CN105731352B - 一种片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法，其中，该微盘腔包括：自上而下层叠的微盘和支撑结构；所述微盘的尺寸大于所述支撑结构的尺寸。本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法能够提高片上集成硫化砷微盘腔的品质因子。

Description

一种片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法。

背景技术

回音壁模式的微盘腔是一种重要的微纳光子器件，在低阈值激光器、腔光力学和生物传感等方面有着广泛的应用。特别地，在集成光学领域，由于中红外光学和非线性光学的巨大潜在应用价值，基于中红外透光高非线性系数材料的集成光学研究将对这一方向产生莫大助益。

目前中红外透光材料在集成光学上研究的主流是硫系玻璃，其中又以硫化砷和硒化砷为主。已有的硫化砷微盘腔的制备技术,由于无法解决硫化砷易于被具有氧化性物质(包括气体和液体)腐蚀的问题，均是直接生长于二氧化硅基片上。但是这样的结构由于硫化砷和二氧化硅之间折射率差异不大，光能量会有一部分分布于衬底内，衬底对光的损耗问题会降低此类微盘腔的品质因子。

发明内容

本发明实施例提供一种片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法，以解决现有技术中的片上集成硫化砷微盘腔品质因子较低的问题。

为达此目的，本发明实施例采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种片上集成硫化砷微盘腔，包括：自上而下层叠的微盘和支撑结构；

所述微盘的尺寸大于所述支撑结构的尺寸。

进一步地，所述支撑结构包括：自上而下层叠的中间层和支撑层。

进一步地，所述微盘的材料为硫化砷；所述中间层的材料为二氧化硅；所述支撑层的材料为硅。

进一步地，所述微盘的形状为圆柱形或者圆台形；

所述中间层的形状为圆柱形；

所述支撑层的形状为圆台形。

进一步地，所述支撑层的中心、所述中间层的中心和所述微盘的中心在同一条直线上，且所述支撑层、所述中间层和所述微盘集成于硅片之上。

进一步地，所述微盘的厚度大于或等于0.5微米，且小于或等于2微米。

进一步地，所述微盘上表面的直径大于或等于20微米，且小于或等于100微米。

进一步地，所述中间层的厚度大于或等于0.2微米，且小于或等于1微米。

第二方面，本发明实施例还提供了一种如第一方面所述的微盘腔的制作方法，包括：

提供商用二氧化硅片；

在所述二氧化硅片之上形成硫化砷层；

在所述硫化砷层之上旋涂第一光刻胶，并进行曝光、显影，形成第一光刻胶子块；

刻蚀硫化砷层中除所述第一光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘；

去除剩余的第一光刻胶；

在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶，并进行套刻，形成第二光刻胶子块，且所述第二光刻胶子块包围所述微盘；

刻蚀二氧化硅层中除所述第二光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块；

对硅片中除所述二氧化硅子块所在区域之外的剩余区域的硅进行刻蚀，形成支撑层；

对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀，形成中间层，以使所述微盘的尺寸大于所述中间层的尺寸；

去除剩余的第二光刻胶。

本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔及其制作方法，通过将微盘的尺寸设置为大于支撑结构的尺寸，实现了微盘悬空设置，进而束缚在微盘中的光学模式不会受到支撑结构的影响，从而能够提高片上集成硫化砷微盘腔的品质因子，进而能够提高片上集成硫化砷微盘腔在光学器件上的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的一种实现方式的剖视示意图。

图2是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘的俯视示意图。

图3是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的中间层的俯视示意图。

图4是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的支撑层的俯视示意图。

图5是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的另一种实现方式的剖视示意图。

图6是图5提供的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘的俯视示意图。

图7是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的归一化透射谱示意图。

图8是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法的流程示意图。

图9A是图8中步骤在硅片之上形成二氧化硅层的剖视示意图。

图9B是图8中步骤在二氧化硅片之上形成硫化砷层的剖视示意图。

图9C是图8中步骤在硫化砷层之上旋涂第一光刻胶的剖视示意图。

图9D是图8中步骤进行曝光、显影，形成第一光刻胶子块的剖视示意图。

图9E是图8中步骤刻蚀硫化砷层中除第一光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘的剖视示意图。

