CN116299857B - 一种铌酸锂薄膜光波导及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成光电子学领域，具体是一种铌酸锂薄膜光波导及其制备方法，方法包括：S1、模板的加工及待加工样品的匀胶；S2、图案转移；S3、脱模；S4、第一次去胶；S5、刻蚀，第二次去胶；S6、抛光。本发明的铌酸锂薄膜光波导具有低损耗、高性能的优点；本发明通过光刻胶或热压印用紫外胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上，能达到2nm的分辨率，有效地提高光波导的侧壁陡直度；通过本发明铌酸锂薄膜光波导的制备方法制备得到脊型铌酸锂薄膜光波导和加载条型铌酸锂薄膜光波导，制备方法更简单，成本更低，能够大大地提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子学领域，具体是一种铌酸锂薄膜光波导及其制备方法。
背景技术
铌酸锂晶体是一种集电光、声光、压电、光弹、非线性、光折变及激光活性等效应于一身的人工合成晶体，加上自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，尤其是实施不同掺杂后能呈现出各种各样的特殊性能，是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的晶体，有望成为类似于集成光子学中的“硅”材料，具有十分广阔的市场应用前景。
传统的铌酸锂光波导使用钛扩散或质子交换工艺制备，导致光波导的芯层和包层之间的折射率对比度(约0.02)较低，对光的约束较弱，这就使得金属电极与光波导之间的距离很远(约10μm)，降低了电光效率。因此，现有体材料铌酸锂光波导器件的尺寸要大得多，并且所需的驱动电压要比该材料所能支持的高得多。
目前，已报道的铌酸锂薄膜光波导主要有加载条型和脊型两种类型，这两种类型的波导都需要用到光刻和刻蚀工艺，由于铌酸锂薄膜具有较高的折射率对比度，这就要求光波导的尺寸较小(＜1um)才能实现单模传输，此外，铌酸锂薄膜光波导还要求波导侧壁陡直度大于75°，以减小传输损耗，然而传统的光刻工艺很难达到以上要求。
因此，本申请设计一种能够提高侧壁陡直度且具有低损耗、高性能的铌酸锂薄膜光波导及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种铌酸锂薄膜光波导及其制备方法，通过光刻胶或热压印用紫外胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上，能达到2nm的分辨率，超过了传统光刻技术；而且能够避免可见光在光刻过程中的衍射，有效地提高光波导的侧壁陡直度，保证后续制备的铌酸锂薄膜光波导具有低损耗、高性能的优点，且制备方法简单，成本低，大大地提高了加工效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、模板的加工及待加工样品的匀胶：
采用电子束刻蚀技术，在二氧化硅或铌酸锂衬底上加工出所需要的结构作为模板；使用匀胶设备在待加工样品的表面均匀地涂覆纳米压印用光刻胶或热压印用紫外胶；
S2、图案转移：
将模板压在涂覆有胶水的待加工样品的表面，采用加压方式使图案转移到胶水上，得到图案转移后的样品；
S3、脱模：
再使用紫外光照射或加热图案转移后的样品，待胶水固化后移开模板；
S4、第一次去胶：
采用刻蚀工艺将图案以外的胶水去掉，露出待加工样品的部分表面；
S5、刻蚀，第二次去胶：
采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺进行刻蚀，将刻蚀后的样品浸泡在丙酮中，85℃处理15min，然后用去离子水冲洗吹干，将图案部分的胶水去除，制作出图案型的铌酸锂薄膜光波导；
S6、：抛光：
对光波导端面进行抛光处理。
进一步的，所述S1中待加工样品为铌酸锂薄膜，其基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层；光刻胶的涂覆厚度为0.5-1.6um。
进一步的，所述S1中待加工样品为具有加载材料层的铌酸锂薄膜，其基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、加载材料层；光刻胶的涂覆厚度为0.5-1.6um。
进一步的，所述加载材料层为二氧化硅或氮化硅。
进一步的，所述S2中加压的压力≤200N。
另一方面，本发明的一种脊型铌酸锂薄膜光波导，采用上述的铌酸锂薄膜光波导的制备方法制备，所述脊型铌酸锂薄膜光波导的基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层。
进一步的，所述脊型铌酸锂薄膜光波导包括波导上包层，所述波导上包层设置在图案型铌酸锂薄膜层的外侧，所述波导上包层为0.2-1.2um厚的二氧化硅。
进一步的，所述波导上包层通过等离子体增强化学气相沉积设备在图案型铌酸锂薄膜层的表面沉积制得。
