CN109149047A - 一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，包括在薄膜表面镀金属层、飞秒激光选择性烧蚀金属膜、化学机械抛光和过度抛光及金属膜化学腐蚀等步骤。本发明方法能够制备宽度在亚微米级，表面和边缘光滑度极高，传输损耗极低的超细脊状波导。该方法适用于各种片上薄膜(包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等)上制备高品质的超细脊状波导。

Description

一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光加工和化学机械抛光，特别是一种利用飞秒激光加工结合化学机械抛光制备片上低损耗超细脊状波导的方法。本方法适用于各种片上薄膜材料，包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等。
背景技术
微光学器件，指结构尺寸在亚微米级以上，表面粗糙度可达纳米级的微结构光学器件。片上微光学器件一般通过在空间乃至时间上对光场进行局域化，显著增加光与物质的相互作用，在基础研究和工程应用中，如量子光学、非线性光学、量子电动力学、光子学、低阈值激射、极小型滤波器、生物传感器、光学陀螺仪、光学频率梳等领域，有着重要的应用和发展前景。片上光波导是片上微光学器件的基础元件，利用波导材料与环境的高折射率差将光束缚在光波导中，一般具有强的光与物质相互作用强度和低的传输损耗。目前主流的芯片上的光波导(参见文献1：Zhang,Mian,et al."Monolithic ultra-high-Q lithiumniobate microring resonator."Optica 4.12(2017):1536-1537.)，其制造技术或借助半导体光刻方法，或借助飞秒激光结合聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法，这两种技术在材料表面微结构的制备上已经较为成熟，但前者只适合处理半导体薄膜材料或二氧化硅薄膜，面对铌酸锂等难以化学处理的介质薄膜时常常面临困境，也难以制备毫米乃至厘米量级的高质量结构；后者受限于FIB的加工效率，在制备大尺寸的结构以及大规模集成时面临问题。
飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应。由于飞秒脉冲作用时间极短，热效应非常小,因而大大提高了加工精度。基于上述优点，该技术已成为微制造领域的研究热点，在微流体、微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域已展露出重要的应用前景。利用飞秒激光微加工技术结合聚焦离子束(FIB)刻蚀已经实现对片上铌酸锂薄膜的加工，制备出了高品质的光学回音壁模式微腔(参见文献2：Lin,Jintian,et al."Fabrication of high-Q lithium niobatemicroresonators using femtosecond laser micromachining."Scientific reports 5(2015):8072.)。但受限于FIB的低效率，更大尺度的片上微光学器件及大规模的光学集成面临巨大困难，如何寻找一种合适的方案替代FIB与飞秒激光直写相结合以实现大尺寸片上微光学器件的制备和大规模微光学器件的集成是目前片上集成光子学领域面临的重要问题。
相对于传统的抛光方法，化学机械抛光可以同时借助于抛光液的腐蚀作用和磨料的机械作用完成工件表面的加工，在较高的材料去除率下，获得高品质无损伤的加工表面。其综合了化学抛光与机械抛光的优势，只采用化学抛光的优点是低损伤、完整性好，但是加工效率低。只采用机械抛光的有点是材料去除率高、平整度好，但是损伤深、精度差。而化学机械抛光通过优化抛光液和机床工艺参数，结合化学抛光和机械抛光的优点，可以同时实现较高材料去除率和低损伤高质量的抛光加工(参见文献3：Cadien,Kenneth C.,and LucyNolan."Chemical Mechanical Polishing Method and Practice."Handbook of ThinFilm Deposition(Fourth Edition).2018.317-357.)。