CN101566793A - 用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，该方法包括：半导体衬底的清洗；旋涂光刻胶；光刻胶的前烘焙；在双光束全息系统中多次交叉曝光；显影；光刻胶的后烘焙；半导体衬底的各向同性腐蚀；除去光刻胶。本发明提供的这种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，与传统的多光束全息曝光技术、电子束曝光技术等相比，具有操作简单方便，精度高，价格低廉，可方便地制备大面积的、无缺陷的、占空比和深度可控的各种二维光子晶体点阵，满足了制备光子晶体的需求。

Description

用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法。

背景技术

自从美国贝尔实验室[E.Yablonovitch，Inhibited SpontaneousEmission in Solid-State Physics and Electronics，Phys.Rev.Lett.58，2059(1987)]和普林斯顿大学[S.John，Strong localization of photons in certaindisordered dielectric superlattices，Phys.Rev.Lett.58，2486(1987)]在1987年分别独立提出光子晶体概念以来，光子晶体在全球范围内引起广泛关注，并掀起了研究热潮。它的发现为研究量子电动力学提供了一个很好的物质平台，也将对光子和光电子集成起到革命性作用，极大推动全光网络的发展，为信息技术走向“全光”时代打开了大门。

经过二十多年的发展，对光子晶体的研究已经从初期的理论研究转移到光子晶体的应用理论和相应的光电子器件的设计和制备上来。近年来，随着微纳米加工技术的发展，光子晶体的制备和加工吸引了极大的兴趣，胶体自组织方法、全息曝光法、电子束曝光法以及激光直写法等制备方法被一一提出和运用。其中全息曝光法由于其价格低廉，工艺简单，在制备大面积的、无缺陷的二维和三维光子晶体点阵方面得到广泛研究和应用。

法国的V.Berger等人用一束激光光束通过三组以120度顺序排列的光栅产生的三束一级衍射条纹在GaAs衬底上形成的六方点阵干涉图形，在国际上第一次制备出六方点阵、圆孔基元的二维光子晶体[V.Berger，O.Gauthier-Lafaye，and E.Costard，“Photonic band gaps andholography”，J.Appl.Phys.82(1)，60(1997).]。

干涉图形的形成，光刻胶的曝光和显影以及半导体本体的刻蚀是制备光子晶体的关键所在。多光束全息曝光技术是全息曝光系统中获得干涉图形的一种常见方法，根据光束的数目和之间角度的设置，可以得到各种各样的二维和三维的干涉图形。

例如，利用三束光可以获得二维正方点阵和六方干涉点阵，而利用三加一束光可获得三维的立方和六方干涉点阵。然而多光束全息曝光技术涉及三束及以上光束的干涉，使得实验装置复杂化，对光束能量和极化方向的控制以及防止机械振动，均会影响干涉图形的质量，从而影响光子晶体点阵的周期性和均匀性。

通常的电子数曝光技术由于其极高的分辨率，可以满足这一要求，但其价格昂贵，使用不方便。因此，发展一种价格低廉，简单易行的光子晶体的制备方法成为当务之急。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，以降低二维光子晶体的制备成本，降低制备的复杂度，满足制备光子晶体的需求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，该方法包括：

半导体衬底的清洗；

旋涂光刻胶；

光刻胶的前烘焙；

在双光束全息系统中多次交叉曝光；

显影；

光刻胶的后烘焙；

半导体衬底的各向同性腐蚀；

除去光刻胶。

优选地，所述半导体衬底清洗的步骤中，半导体衬底采用InP衬底，具体清洗步骤包括：将InP衬底依次置于石油谜、丙酮和无水乙醇中，各煮沸3次，每次5至6分钟；然后用去离子水冲洗5分钟，氮气吹干；最后在180℃热板上烘焙10分钟。

优选地，所述旋涂光刻胶的步骤中，光刻胶采用美国SHIPLEY公司生产的牌号为SPR6809光刻胶与稀释剂乳酸乙酯以1∶2的体积比配制而成，具体旋涂步骤包括：采用离心法在清洗后的衬底上进行光刻胶的旋涂、甩胶，甩胶速度为4000转/分钟，胶的厚度约为150至200nm。

