阅读说明：本技术 一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法 (Method for manufacturing optical micro-nano graph on surface of lithium niobate thin film ) 是由 曾嵘 庄池杰 马昕雨 沈瞿欢 王华磊 吴长春 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法,属于微纳加工技术领域,包括：制作电子束曝光所需版图；对铌酸锂衬底进行清洗、烘干；在铌酸锂衬底上溅射金属导电层；在铌酸锂衬底上旋涂电子束胶；将铌酸锂衬底进行第一次电子束曝光制作标记；显影和定影；在铌酸锂衬底上磁控溅射金属制作金属标记；去胶剥离金属掩蔽的图形,制成带有金属突起标记的铌酸锂片；在铌酸锂片上旋涂电子束胶；将铌酸锂片进行第二次电子束曝光制作图形；显影和定影；进行图形转移,形成微纳结构。通过本发明所述方法,可在不导电的铌酸锂材料上制作侧壁陡直的图形,且可制作尺寸900nm以下的微纳图形,所制作的光波导折射率对比度大,可减小光器件尺寸,提高光器件性能。(The invention relates to a method for manufacturing an optical micro-nano graph on the surface of a lithium niobate film, belonging to the technical field of micro-nano processing and comprising the following steps: making a layout required by electron beam exposure; cleaning and drying the lithium niobate substrate; sputtering a metal conducting layer on a lithium niobate substrate; spin-coating electron beam glue on a lithium niobate substrate; carrying out first electron beam exposure on the lithium niobate substrate to manufacture a mark; developing and fixing; making a metal mark on a lithium niobate substrate by magnetron sputtering metal; removing the photoresist and stripping the metal masking pattern to prepare a lithium niobate sheet with a metal protrusion mark; spin-coating electron beam glue on a lithium niobate sheet; carrying out secondary electron beam exposure on the lithium niobate sheet to manufacture a pattern; developing and fixing; and carrying out pattern transfer to form a micro-nano structure. By the method, the graph with steep side wall can be manufactured on the non-conductive lithium niobate material, the micro-nano graph with the size of less than 900nm can be manufactured, the refractive index contrast of the manufactured optical waveguide is high, the size of an optical device can be reduced, and the performance of the optical device can be improved.)

一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法

技术领域

本发明涉及一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法，属于微纳加工技术领域。

背景技术

铌酸锂材料(LiNbO₃)是不导电的单轴晶体，由于具有较宽的透光窗口(340～4600nm)和优异的电光、声光、非线性光学、压电性质，在光信号处理、量子电动力学和光机械领域都具有广阔的应用前景。通过离子注入和键合技术可以制备单晶铌酸锂薄膜，由于铌酸锂薄膜的出现，又让铌酸锂材料在集成光学领域更加受到重视。

目前对于铌酸锂光波导的制作方法主要为光刻后进行钛扩散和质子交换两种。光刻是利用紫外光曝光将掩模版上的图形转移到对光敏感的光刻胶上，通过显影去除曝光的正性光刻胶或未曝光的负性光刻胶。钛扩散法是在高温条件下使钛金属氧化，然后钛以离子形式从晶体表面扩散进入晶体内部，在光学性质上表现为折射率增加，形成波导。质子交换方法是在一定温度下将质子源中的氢离子与铌酸锂中锂离子置换，改变铌酸锂的折射率，形成波导。但钛扩散和质子交换两种工艺存在以下缺陷：

(1)钛扩散和质子交换方法均只能制作折射率差较小(<0.02)的光波导，导致对光信号的限制弱，光学模场尺寸大，降低光学器件性能，增加器件尺寸。

(2)钛扩散工艺中Li容易从基板表面向外扩散，缺Li表面会产生z偏振的平面波导，严重影响光学器件的性能。质子交换工艺只能应用于x切和z切的铌酸锂晶圆，因为酸溶液会对y切晶圆造成化学腐蚀。另外，质子交换只能增加异常光的折射率，还需要经过高温退火处理来解决折射率不稳定及电光效应衰减的问题。

(3)光刻制作的图形尺寸只能制作到1μm以上，不能加工精细图形。

(4)钛扩散和质子交换制作的光波导实际尺寸在7～10μm。

PMMA电子束胶有高分辨率、高对比度和低灵敏度的特征，但其抗刻蚀性能较差，当制作纳米结构的时候，由于图形的精细需匀涂较薄的PMMA胶，这更是减弱了PMMA的抗刻蚀性能，无法在干法刻蚀中完成掩蔽的效果。HSQ(hydrogen silsesquioxane)电子束胶是一种的具有极高分辨率的负胶，在电子束曝光中应用广泛，但它对电子的敏感度很低，使其在电子束曝光时所需电子束剂量和时间增加，限制了其更大规模的应用。

