專利名稱：基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法。
背景技術(shù)：
光波導(dǎo)廣泛應(yīng)用于制備各類(lèi)光學(xué)器件中，光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)制備主要有濕法刻蝕和干法刻蝕兩種方法。其中濕法刻蝕是通過(guò)使用具有腐蝕性的酸溶液對(duì)用于制備光波導(dǎo)的材料進(jìn)行刻蝕并最終形成波導(dǎo)。其制備原理如圖1所示，通過(guò)使用掩膜遮擋，使得酸溶液只對(duì)暴露在外的樣品部分進(jìn)行刻蝕，被遮擋住的部分則不會(huì)被刻蝕(注當(dāng)作掩膜使用的物質(zhì)需抗酸的腐蝕)。正是通過(guò)這種選擇性刻蝕，最終形成所需要的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。濕法刻蝕由于需被刻蝕的材料和酸溶液的反應(yīng)受到諸多因素的影響，使得刻蝕過(guò)程不易被控制。比如，反應(yīng)的速率和溶液的溶度、溫度、以及壓強(qiáng)關(guān)系密切。在刻蝕過(guò)程中，必須確保各種影響反應(yīng)速率的因素穩(wěn)定、無(wú)波動(dòng)，否則會(huì)造成刻蝕的結(jié)果不均一。這種不均一的波導(dǎo)形狀會(huì)造成光在其中傳輸時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的損耗，降低器件的工作效率，制約器件的使用范圍。對(duì)于干法刻蝕而言，最常用的方法為等離子刻蝕(plasma etching)。相較于濕法刻蝕，這種方法刻蝕速率偏低，但是卻能對(duì)刻蝕過(guò)程達(dá)到很好的控制。此外，對(duì)于光波導(dǎo)的側(cè)壁，其垂直程度會(huì)得到一定程度的改善。但是，使用等離子刻蝕法依然無(wú)法得到很大的刻蝕深度和很高的占空比(占空比英文為aspect ratio,定義為刻蝕深度/刻蝕寬度)，這是因?yàn)殡m然離子可以在加速電場(chǎng)的作用下以高速轟擊樣品表面，但是離子轟擊樣品時(shí)的入射方向并非全部完全垂直于樣品表面。如圖2中的示意圖所示，也就是說(shuō)，大部分離子是傾斜一定的角度轟擊樣品表面并移除物質(zhì)從而形成波導(dǎo)的?？梢?jiàn)不論是使用濕法刻蝕還是使用等離子刻蝕，都有一個(gè)不可避免的問(wèn)題，那就是所制備的波導(dǎo)的側(cè)壁參差不齊且不垂直，都很難得到大尺寸的刻蝕深度和具有超高占空比的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)所要解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于聚焦離子束刻蝕的光波導(dǎo)制備方法，得到具有深度刻蝕的超高占空比和幾乎完全垂直側(cè)壁的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。(二)技術(shù)方案本發(fā)明提供一種基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法，該方法包括S1、設(shè)計(jì)一種納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)中納米圓環(huán)互相緊貼，光波導(dǎo)的刻蝕寬度值為兩倍的圓環(huán)寬度；S2、將所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)保存到聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)中；S3、從聚焦離子束系統(tǒng)中調(diào)用所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，聚焦離子束垂直轟擊樣品表面進(jìn)行刻蝕，完成制備。其中，所述光波導(dǎo)的刻蝕寬度最小值為20nm。
(三)有益效果本發(fā)明采用互相緊貼的納米環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚焦離子束刻蝕，超高占空比光波導(dǎo)具有幾乎垂直的側(cè)壁結(jié)構(gòu)，由這種結(jié)構(gòu)所組成的波導(dǎo)及光學(xué)器件具有超低的傳輸損耗，可以使得器件的工作性能得到大幅改善。相應(yīng)的應(yīng)用范圍也會(huì)大幅度擴(kuò)展，得到的器件不但性能優(yōu)越、穩(wěn)定，而且能準(zhǔn)確地再現(xiàn)所傳輸和保存的光信號(hào)。


圖1為濕法刻蝕的工作原理示意圖；圖2為等離子刻蝕法的工作原理示意圖；圖3為聚焦離子束刻蝕法工作原理示意圖；圖4為緊湊型圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)；圖5為本發(fā)明制備方法步驟流程圖；圖6為超高占空比光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面掃描電子顯微鏡圖；圖7為使用傳統(tǒng)的濕法/等離子刻蝕法和本發(fā)明中使用圓環(huán)結(jié)構(gòu)的聚焦離子束刻蝕法的效果對(duì)比圖；圖8為運(yùn)用本發(fā)明提出的方法制備的復(fù)雜菱形光波導(dǎo)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明使用聚焦離子束(focused ion beam,簡(jiǎn)記為FIB)刻蝕方法,其工作原理示意圖如圖3所示。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后的鎵離子通過(guò)一個(gè)聚束鏡被聚焦到樣品的表面，通過(guò)濺射反應(yīng)將樣品表面一定區(qū)域的物質(zhì)移除掉，進(jìn)而形成不同的結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)無(wú)需使用掩膜，是一種無(wú)掩膜的直接刻蝕方法。而且，這種方法幾乎適用于所有物質(zhì)(對(duì)于不同物質(zhì)，刻蝕速率會(huì)有所不同)具體的，如圖4所示，基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法包括S1、設(shè)計(jì)一種納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu),所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)中納米圓環(huán)互相緊貼,光波導(dǎo)的刻蝕寬度值為兩倍的圓環(huán)寬度；S2、將所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)保存到聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)中；S3、從聚焦離子束系統(tǒng)中調(diào)用所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，聚焦離子束垂直轟擊樣品表面進(jìn)行刻蝕，完成制備。在刻蝕過(guò)程中，為了得到高的占空比(刻蝕深度/刻蝕寬度)，必須盡量增大刻蝕深度并減小刻蝕的寬度。