CN115993682A - 一种铌酸锂光波导制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体公开了一种铌酸锂光波导制造方法，包括以下步骤：S1：准备铌酸锂晶圆，制备各掩模层并涂覆光刻胶；S2：通过光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶上；S3：干法刻蚀氧化层并进行刻蚀截止检测、去除光刻胶；S4：用湿法刻蚀清洗并去除多余的多晶硅；S5：用湿法和干法结合刻蚀芯层铌酸锂，获得铌酸锂光波导；S6：去掉铌酸锂光波导上的掩模层、多晶硅层、并高温回流处理后并沉积上包层，该方法结合了干法刻蚀和湿法刻蚀，可获得较高的刻蚀速率。

Description

一种铌酸锂光波导制造方法

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，具体公开了一种铌酸锂光波导制造方法。

背景技术

铌酸锂作为目前集成光电领域最有潜力的材料平台之一，其具备强大的电光效应、较大的折射率及优良的非线性光学特性等优点。基于铌酸锂薄膜制造的高速电光调制器、光频梳及非线性光学频率转换器等器件的小型化和集成化是目前该领域的发展重点。而光波导作为这类集成光电器件的基础结构，其加工和制造的水平决定了器件整体的光学性能是否能够充分发挥铌酸锂的优势。

由于铌酸锂本身具备稳定的化学和物理特性，因此其刻蚀工艺一直以来是该领域的难点。目前，铌酸锂光波导的加工和制造方法多种多样，主要以湿法刻蚀和干法刻蚀为主，辅以化学机械抛光、金刚石切割、飞秒激光直写、聚焦离子束铣削及条形负载波导等技术。但实际上，铌酸锂光波导刻蚀过程中仍然无法有效解决固体产物沉积、表面洁净度及侧壁粗糙度等问题，简捷、高效且低成本的加工和制造方法是铌酸锂材料平台不断发展和完善的核心基础；

现有的各类用于加工和制造铌酸锂光波导的技术虽然各有特点，但在刻蚀过程中却依然存在诸多尚未完全解决的问题。比如，由于铌酸锂自身稳定的化学和物理特性，导致其刻蚀速率低；氟基气体和氩气的组合可以有效的加快刻蚀速率，但同时使得刻蚀选择性降低，且会生成氟化锂固体沉积物，阻碍刻蚀过程的同时还无法有效去除，导致光波导表面不洁净；同时，以金属铬等作为阻挡层的刻蚀方法在去除阻挡层时无法进行精准的控制，可能导致氧化物掩模层在芯层尚未刻蚀之前受到钻蚀；此外，侧壁的粗糙度问题也一直困扰着铌酸锂光波导的加工和制造，固有的刻蚀技术无法避免光波导侧壁变得粗糙，而像化学机械抛光等过于繁琐的辅助工艺不仅效果甚微，还增加了生产成本和冗余的工艺环节。

专利号为CN202210453489.2的发明专利中，给出了一种基于铬掩膜的铌酸锂薄膜亚微米线宽脊型光波导制备方法。该方法利用电感耦合等离子体对样品进行刻蚀，刻蚀气体为氩气和全氟丁烯，流速为20-25sccm，射频功率为50-250W，铌酸锂的刻蚀速率为30-60nm/min，制备的光波导侧壁垂直度较高，最终集成的器件体积小，且具有良好的光约束条件。该发明中的方法虽然成功制造出了铌酸锂光波导，但是一方面其刻蚀速率不高，另一方面其采用铬刻蚀溶液清洗样品上残留的铬掩膜和铝膜时可能会导致掩模层的钻蚀并使光波导侧壁倾角变；

