一种防潮保护硅光芯片及其制备方法与流程

本发明涉及硅光芯片，具体涉及一种防潮保护硅光芯片及其制备方法。

背景技术：

1、硅光芯片将波导、调制器、模斑转换器、探测器集成于 soi 硅片，依托 cmos 工艺实现高密度集成。当前主流硅光芯片存在打开光栅耦合器上方钝化层和深刻蚀工艺，从而使得传统的钝化层不能很好地隔离水汽，在潮湿的工作环境下水汽就容易从这些窗口进入到芯片内部，影响光电器件的工作稳定性甚至失效，造成严重的可靠性问题，限制了硅光芯片的大规模使用和集群产业扩张。

2、特别是，为实现光纤与硅波导高效耦合，行业普遍采用 drie 深硅刻蚀工艺，在芯片边缘制备 80-180μm 高深宽比悬空边缘耦合器；该结构会在芯片内部形成大面积开放沟槽，常规钝化膜及其工艺难以完整阻隔水汽，潮湿环境下水汽易侵入芯片内部。针对水汽侵蚀，光芯片一般采用氮化硅作为防水层，即在深刻蚀工艺之后整体生长一层氮化硅，用来隔离水汽。这种方法确实减少水汽的侵蚀，因为氮化硅防水汽性能优良，但是一个很大的弊端是在通信波长下，氮化硅的折射率(～1.97)与二氧化硅(～1.45)不匹配，因此会增大边缘耦合器的损耗，从而增大整个芯片链路损耗；另外该方案不适用于高深宽比悬空边缘耦合器，因为氮化硅在 100μm 深硅沟槽底部台阶覆盖差，易产生针孔，水汽沿针孔渗透，无法实现沟槽全域防护。

3、因此迫切需要一种更好的带深硅悬空边缘耦合器的 soi 硅光芯片防潮保护结构及相应工艺。

技术实现思路

1、本发明针对这一问题，提供了一种光学无损且防水效果优异的硅光芯片制备方法；该方法用氧化铝代替氮化硅做防水层，一方面是氧化铝具有较好的致密性和台阶覆盖性，纳米级厚度的氧化铝就具有较好的防水汽效果；另一方面是相较于氮化硅，氧化铝的折射率(约1.6)与二氧化硅更接近，能够有效减少边缘耦合器的损耗。深硅刻蚀后，沉积收到氧化铝膜防潮保护层，然后配合后续激光隐形切割晶圆二次沉积氧化铝防潮保护层，最终实现芯片具有良好的防水性和光电特性。

2、为实现上述目的，本发明设计了一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述硅光芯片带深硅悬空边缘耦合器，在硅衬底（soi，一种三层结构的硅衬底，也称为体硅）上深硅刻蚀悬空边缘耦合器后，在防潮工艺阶段弃用氮化硅保护膜、改用低温 ald（atomiclayer deposition，原子层沉积）沉积首道氧化铝（al2o3）膜层，所述首道氧化铝膜赋形全域覆盖悬空结构表面；在切割分片后，至少于芯片切面二次沉积氧化铝补强层，使之与首道氧化铝膜搭接成连续阻水壳（或称阻水层）；其中，补强层氧化铝膜与首道氧化铝膜厚度偏差不超过5nm。

3、进一步的，所述制备方法在激光切割后，采用uv照射扩膜但不剥离芯片，然后再ald制备侧向氧化铝断面补强层（即沉积氧化铝补强层），封闭所有硅新生断面。

4、进一步的，所述制备方法包括：

5、s1、drie 深硅刻蚀高深宽比沟槽：所述沟槽深度为80-180 μm，宽度（线宽）为5-10μm；

6、s2、低温沉积主防潮首道氧化铝（al2o3）膜；

7、s3、晶圆背面研磨减薄至目标厚度后，贴合uv减粘膜；

8、s4、切割/分片：采用激光隐形切割（stealth dicing）完成；

9、s5、uv照射扩膜、分离但不剥离芯片（裂片但不剥膜）；

10、s6、断面等离子活化预处理后，ald侧向沉积10nm氧化铝补强层；

11、s7、氮气致密退火后，uv 解粘、拾取裸片。

12、进一步的，所深硅刻蚀的述沟槽深度为80-180 μm，宽度为5-10μm。

13、进一步的，所述激光隐形切割包括将激光聚焦点设在硅衬底内部，形成改质层（sdlayer），不伤表层（正面）氧化铝膜。

14、进一步的，所述赋形全域覆盖包括薄膜层覆盖悬空边缘耦合器的沟槽两侧及底面，同时覆盖耦合器上表面（氮化硅上表面）和侧面（包括氮化硅、二氧化硅和基地硅侧面），底面（或背面）也可以覆盖，但后道减薄工序回去除掉该层。

