CN116931367B - 一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器及其制备方法，该方法包括：提供一铌酸锂薄膜晶圆；在薄膜上涂覆光刻胶和导电胶；进行电子束曝光处理，在所述光刻胶中形成金属标记凹槽、第一波导凹槽和第二波导凹槽；显影处理；金属电镀处理，在相应凹槽中生成金属标记和波导结构硬掩膜；利用掩膜对薄膜进行刻蚀得到第一、第二波导；去除波导结构硬掩膜，然后涂覆导电胶，以金属标记为套刻标记进行曝光、显影处理，电镀处理分别形成三个金属电极，得到脊型波导；沉积保护层以及在脊型波导上耦合光纤，得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器。本发明只需一步套刻法，就能制备出调制器，支持使用成本相对低很多的普通曝光胶，大大降低工艺复杂度和成本、更节能。
Description
技术领域
本发明适用于光通信器件领域，尤其涉及一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器及其制备方法。
背景技术
目前，X切铌酸锂调制器由于具备大带宽、零啁啾、优异的温度稳定性及低直流漂移等特性，在长距离光通信领域得到了广泛应用。在X切铌酸锂晶体或微米薄膜高速调制器的设计和加工中，由于铌酸锂材料在光波段的相对介电常数和微波段差异较大（光波段ϵx,z=4.6，4.9；微波段ϵx,z=44，28），需要使用氧化硅缓冲层、厚金电极降低微波有效折射率，从而使光学与微波相速度近似相等，提高调制带宽和速率。由于电极间距（15～35μm）较宽，波导离电极火线（hot electrode）较远，导致光波与微波的相互作用减弱，重叠积分较小，造成调制半波电压较高，典型值6-8V，并且，这个半波电压太高，无法满足电压要求。
为了减小调制半波电压，现有技术中通过EBL（电子束曝光）高精度对准制备得到的纳米级铌酸锂薄膜电光调制器，其半波电压小于2V，但制备工艺需要两步套刻（即先曝光做标记，再进行波导制作），而且需要用昂贵的电子束曝光胶（HSQ），成本高且成品率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器及其制备方法，以解决现有调制器的制备工艺复杂、制备成品效率较低的问题。
第一方面，提供一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的制备方法，所述制备方法包括：
提供一铌酸锂薄膜晶圆；
在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶，在所述光刻胶上涂覆导电胶；
对所述光刻胶进行电子束曝光处理，处理后在所述光刻胶中形成金属标记凹槽、第一波导凹槽和第二波导凹槽；显影处理，以去除所述光刻胶上多余的导电胶以及曝光后的光刻胶；
进行金属电镀处理，在所述金属标记凹槽中生成金属标记，在所述第一波导凹槽和所述第二波导凹槽中生成波导结构硬掩膜；去除所述铌酸锂薄膜上的光刻胶；
利用所述导结构硬掩膜对所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜进行刻蚀，得到位于所述波导结构硬掩膜下方的第一波导和第二波导；
去除所述波导结构硬掩膜，去除所述金属标记上保护胶；
在所述铌酸锂波导薄膜片上涂覆光刻胶，在所述光刻胶上涂覆导电胶；
以金属标记为套刻标记，对所述光刻胶进行电子束曝光套刻处理；显影处理后，进行金属电镀处理，所述第一波导外侧形成第一金属电极，在所述第一波导和所述第二波导的一侧壁之间形成第二金属电极，在所述第二波导的另一侧壁旁边形成第三金属电极，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方沉积保护层，以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导上耦合光纤，得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器。
可选的，所述光刻胶的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
可选的，在制备得到所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导之前，还包括：
利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导的仿真模型，通过调整仿真模型中波导结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导的优化结构；
利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导调制器的仿真模型，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器包括所述铌酸锂薄膜脊型波导和GSG对称型金属电极，通过调整仿真模型中的波导结构参数和电极结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导调制器的最优结构。
可选的，确定铌酸锂薄膜脊型波导调制器的最优结构之后，还包括：
按照所述最优结构中确定的波导结构参数和电极结构参数，制备得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器；所述波导结构参数包括：所述第一波导和所述第二波导的宽度、所述铌酸锂薄膜脊型波导的脊型高度以及侧壁倾角；所述电极结构参数包括：所述第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极的宽度。
可选的，在去除所述金属标记上保护胶之后，在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶之前，还包括：
利用RCA溶液进行清洗处理，用于清洗所述第一波导和所述第二波导。
去除所述金属标记上保护胶包括：利用NMP去胶液对所述金属标记上的保护胶进行处理，用于去除所述保护胶。
