基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法

1.本发明涉及光学器件技术领域，特别是一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法。


背景技术：

2.光子晶体的概念最早于上个世纪80年代末被科学家提出，这是一种具有可设计禁带的人工周期性结构，已在各种应用中受到广泛关注，例如，减慢光速，抑制原子自发辐射和光子的局域性等。近年来，光子晶体腔，光子晶体波导和光子晶体光纤等的实现已成为研究热点。例如，光子晶体波导与原子之间的相互作用可用于实现单光子级的量子信息存储，光控制和光开关。
3.相比于传统的以电子为核心的半导体技术而言，光子通信或者说光集成电路有着极大的优势。按照摩尔定律和市场的要求，集成电路不断地往高集成度和高速方向发展，这会带来两个主要的问题。首先，芯片电路的尺寸相对来说越来越小，这就要求集成电路内部的热量要保持在一个比较低的状态，否则极其容易造成芯片内部结构的破坏。但众所周知，电子的运动会产生热量，而高集成度又需要同样的电路面积容纳愈来愈多的晶体管，这意味着会产生十分惊人的热量，限制了集成电路的良好发展态势。其次，虽然依托于集成电路的现代计算机的速度已经足够让人瞠目结舌，但是由于电子本身速度的限制，导致现有芯片越来越难以满足高速和低延迟的要求。基于此，光子相对电子的优越性就很好的体现了出来，利用光子进行信息传输有希望解决上述两个主要问题。光子传输速度极快，且不会像电子运动一样，产生很多的热量。因此近年来，众多学者开始研究利用光子进行信息传输以及未来可以应用于制备光集成电路的相关部件。
4.传统的光子晶体往往是利用光子通过周期性电磁介质发生相干效应而形成，这种结构一般被称为布拉格型光子晶体，主要由介质层或者介质柱在空间某个维度上周期性排列而形成，其制备方法主要有化学法、机械刻蚀法和胶体颗粒的自组装法等。
5.如图1所示，图1为现有的利用掩模版进行紫外曝光机的光刻技术的示意图，首先制造一个印有光刻图形的物理掩膜版，之后在硅基底或者蓝宝石基底上镀一层金属，接着在衬底表面匀上s1805正胶，采用掩膜版紫外曝光方法，在一个用光刻胶覆盖的硅基底或者蓝宝石基底上通过一高分辨率和高反差的照相底版(光掩模)进行接触印刷(或“阴影印刷”)。未被掩膜版图形遮盖的上层光刻胶便因曝光而变质，利用正胶显影液冲洗可将变质的上层胶去除，露出下层的金属。之后利用刻蚀液将裸露的下层金属刻蚀掉便可形成所需的光刻图形，利用烷酮等溶液去除衬底表层的光刻胶即可；而该技术具有以下缺点：
①
物理掩模版制备过程繁琐，周期长，且一旦制备成功便无法修改设计，灵活性差；
②
紫外曝光的精度低，在曝光1-2um的细小结构时很不稳定，且曝光长线条时线条边缘不够平整，影响最终的器件质量。
6.如图2所示，图2为现有的利用机械刻蚀法制备布拉格型光子晶体的示意图，yablonvitch等人在实验室中利用机械刻蚀法制造了一块光子晶体，这种光子晶体的制作
过程如下：在一片介电材料上镀上具有三角空洞阵列的掩膜，在每一空洞处向下钻三个孔，钻孔相互之间呈120度角，与介电片的垂线呈35.26度角，通过测试这种对称的布拉格型光子晶体，发现其具备10ghz到13ghz位于微波区域的光子带隙。但后来研究表明，这种结构不存在完全光子禁带。yablonvitch改善了制作流程，将圆柱改为椭圆柱，获得了真正的完全带隙光子晶体；而该技术具有以下缺点：
①
机械加工工艺精度低、样品尺寸大，不利于制备微波波段尺寸较小的光子晶体；
②
