CN115016063A - 一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，属于光芯片加工技术领域，包括：一、准备LNOI片；二、旋涂HSQ/ZEP：在LNOI片上旋涂HSQ/ZEP双层胶，ZEP为底层胶；对ZEP的厚度进行调控；三、光刻显影HSQ：利用电子束曝光波导图形，显影去除未曝光的HSQ；四、干法刻蚀ZEP：对刻蚀参数进行调控；五、分步刻蚀LN：首先利用CHF3和Ar等离子体进行短时间的常规刻蚀，然后利用CHF3等离子体进行更短时间的刻蚀，即利用化学刻蚀的各向同性减小LN波导的侧壁起伏，然后重复步骤五，直至完成刻蚀；六、去除HSQ/ZEP：采用丁酮溶液去除HSQ/ZEP掩膜。
Description
技术领域
本发明属于光芯片加工技术领域，具体涉及一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺。
背景技术
铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一，其电光特性出众，基于铌酸锂制备的电光调制器是现代光纤通信技术的支柱。并且其透明窗口范围、光学损耗、非线性性能、高速电光调制性能和压电性能等方面相较硅有很大的优势。从1990年铌酸锂晶体产业化以来，人们就尝试使用质子交换等技术来制备光波导，但是由于当时绝缘体上薄膜未开发成功，其集成光子学的巨大应用潜力并未被发掘。而近几年出现的绝缘体上铌酸锂薄膜材料(LNOI)彻底改变了这一状况。
LNOI片上低损耗波导的制备是探索LNOI在微纳光子学应用的前提。波导的侧壁起伏程度是传输损耗的主要影响因素。而侧壁起伏程度主要由刻蚀掩膜精度和刻蚀工艺决定。现有技术无法采用高精度的HSQ掩膜刻蚀含氧化硅或氮化硅膜层的衬底，因为HSQ的去胶液BOE会损坏氧化硅或氮化硅；另外，现有的干法刻蚀铌酸锂工艺，刻蚀出的波导侧壁起伏较大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，在常规波导刻蚀工艺的基础上进行了两点改进，一是提出采用HSQ/ZEP双层胶作为刻蚀LNOI上薄膜铌酸锂(LN)的掩膜，二是采用分步刻蚀的方法减小薄膜LN波导的侧壁起伏，实现了LNOI上亚纳米级精度波导加工。
本发明的目的是提供一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，包括：
步骤一、准备LNOI片；
步骤二、旋涂HSQ/ZEP：在所述LNOI片上旋涂HSQ/ZEP双层胶，其中：ZEP为底层胶，HSQ为顶层胶；对ZEP的厚度进行调控，保证HSQ/ZEP后续可以去除干净和HSQ/ZEP的整体耐刻蚀性；
步骤三、光刻显影HSQ：利用电子束曝光波导图形，显影去除未曝光位置的HSQ；
步骤四、干法刻蚀ZEP：对气体比例，偏压功率，反应室压力等刻蚀参数进行调控，保证ZEP的侧壁形貌陡直，无侧蚀现象；
步骤五、分步刻蚀LN：HSQ/ZEP作为掩膜，首先利用CHF3和Ar等离子体进行短时间的常规刻蚀，然后利用CHF3等离子体进行更短时间的刻蚀，利用化学刻蚀的各向同性减小薄膜LN波导的侧壁起伏，然后重复该步骤五，直至完成刻蚀；
步骤六、去除HSQ/ZEP：采用丁酮溶液去除HSQ/ZEP掩膜。
优选地，所述ZEP的厚度范围是100nm～400nm，可以保证HSQ/ZEP去除干净和HSQ/ZEP掩膜的整体耐刻蚀性。
优选地，所述气体比例为O2:Ar＝2:1，偏压功率为50W，反应室压力为5mtorr。
优选地，所述短时间的范围是30s～25min。
本申请的有益效果是：
波导的侧壁起伏程度是传输损耗的主要影响因素。而侧壁起伏程度主要由刻蚀掩膜精度和刻蚀工艺决定。现有技术无法采用高精度的HSQ掩膜刻蚀含氧化硅或氮化硅膜层的衬底，因为HSQ的去胶液BOE会损坏氧化硅或氮化硅；另外，现有的干法刻蚀铌酸锂工艺，刻蚀出的波导侧壁起伏较大。本发明针对现有技术存在的不足，提出一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，在常规波导刻蚀工艺的基础上进行了两点改进，一是提出采用HSQ/ZEP双层胶作为刻蚀LNOI上薄膜铌酸锂(LN)的掩膜，二是采用分步刻蚀的方法减小薄膜LN波导的侧壁起伏，实现了LNOI上薄膜LN波导侧壁起伏0.5nm。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明优选实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
