一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法技术

本发明专利技术提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；通过曝光和显影，将掩模板图案转移到所述光刻胶层上，以所述光刻胶层为模板，刻蚀所述二氧化硅层，去胶后使用XeF2蚀刻所述硅基底得到所述二氧化硅光学微盘腔。所述方法与现有的半导体工艺完全兼容，制备得到的二氧化硅光学微盘腔尺寸大，且具有超高的品质因子。

A Dry Etching Method for Preparing Silica Optical Microdisk Cavity

The invention provides a dry etching method for preparing silicon dioxide optical microdisk cavity. The method comprises the following steps: preparing silicon dioxide layer on the surface of silicon substrate by thermal oxidation method, depositing isolation layer on the surface of the silicon dioxide layer, coating photoresist layer on the surface of the isolation layer, and transferring mask pattern to the photoresist layer by exposure and development. The photoresist layer is a template for etching the silicon dioxide layer. After debonding, the silicon substrate is etched with XeF2 to obtain the silicon dioxide optical microdisk cavity. The method is fully compatible with the existing semiconductor technology. The silicon dioxide optical microdisk cavity prepared by the method has large size and super high quality factor.

【技术实现步骤摘要】
一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法
本专利技术属于光学材料领域，涉及一种二氧化硅光学微盘腔的方法，尤其涉及一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法。
技术介绍
根据形状的不同，二氧化硅回音壁模式的光学微腔可分成三种：微盘腔、微环芯微腔、微球腔。由于二氧化硅在通信波段极低的损耗，使得二氧化硅回音壁模式微腔具有品质因子高、模式体积小的优点。这些优点使得二氧化硅回音壁模式微腔成为基础科学研究的极佳的平台，另外二氧化硅回音壁模式微腔在传感探测、光通信领域也有很好的应用前景。2003年，vahala组专利技术了微环芯微腔的制备方法，将品质因子提升到108量级，其制备方法如下：光刻：选用硅片，上面利用热氧化生长了所需厚度的二氧化硅层。旋涂光刻胶进行光刻，得到圆形的光刻胶图案；HF(氢氟酸)刻蚀：利用光刻胶作为掩模，氢氟酸刻蚀二氧化硅，去胶后，就得到了二氧化硅圆盘；XeF2(二氟化氙)刻蚀：二氟化氙对硅进行刻蚀，从而形成硅柱，二氧化硅悬浮在硅柱上面，形成二氧化硅微盘腔；激光回流：利用二氧化碳激光器照射二氧化硅微盘腔，二氧化硅受热融化向内收缩，在表面张力的作用下成为微环芯微腔的结构，由于表面原子级别的粗糙度，使得微环芯微腔的品质因子能够达到108以上。类似的微球腔也是相同的制备方案。此类方案存在非常严重的缺点，因为二氧化碳激光回流是不可控的，制备的微腔尺寸不能够精确控制。2012年，vahala组通过优化工艺，将微盘腔的品质因子提升到了创纪录的108以上，其方法的特点是(1)二氧化硅的厚度较大，直径也非常大，光学模式更少的暴露在空气介质中，从而减低了损耗，提升了品质因子；(2)通过增加氢氟酸的刻蚀时间，消除了在刻蚀中二氧化硅侧壁的多倾角现象，降低了侧壁的粗糙度，从而提升了品质因子。需要注意的是，由于氢氟酸对二氧化硅的刻蚀是各向同性的，因此延长刻蚀时间后，二氧化硅的横向刻蚀非常严重，使得二氧化硅微盘的直径会小于掩模板上设计的图像的尺寸，这不利于微盘腔尺寸的精确控制。2015年，南京大学姜校顺老师组利用反应离子刻蚀替换传统的氢氟酸刻蚀，制备出了高品质因子的二氧化硅微盘腔。由于等离子体刻蚀具有非常好的方向性，因此制备的二氧化硅微盘尺寸和掩模板设计的图案的一致性更好，尺寸的精确控制也有利于其他领域的研究。需要注意的是，这种方法在当时只能应用在小直径(80μm)二氧化硅微盘腔的制备中。对于更大尺寸的微盘腔而言，其制备存在以下两个难点(1)光刻产生的大直径光刻胶的图案，很难确保图形四周的光滑程度，一旦光刻胶四周存在缺陷，在后续的干法刻蚀中，光刻胶上的缺陷会转移到下面的二氧化硅层，这些缺陷会极大地影响微盘腔的品质因子。(2)对于更大厚度的样品，由于等离子体长时间轰击光刻胶，光刻胶会发生变性，传统的方法难以完全去除干净，而残余的光刻胶会严重制约微盘腔的品质因子。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法与现有的半导体工艺完全兼容，制备得到的二氧化硅光学微盘腔尺寸大，且具有超高的品质因子。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层并退火，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；通过曝光和显影，将掩模板图案转移到所述光刻胶层上，以所述光刻胶层为模板，刻蚀所述二氧化硅层，去胶后使用XeF2蚀刻所述硅基底得到所述二氧化硅光学微盘腔。