CN116224494A - 铌酸锂脊波导的制作方法和光电器件 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种铌酸锂脊波导的制作方法和光电器件，其中铌酸锂脊波导的制作方法包括先在铌酸锂晶圆上生长硬掩模，在形成了刻蚀图形之后进行自对准质子交换，以在铌酸锂晶圆上形成交换区，之后再在铌酸锂晶圆上对交换区进行刻蚀，如此设置一方面可以提高铌酸锂的刻蚀效率，可以将铌酸锂的刻蚀效率提高4至5倍；另一方面，能够提高铌酸锂晶圆刻蚀面的光滑度，进而提高铌酸锂脊波导的良品率。

Description

铌酸锂脊波导的制作方法和光电器件

技术领域

本申请实施例涉及光波导芯片制造技术领域，尤其涉及一种铌酸锂脊波导的制作方法和光电器件。

背景技术

由于铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、光弹、非线性、光折变等性能，其在光通讯领域应用非常广泛，是光波导器件中最常使用的晶体材料。目前，对薄膜铌酸锂脊波导的制备方法主要是在薄膜铌酸锂晶圆上依次进行金属薄膜生长、光刻、金属薄膜刻蚀、铌酸锂刻蚀。其中铌酸锂刻蚀主要通过氟基气体(如三氟甲烷、四氟化碳、六氟化硫)与氩气的混合气体在等离子体刻蚀设备上进行铌酸锂干法刻蚀。该技术通过氟基气体在等离子体刻蚀设备中电离的氟离子与未被掩膜保护的铌酸锂材料进行化学反应，生成氟化铌、氟化锂等反应产物，进而去除功能设计中定义的刻开区的铌酸锂材料。铌酸锂刻蚀过程中氟化铌等产物属于易挥发物质，可由等离子体刻蚀设备中的真空泵抽离腔室。而氟化锂物质却不易挥发，并且附着在被进一步刻蚀的铌酸锂表面阻挡反应继续进行。现有技术中通过一定比例的电离的氩气离子以物理轰击的形式，可去除部分附着在刻蚀表面的氟化锂物质，可使前一步主要化学反应继续进行，进而可使整个铌酸锂刻蚀在一定程度进行下去。

现有技术中，由于电离的氩气离子所进行的物理轰击并不能完全去除附着在表面的氟化锂，最终得到铌酸锂的刻蚀速率仍比较低，且由于只是部分去除氟化锂，导致最终刻蚀面比较粗糙。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一方面提供了一种铌酸锂脊波导的制作方法。

本发明的第二方面提供了一种光电器件。

有鉴于此，根据本申请实施例的第一方面提出了一种铌酸锂脊波导的制作方法，包括：

提供铌酸锂晶圆；

在所述铌酸锂晶圆上生长硬掩模；

在所述硬掩模上形成刻蚀图形；

在所述刻蚀图形进行自对准质子交换，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区；

在所述铌酸锂晶圆上对所述交换区进行刻蚀。

在一种可行的实施方式中，所述在所述硬掩模上形成刻蚀图形的步骤包括：

在所述硬掩模上涂覆胶层；

对所述胶层进行曝光和显影，以形成图案层。

在一种可行的实施方式中，所述在所述硬掩模上形成刻蚀图形的步骤还包括：

以完成曝光和显影的胶层为掩膜对所述硬掩模进行刻蚀，以形成所述刻蚀图形。

在一种可行的实施方式中，所述在所述刻蚀图形进行自对准质子交换，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区的步骤包括：

通过质子交换机对铌酸锂晶圆上未被硬掩模保护的区域执行自对准质子交换工艺，置换出锂元素，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区。

在一种可行的实施方式中，所述在所述铌酸锂晶圆上对所述交换区进行刻蚀的步骤包括：

以硬掩模为掩膜，通过等离子体刻蚀机在交换区对铌酸锂进行干法刻蚀。

在一种可行的实施方式中，基于待刻蚀形状，确定交换区的形状。

在一种可行的实施方式中，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度与底部宽度相同的情况下，确定所述交换区的宽度等于所述刻蚀图形的宽度。