优选地，所述光刻胶前烘焙的步骤包括：将甩胶后的片子连同培养皿一起放在80℃的烘箱中烘焙20分钟，或直接将片子放在90℃的热板上烘焙5分钟。

优选地，所述在双光束全息系统中多次交叉曝光的步骤包括：将烘焙好的样品放在分波前法干涉光学装置的全息光栅曝光系统中的样品台上进行曝光，由He-Cd激光器发出的单色光经快门进入全息曝光系统；一束平行单色光经过物镜汇聚，汇聚后的单色光经过针孔后发散，扩束后的单色光束经过准直透镜形成平行光束，部分平行光束入射到固定于电控旋转台上的高反射镜上，反射到固定于转动支架上的衬底上，与原来的另一部分的单色光在样品上形成明暗相间的均匀条纹；在第一次曝光结束后，利用二维转动支架将样品旋转90°进行第二次曝光可得到正方或长方点阵，或者旋转60°和-60°进行第二和第三次曝光可得到六方点阵。

优选地，所述全息光栅曝光系统是由一个氦镉(He-Cd)激光器1、快门2、电子计时器3、物镜4、针孔5、准直透镜6、高反射率平面镜7、样品台8和二维转动支架9构成；所述在制备正方和六方点阵圆孔基元时，为得到高质量的圆孔，适当延长第二次曝光和第三次曝光的时间，以抵消第二次曝光时的明条纹、第一次曝光时的明条纹与光刻胶的光敏化学反应时间的差异；在全息系统中曝光时，采用相同干涉周期的对样品进行旋转0°、90°的两次交叉曝光得到光刻胶的正方点阵、圆孔基元的二维结构，采用不同干涉周期的对样品进行旋转0°、90°的两次交叉曝光得到光刻胶的长方点阵、椭圆孔基元的二维结构，采用相同干涉周期的对样品进行旋转-60°、0°、60°的三次交叉曝光得到光刻胶的六方点阵、圆孔基元的二维结构。

优选地，所述显影的步骤包括：用分析纯的四甲基氢氧化铵和去离子水以体积比1∶10配成显影液，将样品放入显影液，显影时间为20至30秒。

优选地，所述光刻胶后烘焙的步骤包括：将显影后的样品氮气吹干后放在热板上120℃条件下烘焙2至3分钟，使胶膜更牢固的粘附在衬底表面，同时增加胶膜的抗腐蚀能力。

优选地，所述半导体衬底各向同性腐蚀的步骤包括：将烘焙后的衬底冷却后放入对InP各向同性的非选择性腐蚀的体积比为HBr∶HNO₃∶H₂O＝1∶1∶10的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间在5至30秒之间。

优选地，所述除去光刻胶的步骤包括：将经过腐蚀处理后的衬底用丙酮除去光刻胶，并用去离子水冲洗、氮气吹干，在衬底表面上形成二维点阵结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，与传统的多光束全息曝光技术、电子束曝光技术等相比，具有操作简单方便，精度高，价格低廉，可方便地制备大面积的、无缺陷的、占空比和深度可控的各种二维光子晶体点阵，满足了制备光子晶体的需求。而多光束全息曝光技术涉及三束及以上光束的干涉，使得实验装置复杂化，对光束能量和极化方向的控制以及防止机械振动，均会影响干涉图形的质量，从而影响光子晶体点阵的周期性和均匀性。通常的电子数曝光技术由于其极高的分辨率，可以满足这一要求，但其价格昂贵，速度慢，效率低，使用不方便。

附图说明

图1为本发明提供的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法的流程图。

图2为双光束全息曝光系统的光路示意图。整个系统由一个氦镉(He-Cd)激光器(1)，快门(2)，电子计时器(3)，物镜(4)，针孔(5)，准直透镜(6)，高反射率平面镜(7)，样品台(8)，二维转动支架(9)构成。

