阅读说明：本技术 基于氧化硅掩膜的铌酸锂光子芯片制备方法 (Preparation method of lithium niobate photonic chip based on silicon oxide mask ) 是由 金贤敏 王楚涵 李轩坤 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：一种基于氧化硅掩膜的铌酸锂光子芯片制备方法,利用等离子体增强气相沉积法沉积得到用于保护铌酸锂图案的二氧化硅掩膜层,然后依次涂设导电胶和光刻胶并通过电子束光刻得到所需图案,实现亚微米级的脊状波导的制备,再通过反应离子刻蚀以及采用氩离子刻蚀铌酸锂,形成带有二氧化硅掩膜的铌酸锂图案层和脊状波导。本发明能够实现宽度在亚微米量级的传输损耗低的片上脊状波导且具有较高的加工效率、加工精度高和加工可控性,可用于制备的侧壁光滑度高、光学传输损耗低的光学波导及其他相关的片上微纳光学元件。(A method for preparing a lithium niobate photonic chip based on a silicon oxide mask comprises the steps of utilizing a plasma enhanced vapor deposition method to deposit and obtain a silicon dioxide mask layer for protecting a lithium niobate pattern, then sequentially coating a conductive adhesive and a photoresist, obtaining a required pattern through electron beam lithography, realizing the preparation of a submicron ridge waveguide, and then forming a lithium niobate pattern layer with the silicon dioxide mask and the ridge waveguide through reactive ion etching and argon ion etching of lithium niobate. The invention can realize the on-chip ridge waveguide with low transmission loss and the width of submicron order, has higher processing efficiency, high processing precision and processing controllability, and can be used for preparing the optical waveguide with high side wall smoothness and low optical transmission loss and other related on-chip micro-nano optical elements.)

基于氧化硅掩膜的铌酸锂光子芯片制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种光子芯片领域的技术，具体是一种可用于制备的侧壁光滑度高、光学传输损耗低的光学波导及其他相关的片上微纳光学元件的基于氧化硅掩膜的铌酸锂光子芯片制备方法。

背景技术

铌酸锂作为光调制器设计、腔量子电动力学实验和微波光子学等方面的重要材料，主要用于制备光学结构。但因为其折射率之差非常低、模式限制小、弯曲损耗高、且通常与偏振无关，现有工艺很难在材料上制造出紧凑的光学结构。

现有涉及铌酸锂的刻蚀技术，主要基于离子研磨刻蚀、离子束增强刻蚀和聚焦离子束刻蚀，些技术效率较低且精度不高，无法得到亚微米级的结构，且应用于更大规模尺寸的光学集成时有巨大的困难。如何寻找一种合适的方案来实现高效高精度的亚微米级波导结构以实现大规模尺寸的光学集成是光子学领域面临的重要问题。

发明内容

本发明针对现有片上微纳加工技术难以在铌酸锂薄膜上构建亚微米级的光学结构的不足，提出一种基于氧化硅掩膜的铌酸锂光子芯片制备方法，能够实现宽度在亚微米量级的传输损耗低的片上脊状波导且具有较高的加工效率、加工精度高和加工可控性，可用于制备的侧壁光滑度高、光学传输损耗低的光学波导及其他相关的片上微纳光学元件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于氧化硅薄膜的铌酸锂波导的制备方法，利用等离子体增强气相沉积法沉积得到用于保护铌酸锂图案的二氧化硅掩膜层，然后依次涂设导电胶和光刻胶并通过电子束光刻得到所需图案，实现亚微米级的脊状波导的制备，再通过反应离子刻蚀以及采用氩离子刻蚀铌酸锂，形成带有二氧化硅掩膜的铌酸锂图案层和脊状波导。

所述的二氧化硅掩膜层，采用等离子体增强化学沉积法沉积得到，其厚度为500纳米至1微米。

所述的导电胶采用导电胶SX AR-PC 5000/90.2，优选涂胶温度为90℃，时间为90秒。

所述的光刻胶采用高分辨率率电子束正胶AR-P 6200，优选涂胶的温度为180℃，时间为4分钟。

所述的反应离子刻蚀采用氩离子反应刻蚀铌酸锂得到，优选刻蚀保护气体为氩气80sccm，六氟化硫气体8sccm，氩离子功率为600W，刻蚀时间为5分钟，刻蚀温度为10℃。

所述的采用氩离子刻蚀铌酸锂，通过调整二氧化硅掩膜层的厚度以及刻蚀温度、压强、射频、刻蚀时间和/或离子功率以得到不同深度的脊状波导，离子功率越大刻蚀深度越深，得到脊状波导的高度越大。

所述的调整，具体为：二氧化硅掩膜层的刻蚀速率为每分钟116纳米，铌酸锂薄膜的刻蚀速率为每分钟44纳米，达到的选择比为1:2.63；优选为500纳米的二氧化硅薄膜对应刻蚀铌酸锂脊状波导的高度为200纳米。

