CN111379009A - 一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所提出的一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法利用磁力搅拌台驱动磁转子在抛光溶液中转动，进而搅拌抛光溶液与芯片表面发生流动接触，其中的抛光颗粒与干法刻蚀后的芯片表面发生半接触或滑动接触，并伴有少量的粒子轰击，同时抛光溶剂中的碱性离子与刻蚀表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和粒子轰击，进而去除沉积在干法刻蚀表面的刻蚀生成物以及干法刻蚀产生的尖峰和凸起，达到刻蚀表面和波导侧壁光滑化的效果，与传统的接触式机械研磨抛光和化学机械抛光方法相比，具有结构简单、操作简便、成本低、表面损伤小的优点。

Description

一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法
技术领域
本发明涉及集成光学芯片制造及微纳米加工领域，特别涉及一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法。
背景技术
光波导是构建集成光学功能器件和芯片的基本单元，其传输损耗主要取决于光波导侧壁和表面粗糙产生的散射损耗，而光波导表面和侧壁的粗糙度又取决于光波导的刻蚀工艺，尤其对于薄膜铌酸锂晶体材料，其加工工艺难度比氧化硅、硅和聚合物等材料大，薄膜铌酸锂光波导的刻蚀目前主要采用氩离子干法刻蚀，其原理是采用氩离子对薄膜铌酸锂材料的表面进行轰击，经干法刻蚀后的光波导侧壁和表面粗糙度通常较大，且该刻蚀过程中产生的刻蚀生成物会不断聚集在光波导的侧壁和表面，进一步恶化光波导的表面粗糙度，导致较高的光波导传输损耗。
目前降低薄膜铌酸锂光波导表面粗糙度的方法主要包括两种：一是采用感应耦合等离子体干法刻蚀，通过不断优化射频功率和刻蚀气压减少刻蚀生成物的沉积，但这种方法对刻蚀设备的性能要求很高，价格昂贵，且对刻蚀表面粗糙度的降低效果有限；二是采用抛光技术将光波导的表面进行光滑处理，抛光技术在微纳加工工艺中主要用于晶圆衬底平面的抛光，其方法是将晶圆衬底固定在抛光夹具上，将待抛光平面倒置于抛光机的抛光垫上，利用抛光液对该平面进行物理摩擦和化学腐蚀，从而实现对衬底平面的抛光处理，然而对于刻蚀过后的光波导，由于光波导图形的存在，传统的抛光工艺难以对光波导的侧壁进行抛光，且抛光过程会对光波导的表面产生损伤。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法，能够有效降低薄膜铌酸锂光波导刻蚀表面和侧壁粗糙度，同时不会对其产生损伤。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，所述装置包括：
抛光机构，包括操作台以及设于操作台上的磁力搅拌台，所述磁力搅拌台上放置有用于抛光的抛光容器；
夹持机构，包括设于操作台上的支撑架和用于夹持待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片的芯片夹具；
所述芯片夹具倒置安装在支撑架的下方，并浸入抛光容器中的抛光溶液。
优选的是，所述支撑架包括垂直固定杆、水平悬臂梁以及垂直支架，所述垂直固定杆通过第一连接件与水平悬臂梁活动连接，所述水平悬臂梁通过第二连接件与垂直支架活动连接，所述垂直支架一端向下延伸至抛光容器中且其端部与芯片夹具的夹具底座连接。
优选的是，所述水平悬臂梁通过第一连接件在垂直固定杆的长度范围内移动，垂直支架通过第二连接件在水平悬臂梁的长度范围内移动。
优选的是，所述抛光容器中放置有磁转子。
一种薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，包括以下步骤：
步骤一：在抛光容器中加入粗抛光溶液，然后将待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片安装在芯片夹具上，并浸入粗抛光溶液，之后启动磁力搅拌机开始粗抛光；
步骤二：将步骤一中粗抛光后的薄膜铌酸锂光波导芯片进行清洗；
步骤三：将抛光容器中的粗抛光溶液倒出，然后加入细抛光溶液，将清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片浸入细抛光溶液中，启动磁力搅拌机开始细抛光，最后得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片。
优选的是，所述步骤一中启动磁力搅拌台，驱动磁转子高速转动以搅拌粗抛光溶液与待抛光薄膜铌酸锂芯片表面发生流动接触，粗抛光溶液中的粗抛光颗粒与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生半接触和滑动接触，粗抛光溶液的抛光溶剂中的碱性离子与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生化学刻蚀反应，利用粗抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和流动侵蚀，对薄膜铌酸锂光波导芯片进行粗抛光。
优选的是，所述步骤三中启动磁力搅拌台，驱动磁转子高速转动以搅拌细抛光溶液与清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生流动接触，细抛光溶液中的细抛光颗粒与薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生半接触和滑动接触，并伴有沿芯片表面方向的细抛光颗粒轰击，细抛光溶液的抛光溶剂中的碱性离子与铌酸锂光波导芯片表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和细抛光颗粒轰击，对薄膜铌酸锂光波导芯片的精细抛光，得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片。