图3为分波前法的全息干涉原理图。

图4为一维全息曝光干涉光强分布的计算结果示意图。

图5为双光束全息曝光的垂直交叉曝光的干涉光强分布的计算结果示意图。

图6为双光束全息曝光的垂直交叉变周期曝光的干涉光强分布的计算结果示意图。

图7为双光束全息曝光的旋转-60°、0°、60°三次交叉曝光的干涉光强分布的计算结果示意图。

图8(a-d)为曝光显影后的光刻胶的原子力显微镜的测量结果示意图，显影时间分别为30秒、25秒、32秒和28秒。其中图8(a至c)的垂直交叉曝光时间均为90秒和100秒的情况，占空比分别约为70％、50％和80％，图8(d)的垂直交叉曝光时间均为为90秒时的情况。图8(a2)为图8(a1)胶的相应截面图，可见显影后的胶厚为160nm。

图9(a至c)为腐蚀、去胶后的原子力显微镜的测量结果示意图，其中腐蚀时间均为10秒，腐蚀深度为100nm左右，如图9(c2)所示。

图10为图9(c1)在扫描电镜下放大7000倍的测量结果示意图。

图11为长方点阵椭圆孔基元光刻胶图形在1500倍的光学显微镜下的测量结果示意图。

图12为长方点阵椭圆孔基元光刻胶图形在扫描电镜下放大8000倍的测量结果示意图。

图13为六方点阵圆孔基元光刻胶的图形在1500倍光学显微镜下的测量结果示意图。

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。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出如下技术思路：采用具有二维旋转装置的全息曝光系统，通过对样品多次交叉曝光制备光子晶体，通过精确控制样品的转动角度和第二束单色光的反射角度来控制光子晶体的点阵结构和晶格常数，通过控制曝光时间和显影时间来控制光子晶体的占空比，从而提出二维光子晶体的制备工艺和流程。本发明利用具有二维旋转装置的全息曝光系统对旋涂于InP衬底上的光刻胶进行相同周期或不同周期的多次交叉曝光得到二维干涉点阵图形；利用光学邻近效应，干涉成像会在光波传输过程中丢失部分高频分量，使成像清晰度降低，反应在光刻胶成像上就是本来的尖角的图形变成了圆角，可获得高质量的圆孔和椭圆孔基元；再利用湿法刻蚀将光刻胶上的图形转移到半导体层中，最终获得正方点阵、圆孔基元，长方点阵、椭圆孔基元和六方点阵、圆孔基元的二维光子晶体结构。

如图1所示，图1为本发明提供的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法的流程图，该方法包括以下步骤：(1)半导体衬底的清洗；(2)旋涂光刻胶；(3)光刻胶的前烘焙；(4)在双光束全息系统中多次交叉曝光；(5)显影；(6)光刻胶的后烘焙；(7)半导体衬底的各向同性腐蚀；(8)除去光刻胶。

为了满足上述工艺要求，需要考虑以下三点关键内容：

1、用于制备二维光子晶体的双光束全息曝光系统的搭建方法；

2、用于全息曝光的光刻胶的稀释试剂和显影液配制；

3、用于控制二维光子晶体空气孔占空比的显影时间和腐蚀时间的选取。

为此，在介绍具体工艺之前，首先对以上三点作详细阐述。

1、用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光系统的搭建方法

(1)全息曝光的原理和二维点阵的设计

本发明所提供的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光系统是在全息照相方法制备一维光栅的基础上，对样品进行多次交叉曝光得到二维干涉点阵图形。如图3所示，如果两相干光束1和2以一定夹角2θ相交时，则有干涉原理可知，在它们彼此重叠的区域中形成明暗交替、平行和等间距的直条纹系统。光强在样品上的分布可写为：

$=E^2+E^2\cos [-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}2x\sin \mathrm{\θ}].---\left(1\right)$

其中

E₁≈E₂＝E，

$k_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(-\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\θ}),k_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ},\cos \mathrm{\θ}).$

