[发明专利]一种侧壁光滑且陡直的薄膜光子芯片制备方法

说明书

本发明公开了一种侧壁光滑且陡直的薄膜光子芯片制备方法，其结合了飞秒激光直写加工方法、化学机械抛光方法与干法刻蚀方法，具有加工效率高以及所制备的光子芯片结构侧壁光滑、陡直的优点，可用于高品质光子集成芯片的高效制备。化学机械抛光方法、干法刻蚀方法均可进行大规模高速加工，也能够显著提升整体加工效率。通过制备双层掩模图案结构，有效利用了化学机械抛光技术加工结构边缘光滑与干法刻蚀技术加工结构侧壁陡直度好的优点，所加工出的光子结构传输损耗低。

技术领域

本发明涉及光子芯片制备领域，特别涉及基于薄膜材料的大规模光子集成芯片制备领域。

背景技术

光子集成芯片在信息处理与交换领域拥有广阔的应用前景。薄膜材料与精密加工技术的发展为大规模、大容量光子集成芯片的制备提供了可能。制备基于薄膜材料的光子集成芯片主要包含掩模图案制备与薄膜层结构制备两个过程，这两个过程均需要高效率与高质量的制备技术。

目前主要有以下三种制备方法：一是电子束直写方法与干法刻蚀方法结合，首先通过电子束直写制备电子束光刻胶掩模图案，该图案边缘光滑，再通过干法刻蚀将掩模图案转移至薄膜材料上。该方法可制备出侧壁陡直度较好且边缘光滑的光子结构，传输损耗低，但电子束直写技术加工效率低，加工范围小，不适用于大规模集成光子结构制备；二是利用飞秒激光加工技术结合干法刻蚀方法，如图1a所示，衬底11上依次具有薄膜层12、硬掩模层14；图1b示出在硬掩模层14上利用飞秒激光加工技术制备硬掩模层图案，图1c则表示再通过干法刻蚀方法将掩模层图案转移至薄膜层12，利用飞秒激光直写加工可大幅提升加工效率并增大加工范围，最终由干法刻蚀方法加工出的光子结构侧壁陡直度较好，但飞秒激光所加工的硬掩模层边缘粗糙度高，从而使得薄膜层结构边缘粗糙度较高，光子结构传输损耗相对较高；三是利用化学机械抛光刻蚀技术替代第二种方法中的干法刻蚀技术，如图2a所示，衬底21上依次具有薄膜层22、硬掩模层24；图2b示出首先通过飞秒激光直写方法在硬掩模层24上加工硬掩模层图案，图2c示出再通过化学机械抛光技术将掩模图案转移至薄膜层22上，该方法加工效率高，加工出的光子结构侧壁粗糙度极低，可实现极低传输损耗的光子结构，但所加工光子结构侧壁陡直度较差，影响相邻光子结构间的耦合。目前的制备方法均不能高效率加工出传输损耗低、侧壁陡直度好的光子集成芯片。

本发明将飞秒激光直写加工技术与化学机械抛光刻蚀技术结合用于制备干法刻蚀前的掩模，可实现极高侧壁光滑度的掩模；再用干法刻蚀将光滑的掩模投影到待加工的薄膜层，可制备出侧壁陡直度好、光滑度高、传输损耗低的光子结构。同时，该方法具有较高的加工效率。

发明内容

本发明目的通过采用以下技术方案实现，所提及的制备方法主要依序包含以下几个步骤：

在衬底31上形成薄膜层32；

薄膜层32上依次沉积第一掩模层33、第二掩模层34；

在第二掩模层34通过飞秒激光直写加工技术形成待加工光子芯片结构的图案，此时第二掩模层34的图案边缘较粗糙；

利用化学机械抛光刻蚀将第二掩模层34的图案转移到第一掩模层33，此时第一掩模层33的图案边缘光滑，但侧壁陡直度较差；

利用干法刻蚀将第一掩模层33的图案转移到薄膜层32，此时薄膜层32的图案侧壁光滑且陡直；

利用化学腐蚀去除第一掩模层33、第二掩模层34，最终形成侧壁光滑且陡直的光子芯片结构。

优选地，第二掩模层34相对第一掩模层33具有较高的硬度；在通过化学机械抛光方法将第二掩模层34的掩模图案转移到第一掩模层33上时，由于第二掩模层34材料硬度较高，化学机械抛光过程中不易被磨损去除，而第一掩模层33材料硬度较低，容易被化学机械抛光磨损去除，因而有利于形成侧壁光滑的图案。