专利号为CN202111250081.7的发明专利中，利用氟基气体和氩气相结合的干法刻蚀工艺，提供了一种铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法。该方法中基于行波电极的结构，直接对铌酸锂薄膜进行刻蚀得到需要的波导结构，刻蚀工艺为离子束刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀和反应离子刻蚀，减小了刻蚀区域的同时，还降低了工艺难度和制造成本。同样的，该发明专利中对于铌酸锂薄膜的刻蚀中存在的光波导表面洁净度和侧壁粗糙度的等问题，仍然没有给出合理且可靠的解决方案，最终得到的铌酸锂光波导质量仍然不够高，鉴于现有技术的缺陷，发明人提出一种新的一种铌酸锂光波导制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铌酸锂光波导的制造方法，该方法结合了干法刻蚀和湿法刻蚀，可获得较高的刻蚀速率，能有效去除氟化锂固体沉积物并保证光波导的表面洁净度，能防止氧化物掩模层受到钻蚀，可使侧壁倾角更大且侧壁光滑。

为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：

一种铌酸锂光波导制造方法，包括以下步骤：

S1：准备铌酸锂晶圆，制备各掩模层并涂覆光刻胶；

S2：通过光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶上；

S3：干法刻蚀氧化层并进行刻蚀截止检测、去除光刻胶；

S4：用湿法刻蚀清洗并去除多余的多晶硅；

S5：用湿法和干法结合刻蚀芯层铌酸锂，获得铌酸锂光波导；

S6：去掉铌酸锂光波导上的掩模层、多晶硅层、并高温回流处理后并沉积上包层。

本基础方案的原理及效果在于：

1.与现有技术相比，本发明的优点在于，针对铌酸锂光波导加工过程中刻蚀速率低、表面不洁净、掩模钻蚀及侧壁粗糙等问题提出了一种新的铌酸锂光波导制造方法。该方法中巧妙的使用刻蚀截止检测技术、干法刻蚀和湿法刻蚀的结合工艺及高温回流处理，能有效的解决铌酸锂光波导加工和制造时面临的各类难题。通过试生产验证，结果表明应用该方法可获得高水平光学性能的铌酸锂光波导及相应的集成光电器件。

进一步，在步骤S1中，铌酸锂晶圆包括衬底硅、下包层二氧化硅和芯层铌酸锂，衬底硅、下包层二氧化硅和芯层铌酸锂从下往上依次排列，在铌酸锂晶圆上表面制备掩模层，所述掩模层从下往上依次包括多晶硅层、氧化层、抗反射涂层和光刻胶。

进一步，所述多晶硅层的厚度为10-50nm、所述氧化层的厚度为200-300nm、所述抗反射涂层的厚度为10-15nm、所述光刻胶的厚度为500-600nm。

进一步，在步骤S2中，所述光刻工艺包括曝光和显影，通过曝光和显影的光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶上，得到转移了版图的光刻胶层和抗反射涂层。

进一步，在步骤S3中，用氟基气体的干法刻蚀对氧化层进行刻蚀，并在刻蚀到多晶硅层时由刻蚀设备的检测单元进行刻蚀截止检测，有效防止氧化物掩模层受到钻蚀，去除光刻胶层和抗反射涂层，得到氧化层。

进一步，湿法刻蚀为氢氧化钾(KOH)溶液刻蚀。

进一步，在步骤S5中，用干法刻蚀对芯层铌酸锂进行刻蚀，同时结合湿法刻蚀对氟化锂固体沉积物进行去除，得到铌酸锂光波导。

进一步，在步骤S5中，干法刻蚀为氟基气体和氩气的混合气体为主导，湿法刻蚀为NH₃、H₂O₂和H₂O的混合溶液，三者的容积比例为2:2:1。

进一步，在步骤S5中，干法刻蚀和湿法刻蚀需要反复多次交替进行，直到氟化锂固体沉积物完全去除即可停止干法刻蚀和湿法刻蚀。

进一步，在步骤S6中，对铌酸锂光波导进行高温回流处理工艺为置于高温回流处理箱，温度500℃-600℃、箱体内填充O₂，高温回流时间为120-150min。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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他的附图。

图1示出了本申请实施例提出的一种铌酸锂光波导制造方法的步骤图；

图2示出了本申请实施例提出的一种铌酸锂光波导制造方法的流程示意图；

图3示出了本申请实施例提出的一种铌酸锂光波导制造方法的横截面结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

