CN108279320B - 一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Fano共振纳米光波导加速度计原理及制造工艺，具体属于光学领域和微光机电***领域，具体为一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法。本发明提供了一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法，本发明以SOI材料作为敏感元件和基底材料，基于高Q光学微环腔高灵敏的特点，以及SOI材料高折射率、光学限制能力强、传输损耗小、易集成等优点，采用集成纳米光波导工艺，提出基于Fano共振的纳米光波导加速度计，通过力‑光耦合效应实现具有高灵敏抗冲击特性的光学加速度计。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Fano共振纳米光波导加速度计原理及制造工艺，具体属于光学领域和微光机电***领域，具体为一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法。
背景技术
加速度计(accelerometer)是一种用于测量加速度的惯性器件，是构成不依赖卫星的惯性导航***的核心测量单元。从汽车安全气囊***控制、地震监测，到航空、航天器及无人驾驶汽车的惯性导航***，再到手机和平板电脑的重力感应及屏幕自动旋转功能等都离不开加速度计的作用，加速度计已成为我们日常生活中必不可少的一部分。
传统的MEMS加速度计受到环境、体积以及自身属性的限制，无法满足现代工业及军事发展对高灵敏度加速度计的需求。而微光机电加速度计MOEMS借助光的特性可以实现比MEMS加速度计器件响应速度更快，集成度更高、可控性更强、抑制噪声能力和抗电磁干扰能力更突出的***器件。
发明内容
本发明提供了一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法，本发明以SOI材料作为敏感元件和基底材料，基于高Q光学微环腔高灵敏的特点，以及SOI材料高折射率、光学限制能力强、传输损耗小、易集成等优点，采用集成纳米光波导工艺，提出基于Fano共振的纳米光波导加速度计，通过力-光耦合效应实现具有高灵敏抗冲击特性的光学加速度计。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法，包括以下步骤：
第一步，SOI基片预处理：将SOI基片进行超声清洗，然后用去离子水冲洗，经氮气吹干；
第二步，高温改性与退火消除应力：对预处理后的SOI基片进行烘烤，以去除基片上的水汽，增加光刻胶与基片之间的粘附度，使匀胶更加均匀，同时，在烘烤完成后要对基片进行退火消除应力处理；
第三步，匀胶：在上述SOI基片顶层硅上涂光刻胶；
第四步，前烘：匀胶完成后将SOI基片进行烘烤，充分蒸发掉光刻胶中的溶剂，降低高速旋转时光刻胶薄膜应力，避免光刻胶分层；
第五步，光刻：利用掩膜将电子束对准标记处的光刻胶进行曝光；
第六步，显影：将曝光后的SOI基片放入显影液中进行显影，显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶，同时增强金属与SOI基片的粘附力；
第七步，电子束蒸发与剥离：利用电子束蒸发镀钛和金，然后放入丙酮溶液中浸泡，再超声振动，在丙酮溶液中用镊子去除对准标记以外的金属，并去除其余光刻胶，最后得到双十字对准标记图案；
第八步，匀胶与电子束光刻：在得到双十字对准标记图案的SOI基片上匀胶，然后进行电子束曝光，对环形腔以及波导结构处的光刻胶进行曝光；
第九步，显影：将上述曝光后的SOI基片放入显影液中进行显影，显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶；
第十步，ICP深硅刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀，在顶层硅上得到环形腔以及波导结构，波导结构包括直波导和两个Y波导，直波导包括连接两Y波导首部分叉的直波导和与两Y波导尾部分别连接的直波导，其中连接Y波导首部分叉的一条直波导与环形腔耦合，去除剩余的光刻胶；
第十一步，匀胶、光刻、显影、ICP深硅刻蚀，在两Y波导2尾部的直波导上得到光栅；
第十二步，匀胶、光刻和显影：在得到光栅的SOI基片上匀胶、光刻和显影，将环形腔***的光刻胶去除掉；
第十三步，后烘：显影完成后，将SOI基片置于烘台上进行后烘处理，去除显影后光刻胶内残留溶剂，提高光刻胶的粘附性和抗刻蚀能力；
第十四步，ICP深硅刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀，将环形腔***的顶层硅刻蚀掉，
