CN103185918A - 微机电可调氮化物谐振光栅及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电可调氮化物谐振光栅，实现氮化物谐振光栅和微型纳米静电驱动器的集成并提出了制备微机电可调氮化物谐振光栅的方法；该微机电可调氮化物谐振光栅实现在高阻硅衬底氮化物晶片上，采用薄膜沉积、电子束曝光、光刻、反应离子刻蚀、三五族刻蚀、深硅刻蚀等技术定义和刻蚀器件，并在器件下方形成空腔，完成悬空微型纳米静电驱动器和谐振光栅的集成；通过微型纳米静电驱动器调控谐振光栅的周期、占空比等结构参数，从而达到改变器件光学性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微机电可调氮化物谐振光栅，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
氮化物材料，特别是氮化镓材料，在近红外和可见光波段具有优良的光学性能，应用前景广泛。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，为实现微机电可调的氮化物光子器件提供了可能：1，利用高阻硅衬底可以实现器件的绝缘隔离，发挥器件结构之间的静电引力；2，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，获得悬空的氮化物薄膜；3，氮化物材料和空气的高折射率差异，可以设计实现优良性能的谐振光栅，其光学性能受材料厚度以及光栅结构的影响；4，氮化物材料特别是氮化镓材料具有优良的机械性能，适合发展微机电器件；5，由于静电引力，微型纳米驱动器会产生物理位移，利用弹簧结构，可以改变谐振光栅的周期、占空比等结构参数，从而实现对光栅光学性能的调控。
发明内容
技术问题：本发明提出双面加工法制备微机电可调氮化物谐振光栅，包括固定梳齿、可移动梳齿、弹簧结构和谐振光栅结构。利用高阻硅的物理特性，实现驱动器固定部分和可移动部分的分离，从而区分出器件的正负极；器件下方硅衬底处形成的空腔，在正负极上施加相应电压，利用静电引力驱动器件的可移动部分，使得与微型纳米静电驱动器集成的谐振光栅的周期和占空比随着可移动部分的位移变化而变化，从而达到调控谐振光栅光学性能的目的。
技术方案：本发明的微机电可调氮化物谐振光栅，在高阻硅衬底氮化物晶片的氮化物层上，设置有第一极性区域、第二极性区域、隔离第一极性区域和第二极性区域的隔离槽，第一极性区域上设置有固定梳齿，第二极性区域上设置有依次连接的谐振光栅结构、弹簧结构和可移动梳齿，可移动梳齿与固定梳齿相对错开设置。
本发明中，固定梳齿、谐振光栅结构、弹簧结构和可移动梳齿均为纳米结构。
本发明提供了微机电可调氮化物谐振光栅自上向下（氮化物层向硅层）的制备方法，硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度自由度较小，为设计氮化物谐振光子器件带来困难，同时厚膜氮化物的刻蚀加工是一大难题。本发明提供的技术方法能够解决悬空氮化物器件的加工问题，包括如下具体步骤：
1）采用沉膜技术，在硅衬底氮化物晶片上表面沉积一层氧化铪薄膜或者二氧化硅薄膜作为掩膜层；
2）在硅衬底氮化物晶片的掩膜层上旋涂电子束胶，形成电子束胶层；
3）在电子束胶层上用电子束曝光技术定义微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构；
4）采用离子束轰击法将步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层转移到氧化铪掩膜层上，或采用反应离子刻蚀的方法将步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层转移到二氧化硅掩膜层上，转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层；
5）利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层；
6）在掩膜层上旋涂一层光刻胶；
7）采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义隔离槽；
8）采用离子束轰击法将步骤7）中定义的隔离槽转移至氧化铪掩膜层，或采用反应离子束刻蚀技术将步骤7）中定义的隔离槽转移至二氧化硅掩膜层，转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层；
9）去除残余光刻胶；
10）采用三五族刻蚀技术，将掩膜层上的所有结构转移到硅衬底氮化物晶片的氮化物层，转移过程中，将氮化物层刻蚀至衬底硅层；