说明书附图中的附图标记包括：衬底硅1、下包层二氧化硅2、芯层铌酸锂3、多晶硅层4、氧化层5、抗反射涂层6、光刻胶7、光刻胶层8、抗反射涂层9、氧化层10、多晶硅层11、铌酸锂光波导12。

实施例如图1、图2和图3所示：

一种铌酸锂光波导制造方法，包括以下步骤：

S1：准备铌酸锂晶圆，制备各掩模层并涂覆光刻胶7；

具体的：按照所需薄膜厚度预先购置铌酸锂薄膜晶圆，晶圆由衬底硅1、下包层二氧化硅2及芯层铌酸锂3构成，在晶圆上制备多晶硅层4(10-50nm)、氧化层5(200-300nm)、抗反射涂层6(10-15nm)及光刻胶7(500-600nm)；

在本实施例中，多晶硅层4厚度选用30nm、氧化层5选用250nm、抗反射涂层6选用12nm以及光刻胶7选用550nm。

在步骤S1中，这一步中，铌酸锂晶圆有成熟的产品可以购买，但只有晶圆还不能进行加工，需要根据具体的光波导结构和工艺环节在晶圆上制备各掩模层和光刻胶7等，相当于是为后续的各个步骤做准备。

全部制备完毕后，就如同图2中(a)部分相同。

S2：通过光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶7上；

具体的：光刻工艺包括曝光和显影，通过曝光和显影的光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶7上，得到转移了版图的光刻胶层8和抗反射涂层6，就如同图2中(b)部分相同。

在本实施例中，S2的目的：这一步是光刻工艺的基本步骤，是为了将版图上定义的光波导结构转移到光刻胶7上，用于下一步骤中氧化层5的刻蚀。

S3：干法刻蚀氧化层5并进行刻蚀截止检测、去除光刻胶7；

具体的：在步骤S3中，用氟基气体的干法刻蚀对氧化层5进行刻蚀，并在刻蚀到多晶硅层4时由刻蚀设备的检测单元进行刻蚀截止检测，有效防止氧化物掩模层受到钻蚀，去除光刻胶层8和抗反射涂层6，得到氧化层5，就如同图2中(c)部分相同。

在本实施例中，S3的目的：这一步是为了将光刻胶7上的结构转移到氧化层5上，并根据多晶硅层4刻蚀时的不同副产物对刻蚀过程进行截止检测。

S3的原因：刻蚀截止可以有效的防止氧化物掩模层受到钻蚀，有利于保证光波导结构继续向下转移时的精度。

S4：用湿法刻蚀清洗并去除多余的多晶硅；如同图2中(d)部分相同，在这个步骤中，湿法刻蚀为氢氧化钾(KOH)溶液刻蚀。

在本实施例中，S4的目的：这一步是为了去除刻蚀截止检测后多余的多晶硅层4。

S5：用湿法和干法结合刻蚀芯层铌酸锂3，获得铌酸锂光波导12；

具体的：用干法刻蚀(氟基气体和氩气)对芯层铌酸锂3进行刻蚀，同时结合湿法刻蚀(NH3、H2O2、H2O，优选的容积比例2:2:1)对氟化锂固体沉积物进行去除，二者反复多次交替进行，有效保证光波导表面洁净度，得到铌酸锂光波导12，如同图2中(e)部分相同。

在这个过程中，干法刻蚀和湿法刻蚀需要反复多次交替进行，直到氟化锂固体沉积物完全去除即可停止干法刻蚀和湿法刻蚀。

在本实施例中，S5的目的：这一步是为了对芯层铌酸锂进行刻蚀，以获得光波导结构。

S5的原因：该步骤使用了干法和湿法相结合的刻蚀工艺。一方面，采用干法刻蚀相结合可以有效的提高刻蚀速率并去除氟化锂固体沉积物；另一方面，采用湿法刻蚀，能较好地去除附着在波导表面上的氟化锂沉积斑点，使波光波导获得较高的表面洁净度。

