一种复合波导器件及其微转印加工方法与流程

本发明涉及光电异质集成，具体涉及一种复合波导器件及其微转印加工方法。

背景技术：

1、微纳器件与片上电路和波导平台的异质集成是一项关键技术，在电信通讯、量子信息处理和传感等领域有着广泛应用。目前常用的集成技术是异质键合和微组装技术。异质键合，即通过晶圆键合(wafer-to-wafer，w2w)或芯片键合(die-to-wafer/die，d2w/d2d)将异质材料键合到提前加工好的无源光学芯片上，然后再进行有源光电器件结构加工。微组装技术，即异质材料在其本征衬底上完成加工后，通过拾取放置(pick-and-place)等过程将其转移至目标波导器件上。在这种技术的不同形式中，最受关注的是微转印技术(micro-transfer printing，μtp)，它适用于平面、可形变、非平面衬底上微米级器件的大规模、高密度转移集成，同时可实现与波导器件结构的高精度对准(可达几百纳米)，被视为未来最具应用前景的一种异质集成技术。

2、微转印技术中最常用的一种形式是通过动力学控制弹性印模(stamp)与被转印材料间的粘附力强弱从而实现异质材料从源器件拾取到放置至目标器件这一转印集成过程。现有的微转印技术方案一主要包括源器件保护层加工、待释放转印结构及支撑连接结构(tethers)同步加工、牺牲层(sio2)湿法释放刻蚀、弹性印模转印等过程；技术方案二主要包括待释放转印结构加工、旋涂光刻胶并光刻显影形成支撑连接结构、牺牲层(sio2)湿法释放刻蚀、弹性印模转印等过程。

3、现有的微转印技术方案一由于其待释放转印结构和支撑连接结构在源器件同一材料中同步完成图形化定义，因此在湿法刻蚀释放过程中，与待释放转印结构相邻的较其更大面积的区域(非释放转印区)只能作为连接结构的一端起到固定支撑作用，这将导致源器件层的材料利用率降低。另外，该方案的非释放转印区存在部分释放悬空的问题，使得转印拾取时易产生不规则断裂形成形状不规则的转印结构，从而导致转印集成良率、器件特性、器件表面洁净度等方面的不良影响。又因其待释放转印结构中具有无法抵抗牺牲层刻蚀液的材料(sio2)，需单独制备加工保护层(非晶硅)，使得工艺复杂度高。方案二由于采用光刻胶作为支撑连接结构，因此存在光刻胶容易产生形变塌陷、不易均匀填充待释放转印结构间隙、支撑连接结构不稳定等问题。

4、综上所述，现有的微转印技术方案存在材料利用率低、转印集成的良率低，以及工艺复杂程度高等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供一种复合波导器件及其微转印加工方法，以达到提高材料利用率和转印集成良率，以及简化工艺流程的目的。

2、本技术实施例提供以下技术方案：一种复合波导器件的微转印加工方法，包括如下步骤：

3、在衬底材料上涂覆有机粘附介质；

4、通过所述有机粘附介质，将异质材料层粘附键合至所述衬底材料上；

5、在所述异质材料层上定义出器件的待释放转印结构和支撑连接结构；

6、将所述待释放转印结构下方对应区域的有机粘附介质溶解，形成通过所述支撑连接结构进行支撑连接的待转印悬空结构；

7、将弹性印模与所述待转印悬空结构进行共形接触，通过快速提拉或下压的方式使所述待转印悬空结构在所述支撑连接结构处发生断裂，以将所述待转印悬空结构拾取；

8、将拾取的所述待转印悬空结构与预制的目标波导器件结构对准贴合，剥离所述弹性印模，完成微转印加工。

9、根据本技术一种实施例，所述有机粘附介质为光敏性有机粘附介质，在将所述待释放转印结构下方对应区域的有机粘附介质溶解之前还包括：

10、将所述待释放转印结构下方对应区域的所述光敏性有机粘附介质定义为待刻蚀释放区；将所述支撑连接结构下方对应区域的所述光敏性有机粘附介质定义为非刻蚀释放区；对所述非刻蚀释放区和所述待刻蚀释放区进行选择性曝光，以将所述待刻蚀释放区的所述光敏性有机粘附介质溶解。

