imec新一代微转印技术：200mm晶圆级预图案化铌酸锂-硅光子异质集成

一、背景：AI时代对光调制器的极限挑战

人工智能和数据中心应用的爆发式增长，正在推动光互连向单通道数百Gbit/s的速率演进，这对光调制器的带宽、驱动电压、线性度和能效提出了前所未有的严苛要求。传统基于耗尽效应的硅调制器在这些关键指标上存在难以突破的物理瓶颈，迫使业界寻找新的技术路径。

薄膜铌酸锂凭借其本征低光损耗、巨大的电光系数和支持超高速运行的能力，成为了高性能调制器的理想材料平台。然而，铌酸锂与标准CMOS制造工艺不兼容，主要原因是锂元素会对硅晶圆厂造成污染，这严重限制了TFLN基电路的复杂度和生产规模。

为解决这一矛盾，异质集成技术应运而生。晶圆键合和芯片键合虽然已经生产出高性能的SiPho-TFLN平台，但它们存在材料利用率低、选择性差、对目标晶圆平面度要求高等固有缺陷。微转印技术作为一种互补性的集成方案，能够将预先加工好的TFLN"芯片"精确地放置在硅光子晶圆上需要的位置，同时支持复杂先进硅堆叠的使用。

二、技术创新：预图案化TFLN的晶圆级微转印

本次工作采用了X-Celeprint公司授权的微转印技术，该技术将芯片级组装与晶圆级处理相结合。研究人员首先在源晶圆上密集制造出包含TFLN波导的"芯片"，通过选择性刻蚀牺牲层使其悬浮，然后使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性印章拾取这些芯片，最后将它们印刷到目标硅光子晶圆上，通过50nm的中间键合层实现牢固结合。

本次工作的核心创新在于采用了预图案化的TFLN器件设计，这与之前报道的先转移后图案化的方法有本质区别。在之前的设计中，转移的TFLN只是一个平板，光场是SiN/TFLN混合模式，模式限制较弱。而在本次优化的设计中，TFLN波导和锥形结构在转移前就已经完成刻蚀，这显著增强了光场限制，允许更窄的电极间距，从而实现更低的半波电压、更好的光学过渡和沿传播方向更均匀的模式限制。

研究团队使用了ASMPT Amicra NANO商用微转印设备，该设备支持200mm和300mm目标晶圆。整个转移过程完全自动化，集成了芯片跟踪、印章识别、印刷位置控制和错位模式识别等功能。单个芯片的完整印刷周期约为1分钟，包括芯片识别、印刷位置确定、拾取、对准、印刷、印刷后测量和印章清洁等步骤。

三、关键实验结果：良率、精度与性能全面达标

研究人员在4片完整的200mm硅光子晶圆上进行了集成实验，取得了令人瞩目的成果：

1. 超高转印良率与对准精度

第一片晶圆作为校准晶圆，用于设置拾取和印刷工艺参数并评估全晶圆对准精度，其3σ对准精度约为770nm。随着工艺的不断优化，后续晶圆的对准精度持续提升。第四片晶圆的3σ对准精度达到了惊人的420nm，远低于光耦合所需的临界值。

在所有4片晶圆上，共成功转印了600多个预图案化的TFLN芯片，总转印良率超过95%。良率定义为成功转印且无破损的芯片数量与总转印尝试次数的比值。失败主要归因于源晶圆和目标晶圆制备过程中残留的不均匀性，通过在所有制备步骤中引入自动检测，利用MTP技术的"已知合格芯片"优势，良率还可以进一步提高。

2. 低插入损耗的光学性能

研究人员使用基于MPI TS2000-IFE全自动探针台的晶圆级表征系统，对所有转印器件的光学插入损耗进行了测量。该系统结合了EXFO CTP10测试平台、EXFO T200S可调谐激光源和Newport 1936-R光功率计模块，能够快速、可重复地对整个晶圆上的光子器件进行表征。

测量结果显示，所有器件的平均插入损耗均低于2dB，且插入损耗的平均值与转印对准精度呈明显的正相关关系——对准精度越高，插入损耗越低。同一晶圆内插入损耗的分布主要由芯片错位和测量不确定性引起。代表性器件的MZM传输光谱显示其消光比超过30dB，证明了干涉仪的高质量。

3. 优异的电光调制性能

为评估转移后TFLN器件的电光调制效率，研究人员在一片完整的200mm晶圆上进行了后端重分布层(RDL)工艺，包括紫外光刻、金属沉积和剥离。电极间隙设计在4μm到6μm之间，使用了500nm厚的铝电极，并在RDL和TFLN之间放置了100nm厚的氧化物作为隔离层。

晶圆级半波电压测量结果表明，在4μm电极间隙下，推挽配置的MZM半波电压约为4V。半波电压与电极间隙呈线性关系，间隙越宽，半波电压越高，这与理论预期完全一致。目前的RDL工艺导致电极错位约1μm，这在金属化步骤后引入了约2dB的额外插入损耗。通过采用步进光刻、转移带有预定义电极的TFLN器件或使用掩埋电极等替代RDL工艺，可以减少额外插入损耗，同时进一步缩小电极间隙并降低半波电压。

4. 超70GHz的高速调制带宽

由于使用了高电阻率硅衬底，该平台理论上支持超过100GHz的超高速运行。研究人员在额外的两个芯片上制备了不同厚度的铝电极进行带宽测试。结果显示，使用500nm厚铝电极的器件带宽限制在20-30GHz，而使用1μm厚铝电极的器件带宽突破了70GHz。研究人员表示，实际带宽预计约为90GHz，本次实验结果受到测量工具的限制。

四、结论与展望

这项工作首次全面展示了微转印技术在200mm硅光子平台上实现晶圆级TFLN调制器集成的可扩展性。超过95%的印刷良率和低于500nm的3σ对准精度实现了高效的光学耦合，4片晶圆上所有器件的插入损耗均低于2dB。晶圆级半波电压表征进一步验证了电光性能和与自动化测试的兼容性。微转印过程没有对TFLN的电光效应产生任何负面影响，部分器件实现了超过70GHz的调制带宽。

总体而言，这些结果有力地证明了微转印技术是在CMOS兼容的硅光子平台上大规模集成高性能TFLN高速调制器的可行途径。最近使用MTP技术集成CMOS电子电路以及将异构MZM与电子驱动器和跨阻放大器共集成的演示，为使用该技术的下一代光互连铺平了道路。此外，该方法还兼容钽酸锂等替代材料，可用于高功率应用或短至紫外波段的工作波长。