椭偏仪在Al₂O₃光波导材料中的应用：基于200mmCMOS工艺的低损耗集成技术

集成光子学的发展推动着信息处理与传感技术的革新，但其广泛应用受制于一个核心矛盾：不同应用场景需要工作在特定波长的光，而主流光子材料平台难以在紫外至可见光全波段同时实现低损耗与CMOS工艺兼容。具体而言，硅材料在紫外波段损耗高、透明窗口有限；新兴的氮化硅平台在蓝光与紫外区域的损耗也显著上升。然而，量子信息处理（如离子阱量子比特操控）和高端传感（如紫外拉曼光谱）等前沿领域恰恰依赖于紫外或蓝光波段。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本研究提出并验证了一种基于Al₂O₃材料的解决方案。本研究报告了一种在200 mm CMOS中试线上实现的氧化铝光子波导技术，该技术成功实现了从深紫外266 nm到可见光638 nm波段的低损耗光传输，在360–638 nm波段平均损耗低于0.6 dB/cm，并具备优异的相位稳定性（相干长度>2.2 mm）。这项工作为在标准半导体工艺上构建高性能紫外与可见光集成光子电路提供了一个可靠且富有前景的材料平台。

1

波导设计与仿真

flexfilm

110 nm厚Al₂O₃波导的模式图：（a）波长λ = 266 nm；（b）波长λ = 360 nm

多数集成光子应用需要在目标波长下单模操作的波导。采用Ansys Lumerical模式求解器计算模式折射率与场分布。为实现266 nm波长单模传输，Al₂O₃层厚需低于130 nm；

本研究选用110 nm厚度以预留更短波长测试空间。单模截止宽度分别为270 nm（266 nm）与520 nm（360 nm）。为远离多模区，选定450 nm为标准波导宽度用于360 nm波段器件（如MMI耦合器与MZI）。由于制备时无266 nm激光源，相同宽度波导在266 nm下呈多模状态。450 nm、532 nm与638 nm波长的单模波导宽度分别为650 nm、1000 nm与1400 nm。

光栅耦合器采用Ansys Lumerical FDTD设计，针对TE偏振优化周期、线宽与刻蚀深度。因Al₂O₃与SiO₂包层折射率对比度较低，360 nm波长模拟耦合效率约为10%。上下包层厚度分别优化为1.06 μm与2 μm，以提升耦合效率、避免硅衬底吸收，并为后续热相移器加工预留空间。边缘耦合采用倒锥形设计，尖端宽度130 nm，360 nm波长模拟耦合损耗为2.6 dB。

2

波导制备与表征

flexfilm

（a）Al₂O₃集成光子波导的示意截面图（b）临界尺寸（CD）为150 nm、厚度110 nm的Al₂O₃波导的截面SEM图像

Al₂O₃光子波导集成工艺在imec 200 mm CMOS中试线开发。流程包括：在裸硅片上生长2000 nm热氧化硅下包层；通过原子层沉积制备110 nm Al₂O₃波导层；采用193 nm光刻与反应离子刻蚀图形化波导，过程中使用SiO₂硬掩模以避免刻蚀选择性低导致的损伤，硬掩模保留作为上包层一部分；经高密度等离子体氧化物沉积与化学机械抛光实现平坦化，上包层厚度为1.06 μm；最后通过两步刻蚀（深氧化物刻蚀与深硅刻蚀）制备边缘耦合端面。

波导层表征采用椭圆偏振仪测量折射率与厚度，原子力显微镜评估表面粗糙度。平板模式传输损耗通过棱镜耦合装置在406 nm、443 nm与635 nm波长测量，但因缺乏紫外棱镜，未能扩展至紫外波段。360 nm及以上波长的图案化波导采用晶圆级自动光纤切断法测量；266 nm波导则通过自由空间边缘耦合与芯片级成像测量。

