基于铬掩膜的铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法

1.本发明属于微纳光子器件加工技术领域，尤其涉及一种铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法。


背景技术：

2.铌酸锂(linbo3,ln)是一种重要的光学晶体材料，在光电领域有很广泛的应用。现有的成熟铌酸锂光波导制备方法主要是采用质子交换法和钛扩散法在铌酸锂晶体上制作光波导，这种方法制备的光波导线宽较宽，使得器件存在体积大，难集成的问题。在单晶铌酸锂薄膜上采用光刻、刻蚀制作光波导的方法近年来成为研究的热点，该种方法可以加工线宽更窄、尺寸更小的光波导器件，同时也可以提供更好的光约束条件，得到更易集成、性能更好的光波导器件。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种基于铬掩膜的铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法，通过电子束蒸发镀膜、电子束曝光光刻、电感耦合等离子体刻蚀等工艺流程加工出的光波导线宽可达到亚微米量级，波导侧壁倾角可以达到71
°
。本发明具体采用以下技术方案：
4.一种基于铬掩膜的铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法，包括以下步骤：
5.s1，获取待加工的铌酸锂薄膜样品，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底，其中铌酸锂层厚度为600nm，二氧化硅层厚度为4μm，硅基地厚度约为0.5mm；
6.s2，清洗并烘干所述铌酸锂薄膜样品；
7.s3，使用电子束蒸发镀膜系统在所述铌酸锂薄膜样品表面沉积铝膜，铝膜厚度为10～20nm；
8.s4，在铝膜表面旋涂光刻胶，光刻胶型号为电子束正胶uv135，匀胶转速为3000r/min，匀胶时间为1min；
9.s5，烘干步骤s4得到的样品，130℃烘1min；
10.s6，用电子束曝光光刻机将掩膜图案刻在步骤s5得到的样品上；
11.s7，光刻曝光完成后，烘干样品，130℃烘1.5min；
12.s8，将样品放置于mf319显影液中进行显影，显影时间1.5min；
13.s9，用电子束蒸发镀膜系统在样品表面沉积铬膜，束流大小为40～100ma，控制镀膜速率在0.05～0.1nm/s，所镀铬膜厚度为150nm；
14.s10，将样品放入剥离液中，去除光刻胶，留下铬掩膜图形；
15.s11，利用电感耦合等离子体对样品进行刻蚀，刻蚀气体为氩气和全氟丁烯，流速为20～25sccm，射频功率为50～250w，铌酸锂的刻蚀速率为30～60nm/min；
16.s12，采用铬刻蚀溶液清洗样品上残留的铬掩膜和铝膜，得到铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导。
17.进一步的，所述铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导的线宽为0.6～1.5μm，深度为
200～500nm，侧壁倾角为64～71
°
。
18.进一步的，所述步骤s2具体为，将铌酸锂薄膜样品放入丙酮溶液超声处理3～5min，取出样品在去离子水下冲10～20s，放在无尘纸上用气吹吹干表面水分；放置在热板上，在100℃下烘1min。
19.进一步的，所述步骤s10，所述剥离液为丙酮或异丙醇或无水乙醇。
20.进一步的，所述步骤s12，将样品放在铬刻蚀溶液中10min。
21.本发明的有益效果在于：
22.(1)本发明采用电子束曝光光刻的方法，使得掩膜图案可以做到亚微米级的线宽，基于此工艺加工的铌酸锂光波导器件体积小，易集成，具有良好的光约束条件。
23.(2)铌酸锂为非导电材料，在进行电子束曝光光刻时，样品表面不导电会造成表面电荷累积影响曝光效果。通常采取的办法是在匀胶时加入表面电荷去除剂，表面电荷去除剂成本高昂，且不是所有的光刻胶都有适用的表面电荷去除剂。本发明通过在铌酸锂薄膜样品表面镀一层10～20nm的铝膜使样品表面导电，从而改善电子束曝光光刻效果，且该厚度的铝膜也不会影响之后的刻蚀效果，该方法成本低，效果好。
24.(3)本发明采用先光刻，后镀金属铬膜的方法制作铬刻蚀掩膜，与采用光刻胶掩膜刻蚀铬膜得到铬掩膜的方法相比，电子束蒸发更容易控制铬掩膜的形貌；采用铬作为掩膜材料，与氧化硅掩膜或光刻胶掩膜相比具有更高的刻蚀选择比，得到更好的刻蚀效果。
25.(4)本发明选用氩气与全氟丁烯作为刻蚀气体，结合优选之后的工艺参数，与传统氩离子反应刻蚀相比，其刻蚀选择比更高，光波导侧壁垂直度更高。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
27.图1为工艺流程图，依次经过电子束蒸发镀铝膜、匀胶、电子束曝光、显影、电子束蒸发镀铬膜、掩膜剥离、电感耦合等离子体刻蚀、除铬、铝等工艺完成铌酸锂薄膜光波导的加工。
28.图2为铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下的三维扫描图，波导宽为1μm，波导深度为200nm，侧壁倾角为64
°
。
29.图3为铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下的三维扫描图，波导宽为1μm，波导深度为292nm，侧壁倾角为71
°
。