但传统化学机械抛光都是用于制备平整的材料表面，而非用于实现片上薄膜结构整体质量的提升。本发明将飞秒激光加工技术与化学机械抛光技术相结合，使得片上大尺寸高品质微光学器件的制备和大规模集成为可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有的片上微加工技术难以在介质薄膜、半导体薄膜上构建亚微米乃至厘米量级尺寸的结构，以及难以制备宽度在亚微米量级同时光学传输损耗极低的片上脊状波导的困难，提供一种制备片上低损耗超细脊状波导的方法，该方法加工效率高，制备的脊状波导宽度极小(亚微米量级)、侧壁光滑度极高，光学传输损耗极低。所述的薄膜材料包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等。
本发明的技术方案如下：
一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，该制备方法包括下列步骤：
步骤1)薄膜表面镀金属膜：
①由上至下依次为薄膜层、支柱层和衬底构成薄膜样品，所述的薄膜层由介质薄膜或半导体薄膜制成；
②在所述的薄膜层的上表面镀金属膜；
步骤2)飞秒激光烧蚀：
①将镀有金属膜的薄膜样品固定在装有液体的样品槽中，使液面微高于金属膜表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上；
②通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的金属膜表面，对薄膜样品上表面进行烧蚀，同时驱动所述的三维位移平台运动，使所述的飞秒激光光束选择性去除覆盖于所述片上薄膜样品表面的金属膜，直到形成所需要的金属图案层；
步骤3)化学机械抛光：
将含有金属图案层的薄膜样品嵌入到模具中，利用抛光垫和抛光液进行抛光，抛光过程中，覆盖有金属图案层的薄膜区域没有接触到抛光垫和抛光液而被保留，其他薄膜区域经化学机械抛光被去除，金属图案层边缘的薄膜材料离金属图案层边缘越近去除效率越低，形成薄膜层楔形边角，与此同时金属图案层侧壁经过抛光形成金属膜楔形边角；
步骤4)过度抛光：
将具有金属膜楔形边角和薄膜层楔形边角的薄膜样品继续抛光，金属膜楔形边角厚度相比中央更薄，形成变窄的金属图案层和超细脊状波导；
步骤5)金属图案层化学腐蚀：
将经过化学机械抛光的薄膜样品置于腐蚀液中，对所述变窄的金属图案层进行腐蚀去除。
本发明的关键是步骤3和步骤4，在步骤3中将金属膜被选择性去除的薄膜样品进行化学机械抛光，靠近金属膜边缘的薄膜材料受到保护，远离金属膜的薄膜材料暴露在外，被选择性去除，从而产生楔形边角。在步骤4中经过过度抛光，金属图案层被进一步压窄，从而能够实现宽度在亚微米量级的脊状波导的制备，同时化学机械抛光也去除了金属图案层由于飞秒激光烧蚀造成的粗糙边缘，从而保证了微光学器件的低损耗。通过选择不同的金属膜厚度，以及化学机械抛光的参数(如抛光压力、研磨颗粒大小、时间)，就可以得到不同宽度的脊状波导。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：
1、突破了飞秒加工由于光学衍射极限对可加工的脊状波导宽度的限制，将脊状波导的宽度由微米级降低到了亚微米级，实现了通讯波段光的单模传导。
2、突破了飞秒激光微加工结合聚焦离子束(FIB)刻蚀制备片上微光学器件技术中难以制备大尺寸微器件和难以大规模集成的限制，大大提升了片上微光学器件的尺寸和片上微光学器件集成的效率。
3、得益于化学机械抛光极高的表面光滑度，本发明所制备的光波导具有极低的损耗。
附图说明
图1是本发明利用飞秒激光结合化学机械抛光制备低损耗超细脊状波导的流程示意图。
具体实施方式
下面通过实例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明利用飞秒激光结合化学机械抛光制备片上低损耗电光可调波导的流程示意图，现以片上铌酸锂单晶薄膜为例来说明本发明方法，由图可见，本发明利用飞秒激光结合化学机械抛光制备片上光学回音壁模式微腔的方法包括如下六步：
(1)表面镀Cr金属膜：取尺寸为3mm×4mm×1mm的片上单晶铌酸锂薄膜样品7，其由约1mm厚的衬底8、衬底上2μm的SiO2薄膜9以及SiO2薄膜上900nm厚的LiNbO3薄膜10组成。于10表面镀上400nm的Cr金属膜10。
