LiNbO3選擇性刻蝕的研究

引言

隨著制造技術(shù)的不斷進步，特別是基于納米或微米結(jié)構(gòu)的制造，已經(jīng)研究出了具有強光學(xué)限制的各種制造工藝.兩種最廣泛使用的基于擴散的制造波導(dǎo)的方法已經(jīng)在超導(dǎo)材料中得到了很好的確立，即鈦熱擴散和質(zhì)子交換方法。本文結(jié)合理論模擬和實驗，綜合分析了所提出的旋轉(zhuǎn)交換濕蝕刻法的蝕刻結(jié)果。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換層可以很容易地使用氫氟酸/硝酸混合酸蝕刻阻擋層，從而改善提取率和表面形貌。最佳波導(dǎo)的最低粗糙度被測量為0.81毫米，這有利于基于光纖的器件的性能提高.最終，具有改進的表面形貌的光波導(dǎo)的垂直方向的功率損耗被成功地實現(xiàn)了。此外，這種方法還可以進一步提高基于光子的器件的性能，為基于光子的超緊湊集成電路鋪平道路。

實驗

光學(xué)波導(dǎo)是在商用光學(xué)級500μm厚的z切割LN襯板中制造的。PEWE方法的制作過程如圖1所示：

鉻掩膜制作：用去離子水清洗后，在正面表面沉積一層100納米厚的鉻膜。隨后，在光刻膠上進行標(biāo)準(zhǔn)光刻，形成6微米寬的波導(dǎo)圖案。使用硝酸鈰銨和硝酸的混合溶液對該掩模進行濕法蝕刻，用超聲波處理去除保留的光致抗蝕劑結(jié)構(gòu)。最后，4英寸的襯底被分成4個相同的樣品。

質(zhì)子交換：使用6微米寬的鉻條作為掩模，以防止質(zhì)子滲透到基底中。然后將三個樣品浸泡在240℃苯甲酸酶液中，樣品被放置在熔體中放置所需的時間，然后取出并讓其冷卻。

濕法蝕刻：在聚乙烯工藝后，樣品# 1 ~# 4再次清洗，然后在室溫下浸入硝酸(濃度為68%硝酸)和氫氟酸(濃度為40%氫氟酸)的混合溶液中，完成蝕刻工藝。

鉻掩模的拋光和去除：蝕刻處理后的四個樣品沿垂直方向切割，形成波導(dǎo)端面，用二氧化硅懸浮液進行拋光。隨后，用(NH4)2 Ce(NO3)6和NO3的混合溶液再次除去這些膜。

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表一 聚乙烯工藝的實驗條件

結(jié)果和討論

直接質(zhì)子交換：

為了理解所提出的PEWE方法，非常有必要找出精確的PE過程。它主要涉及來自質(zhì)子源的質(zhì)子離子(H+)的內(nèi)擴散過程和來自LN晶格的間質(zhì)離子(Li+)的外擴散過程。由于電中性，擴散將最終達(dá)到動態(tài)平衡，因為過程依賴于時間。然后，進行過程的瞬態(tài)動力學(xué)分析，交換溫度為240攝氏度，模擬結(jié)果如圖1，發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)備過程中，旋轉(zhuǎn)運動不會導(dǎo)致材料的損壞，但也會導(dǎo)致兩側(cè)的損壞.隨著交換速率的增加，質(zhì)子濃度降低。中間區(qū)域的總濃度比中間區(qū)域低20%。

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圖1 由COMSOL(a)模擬的質(zhì)子濃度分布；沿水平線的歸一化質(zhì)子濃度（i-v）(b)；垂直線(I)的歸一化質(zhì)子濃度作為PE時間(c)的函數(shù)；垂直線(II)的歸一化質(zhì)子濃度作為PE時間(d)的函數(shù)

對蝕刻率的評價：

如圖2(a)所示，在樣品（#1～#3）中實現(xiàn)了蝕刻深度和蝕刻時間之間的準(zhǔn)線性關(guān)系。然而，純LN（樣品#4）在室溫下幾乎沒有溶解在酸性混合物中。蝕刻速率也計算并繪制如圖2(b)。一方面，可以看出，樣品#1～#3的蝕刻率包含兩個周期。在最初的50min中，蝕刻速率實際上與蝕刻時間無關(guān)。然后，三個樣品的蝕刻率隨著蝕刻時間的增加而降低。另一方面，隨著PE時間的增加，蝕刻率也略有提高。為了進行比較，計算并列出了所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差和參考偏差.當(dāng)使用方法時，匹配的最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為10.8%，這表明在進程結(jié)束后的匹配率的相對投資能力，而沒有進程的示例#4顯示出明顯的不匹配狀態(tài)（見表2）。

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圖2 溶液HF中LN底物的蝕刻深度：硝酸=1：2(a)；溶液HE后LN底物的蝕刻速率：硝酸=1：2(b)。

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?表2 評價不同質(zhì)子交換時間的蝕刻速率

質(zhì)子交換LiNbO3的結(jié)構(gòu)性質(zhì)：

采用HRXRD測量來評價PE過程后LN材料的相變。隨著PE持續(xù)時間的增加，衛(wèi)星峰值的強度也在增加，這是由于LN材料中質(zhì)子交換層厚度增加的結(jié)果。隨著PE持續(xù)時間的增加，質(zhì)子濃度越來越高，質(zhì)子交換層的相位情況變得越來越復(fù)雜。

測量3×3μm區(qū)域的蝕刻基板的粗糙度，如圖3（d)-(f)所示。采用PEWE法測定三個樣品蝕刻表面的RMS粗糙度分別為0.81、1.07和3.85nm。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，均質(zhì)根粗糙度為0.81nm，屬于樣品#1，這是由質(zhì)子交換層的均勻性造成的。隨著PE持續(xù)時間的延長，樣品#2和#3的粗糙度增加。然而，它們的粗糙度仍然遠(yuǎn)小于光波長的十分之一。因此，我們認(rèn)為這些表面是光學(xué)光滑的。最后，為了在保持光滑形態(tài)的同時獲得目標(biāo)蝕刻深度，需要優(yōu)化PE持續(xù)時間，以實現(xiàn)具有較小散射損耗的光波導(dǎo)。

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圖3 樣品1(a)、樣品2(b)、樣品3(c)蝕刻剖面的SEM結(jié)果，以及樣品1(d)、樣品2(e)、樣品3(f)蝕刻表面對應(yīng)的AFM圖像的SEM結(jié)果。紅色虛線框內(nèi)是光波導(dǎo)的垂直部分

總結(jié)

綜上所述，全面證明了一種結(jié)合濕蝕刻在LN基底中制備高質(zhì)量光波導(dǎo)的有效方法。由于質(zhì)子交換反應(yīng)，H+離子擴散到LN底物中取代Li+離子，導(dǎo)致相變和結(jié)構(gòu)缺陷。而質(zhì)子濃度和新出現(xiàn)的缺陷都會影響蝕刻速率。掃描電鏡和AFM結(jié)果表明，蝕刻表面光學(xué)光滑，在波導(dǎo)表面附近的側(cè)壁準(zhǔn)垂直。然而，在蝕刻速率和蝕刻表面的粗糙度之間存在著權(quán)衡。此外，所提出的PEWE方法可用于在LNOI平臺上制備損耗小的超壓縮集成波導(dǎo)器件。

審核編輯：符乾江