第十五步，RIE刻蚀：对裸露出的中间二氧化硅层进行刻蚀，形成位于环形腔下方的检测质量块和连接梁（连接检测质量块和刻蚀后的中间二氧化硅层），并形成底层硅刻蚀的通道；
第十六步，ICP各项同性深硅刻蚀：所用ICP各项同性深硅刻蚀，去掉其中的钝化过程，利用SF6气体通过先前刻蚀好的通道进入基底硅，对基底硅进行刻蚀，从而释放连接梁成为二氧化硅悬臂梁和形成悬空的检测质量块，去掉光刻胶；
第十七步，利用MEMS工艺将调理电路集成于刻蚀完成的加速度计结构上，实现纳米光波导加速度计的制备，调理电路包括电极5、输入单元12和探测单元7。
加速度计基本原理为：光源从一侧直波导光栅入射后，经过Y波导分成两路，其中一路光经直波导输出；另一路光经直波导与环形腔耦合。当环形腔的本征频率与直波导中传输光的频率接近时产生谐振，另一光路的光谱与谐振光路的光谱在Y波导发生干涉而产生Fano共振；环形腔在悬臂梁上，当***感知外力作用，环形腔与其中一路光的耦合间距发生细微变化，导致透射谱中Fano共振透射谱线发生显著变化，通过测量透射峰值的光强度变化即可计算加速度值。
本发明与现有的技术相比，具有的有益效果是：
（1）本发明提出了一种结构紧凑、响应速度快、分辨率高、低功耗的Fano共振加速度计，特别是片上集成型超高灵敏度加速度计，对于集成光学加速度计技术的发展具有重要意义。
（2）本发明提出利用Fano共振***能够产生十分陡峭的共振透射谱线，很小的加速度变化就会使得输出的光强度发生明显的改变，可实现超高灵敏度加速度的检测。
（3）本发明器件可以用集成纳米光波导工艺制作，成本低，性能高，损耗小，与传统的CMOS工艺完美兼容，结构简单，易于制作，具有大规模生产的潜力。
附图说明
图1是本发明纳米光波导加速度计结构示意图。
图2是SOI基片示意图。
图3是本发明直波导与光栅结构示意图。
图4是双十字对准标记示意图。
图5是悬臂梁制备示意图。
附图说明：1-直波导；2-Y波导；3-悬臂梁；4-检测质量块，5-电极；6-环形腔；7-探测单元；8-顶层硅；9-二氧化硅层；10-基底硅；11-光栅；12-输入单元。
具体实施方式
加速度计以SOI材料作为敏感元件和基底材料，SOI材料包括顶层硅8、中间二氧化硅层9和基底硅10，在顶层硅8上形成直波导1、Y波导2、环形腔6和光栅11；中间二氧化硅层9上形成悬臂梁3和检测质量块4；电极5、输入单元12、探测单元7形成调理电路。直波导1、悬臂梁3、环形腔6和光栅11集成在一起，这种一体式的结构有助于减少由分离元器件互相连接耦合造成的损耗。
按照本发明所提供的加速度计的制造工艺，主要分为环形谐振腔的制备与悬臂梁的释放两个流程，最终使用套刻工艺将其连接在一起，其中，环形谐振腔的制备包括以下步骤：
第一步，SOI基片预处理。一次用丙酮、异丙醇和无水乙醇进行超声清洗，每次清洗15min，清洗三次，然后用去离子水冲洗，经氮气吹干。
第二步，高温改性与退火消除应力。采用100℃的温度对SOI基片进行烘烤，以去除基片上的水汽，增加光刻胶与基片之间的粘附度，使匀胶更加均匀。同时，在烘烤完成后要对基片进行退火消除应力处理，所用退火炉为RPT-500快速退火炉，时间为2min。
第三步，匀胶。选用AZ4620正光刻胶，匀胶厚度为1.2-1.5μm，匀胶机的工作参数设置为：旋涂时间6-8s、转速2000rad/min。
第四步，前烘。匀胶完成后将SOI基片置于95℃的烘台上烘烤90s，充分蒸发掉光刻胶中的溶剂，降低高速旋转时光刻胶薄膜应力，避免光刻胶分层。
第五步，光刻。所用光刻机为MA6接触式国产曝光机，宽带紫外光源为365~400nm，分辨率为1μm。曝光参数设置为：6.5s，曝光能量为9mW/cm3。
第六步，显影。将曝光后的SOI基片放入专用的显影液中进行显影，时间为60s。显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶，同时增强金属与SOI基片的粘附力。
第七步，电子束蒸发与剥离。利用电子束蒸发镀30nm厚的钛和130nm厚的金，然后放入丙酮溶液中浸泡30min，再超声振动3min，在丙酮溶液中用镊子去除对准标记以外的金属，并去除光刻胶，最后得到双十字对准标记图案，如图4所示。
第八步，匀胶与电子束光刻。所用光刻胶为PMMA A4正胶，匀胶厚度为2μm，匀胶参数设置为：转速为3000rad/min，旋涂时间为6-8s。然后进行电子束曝光。所用仪器为日本电子的JBX5500ZA，曝光剂量为600mJ/mm3，曝光时间为2min。
第九步，显影。将曝光后的SOI基片放入专用的显影液中进行显影，时间为60s。显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶。
