硅光子学:解决工艺变化和制造挑战

随着硅光子制造业的增加动力和额外的铸造和300毫米产品，流程变异问题即将到来。变性硅处理影响波导形状，并且可以导致从预期设计中有效折射率的偏差，传播损耗，和耦合效率。在本文中，我们将突出硅光子制造业中可能发生的过程变异问题，并讨论减轻这些效果的技术。

波导边缘粗糙度（图2.）导致额外的反向散射并提高波导中的传播损耗。边缘粗糙度可以源自光刻效果，蚀刻或其他加工不均匀性。可以应用诸如光致抗蚀剂固化，侧壁氧化或热处理的加工解决方案以减少波导边缘粗糙度。300毫米处理，也可通过使用193nm的浸没式光刻技术被降低线边缘粗糙度，而不是干的193nm或DUV光刻[1]。

最终的波导形状也受到影响蚀刻加载效果（图3.)，蚀刻速率随开放面积的大小而变化。例如，与隔离特性的蚀刻相比，紧密间隔硅特性的蚀刻可能导致不同的侧壁轮廓和沟槽深度。由于工艺变化会改变耦合器间隙、波导宽度和侧壁轮廓[2]，因此对耦合波导来说，刻蚀加载效应尤其成问题。除了工艺调整，加载效果还可以通过填充图案或虚拟线等辅助特性来缓解，这些特性在整个基片中保持一致的开放面积百分比。

假填充插入也可以降低影响模式密度的影响（图4.）由于化学机械平坦化（CMP）[3]。当在硅波导处理期间施加CMP时，它会导致材料凹陷和其他表面不均匀性。这种表面可变性可能导致下游处理中的意外问题，例如互连短路，特别是如果施加额外的CMP步骤。通过用虚拟填充调节硅层的图案密度，可以减少CMP凹陷，最小化表面不均匀性并导致良好的后端金属化。

过程控制改进是减少硅光子制造变化的明显解决方案。通过用于制造的光子专用设计，例如通过布局优化和使用填充图案来维持目标图案密度，还可以减少工艺变量。评估晶片制造之前的新工艺流动可以帮助最小化波导腐蚀或边缘粗糙度等不希望的结果。因此，成功的硅光源PDK开发需要设计和制造计划来减少和减轻过程变化效应。

引用:

[1] N.B.Feilchenfeld等，“制造硅光子和挑战”。Proc。SPIE 10149，高级蚀刻技术的纳米图案VI，101490D（2017年3月21日）;DOI：10.1117 / 12.2263472。
L. Chrostowski和M. Hochberg，《基本的建筑模块》，出版于硅光子设计：从设备到系统，剑桥：剑桥大学出版社，2015，PP。103。
[3] D. O. Ouma等，“使用平面化长度和图案密度概念的氧化物化学机械抛光的表征和建模”，在半导体制造的IEEE交易中，Vol。15，不。2，pp。232-244，2002年5月。