阅读说明：本技术 一种铌酸锂脊型光波导的制备方法 (Preparation method of lithium niobate ridge type optical waveguide ) 是由 黄颖 华平壤 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铌酸锂脊型光波导的制备方法,选择光学级Z切0.35mm厚的同成份铌酸锂晶片作为基底,在240℃下进行轻质子交换接近20小时,制成平面波导,质子源采用苯甲酸和苯甲酸锂的混合物；在+Z面平面波导上采用紫外光刻制作出条宽近2-4μm、厚度为近100-200nm的SiO<Sub>2</Sub>掩模；将做好掩模的晶片在240℃下再进行质子交换近1小时,所得到的交换层厚度近0.7μm,质子源为纯苯甲酸；室温下进行湿法刻蚀近4小时,将质子交换层全部刻蚀掉,得到刻蚀后的脊高近0.7μm,刻蚀液采用体积比HF:HNO3＝1:3的HF-HNO3混合液。本发明所制备出的脊型光波导表面光滑、损耗低、高质量；避免了高温退火环节,更好的保留了波导区域的晶向结构；整体工艺环节少,难度相对较低,降低了制作成本。(The invention discloses a preparation method of a lithium niobate ridge-type optical waveguide, which comprises the steps of selecting an optical-grade Z-cut lithium niobate wafer with the same component thickness of 0.35mm as a substrate, carrying out light proton exchange at 240 ℃ for approximately 20 hours to prepare a planar waveguide, wherein a proton source adopts a mixture of benzoic acid and lithium benzoate; the SiO with the strip width of 2-4 mu m and the thickness of 100-200nm is engraved on the + Z plane planar waveguide by adopting ultraviolet light 2 A mask; carrying out proton exchange on the wafer with the mask at 240 ℃ for nearly 1 hour to obtain an exchange layer with the thickness of nearly 0.7 mu m, wherein the proton source is pure benzoic acid; and (3) carrying out wet etching at room temperature for nearly 4 hours, completely etching the proton exchange layer to obtain the etched ridge with the height of nearly 0.7 mu m, wherein the etching solution is an HF-HNO3 mixed solution with the volume ratio of HF to HNO3 being 1: 3. The ridge type optical waveguide prepared by the method has smooth surface, low loss and high quality; the high-temperature annealing link is avoided, and the crystal orientation structure of the waveguide region is better reserved; the whole process has few linksThe difficulty is relatively low, and the manufacturing cost is reduced.)

一种铌酸锂脊型光波导的制备方法

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种铌酸锂脊型光波导的制备方法。

背景技术

铌酸锂晶体是最优良的集成光学材料之一，利用非常成熟的钛扩散以及质子交换工艺技术，已经成功研制调制器、开关及开关阵列、光耦合器等集成光学器件，并获得大量应用。高速的铌酸锂调制器是高速光通信系统中的重要器件。为了提高其调制带宽，更好地适应高频化工作，LiNbO₃脊波导得到了广泛的研究。

LiNbO₃脊型波导的制作，通常采用干法刻蚀，如等离子束刻蚀、射频喷溅刻蚀、反应离子刻蚀等。1974年，Kaminow等人制备了脊波导相位调制器，其中脊型波导采用离子束刻蚀形成。1975年，Ohmachi等人制备了基于TiO₂-扩散平面波导的脊波导马赫-曾德尔调制器，采用射频真空喷溅的方法来制作脊型结构。然而，调制器的支路区域和脊侧壁过于粗糙，不能成为低损耗器件。1979年，Kawabe等人采用离子轰击技术来刻蚀LiNbO₃基片，先用氩离子轰击再用氢氟酸刻蚀掉轰击过的区域。重复6次可获得高度为0.42μm的脊型波导。但由于基片和掩模区的刻蚀速率大致相同，需要很厚的掩模以及很长的时间才能得到1μm高的脊型波导。1981年，Jackel等人采用反应离子刻蚀方法提高了刻蚀速率，但得到的脊面侧壁仍然粗糙。因此，干法刻蚀虽然适用于制作脊型结构，但常常导致制作的波导损耗较大。

另一方面，湿法刻蚀技术既经济又简单，广泛用于半导体器件制作，但很少应用于LiNbO₃上的波导器件制作。据报道，LiNbO₃的-Z面受到氢氟酸和硝酸(HF+HNO₃)混合物的侵蚀，而+Z面基本不受影响。因此，借助于LiNbO₃的+Z面上的畴反转，形成具有自发极化Ps负方向的区域，并且通过选择性湿法刻蚀技术可以刻蚀掉具有Ps负方向的畴，然后在LiNbO₃上获得脊型图案。但是以往的实验结果表明，刻蚀速率低且刻蚀后的表面不均匀。因此，除了观察在Z切基片上发生的畴反转外，很少对LiNbO₃使用湿法刻蚀。

