基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，包括将需要曝光的样品版图文件进行切图；在基底上匀上光刻胶之后用烘胶台进行烘烤，并进行冷却；再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；使用正胶显影液对光刻好的基底进行显影，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；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；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；本发明专利技术大大减小了光子晶体样品的尺寸，并且提高了制备的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法


[0001]本专利技术涉及光学器件
，特别是一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
>[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术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，本专利技术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。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：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：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，在步骤2中，所述基底为硅基底或者蓝宝石基底。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]1、本专利技术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；
[0022]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，本专利技术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；二是本专利技术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，本专利技术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
[0023]图1为现有的利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的基于激光直写光刻机制备光子晶体的方法，其特征在于，在步骤1中，所述样品版图文件为利用L
‑
Edit软...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦联福，刘洋，欧阳鹏辉，和穗荣，王翼卓，李玉芬，柳红英，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：