一种光学微纳结构的制备方法与流程

1.本申请涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种光学微纳结构的制备方法。


背景技术：

2.微纳结构的制备方法有离子束加工、极紫外干涉光刻、孔洞掩膜胶体光刻、热蒸发等，其中利用最多的是离子束加工。离子束加工微纳结构具有简便、快速的特点，同时还被广泛应用于透射电子显微镜制样、光学结构加工、表面抛光、微机电系统(micro electro mechanical system，mems)等领域。
3.而离子束应用于光学结构的制备常常面临材料损伤的问题。在离子束加工时，大量的高能量聚焦离子轰击材料晶格以去除材料，与此同时，离子将注入到材料内部形成一层损伤层，该损伤层将引起光学吸收，导致加工的光学器件具有很大的光学传播损耗。
4.损伤层一般为晶格畸变和非晶材质组成，传统上，通过退火可以使得损伤层得到一定程度上的修复，原理为：
①
高温条件下，物质的原子进行移动，从而自发的重新形成规则排列的晶格；
②
由离子束注入的离子会在高温条件下进行扩散并逃离到外界。但是，这个退火的方式不能完全去除离子束轰击造成的损伤。
5.因此如何完全去除离子束轰击造成的损伤层，是离子束加工光学器件的关键问题。


技术实现要素：

6.本申请实施例提供了一种光学微纳结构的制备方法，通过高温在损伤层中形成氧化层，再去除氧化层的方式，可以有效去除由离子束造成的损伤，且工艺流程简便。
7.本申请实施例提供了一种光学微纳结构的制备方法，包括：
8.获取异质复合衬底；异质复合衬底从上至下依次包括薄膜层、绝缘层和支撑衬底；薄膜层由硅材料制成；
9.对异质复合衬底进行离子束切割，得到光学微纳结构；光学微纳结构包括由于离子束切割造成的损伤层，损伤层位于薄膜层；
10.对光学微纳结构进行退火处理，于损伤层的位置处形成二氧化硅层；二氧化硅层的厚度大于损伤层的厚度；
11.去除二氧化硅层，使得损伤层一并去除，得到未被损伤的光学微纳结构。
12.可选的，获取异质复合衬底之后，对异质复合衬底进行离子束切割之前，还包括：
13.于薄膜层的表面形成保护层。
14.可选的，对异质复合衬底进行离子束切割之后，对光学微纳结构进行退火处理之前，还包括：
15.将离子束切割后的异质复合衬底与保护层置于腐蚀溶液中以去除保护层。
16.可选的，保护层由金属材料制成；
17.金属材料包括铬、镍、钛和金中的至少一种。
18.可选的，保护层由非金属材料制成；
19.非金属材料包括氧化硅、氮化硅、氧化钛和氧化铝中至少一种。
20.可选的，硅材料为硅或碳化硅。
21.可选的，离子束为镓离子束、硅离子束、氦离子束和硼离子束中的任一种；
22.离子束的能量为1～100kev；离子束的束流为0.1pa～100na。
23.可选的，退火温度范围为200～1300摄氏度；
24.退火气氛为氩气、氮气、氧气和大气气氛中的至少一种。
25.可选的，腐蚀溶液包括氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液。
26.可选的，光学微纳结构为微环、微盘、光波导和光子晶体中任一种结构。
27.本申请实施例提供的一种光学微纳结构的制备方法具有如下有益效果：
28.通过获取异质复合衬底；异质复合衬底从上至下依次包括薄膜层、绝缘层和支撑衬底；薄膜层由硅材料制成；对异质复合衬底进行离子束切割，得到光学微纳结构；光学微纳结构包括由于离子束切割造成的损伤层，损伤层位于薄膜层；对光学微纳结构进行退火处理，于损伤层的位置处形成二氧化硅层；二氧化硅层的厚度大于损伤层的厚度；去除二氧化硅层，使得损伤层一并去除，得到未被损伤的光学微纳结构。如此，可有效去除离子束对材料的损伤，从而得到高性能光学微纳结构。
附图说明
29.为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本申请实施例提供的一种光学微纳结构的制备方法的流程示意图；
31.图2是本申请实施例提供的一种光学微纳结构的制备过程示意图；
32.图3是本申请实施例提供的另一种光学微纳结构的制备过程示意图；
33.图4是本申请实施例提供的一种光学传输曲线对比示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
35.需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.为了提高离子束刻蚀的光子学结构的品质因子，需要完全去除离子束轰击造成的损伤层，本申请实施例提供了一种光学微纳结构的制备方法，可以有效去除由离子束造成的损伤，且工艺流程简便。
37.以下介绍本申请一种光学微纳结构的制备方法的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种光学微纳结构的制备方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。结合图2所示的制备过程示意图，该方法可以包括：
