CN101470347A - 环形孔阵列结构的二维光子晶体的制作方法 - Google Patents

环形孔阵列结构的二维光子晶体的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种环形孔阵列结构的二维光子晶体的制作方法。包括：使用清洗液清洗SOI材料称底；在SOI称底上甩电子束胶，并进行前烘；以设计版图为掩模，进行电子束曝光；通过剂量补偿的方法对版图进行修正，消除图形进行电子束曝光时会受邻近效应的影响导致的曝光图形大小不一致；进行显影和定影，并进行后烘，形成环形阵列结构；刻蚀SOI材料的顶层硅，形成环形空气孔状阵列结构，孔中间为硅柱，完成二维光子晶体的制作。本发明实现了纳米量级的环形结构的制作工艺，该光子晶体结构在高频段出现了禁带，实现了制备具有高频段禁带的新型光子晶体结构。

Description

环形孔阵列结构的二维光子晶体的制作方法
技术领域
本发明涉及一种环形孔状结构的二维光子晶体的制作工艺，特别涉及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)电子束胶在高剂量下曝光可由正型胶变为负型胶这一性质。
背景技术
上个世纪八十年代末，Yablonovitch在控制材料的辐射特性方面、John在光子的局域化方面都做了开创性的工作，几乎同时提出了光子晶体的概念。光子晶体是用不同介电常数的物质重复排列而成的周期结构，在其光波频率与倒易空间的色散谱中，有可能出现贯穿整个谱图的能隙，称之为光子禁带。出现光子禁带的可能性与周期结构的介电常数差成正比，并且光子晶体拒绝那些能量在其禁带内的光子进入，或将这些光子局限在该晶体的缺陷中。这种限制完全不同于光波导全内反射的机理，到是与半导体晶格周期性对电子产生束缚相类似，其色散谱中的光子禁带则是对应着半导体能代理论中的电子禁带。二维光子晶体由于相对容易制造，而且其二维结构能够充分表现光子晶体的特性，在研究中受到关注。
光子晶体的晶格尺度和光的波长处于同一数量级，如对于光通信波段(波长1.55μm)，要求光子晶体的晶格在0.5μm左右，故光子晶体的制备具有一定的难度。在人们的不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工光子晶体的制备方法，如介质棒堆积，精密机械钻孔，淀积/刻蚀工艺，胶体颗粒自组装，光电化学腐蚀方法，激光全息光刻法和电流变液法等。
Polymethyl methacrylate(PMMA)是第一个被发现可以作为电子束胶的聚合物。PMMA最主要的特征是高分辨率，高对比度和低灵敏度。自20世纪60年代PMMA被首次用于电子束曝光以来，直到今天仍然是分辨率最高的电子束胶。迄今为止，20nm以下的电子束曝光图形几乎都是通过PMMA实现的。PMMA的正常曝光剂量为50-500μC/cm2。但在非常高的曝光剂量下(10倍于正常的曝光剂量)PMMA会由正型胶转为负型胶。
传统的光子晶体制备工艺，由于受到电子束曝光分辨率的限制，实现制作光子晶体的孔或者柱的直径在200nm以下是很困难的，由于电子束曝光本身的邻近效应的影响，特别是对于正型电子束胶，制备小尺度的光子晶体更为困难。由于频率和尺寸呈反比，要实现制备具有高频段禁带的光子晶体，要求光子晶体的尺寸很小，对制备工艺提出了挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SOI材料的具有高频段禁带的环形孔状阵列结构的二维光子晶体。
本发明基于SOI材料，其特征在于，利用PMMA正型电子束胶在入射电子束剂量足够高时变为负型电子束胶这一特性，仅经过一次电子束曝光即可实现正、负胶同时存在的现象。具体方法包括：
使用清洗液清洗SOI材料衬底；
在SOI衬底上甩电子束胶，并进行前烘；
以设计版图为掩模，进行电子束曝光；
通过剂量补偿的方法对版图进行修正，消除图形进行电子束曝光时会受邻近效应的影响导致的曝光图形大小不一致；
进行显影和定影，并进行后烘，形成环形阵列结构；