优选的是，所述粗抛光溶液为氧化硅、氧化铈、金刚石以及氧化铝抛光液中的一种，所述粗抛光溶液的抛光溶剂中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，所述粗抛光液的抛光颗粒的直径大小为100-1000nm；所述细抛光溶液为氧化硅、氧化铈、金刚石以及氧化铝抛光液中的一种，所述细抛光溶液的抛光溶剂中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，所述细抛光液的抛光颗粒的直径大小为10‍-90‍nm。
优选的是，所述粗抛光溶液为氧化硅抛光液，其粗抛光颗粒的质量分数为15%-30%，其抛光溶剂中氢氧化钾或氢氧化钠的质量分数为1%-10%；所述细抛光溶液为氧化硅抛光液，其细抛光颗粒的质量分数为15%-30%，其抛光溶剂中氢氧化钾或氢氧化钠的质量分数为1%-10%。
优选的是，所述待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片为干法刻蚀工艺后的脊型光波导芯片、矩形光波导芯片或干法刻蚀工艺后去除刻蚀掩膜的脊型光波导芯片、矩形光波导芯片。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法可以对刻蚀后的薄膜铌酸锂光波导进行侧壁抛光，解决传统抛光工艺难以对光波导侧壁抛光的工艺难题。
2、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法基于磁力搅拌方式，抛光工艺过程均在抛光溶液中实现，对光波导芯片的表面损伤小，不仅适用于薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光，还可应用于硅基、化合物基及聚合物基光波导芯片的抛光。
3、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法所采用的工艺装置简单、成本低、体积小，便于操作。
综上所述，本发明所提出的一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置及其抛光方法利用磁力搅拌台驱动磁转子在抛光溶液中转动，进而搅拌抛光溶液与芯片表面发生流动接触，其中的抛光颗粒与薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生半接触或滑动接触，并伴有少量的粒子轰击，同时抛光溶剂中的碱性离子与薄膜铌酸锂光波导芯片表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和粒子轰击，进而去除沉积在薄膜铌酸锂光波导芯片表面的刻蚀生成物以及干法刻蚀产生的尖峰和凸起，达到刻蚀表面和波导侧壁光滑化的效果，与传统的接触式机械抛光或化学机械抛光方法相比，具有结构简单、操作简便、成本低、表面损伤小的优点。
另外，本发明所提供的抛光方法对波导的侧壁进行抛光，但是波导侧壁的垂直度一般在70度至90度之间，侧壁高度300nm-400nm左右，并且粗糙的位置一般在侧壁的下半部分和底部角落，大直径的抛光颗粒对波导侧壁的这个位置没有机械接触，所以粗抛光的时候，几乎没有机械作用，这样就避免了带有较大势能的大直径抛光颗粒直接轰击波导侧壁导致其损伤。
附图说明
图1为本发明实施例中的装置结构示意图；
图2为本发明实施例中粗抛光过程示意图；
图3为本发明实施例中细抛光过程示意图；
1、操作台，2、磁力搅拌台，3、抛光容器，4、支撑架，41、垂直固定杆，42、水平悬臂梁，43、垂直支架，44、第一连接件，45、第二连接件，5、芯片夹具，6、抛光溶液，61、粗抛光溶液，62、细抛光溶液，7、磁转子，8、薄膜铌酸锂光波导芯片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例来说明本发明的具体内容，
一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，如图1所示，该装置包括操作台1、磁力搅拌台2、抛光容器3、支撑架4以及芯片夹具5。其中，磁力搅拌台2和支撑架4设于操作台上，抛光容器3设于磁力搅拌台2上，且其内部放置有抛光溶液6和磁转子7。
支撑架4包括垂直固定杆41、水平悬臂梁42以及垂直支架43，垂直固定杆41通过第一连接件44与水平悬臂梁42活动连接，水平悬臂梁42通过第二连接件45与垂直支架43活动连接，水平悬臂梁42通过第一连接件44在垂直固定杆41的长度范围内移动，垂直支架43通过第二连接件45在水平悬臂梁42的长度范围内移动。垂直支架43一端向下延伸至抛光容器3中且其端部与芯片夹具5的夹具底座连接。芯片夹具5倒置安装在支撑架的下方，并浸入抛光容器3中的抛光溶液6。
实施例1：
在抛光容器3中加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为100nm的粗抛光溶液61，然后将待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8安装在芯片夹具5上，并浸入粗抛光溶液61，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌粗抛光溶液61，使得粗抛光溶液61与待抛光薄膜铌酸锂芯片8表面发生流动接触，粗抛光溶液61中的粗抛光颗粒与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，粗抛光溶液61的抛光溶剂中的碱性离子与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用粗抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和流动侵蚀，对待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8进行粗抛光。
