CN114690316B - 一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，高质量铌酸锂波导在量子通信中至关重要，波导质量决定了芯片的质量，进而影响在量子通信中的传输量与传输速度，选用铌酸锂晶圆为衬底，在其正Z面沉积铬层、旋涂光刻胶，后经光刻、铬腐蚀在铌酸锂晶圆上得到波导图形，再经质子交换、刻蚀等工艺过程，得到高质量波导，光刻胶厚度控制在600‑700nm；氢离子与锂离子进行交换，质子源为配比4270：1的苯甲酸与苯甲酸锂熔融态，质子交换炉温度170℃、时间10‑24h；湿法刻蚀过程中，1：2.5氢氟酸和硝酸刻蚀液，16‑20℃的刻蚀温度。本发明采用的刻蚀工艺方法，使得展宽精准控制、刻蚀速率稳定、波导表面光滑、传输损耗低。
Description
技术领域
本发明是一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，属于半导体、芯片、铌酸锂调制器制造技术领域。
背景技术
传统通信方式在安全性方面就有很多缺陷，而量子通信最大的优势就是绝对安全和高效率性，量子通信会将信息进行加密传输，在这个过程中密钥不是一定的，充满随机性，即使被相关人员截获，也不容易获取真实信息，另外量子通信还有较强的抗干扰能力、很好的隐蔽性能、较低的噪音比需要以及广泛应用的可能性。自从1984年量子通信被提出以后，其通信距离在自由空间和光纤两种信道上都得到了迅猛的发展，但仍有一些瓶颈限制了通信距离的继续拓展，比如频率的差异，而解决频率差异问题较好的办法便是使用一种高效的频率转换器件、周期性极化铌酸锂波导，铌酸锂（LiNbO3，LN）是一种光学透明的单轴光弹性晶体，广泛应用于电光、非线性光学、声光压电和铁电等领域。然而，铌酸锂材料具有化学惰性，如果不进行任何预处理，就很难对其进行蚀刻。此外，由于铌酸锂材料的高硬度和耐磨性，机械加工也很难进行。虽然已经开发了各种蚀刻LN材料的技术，但这些刻蚀方法仍然存在一些不可避免的问题，如侧壁角过小、表面粗糙、刻蚀速率有限或两者的结合，影响了波导的结构，进一步影响其性能，因此一种良好的刻蚀方法尤为重要。
发明内容
本发明提出的是一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，高质量铌酸锂波导在量子通信中至关重要，波导质量决定了芯片的质量，进而影响在量子通信中的传输量与传输速度，其目的主要改进、解决上述背景中存在的问题。本发明根据不同配比的刻蚀液、温度、时间等工艺参数对波导质量的影响不同，对刻蚀工艺过程中的参数进行摸索，在铌酸锂衬底晶圆的正Z面上沉积铬层，在铬层上面旋涂一层600-700nm厚的光刻胶，形成多层复合晶圆结构；经光刻将掩模版上设计的波导结构转移到晶圆上；经铬腐蚀及去除光刻胶、切割等步骤，将芯片置于苯甲酸与苯甲酸锂的熔融态中，控制工作温度为170℃，进行环境中氢离子和铌酸锂衬底晶圆锂离子的交换；利用配比为1：2.5的氢氟酸与硝酸刻蚀溶液对芯片进行湿法刻蚀，得到波导结构。工艺步骤简述为选用铌酸锂晶圆做衬底，在其正Z面沉积铬层、旋涂光刻胶，后经光刻、铬腐蚀，再经质子交换、刻蚀等工艺过程，得到高质量波导，本发明采用的刻蚀工艺方法，使得展宽精准控制、刻蚀速率稳定、波导表面光滑、传输损耗低。
本发明提供了一种用于量子通信中波导的腐蚀工艺方法，具有一次性蚀刻的特点，简化了整个工艺的制作过程，且表现出较高的工艺兼容性。ICP刻蚀工艺中涉及到刻蚀气体、抽真空环节，用到的氮气、氩气等产量大成本高，相对而言，湿法刻蚀工艺方法只需要配制适当比例的刻蚀液，成本低。