布拉格型光子晶体往往由介质层或者介质柱形成，这种周期性排列的介质结构的间距往往较大，很难用于较小尺度的光学波段的实验研究，而且不利于进行光子晶体的片上集成。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，本发明提出的光子晶体是依托于波导量子电动力学平台，利用微纳加工工艺，在硅基底上形成的波导腔耦合形式的光子晶体，这是一种不同于布拉格型的共振型光子晶体，采用的技术也是集成电路领域十分成熟的微尺度加工工艺。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，包括以下步骤：
9.步骤1、利用切图软件将需要曝光的样品版图文件进行切图；
10.步骤2、在基底上匀上光刻胶之后用烘胶台进行烘烤，再放置到黑暗处进行冷却；
11.步骤3、将匀好胶的基底放置于光刻机的样品平台之上，设置好光刻参数、使镜头对焦后便进行图形的自动光刻；
12.步骤4、使用正胶显影液对光刻好的基底进行显影，一段时间后，被曝光的图形因为变质导致溶解于显影液，露出下层金属，利用去离子水洗掉显影液；
13.步骤5、利用金属刻蚀液对裸露的金属进行刻蚀操作，将基底放入流动的去离子中，洗掉刻蚀液和多余的杂质；
14.步骤6、最后将制作于基底上的样品用划片机划切分离，并去胶清洗后便可得到光子晶体，并将其封装于样品盒内进行测试。
15.作为本发明的进一步改进，在步骤1中，所述样品版图文件为利用l-edit软件进行设计并导出对应光刻机的.gds文件。
16.作为本发明的进一步改进，在步骤2中，所述基底为硅基底或者蓝宝石基底。
17.作为本发明的进一步改进，在步骤2中，在基底上匀上光刻胶之后用烘胶台进行烘烤的时间为60s-120s，放置到黑暗处进行冷却的时间为2min-4min。
18.作为本发明的进一步改进，在步骤4中，使用正胶显影液对光刻好的基底进行显影的显影时间为14s-18s。
19.作为本发明的进一步改进，在步骤5中，利用金属刻蚀液对裸露的金属进行刻蚀操作的刻蚀时间为8min-10min。
20.本发明的有益效果是：
21.1、本发明是一种可以控制光子运动的器件，有望在集成光路或者光量子通信领域发挥巨大的作用，比如说制备单光子晶体管、动态光存储器以及光子晶体光纤等；
22.2、光子晶体是光集成电路的基础，也是光通信的关键器件。针对现有光子晶体技
术的缺点，本发明可实现两方面的突破。一是利用激光直写光刻机制备光子晶体样品，激光直写技术虽然造价相对高昂，但是可以实现设计图形的灵活修改，摆脱了紫外曝光需要物理掩膜版的限制条件；二是本发明基于波导量子电动力学平台实现，克服了传统的布拉格型光子晶体尺寸大精度差的缺点，利用波导谐振器的耦合系统，可实现较高精度和较小尺寸的样品制备，为光子晶体的片上集成提供了可能，本发明制得的光子晶体样品尺寸较小，周期性重复单元间距仅为0.5mm，大大减小了光子晶体样品的尺寸，并且提高了制备的精度。
附图说明
23.图1为现有的利用掩模版进行紫外曝光机的光刻技术的示意图；
24.图2为现有的利用机械刻蚀法制备布拉格型光子晶体的示意图；
25.图3为本发明实施例制备的单个谐振器叉指电容式耦合的光子晶体的示意图；
26.图4为图3中细节a的示意图；
27.图5为本发明实施例制备的两个谐振器叉指电容式耦合的光子晶体的示意图；
28.图6为本发明实施例制备的波导与14个谐振器阵列耦合系统的光子晶体的示意图；
29.图7为本发明实施例制备的光子晶体的微波传输特性图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
31.实施例
32.一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，主要包括样品版图设计、镀膜、光刻、封装和测试，具体步骤如下：