粗抛光后对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行清洗，同时将抛光容器中的粗抛光溶液61倒出，然后加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为10‍nm的细抛光溶液62，将清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8浸入细抛光溶液中，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌细抛光溶液62，使得细抛光溶液62与清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生流动接触，细抛光溶液62中的细抛光颗粒与薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，并伴有沿芯片表面方向的细抛光颗粒轰击，细抛光溶液62的抛光溶剂中的碱性离子与铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和细抛光颗粒轰击，对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行精细抛光，得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片8。
实施例2：
在抛光容器3中加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为650nm的粗抛光溶液61，然后将待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8安装在芯片夹具5上，并浸入粗抛光溶液61，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌粗抛光溶液61，使得粗抛光溶液61与待抛光薄膜铌酸锂芯片8表面发生流动接触，粗抛光溶液61中的粗抛光颗粒与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，粗抛光溶液61的抛光溶剂中的碱性离子与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用粗抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和流动侵蚀，对待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8进行粗抛光。
粗抛光后对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行清洗，同时将抛光容器中的粗抛光溶液61倒出，然后加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为35nm的细抛光溶液62，将清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8浸入细抛光溶液中，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌细抛光溶液62，使得细抛光溶液62与清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生流动接触，细抛光溶液62中的细抛光颗粒与薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，并伴有沿芯片表面方向的细抛光颗粒轰击，细抛光溶液62的抛光溶剂中的碱性离子与铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和细抛光颗粒轰击，对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行精细抛光，得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片8。
实施例3：
在抛光容器3中加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为850nm的粗抛光溶液61，然后将待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8安装在芯片夹具5上，并浸入粗抛光溶液61，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌粗抛光溶液61，使得粗抛光溶液61与待抛光薄膜铌酸锂芯片8表面发生流动接触，粗抛光溶液61中的粗抛光颗粒与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，粗抛光溶液61的抛光溶剂中的碱性离子与待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用粗抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和流动侵蚀，对待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片8进行粗抛光。