本发明根据金属铬硬度高，将沉积在铌酸锂衬底晶圆的正Z面上，在氢离子与锂离子交换的过程中起到有效的阻隔作用；合理的波导结构设计以及光刻胶厚度设置，光刻过程可精确地控制波导的展宽，使得在多层复合晶圆上形成高质量的波导结构。
本发明在氢离子与锂离子进行交换的过程中，质子交换炉温度控制为170℃，此温度下苯甲酸锂与苯甲酸熔融并充分混合，且质子交换温度与质子交换时间有一定的关系，在170℃下，经过一定的时间，铌酸锂内部结构发生变化，使得刻蚀变得容易，提高了刻蚀速率。
本发明利用湿法刻蚀与质子交换过程的有效结合，使得波导的制作简单，波导传输损耗降低，刻蚀表面粗造度降低，易得到高质量波导结构。
对比文献1专利申请号202111116133.1一种高选择性掺钪氮化铝湿法刻蚀工艺方法，对比文献1中提到的也是湿法刻蚀，但是对比文献1所用的衬底晶圆、沉积层以及刻蚀溶液均与权利要求1不同，从根本上说，对比文献1与权利要求所选用的材料、应用环境用途均不同。
对比文献2专利申请号202111010741.4一种湿法刻蚀方法及分布参数电路版图，对比文献1中提到的刻蚀方法是多次分步骤刻蚀，其刻蚀温度为35-50℃，权利要求1提到的刻蚀不需要重复多次，而且在刻蚀液以及刻蚀温度都有本质的区别。
对比文献3专利申请号202010602370.8一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，对比文献3涉及的是钛扩散工艺，在铌酸锂内部形成埋入式钛扩散波导，权利要求1提到的是直接对铌酸锂进行刻蚀，形成脊波导，是两种不同的波导制作工艺。
对比文献4专利申请号201320755865.X一种铌酸锂波导芯片，对比文献1提到的是铌酸锂波导芯片的尺寸设计及衬底晶圆上涂层的厚度，与权利要求1有本质的区别，权利要求1主要是铌酸锂波导的刻蚀工艺，结构设计与制作工艺方法显然是本质区别。
对比文献5单晶铌酸锂薄膜上质子交换波导与光子器件的研究，其涉及到的质子交换技术是是焦磷酸为质子源，200℃下质子交换80分钟，质子交换过程中最重要的参数便是质子源、温度、质子交换时间，且未提到刻蚀方法而权利要求1所述的质子交换过程中提及的质子源、温度、质子交换时间均与对比文献5不同，在工艺方法中有根本性的区别。
对比文献6高温质子交换铌酸锂波导制备工艺研究，其主要研究高温质子交换，质子源是稀释的苯甲酸熔融液350℃下质子交换，与权利要求1的质子源、温度均不同，更重要的是对比文献6研究高温质子交换，权利要求1是质子交换与刻蚀的结合，在出发点、研究方向就有本质差异。
对比文献7铌酸锂光波导制作工艺进展，对比文献7提到几种制作波导的方法，并且只简述质子交换原理、过程，且参数都是一定的范围，并未提到湿法刻蚀的工艺方法。
对比文献8铌酸锂质子交换波导中切伦科夫倍频实验研究，其主要是质子交换铌酸锂平板波导中切伦科夫倍频蓝绿光输出研究，是波导性能方面的研究，权利要求1是波导的刻蚀工艺方法，及波导的涉及制成，与对比文献8的研究方向、意义均不同。
对比文献9钛扩散铌酸锂脊形波导理论分析与初步制备，对比文献9提到的是钛扩散工艺、且采用反应离子刻蚀，权利要求1是质子交换工艺，湿法刻蚀的方法，虽然都是波导的制备，却是不同的工艺不同的刻蚀方法，显而易见，得到的波导性能有差异。
具体实施方式
一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，包括以下步骤：