(2)飞秒激光刻蚀：将上述镀膜样品用无水乙醇清洗后固定在三维位移平台上；飞秒激光对表面金属膜进行刻蚀的脉宽为40fs，中心波长为800nm，重复频率为1KHz；直写微盘腔时采用数值孔径为0.7的显微物镜聚焦，飞秒激光平均功率为0.2mW；扫描速度为300μm/s；留下宽度为2.5μm的脊状金属保护膜11。
(3)化学机械抛光：将表面Cr膜被飞秒激光烧蚀后的LiNbO3单晶薄膜样品固定在树脂模具(模具是利用可塑性树脂经过加热软化后冷却成型制作)中，对图中上表面利用金丝绒抛光垫和60nm二氧化硅悬浮液抛光30min，所使用的抛光机为上海必和-UNIPOL-802，抛光时金丝绒抛光垫转速为100r/min，抛光液流速为5mL/min，压强为10g/cm2制备出1μm宽的楔形边角13。
(4)过度抛光：将上述经化学机械抛光的薄膜样品继续抛光，得到宽度为500nm的脊状波导15。
(5)Cr金属膜化学腐蚀：将上述经过度抛光后的样品放入Cr腐蚀液中(硝酸和硝酸铈铵混合液)，直到Cr金属膜14被完全去除。
实施例中所使用的镀膜金属可以为铬、铝、铜等任何硬度高于薄膜硬度的金属材料。所使用的抛光垫可以为金丝绒抛光垫、阻尼布抛光垫等任何柔软的抛光材料。所使用薄膜层材料包括铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等介质和半导体材料。

Claims (7)

1.一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：
步骤1)薄膜表面镀金属膜：
①由上至下依次为薄膜层(9)、支柱层(8)和衬底(7)构成薄膜样品(6)，所述的薄膜层(9)由介质薄膜或半导体薄膜制成；
②在所述的薄膜层(9)的上表面镀金属膜(10)；
步骤2)飞秒激光烧蚀：
①将镀有金属膜的薄膜样品固定在装有液体的样品槽中，使液面微高于金属膜表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上；
②通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的金属膜(10)表面，对薄膜样品上表面进行烧蚀，同时驱动所述的三维位移平台运动，使所述的飞秒激光光束选择性去除覆盖于所述片上薄膜样品表面的金属膜，直到形成所需要的金属图案层(11)；
步骤3)化学机械抛光：
将含有金属图案层的薄膜样品嵌入到模具中，利用抛光垫和抛光液进行抛光，抛光过程中，覆盖有金属图案层(11)的薄膜区域没有接触到抛光垫和抛光液而被保留，其他薄膜区域经化学机械抛光被去除，金属图案层边缘的薄膜材料离金属图案层(11)边缘越近去除效率越低，形成薄膜层楔形边角(13)，与此同时金属图案层侧壁经过抛光形成金属膜楔形边角(12)；
步骤4)过度抛光：
将具有金属膜楔形边角(12)和薄膜层楔形边角(13)的薄膜样品继续抛光，金属膜楔形边角(12)厚度相比中央更薄，形成变窄的金属图案层(14)和超细脊状波导(15)；
步骤5)金属图案层(14)化学腐蚀：
将经过化学机械抛光的薄膜样品置于腐蚀液中，对所述变窄的金属图案层(14)进行腐蚀去除。
2.根据权利要求1所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于所述的薄膜层(9)为介质薄膜和半导体薄膜。
3.根据权利要求2所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于，所述的介质薄膜为铌酸锂薄膜、石英薄膜、二氧化硅薄膜或金刚石薄膜。
4.根据权利要求2所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于，所述的半导体薄膜为硅薄膜或氮化铝薄膜。
5.根据权利要求1所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于所述的金属膜的硬度高于薄膜层(9)的硬度，所述的金属膜的厚度由设计决定。
6.根据权利要求1所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于所述的脊状波导的尺寸在亚微米级乃至厘米级之间，其宽度在亚微米级至微米级。
7.根据权利要求1所述的片上低损耗超细脊状波导的制备方法，其特征在于所述的抛光液为二氧化硅小球悬浮液、三氧化二铝小球悬浮液或金刚石小球悬浮液。
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