S6：去掉铌酸锂光波导12上的掩模层、多晶硅层4、并高温回流处理后并沉积上包层。

具体的：去除氧化层5和多晶硅层4，对铌酸锂光波导12进行高温回流处理，用氢氟酸对侧壁上生成的氧化物进行清洗和去除，有效保证铌酸锂光波导12侧壁的光滑，最后实验PECVD工艺低温沉积上包层氧化物，在步骤S6中，对铌酸锂光波导12进行高温回流处理工艺为置于高温回流处理箱，温度500℃-600℃、箱体内填充O2，高温回流时间为120-150min，如同图2中(f)部分相同。

具体实现过程：依照图2和图1的步骤进行逐次有序制备，即可获得本实施例公开的铌酸锂光波导12，图3为制备好的铌酸锂光波导12的截面图。

在本实施例中，S6的目的：这一步是为了去除掉刻蚀完成后光波导上多余的各掩模层并沉积上包层，此外，高温回流处理是为了解决光波导侧壁粗糙度的问题。

S6的原因：采用高温回流工艺是因为在一定的温度下，在氧气环境中处理一段时间，可使得光波导侧壁上的各类尖峰和凸起发生氧化作用，进一步使用氢氟酸进行清洗可有效的去除掉这些氧化后的结构，以获得光滑度较高的光波导侧壁。

本方法的目的在于提供一种铌酸锂光波导12的制造方法，该方法结合了干法刻蚀和湿法刻蚀，可获得较高的刻蚀速率，能有效去除氟化锂固体沉积物并保证光波导的表面洁净度，能防止氧化物掩模层受到钻蚀，可使侧壁倾角更大且侧壁光滑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：准备铌酸锂晶圆，制备各掩模层并涂覆光刻胶；

S2：通过光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶上；

S3：干法刻蚀氧化层并进行刻蚀截止检测、去除光刻胶；

S4：用湿法刻蚀清洗并去除多余的多晶硅；

S5：用湿法和干法结合刻蚀芯层铌酸锂，获得铌酸锂光波导；

S6：去掉铌酸锂光波导上的掩模层、多晶硅层、并高温回流处理后并沉积上包层。

2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S1中，铌酸锂晶圆包括衬底硅、下包层二氧化硅和芯层铌酸锂，衬底硅、下包层二氧化硅和芯层铌酸锂从下往上依次排列，在铌酸锂晶圆上表面制备掩模层，所述掩模层从下往上依次包括多晶硅层、氧化层、抗反射涂层和光刻胶。

3.根据权利要求2所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，所述多晶硅层的厚度为10-50nm、所述氧化层的厚度为200-300nm、所述抗反射涂层的厚度为10-15nm、所述光刻胶的厚度为500-600nm。

4.根据权利要求2所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S2中，所述光刻工艺包括曝光和显影，通过曝光和显影的光刻工艺将掩模层上的光波导图形转移至光刻胶上，得到转移了版图的光刻胶层和抗反射涂层。

5.根据权利要求4所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S3中，用氟基气体的干法刻蚀对氧化层进行刻蚀，并在刻蚀到多晶硅层时由刻蚀设备的检测单元进行刻蚀截止检测，有效防止氧化物掩模层受到钻蚀，去除光刻胶层和抗反射涂层，得到氧化层。

6.根据权利要求1所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S4中，湿法刻蚀为氢氧化钾(KOH)溶液刻蚀。

7.根据权利要求2所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S5中，用干法刻蚀对芯层铌酸锂进行刻蚀，同时结合湿法刻蚀对氟化锂固体沉积物进行去除，得到铌酸锂光波导。

8.根据权利要求7所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S5中，干法刻蚀为氟基气体和氩气的混合气体为主导，湿法刻蚀为NH₃、H₂O₂和H₂O的混合溶液，三者的容积比例为2:2:1。

9.根据权利要求7或8任一项所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S5中，干法刻蚀和湿法刻蚀需要反复多次交替进行，直到氟化锂固体沉积物完全去除即可停止干法刻蚀和湿法刻蚀。

10.根据权利要求1所述的一种铌酸锂光波导制造方法，其特征在于，在步骤S6中，对铌酸锂光波导进行高温回流处理工艺为置于高温回流处理箱，温度500℃-600℃、箱体内填充O₂，高温回流时间为120-150min。

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