可以看出，条纹的周期为

$T=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

主要由衍射角度和相干光束的波长决定。双光束干涉的光强分布呈余弦函数分布，如图4所示，形成明暗交替、平行和等间距的直条纹系统。而当对样品进行垂直两次交叉曝光时，则在光刻胶上的曝光图形呈正方点阵分布，如图5所示。同样地，如果在第二次曝光时改变旋转角度θ，以改变第二次曝光时条纹的周期和亮条纹的宽度，则在光刻胶上的曝光图形呈长方点阵分布，如图6所示。如果对样品进行旋转-60°、0°、60°，三次交叉曝光，则在光刻胶上的曝光图形呈六方点阵分布，如图7所示。可以看出，图4和5的干涉图形中的点阵基元并不是绝对的圆形和椭圆形。但是在实际的曝光过程中，由于所谓的光学邻近效应，干涉成像会在光波传输过程中丢失部分高频分量，使成像清晰度降低，反应在光刻胶成像上就是本来的尖角的图形变成了圆角。所以在显影后，仍然可以得到高质量的圆孔和椭圆孔基元。

(2)双光束全息曝光系统

本发明在分波前法干涉光学系统的基础上，利用两束相干的激光光束所产生的明暗条纹系统，对样品进行旋转，进行多次交叉曝光，以形成符合要求的二维点阵图形。它具有光学系统简单，所需的光学元器件少，便于加工，而且可以满足各种无缺陷的二维光子晶体的制备要求等优点。整个曝光系统由一个激光器(KIMMON的He-Cd激光器，光束波长为411.6nm)，快门，电子计时器，物镜，针孔，准直透镜，高反射率平面镜，样品台，二维转动支架组成。转动支架的两个分支相互垂直，分别用来固定高反射率平面镜和样品。图2是曝光系统的光路示意图。可以看出，激光光束经过物镜扩束和针孔空间滤波后，得到的均匀分布的光束在经过准直透镜后形成了强度均匀分布的准直光束。将这一束光的一半照射到固定于转动支架的高反射率平面镜，经反射后与另一半直接照射到样品上光束形成等间距的相干干涉条纹。而置于激光器和物镜之间的快门和电子计时器可以精确地控制每次曝光时间。

2、用于全息曝光的光刻胶的稀释试剂和显影液配制

本发明所使用的光刻胶是美国SHIPLEY公司生产的SPR6809牌光刻胶。该光刻胶的主要成分是Ethyl Lactate(乙基乳酸盐)，在所使用的441.6nm波段具有较高的吸收系数，在甩胶机上4000至5000转/分钟后的厚度约为900nm。然而受He-Cd激光器的功率密度限制，如此厚的光刻胶很难曝透。SHIPLEY公司也为SPR6809牌光刻胶生产了相应的E2牌稀释剂，其主要成分也为Ethyl Lactate(乙基乳酸盐)。然而本发明人用从市场上购得的分析纯的乳酸乙酯对光刻胶按体积比1∶2进行稀释，得到了几近相同的效果。稀释后的光刻胶在甩胶机上4000转/分钟后的厚度已降到200nm以下，满足所使用的激光器的功率要求，同时胶也足够后，在随后的显影和腐蚀过程中不易脱落。

SHIPLEY公司同样为SPR6809牌光刻胶生产了相应的显影液，然而本发明人用从市场上购得分析纯(10％)的四甲基氢氧化铵和去离子水以体积比1∶10配成显影液，也得到了几近相同的效果。图8(a)为用原子力显微镜对做出图形后的光刻胶的测量结果，显影时间为30秒，可以看出，显影后的光刻胶的厚度在160nm左右，图形质量基本满足设计要求。

