面向晶上集成的具有耐高温垂直微镜结构的光计算芯片的制作方法

本发明属于光电子，尤其涉及面向晶上集成的具有耐高温垂直微镜结构的光计算芯片。

背景技术：

1、随着集成电路中晶体管尺寸不断减小，集成密度不断增大，电路中的互连线引起的信号延迟、干扰等互连效应已经成为制约集成电路发展的瓶颈。此外，高密度集成电路芯片的发热问题使得难以简单地通过三维堆叠封装工艺继续提升系统性能。与电子相比，光子没有静止质量，光的不同波长可用于多路同时通信，带宽更大，速率更高。硅基光子技术的出现，有望解决电子集成电路发展的技术问题。硅基光子技术通常是在硅基衬底上制造或集成发射模块、传输模块和接收模块以及光调制器、光开关、光放大器等器件，用激光束代替电子信号传输数据，既与微电子cmos工艺兼容，又具有多通道、大带宽、高速率的优点。但是，一般的硅基光子技术是以绝缘体上硅(soi)为材料制造硅波导等器件结构，不仅soi成本昂贵且并不与ic的单晶硅衬底直接兼容，波导等器件在加工过程中不可避免存在缺陷，这些不平整的地方会导致光在波导中的传输损耗，此外传统硅基光子芯片的工艺要求严苛，成本高和良率低的问题急需突破。

2、传统的依靠硅波导的光子技术是一种二维技术，难以充分发挥硅作为载体的机械特性，也使得光的传播速率和损耗程度受限于波导制造工艺。而微电子机械系统(mems)是一种三维技术，可以在单晶硅晶圆上制造三维结构的微镜，实现光在空气中传播时光路的改变，充分发挥硅的机械特性、电学特性、光学特性。然而传统的mems光学微镜阵列通常是水平结构的，一般用于光在竖直方向的传输方向调整，难以实现水平方向的光路传输和控制。

技术实现思路

1、为了解决传统硅基光子技术工艺复杂和mems水平微镜不利于水平方向光路传输和控制的难题，本发明专利提出一种面向晶上集成的具有耐高温垂直微镜结构的光计算芯片，基于垂直深刻蚀工艺制作垂直方向的mems可驱动微镜，实现光路在水平方向的传输和控制。该工艺可以使用与ic完全兼容的单晶硅晶圆和后道工艺实现，不仅可以实现与ic的晶圆上集成，成本低良率高；而且可以制作光计算芯片、光存储芯片、光谱仪、滤波器、光开关等多种光学芯片，且具有一定的耐高温特性。

2、技术方案如下：

3、一种面向晶上集成的具有耐高温垂直微镜结构的光计算芯片，包括晶圆及其上若干光计算基本单元和光路控制光学元件，所述光计算基本单元包括n型光逻辑开关和p型光逻辑开关，所述n型光逻辑开关和p型光逻辑开关均包括透光结构、可动结构、固定结构，根据逻辑需要向所述透光结构、可动结构、固定结构施加电压，实现可动结构保持不动、偏转或移动，进而实现光路的通断，其中若断开电源，所述可动结构的状态保持不变，以保持光逻辑开关的逻辑状态，从而具有逻辑存储功能；

4、所述光计算基本单元通过如下过程制备得到：

5、垂直微镜结构制造步骤：在晶圆上表面深刻蚀或先沉积结构层再光刻刻蚀形成垂直微镜结构，所述垂直微镜结构包括所述透光结构、可动结构、固定结构，所述透光结构中间开有透光的窗口；

6、垂直侧壁平坦化步骤：对垂直微镜结构的垂直侧壁进行平坦化抛光；

7、绝缘层沉积步骤：在垂直微镜结构上和晶圆衬底间沉积绝缘层，实现电学绝缘隔离；

8、引线互连制造步骤：在垂直微镜结构上沉积金属层，形成引线互连。

9、进一步地，所述垂直微镜结构为悬臂梁式时，所述透光结构为透光层，所述可动结构为悬臂梁层，所述固定结构为固定层，所述透光层中间有用于透光的窗口且两侧为金属化的电极，所述悬臂梁层设置在所述透光层的窗口与所述固定层之间；

