集成光子學(xué)的發(fā)展推動(dòng)著信息處理與傳感技術(shù)的革新，但其廣泛應(yīng)用受制于一個(gè)核心矛盾：不同應(yīng)用場(chǎng)景需要工作在特定波長(zhǎng)的光，而主流光子材料平臺(tái)難以在紫外至可見(jiàn)光全波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)低損耗與CMOS工藝兼容。具體而言，硅材料在紫外波段損耗高、透明窗口有限；新興的氮化硅平臺(tái)在藍(lán)光與紫外區(qū)域的損耗也顯著上升。然而，量子信息處理（如離子阱量子比特操控）和高端傳感（如紫外拉曼光譜）等前沿領(lǐng)域恰恰依賴于紫外或藍(lán)光波段。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究提出并驗(yàn)證了一種基于Al?O?材料的解決方案。本研究報(bào)告了一種在200 mm CMOS中試線上實(shí)現(xiàn)的氧化鋁光子波導(dǎo)技術(shù)，該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了從深紫外266 nm到可見(jiàn)光638 nm波段的低損耗光傳輸，在360–638 nm波段平均損耗低于0.6 dB/cm，并具備優(yōu)異的相位穩(wěn)定性（相干長(zhǎng)度>2.2 mm）。這項(xiàng)工作為在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝上構(gòu)建高性能紫外與可見(jiàn)光集成光子電路提供了一個(gè)可靠且富有前景的材料平臺(tái)。

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波導(dǎo)設(shè)計(jì)與仿真

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110 nm厚Al?O?波導(dǎo)的模式圖：（a）波長(zhǎng)λ = 266 nm；（b）波長(zhǎng)λ = 360 nm

多數(shù)集成光子應(yīng)用需要在目標(biāo)波長(zhǎng)下單模操作的波導(dǎo)。采用Ansys Lumerical模式求解器計(jì)算模式折射率與場(chǎng)分布。為實(shí)現(xiàn)266 nm波長(zhǎng)單模傳輸，Al?O?層厚需低于130 nm；

本研究選用110 nm厚度以預(yù)留更短波長(zhǎng)測(cè)試空間。單模截止寬度分別為270 nm（266 nm）與520 nm（360 nm）。為遠(yuǎn)離多模區(qū)，選定450 nm為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)寬度用于360 nm波段器件（如MMI耦合器與MZI）。由于制備時(shí)無(wú)266 nm激光源，相同寬度波導(dǎo)在266 nm下呈多模狀態(tài)。450 nm、532 nm與638 nm波長(zhǎng)的單模波導(dǎo)寬度分別為650 nm、1000 nm與1400 nm。

光柵耦合器采用Ansys Lumerical FDTD設(shè)計(jì)，針對(duì)TE偏振優(yōu)化周期、線寬與刻蝕深度。因Al?O?與SiO?包層折射率對(duì)比度較低，360 nm波長(zhǎng)模擬耦合效率約為10%。上下包層厚度分別優(yōu)化為1.06 μm與2 μm，以提升耦合效率、避免硅襯底吸收，并為后續(xù)熱相移器加工預(yù)留空間。邊緣耦合采用倒錐形設(shè)計(jì)，尖端寬度130 nm，360 nm波長(zhǎng)模擬耦合損耗為2.6 dB。

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波導(dǎo)制備與表征

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（a）Al?O?集成光子波導(dǎo)的示意截面圖（b）臨界尺寸（CD）為150 nm、厚度110 nm的Al?O?波導(dǎo)的截面SEM圖像

Al?O?光子波導(dǎo)集成工藝在imec 200 mm CMOS中試線開(kāi)發(fā)。流程包括：在裸硅片上生長(zhǎng)2000 nm熱氧化硅下包層；通過(guò)原子層沉積制備110 nm Al?O?波導(dǎo)層；采用193 nm光刻與反應(yīng)離子刻蝕圖形化波導(dǎo)，過(guò)程中使用SiO?硬掩模以避免刻蝕選擇性低導(dǎo)致的損傷，硬掩模保留作為上包層一部分；經(jīng)高密度等離子體氧化物沉積與化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)現(xiàn)平坦化，上包層厚度為1.06 μm；最后通過(guò)兩步刻蝕（深氧化物刻蝕與深硅刻蝕）制備邊緣耦合端面。

波導(dǎo)層表征采用橢圓偏振儀測(cè)量折射率與厚度，原子力顯微鏡評(píng)估表面粗糙度。平板模式傳輸損耗通過(guò)棱鏡耦合裝置在406 nm、443 nm與635 nm波長(zhǎng)測(cè)量，但因缺乏紫外棱鏡，未能擴(kuò)展至紫外波段。360 nm及以上波長(zhǎng)的圖案化波導(dǎo)采用晶圓級(jí)自動(dòng)光纖切斷法測(cè)量；266 nm波導(dǎo)則通過(guò)自由空間邊緣耦合與芯片級(jí)成像測(cè)量。

