CN100570485C - 二维纳米结构深刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

一种二维纳米结构深刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：S01、在衬底上涂覆光刻胶，采用电子束曝光或其它曝光技术在光刻胶上制作出光子晶体纳米图形；S02、将光子晶体纳米图形转移到衬底上；S03、在纳米图形转移之后，将衬底表面的光刻胶去除，采用热氧化工艺将有纳米结构的部分氧化生成SiO2；S04、取一待刻蚀的III-V族半导体衬底，将所述衬底有纳米结构的表面与III-V族半导体衬底的待刻蚀面相对，利用非平面键合技术，将两种材料粘合；S05、采用减薄工艺，将衬底减薄至仅留下已氧化为SiO2的纳米结构。

Description

二维纳米结构深刻蚀方法
技术领域
本发明涉及III-V族半导体纳米级加工技术领域，特别是涉及二维纳米结构，如光子晶体结构的深刻蚀的实现方法。
背景技术
近年来，以光子晶体为代表的纳米器件研究获得飞速发展。在基于半导体材料的二维光子晶体基础上已经成功实现了亚微米级的波导传输、光束的偏振分离、上下路滤波器、带通滤波器、微缺陷腔激光器和边发射激光器等器件，光子晶体器件的发展和完善为实现光子集成回路创造了必要的条件。由于硅材料是间接带隙材料，不利于在光子集成回路中实现光源集成，因此未来的光芯片有极大可能是在III-V族半导体材料上实现。目前，各种基于III-V族半导体材料的光功能单元通常在一种光子晶体薄板上实现，即由高折射率材料制成的厚度为数百纳米的薄板，上下面被反差很大的低折射率材料覆盖，而二维光子晶体图形垂直穿越薄板。薄板有上下被空气包覆的悬浮结构，或者上面为空气，下面有SiO2或Al2O3支撑的非对称结构。但是这种薄板结构难以在实际应用中普及，悬浮结构的机械性能和导热性能极差，而非对称结构中偶模与奇模间存在耦合[Yoshinori Tanaka，Takashi Asano，Ranko Hatsuta，and Susumu Noda，应用物理快报，88卷，011112(2006)]，使位于偶模禁带的模式在平行于薄板平面的方向上损耗加剧，同时这两种结构都很难实现电注入泵浦。解决上面问题的方法是在III-V族半导体衬底上面外延生长传统半导体激光器常用的弱导限制结构，再通过各向异性干法刻蚀工艺将光子晶体图形转移到衬底中。这种结构容易实现电注入泵浦，机械性能也得到增强，已有波导和边发射激光器的报道[Thomas D.Happ，Martin Kamp，Alfred Forchel，Jean-LouisGentner and L.Goldstein，应用物理快报，82卷，4(2003)；M.Mulot，S.Anand，M.Swillo，M.Qiu，B.Jaskorzynska，A.Talneau，真空科技期刊B，21卷，900(2003)]。在这种结构中光需要同时被弱导波导限制和被光子晶体结构调制，因而光子晶体结构的深刻蚀是必须的。在目前的刻蚀工艺中，是采用光刻胶直接作掩膜层刻蚀，或者是在III-V族半导体衬底上淀积一层SiO2或SiNx，在将光刻胶上的图形转移到淀积层后，再以淀积层作掩膜层进行刻蚀，但是纳米结构曝光不允许过厚的光刻胶，因而这两种方法使用的掩膜层的厚度都不会超过500-600纳米，过薄的掩膜层制约了纳米结构的转移深度。目前在优化的条件下光子晶体结构的最大转移深度仅达到约4.5微米[M.Mulot，S.Anand，R.Ferrini，B.Wild，R.Houdre，J.Moosburger andA.Forchel，真空科技期刊B，22卷，707(2004)]，这使得垂直方向的损耗较大，有必要改进刻蚀技术，使光子晶体结构实现更大深度的转移。
发明内容
本发明的目的在于克服以有技术的缺点，提供一种二维纳米结构深刻蚀方法，其是在III-V族半导体材料上实现光子晶体等纳米结构深刻蚀的方法，通过新的掩膜制作技术，提高各向异性干法刻蚀深度。
本发明方法的实现步骤如下：
本发明一种二维纳米结构深刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、在衬底上涂覆光刻胶，采用电子束曝光或其它曝光技术在光刻胶上制作出光子晶体纳米图形；
S02、将光子晶体纳米图形转移到衬底上；
S03、在纳米图形转移之后，将衬底表面的光刻胶去除，采用热氧化工艺将有纳米结构的部分氧化生成SiO2；
S04、取一待刻蚀的III-V族半导体衬底，将所述衬底有纳米结构的表面与III-V族半导体衬底的待刻蚀面相对，利用非平面键合技术，将两种材料粘合；
S05、采用减薄工艺，将衬底减薄至仅留下已氧化为SiO2的纳米结构。
其中衬底为硅衬底或n型硅衬底。
其中所述步骤S02中，采用氟基气体为气源的干法刻蚀技术将纳米图形转移到硅衬底。
其中所述步骤S02中，采用电化学腐蚀技术将纳米图形转移到n型硅衬底。
