集成光子學(xué)的發(fā)展推動著信息處理與傳感技術(shù)的革新，但其廣泛應(yīng)用受制于一個核心矛盾：不同應(yīng)用場景需要工作在特定波長的光，而主流光子材料平臺難以在紫外至可見光全波段同時實(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光集成光子電路提供了一個可靠且富有前景的材料平臺。

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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λ = 266 nm；（b）波長λ = 360 nm

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

本研究選用110 nm厚度以預(yù)留更短波長測試空間。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）。由于制備時無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?包層折射率對比度較低，360 nm波長模擬耦合效率約為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中試線開發(fā)。流程包括：在裸硅片上生長2000 nm熱氧化硅下包層；通過原子層沉積制備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量折射率與厚度，原子力顯微鏡評估表面粗糙度。平板模式傳輸損耗通過棱鏡耦合裝置在406 nm、443 nm與635 nm波長測量，但因缺乏紫外棱鏡，未能擴(kuò)展至紫外波段。360 nm及以上波長的圖案化波導(dǎo)采用晶圓級自動光纖切斷法測量；266 nm波導(dǎo)則通過自由空間邊緣耦合與芯片級成像測量。

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Al?O?薄膜表征

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（a）橢圓偏振儀測量的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

橢圓偏振儀測量顯示，波導(dǎo)層折射率隨波長變化，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

為快速評估材料本征損耗，采用250 nm厚Al?O?薄膜進(jìn)行棱鏡耦合測試，測量波長包括406 nm、443 nm與638 nm。在406 nm與638 nm波長下傳播條紋圖像顯示，光功率隨距離衰減緩慢。為移動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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晶圓級傳輸損耗測量結(jié)果

（a）266 nm波長光在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波長下測量的傳輸損耗總覽

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

可見光與近紫外波段（360-638 nm）：在晶圓級測量中，360 nm波長的損耗約為0.5 dB/cm，450 nm和532 nm波長的損耗進(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進(jìn)行測量。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)相干長度評估

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（a）用于波導(dǎo)相位相干性研究的馬赫-曾德爾干涉儀示意圖。（b?e）在整個200 mm晶圓上測量的MZI上下輸出端口歸一化功率的直方圖，對應(yīng)MZI臂長分別為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，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，計(jì)算得到的歸一化輸出功率分布

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

本研究成功開發(fā)并驗(yàn)證了一種基于200 mm CMOS工藝平臺的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）到可見光（638 nm）寬波段的低損耗光傳輸，其中可見光波段的損耗低于0.6 dB/cm，紫外波段的性能可與現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)競爭。同時，波導(dǎo)展現(xiàn)了優(yōu)異的相位穩(wěn)定性，相干長度超過2.2 mm。這項(xiàng)工作表明，基于Al?O?的CMOS兼容光子平臺是實(shí)現(xiàn)高性能紫外與可見光集成光子器件（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單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(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)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(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。