[发明专利]一种亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体的制备领域，特别涉及一种亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体的概念是在1987年由美国Bell实验室的E.Yablonvitch[Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics.Phys Rev Lett，1987，58(20)：2059]和Princeton大学的S.John[Strong localization of photons in certain disordered dielectric.Phys Rev Lett，1987，58(23)：2486]分别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时各自提出的，它是由不同介电常数的介质材料周期排列构成的，由于存在周期性，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，带与带之间有可能出现类似于半导体禁带的光子禁带，而频率落在光子禁带中的光子将不能在其中传播，因而光子晶体也常被称为光子带隙材料。

经过20多年的发展，国际上对光子晶体的研究已从初期的基础理论研究逐步转移到应用理论与相应的光电子器件的设计和制备上来。从维数来说，光子晶体可分为一维、二维和三维三类。由于半导体平面技术的发展已经较为成熟，所以与一维和三维光子晶体相比，二维光子晶体更易于制作，同时也更具有实际的应用价值。随着微纳米加工技术的发展，制备光子晶体的方法也呈现多样化，主要包括电化学腐蚀法、自组织法、全息干涉法、电子束曝光法以及激光直写法等，其中全息干涉法以其结构简单、操作方便、价格低廉、控制精确、且能大面积制备等优点被广泛研究与应用。

光子晶体是由不同介电常数的介质材料周期排列构成的，而二维光子晶体是由介电常数为1的空气与其他介电常数较大的材料周期排列形成的，可将其分为空气孔型和介质柱型两大类。利用全息干涉多次曝光的方法制备二维光子晶体时，由于多次曝光会造成不同的区域曝光量不同，而不同的曝光量将导致显影的速率存在差异。倘若采用单次显影的方法在保证光刻胶不产生侧向钻蚀、脱落的情况下，只能将曝光量较大的区域显影完全而无法将曝光量较小的区域显影彻底，最终只能在光刻胶上形成孔状结构，难以获得柱状结构。

因此鉴于通常全息干涉难以利用正性光刻胶制得柱形结构的不足，发明一种利用全息干涉制得亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体的方法以弥补上述缺陷与不足就十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体的制备方法，该方法弥补了全息干涉难以利用正性光刻胶制得二维介质柱型光子晶体的不足，满足了制备亚微米尺寸二维介质型光子晶体的需要。

本发明的一种亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体的制备方法，包括：

(1)在衬底上用等离子增强化学气相沉积法沉积一层Si₃N₄，在Si₃N₄表面旋涂一层光刻胶并烘焙，得样品；

(2)将上述样固定于全息曝光系统的样品架上进行第一次曝光，然后将样品旋转90°进行第二次曝光，对垂直交叉曝光后的样品进行烘焙；

(3)将上述曝光后的样品放入显影液中进行分步显影，在光刻胶上形成柱状光子晶体结构；

(4)将上述显影后的样品超声清洗去除光刻胶，采用反应离子刻蚀法刻蚀Si₃N₄，以Si₃N₄为掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀衬底材料并去除残余的Si₃N₄，清洗干燥即得亚微米尺寸二维介质柱型光子晶体。

所述步骤(1)中的Si₃N₄层厚度为100nm，光刻胶层厚度为120-150nm。

所述步骤(1)中的旋涂转速为6000rad/min，旋涂时间为30s。

所述步骤(2)中的两次曝光时间均为40s。

所述步骤(3)中的分布显影即为将曝光后的样品分步、多次的放入显影液中进行显影。

所述步骤(3)中的显影液由体积比为2∶1的FHD320显影剂(FUJIFILM公司，主要成份为四甲基氢氧化铵TMAH)与去离子水配成。

所述步骤(4)中的刻蚀Si₃N₄深度为110nm，刻蚀时间为90s。