[发明专利]基于光刻和化学机械抛光的薄膜微光学结构的制备方法

说明书

一种基于光刻和化学机械抛光的薄膜微光学结构的制备方法，包括在薄膜表面镀金属层、光刻选择性去除金属膜、化学机械抛光以及化学腐蚀等步骤。本发明方法制备的片上微光学器件具有极高的表面光洁度，极低的光学损耗。该方法适用于各种片上薄膜(包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等)上制备高品质的微光学结构(包含但不限于微盘腔、微环腔、光波导及其耦合器件)。

技术领域

本发明涉及光刻技术和化学机械抛光，特别是一种利用光刻技术结合化学机械抛光制备片上微结构(含微腔盘、微环、光波导及其集成结构)的方法。本方法适用于各种片上薄膜材料，包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等。

背景技术

微光学器件，指结构尺寸在亚微米级以上，表面粗糙度可达纳米级的微结构光学器件。片上微光学器件一般通过在空间乃至时间上对光场进行局域化，显著增加光与物质的相互作用，在基础研究和工程应用中，如量子光学、非线性光学、量子电动力学、光子学、低阈值激射、极小型滤波器、生物传感器、光学陀螺仪、光学频率梳等领域，有着重要的应用和发展前景。其中微盘腔和微环腔通过在介质腔与周围环境之间的圆形边界的连续多次全内反射把光长时间地限制在小体积内，具有相当高的品质因子和极小的模式体积，使其能够极大增强光与物质的相互作用；片上光波导是片上微光学器件的基础元件，利用波导材料与环境的高折射率差将光束缚在光波导中，一般具有强的光与物质相互作用强度和低的传输损耗；集成器件是由上述微腔与微腔、微腔与光波导及光波导与光波导组成，其具有可控的耦合效率和极低的插入损耗，其制备是片上微光学集成的一个难点。目前主流的芯片上的微光学器件如微盘腔(参见文献1：Lin,Jintian,et al.Fabrication of high-Qlithium niobate microresonators using femtosecond laser micromachining.Scientific reports 5(2015):8072.；参见文献2：Wang,Jie,et al.High-Q lithiumniobate microdisk resonators on a chip for efficient electro-opticmodulation.Optics express 23.18(2015):23072-23078.)、微环腔(参见文献3：Zhang,Mian,et al.Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator.Optica 4.12(2017):1536-1537.)、光波导(参见文献3：Zhang,Mian,et al.Monolithicultra-high-Q lithium niobate microring resonator.Optica 4.12(2017):1536-1537.)，其制造技术或借助半导体光刻方法，或借助飞秒激光结合聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法，这两种技术在材料表面微结构的制备上已经较为成熟，但前者只适合处理半导体薄膜材料或二氧化硅薄膜，面对铌酸锂等难以化学处理的介质薄膜时常常面临困境，也难以制备毫米乃至厘米量级的高质量结构；后者受限于FIB的加工效率，在制备大尺寸的结构以及大规模集成时面临问题。

光刻是将集成图案从掩膜板上转移到片上薄膜的传统工艺过程。其包括曝光技术和刻蚀技术两部分。利用大面积均匀曝光，可以同时制备出大量分辨率在光源半波长尺度的纳米器件。利用紫外光刻技术已经实现对片上铌酸锂薄膜的加工，制备出了高品质的光学回音壁模式微腔(参见文献：Wang J,Bo F,Wan S,et al.High-Q lithium niobatemicrodisk resonators on a chip for efficient electro-optic modulation[J].Optics express,2015,23(18):23072-23078.)。但其曝光技术加工精度受限于紫外光的波长，要进一步提高加工精度需要采用更短波长的极紫外光，这使得加工成本大幅上升；其刻蚀技术具有强的材料选择性，面对各种难以化学处理的介质薄膜的加工时常常面临困境。如何寻找一种合适的方案在各种材料上制备更高品质的微光学器件是目前片上集成光子学领域面临的重要问题。