在一种可行的实施方式中，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度大于底部宽度的情况下，确定所述交换区的宽度小于所述刻蚀图形的宽度。

在一种可行的实施方式中，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度小于底部宽度的情况下，确定所述交换区的宽度大于所述刻蚀图形的宽度。

根据本申请实施例的第二方面提出了一种光电器件，包括：

经由上述任一技术方案所述的铌酸锂脊波导的制作方法制备的铌酸锂脊波导。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本申请实施例提供的铌酸锂脊波导的制作方法，先在铌酸锂晶圆上生长硬掩模，在形成了刻蚀图形之后进行自对准质子交换，以在铌酸锂晶圆上形成交换区，之后再在铌酸锂晶圆上对交换区进行刻蚀，如此设置一方面可以提高铌酸锂的刻蚀效率，可以将铌酸锂的刻蚀效率提高4至5倍；另一方面，能够提高铌酸锂晶圆刻蚀面的光滑度，进而提高铌酸锂脊波导的良品率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方法的示意性步骤流程图；

图2为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第一状态的示意性结构图；

图3为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第二状态的示意性结构图；

图4为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第三状态的示意性结构图；

图5为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第四状态的示意性结构图；

图6为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第五状态的示意性结构图；

图7为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的酸锂脊波导的第六状态的示意性结构图；

图8为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的交换区一种的示意性结构图；

图9为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的铌酸锂脊波导刻蚀形貌一种的示意性结构图；

图10为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的交换区另一种的示意性结构图；

图11为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的铌酸锂脊波导刻蚀形貌另一种的示意性结构图；

图12为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的交换区又一种的示意性结构图；

图13为本申请提供的一种实施例的酸锂脊波导的制作方的铌酸锂脊波导刻蚀形貌又一种的示意性结构图；。

其中，图2至图13中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

110铌酸锂晶圆、120硬掩模、130交换区、140胶层；

111Sub层、112二氧化硅层、113铌酸锂层。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请实施例技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1所示，根据本申请实施例的第一方面提出了一种铌酸锂脊波导的制作方法，包括：

步骤101：提供铌酸锂晶圆。可以理解的是，在提供铌酸锂晶圆之后，可以对铌酸锂晶圆进行清洁或直接提供可以达到光波导芯片制造洁净标准的铌酸锂晶圆。

步骤102：在铌酸锂晶圆上生长硬掩模。可以理解的是，可以通过溅射工艺生长硬掩模，该硬掩模在后续设计图案转移后作为自对准质子交换和铌酸锂干法刻蚀的硬掩膜。可以理解的是，硬掩模的材制可以为铬、钛、镍和二氧化硅中的一种或多种。

步骤103：在硬掩模上形成刻蚀图形。

步骤104：在刻蚀图形进行自对准质子交换，以在铌酸锂晶圆上形成交换区。可以理解的是，通过自对准质子交换，可以将铌酸锂晶圆上的交换区内的锂元素进行置换。可以理解的是，在刻蚀图形进行自对准质子交换为在硬掩模刻开的区域进行自对准质子交换。

步骤105：在铌酸锂晶圆上对交换区进行刻蚀。可以理解的是，对完成自对准质子交换的交换区进行刻蚀，可以显著提高刻蚀效率。

本申请实施例提供的铌酸锂脊波导的制作方法，先在铌酸锂晶圆上生长硬掩模，在形成了刻蚀图形之后进行自对准质子交换，以在铌酸锂晶圆上形成交换区，之后再在铌酸锂晶圆上对交换区进行刻蚀，如此设置一方面可以提高铌酸锂的刻蚀效率，可以将铌酸锂的刻蚀效率提高4至5倍；另一方面，能够提高铌酸锂晶圆刻蚀面的光滑度，进而提高铌酸锂脊波导的良品率。

