CN107621675A - 用碳离子束辐照制备氧化锌条形波导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用碳离子束辐照与光刻技术相结合制备氧化锌条形光波导的方法，属于光电子器件制备技术领域。将单晶ZnO的表面和两个端面光学抛光，样品表面上制备条形掩膜，再进行碳离子束辐照，清洗光刻胶掩膜，得到沟道条形光波导；或先用碳离子束辐照，再做光刻掩膜，再用Ar离子束进行刻蚀，得到脊形光波导。所形成的条形光波导可很好的保持氧化锌晶体的光学特性，在制备光开关、光调制器等方面具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备单晶光波导的方法，适用于碳离子束辐照制备ZnO条形光波导。属于光电子器件领域的波导制备方法。
技术背景
光波导作为集成光学的基本单元，也是全光网络的基础，光波导以其独特的性能、高集成化以及规模生产的低成本，在各种光器件的制造中起着重要的作用。光波导可以把光束限制在较小的区域传播以提高光密度，从而更好的利用晶体的光学性质或降低光学材料的泵浦阈值，对光信号传输、放大和调制等具有重要的价值。平面光波导是光在一个方向上受到约束，而在两个方向上受到约束则为条形波导。光波导的主要制备方法有：高温扩散、离子交换、化学气相沉积、分子数外延等。1991年美国的科技期刊杂志《AppliedPhysics Letters》报道了利用离子交换的方法在KTP上制备了光波导，1997年在同一期刊上报道了用溶胶-凝胶法制备了光波导。这些方法大多是化学过程，所制备的光波导的光学性质受到了制备方法的影响。ZnO晶体是一种宽禁带直接带隙半导体材料，不仅具有很强的压电特性，同时还显示出很强的光电效应和很大的非线性光学效应，在利用这些效应的器件中，尤其是利用非压电衬底的声光器件中，ZnO晶体是非常重要的波导材料，人们预测ZnO很可能成为下一代最主要的光电子材料。用高温扩散、离子交换等方法比较难在ZnO单晶上实现光波导结构。
发明内容
本发明提供了一种在ZnO晶体上制备条形波导的方法，条形波导包括脊形和沟道形光波导。所制备的波导层能后很好保持ZnO的光学性质，为拓宽ZnO晶体在集成光学器件中的应用提供了可能。
用碳离子束辐照制备ZnO晶体光波导的方法为：高能碳离子束辐照表面具有光刻掩膜的ZnO晶体表面，在辐照区形成条形光波导；或先用高能碳离子束辐照ZnO晶体抛光面得到平面光波导，再做光刻掩膜，用Ar离子束进行刻蚀， 得到脊型光波导。
本发明用离子束辐照结合光刻制备ZnO晶体上制备条形波导，所采用的工艺制作流程是：对ZnO晶体的上表面和两个端面进行光学抛光和清洗处理，在表面涂上光刻胶，做成条形光刻掩膜图形，再用高能加速器进行碳离子束辐照到晶体表面，在碳离子束的末端造成折射率的改变，最后除去光刻胶掩膜，进行适当热退火处理，形成沟道光波导；或先用高能碳离子束辐照ZnO晶体抛光面，得到平面光波导，再做光刻掩膜，用Ar离子束进行刻蚀，得到脊型光波导。采用的碳离子的能量为2.0～5.0兆电子伏特，辐照剂量在1×1014离子/每平方厘米～1×1016离子/每平方厘米范围内，碳离子为一价态，为了增加离子束辐照深度也可以用二价态或三价态。
碳离子束辐照ZnO晶体后，在离子射程的末端造成晶体折射率降低的光学位垒，在位垒区和晶体表面之间形成光波导区域。
本方法制备的ZnO晶体条形波导厚度在2～5微米，可以通过碳离子束的辐照能量进行控制；宽度2～8微米，可以通过掩膜进行控制。光波导可以形成单模或多模波导。
用碳离子束进行辐照，所需剂量低，成本低，波导区内的折射率改变大小及波导传输模式可以通过碳离子的剂量和能量进行调节和控制。整个制备过程可以在常温下进行，没有高温过程。