另一方面，本发明的一种加载条型铌酸锂薄膜光波导，采用上述铌酸锂薄膜光波导的制备方法制备，所述加载条型铌酸锂薄膜光波导的基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、加载材料层。
进一步的，所述加载材料层通过等离子体增强化学气相沉积设备在加载材料层的表面沉积0.1-0.8nm厚制得。
本发明的有益效果是：
1.通过本发明铌酸锂薄膜光波导的制备方法能够制作出低损耗、高性能的脊型铌酸锂薄膜光波导和加载条型铌酸锂薄膜光波导，并且通过对波导的宽度及刻蚀深度作为变量进行仿真，仿真结果表明，单模条件下光波导的传输损耗优于0.5dB/cm，制备的铌酸锂薄膜光波导具有低损耗、高性能的优点，且制备方法简单，成本低，大大地提高了加工效率。
2.本发明通过采用光刻胶或热压印用紫外胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料的纳米压印技术来代替传统的光刻技术，分辨率可高达2nm，避免了可见光在光刻过程中的衍射，能够有效地保证铌酸锂薄膜光波导的侧壁陡直度，保证了后续制备的铌酸锂薄膜光波导具有低损耗、高性能的优点，且整个过程中的制备方法简单，成本低，大大地提高了加工效率，且纳米压印过程的模板可重复使用，大大降低了加工成本，有效缩短了加工时间，提高了样品的一致性。
3.本发明的脊型铌酸锂薄膜光波导在抛光前通过沉积约200nm厚的二氧化硅作为波导上包层，保护了波导结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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它附图。
图1是实施例1中铌酸锂薄膜脊型光波导结构示意图；
图2是实施例1中铌酸锂薄膜脊型光波导的制备工艺流程图；
图3是实施例1中待加工产品的结构示意图；
图4是实施例2中加载条型为二氧化硅的加载条型铌酸锂薄膜光波导的结构示意图；
图5是实施例2中加载条型为二氧化硅的加载条型铌酸锂薄膜光波导的制备工艺流程图；
图6是实施例2中待加工产品的结构示意图；
图7是实施例3中加载条型为氮化硅的加载条型铌酸锂薄膜光波导结构示意图；
图8是实施例3中加载条型为氮化硅的加载条型铌酸锂薄膜光波导的制备工艺流程图；
图9是实施例3中的待加工产品的结构示意图；
图中：1-硅衬底，2-二氧化硅缓冲层，3-铌酸锂薄膜层，4-二氧化硅加载条，5-氮化硅加载条，6-铌酸锂薄膜光波导芯层。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：脊型铌酸锂薄膜光波导
如图1所示，一种脊型铌酸锂薄膜光波导，其基本结构自下而上分别为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层，其中，铌酸锂薄膜层的中间设有脊型铌酸锂薄膜光波导，宽为0.8～1.6μm。
如图2所示，脊型铌酸锂薄膜光波导的制备方法，方法如下：
S1、模板的加工及待加工样品的匀胶：
采用电子束刻蚀技术，在二氧化硅衬底上加工出槽宽为0.8～1.6μm的结构作为模板；使用匀胶设备在待加工样品的表面均匀地涂覆一层1.5～1.6um厚的纳米压印用光刻胶；待加工样品的基本结构(如图3)从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层；
S2、图案转移：
将模板压在涂覆有光刻胶的待加工样品的表面，采用压力为200N的加压方式使图案转移到光刻胶上，得到图案转移后的样品；
S3、脱模：
再使用紫外光照射图案转移后的样品15min，待光刻胶固化后移开模板；
S4、第一次去胶：
采用刻蚀工艺将图案以外的光刻胶去掉，露出待加工样品的部分表面，即铌酸锂薄膜层；
S5、刻蚀，第二次去胶：
采用湿法腐蚀工艺进行刻蚀，刻蚀深度约0.2-0.4um，将刻蚀后的样品浸泡在丙酮中，85℃处理15min，然后用去离子水冲洗吹干，将图案部分的光刻胶去除，制作出图案型的铌酸锂薄膜光波导；
S6、抛光前，采用等离子体增强化学气相沉积设备在样品表面沉积约200nm厚的二氧化硅作为波导上包层，保护波导结构，然后对光波导端面进行抛光处理，以便测量波导的传输损耗。
通过对波导的宽度及刻蚀深度作为变量进行仿真，能够模拟出在波导宽度为0.8-1.6um，厚度为0.2-0.4um的条件下均可实现单模传输；仿真结果还表明，单模条件下光波导的传输损耗优于0.5dB/cm。
实施例2：加载材料为二氧化硅的加载条型铌酸锂薄膜光波导
如图4所示，一种加载条型铌酸锂薄膜光波导，其基本结构自下而上分别为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、加载材料层；其中铌酸锂薄膜层为光波导芯层，加载材料层的材料为二氧化硅，厚度为800nm，宽为0.8～1.6μm。
如图5所示，一种加载条型铌酸锂薄膜光波导的制备方法，制备方法如下：
S1、模板的加工及待加工样品的匀胶：
采用电子束刻蚀技术，在二氧化硅衬底上加工出槽宽为0.8～1.6μm的结构作为模板；使用匀胶设备在待加工样品的表面均匀地涂覆一层1.5～1.6um厚的纳米压印用光刻胶；待加工样品的基本结构(如图6)从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、二氧化硅加载层；