為了在最大限度內(nèi)得到超高占空比的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明特使用了一種納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)如圖5所示，每行每列中的圓環(huán)互相緊貼，其中r2和T1分別表示聚焦離子束刻蝕過(guò)程中圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外半徑和內(nèi)半徑，光波導(dǎo)的刻蝕寬度為g=2X [V2-V1)。離子束對(duì)于圓環(huán)結(jié)構(gòu)更容易聚焦，大部分的離子束能量可以被很好地限制在圓環(huán)區(qū)域中，圓環(huán)結(jié)構(gòu)互相緊貼，使得聚焦離子束在刻蝕過(guò)程中位于圓環(huán)區(qū)域的能量能夠重疊，從而使得離子束的穿透力倍增。在垂直方向上以高速轟擊樣品表面，使得刻蝕深度可以大幅增加，進(jìn)而使得超高占空比結(jié)構(gòu)成為可能。在刻蝕過(guò)程中，把刻蝕的寬度固定在最小值為20nm，但由于設(shè)備系統(tǒng)的誤差，刻蝕后并不一定是準(zhǔn)確的20nm。在此基礎(chǔ)上盡可能增大刻蝕深度，進(jìn)而在最大限度內(nèi)得到超高占空比的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖6中所示結(jié)構(gòu)，寬度為20nm，深度約為15 y m( I y m= IOOOnm= I X l(T6m)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的占空比為750。值得注意的是，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂端會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)較嚴(yán)重的損傷，這是由長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕造成的。一方面是離子束對(duì)結(jié)構(gòu)表面的損傷，另一方面是被刻蝕的材料再沉積到受到損傷的結(jié)構(gòu)表面。但是，從樣品表面約2 以下，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就變得非常垂直且均一了。對(duì)于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域而言(2pm以下的部分)，不但刻蝕寬度極小(20nm)，而且側(cè)壁垂直、均一，這些都會(huì)減小光在波導(dǎo)傳輸過(guò)程中的損耗，使得波導(dǎo)的性能大幅度提聞。使用這種方法不但可以得到具有超高占空比的光波導(dǎo)，而且所制備得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁幾乎完全垂直，正如圖6中所示。這種幾乎垂直的側(cè)壁會(huì)大大降低光在其中傳輸時(shí)的損耗，且由于波導(dǎo)寬度很小，光波的大部分能量可以很好地限制在波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)。這種圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)可以有效降低在聚焦離子束刻蝕過(guò)程中的再沉積效應(yīng)，從而大幅度改善器件的側(cè)壁結(jié)構(gòu)和增大刻蝕深度。使用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕的另一個(gè)好處是高度可控性。波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)的內(nèi)、外徑進(jìn)行有效控制。這種結(jié)構(gòu)事先被畫(huà)好并保存到聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)的電腦中，需要的時(shí)候可直接調(diào)用所需的相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕。圖7為使用傳統(tǒng)的濕法/等離子刻蝕法和使用圓環(huán)結(jié)構(gòu)的聚焦離子束刻蝕法的效果對(duì)比圖。運(yùn)用此方法的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以制備出互相交叉的復(fù)雜菱形光波導(dǎo)，如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)可以被廣泛用于制備法布里-珀羅干涉儀。不同模式的光學(xué)信號(hào)在不同的光路中傳播并相互作用，通過(guò)精確控制光波的相位和能量大小，可以有效形成具有各種不同應(yīng)用背景的光學(xué)輸出。不同光通道中的光信號(hào)之間由于相位差而互相干涉，并進(jìn)一步形成干涉儀。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法，其特征在于，該方法包括 S1、設(shè)計(jì)一種納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)中納米圓環(huán)互相緊貼，光波導(dǎo)的刻蝕寬度值為兩倍的圓環(huán)寬度； S2、將所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)保存到聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)中； S3、從聚焦離子束系統(tǒng)中調(diào)用所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，聚焦離子束轟擊樣品表面進(jìn)行刻蝕，完成制備。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述光波導(dǎo)的刻蝕寬度最小值為20nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于聚焦離子束刻蝕光波導(dǎo)的方法，該方法包括S1、設(shè)計(jì)一種納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)中納米圓環(huán)互相緊貼，光波導(dǎo)的刻蝕寬度值為兩倍的圓環(huán)寬度；S2、將所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)保存到聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)中；S3、從聚焦離子束系統(tǒng)中調(diào)用所述納米圓環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，聚焦離子束轟擊樣品表面進(jìn)行刻蝕，完成制備。通過(guò)本發(fā)明制造的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有超高占空比，幾乎垂直的側(cè)壁。
文檔編號(hào)G02B6/136GK103064147SQ20131003836
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者楊琳娟, 姜瀟瀟, 谷瓊嬋, 宋愛(ài)娟, 梁麗勤, 呂江濤, 王鳳文, 司光遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:東北大學(xué)秦皇島分校