硅基光子晶體腔陣列的微組裝轉(zhuǎn)印技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
: K; K. k! P5 r5 ?# L光子晶體腔（PhCCs）能夠?qū)⒐鈭鱿拗圃诔�小體積內(nèi)，實現(xiàn)量子和非線性光學(xué)、傳感和全光信號處理的高效光物質(zhì)相互作用。然而，微加工平臺固有的納米級公差會導(dǎo)致腔共振波長偏移，這種偏移可能比腔線寬大兩個數(shù)量級，從而阻礙了制造名義上相同的器件陣列。本文探討了創(chuàng)新方法，通過轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)克服這一限制[1]。
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! p" s; I# i  C制造偏差的挑戰(zhàn)
光子晶體腔通常使用電子束光刻技術(shù)制造，這種技術(shù)在定義物理幾何形狀方面提供了最高的精度。盡管如此精確，但幾納米范圍內(nèi)的制造偏差仍可能導(dǎo)致器件共振波長的變化，這種變化通常比腔線寬大兩個數(shù)量級。這使得直接制造名義上相同的器件陣列幾乎不可能，限制了需要集合或共振腔之間耦合的應(yīng)用潛力。

! |( d, g' t' ~" T/ Y轉(zhuǎn)印技術(shù)：克服制造限制的解決方案
為了解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了轉(zhuǎn)印方法，允許對單獨制造的PhCC器件進行物理重排。這種方法涉及將PhCCs制造成可釋放的像素，可以從原始襯底轉(zhuǎn)移到接收襯底，在那里可以根據(jù)測量的共振波長將其排列成空間有序的陣列。
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圖1：用于機械轉(zhuǎn)移的可釋放PhCC像素。（a） PhCC像素在其施主襯底上和轉(zhuǎn)移到具有二氧化硅支撐框架的接收襯底后的示意圖。（b） 在施主襯底上制造的PhCC像素的掃描電子顯微鏡圖像，其中右側(cè)像素已被轉(zhuǎn)移，在施主陣列中留下一個空隙。（c） 顯示L3腔幾何形狀的PhCC中心區(qū)域的高放大掃描電子顯微鏡圖像，以及（d） 印在二氧化硅支撐框架上的硅PhCC的光學(xué)顯微鏡圖像。


轉(zhuǎn)印過程的關(guān)鍵步驟
1. 制造可釋放的PhCC像素
! M& Y6 {( N" G$ R1 vPhCC器件被制造成施主襯底上的單個像素。每個像素包含光子晶體結(jié)構(gòu)，周圍有最小的平面膜邊界，以便在轉(zhuǎn)移過程中進行處理。

2. 原位光學(xué)表征
: _2 |4 {# ^0 f1 i! ?$ j  y1 r3 S, `這種方法的一個關(guān)鍵方面是將光學(xué)測量系統(tǒng)集成到轉(zhuǎn)印工具中。這允許實時表征PhCC器件的共振波長和品質(zhì)因數(shù)。
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圖2：具有原位反射率譜測量能力的精確轉(zhuǎn)印系統(tǒng)。（a） 轉(zhuǎn)印系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置的示意圖，包含高精度6軸臺、固定印章夾持器、帕爾貼制冷的施主和接收樣品以及光學(xué)顯微鏡物鏡。（b） 使用PDMS印章進行像素打印的示意圖。（c）和（d）分別顯示了可見光和紅外系統(tǒng)中打印的PhCC像素的圖像。（e） 嵌入轉(zhuǎn)印工具中的光學(xué)注入和測量系統(tǒng)的示意細(xì)節(jié)。
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2 R2 |; Q8 a1 y2 V5 o3. 器件選擇和分類
/ T  j/ f. K% ~) ?# A) b( L# y. i基于測量的共振波長，對PhCC器件進行數(shù)值排序并選擇轉(zhuǎn)移到接收襯底。

6 v0 |# B8 r" O- N7 F9 B. }9 R4. 轉(zhuǎn)印
使用軟聚合物印章，從施主襯底拾取選定的PhCC像素，對齊并放置到接收襯底上。這個過程需要高定位精度，通常在百納米范圍內(nèi)。

