CN103353630B - 一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，首先以SiO2作为掩模，用退火质子交换制作光波导；接着利用SiO2掩模作为标记直接将光波导和电极图形进行自对准套刻；随后采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法去除电极区的SiO2掩模；最后利用溅射以及金属剥离技术制作出电极图形并去除剩余SiO2掩模；采用本发明方法可以在铌酸锂光波导上形成电极图形，保证了光波导与电极套刻准确，电极边缘光滑，缺陷少，成品率高。

Description

一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法

技术领域

本发明涉及涉及到一种光无源器件制造方法，特别是涉及一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，本发明属于通信领域。

背景技术

自20世纪60年代首次观察到光波导现象以来，光波导理论迅速发展，各种各样的光子器件相继问世，并尝试应用到了众多领域。不仅产生了半导体激光器、探测器、光调制器、光开关、光放大器和光传感器等单功能的集成器件，而且能够实现多个核心器件集成，形成具有一定复杂功能的器件系统。

由于铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、光弹、非线性、光折变等性能，其在光通讯领域应用非常广泛，是光波导器件中最常使用的晶体材料。通过改变铌酸锂光波导和电极的形状，能够在铌酸锂晶体上制作出适合应用于各种光控制和传输器件，如相位调制器、相位延迟器、光学隔离器、可变衰减器等。

铌酸锂光波导器件的制备方法通常是以SiO2作为掩模，使用退火质子交换的方法，在铌酸锂晶体表面制作光波导，然后大面积去除基片表面的SiO2掩模，接着在光波导表面的两侧制作金属电极。而制作金属电极通常采用金属腐蚀法，即先在铌酸锂基片整个表面溅射一层金属薄膜，接着在其表面进行光刻，然后用化学腐蚀法腐蚀掉不需要的金属膜，而形成图形电极。如图2a至图2f所示是现有技术中制作铌酸锂光波导器件电极的工艺流程，（a）在铌酸锂基底1上，以SiO2作为SiO2掩模层3，采用退火质子交换技术制作出光波导2；（b）去除掩模层3后的芯片截面图；（c）在整个芯片上镀制一层金属薄膜4；（d）在金属薄膜4表面，在光波导2的两侧进行套刻，形成光刻胶层5的掩模图形；（e）腐蚀掉没有光刻胶层5掩模覆盖区域的金属薄膜；（f）去除光刻胶层掩模，完成电极制作。

由于图形电极与光波导必须套刻准确，而现有技术工艺在进行电极图形套刻前，铌酸锂光波导表面两侧的SiO2掩模已去除，因而必须在基片表面专门制作套刻标记，而不是将电极图形与光波导直接套刻，这样套刻的准确性与重复一致性难以保证。另外由于采用湿法腐蚀法制作电极，则要求镀制的金属膜易于腐蚀，对金属电极的种类有限制，如Pt等金属就很难用湿法腐蚀。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种铌酸锂光波导器件电极制作方法，采用本发明方法可以保证在铌酸锂光波导器件表面形成附着力良好图形完整的金属电极，并使得图形电极与光波导套刻准确，工艺简单方便。

本发明的技术方案是：

一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，包括下列步骤：步骤1：在铌酸锂基片上，以SiO2作为掩模制作光波导，形成铌酸锂芯片；步骤2：以光波导表面两侧的SiO2掩模作为套刻标记进行电极图形套刻；步骤3：去除位于电极区的SiO2掩模;步骤4：在铌酸锂芯片暴露表面上镀制金属薄膜；步骤5：将镀制好金属薄膜的铌酸锂芯片浸入剥离液中，去除铌酸锂基片表面上的光刻胶以及光刻胶表面覆盖的金属薄膜，清洁铌酸锂芯片表面；步骤6：采用腐蚀液去除铌酸锂芯片表面剩余的SiO2掩模，完成电极制作。

所述步骤3具体过程为：首先利用感应耦合等离子体刻蚀对位于电极区的SiO2掩模进行干法刻蚀大部分厚度，然后用腐蚀液对剩余的SiO2掩模进行湿法腐蚀直至完全去除。

所述步骤1制作过程为在铌酸锂基片表面生长一层厚度为200nm的SiO2薄膜，光刻出对应光波导的SiO2掩模，通过质子交换以及气氛退火技术在铌酸锂基片上形成光波导。