11）采用深硅刻蚀技术，进行各项异性刻蚀；
12）进行各项同性刻蚀，从而在微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构下方形成空腔，使器件完全悬空；
13）去除残余掩膜层，实现微机电可调氮化物谐振光栅。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的微机电可调氮化物谐振光栅，实现在高阻硅衬底氮化物晶片上，在微机电可调氮化物谐振光栅下方形成空腔，完成悬空微型纳米静电驱动器和谐振光栅的集成：
（1）因为高阻硅的物理特性，利用隔离槽，实现第一极性区域和第二极性区域的分离，从而区分出微型纳米静电驱动器的正负极；
（2）在第一极性区域和第二极性区域分别施加电压，利用静电引力驱动微型纳米驱动器的可移动梳齿向固定梳齿位移，使弹簧结构发生形变，从而带动谐振光栅结构拉伸或复位，改变谐振光栅结构的周期和占空等结构参数，实现微机电可调氮化物谐振光栅。
本发明基于高阻硅衬底氮化物材料上，氮化物材料，尤其是氮化镓材料与传统硅晶材料相比在近红外，特别是在可见光波段具有优良的光学性能；利用氮化物材料与空气之间的高折射率差异适合发展近红外与可见光波段的谐振光栅，其光学性能与材料厚度以及谐振光栅结构相关；利用氮化物材料特别是氮化镓材料良好的机械性能，适合发展微型纳米静电驱动器；使微型纳米静电驱动器和谐振光栅集成，通过微型纳米驱动器来调控谐振光栅的周期和占空比等结构参数，可以减少谐振光栅受结构参数的影响，增加谐振光栅的谐振带宽，提高谐振光栅的利用效率，同时还能精密调节谐振光栅的周期和谐振频率，使谐振光栅结构更加精密。
本发明提出了微机电可调氮化物谐振光栅的加工制备方法，通过氮化物薄膜沉积技术，解决了厚膜氮化物加工的掩膜问题；结合光刻技术定义隔离槽，能够有效地降低微机电可调谐振光栅的加工成本；结合深硅刻蚀技术，能够制备悬空微机电可调氮化物谐振光栅器件，从而可以利用氮化物特别是氮化镓优良的机械性能。
附图说明
图1为硅衬底微机电可调氮化物谐振光栅示意图；
图2为硅衬底微机电可调氮化物谐振光栅悬空结构侧视示意图；
图3为硅衬底微机电可调氮化物谐振光栅的工艺流程；
图中有：第一极性区域1、第二极性区域2、固定梳齿11、谐振光栅结构21、弹簧结构22、可移动梳齿23、隔离槽3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1、2所示，本发明设计了一种微机电可调氮化物谐振光栅器件，在高阻硅衬底氮化物晶片的氮化物层上，设置有第一极性区域1、第二极性区域2、隔离第一极性区域1和第二极性区域2的隔离槽3；利用高阻硅衬底的物理特性和隔离槽的结构作用，将第一极性区域和第二极性区域隔离开；第一极性区域1上设置有固定梳齿11，第二极性区域2上设置有依次连接的谐振光栅结构21、弹簧结构22和可移动梳齿23，可移动梳齿23与固定梳齿11相对错开设置。
本发明的一种实施例中，固定梳齿11、谐振光栅结构21、弹簧结构22和可移动梳齿23均为纳米结构。
实现载体为高阻硅衬底氮化物晶片。利用高阻硅的物理特性和隔离槽的结构特点，实现第一极性区域1和第二极性区域2在结构和电性上的分离；在第一极性区域1和第二极性区域2施加反向电压，利用静电引力驱动微型纳米静电驱动器的可移动梳齿23向固定梳齿11位移；通过微型纳米静电驱动器和谐振光栅21的集成，利用微型纳米静电驱动器改变氮化物谐振光栅21的占空比及周期，实现谐振光栅21结构的可控，从而调控器件的光学性能，其中：
微机电可调氮化物谐振光栅器件中，微机电部分是指微型纳米静电驱动器，与谐振光栅21部分完全悬空；微机电部分包括固定梳齿11、可移动梳齿23和弹簧结构22；
微机电可调氮化物器件通过隔离槽3将固定梳齿11与可移动梳齿23、弹簧结构22、谐振光栅21在结构上和电性上分离，利用高阻硅的物理特性，并结合隔离槽3形成驱动器的正负极；
微机电可调氮化物器件利用静电引力，驱动可移动梳齿23向固定梳齿位移11，带动弹簧结构22与可移动梳齿23的位移发生同方向形变，弹簧结构22连同驱动部分控制谐振光栅21的周期及占空比的增大或复原，通过改变谐振光栅21的结构参数来调控其光学性能。
如图3所示，本发明提供了微机电可调氮化物谐振光栅自上向下（氮化物层向硅层）的制备方法，硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度自由度较小，为设计氮化物谐振光子器件带来困难，同时厚膜氮化物的刻蚀加工是一大难题。本发明提供的技术方法能够解决悬空氮化物器件的加工问题，包括如下具体步骤：
1）采用沉膜技术，在硅衬底氮化物晶片上表面沉积一层氧化铪薄膜或者二氧化硅薄膜作为掩膜层；
