通过直接玻璃键合技术制造的低限制硅氮化物波导

《Optical Materials》：Low-confinement silicon nitride waveguides manufactured via direct glass bonding

　　摘要
降低光子集成电路的制造成本，同时保持低光损耗和技术简洁性，对于其更广泛的应用至关重要。在传统的制造方法中，波导周围的介质包层厚度通常限制在约20微米，这使得在低约束几何结构中抑制辐射损耗和寄生散射变得复杂。在本文中，我们提出了一种通过在Borofloat 33玻璃中热熔合两块玻璃片来形成低约束波导的替代技术，并通过实验进行了验证。波导图案是通过在玻璃中蚀刻深度为数十纳米的沟槽、填充氮化硅、移除多余层并粘合平面化的玻璃表面来实现的，从而形成厚实且对称的介质包层。作为概念验证，我们制造了核心高度为50纳米、宽度从1.3到3.5微米的直线波导。通过与标准SMF-28单模光纤在1550纳米波长下的端面耦合，我们获得了高达60%的芯片传输效率，对应的输入/输出耦合损耗约为每面1分贝，与数值估计结果一致。使用AR涂层透镜光纤测量的高分辨率光谱的Fabry-Perot分析显示，有效传播损耗低至0.62 ± 0.36分贝/厘米，具体取决于波导宽度和偏振方式。所提出的方法为低约束玻璃封装的光子电路提供了一条简单且可扩展的途径，适用于长延迟线、外部腔体激光反馈电路和环形谐振器传感器。

引言
基于氮化硅的集成光子学已成为电信领域应用系统的关键领域之一，这归因于其宽光谱透明性[1][2]、与CMOS的兼容性[3][4]以及潜在的低传播损耗[5][6][7][8]。然而，最佳波导几何形状（特别是模式局域化程度）是由损耗、非线性、热稳定性和光纤接口要求之间的权衡决定的。在这项工作中，我们专注于低约束SiNx波导，这些波导通常通过超薄核心和/或较大的有效模式面积来实现。低约束几何形状的主要工程优势是由于侧壁粗糙度和制造波动导致的损耗降低：较少的场强集中在芯包层界面，从而减弱了微观缺陷上的散射，在相同的光刻和蚀刻限制下更容易实现超低损耗。早期低损耗氮化硅波导的演示正是依靠场强分散和几何优化来最小化散射，在电信窗口内实现了几分贝/米或更低的损耗水平[5][9]。第二个实际优势是较大的有效模式面积，因此在相同功率下光强度较低，这增加了最大功率并减少了Kerr非线性的影响，这对于延迟线、高动态范围滤波器和外部激光谐振器非常重要[9]。第三个优势是改进了光纤耦合：接近光纤模式的波导尺寸减少了输入/输出损耗，并简化了无源封装，这对于特定应用的电路至关重要。最后，对于关键指标为相位噪声/强度噪声（通过高Q值谐振器和长延迟线）和缩放稳定性的应用来说，低约束波导通常是更优的选择，包括相干电信系统和微波光子学[10][11]。
低约束增加了最小弯曲半径（通常达到厘米级别），从而增加了芯片面积和元件占位面积。此外，与高约束平台相比，它降低了色散工程和集成密度的灵活性，在高约束平台上可以在更严格的粗糙度和尺寸变化要求下实现更小的弯曲。从实际角度来看，低约束平台提出了几个要求。首先，必须最小化材料吸收，包括与N–H和Si–H键相关的吸收以及控制组成/缺陷，这通常需要高温退火[9][12]。其次，必须以高晶圆级均匀性控制超薄的氮化硅厚度，因为即使是很小的尺寸变化也会显著改变长结构中的有效折射率和相位延迟。第三，必须控制应力和裂纹，因为氮化硅具有较高的内在应力；已知的方法包括专门的裂纹停止和应力分配图案[12][13]。为了降低损耗，还需要高质量的下层/上层SiO2包层（低粗糙度、低杂质），以及减少与潜在缺陷界面的光学相互作用。制造此类结构的最常见技术涉及LPCVD沉积氮化硅，随后进行蚀刻和SiO2包层形成；波导几何形状（厚度和宽度）的选择可以在约束、弯曲损耗和散射之间进行权衡[5][9]。为了提高产量并控制“厚”氮化硅中的裂纹（通常与高约束相关，但对混合平台也具有技术意义），广泛使用了Damascene工艺，即通过填充预蚀刻的沟槽然后进行平面化来形成波导，确保微环中的受控应力和高Q值[14]。对于长延迟线和高Q值谐振器，抛光/平面化技术（例如化学机械抛光（CMP）、等离子体蚀刻优化以及侧壁微粗糙度降低也至关重要[12]。
将波导图案置于两层高质量SiO2之间的制造方法对于低约束波导特别有趣：它们产生对称的包层、可靠的机械封装和最小的光损耗。在集成光子学中，这通常是通过氧化物对氧化物直接键合（亲水/熔合键合）或等离子体激活的直接键合来实现的，以降低退火温度和时间。当材料兼容性超过对超低光损耗的需求时，也使用粘合键合（例如BCB）和金属介导的方法[15]。在光子平台上，氧化物对氧化物键合作为多层集成（层转移和垂直过渡形成）的基本操作，同时保持波导区域中的低损耗[16]。在“两块玻璃片”的背景下，值得注意的例子包括使用热生长SiO2作为高质量包层的晶圆键合结构，展示了创纪录的低传播损耗，并详细分析了表面清洁度/平整度要求和退火条件[17]。
在实际的氮化硅芯片实现中，典型的工艺顺序通常包括形成底层SiO2层（热氧化物或PECVD/HDPCVD后进行平面化）、沉积和图案化SiNx、形成上层SiO2层并进行表面处理（如有必要进行CMP）、表面活化（等离子体/紫外线-臭氧或化学清洗），以及对准和直接键合，随后进行低温/高温退火以增强键合强度和光学均匀性[15][16]。这种方法产生了一种机械和热稳定的“三明治”结构，便于进一步的边缘处理、与其他层的集成以及晶圆级扩展。对于制造波导结构的测试样品，值得一提的是飞秒激光写入（FSLW）技术[18]。该技术可以在各种类型的玻璃中创建波导结构：非晶硅氧化物[19]、硼硅酸盐玻璃[20]、磷酸盐玻璃[21]和各种玻璃合金[22]。然而，将这项技术扩展到工业生产具有挑战性。
更广泛地说，基于玻璃的光子学最近已经发展出了超越飞秒激光写入结构的新型技术。最近的例子包括用于共封装光学的低损耗聚合物波导在玻璃基底上[23]、用于可扩展光重分配层的玻璃上的氮化硅光子学[24]、用于高密度光互连的离子交换玻璃波导电路[25]，以及通过电子束蒸发制造的低约束TiO2波导[26]。这些方法表明基于玻璃的平台也可以与可扩展的制造方法兼容。在这种情况下，所提出的方法并不打算取代现有的LPCVD或Damascene SiN技术，后者提供了更低的损耗、成熟的应力控制策略和更高的集成密度。其主要区别在于使用直接玻璃键合在超薄SiNx核心周围形成厚实、对称且机械强度高的包层，同时保留了通往低约束几何形状和高效端面耦合的简单途径。
在这项工作中，我们提出了一种在Borofloat 33玻璃中获得低约束波导的替代技术，利用热键合将两块玻璃表面熔合在一起。这种方法可以将最小波导厚度减少到几十纳米，实现来自标准光纤的低损耗输入（每面约1分贝），并提供了制造的可行性。所提出的工艺可能与晶圆级扩展兼容，因为波导是通过并行的光刻、沉积、平面化和键合步骤定义的，而不是通过串行写入；然而，扩展到更大的晶圆将需要专门控制表面粗糙度、平整度、晶圆弯曲、CMP均匀性、颗粒污染、键合产量和芯片级端面准备。

