#微转印技术 #氮化硅光波导 #铌酸锂调制器
人工智能及其他数据中心应用的快速增长，正推动着对兼具高速与低能耗的光子互连的需求，这使得可扩展性成为一项关键要求。微转移印刷技术（MTP）已成为将薄膜铌酸锂（TFLN）晶圆级异质集成到硅光子（SiPho）平台上的一项前景广阔的技术。在此，我们展示了在四片完整的200毫米晶圆上实现的异质SiPho–TFLN集成，其3σ贴装精度低至420 nm，印刷良率超过95%。在600个相位调制器（300个幅度调制器）上实现了低于2 dB的低插入损耗。在部分测试器件中，推挽配置下的半波电压为4 V，并且展示了带宽超过70 GHz的高速调制。
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**I. 引言**
数据中心对低能耗、高密度集成和快速组件的需求日益增长，这正在推动光子集成电路，尤其是实现光数据通信链路的光学调制器的性能要求不断提升[1]。新兴的人工智能和数据中心互连发展路线图正将单通道数据速率推向数百Gbit/s，这对调制器的带宽、驱动电压、线性度和能效带来了越来越大的压力。传统的基于耗尽型硅基调制器在这些指标上面临权衡取舍，从而激发了对新解决方案的探索。作为替代方案，多种技术被认为有望达到这一里程碑，例如使用BTO[2]、等离子体[3–5]、石墨烯[6,7]、电吸收调制器[8]以及电光材料。薄膜铌酸锂（TFLN）因其固有的低光学损耗、大电光系数以及支持高速运行的能力，已成为实现高性能调制器的有前景的平台[9]。因此，它被视为突破传统硅光子（SiPho）平台性能局限的一种解决方案[10]。然而，TFLN与CMOS制造工艺不兼容，主要原因是硅基代工厂担心锂污染，这限制了基于TFLN的制造工艺的电路复杂性和生产规模[11]。
为了克服这些限制，异质集成提供了一种将TFLN集成到SiPho上的可行方法，能在同一平台上结合两种材料的优势。晶圆到晶圆和芯片到晶圆的键合技术已经产生了高性能的SiPho-TFLN平台，并且仍然是重要的集成路径[12–15]。文献中展示的这种方法所提供的平台能够达到光数据通信的标准[16]。然而，整体键合会在整个键合区域消耗TFLN，选择性有限，并且通常对目标晶圆的平整度和工艺流程顺序施加严格的限制。为了解决这一弱点，微转移印刷（MTP）技术已被评估[17–19]，并提供了一条补充路径：将已加工的TFLN小块仅放置在预制硅光子晶圆上的所需位置。此外，在局部包层开窗内进行集成还提供了使用复杂先进硅堆叠的可能性。在本工作中，我们展示了使用MTP技术在完整的200 mm硅光子晶圆上对预图形化的TFLN调制器进行晶圆级集成。成功地将总计4片晶圆（包含超过600个相位调制器，对应300个幅度调制器）转移并集成到SiPho晶圆上。所制造的异质器件是长度为7毫米、采用地-信号-信号-地（GSSG）电极配置的推挽式马赫-曾德尔调制器（MZM）。这一展示突显了采用MTP技术制造的高速SiPho-TFLN异质调制器的可扩展性和大规模生产潜力。
首先，本文展示了图形化TFLN器件（包含TFLN波导）在200 mm晶圆尺度上的集成统计分析，结果表明了高转移良率和低光学插入损耗。作为概念验证，对部分转移器件进行了金属电极的后端工艺，从而能够以低Vπ可重复地制造电光调制器。还对代表性器件的射频（RF）性能进行了表征。
**II. 基于微转移印刷的异质硅光子与TFLN技术**
微转移印刷（MTP）是一种新兴的异质集成方法。该技术由X-Celeprint Ltd.授权，将芯片级组装与晶圆级工艺相结合。首先在源晶圆上以密集阵列的形式制作薄膜器件（“小片”）。通过选择性腐蚀牺牲层将小片释放。一旦悬空，便使用通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的弹性印章拾取器件。然后将小片印刷到目标晶圆上，并通过粘合剂或直接键合进行贴合。MTP具有高材料利用率、已知良好芯片集成以及通过并行印刷实现的卓越可扩展性，能够在亚微米对准精度下实现高吞吐量。其最大的优势在于广泛的材料和工艺兼容性，可以在不牺牲各自制造流程的前提下实现多种材料系统的异质集成。该集成在SiPho工艺的后端进行，既支持高效的光耦合，也支持通过再分布层实现电互连。