图9F是图8中步骤去除剩余的第一光刻胶的剖视示意图。

图9G是图8中步骤在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶的剖视示意图。

图9H是图8中步骤进行套刻，形成第二光刻胶子块的剖视示意图。

图9I是图8中步骤刻蚀二氧化硅层中除第二光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块的剖视示意图。

图9J是图8中步骤对硅片中除二氧化硅子块所在区域之外的剩余区域的硅进行刻蚀，形成支撑层的剖视示意图。

图9K是图8中步骤对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀，形成中间层的剖视示意图。

图9L是图8中步骤去除剩余的第二光刻胶的剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的一种实现方式的剖视示意图。如图1所示，本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔包括：支撑结构101和微盘102。

其中，微盘102位于支撑结构101之上，且微盘102的尺寸大于支撑结构101的尺寸。

本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔，通过将微盘102的尺寸设置为大于支撑结构101的尺寸，实现了微盘102悬空设置，进而束缚在微盘102中的光学模式不会受到支撑结构101的影响，从而能够提高片上集成硫化砷微盘腔的品质因子，进而能够提高片上集成硫化砷微盘腔在光学器件上的性能。

如图1所示，支撑结构101可以包括：中间层103和支撑层104。其中，中间层103位于支撑层104的上方。

其中，微盘102的材料可以为硫化砷；中间层103的材料可以为二氧化硅；支撑层104的材料可以为硅。

图2是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘的俯视示意图。如图1和图2所示，微盘102的形状可以为圆柱形。微盘102的厚度可以大于或等于0.5微米，且小于或等于2微米。微盘102的直径可以大于或等于20微米，且小于或等于100微米。

图3是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的中间层的俯视示意图。如图1和图3所示，中间层103的形状可以为圆柱形。中间层103的厚度可以大于或等于0.2微米，且小于或等于1微米。

图4是图1提供的片上集成硫化砷微盘腔中的支撑层的俯视示意图。如图1和图4所示，支撑层104的形状可以为圆台形。

如图1所示，支撑层104的中心、中间层103的中心和微盘102的中心可以在同一条直线A-A线上。

此外，支撑层104、中间层103和微盘102可集成于硅片之上(图中未示出)。

图5是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的另一种实现方式的剖视示意图。如图1和图5所示，与图1示出的片上集成硫化砷微盘腔不同的是，图5示出的片上集成硫化砷微盘102的形状为圆台形。其中，微盘102上表面的直径可以大于或等于20微米，且小于或等于100微米。

图6是图5提供的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘的俯视示意图。因为图1示出的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘102的形状为圆柱形，图5示出的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘102的形状为圆台形，因此，如图6和图2所示，图1示出的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘102的俯视图和图5示出的片上集成硫化砷微盘腔中的微盘102的俯视图不同。因为图1示出的片上集成硫化砷微盘腔中的中间层103以及支撑层104和图5示出的片上集成硫化砷微盘腔中的中间层103以及支撑层104相同，因此，图5示出的片上集成硫化砷微盘腔中的中间层103以及支撑层104的俯视图如图3和图4所示，在此不再赘述。

图7是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的归一化透射谱示意图。其中，图7中所利用的微盘腔中的微盘的半径为60微米。如图7所示，横坐标为频率失谐/GHz，纵坐标为归一化透射率。由图7可知：本发明实施例提供的微盘腔的本征品质因子Q₀可达8.4×10⁵。

图8是本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法的流程示意图。图8示出的制作方法用于制作本发明上述实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔。如图8所示，本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法包括：

步骤701、提供商用二氧化硅片。

本步骤701提供的商用二氧化硅片是在硅片的表面形成一层二氧化硅层得到的。其制作步骤可包括：提供硅片；在硅片之上形成二氧化硅层。

图9A是图8中步骤在硅片之上形成二氧化硅层的剖视示意图。如图9A所示，在硅片801之上形成二氧化硅层802。

本步骤701中形成二氧化硅层802所利用的工艺可以是热氧化工艺，也可以是等离子体增强化学气相沉积法(PEVCD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)。

