[发明专利]一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法

说明书

本发明提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法包括以下步骤：利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；通过曝光和显影，将掩模板图案转移到所述光刻胶层上，以所述光刻胶层为模板，刻蚀所述二氧化硅层，去胶后使用XeF₂蚀刻所述硅基底得到所述二氧化硅光学微盘腔。所述方法与现有的半导体工艺完全兼容，制备得到的二氧化硅光学微盘腔尺寸大，且具有超高的品质因子。

技术领域

本发明属于光学材料领域，涉及一种二氧化硅光学微盘腔的方法，尤其涉及一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法。

背景技术

根据形状的不同，二氧化硅回音壁模式的光学微腔可分成三种：微盘腔、微环芯微腔、微球腔。由于二氧化硅在通信波段极低的损耗，使得二氧化硅回音壁模式微腔具有品质因子高、模式体积小的优点。这些优点使得二氧化硅回音壁模式微腔成为基础科学研究的极佳的平台，另外二氧化硅回音壁模式微腔在传感探测、光通信领域也有很好的应用前景。

2003年，vahala组发明了微环芯微腔的制备方法，将品质因子提升到10⁸量级，其制备方法如下：光刻：选用硅片，上面利用热氧化生长了所需厚度的二氧化硅层。旋涂光刻胶进行光刻，得到圆形的光刻胶图案；HF(氢氟酸)刻蚀：利用光刻胶作为掩模，氢氟酸刻蚀二氧化硅，去胶后，就得到了二氧化硅圆盘；XeF₂(二氟化氙)刻蚀：二氟化氙对硅进行刻蚀，从而形成硅柱，二氧化硅悬浮在硅柱上面，形成二氧化硅微盘腔；激光回流：利用二氧化碳激光器照射二氧化硅微盘腔，二氧化硅受热融化向内收缩，在表面张力的作用下成为微环芯微腔的结构，由于表面原子级别的粗糙度，使得微环芯微腔的品质因子能够达到10⁸以上。类似的微球腔也是相同的制备方案。此类方案存在非常严重的缺点，因为二氧化碳激光回流是不可控的，制备的微腔尺寸不能够精确控制。

2012年，vahala组通过优化工艺，将微盘腔的品质因子提升到了创纪录的10⁸以上，其方法的特点是(1)二氧化硅的厚度较大，直径也非常大，光学模式更少的暴露在空气介质中，从而减低了损耗，提升了品质因子；(2)通过增加氢氟酸的刻蚀时间，消除了在刻蚀中二氧化硅侧壁的多倾角现象，降低了侧壁的粗糙度，从而提升了品质因子。需要注意的是，由于氢氟酸对二氧化硅的刻蚀是各向同性的，因此延长刻蚀时间后，二氧化硅的横向刻蚀非常严重，使得二氧化硅微盘的直径会小于掩模板上设计的图像的尺寸，这不利于微盘腔尺寸的精确控制。

2015年，南京大学姜校顺老师组利用反应离子刻蚀替换传统的氢氟酸刻蚀，制备出了高品质因子的二氧化硅微盘腔。由于等离子体刻蚀具有非常好的方向性，因此制备的二氧化硅微盘尺寸和掩模板设计的图案的一致性更好，尺寸的精确控制也有利于其他领域的研究。需要注意的是，这种方法在当时只能应用在小直径(80μm)二氧化硅微盘腔的制备中。

对于更大尺寸的微盘腔而言，其制备存在以下两个难点(1)光刻产生的大直径光刻胶的图案，很难确保图形四周的光滑程度，一旦光刻胶四周存在缺陷，在后续的干法刻蚀中，光刻胶上的缺陷会转移到下面的二氧化硅层，这些缺陷会极大地影响微盘腔的品质因子。(2)对于更大厚度的样品，由于等离子体长时间轰击光刻胶，光刻胶会发生变性，传统的方法难以完全去除干净，而残余的光刻胶会严重制约微盘腔的品质因子。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法与现有的半导体工艺完全兼容，制备得到的二氧化硅光学微盘腔尺寸大，且具有超高的品质因子。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种干法蚀刻制备二氧化硅光学微盘腔的方法，所述方法包括以下步骤：

利用热氧化法在硅基底表面制备二氧化硅层，在所述二氧化硅层表面沉积隔离层并退火，在所述隔离层表面涂覆光刻胶层；