本發(fā)明涉及硅基光子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種硅基光子材料器件制備方法。

背景技術(shù)：

硅基光子集成技術(shù)在過去十幾年受到了廣泛的關(guān)注，分別在通信傳輸、數(shù)據(jù)處理以及生化傳感等領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。伴隨著這些技術(shù)的發(fā)展，硅基光子芯片的耦合封裝技術(shù)也被廣泛的研究，針對(duì)硅基光子集成芯片，目前主要有兩種耦合方式，一種是端面耦合，即光波導(dǎo)的端面與光纖的端面平行對(duì)準(zhǔn)，利用光纖或者波導(dǎo)出射的光一定程度的準(zhǔn)直性直接進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收；另外一種是垂直耦合，通過芯片上制作好的垂直耦合光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)的接收和傳送。

目前，將結(jié)構(gòu)調(diào)整和材料填充兩種方式有機(jī)地結(jié)合在一起，來系統(tǒng)研究硅基光子材料器件的制備方法尚未發(fā)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決背景技術(shù)中存在的問題，提出一種新型的硅基光子材料器件制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種硅基光子材料器件制備方法，包括以下步驟：

a)加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅納米晶粒：

首先，通過切片、磨片和拋光的工序進(jìn)行粗硅制備，粗硅經(jīng)過提純后得到晶體生長的原料；然后將晶體生長的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體；最后通過切割機(jī)將晶體切成厚度為幾百微米的晶粒；

b)通過光刻工藝的方式對(duì)晶粒進(jìn)行加工：

首先，利用光刻膠處理設(shè)備把光刻膠旋涂到晶粒表面；然后將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到晶粒表面的光刻膠上，再經(jīng)過分步重復(fù)曝光和顯影處理之后，在晶粒上形成需要的圖形；

c)采用uhv/cvd在硅襯底上生長ge量子點(diǎn)：

首先，在硅襯底上生長一層緩沖層；然后交替生長ge量子點(diǎn)和硅間隔層以形成有源區(qū)；最后在硅頂層上生長厚度為1.5nm的氧化層，構(gòu)成mos結(jié)構(gòu)的柵氧；

d)對(duì)加工過后的晶粒摻雜化學(xué)混合元素；

e)利用步驟d)制備得到的晶粒形成光開關(guān)陣列構(gòu)成光波導(dǎo)開關(guān)；

f)化學(xué)研磨與物理成型：

首先采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，使用拋光墊和化學(xué)研磨劑選擇性拋光沉積層使其平坦化；然后利用銅鑲嵌互連工藝，采用精細(xì)的線寬技術(shù)和低k介電材料加工出硅基光子電路板；

g)對(duì)加工出的硅基光子電路板進(jìn)行晶粒探針測(cè)試。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)可獲得熱導(dǎo)性好、電學(xué)性能好的硅基光子材料器件；(2)制備的材料與硅微電子工藝兼容，適合制作硅基光電子集成芯片；(3)制備方法簡單，且成本低廉，工藝可靠；(4)本發(fā)明的研究極大地促進(jìn)了相鄰學(xué)科的交叉和發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種硅基光子材料器件制備方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見圖1，本實(shí)施例的一種硅基光子材料器件制備方法，包括以下步驟：

a,加工制作出具有高密度和小尺寸的有序硅納米晶粒：

首先通過切、磨和拋等方式，先進(jìn)行粗硅制備：sio2+2h2＝si+2h2o，粗硅經(jīng)過提純后，晶體純度達(dá)到99％；然后再將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體；最后通過高精度切割機(jī)將晶體切成厚度約幾百微米的晶粒。

b,通過光刻工藝的方式對(duì)晶粒進(jìn)行加工：

首先，利用光刻膠處理設(shè)備把光刻膠旋涂到晶粒表面；然后將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到晶粒表面的光刻膠上，再經(jīng)過分步重復(fù)曝光和顯影處理之后，在晶粒上形成需要的圖形，以一個(gè)制程所需要經(jīng)過掩膜數(shù)量來表示這個(gè)制程。其中，光刻選用投影式對(duì)晶粒雙面對(duì)準(zhǔn)光刻，并采用薄膠光刻，光刻流程包括前處理、勻膠、前烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、顯影、后烘等流程。

c，采用超高真空化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)(uhv/cvd)在硅襯底上生長ge量子點(diǎn)：