所述步骤3中的金属薄膜镀制采用溅射或者电子束蒸发的方法。

所述金属薄膜采用 Cr或Ni或Al单层金属膜。

所述金属薄膜是Ni/Au或Ti/Pt/Au组成多层金属膜。

所述步骤3和步骤6中去除铌酸锂芯片表面剩余的SiO2掩模腐蚀液是由氢氟酸和四氟化铵配置成的缓冲刻蚀液。

本发明具有如下优点：

1）利用本发明方法制作光波导的SiO2掩模和光波导区的界面，在光刻机的显微镜下能够清晰的辨识出掩模版上电极区与芯片表面光波导区边缘，从而可以直接将电极图形和光波导进行套刻，以保证两区域不重叠，提高套刻精度；

2）采用本发明方法SiO2腐蚀速率可控，能够保证光刻胶和SiO2组成倒台型形状一致性好，使得随后的金属剥离能够顺利进行，所制作出的电极边缘锐利光滑、缺陷少；

3）采用本发明方法在光波导制作完成后，其表面没有与金属材料直接接触，从而避免了金属离子可能掺入光波导的风险，并且避免镀膜过程离子轰击对光波导表面可能造成的损伤，从而确保的芯片的光学指标不会产生劣化；

4）本发明方法在电极材料的选择上不受腐蚀工艺对金属材料限制的影响，不论是易腐蚀金属Ti、Al和Ni，还是难以腐蚀的Pt、Au或者是多层金属膜结构均可使用此方法制作，而且工艺简单，剥离终点不敏感，有利于良品率的提升。

附图说明

图1、铌酸锂器件芯片表面光波导与图形电极的分布示意图；

图2a至图2f、现有技术工艺过程的铌酸锂光波导芯片结构示意图；

图3a至图3g、本发明方法工艺过程的铌酸锂光波导芯片结构示意图；

图4、本发明方法制作铌酸锂光波导器件电极的工艺流程图；

图5、本发明方法中SiO2掩模与光刻胶组合成的倒台型示意图；

其中：

1、铌酸锂基底；

2、光波导；

3、SiO2掩模层；

4、金属薄膜；

5、光刻胶层；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将结合具体实例及附图对发明的实施方式进行详细的说明。

本发明方法具体制作流程如图4所示，包括以下几个步骤：

步骤1：在铌酸锂基片上制作光波导：在铌酸锂基片表面生长一层厚度为200nm的SiO2薄膜，光刻出对应光波导的SiO2掩模，利用SiO2掩模，通过质子交换以及随后的气氛退火技术在铌酸锂基片上形成光波导，本步骤的铌酸锂芯片的结构如图3a所示，包括铌酸锂基片1和其上形成的光波导2，位于光波导2区域两侧的铌酸锂基片1表面上设置有SiO2掩模层3。

步骤2：以光波导表面两侧的SiO2掩模作为套刻标记进行电极图形套刻：如图3b所示，在步骤1形成的整个芯片表面旋涂上一层光刻胶层，利用铌酸锂基片上光波导2两侧的SiO2掩模层3，进行自对准的图形套刻，图形套刻采用紫外曝光、显影、坚膜等的工艺步骤，制作出与电极图形相对应的光刻胶图形，形成如图3c所示结构，包括铌酸锂基片1和其上形成的光波导2，位于光波导2区域两则的铌酸锂基片1表面上设置有SiO2掩模层3，非电极区域相对应的SiO2掩模层3和光波导2的上方设置有光刻胶层5。本步骤中紫外曝光、显影、坚膜就是图形套刻的工艺步骤，套刻就是把掩模版上的电极图形曝光到光刻胶的固定位置，通过显影在光刻胶上挖出光刻胶图形，这个图形中的电极位置应该分居光波导两侧不与光波导重叠，如图1所示，如果重叠则光波导上的光刻胶会被显影掉，那么溅射金属层的时候金属电极就会覆盖到光波导表面影响光学性能。套刻时，在光刻机的显微镜下可以清晰的辨识出掩模版上电极区与芯片表面SiO2掩模的边缘，直接将电极图形和光波导进行套刻，从而保证了套刻精度。