11、根据本技术一种实施例，所述光敏性有机粘附介质为负性光敏bcb、负性光刻胶以及正性光刻胶中的任意一种；其中，若所述光敏性有机粘附介质为负性光敏bcb或负性光刻胶，则对所述非刻蚀释放区进行曝光处理；若所述光敏性有机粘附介质为正性光刻胶，则对所述待刻蚀释放区进行曝光处理。

12、根据本技术一种实施例，所述有机粘附介质为非光敏性有机粘附介质，采用有机溶剂将该待释放转印结构下方对应区域的所述非光敏性有机粘附介质溶解，形成通过所述支撑连接结构进行支撑连接的待转印悬空结构。

13、根据本技术一种实施例，所述有机粘附介质的涂覆厚度为1μm-15μm，涂覆方式为旋涂。

14、根据本技术一种实施例，通过所述有机粘附介质，将异质材料层粘附键合至所述衬底材料上，包括：

15、将所述有机粘附介质进行烘烤处理；其中，烘烤温度为50℃-100℃，烘烤时间为5min-15min；

16、在所述有机粘附介质的表面，将所述异质材料层与所述衬底材料进行对准键合；

17、将键合后的所述器件进行烘烤处理；其中，烘烤温度为200℃～300℃，同时在所述器件表面施加压力1.7bar-2bar，持续时间为1hr-2hr。

18、根据本技术一种实施例，将异质材料层粘附键合至所述衬底材料上之后还包括：

19、在所述异质材料层的表面沉积覆盖厚度为1μm-3μm的sio2上包层。

20、根据本技术一种实施例，所述异质材料层为薄膜ln，所述目标波导器件为si3n4波导器件。

21、根据本技术一种实施例，将拾取的所述待转印悬空结构与预制的目标波导器件结构对准贴合，包括：

22、采用直接贴合的方式或通过粘附介质贴合的方式，将所述待转印悬空结构与预制的目标波导器件结构进行对准贴合。

23、根据本技术一种实施例，所述方法还包括：

24、在采用直接贴合的方式将所述待转印悬空结构与预制的目标波导器件结构进行对准贴合之前，先将所述预制的目标波导器件进行表面处理，使所述预制的目标波导器件的表面粗糙度小于1nm。

25、本技术还提供一种复合波导器件，采用如上述的微转印加工方法制备得到。

26、与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例在衬底材料上涂覆有机粘附介质，将有机粘附介质经粘附键合后作为待释放转印结构的释放牺牲层，同时采用与有机粘附介质对应的有机溶剂作为刻蚀释放液，在刻蚀释放时能够从各个方向无差别溶解有机粘附介质，采用的有机溶剂(如显影剂等)对于绝大多数固态器件结构都不会造成侵蚀损伤等风险，因此采用有机粘附介质作为待释放转印结构的释放牺牲层，能够很好地解决现有技术中待释放转印结构材料与释放刻蚀工艺的兼容性问题，即待释放转印结构中包含的材料不会受到牺牲层刻蚀液的损伤破坏，使得刻蚀释放过程中无需对待释放转印结构中的材料进行单独保护，有效的简化了工艺流程。

27、在此基础上，本发明的其他实施例中，通过在衬底材料上涂覆有机粘附介质，将经曝光处理后的有机粘附介质经粘附键合后作为待释放转印结构的释放牺牲层，同时采用与有机粘附介质对应的显影剂作为刻蚀释放液，在刻蚀释放时能够选择性溶解待刻蚀释放区的有机粘附介质，使得起支撑固定作用的非刻蚀释放区两侧不存在部分释放悬空的问题，可以有效提高异质材料利用率，降低转印拾取时发生不规则断裂的风险，避免采用光刻胶作为支撑连接结构带来的形变塌陷或不稳固等风险，提高了转印集成良率。