用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，该方法包括：半导体衬底的清洗；旋涂光刻胶；光刻胶的前烘焙；在双光束全息系统中多次交叉曝光；显影；光刻胶的后烘焙；半导体衬底的各向同性腐蚀；除去光刻胶。本发明专利技术提供的这种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，与传统的多光束全息曝光技术、电子束曝光技术等相比，具有操作简单方便，精度高，价格低廉，可方便地制备大面积的、无缺陷的、占空比和深度可控的各种二维光子晶体点阵，满足了制备光子晶体的需求。

Double beam holographic interference multiple exposure method for preparing two-dimensional photonic crystal

The invention discloses a multi exposure holographic method for two beam holographic fabrication of 2D photonic crystal, the method comprises: cleaning a semiconductor substrate; spin coating photoresist; baking photoresist; multiple exposure in double beam holographic system; development; photoresist baking after isotropic etching the semiconductor substrate; the removal of photoresist. Multiple exposure method of double beam holographic fabrication of 2D photonic crystal for the interference provided by the invention, and the traditional multi beam holographic lithography, electron beam lithography technology compared with simple and convenient operation, high precision, low cost, easy fabrication of large area and without defect, accounting for a variety of two-dimensional photonic the crystal lattice space ratio and depth control, to meet the demand of the preparation of photonic crystals.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件
，尤其涉及一种用于制备二 维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法。
技术介绍
自从美国贝尔实验室[E. Yablonovitch, Inhibited SpontaneousEmission in Solid-State Physics and Electronics, Phys. Rev. Lett. 58, 2059(1987)]和普林斯顿大学[S.John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987)]在1987年分别独立提出光子晶体概念以来，光子晶体在全球范围内引起 广泛关注，并掀起了研究热潮。它的发现为研究量子电动力学提供了 一个很好的物质平台，也将对光子和光电子集成起到革命性作用，极 大推动全光网络的发展，为信息技术走向全光时代打开了大门。经过二十多年的发展，对光子晶体的研究己经从初期的理论研究 转移到光子晶体的应用理论和相应的光电子器件的设计和制备上来。 近年来，随着微纳米加工技术的发展，光子晶体的制备和加工吸引了 极大的兴趣，胶体自组织方法、全息曝光法、电子束曝光法以及激光 直写法等制备方法被一一提出和运用。其中全息曝光法由于其价格低 廉，工艺简单，在制备大面积的、无缺陷的二维和三维光子晶体点阵 方面得到广泛研究和应用。法国的V. Berger等人用一束激光光束通过三组以120度顺序排列 的光栅产生的三束一级衍射条纹在GaAs衬底上形成的六方点阵干涉 图形，在国际上第一次制备出六方点阵、圆孔基元的二维光子晶体[V.Berger， O. Gauthier-Lafaye, and E. Costard, Photonic band gaps andholography, J. Appl. Phys. 82(1), 60 (1997).]。干涉图形的形成，光刻胶的曝光和显影以及半导体本体的刻蚀是制备光子晶体的关键所在。多光束全息曝光技术是全息曝光系统中获 得干涉图形的一种常见方法，根据光束的数目和之间角度的设置，可 以得到各种各样的二维和三维的干涉图形。例如，利用三束光可以获得二维正方点阵和六方干涉点阵，而利 用三加一束光可获得三维的立方和六方干涉点阵。然而多光束全息曝 光技术涉及三束及以上光束的干涉，使得实验装置复杂化，对光束能 量和极化方向的控制以及防止机械振动，均会影响干涉图形的质量， 从而影响光子晶体点阵的周期性和均匀性。通常的电子数曝光技术由于其极高的分辨率，可以满足这一要求， 但其价格昂贵，使用不方便。因此，发展一种价格低廉，简单易行的 光子晶体的制备方法成为当务之急。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种用于制备二维光子晶 体的双光束全息干涉多次曝光方法，以降低二维光子晶体的制备成本， 降低制备的复杂度，满足制备光子晶体的需求。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种用于制备二维光子晶体的双 光束全息干涉多次曝光方法，该方法包括 半导体衬底的清洗； 旋涂光刻胶； 光刻胶的前烘焙；在双光束全息系统中多次交叉曝光； 显影；光刻胶的后烘焙；半导体衬底的各向同性腐蚀；除去光刻胶。优选地，所述半导体衬底清洗的步骤中，半导体衬底采用InP衬底，具体清洗步骤包括将InP衬底依次置于石油谜、丙酮和无水乙 醇中，各煮沸3次，每次5至6分钟；然后用去离子水冲洗5分钟，氮气吹干；最后在180。C热板上烘焙IO分钟。优选地，所述旋涂光刻胶的步骤中，光刻胶采用美国SHIPLEY公 司生产的牌号为SPR6809光刻胶与稀释剂乳酸乙酯以1:2的体积比配 制而成，具体旋涂步骤包括采用离心法在清洗后的衬底上进行光刻 胶的旋涂、甩胶，甩胶速度为4000转/分钟，胶的厚度约为150至200nm 。优选地，所述光刻胶前烘焙的步骤包括将甩胶后的片子连同培 养皿一起放在80 。C的烘箱中烘焙20分钟，或直接将片子放在90 。C 的热板上烘焙5分钟。优选地，所述在双光束全息系统中多次交叉曝光的步骤包括将 烘焙好的样品放在分波前法干涉光学装置的全息光栅曝光系统中的样 品台上进行曝光，由He-Cd激光器发出的单色光经快门进入全息曝光 系统； 一束平行单色光经过物镜汇聚，汇聚后的单色光经过针孔后发 散，扩束后的单色光束经过准直透镜形成平行光束，部分平行光束入 射到固定于电控旋转台上的高反射镜上，反射到固定于转动支架上的 衬底上，与原来的另一部分的单色光在样品上形成明暗相间的均匀条 纹；在第一次曝光结束后，利用二维转动支架将样品旋转90。进行第二 次曝光可得到正方或长方点阵，或者旋转60°和-60°进行第二和第三次 曝光可得到六方点阵。优选地，所述全息光栅曝光系统是由一个氦镉(He-Cd)激光器1、 快门2、电子计时器3、物镜4、针孔5、准直透镜6、高反射率平面镜 7、样品台8和二维转动支架9构成；所述在制备正方和六方点阵圆孔 基元时，为得到高质量的圆孔，适当延长第二次曝光和第三次曝光的 时间，以抵消第二次曝光时的明条纹、第一次曝光时的明条纹与光刻 胶的光敏化学反应时间的差异；在全息系统中曝光时，采用相同干涉 周期的对样品进行旋转0°、 90。的两次交叉曝光得到光刻胶的正方点 阵、圆孔基元的二维结构，采用不同干涉周期的对样品进行旋转0°、 90。的两次交叉曝光得到光刻胶的长方点阵、椭圆孔基元的二维结构， 采用相同干涉周期的对样品进行旋转-60。、 0°、 60。的三次交叉曝光得到光刻胶的六方点阵、圆孔基元的二维结构。优选地，所述显影的步骤包括用分析纯的四甲基氢氧化铵和去 离子水以体积比1:10配成显影液，将样品放入显影液，显影时间为20至30秒。优选地，所述光刻胶后烘焙的步骤包括将显影后的样品氮气吹干后放在热板上120 。C条件下烘焙2至3分钟，使胶膜更牢固的粘附 在衬底表面，同时增加胶膜的抗腐蚀能力。优选地，所述半导体衬底各向同性腐蚀的步骤包括将烘焙后的 衬底冷却后放入对InP各向同性的非选择性腐蚀的体积比为 HBr:HNO3:H2O=l:l:10的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间在5至30秒之 间。优选地，所述除去光刻胶的步骤包括将经过腐蚀处理后的衬底用丙酮除去光刻胶，并用去离子水冲洗、氮气吹干，在衬底表面上形 成二维点阵结构。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果本专利技术提供的这种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次 曝光方法，与传统的多光束全息曝光技术、电子束曝光技术等相比， 具有操作简单方便，精度高，价格低廉，可方便地制备大面积的、无 缺陷的、占空比和深度可控的各种二维光子晶体点阵，满足了制备光 子晶体的需求。而多光束全息曝光技术涉及三束及以上光束的干涉， 使得实验装置复杂化，对光束能量和极化方向的控制以及防止机械振 动，均会影响干涉图形的质量，从而影响光子晶体点阵的周期性和均 匀性。通常的电子数曝光技术由于其极高的分辨率，可以满足这一要 求，但其价格昂贵，速度慢，效率低，使用不方便。附图说明图1为本专利技术提供的用于制备二维光子晶体的双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，该方法包括：　半导体衬底的清洗；　旋涂光刻胶；　光刻胶的前烘焙；　在双光束全息系统中多次交叉曝光；　显影；　光刻胶的后烘焙；　半导体 衬底的各向同性腐蚀；　除去光刻胶。