本步骤701中形成的二氧化硅层802的厚度可以根据实际需要进行设计，例如：0.2微米-1微米，二氧化硅层802的具体厚度在此不做限定。

需要说明的是，提供硅片之后，在硅片之上形成二氧化硅层之前，还可以包括：对硅片801进行清洗、烘干，以保证硅片801表面的清洁度。

步骤702、在二氧化硅片之上形成硫化砷层。

图9B是图8中步骤在二氧化硅片之上形成硫化砷层的剖视示意图。如图9B所示，在二氧化硅层802之上形成硫化砷层803。

本步骤702中形成硫化砷层803所利用的工艺可以是真空蒸发沉积工艺或者脉冲激光沉积工艺。

需要说明的是，步骤701之后，步骤702之前，还可以包括：对硅片801进行清洗、烘干，以保证硅片801表面的清洁度。步骤702之后，还可以包括：对步骤702得到的结构进行退火处理，以提高硫化砷层803的致密性。

步骤703、在硫化砷层之上旋涂第一光刻胶，并进行曝光、显影，形成第一光刻胶子块。

图9C是图8中步骤在硫化砷层之上旋涂第一光刻胶的剖视示意图。如图9C所示，在硫化砷层803之上旋涂第一光刻胶804。

图9D是图8中步骤进行曝光、显影，形成第一光刻胶子块的剖视示意图。如8D所示，利用光刻技术，进行曝光、显影后，将掩膜版上的图形转移到第一光刻胶上，形成第一光刻胶子块805。

需要说明的是，本步骤703中所用到的掩膜版的形状可以为圆形。掩膜版的尺寸可以根据实际需要进行设计，例如：10微米-100微米，掩膜版的具体尺寸在此不做限定。

步骤702之后，步骤703之前还可以包括：对步骤702得到的结构进行洗净吹干处理，以保证表面的清洁度。

步骤704、刻蚀硫化砷层中除第一光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘。

图9E是图8中步骤刻蚀硫化砷层中除第一光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘的剖视示意图。如图9E所示，在光刻胶的遮挡作用下，刻蚀液体(或气体)只能从上往下刻蚀硫化砷层中除第一光刻胶子块805所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘806。

本步骤704中，刻蚀硫化砷层所利用的方法可以是：使用含氨液体进行湿法腐蚀或者使用三氟甲烷等气体进行干法刻蚀。

可以理解的是，在刻蚀过程中，理想情况下不会对微盘806造成刻蚀。但是，实际情况下，由于刻蚀液体和气体除了纵向扩散之外，还存在横向扩散，故而会造成对微盘806上边沿和下边沿的刻蚀深度不一致的情况，此时，形成的结构为图5示出的结构。

需要说明的是，此处的微盘806即为图1和图5中的微盘102。

步骤705、去除剩余的第一光刻胶。

图9F是图8中步骤去除剩余的第一光刻胶的剖视示意图。如图9F所示，本步骤705中得到的结构中没有第一光刻胶。

步骤706、在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶，并进行套刻，形成第二光刻胶子块，且第二光刻胶子块包围微盘。

图9G是图8中步骤在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶的剖视示意图。如图9G所示，在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶807。其中，第二光刻胶807不仅覆盖微盘806，还覆盖相邻两个微盘806之间的二氧化硅802。

图9H是图8中步骤进行套刻，形成第二光刻胶子块的剖视示意图。如图9H所示，通过套刻工艺，形成第二光刻胶子块808。其中，第二光刻胶子块808包围微盘806。

需要说明的是，若要第二光刻胶子块808包围微盘806，则：第二光刻胶子块808不仅覆盖微盘806的上表面，还包围微盘806的侧面一周。另，第二光刻胶子块808的形状应当与微盘806的形状相同。且第二光刻胶子块808的半径可以比微盘806的直径大20微米，且第二光刻胶子块808的的圆心和微盘806的圆心可以同心。

步骤707、刻蚀二氧化硅层中除第二光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块。

图9I是图8中步骤刻蚀二氧化硅层中除第二光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块的剖视示意图。如图9I所示，刻蚀二氧化硅中除第二光刻胶子块808所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块809。此时形成的结构中，第二光刻胶子块808和二氧化硅子块809构成微盘806的包覆层。