发明人发现，现有技术中，铌酸锂刻蚀过程中的难点在于铌酸锂中的锂元素会和刻蚀气体反应生成阻挡刻蚀持续进行的难挥发产物氟化锂，进而阻挡铌酸锂的主要化学反应持续进行。本申请实施例通过改变被刻蚀的铌酸锂的性质，使刻蚀区含锂元素的量改变，从而使其不产生或极大减少产生氟化锂，进而使铌酸锂刻蚀的主要化学反应持续进行并且可控，得到期望的刻蚀速率、刻蚀深度及刻蚀面粗糙度。

在一种可行的实施方式中，在硬掩模上形成刻蚀图形的步骤包括：在硬掩模上涂覆胶层；对胶层进行曝光和显影，以形成图案层。

在该技术方案中，进一步提供了在硬掩模上形成刻蚀图形的步骤，可以在硬掩模上涂覆胶层，而后再对胶层进行曝光和显影即可形成图案层，该图案层即为需要进行刻蚀的图案，如此设置可以提高刻蚀图形的形成效率。

在一种可行的实施方式中，在硬掩模上形成刻蚀图形的步骤还包括：以完成曝光和显影的胶层为掩膜对硬掩模进行刻蚀，以形成刻蚀图形。

在该技术方案中，在形成了图案层之后，可以再对硬掩模进行刻蚀，硬掩模之上即可形成刻蚀图形。

在一些示例中，在硬掩模上形成刻蚀图形的步骤包括：在生长硬掩模铬后的铌酸锂薄膜晶圆上进行光刻工艺，包括涂胶、曝光、显影，使设计图案转移至晶圆光刻胶上，并使带有设计图案的光刻胶作为后续硬掩模刻蚀的掩膜；进一步地：以完成图案转移的光刻胶作为掩膜，通过等离子体刻蚀机进行硬掩模的干法刻蚀，使设计图案由光刻胶转移至硬掩模，并使带有设计图案的硬掩模作为后续自对准质子交换和铌酸锂刻蚀的硬掩膜。

在一种可行的实施方式中，在刻蚀图形进行自对准质子交换，以在铌酸锂晶圆上形成交换区的步骤包括：通过质子交换机对铌酸锂晶圆上未被硬掩模保护的区域执行自对准质子交换工艺，置换出锂元素，以在铌酸锂晶圆上形成交换区。

在该技术方案中，进一步提供了形成交换区的具体步骤，可以通过质子交换机对铌酸锂晶圆上未被硬掩模保护的区域执行自对准质子交换工艺，基于此即可对铌酸锂晶圆上暴露的锂元素进行置换，即可在铌酸锂晶圆上形成交换区，进而可以改变被刻蚀的铌酸锂的性质，使刻蚀区含锂元素的量改变，从而使其不产生或极大减少产生氟化锂，进而使铌酸锂刻蚀的主要化学反应持续进行并且可控，得到期望的刻蚀速率、刻蚀深度及刻蚀面粗糙度。

在一种可行的实施方式中，在铌酸锂晶圆上对交换区进行刻蚀的步骤包括：以硬掩模为掩膜，通过等离子体刻蚀机在交换区对铌酸锂进行干法刻蚀。

在该技术方案中，进一步提供了在交换区上对铌酸锂晶圆进行刻蚀的具体步骤，可以通过等离子体刻蚀机在交换区对铌酸锂进行干法刻蚀，如此设置与交换区中锂元素的量变相结合，从而在刻蚀过程中不产生或极大减少产生氟化锂，一方面可以提高铌酸锂的刻蚀效率，可以将铌酸锂的刻蚀效率提高4至5倍；另一方面，能够提高铌酸锂晶圆刻蚀面的光滑度，进而提高铌酸锂脊波导的良品率。

在一种可行的实施方式中，基于待刻蚀形状，确定交换区的形状。

在该技术方案中，可以基于刻蚀形状的需求，基于铌酸锂脊波导刻蚀形貌的需求，确定交换区的形状，使得刻蚀的结果适配于铌酸锂脊波导刻蚀形貌的需求，能够进一步提高良品率。

在一种可行的实施方式中，基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：在刻蚀形状为顶部宽度与底部宽度相同的情况下，确定交换区的宽度等于刻蚀图形的宽度。