3、用于控制二维光子晶体空气孔占空比的显影时间和腐蚀时间的选取

在设计二维光子晶体时，不仅对点阵的对称性和晶格常数有要求，对光子晶体的形貌，如占空比和孔的深度同样有严格的要求。为了得到不同占空比的光子晶体结构，我们首先在旋涂于光刻胶上调节每个晶格原胞内的被显影部分和未被显影部分的比例，以改变光刻胶的占空比进而调节光子晶体的占空比。一般的，增加曝光时间和显影时间都可以改变光刻胶中的空气孔占空比，但在实验中，为了方便操作，本发明人选取一个固定的曝光时间，通过控制显影时间来控制光刻胶的占空比。以正方点阵二维光子晶体为例，选取垂直交叉的两次曝光时间分别为90秒和100秒，以消除第二次曝光时的明条纹和第一次曝光时的明条纹和光刻胶的光敏化学反应时间的差异，则在30秒、25秒、32秒显影时间下，得到高度对称光刻胶的图形，其占空比分别约为70％、50％和80％，如图8(a)、(b)和(c)所示。而当两次曝光时间相同时，很难得到高质量的圆孔，显影后的图形呈扁圆状，即小孔沿第一次曝光方向被拉长，如图8(d)所示。

为了把光刻胶的图形转移到InP沉底中，本发明人选择对InP各向同性的非选择性腐蚀液对样品进行腐蚀。所用的腐蚀液是由HBr、HNO₃和H₂O组成，体积比为1∶1∶10。湿法腐蚀的各向同性性质决定了在腐蚀过程中，侧蚀效应会影响图形的形貌，也就是腐蚀时间越长，空气孔的占空比越大。而且由于小孔的尺度都在一个微米左右，在这么小的范围内，腐蚀液的交换速率明显小于大尺寸范围的交换速率。也就是说，随着腐蚀深度的增长，孔底部的腐蚀液更新很慢，腐蚀速率明显降低，则底部会呈现倒锥形。为了克服这一困难，本发明人选择缩短腐蚀时间，在孔底部尚未呈现倒锥形之前，中止腐蚀过程，则可以得到相当陡直度的浅孔，且孔的占空比基本上与胶的孔一致。如图9(a)、(b)和(c)所示，腐蚀时间均为10秒，腐蚀深度在100nm左右。这种浅刻蚀的二维光子晶体点阵可以应用于激光器波导层上形成二维分布反馈结构。

下面详细介绍本发明的具体工艺过程。

(1)InP衬底的清洗

将InP衬底依次置于石油谜、丙酮和无水乙醇中，各煮沸3次，每次5至6分钟；然后用去离子水冲洗5分钟，氮气吹干；最后在180℃热板上烘焙10分钟；

(2)旋涂光刻胶

采用离心法在清洗后的衬底上进行光刻胶的旋涂，甩胶；所用的光刻胶是美国SHIPLEY公司生产的牌号为SPR6809光刻胶，和稀释剂乳酸乙酯以1∶2的体积比配制而成；甩胶速度为4000转/分钟，胶的厚度约为150至200nm。

(3)光刻胶的前烘焙

将甩胶后的片子连同培养皿一起放在80℃的烘箱中烘焙20分钟，也可以直接将片子放在90℃的热板上烘焙5分钟。

(4)在全息系统中交叉多次交叉曝光

将烘焙好的样品放在分波前法干涉光学装置的全息光栅曝光系统中的样品台(8)上进行曝光。由He-Cd激光器发出的单色光经快门进入全息曝光系统；一束平行单色光经过物镜汇聚，汇聚后的单色光经过针孔后发散，扩束后的单色光束经过准直透镜形成平行光束，部分平行光束入射到固定于电控旋转台上的高反射镜上，反射到固定于转动支架上的衬底上，与原来的另一部分的单色光在样品上形成明暗相间的均匀条纹；在第一次曝光结束后，将样品旋转90°进行第二次曝光可得到正方或长方点阵，或者旋转60°和-60°进行第二和第三次曝光可以得到六方点阵。在制备正方和六方点阵圆孔基元时，为了得到高质量的圆孔，应适当延长第二次曝光和第三次曝光的时间以抵消第二次曝光时的明条纹和第一次曝光时的明条纹和光刻胶的光敏化学反应时间的差异。

(5)显影

用分析纯(10％)的四甲基氢氧化铵和去离子水以体积比1∶10配成显影液，将样品放入显影液，显影时间为20至30秒。显影过程中应该严格控制显影时间来确定胶的占空比。