2）在高阻硅衬底氮化物晶片的掩膜层上旋涂电子束胶，形成电子束胶层；
3）在电子束胶层上用电子束曝光技术定义微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅21的器件结构；
4）采用离子束轰击法将步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层7转移到氧化铪掩膜层上，或采用反应离子刻蚀的方法将步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层7转移到二氧化硅掩膜层上，转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层4；
5）利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层；
6）在掩膜层上旋涂一层光刻胶；
7）采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义隔离槽3；
8）采用离子束轰击法将步骤7）中定义的隔离槽3转移至氧化铪掩膜层，或采用反应离子束刻蚀技术将步骤7）中定义的隔离槽3转移至二氧化硅掩膜层，转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层；
9）利用氧气等离子灰化方法去除残余光刻胶；
10）采用三五族刻蚀技术，将掩膜层上的所有结构转移到硅衬底氮化物晶片的氮化物层4，转移过程中，将氮化物层刻蚀至衬底硅层；
11）采用深硅刻蚀技术，进行各项异性刻蚀；
12）采用深硅技术进行各项同性刻蚀，从而在微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅21的器件结构下方形成空腔，使器件完全悬空；
13）去除残余掩膜层，实现微机电可调氮化物谐振光栅。
Claims (3)
1.一种微机电可调氮化物谐振光栅，其特征在于，在高阻硅衬底氮化物晶片的氮化物层上，设置有第一极性区域（1）、第二极性区域（2）、隔离所述第一极性区域（1）和第二极性区域（2）的隔离槽（3），所述第一极性区域（1）上设置有固定梳齿（11），所述第二极性区域（2）上设置有依次连接的谐振光栅结构（21）、弹簧结构（22）和可移动梳齿（23），所述可移动梳齿（23）与固定梳齿（11）相对错开设置。
2.根据权利要求1所述的微机电可调氮化物谐振光栅，其特征在于，所述固定梳齿（11）、谐振光栅结构（21）、弹簧结构（22）和可移动梳齿（23）均为纳米结构。
3.一种制备权利要求1或2所述微机电可调氮化物谐振光栅的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）采用沉膜技术，在硅衬底氮化物晶片上表面沉积一层氧化铪薄膜或者二氧化硅薄膜作为掩膜层；
2）在所述硅衬底氮化物晶片的掩膜层上旋涂电子束胶，形成电子束胶层；
3）在所述电子束胶层上用电子束曝光技术定义微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅（21）的器件结构；
4）采用离子束轰击法将所述步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层转移到氧化铪掩膜层上，或采用反应离子刻蚀的方法将所述步骤3）中定义的器件结构从电子束胶层转移到二氧化硅掩膜层上，所述的转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层；
5）利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层；
6）在掩膜层上旋涂一层光刻胶；
7）采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义隔离槽；
8）采用离子束轰击法将所述步骤7）中定义的隔离槽转移至氧化铪掩膜层，或采用反应离子束刻蚀技术将所述步骤7）中定义的隔离槽转移至二氧化硅掩膜层，所述的转移过程中，将掩膜层刻蚀至硅衬底氮化物晶片的氮化物层；
9）去除残余光刻胶；
10）采用三五族刻蚀技术，将掩膜层上的所有结构转移到硅衬底氮化物晶片的氮化物层，所述的转移过程中，将氮化物层刻蚀至衬底硅层；
11）采用深硅刻蚀技术，进行各项异性刻蚀；
12）进行各项同性刻蚀，从而在微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅（21）的器件结构下方形成空腔，使器件完全悬空；
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