先生長一層緩沖層，然后交替生長ge量子點(diǎn)和硅間隔層以形成有源區(qū)，生長過程中，由于晶粒失配會(huì)引入應(yīng)力，自組織的ge量子點(diǎn)的尺寸和密度就由應(yīng)力的大小決定，而量子點(diǎn)的位置可以通過納米刻印的方法來控制，生長數(shù)個(gè)周期的ge量子點(diǎn)以后，在硅頂層上生長厚度僅為1.5nm的氧化層，構(gòu)成mos結(jié)構(gòu)的柵氧。

d，對(duì)加工過后的晶粒摻雜化學(xué)混合元素，將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成pn結(jié)、電阻歐姆接觸，通過摻雜可以在硅襯底上形成不同類型的半導(dǎo)體區(qū)域，構(gòu)成各種器件結(jié)構(gòu)，摻雜工藝的基本思想就是通過某種技術(shù)措施，將濃度在78％-92％之間的三價(jià)元素或五價(jià)元素，包含磷、砷摻入半導(dǎo)體襯底。具體的摻雜方法有兩種：s1，擴(kuò)散法，將摻雜氣體導(dǎo)入放有硅片的高溫爐，將雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)一種方法；s2，離子注入法，利用電場(chǎng)加速雜質(zhì)離子，將其注入硅襯底中，精密地控制擴(kuò)散得到的低濃度雜質(zhì)分布。

e，利用步驟d制備得到的晶粒形成光開關(guān)陣列構(gòu)成光波導(dǎo)開關(guān)：

硅中載流子濃度的變化會(huì)引起硅的折射率的變化，與gaas的電光效應(yīng)水平相當(dāng)，利用硅的自由載流子等離子色散效應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)電光開關(guān)作用，電光開關(guān)的開關(guān)速度由自由載流子的壽命決定，因而開關(guān)速度快，可達(dá)納秒量級(jí)，以2×2光開關(guān)為基本單元，可以構(gòu)成光開關(guān)陣列。光開關(guān)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要參數(shù)有損耗、串?dāng)_、偏振敏感性和集成的開關(guān)單元級(jí)數(shù)和數(shù)目等，開關(guān)單元的性能和光開關(guān)陣列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式直接決定陣列性能的好壞，光開關(guān)陣列的損耗主要包括：光纖同開關(guān)間的耦合損耗、介質(zhì)中的傳輸損耗、彎曲波導(dǎo)引入的輻射損耗和開關(guān)單元本身的損耗，陣列的損耗中很大一部分是與開關(guān)元數(shù)目和光路的長度成正比，陣列開關(guān)的串?dāng)_主要由兩部分組成：交叉波導(dǎo)帶來的串?dāng)_和開關(guān)單元自身兩條光路之間耦合引起的串?dāng)_，前者可以通過優(yōu)化交叉波導(dǎo)的交叉角而大幅度地降低。

f，化學(xué)研磨與物理成型：

首先采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(cmp)技術(shù)，使用拋光墊和化學(xué)研磨劑選擇性拋光沉積層使其平坦化，包括多晶硅金屬介質(zhì)平坦化、層間絕緣膜平坦化和鎢平坦化；然后使用銅鑲嵌互連工藝，采用精細(xì)的線寬技術(shù)和低k介電材料使得加工出硅基光子電路板。

g，對(duì)加工出的硅基光子電路板進(jìn)行晶粒探針測(cè)試：

在測(cè)試過程中，每一個(gè)芯片的電性能和電路機(jī)能都被檢測(cè)到，不合格的晶粒會(huì)被標(biāo)上記號(hào)，而后當(dāng)芯片切割成獨(dú)立的芯片顆粒時(shí)，淘汰標(biāo)有記號(hào)的不合格芯片顆粒。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。