(6)坚膜(即后烘焙)、腐蚀、去胶

将显影后的样品氮气吹干后放在热板上120℃条件下烘焙2至3分钟，以使胶膜更牢固的粘附在衬底表面，同时也增加了胶膜的抗腐蚀能力。将坚膜后的衬底冷却后放入对InP各向同性的非选择性腐蚀的HBr∶HNO₃∶H₂O＝1∶1∶10(体积比)的腐蚀液中进行腐蚀。腐蚀时间在5至30秒之间，视腐蚀深度而定。

将经过腐蚀处理后的衬底用丙酮除去光刻胶，在去离子水中冲洗、氮气吹干，即可在衬底表面上形成二维点阵结构。

下面通过具体的实施方案，进一步阐述本发明提供的技术方案，以及用本发明所述的方法制备出具有各种点阵对称性的二维光子晶体。

实例1：正方点阵圆孔基元的二维光子晶体制备

从公式(2)可知，调节两束相干光的夹角，既可以改变干涉条纹的周期。为此，转动电动旋转台，使光束和固定在转动支架上的高反射平面镜之间的夹角θ为10.6°，得到干涉条纹周期为1.2μm。将经过适当前烘焙的光刻胶样品固定于转动支架的另一端，进行曝光90秒。曝光时间由电子计时器和快门控制。曝光结束后对样品旋转90°进行第二次曝光，曝光时间为100秒。接着将样品放入由四甲基氢氧化铵和水以体积比1∶10配成的显影液显影，然后坚膜、腐蚀、去胶，用去离子水冲洗，氮气吹干。其中显影时间和腐蚀时间需要精确控制以控制圆孔的占空比和深度。

图8至10为双光束全息曝光法制备的晶格常数为1.2μm的正方点阵圆孔基元的二维光子晶体的原子力显微镜和扫描电镜的测量结果示意图。其中图8为胶的图形，胶的厚度为160nm左右，图8(a至c)圆孔占空比分别约为70％、50％和80％。图9、图10为腐蚀、去胶后的衬底的原子力显微镜和扫描电镜的测量结果示意图，其腐蚀时间为10秒，腐蚀深度约为100nm。可见衬底上的圆孔占空比与胶上的基本一致。

实例2：长方点阵椭圆孔基元的二维光子晶体制备

在InP衬底上将旋涂光刻胶并放置在如图3所示的干涉场中，θ为10.6°。曝光90秒后，将高反射率平面镜转动到θ为5.28°位置，同时对样品旋转90°进行第二次曝光，曝光时间同样为90秒。接着将样品放入由四甲基氢氧化铵和水以体积比1∶10配成的显影液显影，然后坚膜、腐蚀、去胶，用去离子水冲洗，氮气吹干。其中显影时间和腐蚀时间需要精确控制以控制圆孔的占空比和深度。

图11为1500倍光学显微镜下的光刻胶的图形，晶格常数分别为1.2μm和2.4μm，二维点阵为长方对称结构，晶格基元为椭圆形。其中短周期方向的占空比约为65％，常周期方向的占空比为55％。可以看出，虽然两个方向上的曝光时间相同，但由于第二次曝光时的明条纹和第一次曝光时的明条纹和光刻胶的光敏化学反应时间的差异，得到的相应占空比并不相同。图12为腐蚀、去胶后的衬底的扫描电镜的测量结果示意图，晶格常数分别为1.3μm和3.6μm。同样地，对于相同的曝光时间，第一次曝光方向上的占空比要大于第二次曝光方向上的占空比。

实例3：六方点阵圆孔基元的二维光子晶体制备

在InP衬底上将旋涂光刻胶并放置在如图3所示的干涉场中，θ为10.6°。曝光60秒后，保持电动旋转台的转动角度θ不变，同时对样品旋转±60°进行第二、三次曝光，曝光时间不变。接着将样品放入由四甲基氢氧化铵和水以体积比1∶10配成的显影液显影，然后坚膜、腐蚀、去胶，用去离子水冲洗，氮气吹干。其中显影时间和腐蚀时间需要精确控制以控制圆孔的占空比和深度。

图13为1500倍光学显微镜下的光刻胶的图形，晶格常数分别为1.2μm，二维点阵为六方对称结构，晶格基元为圆孔，占空比约为55％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，该方法包括：