刻蚀SOI材料的顶层硅，形成环形空气孔状阵列结构，孔中间为硅柱，完成二维光子晶体的制作。
进一步，所述的SOI材料的埋层二氧化硅的厚度的范围为1-1.2微米。
进一步，所述的电子束胶为聚甲基丙烯酸甲酯A2型电子束胶，所述甩胶的转速为2000转/分，胶的厚度为200纳米。
进一步，所述的版图为9×9的圆阵列，圆的直径为200纳米，每个圆中心都有一个点。
进一步，所述的版图中圆的入射电子束剂量设为100微库仑/厘米2，圆中心点的剂量设为0.5皮库仑。
进一步，所述的清洗液为比例为1：1的浓硫酸和双氧水的混合液，清洗方法为把放有SOI片子的混合液加热10分钟，温度为150摄氏度。
进一步，所述前烘是在180摄氏度的热板上烘烤8分钟。
进一步，所述显影和定影时间都是13秒，
进一步，所述后烘是在110摄氏度的烘箱中烘烤10分钟。
进一步，所述的刻蚀是通过耦合等离子体刻蚀的二氧化硅。
进一步，所述的刻蚀是通过耦合等离子体刻蚀的硅。
进一步，所述的二维光子晶体的晶格常数为800-900纳米，内圆孔径为75-80纳米，外圆孔径为300-350纳米。
综上所述，本发明利用PMMA电子束胶在高剂量下可由正胶变为负胶这一性质。仅一次电子束曝光即可实现正、负胶同时存在的现象。简化了工艺步骤，降低工艺难度，可重复性好，可实现大规模加工和生产。实现了纳米量级的环形结构的制作工艺。该光子晶体结构在高频段出现禁带，高频禁带的频率范围达到0.7868-0.8066a/λ，其中a为晶格常数，λ为波长。实现了在SOI上制备具有高频段禁带的新型光子晶体结构。
附图说明
图1是经过热氧化，甩胶后的SOI材料的侧视图；
图2是光子晶体的侧视图；
图3是光子晶体的平面波展开(PWE)法计算的光子晶体TE偏振模色散关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是经过热氧化，甩胶后的SOI材料的侧视图。包括：
SOI材料，该SOI材料由顶层硅3，埋层二氧化硅4，硅衬底5组成。其中埋层二氧化硅4的厚度为1μm。
在所述SOI衬底上首先热氧化生成30nm的二氧化硅2，然后再甩上PMMA A2电子束胶1，甩胶的转速为2000rpm。电子束胶的厚度为200nm左右。
图2是光子晶体的侧视图。版图设计为9×9的圆阵列，圆的直径为200nm，每个圆中心都有一个点，由于邻近效应的存在，经过电子束曝光，图形的尺度会变大。点区域入射剂量大形成反胶，周围圆区域的入射剂量小形成正胶。显影后，再通过耦合等离子体刻蚀二氧化硅和硅后，所形成的结构如图2所示。其中硅柱6直径d1为75-80nm，空气孔7直径d2为300-350nm，硅柱6位于空气孔7的中心位置。硅柱6和空气孔7的高度与SOI材料的顶层硅3的高度一致。位于SOI材料的埋层二氧化硅4上。该环形孔状结构为9×9阵列。晶格常数为800-900nm。
图3是光子晶体的平面波展开(PWE)法计算的光子晶体TE偏振模色散关系图。从图中可以清楚的看到两个禁带，其中一个为高频禁带，另一个为低频禁带。高频禁带的频率范围为0.7868-0.8066a/λ，其中a为晶格常数，λ为波长。
请参阅图1和图2并结合具体的实施例对本发明的环形孔状结构的二维光子晶体的制作工艺作进一步详细说明。具体包括如下步骤：
(1)版图设计为9×9的圆阵列，圆的直径为200nm，每个圆中心都有一个点。由于电子束曝光中会有邻近效应的影响，使曝光的图形大小不一致。所以通过剂量补偿的方法对版图进行修正，修正的方法是利用电子束曝光机Raith150自带的邻近效应修正程序，选中版图，设置好各项参数，该邻近效应修正程序即可自动修改版图中的剂量分布，这种修正方法属于剂量补偿修正方法。修正后达到曝光图形大小一致的效果此过程是如何实现，需要详细说明。
(2)热氧化SOI衬底，该SOI材料由顶层硅3，埋层二氧化硅4，硅衬底5组成。在顶层硅表面形成二氧化硅2掩膜层。然后再甩上PMMA A2电子束胶1。根据所设计的版图，版图设计为9×9的圆阵列，圆的直径为200nm，每个圆中心都有一个点应把所设计的版图具体描述，利用电子束曝光技术在覆盖二氧化硅2的SOI片上制作环形阵列结构图形。其中，圆的入射电子束剂量为100μC/cm2，圆中心点的入射剂量为0.5pC。点部分剂量高，曝光后为负胶，圆部分剂量低曝光后为正胶。中间的硅柱6由于上面附着的是负胶，显影后胶被留下，空气孔7由于上面附着的是正胶，显影后胶被显掉。因此形成环形结构。