33.1、需曝光的样品版图的设计可利用l-edit软件进行设计并导出对应光刻机的.gds文件，利用切图软件把版图文件进行切图；
34.2、在硅基底或者蓝宝石基底上匀上光刻胶之后用烘胶台进行烘烤90s，放置到黑暗处冷却2min；
35.3、将匀好胶的衬底放置与光刻机的样品平台之上，设置好光刻参数、使镜头对焦后便进行图形的自动光刻；
36.4、使用正胶显影液对光刻好的衬底进行显影，大约15s后，被曝光的图形因为变质导致溶解于显影液，露出下层金属，利用去离子水洗掉显影液；
37.5、利用金属刻蚀液对裸露的金属进行刻蚀操作，刻蚀大约90s后，将衬底放入流动的去离子中，洗掉刻蚀液和多余的杂质；
38.6、最后将制作于衬底上的样品用划片机划切分离，并去胶清洗后便可将其封装于样品盒内进行测试。
39.已有发明多数是介质型光子晶体，这是一种周期性排列的不同介质材料组成的光子晶体。而本实施例的对象是以波导谐振腔阵列结构为基础的光子晶体，对其的绝大部分研究都停留在理论分析和仿真实验方面，少有对其进行实际制备的相关研究。本实施例设计的光子晶体结构不管是相对于传统的介质层或者介质孔结构，还是相对于谐振型的高阻
电磁表面结构，主要的优势体现在以下几点：一是尺寸小，适用于片上集成。二是本结构作为低温超导器件，在研究光集成电路或者光通信领域中的量子器件上有着天然的优势。三是本结构便于进行迭代改进，且有希望实现光子带隙的调控，这在其他结构上是难以做到的。
40.本实施例中的版图设计其本质上是一个四分之一波长的共面波导谐振器，利用谐振器的lc谐振电路对特定频段电磁波的作用形成光子晶体；本实施例在硅衬底和蓝宝石衬底上制备完成，从而不需要对衬底做改性处理使其具有超亲水性或者超疏水性的特殊处理；本实施例的制备工艺是微纳平面加工工艺，主要分为镀膜和光刻两大步骤。在镀膜过程中，使用的是磁控溅射镀膜的技术，另外，本发明在光刻的过程中有显影和刻蚀两个步骤，而且显影时间极短。
41.如图3和图4所示，图3和图4是本实施例中波导与1个谐振器耦合结构的样品，该样品在两英寸蓝宝石基底上制备，样品长约9mm，宽约2.5mm，其中间位置的波导馈线上只耦合了一个共面波导四分之一波长谐振器。为增强馈线和谐振器的耦合强度，在耦合处增设了若干条叉值电容。
42.如图5所示，图5是本实施例中波导与2个谐振器耦合结构的样品，该样品在两英寸蓝宝石衬底上制备。为便于切割，该样品的尺寸和第一类样品保持一致，长约9mm，宽约2.5mm，两谐振器的间距约为5mm。
43.如图6所示，图6是本实施例中波导与14个谐振器耦合结构的样品，因样品长度原因，此处未能展示样品的全貌，只展示了其中两侧的边缘处外观。该样品在两英寸蓝宝石衬底上制备，在一根较长的波导馈线上有14个谐振器耦合从而形成谐振器阵列。样品长度约70mm，两谐振器间距约5mm，最靠近边缘的谐振器与基底边缘约3mm。该样品是本发明的光子晶体的最终样品，其结构是由图3和图5中所示的谐振器组成阵列而得到。
44.如图7所示，图7是本发明的光子晶体的微波传输特性结果。图中横坐标表示vna通入的微波扫频频率大概在4-6ghz之间，纵坐标表示微波通过样品的透射幅度。从图中可以明显的看出，如果以5db为背景板，样品在5.15ghz左右出现了深度约25db的禁带。这说明，在5.048-5.2ghz之间，本实施例制备的样品表现出了光子带隙的特征，在此波段通入的微波难以从样品中透射出去，而这正是光子晶体的核心特点。本实施例带隙的宽度约为150mhz，这与设计的理论计算结果140mhz较为接近。
45.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。