具体实施方式
30.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开
的具体实施例的限制。
32.实施例1
33.本发明提出了一种铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法，图1为工艺流程图，具体的工艺步骤、工艺参数以及操作细节如下：
34.步骤一：获取待加工的铌酸锂薄膜样品，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底。
35.步骤二：清洗并烘干样品。将铌酸锂薄膜样品放入丙酮溶液超声处理3～5min，之后取出样品在去离子水下冲10～20s，之后放在无尘纸上用气吹吹干表面水分；将铌酸锂薄膜样品放置在热板上，在100℃下烘1min。
36.步骤三：电子束蒸发镀铝膜。用电子束蒸发镀膜系统在样品表面沉积20nm厚的铝膜。
37.步骤四：匀胶。铌酸锂薄膜放置在匀胶机的真空吸附盘中央，设置转速3000r/min，加速度1000r/min/s。真空吸附好后，开始旋转，3～5s之后在样品中央滴3～5滴uv135光刻胶，等待55s之后停止旋转，关闭真空吸附，取下样品。
38.步骤五：前烘。将样品放在热板上，在130℃下烘1min。
39.步骤六：电子束曝光光刻。用电子束曝光光刻机将掩膜图案刻在匀胶之后的铌酸锂薄膜样品上。
40.步骤七：后烘。光刻曝光完成后，将样品取出放置在热板上，在130℃下烘1.5min。
41.步骤八：显影。将样品在显影液中浸泡1.5min，之后将样品从显影液中取出，在保持表面有显影液覆盖的情况下在去离子水下冲1min，之后放在无尘纸上用气吹吹干表面水分。
42.步骤九：电子束蒸发镀铬。用电子束蒸发镀膜系统在样品表面沉积150nm厚的铬膜。
43.步骤十：掩膜剥离。将样品倒放在剥离架上，浸没在丙酮溶液中，超声1min，之后将样品取出，再换干净的丙酮溶液超声1min，之后将样品在去离子水下冲30s，之后将样品放在无尘纸上并吹干其表面水分。
44.步骤十一：电感耦合等离子体刻蚀。采用氩气和全氟丁烯作为刻蚀气体，气体流速均为22.5sccm，射频功率为100w，铌酸锂和铬的刻蚀选择比为5.1∶1，铌酸锂的刻蚀速率为40nm/min，刻蚀5min。
45.步骤十二：除铬掩膜。将样品放在铬刻蚀溶液中10min，溶解剩余的铬和铝，之后取出样品在去离子水下冲洗1min，之后放在无尘纸上用其吹吹干表面水分。
46.加工完成的铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下进行表征，图2是该实例中的铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下的三维扫描图，可以得到波导线宽为1μm，波导深度为200nm，侧壁倾角为64
°
。
47.实施例2
48.本发明提出了一种铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法，图1为工艺流程图，具体的工艺步骤、工艺参数以及操作细节如下：
49.步骤一：获取待加工的铌酸锂薄膜样品，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂层、二氧化硅层以及硅基底。
50.步骤二：清洗并烘干样品。将铌酸锂薄膜样品放入丙酮溶液超声处理3～5min，之后取出样品在去离子水下冲10～20s，之后放在无尘纸上用气吹吹干表面水分；将铌酸锂薄膜样品放置在热板上，在100℃下烘1min。
51.步骤三：电子束蒸发镀铝膜。用电子束蒸发镀膜系统在样品表面沉积10nm厚的铝膜。
52.步骤四：匀胶。铌酸锂薄膜放置在匀胶机的真空吸附盘中央，设置转速3000r/min，加速度1000r/min/s。真空吸附好后，开始旋转，3～5s之后在样品中央滴3～5滴uv135光刻胶，等待55s之后停止旋转，关闭真空吸附，取下样品。
53.步骤五：前烘。将样品放在热板上，在130℃下烘1min。
54.步骤六：电子束曝光光刻。用电子束曝光光刻机将掩膜图案刻在匀胶之后的铌酸锂薄膜样品上。
55.步骤七：后烘。光刻曝光完成后，将样品取出放置在热板上，在130℃下烘1.5min。
56.步骤八：显影。将样品在显影液中浸泡1.5min，之后将样品从显影液中取出，在保持表面有显影液覆盖的情况下在去离子水下冲1min，之后放在无尘纸上用气吹吹干表面水分。
57.步骤九：电子束蒸发镀铬。用电子束蒸发镀膜系统在样品表面沉积150nm厚的铬膜。
58.步骤十：掩膜剥离。将样品倒放在剥离架上，浸没在丙酮溶液中，超声1min，之后将样品取出，再换干净的丙酮溶液超声1min，之后将样品在去离子水下冲30s，之后将样品放在无尘纸上并吹干其表面水分。
59.步骤十一：电感耦合等离子体刻蚀。采用氩气和全氟丁烯作为刻蚀气体，气体流速均为22.5sccm，射频功率为200w，铌酸锂和铬的刻蚀选择比为5.6∶1，铌酸锂的刻蚀速率为58.4nm/min，刻蚀5min。
60.步骤十二：除铬掩膜。将样品放在铬刻蚀溶液中10min，溶解剩余的铬和铝，之后取出样品在去离子水下冲洗1min，之后放在无尘纸上用其吹吹干表面水分。
61.加工完成的铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下进行表征，图3是该实例中的铌酸锂薄膜光波导在原子力显微镜下的三维扫描图，可以得到波导线宽为1μm，脊波导深度为292nm，侧壁倾角为71
°
。