[發(fā)明專利]一種鈮酸鋰薄膜表面制作光學(xué)微納圖形的方法

有效

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• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110850688B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾嶸;莊池杰;馬昕雨;沈瞿歡;王華磊;吳長春
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);天通瑞宏科技有限公司
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 北京君泊知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11496
• 代理人: 王程遠(yuǎn)

本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰薄膜表面制作光學(xué)微納圖形的方法，屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，包括：制作電子束曝光所需版圖；對鈮酸鋰襯底進(jìn)行清洗、烘干；在鈮酸鋰襯底上濺射金屬導(dǎo)電層；在鈮酸鋰襯底上旋涂電子束膠；將鈮酸鋰襯底進(jìn)行第一次電子束曝光制作標(biāo)記；顯影和定影；在鈮酸鋰襯底上磁控濺射金屬制作金屬標(biāo)記；去膠剝離金屬掩蔽的圖形，制成帶有金屬突起標(biāo)記的鈮酸鋰片；在鈮酸鋰片上旋涂電子束膠；將鈮酸鋰片進(jìn)行第二次電子束曝光制作圖形；顯影和定影；進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移，形成微納結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明所述方法，可在不導(dǎo)電的鈮酸鋰材料上制作側(cè)壁陡直的圖形，且可制作尺寸900nm以下的微納圖形，所制作的光波導(dǎo)折射率對比度大，可減小光器件尺寸，提高光器件性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰薄膜表面制作光學(xué)微納圖形的方法，屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鈮酸鋰材料(LiNbO₃)是不導(dǎo)電的單軸晶體，由于具有較寬的透光窗口(340～4600nm)和優(yōu)異的電光、聲光、非線性光學(xué)、壓電性質(zhì)，在光信號處理、量子電動力學(xué)和光機(jī)械領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。通過離子注入和鍵合技術(shù)可以制備單晶鈮酸鋰薄膜，由于鈮酸鋰薄膜的出現(xiàn)，又讓鈮酸鋰材料在集成光學(xué)領(lǐng)域更加受到重視。

目前對于鈮酸鋰光波導(dǎo)的制作方法主要為光刻后進(jìn)行鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換兩種。光刻是利用紫外光曝光將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到對光敏感的光刻膠上，通過顯影去除曝光的正性光刻膠或未曝光的負(fù)性光刻膠。鈦擴(kuò)散法是在高溫條件下使鈦金屬氧化，然后鈦以離子形式從晶體表面擴(kuò)散進(jìn)入晶體內(nèi)部，在光學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為折射率增加，形成波導(dǎo)。質(zhì)子交換方法是在一定溫度下將質(zhì)子源中的氫離子與鈮酸鋰中鋰離子置換，改變鈮酸鋰的折射率，形成波導(dǎo)。但鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換兩種工藝存在以下缺陷：

(1)鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換方法均只能制作折射率差較小(0.02)的光波導(dǎo)，導(dǎo)致對光信號的限制弱，光學(xué)模場尺寸大，降低光學(xué)器件性能，增加器件尺寸。

(2)鈦擴(kuò)散工藝中Li容易從基板表面向外擴(kuò)散，缺Li表面會產(chǎn)生z偏振的平面波導(dǎo)，嚴(yán)重影響光學(xué)器件的性能。質(zhì)子交換工藝只能應(yīng)用于x切和z切的鈮酸鋰晶圓，因?yàn)樗崛芤簳切晶圓造成化學(xué)腐蝕。另外，質(zhì)子交換只能增加異常光的折射率，還需要經(jīng)過高溫退火處理來解決折射率不穩(wěn)定及電光效應(yīng)衰減的問題。

(3)光刻制作的圖形尺寸只能制作到1μm以上，不能加工精細(xì)圖形。

(4)鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換制作的光波導(dǎo)實(shí)際尺寸在7～10μm。

PMMA電子束膠有高分辨率、高對比度和低靈敏度的特征，但其抗刻蝕性能較差，當(dāng)制作納米結(jié)構(gòu)的時候，由于圖形的精細(xì)需勻涂較薄的PMMA膠，這更是減弱了PMMA的抗刻蝕性能，無法在干法刻蝕中完成掩蔽的效果。HSQ(hydrogen silsesquioxane)電子束膠是一種的具有極高分辨率的負(fù)膠，在電子束曝光中應(yīng)用廣泛，但它對電子的敏感度很低，使其在電子束曝光時所需電子束劑量和時間增加，限制了其更大規(guī)模的應(yīng)用。

另外，應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)透光材料的電導(dǎo)率都較低，導(dǎo)致電子束曝光過程中易產(chǎn)生電荷積累，影響電子束的偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致圖案的缺陷和漂移。所以，通常通過在電導(dǎo)率低的襯底上表面制作一層很薄(10-15nm)的金屬導(dǎo)電層來解決這一問題，但這會使電子更易產(chǎn)生橫向漂移，影響圖形側(cè)壁的陡直度。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過電子束曝光在鈮酸鋰薄膜表面制作光學(xué)微納圖形的方法，具體的為在鈮酸鋰薄膜表面利用負(fù)性電子束膠制作光學(xué)微納圖形，其可在較短的工藝時間下制作尺寸小于900nm的鈮酸鋰薄膜微納結(jié)構(gòu)，所制作的鈮酸鋰薄膜微納結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且陡直、尺寸精確、可重復(fù)性強(qiáng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種鈮酸鋰薄膜表面制作光學(xué)微納圖形的方法，包括以下步驟：

步驟1，制作電子束曝光所需版圖；