作为本专利技术优选的技术方案，所述二氧化硅层的厚度为1～5μm，如1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，所述隔离层为非晶硅层或氮化硅层。作为本专利技术优选的技术方案，所述隔离层的厚度为50～200nm，如50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm或200nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，所述沉积隔离层的方法为等离子气体增强化学气相沉积。作为本专利技术优选的技术方案，在对所述非晶硅层进行退火处理的温度为600～800℃，如600℃、620℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃、780℃或800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，对所述非晶硅层进行退火处理的时间为4～6h，如4h、4.2h、4.5h、4.8h、5h、5.2h、5.5h、5.8h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，对所述氮化硅层进行退火处理的温度为1000～1200℃，如1000℃、1020℃、1050℃、1080℃、1100℃、1120℃、1150℃、1180℃或1200℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，对所述氮化硅层进行退火处理的时间为2～3h，如2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h或3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，由于等离子体增强化学气相沉积得到的薄膜本身质量不高，存在许多缺陷，并存在较大的内部应力，最终在感应耦合等离子体刻蚀中会影响到下方的二氧化硅层，从而降低样品的品质因子。所以在光刻前，需在高温下对硅片进行退火。作为本专利技术优选的技术方案，所述光刻胶层的厚度为4～6μm，如4μm、4.2μm、4.5μm、4.8μm、5μm、5.2μm、5.5μm、5.8μm或6μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，所述刻蚀二氧化硅层的方法为感应耦合等离子刻蚀。作为本专利技术优选的技术方案，所述感应耦合等离子刻蚀使用的气体为CF4和SF6。本专利技术中，等离子体化学气相沉积的非晶硅层或者氮化硅层在光刻-刻蚀工艺中始终是保留的，只有在最后一步二氟化氙蚀刻硅基底形成硅柱的过程中才会一并去除掉，始终保持了二氧化硅和光刻胶的隔离状态，而非晶硅和氮化硅的去除并没有增加额外的步骤，也不会损伤下方的二氧化硅薄膜。本专利技术中，在光刻光刻胶的过程中，由于非晶硅和氮化硅对于紫外光是不透明的，这样光不会达到下面的二氧化硅层，避免了薄膜干涉现象的产生，在光刻胶底部就不会出现驻波条纹，改善了光刻胶的粗糙度。在光刻以及刻蚀二氧化硅层的过程中，由于非晶硅或者氮化硅层的存在，二氧化硅和光刻胶没有直接接触，理论上来说，光刻胶在二氧化硅上是零残余的，保证了样品不会受到光刻胶的影响，从而保证了品质因子。同时，非晶硅或氮化硅层可以在后续的二氟化氙刻蚀中去除掉，在未引入多余步骤的情况下去除了非晶硅或者氮化硅层，不会影响到二氧化硅层的品质。作为本专利技术优选的技术方案，所述干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备1～5μm厚的二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面等离子气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层并退火，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；通过曝光和显影，将掩模板图案转移到所述光刻胶层上，以所述光刻胶层为模板，刻蚀所述二氧化硅层，去胶后使用XeF2蚀刻所述硅基底得到所述二氧化硅光学微盘腔。

【技术特征摘要】
1.一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层并退火，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；通过曝光和显影，将掩模板图案转移到所述光刻胶层上，以所述光刻胶层为模板，刻蚀所述二氧化硅层，去胶后使用XeF2蚀刻所述硅基底得到所述二氧化硅光学微盘腔。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为1～5μm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述隔离层为非晶硅层或氮化硅层。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述隔离层的厚度为50～200nm。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述沉积隔离层的方法为等离子气体增强化学气相沉积。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述非晶硅层进行退火处理的温度为600～800℃；优选地，对所述非晶硅层进行退火处理的时间为4～6h；优选地，对所述氮化硅层进行退火处理的温度为1000～1200℃；优选地，对所述氮化硅层进行退火处理的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜校顺，顾佳新，程欣宇，李冠宇，肖敏，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32