CN110718841A - 一种片上集成硅基微球腔的制备方法 - Google Patents

一种片上集成硅基微球腔的制备方法 Download PDF

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韩海龙
尤立星
刘晓平
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof

Abstract

本申请提供一种片上集成硅基微球腔的制备方法，包括以下步骤：获取SOI基片，SOI基片包括顶部的器件层，底部的支撑层和位于器件层和支撑层之间的氧化层，器件层为Si层,氧化层为SiO2层，支撑层为Si层；采用匀胶机在器件层上旋涂光刻胶层；采用光刻机曝光后显影，将设定大小的圆形图案转移到光刻胶层上；在器件层上依次刻蚀出顶部硅柱和底部硅柱，其中底部硅柱的顶面直径小于顶部硅柱的直径，顶部硅柱为圆柱结构；去除光刻胶层；顶部硅柱结构经过激光辐照加热熔化设定时间后，顶部硅柱结构形成球形微腔。本申请实施例提供的硅基微球腔的制备方法通过在SOI基片上刻蚀顶部硅柱和底部硅柱获得的球形微腔粗糙度很小，品质因子Q值很高。

Description

一种片上集成硅基微球腔的制备方法
技术领域
本申请涉及光学谐振腔技术领域，特别涉及一种片上集成硅基微球腔的制备方法。
背景技术
光学谐振腔一直以来在现代光学领域扮演者重要的角色，它不仅是激光器相关领域的基石；同时，它也在精确测量和探测方面应用广泛，以及在非线性光学领域发挥着巨大作用。但是，常规光学谐振腔的某些特性极大地限制了它的使用范围，比如它们的尺寸，重量，对准以及稳定性问题等等。为了解决以上这些问题，近些年来人们着力发展了集成光学微腔，包含集成光学微腔的理论研究，制备加工，性能测试以及相关应用。光学谐振腔是指对光波起到空间和时间上的局域增强作用以及频率选择作用的光学元器件。在时间上的限制作用以品质因数Q值来表征，在空间上的局域作用以模式体积Veff来表示。特点超高Q值、极小的模式体积、超高的能量密度和极窄的线宽。
近几十年来，光学微球腔一直受到研究者广泛地关注和不断地研究。因为，光学微球腔在许多领域有着巨大的潜在应用。人们使用复杂的技术处理可以使得二氧化硅基光学微球腔的Q值大于107。但是，由于二氧化硅的光学透明窗口在可见光和近红外波段，这就限制了二氧化硅基微球腔的应用范围；因为，实际生活中恰巧在中红外波段又有着很多重要的应用。显然，硅是一个不错的替代者，因为它的透明窗口是从近红外到中红外波段；而且，它拥有更大的光学非线性系数，例如三阶非线性系数是二氧化硅的1000倍，这就引起了人们研究硅基光学微球腔的极大热情。
由于高Q值的硅基微球腔拥有巨大的应用市场和广泛的应用领域，一方面，为了制备和研究硅基微球腔，人们尝试了许多的方法和途径。另外一方面，由于微球腔的表面粗糙度严重损害它的Q值，所以，大家采用各种办法来降低微球腔的表面粗糙度。目前，对于硅基微球腔的工作有一些相关报道，但是，仍然缺乏高效制备适当尺寸的高Q值微球腔的方法。
发明内容
本申请要解决是硅基微球腔的表面粗糙度较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种片上集成硅基微球腔的制备方法，包括以下步骤：
获取SOI基片，所述SOI基片包括顶部的器件层，底部的支撑层和位于所述器件层和所述支撑层之间的氧化层，所述器件层为Si层,所述氧化层为SiO2层，所述支撑层为Si层；
采用匀胶机在所述器件层上旋涂光刻胶层；
采用光刻机曝光后显影，将设定大小的圆形图案转移到所述光刻胶层上；
在所述器件层上依次刻蚀出顶部硅柱和底部硅柱，其中所述底部硅柱的顶面直径小于所述顶部硅柱的直径，所述顶部硅柱为圆柱结构；
去除所述光刻胶层；
所述顶部硅柱结构经过激光辐照加热熔化设定时间后，所述顶部硅柱结构形成球形微腔。
进一步地，所述光刻胶层的厚度为1-2μm。
进一步地，所述器件层的厚度为16μm，所述氧化层的厚度为2μm，所述支撑层的厚度为600μm。
进一步地，所述激光的波长为532nm。
进一步地，所述底部硅柱为圆柱结构。
可选的，所述底部硅柱为圆台结构。
进一步地，所述顶部硅柱和所述底部硅柱均采用博世(Bosch)工艺刻蚀。
进一步地，所述匀胶机的转速设定为3000-6000r/min,时间为40-50s。
进一步地，所述激光的功率为8.5W。
进一步地，所述激光辐照的时间为0.05s。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请实施例提供的片上集成硅基微球腔的制备方法通过在SOI基片上刻蚀顶部硅柱和底部硅柱获得的球形微腔粗糙度很小，品质因子Q值很高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种片上集成硅基微球腔的制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例硅基微球腔的扫描电子显微镜图；
图3为本申请实施例硅基微球腔的原子力显微镜图；
图4为本申请实施例微球腔的透射谱；
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种片上集成硅基微球腔的制备方法的流程示意图，包括以下步骤：
获取SOI基片，所述SOI基片包括顶部的器件层，底部的支撑层和位于所述器件层和所述支撑层之间的氧化层，所述器件层为Si层,所述氧化层为SiO2层，所述支撑层为Si层；所述器件层的厚度为16μm，所述氧化层的厚度为2μm，所述支撑层的厚度为600μm。
采用匀胶机在所述器件层上旋涂光刻胶层；其中，所述光刻胶层的厚度为1-2μm，所述匀胶机的转速设定为3000-6000r/min,时间设定为40-50s。一种可实施的方案中，光刻胶层的厚度可以为1.5μm，匀胶机的转速设定为4000r/min，时间设定为45s。