另外，应用于光学领域的大多数透光材料的电导率都较低，导致电子束曝光过程中易产生电荷积累，影响电子束的偏转，从而导致图案的缺陷和漂移。所以，通常通过在电导率低的衬底上表面制作一层很薄(10-15nm)的金属导电层来解决这一问题，但这会使电子更易产生横向漂移，影响图形侧壁的陡直度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种通过电子束曝光在铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法，具体的为在铌酸锂薄膜表面利用负性电子束胶制作光学微纳图形，其可在较短的工艺时间下制作尺寸小于900nm的铌酸锂薄膜微纳结构，所制作的铌酸锂薄膜微纳结构侧壁光滑且陡直、尺寸精确、可重复性强。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法，包括以下步骤：

步骤1，制作电子束曝光所需版图；

步骤2，对铌酸锂衬底进行清洗、烘干；

步骤3，在铌酸锂衬底上溅射金属导电层；

步骤4，在铌酸锂衬底上旋涂电子束胶；

步骤5，将铌酸锂衬底进行第一次电子束曝光制作标记；

步骤6，显影和定影；

步骤7，在铌酸锂衬底上磁控溅射金属制作金属标记；

步骤8，去胶剥离金属掩蔽的图形，制成带有金属突起标记的铌酸锂片；

步骤9，在铌酸锂片上旋涂电子束胶；

步骤10，将铌酸锂片进行第二次电子束曝光制作图形；

步骤11，显影和定影；

步骤12，进行图形转移，形成微纳结构。

进一步的，步骤1中，所述版图包括第一层标记和第二层图形；所述第一层标记为边长大于4μm的正方形，或宽度大于4μm的十字。

进一步的，步骤2中，所述对铌酸锂衬底进行清洗、烘干包括：对铌酸锂衬底用乙醇、丙酮和去离子水反复清洗，在烘箱中放置15～20min烘干。

进一步的，步骤3中，采用磁控溅射在铌酸锂衬底上制作10～50nm金属导电层，所述金属导电层为不与碱性显影液反应的金属。

进一步的，步骤4中，在铌酸锂衬底上旋涂电子束胶PMMA，转速为2000r/min，旋涂后放置于170℃热板上烘15分钟，其中电子束胶膜厚度为700～800nm。

进一步的，步骤5中，将铌酸锂衬底送入电子束曝光机器制作第一层标记，电子束曝光机器80kV电压，0.6～6.8nA束流，曝光剂量为4～8C/m²。

进一步的，步骤6中，显影液为电子级，其为MIBK和IPA的混合液，且MIBK和IPA体积比为1:3，显影时间为60～180s；

定影液为电子级，所述定影使用乙醇漂洗30s，再用氮气吹干样品。

进一步的，步骤7中，磁控溅射金属的厚度为60～200nm。

进一步的，步骤8中，在丙酮中超声去除电子束胶并剥离金属掩蔽的图形，其中超声功率为2～10W，超声时间为5～10分钟；再用乙醇和去离子水清洗铌酸锂衬底，用氮气吹干，制成带有金属突起标记的铌酸锂片。

进一步的，步骤9中，在带有金属突起标记的铌酸锂片斜对两角覆盖高温胶带，旋涂电子束胶HSQ，转速2000r/min，其中电子胶胶膜厚度为300～500nm，旋涂后放置于150℃热板上烘烤2分钟。

进一步的，步骤10中，将铌酸锂片斜对两角的高温胶带替换为导电胶带后再次放入电子束曝光机器，电子束曝光机器80kV电压，0.6～6.5nA束流，曝光剂量为0.7～4C/m²，万用表测量铌酸锂片和金属托盘间电阻在100kΩ以下。

进一步的，步骤11中，显影液为MF319，显影时间为2分钟；所述定影为使用去离子水浸泡2分钟，冲洗30s。

本发明的有益效果为：

(1)通过本发明所述方法，可在不导电的铌酸锂材料上制作侧壁陡直的图形，且所制作的图形侧壁光滑。铌酸锂图形侧壁的光滑程度受限于刻蚀掩膜侧壁的光滑度。胶的侧壁光滑度是好于采用金属或二氧化硅等硬掩膜的。故采用耐刻蚀的电子束胶HSQ作为掩膜直接刻蚀铌酸锂，可制作侧壁光滑的图形。另外，因电子束曝光精度高，且电子束曝光HSQ的技术方案可靠，所制作的图形尺寸精确可控，实验可重复性也高。

(2)采用电子束曝光，可制作尺寸900nm以下的微纳图形。根据瑞利判据，光刻精度受限于光的波长，波长越短，精度越高，而电子是一种波长极短的物质波，这意味着电子束曝光的精度高于光刻，因此可以达到纳米量级。