可选的，在去除所述波导结构硬掩膜之后，在形成第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极之前，还包括：
依次涂覆光刻胶，曝光处理，显影处理。
可选的，所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜采用X切型构造，铌酸锂薄膜的厚度为500nm-800nm。
可选的，所述波导结构硬掩膜的材质为金属铬。
可选的，利用电子束蒸发方法或利用等离子体沉积方法，在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方生长保护层。
第二方面，提供一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器包括：
铌酸锂薄膜晶圆，所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上分别间隔设置有金属标记、第一波导和第二波导；
在位于所述第一波导外侧的铌酸锂薄膜上设置有第一金属电极，在位于所述第一波导和所述第二波导的一侧壁之间的铌酸锂薄膜上设置有第二金属电极，在所述第二波导的另一侧壁旁边的铌酸锂薄膜上设置有第三金属电极，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
保护层，位于所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方；
以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导前端和后端分别设置的耦合光纤；
并且，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器通过如第一方面所述的制备方法得到。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
相比现有其他纳米级铌酸锂薄膜脊型波导需要两步套刻（先曝光做标记，套刻进行波导制作，再套刻进行金属电极制作）的制备方法，而且需要用昂贵的电子束曝光胶；本发明的铌酸锂薄膜脊型波导调制器及其制备方法，只需一步套刻法，就可以制备出调制器，并且支持使用成本相对低很多的普通曝光胶，大大降低工艺复杂度和成本、更节能。此方法不仅减少了成本，并且在减少工艺步骤的同时，也减少了脏污引入的概率以及提高套刻精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的制备方法工艺效果流程图；
图3是本发明实施例二提供的一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的截面图；
图4是本发明实施例二提供的一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的俯视图；
附图标号：
1、光刻胶；2、导电胶；3、铌酸锂薄膜；41、保护层、42、外延层；5、衬底；7、波导结构硬掩膜；8、保护胶；11、金属标记；21、第一波导；22、第二波导；31、第一金属电极；32、第二金属电极；33、第三金属电极。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，是本发明实施例一提供的一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的制备方法的流程示意图，该制备方法可以包括以下步骤：
步骤S0，利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导的仿真模型，通过调整仿真模型中波导结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导的优化结构；
利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导调制器的仿真模型，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器包括所述铌酸锂薄膜脊型波导和GSG对称型金属电极，通过调整仿真模型中的波导结构参数和电极结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导调制器的最优结构。
其中，数值仿真软件可以为COMSOL软件（多物理仿真软件）上进行的值模拟和Lumerical软件（微纳器件设计仿真软件）上进行的数值模拟。
在一实施方式中，所述波导结构参数包括：所述第一波导和所述第二波导的宽度、所述铌酸锂薄膜脊型波导的脊型高度以及侧壁倾角；所述电极结构参数包括：所述第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极的宽度。
本步骤中，通过构建铌酸锂薄膜脊型波导的仿真模型，模拟研究波导结构参数如波导宽度、脊型高度、侧壁倾角等对波导内部不同波长光斑模式有效折射率的影响指导设计脊型波导结构参数，从而能够计算出优化结构。
本步骤中，通过构建铌酸锂薄膜脊型波导及电极结构模型组成的调制器仿真模型，能够模拟研究波导及电极结构参数对调制器半波电压的影响，从而计算出最优结构。
步骤S1，提供一铌酸锂薄膜晶圆；
其中，铌酸锂薄膜晶圆包括由下到上的衬底5（硅，Si）、外延层42（二氧化硅，SiO2）、以及铌酸锂薄膜3，如图2所示。其中，硅的厚度为500μm，二氧化硅（SiO2）的厚度为2μm，铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜3采用X切型构造，铌酸锂薄膜的厚度为500nm-800nm。
优选的，本步骤中的铌酸锂薄膜3厚度为600nm，对X切600nm铌酸锂薄膜晶圆放在150℃热板上进行脱水烘烤2min。
步骤S2，在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶1，在所述光刻胶上涂覆导电胶2；
在一实施方式中，所述光刻胶1的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。具体实施过程为：在晶圆上以3000r/min的转速旋涂PMMA电子束光刻胶。优选的，为了增强光刻胶的稳定性和强度，放在150℃热板上进行前烘5min；再旋涂导电胶，放在80℃热板上进行烘烤1.5min。
