[发明专利]基于聚焦离子束刻蚀光波导的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种基于聚焦离子束刻蚀光波导的方法。

背景技术

光波导广泛应用于制备各类光学器件中，光波导的实验制备主要有湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。其中湿法刻蚀是通过使用具有腐蚀性的酸溶液对用于制备光波导的材料进行刻蚀并最终形成波导。其制备原理如图1所示，通过使用掩膜遮挡，使得酸溶液只对暴露在外的样品部分进行刻蚀，被遮挡住的部分则不会被刻蚀（注：当作掩膜使用的物质需抗酸的腐蚀）。正是通过这种选择性刻蚀，最终形成所需要的光波导结构。湿法刻蚀由于需被刻蚀的材料和酸溶液的反应受到诸多因素的影响，使得刻蚀过程不易被控制。比如，反应的速率和溶液的溶度、温度、以及压强关系密切。在刻蚀过程中，必须确保各种影响反应速率的因素稳定、无波动，否则会造成刻蚀的结果不均一。这种不均一的波导形状会造成光在其中传输时产生过大的损耗，降低器件的工作效率，制约器件的使用范围。

对于干法刻蚀而言，最常用的方法为等离子刻蚀（plasma etching）。相较于湿法刻蚀，这种方法刻蚀速率偏低，但是却能对刻蚀过程达到很好的控制。此外，对于光波导的侧壁，其垂直程度会得到一定程度的改善。但是，使用等离子刻蚀法依然无法得到很大的刻蚀深度和很高的占空比（占空比英文为aspect ratio,定义为刻蚀深度／刻蚀宽度），这是因为虽然离子可以在加速电场的作用下以高速轰击样品表面，但是离子轰击样品时的入射方向并非全部完全垂直于样品表面。如图2中的示意图所示，也就是说，大部分离子是倾斜一定的角度轰击样品表面并移除物质从而形成波导的。可见不论是使用湿法刻蚀还是使用等离子刻蚀，都有一个不可避免的问题，那就是所制备的波导的侧壁参差不齐且不垂直，都很难得到大尺寸的刻蚀深度和具有超高占空比的结构。

发明内容

（一）所要解决的技术问题

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于聚焦离子束刻蚀的光波导制备方法，得到具有深度刻蚀的超高占空比和几乎完全垂直侧壁的光波导结构。

（二）技术方案

本发明提供一种基于聚焦离子束刻蚀光波导的方法，该方法包括：

S1、设计一种纳米圆环阵列结构，所述纳米圆环阵列结构中纳米圆环互相紧贴，光波导的刻蚀宽度值为两倍的圆环宽度；

S2、将所述纳米圆环阵列结构保存到聚焦离子束刻蚀系统中；

S3、从聚焦离子束系统中调用所述纳米圆环阵列结构，聚焦离子束垂直轰击样品表面进行刻蚀，完成制备。

其中，所述光波导的刻蚀宽度最小值为20nm。

（三）有益效果

本发明采用互相紧贴的纳米环结构进行聚焦离子束刻蚀，超高占空比光波导具有几乎垂直的侧壁结构，由这种结构所组成的波导及光学器件具有超低的传输损耗，可以使得器件的工作性能得到大幅改善。相应的应用范围也会大幅度扩展，得到的器件不但性能优越、稳定，而且能准确地再现所传输和保存的光信号。

附图说明

图1为湿法刻蚀的工作原理示意图；

图2为等离子刻蚀法的工作原理示意图；

图3为聚焦离子束刻蚀法工作原理示意图；

图4为紧凑型圆环阵列结构；

图5为本发明制备方法步骤流程图；

图6为超高占空比光波导结构的截面扫描电子显微镜图；

图7为使用传统的湿法/等离子刻蚀法和本发明中使用圆环结构的聚焦离子束刻蚀法的效果对比图；

图8为运用本发明提出的方法制备的复杂菱形光波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明使用聚焦离子束（focused ion beam,简记为FIB）刻蚀方法，其工作原理示意图如图3所示。经过电场加速后的镓离子通过一个聚束镜被聚焦到样品的表面，通过溅射反应将样品表面一定区域的物质移除掉，进而形成不同的结构。这种技术无需使用掩膜，是一种无掩膜的直接刻蚀方法。而且，这种方法几乎适用于所有物质（对于不同物质，刻蚀速率会有所不同）

具体的，如图4所示，基于聚焦离子束刻蚀光波导的方法包括：

S1、设计一种纳米圆环阵列结构，所述纳米圆环阵列结构中纳米圆环互相紧贴，光波导的刻蚀宽度值为两倍的圆环宽度；

S2、将所述纳米圆环阵列结构保存到聚焦离子束刻蚀系统中；

S3、从聚焦离子束系统中调用所述纳米圆环阵列结构，聚焦离子束垂直轰击样品表面进行刻蚀，完成制备。