尽管有这些优势，MTP仍处于商业化的早期阶段，在印刷良率、长期可靠性和供应链成熟度方面存在挑战。然而，包括III-V族激光器、放大器、调制器、光电二极管和薄膜电光器件集成在内的大量研究展示，突显了MTP在实现复杂、高性能异质光子集成电路方面的巨大潜力[20]。
**III. 在200 mm硅光子晶圆上集成TFLN的演示**
本工作所演示的调制器是一种混合型SiN/TFLN非平衡马赫-曾德尔调制器（MZM），其中硅波导用于路由，而SiN/TFLN混合波导构成电光调制臂。该MZM由TFLN电光有源臂与无源硅光子电路组合而成。无源器件包括光栅耦合器、硅和SiN波导以及MMI分束器，采用标准工艺设计套件（PDK）进行设计，并在有源集成之前完成全部制造。TFLN器件在制备后被释放，然后通过微转移印刷（使用50 nm中间键合层）集成到晶圆上。在转移印刷过程中，两个调制臂中的LN晶体方向被有意翻转，从而实现推挽式调制。从硅波导到混合SiN/TFLN模式的光耦合通过双层Si-SiN绝热过渡结构实现，具有低损耗特性。电光调制由TFLN中的普克尔斯效应提供，而SiN层则确保低损耗的光传输。最后，在后处理步骤中定义金属电极。图1比较了先前报道的器件设计[21]与本工作的升级设计。
**图1：** 先前报道的设计与本工作提出的优化设计之间的比较。(a) 转移印刷的 TFLN 器件为平板材料层，无法实现光的优化限制。(b) 本工作中的转移印刷器件在集成前已进行图形化，从而实现优化的模式限制。(c) 设计(a)的截面图。(d) 按照设计(a)制作的芯片的显微镜图像。(e) 设计(b)的截面图。(f) 按照设计(b)制作的芯片的显微镜图像。
在先前设计中（如图1(a)所示），TFLN为平板层，模式为SiN/TFLN混合模式。相比之下，当前设计采用了TFLN锥形结构和刻蚀波导（见图1(b)），光模限制更强，允许更小的电极间距。这实现了更低的Vπ、更优的光过渡以及沿传播方向更好的模式限制。此外，这一概念也兼容需要在TFLN波导中实现全耦合的设计，并不仅限于SiN/TFLN混合模式（尽管本工作未对此进行演示）。两种设计的截面图以及相应制备的调制器如图1(c-f)所示。
本工作所提出的方法兼容使用商用MTP工具——ASMPT Amicra NANO——在200 mm（及300 mm）晶圆上集成TFLN，如图2(a)所示。所采用的方法能够将TFLN从源晶圆（提供悬空的TFLN小片）精确且可重复地晶圆级转移到目标晶圆（SiPho平台）。整个工艺由全自动工具实现，该工具集成了小片追踪、印章识别、印刷位置控制以及偏移模式识别功能。无论是单个小片印刷操作还是多个器件阵列的转移（包括小片识别、印刷位置识别、拾取、对准、印刷、印刷后测量及印章清洁），每个完整周期的时间约为1分钟。目前已成功演示了最多28个1 mm小片和16个7 mm小片的转移，并验证了印刷时长和对准水平。本文提供的数据基于在四片200 mm SiPho晶圆上进行的单小片印刷。图2(b)展示了在TFLN集成后，一个包含四个MZM的芯片实例。SEM图像突出了图形化的TFLN波导。CMOS晶圆生产之后的所有后端工艺均在imec-根特大学的中试线“TRANSVERSE”中实现。
**晶圆1** 被用作校准晶圆，用于设定拾取和印刷的工艺配方，并评估所有小片的对准精度。对准的 3σ 值通过该工具提供的自动印刷后测量获得。此外，对随机选择的器件进行了额外的显微镜检查以验证结果。商用转移印刷工具的对准读数未经过优化，晶圆1被用作印刷测试平台（3σ ≈ 770 nm），以确认印刷操作的稳定性。该晶圆也展示了以最小工作量设定新印刷流程的能力。总共有四片晶圆采用相似的印刷配方架构依次进行印刷。如图2(c)所示，沿 x 轴和 y 轴的错位分布均呈现以零为中心的高斯分布。表1总结了四片加工晶圆提取出的 σ 和 3σ 值。通过调整图案识别参数来优化印刷操作，可以观察到 σ 值逐步改善，最终晶圆4给出了具有代表性的数值，其 3σ 低于 500 nm。
**图2：** 使用 MTP 技术在 200 mm SiPho 晶圆上集成 TFLN 的概览。(a) 兼容 200 mm 和 300 mm 目标晶圆的晶圆级印刷工具。