3

Al₂O₃薄膜表征

flexfilm

（a）椭圆偏振仪测量的Al₂O₃波导层光学特性（b）Al₂O₃波导层顶面的1μm×1μm原子力显微镜扫描图

椭圆偏振仪测量显示，波导层折射率随波长变化，Al₂O₃ 薄膜表面RMS粗糙度约为0.29 nm。

4

平板模式传输损耗

flexfilm

移动光纤采集的散射光功率随传播距离变化曲线以及指数衰减拟合曲线

为快速评估材料本征损耗，采用250 nm厚Al₂O₃薄膜进行棱镜耦合测试，测量波长包括406 nm、443 nm与638 nm。在406 nm与638 nm波长下传播条纹图像显示，光功率随距离衰减缓慢。为移动光纤采集的散射光功率随传播距离变化曲线，经指数衰减拟合得到传输损耗分别为0.58 dB/cm（406 nm）、0.50 dB/cm（443 nm）与0.17 dB/cm（638 nm）。

5

图案化波导传输损耗

flexfilm

晶圆级传输损耗测量结果

（a）266 nm波长光在500 nm宽（上图）与1100 nm宽（下图）螺旋波导中传播的图像。（b）266 nm波长下测量的传输损耗总览

本研究对不同波长和宽度的螺旋波导进行了系统的传输损耗测量：

可见光与近紫外波段（360-638 nm）：在晶圆级测量中，360 nm波长的损耗约为0.5 dB/cm，450 nm和532 nm波长的损耗进一步降至0.2 dB/cm以下，638 nm波段的损耗则低于0.16 dB/cm。这些结果优于已报道的同类技术。

深紫外波段（266 nm）：本研究采用自由空间边缘耦合与散射光成像法在芯片级进行测量。结果显示，传输损耗随波导宽度减小而增加，在500 nm至1100 nm宽度范围内，损耗介于4.3至14.7 dB/cm之间。这主要归因于更窄的波导中光模与刻蚀侧壁的相互作用增强，导致散射损耗上升。即便如此，最低4.3 dB/cm的损耗值也表明该技术与目前最先进的紫外二氧化硅波导性能相当。

6

波导相干长度评估

flexfilm

（a）用于波导相位相干性研究的马赫-曾德尔干涉仪示意图。（b‑e）在整个200 mm晶圆上测量的MZI上下输出端口归一化功率的直方图，对应MZI臂长分别为1.4 mm（b）、1.6 mm（c）、2.2 mm（d）和6.1 mm（e）。（f）相位差呈正态分布（方差0.3）时，计算得到的归一化输出功率分布。（g）相位差方差为2.0时，计算得到的归一化输出功率分布

对于干涉型光子器件，波导的相位稳定性（用相干长度表征）至关重要。本研究通过测量晶圆上2240个不同臂长的马赫-曾德尔干涉仪的输出功率，统计分析其相位波动。实验数据与理论模型对比表明，标准450 nm × 110 nm Al₂O₃波导在360 nm波长下的相干长度大于2.2 mm。这一结果受到所用激光器自身相干长度（5.71 mm）的限制，实际波导相干长度可能更长，充分证明了该工艺平台制造高性能干涉器件的潜力。

本研究成功开发并验证了一种基于200 mm CMOS工艺平台的Al₂O₃光子波导技术。该技术实现了从深紫外（266 nm）到可见光（638 nm）宽波段的低损耗光传输，其中可见光波段的损耗低于0.6 dB/cm，紫外波段的性能可与现有先进技术竞争。同时，波导展现了优异的相位稳定性，相干长度超过2.2 mm。这项工作表明，基于Al₂O₃的CMOS兼容光子平台是实现高性能紫外与可见光集成光子器件（如量子信息处理器、高灵敏度生物传感器等）的可行且可靠的解决方案，为其从实验室走向规模化应用奠定了基础。

Flexfilm全光谱椭偏仪

flexfilm

全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。