采用光刻机曝光后显影，将设定大小的圆形图案转移到所述光刻胶层上；
在所述器件层上依次刻蚀出顶部硅柱和底部硅柱，其中，所述底部硅柱的顶面直径小于所述顶部硅柱的直径，所述顶部硅柱为圆柱结构；一种可实施的方案中，所述底部硅柱也为圆柱结构。另一种可实施的方案中，所述底部硅柱为圆台结构。
去除所述光刻胶层；
所述顶部硅柱结构经过激光辐照加热熔化设定时间后，所述顶部硅柱由于表面张力的作用形成球形微腔。本申请实施例中，所述激光的波长为532nm，激光的功率为8.5W，所述激光辐照的时间为0.05s。
本申请实施例中，所述顶部硅柱和所述底部硅柱均采用Bosch工艺刻蚀。本申请实施例提供的一种片上集成硅基微球腔的制备方法可以在SOI基片上面有选择的制备硅基微球腔，实现硅基微球腔的片上集成。
图2为采用本申请实施例一种片上集成硅基微球腔的制备方法所制备的硅基微球腔的原子力显微镜图，从图中可以看出，该方法制备的硅基微球腔的表面粗糙度较低，表面粗糙度约为0.6nm，
图3(a)、(b)、(c)和(d)分别是经过顶部硅柱和底部硅柱刻蚀得到的硅基微结构扫描电子显微镜图、经过激光照射形成的硅基微球腔的前视图、经过激光照射形成的硅基微球腔的顶视图和经过激光照射形成的硅基微球腔微球腔表面局部区域的细节放大图。图3(b)展示了激光照射后得到的硅基微球腔，表面非常光滑。图3(c)展示了该硅基微球腔的顶视图，从图中我们可以知道该微球腔拥有一个完美的赤道区域，这就可以保证该微球腔作为光学微腔的应用是非常合适的。我们放大了图3(b)中红色方框中的区域，图3(d)展示了该区域的细节形貌。我们可以看到，该区域的边缘非常光滑，表面没有明显粗糙之处，这样就预示着该硅基微球腔很可能具有高的Q值(品质因子)，有利于后期的研究和应用。
本申请实施例中，所制备的硅基微球腔的光学性能通过自主搭建的测试系统进行测试，该测试系统主要分为三个部分：光源系统、耦合系统和光谱采集系统。其中，光源选择超辐射发光二极管激光器(CHINA-FIBER,Model:OS-EB-D-1250～1650-1-FC/APC)，另外，采用拉锥光纤耦合的方式作为耦合的方法。光谱采集系统选择的是光谱分析仪(YOKOGAWA,Model:AQ6375B)。微球腔被固定在一个三轴位移台上，进行调节控制。耦合区域有两个电荷耦合器件(CCD)来实时观察耦合过程，方便调节光纤和微球腔的相对位置。这样就可以通过拉锥光纤把光耦合出微球腔，进入光谱分析仪，观察并记录测试结果。
如图4(a)所示，本申请实施例在波长范围在1515-1525nm之间进行测试。显然，在图4(a)中显示的透射谱中出现很多透射率陡降的波谷，这就说明在这些透射率陡降的地方，拉锥光纤的光被耦合进入微球腔，微球腔内产生了光学谐振回音壁模式。利用洛伦兹线形去拟合这些耦合线，发现Q值都大于105。
本申请实施例中，为了进一步的分析微球腔所发生的光学回音壁模式共振现象，选择了其中一个波长处的耦合来具体研究，如图4(b)所示，黑色线是的测量数据所绘制的图谱，红色的线是利用洛伦兹线型拟合的图谱。根据以上数据的拟合结果，得出该处的半波宽度为0.00437nm，经过计算其Q值达到3.5×105。如前所述，微球腔的表面粗糙度会造成微球腔的散射损耗，进而会降低微球腔的品质因数。利用本申请实施例所述硅基微球腔的制备方法所制备的硅基微球腔表面光滑，表面散射损耗很小，具有很高的Q值，拥有广泛的应用空间。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取SOI基片，所述SOI基片包括顶部的器件层，底部的支撑层和位于所述器件层和所述支撑层之间的氧化层，所述器件层为Si层,所述氧化层为SiO2层，所述支撑层为Si层；
采用匀胶机在所述器件层上旋涂光刻胶层；
采用光刻机曝光后显影，将设定大小的圆形图案转移到所述光刻胶层上；
在所述器件层上依次刻蚀出顶部硅柱和底部硅柱，其中所述底部硅柱的顶面直径小于所述顶部硅柱的直径，所述顶部硅柱为圆柱结构；
去除所述光刻胶层；
所述顶部硅柱结构经过激光辐照加热熔化设定时间后，所述顶部硅柱结构形成球形微腔。
2.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为1-2μm。
3.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述器件层的厚度为16μm，所述氧化层的厚度为2μm，所述支撑层的厚度为600μm。
4.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述激光的波长为532nm。
5.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述底部硅柱为圆柱结构。
6.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述底部硅柱为圆台结构。
7.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述顶部硅柱和所述底部硅柱均采用博世(Bosch)工艺刻蚀。
8.根据权利要求1所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述匀胶机的转速设定为3000-6000r/min,时间为40-50s。
9.根据权利要求4所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述激光的功率为8.5W。
10.根据权利要求9所述的片上集成硅基微球腔的制备方法，其特征在于，所述激光辐照的时间为0.05s。
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