HSQ是众所周知的高精度高耐刻蚀性的电子束负胶，但是它的去胶液是能腐蚀LNOI中氧化硅膜层的BOE溶液，所以无法使用HSQ作为刻蚀LNOI上条形波导的掩膜。为了解决上述问题，提出采用HSQ/ZEP双层胶作为刻蚀掩膜，采用ZEP的去胶液丁酮去除即可，不会损伤氧化硅膜层，其中ZEP是一种高精度高耐刻蚀性的电子束正胶。不同于HSQ正胶双层胶用于剥离的工艺，HSQ/ZEP双层光刻胶用于刻蚀掩膜，一是需要对ZEP的厚度进行调控，在去胶干净的前提下，ZEP的厚度尽量小，提高掩膜的整体耐刻蚀性；二是需要对干法刻蚀ZEP的气体比例，偏压功率，反应室压力等参数进行调控，保证ZEP的侧壁形貌陡直，无侧蚀现象。
另外，对LNOI上薄膜LN波导采用分步干法刻蚀的方法，先CHF3和Ar等离子体进行短时间的常规刻蚀，保证薄膜LN波导的侧壁基本形貌和陡直度，再CHF3等离子体进行更短时间的刻蚀，利用化学刻蚀的各向同性有效减小薄膜LN波导的侧壁起伏，然后重复上述两个步骤多次完成刻蚀。最终实现LNOI上薄膜LN波导侧壁起伏0.5nm。
请参阅图1，一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，包括：
步骤一、准备LNOI片；
步骤二、在LNOI片上进行旋涂HSQ/ZEP：在LNOI片上旋涂HSQ/ZEP双层胶，ZEP为底层胶，HSQ为顶层胶；对ZEP的厚度进行调控，在HSQ/ZEP去除干净的前提下，ZEP的厚度尽量小，提高掩膜的整体耐刻蚀性；
步骤三、光刻显影HSQ：电子束曝光波导图形，显影去除未曝光位置的HSQ；
步骤四、干法刻蚀ZEP：对气体比例，偏压功率，反应室压力等参数进行调控，保证ZEP的侧壁形貌陡直，无侧蚀现象；
步骤五、分步刻蚀LN：步骤A、先CHF3和Ar等离子体进行短时间的常规刻蚀，保证薄膜LN波导的侧壁基本形貌和陡直度，步骤B、再CHF3等离子体进行更短时间的刻蚀，利用化学刻蚀的各向同性有效减小薄膜LN波导的侧壁起伏，然后重复上述两个步骤(步骤A和步骤B)多次完成刻蚀；
步骤六、去除HSQ/ZEP：采用丁酮溶液去除HSQ/ZEP掩膜。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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 (4)
1.一种双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，其特征在于，包括：
步骤一、准备LNOI片；
步骤二、旋涂HSQ/ZEP：在所述LNOI片上旋涂HSQ/ZEP双层胶，其中：ZEP为底层胶，HSQ为顶层胶；对ZEP的厚度进行调控；
步骤三、光刻显影HSQ：利用电子束曝光波导图形，显影去除未曝光位置的HSQ；
步骤四、干法刻蚀ZEP：对刻蚀参数进行调控，所述刻蚀参数包括气体比例，偏压功率，反应室压力，保证ZEP的侧壁形貌陡直，无侧蚀现象；
步骤五、分步刻蚀LN：HSQ/ZEP作为掩膜，首先利用CHF3和Ar等离子体进行短时间的常规刻蚀，然后利用CHF3等离子体进行更短时间的刻蚀，利用化学刻蚀的各向同性减小薄膜LN波导的侧壁起伏，然后重复该步骤五，直至完成刻蚀；
步骤六、去除HSQ/ZEP：采用丁酮溶液去除HSQ/ZEP掩膜。
2.根据权利要求1所述的双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，其特征在于：所述ZEP的厚度范围是100nm～400nm，保证HSQ/ZEP去除干净和HSQ/ZEP掩膜的整体耐刻蚀性。
3.根据权利要求1所述的双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，其特征在于：所述气体比例为O2:Ar＝2:1，偏压功率为50W，反应室压力为5mtorr。
4.根据权利要求1所述的双层胶掩膜分步刻蚀亚纳米级精度波导工艺，其特征在于：所述短时间的范围是30s～25min。
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