[发明专利]微机电可调氮化物谐振光栅及其双面加工方法

说明书

 

技术领域

本发明属于信息材料与器件技术领域，涉及双面加工法制备微机电可调氮化物谐振光栅。

 

背景技术

氮化物材料，特别是氮化镓材料，在近红外和可见光波段具有优良的光学性能，应用前景广泛。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，为实现微机电可调的氮化物光子器件提供了可能：1，利用高阻硅衬底可以实现器件的绝缘隔离，发挥器件结构之间的静电引力；2，利用深硅刻蚀技术，可以解决高阻硅衬底和氮化物材料的剥离问题，获得悬空的氮化物薄膜；3，氮化物材料和空气的高折射率差异，可以设计实现优良性能的谐振光栅，其光学性能受材料厚度以及光栅结构的影响；4，氮化物材料特别是氮化镓材料具有优良的机械系能，适合发展微机电器件；5，由于静电引力，微纳驱动器见将会产生物理位移，利用弹簧结构，改变谐振光栅的周期、占空比等结构参数，实现对光栅光学性能的调控。

 

发明内容

技术问题：本发明提出双面加工法制备微机电可调氮化物谐振光栅，包括固定梳齿、可移动梳齿、弹簧结构和谐振光栅结构。高阻硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度自由度较小，为设计氮化物谐振光子器件带来困难，同时厚膜氮化物的刻蚀加工是一大难题。本发明提供的技术方法能够解决悬空氮化物器件的加工问题，获得厚度可控的氮化物微纳静电驱动器和谐振光栅，并通过微机电结构和谐振光栅的集成，实现器件结构的可控，从而改变器件的光学性能。

技术方案：本发明的微机电可调氮化物谐振光栅，在高阻硅衬底氮化物晶片的氮化物层上，设置有第一极性区域、第二极性区域、隔离第一极性区域和第二极性区域的隔离槽，第一极性区域上设置有固定梳齿，第二极性区域上设置有依次连接的谐振光栅结构、弹簧结构和可移动梳齿，可移动梳齿与固定梳齿相对错开设置。 

本发明中，固定梳齿、谐振光栅结构、弹簧结构和可移动梳齿均为纳米结构。

本发明中，在高阻硅衬底氮化物晶片上，采用悬空氮化物薄膜背后减薄技术，实现氮化物层厚度可调的微机电可调氮化物谐振光栅器件。

本发明制备微机电可调氮化物谐振光栅的双面加工方法，利用高阻硅的物理特性，实现驱动器固定部分和可移动部分的分离，利用静电引力驱动器件的可移动部分，改变氮化物谐振光栅的结构参数，调控器件的光学性能。包括如下具体步骤：

1）在高阻硅衬底氮化物晶片上进行背后抛光减薄；

2）在高阻硅衬底氮化物晶片上形成掩膜层，然后在掩膜层上定义微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构，之后将微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构从掩膜层转移至高阻硅衬底氮化物晶片的氮化物层上；

3）去除残余的掩膜层；

4）在氮化物层上旋涂光刻胶，形成光刻胶层；

5）采用光刻技术，在光刻胶层上定义隔离槽；

6）采用三五族刻蚀技术，在氮化物层上将隔离槽刻蚀至高阻硅衬底；

7）去除氮化物层上剩余的光刻胶层；

8）在氮化物层上旋涂一层保护胶用来保护器件结构，同时在高阻硅衬底层上旋涂一层光刻胶，形成光刻胶层；

9）使用背后对准工艺，定位氮化物层上的器件，具体方法为：采用光刻的方法，在高阻硅衬底层旋涂的光刻胶层上打开与器件位置相对应的窗口；

10）采用ICP深硅刻蚀的方法，通过步骤9）形成的光刻胶层窗口，刻蚀高阻硅衬底层，直至氮化物层；

11）采用ICP三五族刻蚀技术刻蚀，通过步骤10）已打开的窗口，继续刻蚀氮化物层，直至实现可移动梳齿与固定梳齿分离，以及谐振光栅结构的分离；

12）去除氮化物层上的保护胶层和高阻硅衬底上剩余的光刻胶层，实现微机电可调谐振光栅。

本发明的一个优选方案中，步骤2）和步骤3）中的掩膜层均为电子束胶层，步骤2）中采用离子束轰击法或三五族刻蚀技术，将定义的器件结构从电子束胶层转移到氮化物层上。

本发明的一个优选方案中，步骤2）和步骤3）中的掩膜层包括在高阻硅衬底氮化物晶片上形成的氧化铪掩膜层或二氧化硅掩膜层，以及在氧化铪掩膜层或二氧化硅掩膜层上形成的电子束胶层，步骤2）中，先在电子束胶层上定义微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构，之后采用离子束轰击法或反应离子刻蚀的方法，将微型纳米静电驱动器和氮化物谐振光栅的器件结构从电子束胶层转移至氧化铪掩膜层或二氧化硅掩膜层，然后采用离子束轰击法或三五族刻蚀技术，将定义的器件结构从氧化铪掩膜层或二氧化硅掩膜层转移到氮化物层上。