步骤3：去除电极区对应的SiO2掩模。首先使用感应耦合等离子体刻蚀技术将位于电极区的SiO2掩模进行干法刻蚀掉大部分厚度，一般为150nm厚，接着使用缓冲刻蚀液腐蚀掉电极区剩余的50nm厚的SiO2，使得位于电极区的SiO2掩模去除完全。本步骤的铌酸锂芯片的结构如图3d所示，包括铌酸锂基片1和其上形成的光波导2，非电极区域相对应的铌酸锂基片1上方依次设置有SiO2掩模层3和光刻胶层5，光波导2上方设置有光刻胶层5。

步骤4：使用溅射或者电子束蒸发的方法在步骤3整个芯片的暴露表面镀制金属薄膜4。本步骤的铌酸锂芯片的结构如图3e所示。金属薄膜可以选择Cr或Ni或Al单层金属膜，此外还可以采用Ni/Au或Ti/Pt/Au的多层金属膜结构。

步骤5：把步骤4镀制好金属薄膜的铌酸锂芯片浸入金属剥离液中，去除铌酸锂基片表面上的光刻胶以及光刻胶表面所附着的金属薄膜，用去离子水将处理后的芯片表面冲洗干净，经本步骤处理后的芯片结构如图3f所示，包括铌酸锂基片1和其上形成的光波导2，光波导2两侧铌酸锂基片1上电极区域设置有金属薄膜4，金属薄膜4旁边设置有SiO2掩模层3。

步骤6：使用缓冲刻蚀液大面积腐蚀掉步骤5制作的铌酸锂基片表面剩余的SiO2掩模3，完成电极制作。经本步骤处理后的芯片结构如图3g所示，包括铌酸锂基片1和其上形成的光波导2，光波导2两侧设置有金属薄膜4形成的电极。

本发明方法的步骤4中由于湿法腐蚀的钻蚀效应，腐蚀时光刻胶下面的SiO2也会受到缓冲刻蚀液的腐蚀作用，从而SiO2掩模层3、光波导2、铌酸锂基片1形成一个如图5所示的倒台形状，使得随后的金属剥离步骤能够顺利进行，并避免金属图形边缘毛刺和卷边现象发生，提高电极制作的合格率。

本发明方法的步骤3和步骤6中去除铌酸锂芯片表面剩余的SiO2掩模采用由腐蚀液氢氟酸和四氟化铵配置成的缓冲刻蚀液。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，包括下列步骤：

步骤1：在铌酸锂基片上表面生长一层SiO2薄膜，光刻出对应光波导的SiO2掩模，通过质子交换以及气氛退火技术在铌酸锂基片上形成光波导，形成铌酸锂芯片；

步骤2：在整个铌酸锂芯片表面上旋涂光刻胶层，以光波导表面两侧的SiO2掩模作为套刻标记进行电极图形套刻；

步骤3：去除位于电极区的SiO2掩模；

步骤4：在铌酸锂芯片暴露表面上镀制金属薄膜；

步骤5：将镀制好金属薄膜的铌酸锂芯片浸入剥离液中，去除铌酸锂基片表面上的光刻胶以及光刻胶表面覆盖的金属薄膜，清洁铌酸锂芯片表面；

步骤6：采用腐蚀液去除铌酸锂芯片表面剩余的SiO2掩模，完成电极制作。

2.如权利要求1所述的一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，其特征在于：所述步骤3具体过程为：首先利用感应耦合等离子体刻蚀对位于电极区的SiO2掩模进行干法刻蚀大部分厚度，然后用腐蚀液对剩余的SiO2掩模进行湿法腐蚀直至完全去除。

3.如权利要求1所述的一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，其特征在于：所述步骤4中的金属薄膜镀制采用溅射或者电子束蒸发的方法。

4.如权利要求3所述的一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，其特征在于：所述金属薄膜采用Cr或Ni或Al单层金属膜。

5.如权利要求3所述的一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，其特征在于：所述金属薄膜是Ni/Au或Ti/Pt/Au组成多层金属膜。

6.如权利要求1所述的一种铌酸锂光波导器件电极的制作方法，其特征在于：所述步骤6中去除铌酸锂芯片表面剩余的SiO2掩模腐蚀液是由氢氟酸和四氟化铵配置成的缓冲刻蚀液。