基于InP的马赫-曾德尔电光调制器工艺技术开发研究报告

本研究题为《Technological development of an InP-based Mach–Zehnder modulator》，由 Sergey Ishutkin（通讯作者）、Vadim Arykov、Igor Yunusov、Mikhail Stepanenko、Pavel Troyan 和 Yury Zhidik 共同完成。其中，主要研究人员分别来自俄罗斯的 Micran 研发与生产公司以及托木斯克控制系统与无线电电子大学（Tomsk State University of Control System and Radioelectronics）的集成光学与微波光子学实验室。该研究论文发表于学术期刊《Symmetry》，于2020年12月6日在线发表。

一、 学术背景与研究目的

该研究属于半导体光电子器件制造领域，具体聚焦于微波光子学（Microwave Photonics）和集成光电技术。研究的核心驱动是通信市场的快速发展，尤其是随着4G/5G移动网络、物联网（IoT）和数据中心流量的爆炸式增长，对光纤通信系统的带宽和性能提出了更高要求。密集波分复用（DWDM）系统是实现高带宽通信的关键，而电光调制器是其中的核心组件之一。基于磷化铟（InP）的调制器，因其材料特性允许在同一衬底上集成有源（如激光器、调制器）和无源（如波导）元件，成为实现高性能、高集成度光子集成电路（PICs）的重要平台。

尽管已有多个研究团队和制造商开发了InP基马赫-曾德尔调制器（MZM）的制造工艺，但相关技术的研发与优化仍在持续进行。现有工艺在波导形成、欧姆接触制作、表面平坦化以及晶圆划片等关键步骤上存在不同方案，各有优劣。本研究旨在开发一套完整、优化的InP基MZM制造工艺，其核心目标包括：解决有源与无源波导段界面未对准问题、优化表面平坦化工艺以避免后续工艺中的问题、开发一种能在所有芯片上同时沉积抗反射（AR）涂层的新型晶圆分割方法，并最终制造出功能性测试样品以验证工艺可行性。

二、 详细研究流程与实验方法

本研究并非一项理论或模拟研究，而是一项详细描述完整工艺开发和器件制造流程的应用性技术研究。其研究对象是3英寸半绝缘InP晶圆及其表面生长的InP/InGaAsP p-i-n异质结构。研究的核心是通过一系列精细的微纳加工步骤，在这些晶圆上制造出InP基MZM器件。整个工艺流程共包含15个主要步骤，涵盖了从初始掩模制作到最后芯片分割的所有关键环节。以下对各主要步骤及其涉及的材料、方法与创新点进行详细阐述：

1. 工艺方案设计： 在实验开始前，研究团队基于对现有技术路线的分析，做出了几个关键决策，构成了本工艺流程的创新基础。首先，关于p-i-n二极管中p型欧姆接触和n型欧姆接触的形成顺序，研究选择了“先底后顶”方案，即先制作底部的n型接触，再进行表面平坦化，最后制作顶部的p型接触。这样做的优点是避免了先制作狭窄p型接触时在后续波导刻蚀中可能受到的损伤，并解决了p型接触和n型接触退火温度不兼容的问题（p型Ti/Pt/Au接触最佳退火温度~300°C，n型Ni/Ge/Au接触~410°C）。其次，为了解决晶圆划片（通常是解理）与抗反射（AR）涂层沉积顺序的矛盾（传统方法先划片后镀膜，效率低），提出了“先形成沟槽，后解理”的两步划片法，允许在整片晶圆上一次性完成波导端面形成和AR涂层沉积。

2. 波导结构形成： 这是工艺的核心步骤之一。研究采用电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀来形成高深宽比、侧壁光滑的光波导结构。刻蚀使用的气体混合物是Cl₂/Ar/N₂。一个关键创新点是使用了单一的氮化硅（SiNx）介电掩模，并配合两次连续的ICP刻蚀来同时形成调制器的有源（相位调制区）和无源（分束/合束区）波导段。具体流程是：先通过该SiNx掩模刻蚀掉p型层；然后选择性去除无源区上方的SiNx掩模；再进行第二次ICP刻蚀，刻蚀掉暴露区域的p型和i型层。这种“双重图形化”技术有效防止了有源区与无源区边界因多次光刻对准可能产生的错位误差，从而降低了光学损耗和模式失配。