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Al?O?薄膜表征

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（a）橢圓偏振儀測(cè)量的Al?O?波導(dǎo)層光學(xué)特性（b）Al?O?波導(dǎo)層頂面的1μm×1μm原子力顯微鏡掃描圖

橢圓偏振儀測(cè)量顯示，波導(dǎo)層折射率隨波長(zhǎng)變化，Al?O? 薄膜表面RMS粗糙度約為0.29 nm。

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平板模式傳輸損耗

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移動(dòng)光纖采集的散射光功率隨傳播距離變化曲線以及指數(shù)衰減擬合曲線

為快速評(píng)估材料本征損耗，采用250 nm厚Al?O?薄膜進(jìn)行棱鏡耦合測(cè)試，測(cè)量波長(zhǎng)包括406 nm、443 nm與638 nm。在406 nm與638 nm波長(zhǎng)下傳播條紋圖像顯示，光功率隨距離衰減緩慢。為移動(dòng)光纖采集的散射光功率隨傳播距離變化曲線，經(jīng)指數(shù)衰減擬合得到傳輸損耗分別為0.58 dB/cm（406 nm）、0.50 dB/cm（443 nm）與0.17 dB/cm（638 nm）。

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圖案化波導(dǎo)傳輸損耗

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晶圓級(jí)傳輸損耗測(cè)量結(jié)果

（a）266 nm波長(zhǎng)光在500 nm寬（上圖）與1100 nm寬（下圖）螺旋波導(dǎo)中傳播的圖像。（b）266 nm波長(zhǎng)下測(cè)量的傳輸損耗總覽

本研究對(duì)不同波長(zhǎng)和寬度的螺旋波導(dǎo)進(jìn)行了系統(tǒng)的傳輸損耗測(cè)量：

可見(jiàn)光與近紫外波段（360-638 nm）：在晶圓級(jí)測(cè)量中，360 nm波長(zhǎng)的損耗約為0.5 dB/cm，450 nm和532 nm波長(zhǎng)的損耗進(jìn)一步降至0.2 dB/cm以下，638 nm波段的損耗則低于0.16 dB/cm。這些結(jié)果優(yōu)于已報(bào)道的同類技術(shù)。

深紫外波段（266 nm）：本研究采用自由空間邊緣耦合與散射光成像法在芯片級(jí)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，傳輸損耗隨波導(dǎo)寬度減小而增加，在500 nm至1100 nm寬度范圍內(nèi)，損耗介于4.3至14.7 dB/cm之間。這主要?dú)w因于更窄的波導(dǎo)中光模與刻蝕側(cè)壁的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致散射損耗上升。即便如此，最低4.3 dB/cm的損耗值也表明該技術(shù)與目前最先進(jìn)的紫外二氧化硅波導(dǎo)性能相當(dāng)。

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波導(dǎo)相干長(zhǎng)度評(píng)估

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（a）用于波導(dǎo)相位相干性研究的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x示意圖。（b?e）在整個(gè)200 mm晶圓上測(cè)量的MZI上下輸出端口歸一化功率的直方圖，對(duì)應(yīng)MZI臂長(zhǎng)分別為1.4 mm（b）、1.6 mm（c）、2.2 mm（d）和6.1 mm（e）。（f）相位差呈正態(tài)分布（方差0.3）時(shí)，計(jì)算得到的歸一化輸出功率分布。（g）相位差方差為2.0時(shí)，計(jì)算得到的歸一化輸出功率分布

對(duì)于干涉型光子器件，波導(dǎo)的相位穩(wěn)定性（用相干長(zhǎng)度表征）至關(guān)重要。本研究通過(guò)測(cè)量晶圓上2240個(gè)不同臂長(zhǎng)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的輸出功率，統(tǒng)計(jì)分析其相位波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型對(duì)比表明，標(biāo)準(zhǔn)450 nm × 110 nm Al?O?波導(dǎo)在360 nm波長(zhǎng)下的相干長(zhǎng)度大于2.2 mm。這一結(jié)果受到所用激光器自身相干長(zhǎng)度（5.71 mm）的限制，實(shí)際波導(dǎo)相干長(zhǎng)度可能更長(zhǎng)，充分證明了該工藝平臺(tái)制造高性能干涉器件的潛力。

本研究成功開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種基于200 mm CMOS工藝平臺(tái)的Al?O?光子波導(dǎo)技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從深紫外（266 nm）到可見(jiàn)光（638 nm）寬波段的低損耗光傳輸，其中可見(jiàn)光波段的損耗低于0.6 dB/cm，紫外波段的性能可與現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，波導(dǎo)展現(xiàn)了優(yōu)異的相位穩(wěn)定性，相干長(zhǎng)度超過(guò)2.2 mm。這項(xiàng)工作表明，基于Al?O?的CMOS兼容光子平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高性能紫外與可見(jiàn)光集成光子器件（如量子信息處理器、高靈敏度生物傳感器等）的可行且可靠的解決方案，為其從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。