15、进一步的，所述低温ald的电子沉积温度150-450℃；单层所述氧化铝膜厚度在5nm-20nm之间。

16、进一步的，二次沉积氧化铝补强层后，二次沉积的氧化铝补强层位于侧壁和首道氧化铝层上方。

17、另一方面，一种防潮保护硅光芯片，所述硅光芯片至少包含一个深硅刻蚀悬空边缘耦合器，所述边缘耦合器包含至少2个深硅刻槽（7）（空气槽）；所述硅光芯片的主体包括基材体硅（1）、氮化硅波导（2）、二氧化硅包层（3）和氮化硅包层（4）；所述二氧化硅包层（3）覆盖在体硅（1）上，在对应2个刻槽的两侧体和中间体二氧化硅包层（3）内部分别设置方形氮化硅波导（2），二氧化硅包层（3）的上方设置传统防水汽氮化硅包层（4）；所述主体的上表面（氮化硅包层上方）、侧面以及刻槽的两侧除隐切端口（8）（激光切割基体硅断面）外赋形覆盖了第一氧化铝沉积层（5），至少所述隐切端口外表面赋形覆盖第二氧化铝沉积层（6）。

18、进一步的，所述第一氧化铝层的外表面同时赋形覆盖第二氧化铝沉积层（6）。

19、进一步的，所述硅光芯片采用前述任意一种防潮保护硅光芯片制备方法制备获得。

20、本发明的优点和有益效果在于：

21、本发明提出了一种光学无损且防水效果优异的光芯片制备方法：在深硅刻蚀工艺形成悬空边缘耦合器后，摒弃原有用氮化硅做防水汽膜层的方案，改用低温炉管生长的氧化铝薄层作为防水汽膜层，在随后的切割工艺中采用激光隐形切割+二次沉积氧化铝防潮保护层的方式，使得芯片具有良好的防水汽效果，在确保低损耗的同时，相比“sin+隐切+不补膜”传统工艺的切割碎片率有明显改善。

1.一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，在硅衬底上深硅刻蚀悬空边缘耦合器后，在防潮工艺阶段用低温 ald沉积首道氧化铝膜层，所述首道氧化铝膜赋形全域覆盖悬空结构表面；在切割分片后，至少于芯片切面二次沉积氧化铝补强层，使之与首道氧化铝膜搭接成连续阻水壳；其中，补强层氧化铝膜与首道氧化铝膜厚度偏差不超过5nm。

2.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述制备方法在激光切割后，采用uv照射扩膜但不剥离芯片，然后再ald制备侧向氧化铝断面补强层，封闭所有硅新生断面。

3.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

4.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所深硅刻蚀的述沟槽深度为80-180 μm，宽度为5-10μm。

5.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述激光隐形切割包括将激光聚焦点设在硅衬底内部，形成改质层。

6.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述赋形全域覆盖包括薄膜层覆盖悬空边缘耦合器的沟槽两侧及底面，同时覆盖耦合器上表面和侧面。

7.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，所述低温ald的电子沉积温度150-450℃；单层所述氧化铝膜厚度在5nm-20nm之间。

8.根据权利要求1所述的一种防潮保护硅光芯片制备方法，其特征在于，二次沉积氧化铝补强层后，二次沉积的氧化铝补强层位于侧壁和首道氧化铝层上方。

9.一种防潮保护硅光芯片，其特征在于，所述硅光芯片至少包含一个深硅刻蚀悬空边缘耦合器，所述边缘耦合器包含至少2个深硅刻槽（7）；所述硅光芯片的主体包括体硅（1）、氮化硅波导（2）、二氧化硅包层（3）和氮化硅包层（4）；所述二氧化硅包层（3）覆盖在体硅（1）上，在对应2个刻槽的两侧体和中间体二氧化硅包层（3）内部分别设置氮化硅波导（2），二氧化硅包层（3）的上方设置氮化硅包层（4）；所述主体的上表面、侧面以及刻槽的两侧除隐切端口（8）外赋形覆盖了第一氧化铝沉积层（5），至少所述隐切端口外表面覆盖第二氧化铝沉积层（6）。

10.根据权利要求所述的一种防潮保护硅光芯片，其特征在于，所述第一氧化铝层的外表面同时赋形覆盖第二氧化铝沉积层（6）。