3. 台面隔离与底部n型欧姆接触： 为了电学隔离各个器件，进行了第三次ICP刻蚀，以形成台面隔离结构。同时，在这一步骤中，也刻蚀出了芯片光学输入/输出端的波导端面轮廓，为后续的AR涂层沉积做准备。随后，通过电子束蒸发沉积Ni/Ge/Au (10/30/200 nm)金属叠层，并经过410°C热板退火2分钟，形成了底部的n型欧姆接触。测量得到的比接触电阻为1.2 × 10⁻⁶ Ω·cm²，表明接触性能良好。

4. 表面平坦化与顶部p型欧姆接触： 由于先制作了底部的台面和n型接触，晶圆表面存在较大起伏，给后续制作精细的顶部p型接触带来了光刻对准和金属覆盖的挑战。为此，研究采用了光敏性苯并环丁烯（BCB）薄膜进行表面平坦化。工艺采用了一种组合方案：首先通过光刻在BCB薄膜上开窗口，露出底部的n型接触区和芯片边界；然后，利用基于SF₆/O₂气体的ICP刻蚀去除多余的BCB膜厚度，直到暴露出p-i-n异质结构顶部的p-InGaAs接触区域。经过平坦化后，晶圆表面的BCB膜厚度均匀，起伏小于0.2 μm。在平坦化的表面上，通过电子束蒸发沉积Ti/Pt/Au (50/25/400 nm)金属叠层作为顶部p型欧姆接触。通过前期优化实验，确定了最佳退火条件为300°C退火10分钟，此时获得最小的比接触电阻为5.7 × 10⁻⁶ Ω·cm²。重要的是，300°C的退火温度远低于BCB材料的玻璃化转变温度（>350°C），因此退火后BCB平坦化薄膜未出现任何变形或开裂，验证了该工艺组合的可行性。

5. 互连与电阻形成： 在完成欧姆接触后，依次形成了NiCr薄膜电阻和用于传输线的互连金属。互连金属采用电镀金的方式制作，厚度为3 μm，以降低射频损耗。

6. 新型晶圆分割技术： 这是本研究的另一项重要创新。传统的解理划片法需要在单个芯片上单独沉积AR涂层，效率低下。本研究提出了两步分割法：首先，通过划片（Dicing）或深湿法刻蚀在晶圆上沿芯片边界形成沟槽（深度约250 μm）；然后，沿着这些预先形成的沟槽进行解理（Cleaving），完成最终的分割。在形成沟槽后、解理前，可以在整个晶圆上一次性沉积SiNx作为抗反射（AR）涂层。这种方法允许在分割前对所有芯片的波导端面同时进行AR涂层沉积，极大提高了工艺效率和一致性。实验比较了两种沟槽形成技术：机械划片会在芯片边缘产生约1-3 μm的粗糙度；而使用HCl:水（1:3）溶液对InP进行深湿法刻蚀，则能得到非常光滑的边缘，且刻蚀剖面呈梯形，有利于控制波导端面与芯片边缘的距离（可达几微米），满足后续与光纤耦合的要求。

7. 器件表征： 利用上述完整工艺，研究团队成功制造了InP基MZM测试样品。对原型器件的初步测试表明，在1550 nm波长下，其半波电压（Vπ）为2.9–3 V，消光比为10–12 dB，测试波导的传输损耗为4.2 dB/cm。

三、 主要研究结果与逻辑关系

本研究的结果主要体现在工艺开发的成功验证和器件原型性能的初步实现上，各步骤结果环环相扣，共同支撑了最终结论。

在波导形成阶段，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，通过单一SiNx掩模和两次ICP刻蚀形成的波导元件具有近似矩形的轮廓和光滑的表面形貌，且有源区和无源区的边界过渡清晰，无错位现象。这一结果直接证实了所采用的“双重图形化”刻蚀方案的有效性，为实现低损耗的光学模式转换奠定了基础。

在欧姆接触制作阶段，首先，底部Ni/Ge/Au接触的比接触电阻低至1.2 × 10⁻⁶ Ω·cm²，证明了其良好的电学性能。其次，对顶部Ti/Pt/Au接触的退火参数优化结果（300°C, 10 min）是关键发现，它找到了一个既能使接触电阻最小化（5.7 × 10⁻⁶ Ω·cm²），又不会破坏下方BCB平坦化膜的退火窗口。后续在完整工艺晶圆上的退火实验进一步确认，BCB膜在退火后无变形或开裂，这解决了先平坦化后制作高温退火接触的兼容性难题，是整个工艺流程得以顺利实施的前提。

