一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法技术

本发明专利技术公开了一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，包括：在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜，作为上表面的掩膜和下表面的保护层；将光刻板图形转移到上表面掩膜上，而后将衬底放入质子交换炉中进行质子交换；将质子交换后的衬底冷却后，使用保护材料对衬底四周进行密封；将密封后的薄膜铌酸锂衬底放入氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行湿法刻蚀；去除上表面的掩膜、下表面的保护层以及四周的密封，将衬底划片解理后使用化学机械抛光工艺进行端面处理。本发明专利技术采用质子交换工艺结合湿法工艺对薄膜铌酸锂材料刻蚀以制备微纳器件，可大大加快铌酸锂的刻蚀速率，得到性能优异、表面粗糙度低的薄膜铌酸锂基微纳器件。纳器件。纳器件。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工
，具体涉及一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法。

技术介绍

[0002]铌酸锂晶体是一种负单轴晶体，具有非中心对称性，有较宽的波长透过范围，约为350nm～5500nm，具有优良的压电、介电、铁电、电光、声光和非线性光学性能，是综合指标最好的铁电体材料，有着“光学硅”的称号。传统的铌酸锂体材料相关技术发展成熟，已经广泛应用在调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。而采用离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂(LNOI)作为一种新的薄膜材料，具有单晶性能高、波导芯层与包层折射率差较大(约0.7左右)，限光能力强，可做到微纳尺寸等优点，是用于开发大规模集成光电子器件的理想平台；目前，已有研究人员在LNOI基上分别实现了Y分支光波导、电光调制器、微环谐振器和二次谐波发生器等。
[0003]目前基于传统体材料的铌酸锂基微纳器件主要采用基于扩散技术的质子交换和钛(Ti)扩散两种方法制备，弱波导约束使得器件整体尺寸较大，不适用于目前的光子单片集成发展趋势。薄膜铌酸锂作为集成光学中最具潜力的材料之一，由于铌酸锂本身稳定的物化性质，采用干法刻蚀技术在其上直接制备微纳结构是较为困难的，而且干法刻蚀由于晶体内的锂(Li)离子会与刻蚀气体中的氟(F)离子结合在表面生成氟化锂(LiF)，阻碍刻蚀继续的同时并造成刻蚀侧壁粗糙；而受限于异质材料间键合强度的影响，传统体材料的Ti扩散制备方法所涉及的温度(高于1000℃)已经远超出薄膜铌酸锂所能承受的最高温度(～500℃)；质子交换制备方法虽然在2015年由山东大学Lutong Cai等人成功在薄膜铌酸锂材料上对其验证了可行性，但其制备的光波导的折射率差依然较小(～0.149)，且只能提升异常光的折射率，制备的微纳器件仅能支持一种偏振模式。其他的一些加工方法诸如离子注入辅助刻蚀、聚焦离子束、飞秒激光微加工结合聚焦离子束等，均需要额外的辅助工艺，会在一定程度上增加加工成本，且无法与传统的铌酸锂体材料加工工艺线相兼容。
[0004]湿法刻蚀作为半导体工艺常用的加工手段，早在1992年，Laurell等人就验证了质子交换后的铌酸锂晶体能够被氢氟酸(HF)与硝酸(HNO3)的混合溶液所刻蚀，随后二十多年，不少科研人员对铌酸锂材料的湿法腐蚀工艺进行了优化探索，目前也有较为成熟的理论体系作为支撑基础。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法。
[0006]本专利技术提供一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，包括：
[0007]对薄膜铌酸锂衬底进行清洗、烘干；
[0008]在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜，作为上表面的掩膜
和下表面的保护层；
[0009]将光刻板图形转移到上表面掩膜上；
[0010]将上表面带有光刻图形的薄膜铌酸锂衬底放入质子交换炉中进行质子交换；
[0011]将质子交换后的薄膜铌酸锂衬底冷却后，使用保护材料对衬底四周进行密封；
[0012]将密封后的薄膜铌酸锂衬底放入氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行湿法刻蚀；
[0013]去除上表面的掩膜、下表面的保护层以及四周的密封，将衬底划片解理后使用化学机械抛光工艺进行端面处理。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜；包括：
[0015]采用磁控溅射在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别沉积铬膜；或，
[0016]采用电子束蒸发在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别蒸镀铬膜。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，上、下表面铬膜的厚度为100～320nm。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述将光刻板图形转移到上表面掩膜上，包括：