【技术特征摘要】
1、一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，该方法包括半导体衬底的清洗；旋涂光刻胶；光刻胶的前烘焙；在双光束全息系统中多次交叉曝光；显影；光刻胶的后烘焙；半导体衬底的各向同性腐蚀；除去光刻胶。2、 根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干 涉多次曝光方法，其特征在于，所述半导体衬底清洗的步骤中，半导 体衬底采用InP衬底，具体清洗步骤包括将InP衬底依次置于石油谜、丙酮和无水乙醇中，各煮沸3次， 每次5至6分钟；然后用去离子水冲洗5分钟，氮气吹干；最后在180 。C热板上烘焙IO分钟。3、 根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干 涉多次曝光方法，其特征在于，所述旋涂光刻胶的步骤中，光刻胶采 用美国SHIPLEY公司生产的牌号为SPR6809光刻胶与稀释剂乳酸乙 酯以l: 2的体积比配制而成，具体旋涂步骤包括采用离心法在清洗 后的衬底上进行光刻胶的旋涂、甩胶，甩胶速度为4000转/分钟，胶的 厚度约为150至200nm。4、 根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干 涉多次曝光方法，其特征在于，所述光刻胶前烘焙的步骤包括将甩胶后的片子连同培养皿一起放在80 。C的烘箱中烘焙20分钟， 或直接将片子放在90 。C的热板上烘焙5分钟。5、 根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干 涉多次曝光方法，其特征在于，所述在双光束全息系统中多次交叉曝光的步骤包括将烘焙好的样品放在分波前法干涉光学装置的全息光栅曝光系统 中的样品台上进行曝光，由He-Cd激光器发出的单色光经快门进入全 息曝光系统； 一束平行单色光经过物镜汇聚，汇聚后的单色光经过针孔后发散，扩束后的单色光束经过准直透镜形成平行光束，部分平行 光束入射到固定于电控旋转台上的高反射镜上，反射到固定于转动支 架上的衬底上，与原来的另一部分的单色光在样品上形成明暗相间的均匀条纹；在第一次曝光结束后，利用二维转动支架将样品旋转90° 进行第二次曝光可得到正方或长方点阵，或者旋转60°和-60°进行第二 和第三次曝光可...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆全勇，张伟，王利军，刘峰奇，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]