粗抛光后对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行清洗，同时将抛光容器中的粗抛光溶液61倒出，然后加入氧化硅抛光颗粒的直径大小为70‍nm的细抛光溶液62，将清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8浸入细抛光溶液中，启动磁力搅拌台2，驱动磁转子7高速转动以搅拌细抛光溶液62，使得细抛光溶液62与清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生流动接触，细抛光溶液62中的细抛光颗粒与薄膜铌酸锂光波导芯片8表面发生半接触和滑动接触，并伴有沿芯片表面方向的细抛光颗粒轰击，细抛光溶液62的抛光溶剂中的碱性离子与铌酸锂光波导芯片8表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和细抛光颗粒轰击，对薄膜铌酸锂光波导芯片8进行精细抛光，得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片8。

Claims (10)

1.一种薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，其特征在于，所述装置包括：
抛光机构，包括操作台以及设于操作台上的磁力搅拌台，所述磁力搅拌台上放置有用于抛光的抛光容器；
夹持机构，包括设于操作台上的支撑架和用于夹持待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片的芯片夹具；
所述芯片夹具倒置安装在支撑架的下方，并浸入抛光容器中的抛光溶液。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，其特征在于：所述支撑架包括垂直固定杆、水平悬臂梁以及垂直支架，所述垂直固定杆通过第一连接件与水平悬臂梁活动连接，所述水平悬臂梁通过第二连接件与垂直支架活动连接，所述垂直支架一端向下延伸至抛光容器中且其端部与芯片夹具的夹具底座连接。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，其特征在于：所述水平悬臂梁通过第一连接件在垂直固定杆的长度范围内移动，垂直支架通过第二连接件在水平悬臂梁的长度范围内移动。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置，其特征在于：所述抛光容器中放置有磁转子。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的薄膜铌酸锂光波导芯片抛光装置的抛光方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在抛光容器中加入粗抛光溶液，然后将待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片安装在芯片夹具上，并浸入粗抛光溶液，之后启动磁力搅拌机开始粗抛光；
步骤二：将步骤一中粗抛光后的薄膜铌酸锂光波导芯片进行清洗；
步骤三：将抛光容器中的粗抛光溶液倒出，然后加入细抛光溶液，将清洗后的薄膜铌酸锂光波导芯片浸入细抛光溶液中，启动磁力搅拌机开始细抛光，最后得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片。
6.根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，其特征在于：所述步骤一中启动磁力搅拌台，驱动磁转子高速转动以搅拌粗抛光溶液与待抛光薄膜铌酸锂芯片表面发生流动接触，粗抛光溶液中的粗抛光颗粒与待抛光薄膜铌酸锂芯片表面发生半接触和滑动接触，粗抛光溶液的抛光溶剂中的碱性离子与待抛光薄膜铌酸锂芯片表面发生化学刻蚀反应，利用粗抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和流动侵蚀，对薄膜铌酸锂光波导芯片进行粗抛光。
7.根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，其特征在于：所述步骤三中启动磁力搅拌台，驱动磁转子高速转动以搅拌细抛光溶液与待抛光薄膜铌酸锂芯片表面发生流动接触，细抛光溶液中的细抛光颗粒与干法刻蚀后的芯片表面发生半接触和滑动接触，并伴有沿芯片表面方向的细抛光颗粒轰击，细抛光溶液的抛光溶剂中的碱性离子与刻蚀表面发生化学刻蚀反应，利用抛光溶液的不断搅动实现沿刻蚀表面平行方向的化学刻蚀和细抛光颗粒轰击，对薄膜铌酸锂光波导芯片进行精细抛光，得到光波导侧壁和表面光滑的薄膜铌酸锂光波导芯片。
8.根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，其特征在于：所述粗抛光溶液为氧化硅、氧化铈、金刚石以及氧化铝抛光液中的一种，所述粗抛光溶液的抛光溶剂中含有氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，所述粗抛光液的抛光颗粒的直径大小为100-1000nm；所述细抛光溶液为氧化硅、氧化铈、金刚石以及氧化铝抛光液中的一种，所述细抛光溶液的抛光溶剂中含氢氧化钠、氢氧化钾中的一种；所述细抛光液的抛光颗粒的直径大小为10‍-90‍nm。
9.根据权利要求8所述的薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，其特征在于：所述粗抛光溶液为氧化硅抛光液，其粗抛光颗粒的质量分数为15%-30%，其粗抛光溶剂中氢氧化钾或氢氧化钠的质量分数为1%-10%；所述细抛光溶液为氧化硅抛光液，其细抛光颗粒的质量分数为15%-30%，其细抛光溶剂中氢氧化钾或氢氧化钠的质量分数为1%-10%。
10.根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂光波导芯片的抛光方法，其特征在于：所述待抛光薄膜铌酸锂光波导芯片为干法刻蚀工艺后的脊型光波导芯片、矩形光波导芯片或干法刻蚀工艺后去除刻蚀掩膜的脊型光波导芯片、矩形光波导芯片。
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