技术效果

本发明整体解决了宽度在亚微米量级的传输损耗低的片上脊状波导且具有较高的加工效率、加工精度和加工可控性的技术问题。

与现有技术相比，本发明技术效果进一步包括：

1、突破了离子研磨刻蚀、离子束增强刻蚀和聚焦离子束刻蚀等对可加工脊状波导宽度的限制。用电子束光刻法将脊状波导的宽度由微米级降低到了亚微米级，大大提升了片上微光学器件的尺寸和片上微光学器件集成的效率，使得大规模大尺度的光学制备和集成成为了可能。

2、突破了用金属(如铬、铝)作导电层对铌酸锂波导光滑度的限制。用导电胶作为导电层能降低波导的粗糙度，达到更好的刻蚀效果，并使效率更高。

3、利用等离子体增强气相沉积法沉积二氧化硅，生成二氧化硅掩膜层，从而使刻蚀铌酸锂的过程中的铌酸锂图案受到保护，且使得刻蚀过程可控性提高，可以获得更深的刻蚀深度。

4、通过调整二氧化硅的掩膜层厚度，以及仪器的相关参数(如温度、压强、射频、刻蚀时间、离子功率等)，就可以得到不同深度的脊状波导，进而制备不同功能的集成光学元件。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图中：二氧化硅薄膜6、二氧化硅掩膜层7、光刻胶8、导电胶9、铌酸锂薄膜10。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种利用等离子体增强化学气相沉积、电子束光刻和反应离子刻蚀制备基于氧化硅掩膜的铌酸锂波导的流程，本实施例具体包括如下步骤：

步骤1)等离子体增强化学沉积二氧化硅：取尺寸为1cm×1cm的铌酸锂薄膜样品，于铌酸锂薄膜10表面用等离子体增强化学沉积法沉积二氧化硅掩膜层7，该操作突破了离子研磨刻蚀、离子束增强刻蚀和聚焦离子束刻蚀等对可加工脊状波导宽度的限制。用电子束光刻法将脊状波导的宽度由微米级降低到了亚微米级，大大提升了片上微光学器件的尺寸和片上微光学器件集成的效率，使得大规模大尺度的光学制备和集成成为了可能。

本实施例中的铌酸锂薄膜样品包括：0.5mm硅基底(图1中未示出)、4.7μm的二氧化硅薄膜6以及SiO₂薄膜上600nm的铌酸锂薄膜10。

步骤2)电子束光刻：将400nm厚的光刻胶8旋转涂在用于增加刻蚀深度的二氧化硅掩膜层7上，再在光刻胶8上进一步涂设用于传导电子束电子的导电胶9。在正常的曝光结束后，导电胶会溶于水中。随后用甲基异丁基(甲)酮显影75秒，用异丙醇定影60秒。

本实施例中的光刻胶8采用高分辨率率电子束正胶AR-P 6200。

本实施例中的导电胶9采用SX AR-PC 5000/90.2导电胶。

所述的二氧化硅掩膜层7可增加刻蚀深度并让波导的高度更加可控，增加侧壁的光滑度，让波导结构的粗糙度降低，达到更好的刻蚀效果，波导传输效率更高；通过调整二氧化硅的掩膜层厚度，以及仪器的相关参数(如温度、压强、射频、刻蚀时间、离子功率等)，就可以得到不同深度的脊状波导，进而制备不同功能的集成光学元件。

步骤3)反应离子刻蚀二氧化硅：用反应离子刻蚀机刻蚀二氧化硅，直到暴露在光刻胶下的氧化硅掩膜被完全去除，该操作突破了用金属(如铬、铝)作导电层对铌酸锂波导光滑度的限制。

步骤4)Ar⁺刻蚀铌酸锂：用氩离子反应刻蚀铌酸锂，控制刻蚀时间即可得到所设计的刻蚀深度，上述操作利用等离子体增强气相沉积法沉积二氧化硅，生成二氧化硅掩膜层，并通过调整二氧化硅的掩膜层厚度，以及仪器的温度、压强、射频、刻蚀时间、离子功率等，以得到不同深度的脊状波导，进而制备不同功能的集成光学元件。

步骤5)清洗残留层：使用有机去胶液去除残余的光刻胶8后将上述样品放入5％的氢氟酸中，直到二氧化硅掩膜层7被完全去除。

经过具体实际实验，在使用等离子体增强化学沉积法沉积二氧化硅掩膜层(500纳米至1微米)具体环境设置下，采用导电胶SX AR-PC 5000/90.2(涂胶的温度为90℃，时间为90秒)、高分辨率率电子束正胶AR-P 6200(涂胶的温度为180℃，时间为4分钟)和氩离子反应刻蚀铌酸锂(刻蚀参数为氩气80sccm，六氟化硫气体8sccm，离子功率为600W，刻蚀时间为5分钟，刻蚀温度为10℃)的方法，能够得到宽度和高度在亚微米量级的传输损耗低的片上脊状波导。

与现有技术相比，本发明能够实现宽度在亚微米量级的传输损耗低的片上脊状波导且具有较高的加工效率、加工精度高和加工可控性，可用于制备的侧壁光滑度高、光学传输损耗低的光学波导及其他相关的片上微纳光学元件。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。