第十步，ICP深硅刻蚀。采用感应耦合等离子体刻蚀，所用仪器为HRM刻蚀机，刻蚀气体为SF6，钝化保护气体为C4F8，刻蚀参数为：ICP功率为2000W，射频功率为10W，SF6气体流量为50sccm，刻蚀时间为30s，得到环形腔6和Y波导结构。
第十一步，匀胶、光刻、显影、ICP深硅刻蚀，在两端的直波导1上得到光栅11，得到光栅结构如图3所示。
悬臂梁的释放主要包含以下步骤：
第十二步，匀胶、光刻和显影。所用掩膜层材料为AZ4620，匀胶厚度约为20μm，匀胶参数设置为：转速为3000rad/min，旋涂时间为6~8s。匀胶完成后进行曝光，曝光参数为：9mW/cm2，曝光时间为20s。曝光完成后立即显影，所用显影液为25%的TMAH与水1:3的配比溶液，显影时间是90s，然后用去离子水冲洗干净氮气吹干。
第十三步，后烘。显影完成后，将SOI基片置于烘台上进行后烘处理，去除显影后胶内残留溶剂，提高光刻胶的粘附性和抗刻蚀能力。后烘温度为100℃，时间为90s。
第十四步，ICP深硅刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀，将环形腔6***的顶层硅刻蚀掉。
第十五步，RIE刻蚀。所用刻蚀仪器为Tegal903e，刻蚀速率约为200nm/min，刻蚀时间设置为30min。每隔10min，将托盘拿出进行降温处理，以避免因温度过高而导致光刻胶层消耗过快。
第十六步，ICP各项同性深硅刻蚀。所用ICP各项同性深硅刻蚀，去掉其中的钝化过程，利用SF6气体通过先前刻蚀好的通道进入基底硅，对硅进行刻蚀，从而释放二氧化硅悬臂梁3和检测质量块4。刻蚀参数设置为：速率为0.6μm/min，时间为90s，制备工艺流程如图5所示。
第十七步，利用MEMS工艺将调理电路集成于刻蚀完成的加速度计结构上，实现纳米光波导加速度计的制备。
Claims (1)
1.一种基于Fano共振纳米光波导加速度计制备方法，包括以下步骤：
第一步，SOI基片预处理：将SOI基片进行超声清洗，然后用去离子水冲洗，经氮气吹干；
第二步，烘烤改性与退火消除应力：对预处理后的SOI基片进行烘烤，以去除基片上的水汽，增加光刻胶与基片之间的粘附度，使匀胶更加均匀，同时，在烘烤完成后要对基片进行退火消除应力处理；
第三步，匀胶：在上述SOI基片顶层硅上涂光刻胶；
第四步，前烘：匀胶完成后将SOI基片进行烘烤，充分蒸发掉光刻胶中的溶剂，降低高速旋转时光刻胶薄膜应力，避免光刻胶分层；
第五步，光刻：利用掩膜将电子束对准标记处的光刻胶进行曝光；
第六步，显影：将曝光后的SOI基片放入显影液中进行显影，显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶，同时增强金属与SOI基片的粘附力；
第七步，电子束蒸发与剥离：利用电子束蒸发镀钛和金，然后放入丙酮溶液中浸泡，再超声振动，在丙酮溶液中用镊子去除对准标记以外的金属，并去除其余光刻胶，最后得到双十字对准标记图案；
第八步，匀胶与电子束光刻：在得到双十字对准标记图案的SOI基片上匀胶，然后进行电子束曝光，对环形腔（6）以及波导结构处的光刻胶进行曝光；
第九步，显影：将上述曝光后的SOI基片放入显影液中进行显影，显影完成后使用氧等离子去胶机对基片进行处理，去除曝光的光刻胶；
第十步，ICP深硅刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀，在顶层硅上得到环形腔（6）以及波导结构，波导结构包括直波导（1）和两个Y波导（2），直波导（1）包括连接两Y波导（2）首部分叉的直波导和与两Y波导（2）尾部分别连接的直波导，其中连接Y波导（2）首部分叉的一条直波导与环形腔（6）耦合，去除剩余的光刻胶；
第十一步，匀胶、光刻、显影、ICP深硅刻蚀，在两Y波导（2）尾部的直波导（1）上得到光栅（11）；
第十二步，匀胶、光刻和显影：在得到光栅（11）的SOI基片上匀胶、光刻和显影，将环形腔（6）***的光刻胶去除掉；
第十三步，后烘：显影完成后，将SOI基片置于烘台上进行后烘处理，去除显影后光刻胶内残留溶剂，提高光刻胶的粘附性和抗刻蚀能力；
第十四步，ICP深硅刻蚀：采用感应耦合等离子体刻蚀，将环形腔（6）***的顶层硅刻蚀掉；
第十五步，RIE刻蚀：对裸露出的中间二氧化硅层进行刻蚀，形成位于环形腔（6）下方的检测质量块（4）和连接梁，并形成底层硅刻蚀的通道；
第十六步，ICP各向同性深硅刻蚀：用ICP各向同性深硅刻蚀，去掉其中的钝化过程，利用SF6气体通过先前刻蚀好的通道进入基底硅，对基底硅进行刻蚀，从而释放连接梁成为二氧化硅悬臂梁（3）和形成悬空的检测质量块（4），去掉光刻胶；
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