步骤S3，对所述光刻胶1进行电子束曝光处理，处理后在所述光刻胶中形成金属标记凹槽、第一波导凹槽和第二波导凹槽；显影处理，以去除所述光刻胶上多余的导电胶以及曝光后的光刻胶；
其中，将铌酸锂薄膜通过电子束曝光（EBL）处理后，采用MIBK（甲基异丁基甲酮）溶液进行显影，将光刻胶上多余的导电胶去掉。
步骤S4，进行金属电镀处理，在所述金属标记凹槽中生成金属标记11，在所述第一波导凹槽和所述第二波导凹槽中生成波导结构硬掩膜7；去除所述铌酸锂薄膜上的光刻胶；
其中，在进行显影处理之后，进行的金属电镀处理为：利用电子束蒸发铬金属200nm，所述波导结构硬掩膜的材质为金属铬。然后，放入NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶液中进行剥离工艺处理，将铌酸锂薄膜上多余的光刻胶去掉。
步骤S5，对所述金属标记进行涂覆保护胶8处理；利用所述导结构硬掩膜对所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜进行刻蚀，得到位于所述波导结构硬掩膜下方的第一波导21和第二波导22；
其中，在利用所述导结构硬掩膜刻蚀所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜时，可以通过ICP（电感耦合等离子体）进行刻蚀，刻蚀得到的第一波导21和第二波导22为1+1对称型铌酸锂薄膜脊型波导，即水平平行的2根波导。
步骤S6，去除所述波导结构硬掩膜，去除所述金属标记11上的保护胶8；在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶，在所述光刻胶上涂覆导电胶；以所述金属标记为套刻标记，对所述光刻胶进行电子束曝光处理；显影处理后，进行金属电镀处理，在所述第一波导21外侧形成第一金属电极31，在所述第一波导21和所述第二波导22的一侧壁之间形成第二金属电极32，在所述第二波导22的另一侧壁旁边形成第三金属电极33，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
其中，第一金属电极31、第二金属电极32和第三金属电极33为调制器的三个射频电极，第一金属电极31用作火线，第二金属电极32和第三金属电极33用作地线。
在一实施方式中，在去除所述金属标记上保护胶之后，在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶之前，还包括：
利用RCA溶液（即硅片清洗溶液）进行清洗处理，用于清洗所述第一波导和所述第二波导。
在一实施方式中，去除所述金属标记上保护胶包括：利用NMP（N-甲基吡咯烷酮）去胶液对所述金属标记上的保护胶进行处理，用于去除所述保护胶。
本步骤中，按照步骤S3中金属标记的曝光版图建立的坐标系进行版图套刻，光刻胶为PMMA电子束光刻胶。
在上述显影处理之后，利用电子束蒸发蒸镀10nmTi（钛元素）/490nmAu（金元素）金属。得到第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极，然后再进行剥离工艺处理。
步骤S7，在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方沉积保护层，以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导上耦合光纤，得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器。
在一实施方式中，可以利用电子束蒸发方法或利用等离子体沉积方法，在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方生长保护层41。
优选的，该保护层41为二氧化硅，保护层的厚度为1μm。
本发明实施例的制备方法具有以下优点：
（1）首先基于光波导理论，运用利用数值仿真软件构建铌酸锂薄膜脊型波导结构模型，模拟研究波导结构参数如波导宽度、脊型高度、侧壁倾角等对波导内部不同波长光斑模式有效折射率的影响指导设计脊型波导结构参数；通过实验探究EBL（电子束曝光）和ICP（电感耦合等离子体）的刻蚀过程中影响波导表面粗糙度的主要因素，如电子束曝光剂量、光刻胶掩模的坚膜温度和时间、刻蚀气体的类型和流量以及刻蚀功率等，并结合后续步骤制备得到铌酸锂薄膜脊型波导结构。
相当于只需一步套刻法就能实现纳米级铌酸锂薄膜调制器的制备，并且使用成本相对低很多的PMMA曝光胶进行曝光处理，工艺更简单、更节能、套刻精度更高、成本更低，并且在减少工艺步骤的同时也减少了脏污引入的概率；同时本发明制备调制器中的脊型波导，相比传统反质子交换（RPE）波导，光束缚能力更强，损耗更小，且通过光纤输入泵浦光和输出，大大增加了集成化。
（2）制备得到的调制器中采用了纳米级铌酸锂薄膜脊型波导，其好处在于：首先，铌酸锂薄膜脊型波导的束光能力更强：即使传统反质子交换波导和钛扩散波导可以做到微米级，但由于纳米级铌酸锂薄膜脊型波导折射率差比同尺寸级别传统反质子交换波导和钛扩散波导大很多，所以光束缚能力更强，且纳米级铌酸锂薄膜脊型波导相比反质子交换波导和钛扩散波导工艺难度大。其次，纳米级铌酸锂薄膜脊型波导两边电极间距可以做到5μm，相应的半波电压可以降低到2V以内。
对应于上文实施例的制备方法，图3和图4示出了本发明实施例二提供的铌酸锂薄膜脊型波导调制器的结构图，该调制器包括：
铌酸锂薄膜晶圆（包括衬底5、外延层42以及铌酸锂薄膜），所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上分别间隔设置有金属标记11、第一波导21和第二波导22；
在位于所述第一波导21外侧的铌酸锂薄膜上设置有第一金属电极31，在位于所述第一波导21和所述第二波导22的一侧壁之间的铌酸锂薄膜上设置有第二金属电极32，在所述第二波导22的另一侧壁旁边的铌酸锂薄膜上设置有第三金属电极33，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