[0019]在薄膜铌酸锂衬底的上表面掩膜旋涂光刻胶；
[0020]对薄膜铌酸锂衬底经光刻、显影、坚膜工艺后，将光刻板图形转移到上表面掩膜上。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述光刻包括电子束曝光和紫外曝光中的一种。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，所述质子交换的质子源包括苯甲酸、焦磷酸、乙二酸或者其混合酸的熔融溶液，所述质子交换的交换温度为200℃～250℃。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述保护材料为抗氢氟酸和硝酸腐蚀的材料，包括氟脂或石蜡。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，所述氢氟酸与硝酸的溶液体积比为1:2，所述湿法刻蚀的刻蚀深度不超过质子交换深度。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，所述化学机械抛光包括粗磨、细磨及抛光，研磨液和抛光液分别为Al2O3研磨液和SiO2研磨液。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，微纳器件的尺寸为亚微米量级。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术采用质子交换工艺结合湿法工艺对薄膜铌酸锂材料进行刻蚀制备微纳器件，可大大加快铌酸锂的刻蚀速率，得到性能优异、表面粗糙度低的薄膜铌酸锂基微纳器件；同时，由于没有任何复杂工艺的额外引入，可以直接与现有的铌酸锂体材料加工工艺线相兼容。
附图说明
[0029]图1为本专利技术一种实施例公开的薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法的流程图；
[0030]图2为本专利技术一种实施例公开的薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法的工艺图；
[0031]图3为本专利技术一种实施例公开的薄膜铌酸锂衬底利用质子交换后湿法腐蚀制备方法制备脊性光波导的剖面电子扫描镜(SEM)图；
[0032]图4为本专利技术一种实施例公开的薄膜铌酸锂衬底利用质子交换后湿法腐蚀制备方法制备脊性光波导的原子力扫描镜(AFM)图。
具体实施方式
[0033]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：
[0035]如图1、2所示，本专利技术提供一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，包括：
[0036]步骤1、对薄膜铌酸锂衬底进行清洗、烘干；
[0037]其中，
[0038]薄膜铌酸锂衬底的底层支撑层为Si或LN层、中间绝缘层为SiO2层、顶层为LN层；
[0039]薄膜铌酸锂衬底的清洗、烘干方法，包括：先使用配置的玻璃洗液浸泡，而后依次在丙酮溶液、乙醇溶液、双氧水中水浴，最后在去离子水下冲洗干净，吹干自然冷却。
[0040]步骤2、在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜，作为上表面的掩膜和下表面的保护层，如图2中(a)所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，其特征在于，包括：对薄膜铌酸锂衬底进行清洗、烘干；在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜，作为上表面的掩膜和下表面的保护层；将光刻板图形转移到上表面掩膜上；将上表面带有光刻图形的薄膜铌酸锂衬底放入质子交换炉中进行质子交换；将质子交换后的薄膜铌酸锂衬底冷却后，使用保护材料对衬底四周进行密封；将密封后的薄膜铌酸锂衬底放入氢氟酸和硝酸的混合溶液中进行湿法刻蚀；去除衬底的铬膜以及四周的密封，将衬底划片解理后使用化学机械抛光工艺进行端面处理。2.如权利要求1所述的薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，其特征在于，所述在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别形成铬膜；包括：采用磁控溅射在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别沉积铬膜；或，采用电子束蒸发在清洗、烘干后的薄膜铌酸锂衬底的上、下表面分别蒸镀铬膜。3.如权利要求1或2所述的薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，其特征在于，上、下表面铬膜的厚度为100～320nm。4.如权利要求1所述的薄膜铌酸锂表面制备微纳器件的方法，其特征在于，所述将光刻板图形转移...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，李颖，兰天，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：