中引起的强弯曲，并将最终基板的弯曲度控制在较低的水平（<40微米）。

XRD测量
为了了解温度对转移SiC层晶体质量的影响，我们对专门的样品进行了高温退火（1200°C至1600°C）。比较了不同退火温度下的SiCOI基板和块状单晶SiC参考基板的XRD摇摆曲线（RCs）：退火后的1200°C、1300°C和1500°C的SiCOI基板与分裂后的SiCOI基板（图6(a)）。

图6.(a) 块状单晶4H-SiC、SiCOI分裂后（T < 1000°C）以及SiCOI基板在1200°C、1300°C和1500°C退火后的（0004）XRD摇摆曲线。
(b) 分裂步骤后样品的（0004）4H-SiC布拉格峰的XRD倒易空间映射（RSM），
(c) 1200°C退火后的RSM，
(d) 1500°C退火后的RSM。

我们可以看到，退火后摇摆曲线的半峰宽（FWHM）明显变小，但即使在1500°C退火后，FWHM仍然大于块状单晶SiC的FWHM。这意味着即使在1500°C退火后，顶部mSiC材料的晶体质量也未完全恢复。我们还使用XRD倒易空间映射（RSM）对转移的SiC层的晶体质量进行了研究，特别是对分裂步骤后（图6(b)）、1200°C退火后（图6(c)）以及1500°C退火后的（图6(d)）(0004) 4H-SiC布拉格峰的研究。从图6(b)中可以看到，分裂后的Qz出现了明显的不对称，这表明转移SiC层中存在较大的应变梯度。然而，对于温度大于或等于1200°C时，晶体完全恢复，不再有应变梯度。由SIMS分析确认的转移SiC层中残留的氢，可能是造成观察到的晶体非均匀变形的根本原因。然而，1500°C退火未能完全修复转移层的问题及具体缺陷的原因仍不清楚。为了深入了解这一现象，必须对在不同退火温度下退火后的组件进行光学评估。

光子器件的开发
首先，必须了解SiC导光层的特性，以便设计光子器件。通过椭圆偏振法，测量了SiC块体在从可见光到近红外波长范围内的光学指数。我们采用了一个模型来考虑碳化硅的强双折射。

图7.
(a) 通过椭圆偏振法测量的4H-SiC折射率，与[22]进行比较。
(b) SiC波导的几何结构及其模态仿真（电场强度，使用ANSYS的Lumerical™软件[23]）。
(c) 在SiCOI基板上制造的SiC波导的扫描电子显微镜图像。
(d) 芯片-光纤耦合器的几何结构。
(e) 相关的光传播仿真[23]。

如图7(a)所示，提取的常规折射率和非常规折射率与之前报告的值良好一致[22]。SiC层的厚度被设定为500纳米，这是波导传播损耗、器件紧凑性和非线性特性的折衷结果。知道了导光层的厚度和折射率后，就可以开始设计基本的光子器件，最基础的器件是光学波导。如图7(b)所示，我们模拟了一个典型尺寸（1×0.5 µm²）的SiC波导的模态行为，以估算其光学特性（有效光学指数、色散、传播损耗等）。使用电子束光刻和标准的刻蚀工艺，波导在SiCOI基板上进行了图案化和结构化，如图7(c)所示。

另一个关键组件是芯片-光纤耦合器，它用于将光从小型SiC波导（典型核心尺寸约为100纳米）传输到标准光纤（典型核心尺寸约为10微米），然后再连接到外部光源（激光器）或光电探测器。如图7(d)所示，它由一个增大的波导和一个衍射光栅组成，光将通过光栅提取到自由空间中。通过光学仿真（图7(e)），我们可以调整光栅的周期和结构的宽度，以最大化波导-光纤耦合效率。

如引言中所提到的，碳化硅结合了（i）强非线性系数χ(3)、（ii）高折射率和（iii）低传播损耗，是实现高效光学非线性功能的首选材料[12]。特别是，由于广泛的应用领域，稳定且强烈的Kerr频率梳（超稳定多谱激光源）的生成引起了越来越大的兴趣[24]。

图8.
(a) 使用SiC微环谐振腔生成Kerr频率梳（多谱激光源）的原理。
(b) 喂入波导与环形波导的光耦合效率仿真。

如图8(a)所示，外部连续波（CW）激光通过馈电波导注入，并通过与环形波导（回路）耦合形成共振腔。通过调整从馈电波导到共振腔的光功率（仿真图8(b)），可以达到极高的功率密度，这是触发频率梳生成的关键。

总结
本研究展示了利用智能切割™技术制造的150毫米SiCOI基板。成功地将400纳米厚的mSiC层转移到厚度超过1微米的SiO₂层上。通过使用智能切割™技术和精确的弯曲补偿技术，优化工艺获得的SiCOI基板无键合缺陷，最终具有低表面粗糙度（<0.2纳米）和薄边缘排除。XRD测量表明，分裂后的转移mSiC层表现出明显的应变梯度。对于温度大于或等于1200°C时，转移SiC层完全失去该变形梯度，且随着退火温度的升高，层的晶体质量得到了改善。通过先进的光学仿真，基于所有这些SiCOI基板将制造光子器件，这使我们能够确定转移层质量对这些器件光学性能的影响。在先前的文献中，报告了通过智能切割™制造的SiCOI基板的最大退火温度为1200°C，因其Si基材处理的限制。通过本文的研究，我们预计通过将退火温度提升至1500°C，制造的SiC光子器件的光学性能将显著提高。