附图说明
图1A～图1D为碳离子束辐照制备ZnO脊形光波导的制作工艺示意图；
图1D为图1C的脊形波导俯视示意图；
图2A～图2B为碳离子束辐照制备ZnO沟道光波导的制作工艺示意图；
图2B为图2A的沟道波导俯视示意图；
图中：1.ZnO晶体，2.C离子束辐照，3.折射率减小的光学位垒层，4.波导区，5.Ar离子束刻蚀，6.光刻胶，7.输入激光，8.透镜，9.输出激光。
具体实施方式
实施例1
ZnO脊型光波导的制备
平面波导制备：切割ZnO晶体(1)z切，尺寸5毫米×10毫米，厚度0.5 毫米，表面和端面光学抛光。ZnO晶体用丙酮、乙醇和去离子水清洗；把准备好的样品放在加速器靶室中，辐照，束流为55纳安培，能量为4.5兆电子伏特，剂量为2×1015离子/每平方厘米的碳离子(2)，在晶体表面下离子束末端就形成了折射率降低的位垒层(3)，该层与空气之间形成平面波导(4)。
表面掩膜制备：利用高速匀胶机在ZnO晶体抛光面上涂光刻胶(5)，转速3500转每分钟，80摄氏度下烘烤20分钟，光刻胶为BP218紫外正胶。用光刻板对光刻胶曝光，光刻板为50毫米×10毫米的铬版，线条遮光部分为5毫米，不遮光部分为45毫米，条形周期为50微米。曝光后用专用显影液显影，用去离子水冲洗，形成光刻胶掩膜。将光刻后制成的膜版在氮气保护下加热至160摄氏度20分钟的处理，在此过程中使光刻胶的溶剂挥发出来，并且可以使光刻胶的固化，完成了掩膜版图形的制备
离子束刻蚀：在刻蚀机上进行Ar离子束(6)刻蚀，离子束的半径为4厘米，最大束流密度为1.0毫安培每厘米，刻蚀速率40纳米每分钟，刻蚀时间20分钟，刻蚀深度0.8微米。
后处理：用光刻胶腐蚀液去掉残留的光刻胶，用乙醇和去离子水清洗后，即可以在ZnO晶体上形成脊型光波导，激光器产生的输入激光(7)可以通过透镜(8)耦合到波导中，在波导另一端得到输出激光(9)。
实施例2
ZnO沟道形光波导的制备
样品抛光：切割ZnO晶体(1)z切，尺寸5毫米×10毫米，厚度0.5毫米，表面和端面光学抛光。ZnO晶体用丙酮、乙醇和去离子水清洗后，准备掩膜。
表面掩膜制备：利用高速匀胶机在ZnO晶体抛光面上涂光刻胶(5)，转速3500转每分钟，80摄氏度下烘烤20分钟，光刻胶为BP218紫外正胶。用光刻板对光刻胶曝光，光刻板为50毫米×10毫米的铬版，线条遮光部分为5毫米，不遮光部分为45毫米，条形周期为50微米。曝光后用专用显影液显影，用去离子水冲洗，形成光刻胶掩膜。将光刻后制成的膜版在氮气保护下加热至160摄氏度20分钟的处理，在此过程中使光刻胶的溶剂挥发出来，使光刻胶固化，完成掩膜版图形的制备。
碳离子辐照：把准备好的样品放在加速器靶室中，用碳离子束(2)辐照，能量为4.5兆电子伏特，剂量2×1015离子/每平方厘米，束流为55纳安培。
后处理：用光刻胶腐蚀液去掉残留的光刻胶，用乙醇和去离子水清洗后，即可以在ZnO晶体上形成沟道条形光波导。
Claims (4)
1.一种用碳离子束辐照与光刻技术相结合制备ZnO条形波导的方法，该制备方法包含：晶体表面光刻胶掩膜的制备和一定剂量和能量的碳离子束辐照ZnO晶体表面。
2.按照权利要求1所述，其特征在于：用碳离子束进行辐照，碳离子为一价碳离子(C+)，还可以利用二价态或三价态。
3.按照权利要求1所述，其中所述的辐照碳离子束的能量范围为2.0～5.0兆电子伏特。
4.按照权利要求1所述，其中所述的辐照碳离子的剂量范围1×1014离子/每平方厘米～1×1016离子/每平方厘米。
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