半导体衬底的清洗；

旋涂光刻胶；

光刻胶的前烘焙；

在双光束全息系统中多次交叉曝光；

显影；

光刻胶的后烘焙；

半导体衬底的各向同性腐蚀；

除去光刻胶。

2、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述半导体衬底清洗的步骤中，半导体衬底采用InP衬底，具体清洗步骤包括：

将InP衬底依次置于石油谜、丙酮和无水乙醇中，各煮沸3次，每次5至6分钟；然后用去离子水冲洗5分钟，氮气吹干；最后在180℃热板上烘焙10分钟。

3、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述旋涂光刻胶的步骤中，光刻胶采用美国SHIPLEY公司生产的牌号为SPR6809光刻胶与稀释剂乳酸乙酯以1∶2的体积比配制而成，具体旋涂步骤包括：采用离心法在清洗后的衬底上进行光刻胶的旋涂、甩胶，甩胶速度为4000转/分钟，胶的厚度约为150至200nm。

4、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述光刻胶前烘焙的步骤包括：

将甩胶后的片子连同培养皿一起放在80℃的烘箱中烘焙20分钟，或直接将片子放在90℃的热板上烘焙5分钟。

5、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述在双光束全息系统中多次交叉曝光的步骤包括：

将烘焙好的样品放在分波前法干涉光学装置的全息光栅曝光系统中的样品台上进行曝光，由He-Cd激光器发出的单色光经快门进入全息曝光系统；一束平行单色光经过物镜汇聚，汇聚后的单色光经过针孔后发散，扩束后的单色光束经过准直透镜形成平行光束，部分平行光束入射到固定于电控旋转台上的高反射镜上，反射到固定于转动支架上的衬底上，与原来的另一部分的单色光在样品上形成明暗相间的均匀条纹；在第一次曝光结束后，利用二维转动支架将样品旋转90°进行第二次曝光可得到正方或长方点阵，或者旋转60°和-60°进行第二和第三次曝光可得到六方点阵。

6、根据权利要求5所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，

所述全息光栅曝光系统是由一个氦镉He-Cd激光器(1)、快门(2)、电子计时器(3)、物镜(4)、针孔(5)、准直透镜(6)、高反射率平面镜(7)、样品台(8)和二维转动支架(9)构成；

所述在制备正方和六方点阵圆孔基元时，为得到高质量的圆孔，适当延长第二次曝光和第三次曝光的时间，以抵消第二次曝光时的明条纹、第一次曝光时的明条纹与光刻胶的光敏化学反应时间的差异；

在全息系统中曝光时，采用相同干涉周期的对样品进行旋转0°、90°的两次交叉曝光得到光刻胶的正方点阵、圆孔基元的二维结构，采用不同干涉周期的对样品进行旋转0°、90°的两次交叉曝光得到光刻胶的长方点阵、椭圆孔基元的二维结构，采用相同干涉周期的对样品进行旋转-60°、0°、60°的三次交叉曝光得到光刻胶的六方点阵、圆孔基元的二维结构。

7、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述显影的步骤包括：

用分析纯的四甲基氢氧化铵和去离子水以体积比1∶10配成显影液，将样品放入显影液，显影时间为20至30秒。

8、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述光刻胶后烘焙的步骤包括：

将显影后的样品氮气吹干后放在热板上120℃条件下烘焙2至3分钟，使胶膜更牢固的粘附在衬底表面，同时增加胶膜的抗腐蚀能力。

9、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述半导体衬底各向同性腐蚀的步骤包括：

将烘焙后的衬底冷却后放入对InP各向同性的非选择性腐蚀的体积比为HBr∶HNO₃∶H₂O＝1∶1∶10的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间在5至30秒之间。

10、根据权利要求1所述的用于制备二维光子晶体的双光束全息干涉多次曝光方法，其特征在于，所述除去光刻胶的步骤包括：

将经过腐蚀处理后的衬底用丙酮除去光刻胶，并用去离子水冲洗、氮气吹干，在衬底表面上形成二维点阵结构。

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