4 E* M8 E0 \$ d% |3 f, P5. 轉(zhuǎn)移后表征
轉(zhuǎn)移后，再次測量器件以評估光學(xué)性能的變化，并驗證空間排序過程的成功。
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圖3：轉(zhuǎn)印系統(tǒng)中PhCC的光譜測量。使用原位測量系統(tǒng)捕獲的PhCC反射率譜。PhCC印在接收襯底的二氧化硅懸浮框架上。插圖顯示了InGaAs相機在可調(diào)波長掃描的兩個點捕獲的空間模式圖像，對應(yīng)于共振（左）和非共振（右）條件。
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結(jié)果和見解
研究人員展示了119個PhCC器件的轉(zhuǎn)印和空間排序。以下是他們實驗的一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
1. 光譜排序
+ g6 I8 h3 W) u2 @轉(zhuǎn)印過程允許根據(jù)共振波長創(chuàng)建空間有序的PhCC陣列。這克服了原始制造陣列中波長的隨機分布。
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圖4：按共振波長對PhCC陣列進行空間排序。（a）施主襯底，（b）第一接收器和（c）第二接收器襯底上PhCC的測量共振波長。
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2. 波長偏移
從施主襯底的初始轉(zhuǎn)移導(dǎo)致腔共振波長產(chǎn)生塑性偏移。然而，后續(xù)轉(zhuǎn)移顯示出更小的波長偏移，第二次打印后的平均偏移為±0.025 nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.139 nm。
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4 L' ]' {5 ?5 }. b% p  R4 ^4 T: c圖5：打印引起的共振波長偏移。（a）第一次打印和（b）第二次打印后單個PhCC的測量共振波長偏移。
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3. 多次打印循環(huán)
8 T' W9 e$ z1 i* Q: f1 ?$ v6 W9 G8 F研究人員發(fā)現(xiàn)，PhCC性能可以在最多5次打印循環(huán)中保持，允許對樣品進行潛在的重新配置或返工。


% ]7 `& g9 P) O圖6：重復(fù)打印循環(huán)。10個PhCC器件在每次打印循環(huán)后的測量腔波長集，顯示絕對腔共振波長（藍(lán)色）和每次打印位置之間的相對共振偏移（紅色）。

4. 動態(tài)效應(yīng)
原位測量能力揭示了打印后腔的動態(tài)弛豫效應(yīng)。這些效應(yīng)發(fā)生在秒到小時的時間尺度上，使用標(biāo)準(zhǔn)集成和測量系統(tǒng)很難觀察到。
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圖7：打印對腔光學(xué)響應(yīng)的動態(tài)效應(yīng)。在初始打印后200分鐘內(nèi)測量的2個單獨PhCC的腔共振波長。插圖顯示了打印后腔共振的快速弛豫，由原位測量捕獲，以及弛豫后的穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
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應(yīng)用和未來方向
這種轉(zhuǎn)印微組裝技術(shù)為創(chuàng)建高性能的光電子系統(tǒng)芯片開辟了新的機遇。潛在的應(yīng)用包括：

光量子學(xué)：用于研究集體量子效應(yīng)的相同腔陣列。

傳感：在單個芯片上精確排列多個傳感元件。

全光信號處理：為先進的光電子線路創(chuàng)建耦合腔系統(tǒng)。
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未來的研究方向可能集中在：

擴大處理更多器件的過程規(guī)模。

集成主動調(diào)諧機制，以在轉(zhuǎn)移后微調(diào)腔共振。

探索將這種技術(shù)應(yīng)用于其他類型的光電子器件。
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結(jié)論
硅基光子晶體腔陣列的轉(zhuǎn)印微組裝代表了克服傳統(tǒng)制造方法限制的重大進展。通過實現(xiàn)創(chuàng)建共振波長緊密匹配的PhCC空間有序陣列，為新一代具有增強性能和功能的集成光電子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
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參考文獻
# U, S' G$ _5 f[1] S. P. Bommer et al., "Transfer printing micro-assembly of silicon photonic crystal cavity arrays: beating the fabrication tolerance limit," arXiv:2406.20010v1 [physics.optics], Jun. 2024.

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+ J/ P5 K5 |. @5 _' Q6 \, L/ I轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
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. C5 b8 P/ _% E3 I. g深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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