芯片制造
使用热键合技术制造低约束SiNx波导的过程包括几个阶段，如图1a所示：Borofloat 33晶圆超声波清洗；六甲基二硅氮烷（HMDS）和光刻胶涂层；波导结构的光刻；沟槽干法蚀刻；剩余光刻胶的等离子体清洗；氮化硅ICP-CVD沉积（如其他地方所述[27]；通过化学机械抛光去除剩余的SiNx层；热玻璃-玻璃键合。

光学测量
我们使用与标准单模切割SMF-28光纤的端面耦合来测量波导传输。设置示意图如图2a所示。我们使用波长为1550纳米的电信波段二极管激光器。偏振控制通过光纤偏振器和偏振控制器（FPC）实现。输入和输出光纤安装在五轴舞台上，从而能够精确地将光纤端面与芯片的波导端面耦合，如图2b所示。光纤位置对齐由...完成。

结论
在这项工作中，提出了一种在Borofloat 33玻璃中制造低约束SiNx波导的技术，并通过实验进行了验证。该技术基于在玻璃基底中形成纳米沟槽，然后填充SiNx、去除多余层并热键合两块玻璃片。这种方法确保了高质量的接触表面，并在波导周围形成了对称的介质包层，这对于实现低损耗和机械稳定性至关重要。测试样品的特征是1厘米的CRedI...

作者贡献声明
Mikhail V. Tsvetkov：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。
Dmitry V. Obydennov：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件。
Alexandr S. Rykov：资源，方法论。
Alexandr R. Shevchenko：资源，方法论。
Maxim V. Shibalov：资源，方法论。
Ivan A. Filippov：资源，方法论。
Stepan D. Perov：资源。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了俄罗斯联邦教育科学部项目编号125020501540-9的支持。制造和技术表征在大型异质集成技术和硅+碳纳米技术综合设施中进行。

Mikhail V. Tsvetkov | Dmitry V. Obydennov | Alexander S. Rykov | Alexander R. Shevchenko | Maxim V. Shibalov | Ivan A. Filippov | Stepan D. Perov | Nikita Yu. Dmitriev | Michael A. Tarkhov
俄罗斯科学院微电子纳米技术研究所，Leninsky Prospekt 32A，119334，莫斯科，俄罗斯