在表面平坦化阶段，晶圆照片和SEM图像显示，经过BCB涂覆和ICP平坦化刻蚀后，晶圆表面平整度很高，p-i-n二极管的接触区域被清晰地打开，其余区域被BCB覆盖。这一结果为后续精细的p型接触光刻和金属化提供了平坦的基底，确保了接触图形的准确性和电极连接的可靠性。互连电极的SEM图像也显示，BCB层提供了足够的平坦化水平，使得3 μm厚的金互连线能够良好成型。

在晶圆分割新工艺验证阶段，研究获得了直观的显微图像结果。使用辅助划片形成的芯片边缘存在一定粗糙度，而使用深湿法刻蚀形成的沟槽边缘则非常光滑。更重要的是，这两种方法都实现了在整片晶圆上预先形成波导端面和沉积AR涂层，然后才进行最终分割。这一结果直接证明了新型两步分割法的可行性，其优势在于能够提升AR涂层工艺的效率和均匀性。

最后，对制造出的MZM原型器件的初步电光测试，得到了半波电压、消光比和波导损耗等基本参数。这些参数虽然与业界最优水平尚有差距，但明确证实了采用这套全新开发的技术流程能够成功制造出功能性的InP基MZM器件。作者指出，这些参数值可以通过后续优化异质结构设计和器件拓扑结构来进一步提升。

四、 研究结论与价值

本论文成功开发并验证了一套用于制造InP基马赫-曾德尔电光调制器的完整工艺流程。主要结论包括： 1. 提出并实现了一种利用单一SiNx介电掩模配合两次ICP刻蚀来同步形成有源和无源波导段的方法，有效避免了界面错位问题。 2. 证明了在采用BCB薄膜进行晶圆表面平坦化后，制作并退火Ti/Pt/Au p型欧姆接触（300°C）的可行性，且BCB膜在退火后保持完好。 3. 提出并验证了一种创新的晶圆分割技术：先通过划片或深湿法刻蚀形成沟槽，再沿沟槽解理。该技术的最大优势在于允许在分割前，于整个晶圆上一次性完成波导端面形成和抗反射涂层沉积，从而简化了工艺，提高了生产效率和涂层一致性。 4. 基于上述技术，成功制备了InP基MZM测试样品，并获得了初步的电光性能参数，验证了整个工艺流程的实用性。

本研究的科学价值在于，它系统性地提出并解决了InP基MZM制造工艺中的几个关键技术挑战：波导界面对准、高温接触与有机平坦化材料的兼容性、以及高效AR涂层工艺与划片的矛盾。所开发的工艺模块具有创新性和实用性，为高性能、高成品率InP光子集成电路的制造提供了具体的技术参考和方案选择。

五、 研究亮点

1. 工艺集成创新： 研究并非单一技术的突破，而是多项工艺的巧妙集成与优化，包括“先底后顶”的接触制作顺序、BCB平坦化与高温金属退火的兼容方案、以及新型两步划片法，形成了一个具有内在逻辑连贯性的完整制造方案。
2. 解决对准问题： 采用单一掩模双重刻蚀技术，从根源上消除了有源与无源波导段因多次光刻可能产生的对准误差，这是提高器件光学性能的关键。
3. 新型划片方案： 提出的“先开槽-后解理”两步分割法是一个显著的工艺创新。它打破了“先划片后镀膜”的传统思维，将AR涂层沉积变为一道晶圆级（Wafer-level）工艺，对于降低制造成本、提高生产吞吐量具有重要意义。
4. 详实的工艺验证： 论文提供了从SEM图像、接触电阻测量到分割边缘形貌的丰富实验数据和图像，扎实地验证了每一步工艺开发的结果，使整个技术路线可信度高。

六、 其他有价值的内容

论文在引言部分对国际上其他主要研究团队（如COBRA研究所、Fraunhofer HHI研究所、Larry Coldren小组等）和制造商的InP基MZM典型工艺进行了简要回顾和比较，为本研究的立项和技术路线的选择提供了背景和依据。此外，作者提到他们并行开发了一种用于优化InP电光调制器的方法，相关论文已同期发表，这表明本研究是更广泛的器件设计与工艺优化项目的一部分，理论与实践相结合。