[发明专利]Y波导集成光学器件铌酸锂芯片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铌酸锂基集成光学器件的芯片制备方法，特别是基于退火质子交换方法的Y波导集成光学器件芯片制备方法。

背景技术

Y波导集成光学器件是闭环光纤陀螺的关键器件，用来实现光纤陀螺的闭环控制。它在一个铌酸锂芯片上集成了分束/合束耦合器、偏振器、条形波导相位调制器，实现3dB分光、偏振和闭环反馈功能。

目前Y波导芯片制备基本采用退火质子交换方法实现，主要包括在衬底片上制备波导掩模、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤。质子交换中，如果用苯甲酸做质子源，质子交换的扩散系数较大，质子交换过程很快，其过程不容易控制，此外，根据文献报道，纯的苯甲酸对Y-切铌酸锂晶片有腐蚀作用。目前的制备工艺是采用苯甲酸掺杂一定比例的苯甲酸锂作为质子源，在240℃左右的高温条件下进行质子交换的方法。掺杂苯甲酸锂的目的主要是减小质子交换过程的质子扩散系数，在总交换量不变的情况下，适当延长交换时间以便于保证工艺控制的一致性，同时避免晶片的腐蚀。华为技术有限公司ZL01140590.2号专利公开了一种用质子交换制造铌酸锂光波导的方法，该发明采用苯甲酸锂稀释的苯甲酸混合熔液作为质子交换的质子源，在苯甲酸中掺入苯甲酸锂增加了熔液中锂离子浓度，改变了反应中H+到Li+的平衡，使H+浓度降低，由此降低了反应速度和锂离子的交换量，使波导与衬底的折射率差减小；同时结合退火使苯甲酸的腐蚀作用降低，减少波导缺陷。但该方法主要存在以下问题：

(1)苯甲酸锂掺杂浓度的波动会影响工艺的一致性。苯甲酸锂的掺杂浓度在2～4％，苯甲酸锂的量很少，不易精确控制称量，使每次的掺杂浓度会有差异；由于交换温度高，苯甲酸和苯甲酸锂的挥发比例也不相同，因而工艺过程中苯甲酸锂的掺杂浓度也会发生变化；质子交换的扩散系数对于掺杂浓度极其敏感，并且在掺杂浓度为3％附近扩散系数存在一个突变，其变化可以超过一个量级。

(2)该方法容易带来污染。由于质子交换温度在240℃左右，接近苯甲酸的沸点，蒸发现象十分严重，会对实验室环境造成污染。

(3)由于一般SiO₂波导掩模的成膜温度较低，成膜质量较差，容易形成针孔，造成Si-O键的断裂，利于碱金属杂质离子的运动，进而使器件的调制波形产生畸变。在陀螺中应用时，当用阶梯波进行调制时，输出波形产生倾斜。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服以上缺点，提供一种容易控制的波导芯片制备方法，解决工艺一致性问题，同时减少环境污染；本发明进一步解决的技术问题是避免由成膜质量较差导致的器件波形倾斜问题。

本发明的技术解决方案是：Y波导集成光学器件铌酸锂芯片的制备方法，主要包括在X-切铌酸锂衬底片上制备SiO₂波导掩模、光刻波导图形、质子交换、退火、电极剥离、电极电镀、芯片切割和端面磨抛步骤，在所述质子交换步骤中，采用纯苯甲酸熔液作为质子交换源。质子交换包括以下步骤：

(1)将纯苯甲酸放入交换杯中；

(2)将铌酸锂晶片放在交换夹具上，放入交换杯中，但铌酸锂晶片不与苯甲酸接触只是悬在交换杯中，并连同交换杯一起放入交换炉的恒温区中；

(3)开启质子交换炉，将温度升高并稳定到150℃～170℃之间，然后将铌酸锂晶片浸入苯甲酸熔液中；

(4)170-210分钟后，取出晶片，待其自然冷却。

在质子交换后，先腐蚀掉SiO₂波导掩模，对铌酸锂晶片进行清洗，在铌酸锂晶片上重新生长一层SiO₂隔离层，再进行退火。

退火步骤中，退火温度为360±5℃，退火时间3.5-4.5小时。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用纯苯甲酸作为质子源，无需掺杂，避免了称量苯甲酸锂时存在的误差以及因两种物质蒸发比例不同带来的掺杂浓度不稳定的问题，提高了工艺过程的一致性；

(2)在150℃～170℃的温度下进行质子交换，苯甲酸的挥发小，降低了对实验室的环境污染；由于温度较低，减小了质子交换的扩散系数，延长了质子交换时间，使质子交换工艺过程容易控制；

(3)由于采用的是X-切铌酸锂晶体，并且质子交换温度较低，也避免了苯甲酸对晶体表面的腐蚀；

(4)此外，通过腐蚀掉二氧化硅波导掩模，重新生长波导隔离层，能够大大降低了吸附在晶体表面金属离子数量，从而确保器件波形不产生倾斜畸变；