在该技术方案中，进一步提供了基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的具体步骤，在刻蚀形状为顶部宽度与底部宽度相同的情况下，即铌酸锂脊波导刻蚀形貌为垂直状态时，可以控制交换区的宽度等于刻蚀图形的宽度，基于此即可使刻蚀形成的铌酸锂脊波导刻蚀形貌为上下等宽。

在一种可行的实施方式中，基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：在刻蚀形状为顶部宽度大于底部宽度的情况下，确定交换区的宽度小于刻蚀图形的宽度。

在该技术方案中，进一步提供了基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的具体步骤，在刻蚀形状为顶部宽度大于底部宽度的情况下，即铌酸锂脊波导刻蚀形貌为上小下大时，可以交换区的宽度小于刻蚀图形的宽度。

在一种可行的实施方式中，基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：在刻蚀形状为顶部宽度小于底部宽度的情况下，确定交换区的宽度大于刻蚀图形的宽度。

在该技术方案中，进一步提供了基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的具体步骤，在刻蚀形状为顶部宽度小于底部宽度的情况下，即铌酸锂脊波导刻蚀形貌为上大下小时，可以交换区的宽度大于刻蚀图形的宽度。

本申请实施例提供的铌酸锂脊波导的制作方法，刻蚀对象为薄膜铌酸锂晶圆，通过金属磁控溅射生长金属膜铬，作为改变被刻蚀薄膜铌酸锂中锂元素含量及干法刻蚀的硬掩膜；通过光刻涂胶、曝光、显影工艺将设计图案转移到晶圆；通过干法刻蚀——金属刻蚀将设计图案传递至硬掩膜金属铬上；通过自对准质子交换工艺，按照已传递至硬掩膜的设计图案将需要刻蚀的铌酸锂中的锂元素置换出；通过干法刻蚀——铌酸锂刻蚀将设计图案传递至薄膜铌酸锂晶圆上，将铌酸锂刻蚀区中已置换出锂元素的铌酸锂物质刻蚀去除，完成铌酸锂脊波导刻蚀形貌，一方面可以提高铌酸锂的刻蚀效率，可以将铌酸锂的刻蚀效率提高4至5倍；另一方面，能够提高铌酸锂晶圆刻蚀面的光滑度，进而提高铌酸锂脊波导的良品率。

根据本申请实施例的第二方面提出了一种光电器件，包括：经由上述任一技术方案的铌酸锂脊波导的制作方法制备的铌酸锂脊波导。

可以理解的是，本申请实施例提供的光电器件，因包括了经由上述任一技术方案的铌酸锂脊波导的制作方法制备的铌酸锂脊波导，因此该光电器件具备上述技术方案的铌酸锂脊波导的制作方法的全部有益效果，尤其是该光电器件的制备效率高，且良品率高。

实施例1

如图2至图13所示，本申请实施例提供的铌酸锂脊波导的制作方法包括如下步骤：

如图2所示，步骤一：提供铌酸锂晶圆110，并进行正常清洁工艺，使其达到光波导芯片制造洁净标准；如图1所示，铌酸锂晶圆110可以包括依次叠加设置的Sub层111、二氧化硅层112和铌酸锂层113，本申请实施例的刻蚀对象为铌酸锂层113。

如图3所示，步骤二：在清洁后的薄膜铌酸锂晶圆110上通过金属溅射工艺生长硬掩模120，并在后续设计图案转移后将硬掩模120作为自对准质子交换和铌酸锂干法刻蚀的硬掩膜；

如图4所示，步骤三：在生长硬掩模120后的铌酸锂薄膜晶圆上进行光刻工艺，包括涂胶、曝光、显影，以形成胶层140，使设计图案转移至晶圆光刻胶上，并使带有设计图案的光刻胶作为后续硬掩模120刻蚀的掩膜；