(3)采用刻蚀的加工工艺，制作的光波导周围的覆层材料为空气(折射率为1)，铌酸锂折射率约为2.2，二者折射率差大，可以对光进行更好的限制；而传统的在铌酸锂上制作光波导为钛扩散或质子交换工艺，波导与周围介质材料的折射率差仅为0.02及以下。基于本发明所制作的光波导折射率对比度大，可减小光器件尺寸，提高光器件性能。

(4)电子束胶HSQ进行电子束曝光的曝光电流大、曝光剂量小，节约时间和成本。

(5)第一次电子束曝光为第二次电子束曝光提供对焦标记，可避免HSQ电子束负胶在曝光时容易产生的拼接误差。

附图说明

图1为本发明所述铌酸锂表面制作微纳图形的方法流程图。

图2为本发明所述在铌酸锂表面制作的HSQ电子束胶的剖面电镜图，其中1-HSQ电子束胶，2-铌酸锂衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中所使用电子束曝光机器为英国Nanobeam有限责任公司生产，型号为NB5。

一种铌酸锂薄膜表面制作光学微纳图形的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，在画图软件中(如AutoCAD或Ledit等)制作电子束曝光所需版图，所述版图包括第一层标记和第二层图形。所述第一层标记为边长大于4μm的正方形，或宽度大于4μm的十字，其中所述十字为十字形状图案，具体的一横一竖线条，所述线条宽度大于4μm。所述第一层标记用于第二次电子束曝光时对焦。

步骤2，对铌酸锂衬底进行清洗、烘干，包括：对铌酸锂衬底用乙醇、丙酮和去离子水反复清洗，在烘箱中放置15～20min烘干。

步骤3，采用磁控溅射在铌酸锂衬底上制作厚度为10～50nm金属导电层，所述金属导电层为不与碱性显影液反应的金属，如铬。

步骤4，在铌酸锂衬底的金属导电层上旋涂电子束胶聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)PMMA，转速为2000r/min，旋涂后放置于170℃热板上烘15分钟，其中电子束胶膜厚度为700～800nm。

步骤5，将铌酸锂衬底送入电子束曝光机器制作第一层标记，电子束曝光机器80kV电压，0.6～6.8nA束流，曝光剂量为4～8C/m²，优选6C/m²。

步骤6，显影和定影。其中，显影液为电子级，其为甲基异丁酮MIBK和异丙醇IPA的混合液，且MIBK和IPA体积比为1:3，显影时间为60～180s；定影液为电子级，所述定影使用乙醇漂洗30s，再用氮气吹干样品。

步骤7，在铌酸锂衬底上磁控溅射金属制作金属标记，所述金属标记的制作可保证后续的电子束胶HSQ对焦值准确，所述金属标记的厚度为60～200nm，金属可选铬或铝。

步骤8，在丙酮中超声去除电子束胶并剥离金属掩蔽的图形，其中超声功率为2～10W，超声时间为5～10分钟；再用乙醇和去离子水清洗铌酸锂衬底，用氮气吹干，制成带有金属突起标记的铌酸锂片。

步骤9，在带有金属突起标记的铌酸锂片斜对两角覆盖高温胶带，旋涂电子束胶HSQ，转速2000r/min，其中电子胶胶膜厚度为300～500nm，旋涂后放置于150℃热板上烘烤2分钟。其中铌酸锂片斜对两角所覆盖的高温胶带为保证两角没有被电子束胶覆盖，可与后续的导电胶带贴付，形成导电通路。

步骤10，将铌酸锂片斜对两角的高温胶带替换为导电胶带后再次放入电子束曝光机器，导电胶带的使用可将铌酸锂片固定在电子束曝光机器上，并保证样品的导电性。将所述铌酸锂片贴附于电子束曝光机器的金属托盘上，电子束曝光机器80kV电压，0.6～6.5nA束流，曝光剂量为0.7～4C/m²，优选2C/m²，万用表测量铌酸锂片和金属托盘间电阻在100kΩ以下。

步骤11，显影和定影。其中，显影液为MF319，显影时间为2分钟；所述定影为使用去离子水浸泡2分钟，冲洗30s。

步骤12，进行图形转移，如刻蚀、剥离、电镀等，形成微纳结构。

本实施例中，第一次电子束曝光的目的是制作第二次电子束曝光对焦所使用的金属标记，所以需用正性电子束胶即PMMA(被曝光处在显影时去掉，未被曝光处留下)将标记处的图形曝光、显影而形成凹槽，继而进行后面的溅射、剥离工艺，来制作突出的金属标记。第二次电子束曝光的目的是在铌酸锂表面制作微纳图形，为了保证曝光时间短，优选负性电子束胶HSQ(被曝光处在显影时留下，未被曝光处去掉)，只需要曝光有微纳图形的区域，而不需要曝光剩余的样品表面的大面积区域，节省了曝光时间；负性电子束胶HSQ本身的耐刻蚀特性也是第二次曝光选用其的重要原因。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。