保护层41，位于所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方，以及所述金属标记11的两侧；
以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导前端和后端分别设置的耦合光纤。
本实施例的酸锂薄膜脊型波导调制器具有以下优点：
（1）系统体积大大减小，且最后是光纤输入泵浦光，光纤输出纠缠源，大大增加了调制器的集成化；
（2）相对于传统高速铌酸锂调制器（晶体或反质子交换波导）的电极间距大，相应的半波电压高，存在光束缚能力弱、模场大、损耗较大、很难实现集成光学的问题。本实施例的调制器内采用纳米级铌酸锂薄膜脊型波导，光束缚能力更强，损耗更小，电极间距可做更窄，相应的半波电压可大大降低。
需要说明的是，上述模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
提供一铌酸锂薄膜晶圆；
在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶，在所述光刻胶上涂覆导电胶；
对所述光刻胶进行电子束曝光处理，处理后在所述光刻胶中形成金属标记凹槽、第一波导凹槽和第二波导凹槽；显影处理，以去除所述光刻胶上多余的导电胶以及曝光后的光刻胶；
进行金属电镀处理，在所述金属标记凹槽中生成金属标记，在所述第一波导和所述第二波导中生成波导结构硬掩膜；去除所述铌酸锂薄膜上的光刻胶；
对所述金属标记进行涂覆保护胶处理；利用所述波导结构硬掩膜对所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜进行刻蚀，得到位于所述波导结构硬掩膜下方的第一波导和第二波导；
去除所述波导结构硬掩膜，去除所述金属标记上保护胶；在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶，在所述光刻胶上涂覆导电胶；
以所述金属标记为套刻标记，对所述光刻胶进行电子束曝光处理；显影处理后，进行金属电镀处理，在所述第一波导外侧形成第一金属电极，在所述第一波导和所述第二波导的一侧壁之间形成第二金属电极，在所述第二波导的另一侧壁旁边形成第三金属电极，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方沉积保护层，以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导上耦合光纤，得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在制备得到所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导之前，还包括：
利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导的仿真模型，通过调整仿真模型中波导结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导的优化结构；
利用数值仿真软件建立铌酸锂薄膜脊型波导调制器的仿真模型，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器包括所述铌酸锂薄膜脊型波导和GSG对称型金属电极，通过调整仿真模型中的波导结构参数和电极结构参数，确定铌酸锂薄膜脊型波导调制器的最优结构。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，确定铌酸锂薄膜脊型波导调制器的最优结构之后，还包括：
按照所述最优结构中确定的波导结构参数和电极结构参数，制备得到铌酸锂薄膜脊型波导调制器；所述波导结构参数包括：所述第一波导和所述第二波导的宽度、所述铌酸锂薄膜脊型波导的脊型高度以及侧壁倾角；所述电极结构参数包括：所述第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极的宽度。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在去除所述金属标记上保护胶之后，在所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶之前，还包括：
利用RCA溶液进行清洗处理，用于清洗所述第一波导和所述第二波导。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，去除所述金属标记上保护胶包括：利用NMP去胶液对所述金属标记上的保护胶进行处理，用于去除所述保护胶。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜采用X切型构造，铌酸锂薄膜的厚度为500nm-800nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述波导结构硬掩膜的材质为金属铬。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，利用电子束蒸发方法或利用等离子体沉积方法，在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方生长保护层。
10.一种铌酸锂薄膜脊型波导调制器，其特征在于，包括：
铌酸锂薄膜晶圆，所述铌酸锂薄膜晶圆的铌酸锂薄膜上分别间隔设置有金属标记、第一波导和第二波导；
在位于所述第一波导外侧的铌酸锂薄膜上设置有第一金属电极，在位于所述第一波导和所述第二波导的一侧壁之间的铌酸锂薄膜上设置有第二金属电极，在所述第二波导的另一侧壁旁边的铌酸锂薄膜上设置有第三金属电极，得到铌酸锂薄膜调制器脊型波导；
保护层，位于所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导的上方；
以及在所述铌酸锂薄膜调制器脊型波导前端和后端分别设置的耦合光纤；
并且，所述铌酸锂薄膜脊型波导调制器通过如权利要求1至9任一项所述的制备方法得到。
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