1992年，Laurell等人提出了结合质子交换技术的LiNbO₃湿法刻蚀方法，他们发现Z切铌酸锂基片经过质子交换后，其+Z面可由HF-HNO₃混合液刻蚀，且刻蚀速率较快。利用该方法Laurell等人在铌酸锂晶体上制作出了脊型结构。在此基础上Rei-Shin等人进一步地利用镍扩散质子交换(NIPE)技术在Z切LiNbO₃上湿法刻蚀制作出脊波导。刻蚀出的脊波导表面光滑，损耗低。Rei-Shin等人利用镍扩散质子交换(NIPE)结合湿法刻蚀技术制作铌酸锂脊波导工艺流程(见附图1)包括：在Z切LiNbO₃衬底+Z面上制作镍扩散平面波导，镍(Ni)在800℃下扩散1.5h。虽然Ti扩散或Li向外扩散是在LiNbO₃上形成平面波导的传统方法，但扩散温度接近居里温度，在扩散层中会形成畴反转，选择性刻蚀后表面将变得粗糙。而Ni的扩散温度相对一定程度上避免了畴反转的问题。接着，表面镀钽(Ta)制作成掩模，然后将LiNbO₃样品在约240℃下浸入苯甲酸熔体中进行质子交换6h，但Ta掩模下的区域不受影响。最后，通过HF-HNO3混合液刻蚀质子交换区，Ta掩模保护区保留形成脊型波导。Rei-Shin等人使用NIPE技术存在一个问题是需要在800℃高温下进行，限制了该技术进一步用在如LNOI，PPLN等平台上制作波导。

为避免使用高温退火，Lee等人在X切LiNbO₃上利用质子交换湿法刻蚀技术结合退火质子交换(APE)技术制作了脊波导。Lee等人制作脊波导工艺流程(见附图2)包括：首先在X切LiNbO3基底上镀铬(Cr)制作成掩模，然后将LiNbO₃样品浸入苯甲酸熔体中进行质子交换，再用HF-HNO3混合液刻蚀掉质子交换区，Cr掩模保护区形成脊型结构。接着，在LiNbO₃基底表面制作二氧化硅(SiO₂)掩模，掩模覆盖除脊型结构外的区域，随后进行质子交换，提高脊型区域的折射率。最后进行退火处理，制作出脊波导。这种方法只避免了使用800℃以上的高温问题，但APE过程依然会破坏波导区域的晶体结构，无法应用到PPLN等材料上制作波导。且该方法需要二次光刻对版，增加了整体工艺难度。

本发明将直接推动铌酸锂脊波导制作工艺的优化和发展，推动铌酸锂薄膜脊波导制作技术提高，推动铌酸锂薄膜光学器件向更加集成化方向迈进，为下一代集成光学芯片的研发奠定基础。

发明内容

本发明旨在提出一种铌酸锂脊型光波导的制备方法，利用质轻质子交换(SPE)技术和质子交换湿法刻蚀技术相结合制作铌酸锂脊型光波导的方法；立足于优化和完善铌酸锂脊型光波导制备工艺，实现了一种简单的制作脊波导的技术。

本发明的一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，选用的是光学级Z切0.35mm厚的同成份铌酸锂晶片作为基底，该方法具体制作过程包括以下步骤：

选择光学级Z切0.35mm厚的同成份铌酸锂晶片作为基底，进行轻质子交换接近20小时，交换温度为240℃，做成平面波导，质子源采用苯甲酸和苯甲酸锂的混合物；在+Z面平面波导上采用紫外光刻制作出条宽近2-4μm、厚度为近100-200nm的SiO₂掩模；将做好掩模的晶片再进行质子交换近1小时，交换温度为240℃，所得到的交换层厚度近0.7μm，质子源为纯苯甲酸；室温下进行湿法刻蚀近4小时，将质子交换层全部刻蚀掉，得到刻蚀后的脊高近0.7μm，刻蚀液采用体积比HF:HNO₃＝1:3的HF-HNO₃混合液。

所述苯甲酸和苯甲酸锂的混合物中，苯甲酸锂优选的占比为3mol％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)所制备出的脊型光波导表面光滑、损耗低、高质量；