(b) 一片完全布满了 TFLN 的 200 mm SiPho 晶圆的整体视图，以及一个标线片和一个印刷有 TFLN 器件的局部放大图像。(c) 从四片晶圆提取的统计印刷对准数据。(d) 一片晶圆上 Y 方向偏移量分布的晶圆分布图。对准分布聚焦于垂直（y）方向，因为这是实现低损耗光耦合的关键指标。(e) 一片晶圆的高斯核密度估计（KDE）分布数据。
**表I：** 使用 MTP 技术布有 TFLN 的四片晶圆在 y 轴方向的 3σ 数据
图2(d)展示了一片代表性晶圆上 y 方向（对耦合最为关键）对准误差的空间分布，表明在整个晶圆区域上印刷性能均匀，图2(e)显示了相应的高斯分布。总共印刷了 600 个预图形化的小片（包含 TFLN 波导），所有晶圆的转移良率高达 95% 以上，该良率定义为成功印刷且无任何破损的小片数量。失败的原因可归因于源晶圆和目标晶圆制备中残留的不均匀性。通过在所有制程步骤中实施自动检测，并利用 MTP 所具备的“已知良好芯片”理念，印刷工艺可以达到更高的良率。这些结果证明了稳定的晶圆级小片制备和印刷能力。在工业制造环境中实施该技术将能获得更大的统计数据集，并进一步验证长期工艺稳定性。
**IV. 器件的光学表征**
为了评估工艺均匀性和器件良率，必须对每片晶圆上各个器件的光学插入损耗（IL）进行表征。此处的 IL 不包括第 III 节所述 CMOS 平台中的硅路由部分。随着光子集成向更大晶圆尺寸和更高器件密度扩展，器件的变异性成为越来越重要的考量因素。因此需要高通量测量能力来生成大数据集，从而为器件性能和工艺均匀性提供统计洞察。
采用了基于 MPI TS2000-IFE 全自动探针台的晶圆级表征系统，光学表征使用 EXFO CTP10 测试平台，结合 EXFO T200S 可调谐激光源和一个光功率计模块（Newport 1936-R）进行。
**图3：** (a) 基于自动晶圆探针台的 200 mm 晶圆表征装置。(b) 归一化 MZM 透射光谱示例。(c) 所有四片晶圆的统计插入损耗。
图3(a)展示了该系统的示意图。该测量装置能够对整个晶圆上的光子器件进行快速且可重复的表征，这对于晶圆级表征是必需的。图3(b)展示了在金属化之前，对代表性 MZM 在 1310 nm 附近进行波长扫描的一个示例。测得的透射光谱经过归一化处理，且排除了光栅耦合器和器件 IL（这些不贡献给集成移相器）。该器件的消光比超过 30 dB，证明了 MZM 干涉仪的质量。
对四片晶圆上所有印刷的调制器测量了 IL，结果如图3(c)所示。为了获得 IL，首先测量一个给定长度的参考波导，然后对相应的 MZM 进行表征。每片晶圆的 IL 平均值所观察到的离散性与表1中的错位相关。印刷对准精度越高（3σ 越小），IL 越低。同一片晶圆内 IL 值的离散性归因于多种因素，主要包括小片错位和测量不确定性。这种不确定性部分源于从短器件（长度为 7 mm）中提取非常低的 IL 存在困难。这里展示的所有器件都提供了可观的 IL，平均值低于 2 dB。通过使用基于环形谐振器的独立测试结构，可以提高测量的精度。
**V. 器件的电光表征**
除了无源光学表征之外，还进行了晶圆级 Vπ 测量，以评估转移后的 TFLN 器件的电光调制效率。后端再分布层（RDL）工艺采用紫外光刻、金属沉积和剥离技术，在一整片 200 mm 晶圆上完成。由于设施限制，本研究仅局限于一片晶圆。电极间隙的设计值在 4 µm 至 6 µm 之间变化，并使用厚度为 500 nm 的铝（Al）电极。在 RDL 和 TFLN 之间有一层 100 nm 的薄氧化物作为间隔层。
**图4：** 电光表征。(a) 经过 RDL 后端工艺处理后的 200 mm 晶圆照片。(b-c) 器件及芯片的放大图像。(d) 射频信号和光电二极管信号随时间的变化曲线。(e) Vπ 数据分析。(f) Vπ 随电极间隙的变化关系。(g-h) 对于采用 500 nm 和 1 µm 厚铝电极的芯片上四个 MZM 的 EOE 测量结果。
图4(a)展示了电极制造完成后的晶圆，图4(b-c)展示了器件的 SEM 图像和光学显微镜图像。