如图5所示，步骤四：以完成图案转移的光刻胶作为掩膜，在等离子体刻蚀机台进行硬掩模120干法刻蚀，使设计图案由光刻胶转移至金属膜铬，形成刻蚀图形，并使带有设计图案的硬掩模120作为后续自对准质子交换和铌酸锂刻蚀的硬掩膜；

如图6所示，步骤五：以完成图案转移的硬掩模120为硬掩膜，在质子交换机台对未被硬掩膜保护的铌酸锂区域(即后续刻蚀区)进行自对准质子交换工艺，置换出需刻蚀区铌酸锂中的锂元素，形成交换区130；

如图7所示，步骤六：以步骤五中同一完成图案转移的硬掩模120为硬掩膜，在等离子体刻蚀机台上对步骤五中进行交换区130的铌酸锂进行干法刻蚀，该步骤中完成质子交换工艺的铌酸锂在铌酸锂干法刻蚀中可以得到的刻蚀速率是未进行质子交换铌酸锂刻蚀速率的4-5倍，由此在同种物质中造成刻蚀速率的差异可以形成同设计图案方向一致的选择比，实现质子交换和铌酸锂干法刻蚀在竖直方向工艺的自对准。

本申请实施例提供的铌酸锂脊波导的制作方法，通过步骤五的自对准质子交换工艺的效果可极大提高完成质子交换区130域铌酸锂刻蚀速率，形成与未进行质子交换区130域铌酸锂的刻蚀速率差异，影响最终的刻蚀形貌。根据质子交换的工艺情况可以形成以下三种最终刻蚀形貌，其以下三种情况皆为本发明使用范围：

如图8和图9所示，情况一：自对准质子交换工艺效果尺寸等于刻蚀图形的开口尺寸，此时脊波导形貌垂直；

如图10和图11所示，情况二：自对准质子交换工艺效果尺寸小于刻蚀图形的开口尺寸，此时脊波导形貌上小下大；

如图12和图13所示，情况三：自对准质子交换工艺效果尺寸大于刻蚀图形的开口尺寸，此时脊波导形貌上大下小。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，包括：

提供铌酸锂晶圆；

在所述铌酸锂晶圆上生长硬掩模；

在所述硬掩模上形成刻蚀图形；

在所述刻蚀图形进行自对准质子交换，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区；

在所述铌酸锂晶圆上对所述交换区进行刻蚀。

2.根据权利要求1所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述在所述硬掩模上形成刻蚀图形的步骤包括：

在所述硬掩模上涂覆胶层；

对所述胶层进行曝光和显影，以形成图案层。

3.根据权利要求2所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述在所述硬掩模上形成刻蚀图形的步骤还包括：

以完成曝光和显影的胶层为掩膜对所述硬掩模进行刻蚀，以形成所述刻蚀图形。

4.根据权利要求1所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述在所述刻蚀图形进行自对准质子交换，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区的步骤包括：

通过质子交换机对铌酸锂晶圆上未被硬掩模保护的区域执行自对准质子交换工艺，置换出锂元素，以在所述铌酸锂晶圆上形成交换区。

5.根据权利要求1所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述在所述铌酸锂晶圆上对所述交换区进行刻蚀的步骤包括：

以硬掩模为掩膜，通过等离子体刻蚀机在交换区对铌酸锂进行干法刻蚀。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，

基于待刻蚀形状，确定交换区的形状。

7.根据权利要求6所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度与底部宽度相同的情况下，确定所述交换区的宽度等于所述刻蚀图形的宽度。

8.根据权利要求6所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度大于底部宽度的情况下，确定所述交换区的宽度小于所述刻蚀图形的宽度。

9.根据权利要求6所述的铌酸锂脊波导的制作方法，其特征在于，所述基于待刻蚀形状，确定交换区的形状的步骤包括：

在刻蚀形状为顶部宽度小于底部宽度的情况下，确定所述交换区的宽度大于所述刻蚀图形的宽度。

10.一种光电器件，其特征在于，包括：

经由权利要求1至9中任一项所述的铌酸锂脊波导的制作方法制备的铌酸锂脊波导。

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