本步骤707中刻蚀二氧化硅层所利用的工艺可以是湿法腐蚀，所利用的液体可以是氢氟酸溶液。

步骤708、对硅片中除二氧化硅子块所在区域的剩余的硅进行刻蚀，形成支撑层。

图9J是图8中步骤对硅片中除二氧化硅子块所在区域的剩余的硅进行刻蚀，形成支撑层的剖视示意图。如图9J所示，对硅片中除二氧化硅子块所在区域之外的剩余的硅进行刻蚀，形成支撑层810。此处形成的支撑层810即为图1和图5中的支撑层104。

本步骤708中刻蚀硅所利用的工艺可以为干法刻蚀工艺，也可以为湿法刻蚀工艺，所利用的刻蚀物质可以为六氟化硫。

需要说明的是，由于步骤707中第二光刻胶子块808和二氧化硅子块809构成微盘806的包覆层，因此，本步骤708中刻蚀二氧化硅时，不会造成对微盘806的刻蚀。

步骤709、对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀，形成中间层，以使微盘的尺寸大于中间层的尺寸。

图9K是图8中步骤对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀，形成中间层811的剖视示意图。此处形成的中间层811即为图1和图5示出的中间层103。

本步骤709可以利用氢氟酸对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀。

需要说明的是，由于步骤707中第二光刻胶子块808和二氧化硅子块809构成微盘806的包覆层，因此，本步骤709中刻蚀二氧化硅子块时，不会造成对微盘806的刻蚀。

步骤710、去除剩余的第二光刻胶。

图9L是图8中步骤去除剩余的第二光刻胶的剖视示意图。如图9K所示，步骤710得到的结构中没有第二光刻胶。

需要说明的是，在图9L示出的结构中，沿着B-B线进行切割，可以得到图1示出的结构。

本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法，通过将微盘806的尺寸设置为大于支撑结构(支撑结构包括自下而上层叠的支撑层810和中间层811)的尺寸，实现了微盘806悬空设置，进而束缚在微盘806中的光学模式不会受到支撑结构的影响，从而能够提高片上集成硫化砷微盘腔的品质因子，进而能够提高片上集成硫化砷微盘腔在光学器件上的性能。此外，本发明实施例提供的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法与传统的集成电路工艺相兼容，具有操作简单、重复率高和易于集成的优点。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种片上集成硫化砷微盘腔，其特征在于，包括：自上而下层叠的微盘和支撑结构；

所述微盘的尺寸大于所述支撑结构的尺寸，所述微盘相对于所述支撑结构悬空设置；

所述微盘的材料为硫化砷；所述微盘的厚度大于或等于0.5微米，且小于或等于2微米；

所述支撑结构包括自上而下层叠的中间层和支撑层；所述中间层的材料为二氧化硅；所述中间层的厚度大于或等于0.2微米，且小于或等于1微米；

所述支撑层的材料为硅；

所述微盘的形状为圆柱形或者圆台形；所述中间层的形状为圆柱形；所述支撑层的形状为圆台形；所述支撑层的中心、所述中间层的中心和所述微盘的中心在同一条直线上，且所述支撑层、所述中间层和所述微盘集成于硅片之上。

2.根据权利要求1所述的微盘腔，其特征在于，所述微盘上表面的直径大于或等于20微米，且小于或等于100微米。

3.一种如权利要求1或2所述的片上集成硫化砷微盘腔的制作方法，其特征在于，包括：

提供商用二氧化硅片；

在所述二氧化硅片之上形成硫化砷层；

在所述硫化砷层之上旋涂第一光刻胶，并进行曝光、显影，形成第一光刻胶子块；

刻蚀硫化砷层中除所述第一光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的硫化砷层，形成至少一个微盘；

去除剩余的第一光刻胶；

在去除掉光刻胶之后的结构之上重新旋涂第二光刻胶，并进行套刻，形成第二光刻胶子块，且所述第二光刻胶子块包围所述微盘；

刻蚀二氧化硅层中除所述第二光刻胶子块所在区域之外的剩余区域的二氧化硅层，形成二氧化硅子块；

对硅片中除所述二氧化硅子块所在区域之外的剩余区域的硅进行刻蚀，形成支撑层；

对二氧化硅子块的边缘进行刻蚀，形成中间层，以使所述微盘的尺寸大于所述中间层的尺寸；

去除剩余的第二光刻胶。