器件由 RF 信号发生器驱动，提供频率为 100 kHz 的三角波。光信号通过电光效应被调制，并由光电探测器记录。图4(d)展示了来自同一芯片上四个 MZM 的原始信号，图中显示了 RF 信号发生器和光电探测器的信号随时间的变化。四个器件表现出非常相似的行为。为了提取幅度调制器的 Vπ，将光电二极管信号在一个完整调制周期内作为 RF 信号的函数进行绘图。图4(d)的数据分析结果呈现在图4(e)中。在此情况下，Vπ 约为 4 V，对应 4 µm 的电极间隙。Vπ 随电极间隙变化的函数结果也显示在图4(f)中。正如线性关系所预期的，更宽的电极间隙导致更高的 Vπ，证实了这两个参数之间的线性依赖关系。然而，由于当前用于处理 RDL 的技术中，电极错位约为 1 µm，使得金属化后难以保持低 IL。在此步骤中，平均观察到额外 2 dB 的 IL。采用替代的 RDL 加工方法（例如使用步进光刻机、印刷带有预定义电极的 TFLN 器件，或使用埋入式电极[22]）可能有助于减少额外的 IL，同时进一步减小电极间隙和 Vπ。尽管如此，这一概念验证展示了在晶圆级通过 MTP 制造有源电光器件的可能性。
在本平台中，衬底采用高阻硅制成，可实现超高速运行（>100 GHz），我们在部分器件上评估了这一特性。在此实验中，RDL 制作在两个额外的芯片上。第一个芯片上沉积的 Al 厚度为 500 nm，第二个为 1 µm。虽然 Vπ 受金属厚度值的影响可忽略不计，但电-光-电（EOE）带宽（BW）有所不同。如图4(g-h)所示，使用 500 nm 厚 RDL 时，带宽限制在 20-30 GHz，而采用 1 µm Al 的器件，带宽则扩展至 70 GHz 以上。确切的带宽预计约为 90 GHz，但当前的实验受到测量工具的限制。
**VI. 结论**
本工作展示了微转移印刷技术在 200 mm 硅光子平台上晶圆级集成 TFLN 调制器的可扩展性。印刷良率超过 95%，3σ 对准精度低于 500 nm，使得高效的光耦合成为可能，四片晶圆的实验结果均显示插入损耗低于 2 dB。晶圆级测量表明整个晶圆上的均匀性良好，证实了集成工艺的稳健性。晶圆级半波电压表征进一步验证了电光性能以及与自动化测试的兼容性。TFLN 所提供的电光效应未受转移印刷工艺的影响，并且在部分制作完成的晶圆上展示了带宽超过 70 GHz 的器件。总之，这些结果突显了微转移印刷技术是在与 CMOS 兼容的硅光子平台内高容量集成高性能 TFLN 高速调制器的一种可行方法。最近利用 MTP 集成 CMOS 电子电路（EIC）[23]以及将异质 MZM 与电子驱动器和跨阻放大器共同集成[16]的演示，正在为利用本技术实现下一代光互连铺平道路。此外，基于使用钽酸锂作为替代材料的异质集成也已有多项演示[24]。本文提出的基于 MTP 的方法同样兼容这种材料[25,26]，从而可用于高功率应用或短波长（乃至紫外波段）的工作场景[27]。
文章名：Micro-Transfer Printing of Lithium Niobate on 200 mm Silicon Photonics: A High-Speed Heterogeneous Wafer-Scale Platform
作者：Xiujun Zheng,1, 2 Suzanne Bisschop,1, 2 Arno Moerman,1, 2 Margot Niels,1, 2 Ewoud Vissers,1, 2 Athina Papadopoulou,1, 2 Philip Ekkels,1, 2 Patrick Nenezic,1, 2 Simone Atzeni,1, 2 Elif Ozceri,1, 2 Tiernan McCaughery,1, 2 Ali Uzun,1, 2 Ye Chen,1, 2 Laurens Bogaert,1, 2 Nishant Singh,3, 2 Sandeep Seema Saseendran,2 Sofie Janssen,2 Natarajan Rajasekaran,2 Sadhishkumar Balakrishnan,2 Philippe Absil,2 Günther Roelkens,1, 2 Bart Kuyken,1, 2 Sarah Uvin,1, 2 and Maximilien Billet1, 2
单位：根特&imec