本发明的有益效果是：
本发明的二维纳米结构深刻蚀方法，可以得到厚度超过2微米的SiO2掩膜层。相对于现有的刻蚀方法，由于掩膜层厚度有了一个数量级的提高，在刻蚀选择比相同或接近时，可以实现光子晶体等纳米结构的更深的刻蚀。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种二维纳米结构深刻蚀方法，包括如下步骤：
S01、在衬底上涂覆光刻胶，采用电子束曝光或其它曝光技术在光刻胶上制作出光子晶体纳米图形，所述的衬底为硅衬底或n型硅衬底；
S02、将光子晶体纳米图形转移到衬底上；所述步骤S02中，采用氟基气体为气源的干法刻蚀技术将纳米图形转移到硅衬底或转移到n型硅衬底；
S03、在纳米图形转移之后，将衬底表面的光刻胶去除，采用热氧化工艺将有纳米结构的部分氧化生成SiO2；
S04、取一待刻蚀的III-V族半导体衬底，将所述衬底有纳米结构的表面与III-V族半导体衬底的待刻蚀面相对，利用非平面键合技术，将两种材料粘合；
S05、采用减薄工艺，将衬底减薄至仅留下已氧化为SiO2的纳米结构。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
请再结合参阅图1所示，本发明二维纳米结构深刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤S01：在硅衬底上涂覆300nm厚的电子束光刻胶，如PMMA，经过电子束曝光和显影得到纳米结构的图形；
步骤S02：采用反应离子束或感应耦合等离子体刻蚀技术将图形转移到硅衬底上，在使用C4F8气源并且刻蚀中控制衬底温度在10℃以下，可得到＞20∶1的选择比，纳米结构的刻蚀转移深度能达到5微米以上；
步骤S03：将硅衬底有纳米结构的表面作热氧化处理，使纳米结构氧化为SiO2。在InP衬底上依次外延生长InP缓冲层、InGaAsP多层量子阱和InP覆盖层，包括量子阱在内的总厚度达到10微米；
步骤S04：将硅衬底的SiO2面与InP衬底通过非平面键合技术粘接在一起；
步骤S05：利用减薄工艺去掉硅衬底上多余的硅和SiO2，仅留下约2微米厚的纳米结构。
以SiO2纳米结构为掩膜对InP衬底进行干法刻蚀，可采用化学辅助离子束刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀等技术，如以感应耦合等离子体刻蚀，使用氯基气源时选择比能达到＞5∶1，以2微米厚度的掩膜可以使纳米结构在InP衬底的转移深度达到10微米。
实施例2：
请再结合参阅图1所示，本发明二维纳米结构深刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤S01：在n型硅衬底上涂覆电子束光刻胶，经过电子束曝光和显影得到纳米结构的图形；
步骤S02：采用电化学刻蚀技术将图形转移到硅衬底，纳米结构的转移深度能达到50微米以上；
步骤S03：将硅衬底有纳米结构的表面作热氧化处理，使纳米结构氧化为SiO2。在GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、AlGaAs限制层、InGaAs量子点层、AlGaAs限制层和GaAs覆盖层，外延结构的总厚度达到15微米；
步骤S04：将硅衬底的SiO2面与InP衬底通过非平面键合技术粘接在一起；
步骤S05：利用减薄工艺去掉硅衬底上多余的硅和SiO2，仅留下约2微米厚的纳米结构；
以SiO2纳米结构为掩膜对GaAs衬底进行干法刻蚀，以感应耦合等离子体刻蚀，使用Cl2/BCl3为气源时选择比能达到＞10∶1，以2微米厚度的掩膜可以使纳米结构在InP衬底的转移深度达到近20微米。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1、一种二维纳米结构深刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、在硅衬底上涂覆光刻胶，采用电子束曝光或其它曝光技术在光刻胶上制作出光子晶体纳米图形；
S02、将光子晶体纳米图形转移到硅衬底上；
S03、在纳米图形转移之后，将硅衬底表面的光刻胶去除，采用热氧化工艺将有纳米结构的部分氧化生成SiO2；
S04、取一待刻蚀的III-V族半导体衬底，将所述硅衬底有纳米结构的表面与III-V族半导体衬底的待刻蚀面相对，利用非平面键合技术，将所述硅衬底有纳米结构的表面与III-V族半导体衬底的待刻蚀面粘合；
S05、采用减薄工艺，将硅衬底减薄至仅留下已氧化为SiO2的纳米结构，以SiO2的纳米结构为掩膜对III-V族半导体衬底进行干法刻蚀。
2、如权利要求1所述的二维纳米结构深刻蚀方法，其特征在于，其中所述步 骤S02中，采用氟基气体为气源的干法刻蚀技术将纳米图形转移到硅衬底。
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