（1）按照3英寸铌酸锂晶圆的尺寸进行掩模板设计，在铌酸锂晶圆上设计8个芯片，芯片尺寸为5.5cm x 52nm，每个芯片上设计50-70条波导通道，波导宽度设计范围为8-15um，波导高度设计范围280-350um。根据设计的掩模板，选用3英寸铌酸锂晶圆做衬底，对晶圆进行清洗，除去晶圆表面杂质，利用气压枪将其吹干，采用物理气相沉积在铌酸锂晶圆的正Z面沉积一层铬膜，所镀铬层厚度为280nm,要求铬层厚度均匀，表面粗糙度低。利用旋涂仪在铬层上旋涂厚度为600-700nm的光刻胶，要求光刻胶厚度均匀，并将光刻胶烘干。
（2）第（1）步得到的多层复合晶圆，利用光刻机对其进行光刻，再通过显影液对多层复合晶圆的正Z面进行显影，此时掩模板上设计的波导结构转移到多层复合晶圆上。
（3）经过第（2）步，已显影的地方无光刻胶覆盖，即多层复合晶圆中的部分区域铬层裸露，将多层复合晶圆用乙醇、去离子水进行冲洗，后用气枪将其吹干，用铬腐蚀液对暴露的铬层进行腐蚀。
（4）经第（3）后，利用丙酮、乙醇、水等溶液去除多层复合晶圆正Z面未经显影区域的光刻胶，后对其冲洗并将其吹干。
（5）经第（4）步后得到的多层复合晶圆，利用切割机进行切割，选用的铌酸锂晶圆规格为3英寸，按照芯片的排布，可以将其切割成8个独立的芯片，每个芯片的尺寸为5.5cmx 52nm。将其放入质子交换炉，质子源为配比4270：1的苯甲酸与苯甲酸锂熔融态，设置质子交换炉的温度为170℃，利用温度传感器实时监测质子交换炉内部温度，确保温度上下浮动不超过正负0.5℃，质子交换炉中的温度稳定后，将切割好的正式片及质子交换测试片放到器皿上固定好，整体放入质子交换炉，正式片一次放入1-2片，根据掩模板参数设计要求，质子交换时间设置范围10-24小时。
（6）经第（5）步质子交换后，刻蚀液为氢氟酸和硝酸按照1：2.5的配比的混合液，经质子交换处理后的芯片放入刻蚀溶液中，刻蚀时间控制在10-30分钟，刻蚀过程中温度上下波动不超过0.5℃，要求为室温，控制在16-20℃。
Claims (3)
1.一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，其特征包括以下步骤：
a、铌酸锂晶圆芯片为5.5cm x 52nm， 50-70条波导通道，范围为8-15um，波导高度280-350um，铌酸锂晶圆进行清洗，吹干，物理气相沉积在铌酸锂晶圆的正Z面沉积一层铬膜，铬层厚度为280nm，旋涂厚度为600-700nm的光刻胶，烘干;
b、多层复合晶圆进行光刻，多层复合晶圆的正Z面进行显影;
c、多层复合晶圆中的部分区域铬层裸露，乙醇、去离子水进行冲洗，吹干，用铬腐蚀液对铬层腐蚀;
d、丙酮、乙醇、水等溶液去除光刻胶，冲洗并吹干;
e、多层复合晶圆切割，质子交换，质子源为配比4270：1的苯甲酸与苯甲酸锂熔融态，炉的温度为170℃，温度上下浮动不超过正负0.5℃，质子交换时间10-24小时;
f、刻蚀液为氢氟酸和硝酸按照1：2.5的配比的混合液，时间控制在10-30分钟，要求为室温，上下波动不超过0.5℃。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，其特征在于：光刻胶厚度控制在600-700nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子通信中波导的刻蚀工艺方法，其特征在于：氢离子与锂离子进行交换，质子源为配比4270：1的苯甲酸与苯甲酸锂熔融态，质子交换炉温度170℃、时间10-24h。
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