(2)与Rei-Shin等人的方法相比，避免了高温退火环节，便于今后应用到LNOI平台；

(3)与Lee等人方法相比，更好的保留了波导区域的晶向结构，便于今后应用到PPLN基底平台；

(4)整体工艺环节少，难度相对较低，降低了制作成本。

附图说明

图1为Rei-Shin等人利用镍扩散质子交换(NIPE)技术制作铌酸锂波导工艺流程示意图；

图2为Lee等人利用质子交换湿法刻蚀技术结合退火质子交换(APE)技术制作脊波导的工艺流程示意图；

图3为本发明的一种铌酸锂脊型光波导的制备方法的流程示意图。(a)选取光学级Z切铌酸锂同成份晶片作为初始体材料，进行轻质子交换，制作平面波导；(b)在+Z面平面波导上制作SiO₂层，采用磁控溅射方式；(c)制作SiO₂掩模，采用紫外光刻方式；(d)、进行质子交换，形成新的质子交换层；(e)、去除表面的SiO₂掩模，在HF-HNO₃混合液中进行湿法刻蚀，将新的质子交换区全部刻蚀，制作出脊型铌酸锂光波导。

附图标记：

1、铌酸锂基底，2、轻质子交换层，3、质子交换层，4、二氧化硅掩模，5、二氧化硅SiO₂材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。

如图3所示，为利用本发明的的一种铌酸锂脊型光波导的制备方法的流程示意，同时示出了铌酸锂脊型光波导的制备方法所制备出来的铌酸锂脊型光波导整体结构；具体步骤如下：

步骤1、轻质子交换：选取光学级Z切0.35mm厚的同成份铌酸锂晶片作为初始材料，清洗洁净；将装有质子源的反应釜放入质子交换炉中，待温度达到240℃、质子源处于熔融状态时，将晶片放入反应釜中完全浸没在质子源里，进行质子交换20h左右，制作成平面波导。其中反应釜中质子源为苯甲酸和苯甲酸锂混合物(苯甲酸锂占比3mol％)。制作的平面波导折射率约为2.3085，波导深度约为1.5μm；实验发现，经缓冲的质子源溶液中苯甲酸锂含量高于2mol％时，在240℃时进行质子交换后，晶片+Z面保持着对刻蚀液的抗性，但随着缓冲液浓度(苯甲酸锂含量)的增加，交换速率下降，经实验仿真，波导宽度1-5μm、高度0.4-0.8μm时可制作单模光波导，模场尺寸随波导宽度和高度的增加呈现先减小后增加的趋势；

步骤2、SiO₂层的制备：在铌酸锂薄膜上制备一层SiO₂薄膜，厚度为100-200nm左右，制备采用磁控溅射的方式，溅射时通入氩气，使压强维持在0.5Pa左右；步骤3、掩模制作：对SiO₂层采用紫外光刻制作SiO₂条，掩模的宽度确定了制作脊波导的宽度，为了得到单模传输光波导，制作SiO₂条宽约为2-4μm。

步骤4、质子交换：将装有质子源的反应釜放入质子交换炉中进行预热，待温度达到240℃、质子源处于熔融状态时，将做好掩模的晶片放入反应釜中完全浸没在质子源里，进行质子交换1h左右。其中反应釜中质子源为纯苯甲酸，交换深度约为0.7μm。

步骤5、湿法刻蚀：室温下，将交换后的晶片放入HF-HNO₃混合液(体积比HF:HNO₃＝1:3)中进行刻蚀4h左右，制作出铌酸锂脊型光波导。其中SiO₂掩模在HF-HNO₃混合液中率先腐蚀掉，刻蚀后的脊高约为0.7μm，质子交换层全部刻蚀掉。

实验发现，经轻质子交换(SPE)后的光学级Z切铌酸锂晶片放入HF-HNO₃混合液中处理，HF-HNO3刻蚀液对其+Z/-Z面的刻蚀依然保持着良好的选择性，-Z面刻蚀严重，表面粗糙，而+Z面保持光滑。因此，采用轻质子交换的工艺避免高温带来的畴反转，更好的保留了波导区域的晶向结构，保证了刻蚀脊面的光滑。本发明所述方法应用于LNOI上制备脊波导时，使用轻质子交换技术代替传统的镍扩散技术制作平面波导，避免了高温引起的薄膜与基底分离的问题，体现了该方法在铌酸锂薄膜上制作脊波导的可行性。制作出的脊波导增大了水平方向上的折射率差，加强了波导对光场的限制，提升了波导的传输性能，降低了传输损耗；利用SiO₂薄膜制作的掩模有效地阻挡了晶片局部的质子交换，保证了质子交换的可靠性。制作不同宽度的SiO₂掩模，可制作不同水平宽度的脊波导，实现脊波导尺寸的多样化；利用质子交换技术辅助湿法刻蚀，加快了刻蚀进程，提高了制作效率。