S2、图案转移：
将模板压在涂覆有光刻胶的待加工样品的表面，采用加压方式使图案转移到光刻胶上，得到图案转移后的样品；
S3、脱模：
再使用紫外光照射图案转移后的样品15min，待光刻胶固化后移开模板；
S4、第一次去胶：
采用刻蚀工艺将图案以外的光刻胶去掉，露出待加工样品的部分表面，即二氧化硅加载层；
S5、刻蚀，第二次去胶：
采用湿法腐蚀工艺进行刻蚀，刻蚀深度约200nm，将刻蚀后的样品浸泡在丙酮中，85℃处理15min，然后用去离子水冲洗吹干，将图案部分的光刻胶去除，制作出具有图案的加载条型铌酸锂薄膜光波导；
S6、：抛光：
对光波导端面进行抛光处理。
通过对波导的宽度及刻蚀深度作为变量进行仿真，能够模拟出在波导宽度为0.8-1.6um，二氧化硅加载条厚度为800nm的条件下均可实现单模传输；仿真结果还表明，单模条件下光波导的传输损耗优于0.5dB/cm。
实施例3：加载材料为氮化硅的铌酸锂薄膜加载条型光波导
如图7所示，一种加载条型铌酸锂薄膜光波导，其基本结构自下而上分别为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、加载材料层，其中，铌酸锂薄膜层为光波导芯层，加载材料为氮化硅，厚度为500nm，宽为0.8～1.6μm。
如图8所示，一种加载条型铌酸锂薄膜光波导的制备方法，方法如下：
S1、模板的加工及待加工样品的匀胶：
采用电子束刻蚀技术，在二氧化硅衬底上加工出槽宽为0.8～1.6μm的结构作为模板；使用匀胶设备在待加工样品的表面均匀地涂覆一层1.5～1.6um厚的纳米压印用光刻胶；待加工样品的基本结构(如图9)从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、氮化硅加载层；
S2、图案转移：
将模板压在涂覆有光刻胶的待加工样品的表面，采用加压方式使图案转移到光刻胶上，得到图案转移后的样品；
S3、脱模：
再使用紫外光照射图案转移后的样品15min，待光刻胶固化后移开模板；
S4、第一次去胶：
采用刻蚀工艺将图案以外的光刻胶去掉，露出待加工样品的部分表面，即氮化硅加载层；
S5、刻蚀，第二次去胶：
采用湿法腐蚀工艺进行刻蚀，将刻蚀后的样品浸泡在丙酮中，85℃处理15min，然后用去离子水冲洗吹干，将图案部分的光刻胶去除，制作出具有图案的加载条型铌酸锂薄膜光波导；
S6、抛光：
对光波导端面进行抛光处理。
通过对波导的宽度及刻蚀深度作为变量进行仿真，能够模拟出在波导宽度为0.8-1.6um，氮化硅加载条厚度为500nm的条件下均可实现单模传输；仿真结果还表明，单模条件下光波导的传输损耗优于0.5dB/cm。
综上，本实施例1-3制备得到的脊型铌酸锂薄膜光波导、加载条型铌酸锂薄膜光波导均具有低损耗、高性能的优点。
以上所揭露的仅为本发明的三种实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、模板的加工及待加工样品的匀胶：
采用电子束刻蚀技术，在二氧化硅或铌酸锂衬底上加工出所需要的结构作为模板；使用匀胶设备在待加工样品的表面均匀地涂覆纳米压印用光刻胶或热压印用紫外胶；
S2、图案转移：
将模板压在涂覆有胶水的待加工样品的表面，采用加压方式使图案转移到胶水上，得到图案转移后的样品；
S3、脱模：
再使用紫外光照射或加热图案转移后的样品，待胶水固化后移开模板；
S4、第一次去胶：
采用刻蚀工艺将图案以外的胶水去掉，露出待加工样品的部分表面；
S5、刻蚀，第二次去胶：
采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺进行刻蚀，将刻蚀后的样品浸泡在丙酮中，85℃处理15min，然后用去离子水冲洗吹干，将图案部分的胶水去除，制作出图案型的铌酸锂薄膜光波导；
S6、：抛光：
对光波导端面进行抛光处理。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述S1中待加工样品为铌酸锂薄膜，其基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层；光刻胶的涂覆厚度为0.5-1.6um。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述S1中待加工样品为具有加载材料层的铌酸锂薄膜，其基本结构从下至上依次为硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜层、加载材料层；光刻胶的涂覆厚度为0.5-1.6um。
4.根据权利要求3所述的一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述加载材料层为二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述S2中加压的压力≤200N。
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