(3)图形转移：利用感应耦合等离子体干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅2，将电子束胶上的图形转移到氧化硅2，再利用感应耦合等离子体干法刻蚀技术刻蚀硅3，一直刻蚀到SOI材料的埋层二氧化硅4上。再用湿法腐蚀去掉剩余的二氧化硅2形成环形空气孔结构，结构如图2所示。
模拟结果：图3是光子晶体的平面波展开(PWE)法计算的光子晶体TE偏振模色散关系图。纵坐标为频率，横坐标为k空间的位置。从图中可以清楚的看到两个禁带，其中上面的为高频禁带，下面的为低频禁带。高频禁带的频率范围为0.7868-0.8066a/λ，其中a为晶格常数，λ为波长。该光子晶体结构在高频段出现了禁带，实现了制备具有高频段禁带的新型光子晶体结构。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种环形孔阵列结构的二维光子晶体的制作方法，其特征在于，包括：
使用清洗液清洗SOI材料衬底；
在SOI衬底上甩电子束胶，并进行前烘；
以设计版图为掩模，进行电子束曝光；
通过剂量补偿的方法对版图进行修正，消除图形进行电子束曝光时会受邻近效应的影响导致的曝光图形大小不一致；
进行显影和定影，并进行后烘，形成环形阵列结构；
刻蚀SOI材料的顶层硅，形成环形空气孔状阵列结构，孔中间为硅柱，完成二维光子晶体的制作。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的SOI材料的埋层二氧化硅的厚度的范围为1-1.2微米。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的电子束胶为聚甲基丙烯酸甲酯A2型电子束胶，所述甩胶的转速为2000转/分，胶的厚度为200纳米。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的版图为9×9的圆阵列，圆的直径为200纳米，每个圆中心都有一个点。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的版图中圆的入射电子束剂量设为100微库仑/厘米2，圆中心点的剂量设为0.5皮库仑。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的清洗液为比例为1：1的浓硫酸和双氧水的混合液，清洗方法为把放有SOI片子的混合液加热10分钟，温度为150摄氏度。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述前烘是在180摄氏度的热板上烘烤8分钟。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述显影和定影时间都是13秒。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述后烘是在110摄氏度的烘箱中烘烤10分钟。
10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的刻蚀是通过耦合等离子体刻蚀的二氧化硅。
11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的刻蚀是通过耦合等离子体刻蚀的硅。
12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的二维光子晶体的晶格常数为800-900纳米，内圆孔径为75-80纳米，外圆孔径为300-350纳米。
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