10、通过对所述悬臂梁层和固定层分别施加固定的静电压0和+v形成n型光逻辑开关，通过对所述悬臂梁层和固定层分别施加固定的静电压+v和0形成p型光逻辑开关，在所述透光层施加静电压0或+v使得悬臂梁层保持不动或发生偏转，进而实现光路的通断。

11、进一步地，所述垂直微镜结构为梳齿式时，所述透光结构为前驱动梳齿，所述可动结构包括垂直微镜和微镜梳齿，所述固定结构包括前驱动梳齿、后驱动梳齿和固定透光层，所述固定透光层中间有用于透光的窗口且两侧为金属化的电极，所述垂直微镜设置在所述窗口的后侧，且所述垂直微镜后侧依次为前驱动梳齿、微镜梳齿和后驱动梳齿；

12、通过对微镜梳齿和后驱动梳齿分别施加固定的静电压0和+v形成n型光逻辑开关，通过对微镜梳齿和后驱动梳齿分别施加固定的静电压+v和0形成p型光逻辑开关，在所述前驱动梳齿施加静电压0或+v使得微镜梳齿带动垂直微镜保持移动或发生移动，进而实现光路的通断。

13、进一步地，所述垂直微镜结构制造步骤具体为：

14、使用深刻蚀方法时，在晶圆上表面通过深刻蚀工艺，刻蚀出包括透光层、悬臂梁层和固定层的垂直微镜结构；

15、使用沉积方法时，在晶圆上表面通过外延生长、化学气相淀积多晶硅、二氧化硅或沉积厚胶生长结构层，使用光刻、刻蚀形成包括透光层、悬臂梁层和固定层的垂直微镜结构。

16、进一步地，所述垂直侧壁平坦化步骤中，将所述垂直微镜结构浸入氢氧化钾或四甲基氢氧化铵与异丙醇的混合溶液中，以形成粗糙度纳米级的垂直侧壁。

17、进一步地，所述绝缘层沉积步骤中，使用电感耦合等离子体化学气相淀积或等离子体增强化学气相淀积的方法在垂直微镜结构和晶圆表面沉积二氧化硅绝缘层。

18、进一步地，所述引线互连制造步骤包括：

19、在晶圆上表面通过喷胶的方式涂布光刻胶，曝光显影以形成引线互连的图形；

20、在晶圆上表面沉积金属层；

21、在丙酮、乙醇或去胶液中对金属层剥离并去除光刻胶，形成引线互连。

22、进一步地，所述光路控制光学元件包括透镜、反射镜、光阑、滤波器、干涉仪、光开关。

23、进一步地，若所述垂直微镜结构为梳齿式，则在所述引线互连制造步骤之后，将晶圆浸入氢氟酸去除绝缘体上硅晶圆中的埋氧层二氧化硅或单晶硅晶圆上沉积的牺牲层，得到悬浮的梳齿结构。

24、进一步地，若所述垂直微镜结构为梳齿式，则在所述垂直微镜结构制造步骤之前，在所述晶圆的背面刻蚀悬浮槽，将晶圆背面与含有钾、纳离子的玻璃晶圆进行阳极键合，在晶圆正面进行减薄抛光。

25、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

26、第一，本发明使用微电子深刻蚀工艺在硅晶圆制造垂直可驱动微镜结构，可以在水平方向实现光路的传输和控制。相比于传统的硅波导传输和控制方法，用几何光学实现光路的传输和控制，光路在空气中传输损耗低，对光源的要求低，传输速率快，同时也具有光子多通道、大带宽、高速率的优点；

27、第二，本发明使用微电子深刻蚀工艺在硅晶圆制造垂直可驱动微镜结构，可以使用与ic完全兼容的硅晶圆和后道工艺制造，成本低、良率高、可靠性好、可晶上直接制造集成；

28、第三，本发明制造垂直的透光层、悬臂梁层和固定层，通过调整施加在悬臂梁层和固定层的固定静电压，巧妙实现n型光逻辑开关和p型光逻辑开关的逻辑功能，并以此实现光子逻辑门并进一步构建复杂功能的光计算芯片，无需像cmos电路那样进行有源掺杂和高温退火。基于该结构的光子逻辑门和光计算芯片具有耐高温的特性；

29、第四，本发明可以在硅晶圆上直接刻蚀垂直方向的悬臂梁、反射镜、平面透镜、柱面透镜、凹透镜、凸透镜、三棱镜等光学器件，实现了片上光学系统。

30、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。