38.s101：如图2(a)所示，获取异质复合衬底1；异质复合衬底1从上至下依次包括薄膜层11、绝缘层12和支撑衬底13；薄膜层11由硅材料制成；
39.s103：如图2(b)所示，对异质复合衬底1进行离子束切割，得到光学微纳结构；光学微纳结构包括由于离子束切割造成的损伤层14，损伤层14位于薄膜层11；
40.s105：如图2(c)所示，对光学微纳结构进行退火处理，于损伤层14的位置处形成二氧化硅层15；二氧化硅层15的厚度大于损伤层14的厚度；
41.s107：如图2(d)所示，去除二氧化硅层15，使得损伤层14一并去除，得到未被损伤的光学微纳结构。
42.本申请实施例中，考虑到在离子束切割过程中，部分离子渗入薄膜层11表面以及侧壁形成损伤层14，即离子束的缺陷位于结构边缘，在退火过程中，损伤层14内的硅会被氧化为二氧化硅，从而在结构边缘形成二氧化硅层15，通过腐蚀溶液将二氧化硅层15去除，即可将损伤层14去除；如此，通过上述步骤s101～s107，可有效去除离子束对材料的损伤，从而得到高性能光学微纳结构。
43.一种可选的实施方式中，硅材料为硅或者碳化硅。
44.一种可选的实施方式中，离子束为镓离子束、硅离子束、氦离子束和硼离子束中的任一种；离子束的能量为1～100kev；离子束的束流为0.1pa～100na。
45.一种可选的实施方式中，退火温度范围为200～1300摄氏度；退火气氛为氩气、氮气、氧气和大气气氛中的至少一种。
46.一种可选的实施方式中，腐蚀溶液包括氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀(boe)液。
47.一种可选的实施方式中，光学微纳结构为微环、微盘、光波导和光子晶体中任一种结构。
48.以下介绍本申请另一种光学微纳结构的制备方法的具体实施例，图3是本申请实施例提供的另一种光学微纳结构的制备过程示意图，该实施例中，光学微纳结构的制备方法可以包括：
49.s101：如图3(a)所示，获取异质复合衬底1；异质复合衬底1从上至下依次包括薄膜层11、绝缘层12和支撑衬底13；薄膜层11由硅材料制成；
50.s102：如图3(b)所示，于薄膜层11的表面形成保护层2。
51.s103：如图3(c)所示，对异质复合衬底1和保护层2进行离子束切割，得到光学微纳结构；光学微纳结构包括由于离子束切割造成的损伤层14，损伤层14位于薄膜层11；
52.s104：如图3(d)所示，将离子束切割后的异质复合衬底1与保护层2置于腐蚀溶液中以去除保护层2。
53.s105：如图3(e)所示，对光学微纳结构进行退火处理，于损伤层14的位置处形成二氧化硅层15；二氧化硅层15的厚度大于损伤层14的厚度；
54.s107：如图3(f)所示，去除二氧化硅层15，使得损伤层14一并去除，得到未被损伤的光学微纳结构。
55.该实施例与上文第一个实施例的制备方法大致相同，唯一不同的是在离子束刻蚀前，通过步骤s102预先形成一层保护层2，以对薄膜层11顶部表面形成保护，防止离子渗入造成大面积损伤；同时在退火前，通过腐蚀溶液将保护层2去除；该实施例同样可达到有效去除离子束对材料的损伤，得到高性能光学微纳结构的有益效果。
56.一种可选的实施方式中，保护层由金属材料制成；金属材料包括铬、镍、钛和金中的至少一种。
57.另一种可选的实施方式中，保护层由非金属材料制成；非金属材料包括氧化硅、氮化硅、氧化钛和氧化铝中至少一种。
58.为了进一步说明本申请提供的制备方法所达到的效用，下面以制备一种光子学圆形微盘谐振腔为例对本申请上述实施例以及可选的实施方式作进一步说明。结合图3所示，异质复合衬底1为绝缘体上碳化硅薄膜，通过离子束刻蚀绝缘体上碳化硅薄膜形成回音壁廊微盘谐振腔的制备方法，主要包括以下步骤：
59.获取一片绝缘体上碳化硅薄膜，包括碳化硅层11、氧化硅层12、硅衬底层13；
60.在所述碳化硅层11的上表面蒸镀金属铬以形成保护层2，根据srim仿真，铬的厚度应大于20nm，使得离子停留在该保护层2，以避免后续离子对碳化硅层11表面的直接轰击；同时，保护层2还可以避免离子束成像时的过度电荷积聚；
61.将镀有金属铬的绝缘体上碳化硅薄膜，固定在样品槽，使用聚焦镓离子束切割铬层2、碳化硅层11、氧化硅层12，离子束路径设计为圆形，以形成圆形微纳结构；其中，聚焦镓离子束的能量为30kev，剂量为110pa，离子束的加工在碳化硅层11中将形成损伤层14，该损伤层14包含非晶碳化硅和严重损伤的单晶碳化硅；
62.将所制备的圆形微纳结构置于王水溶液中，直到铬金属被完全去除；
63.将所制备的圆形微纳结构置于退火炉中，退火温度900℃退火10小时，退火气氛为氧气气氛；碳化硅在高温下将形成二氧化硅层15，覆盖于碳化硅11的表面以及侧壁。
64.将退火后的微纳结构置于boe溶液中，约10min后，覆盖于碳化硅层11表面以及侧壁的二氧化硅层15将完全去除，从而使得损伤层14可以一并去除，最终得到回音壁廊微盘谐振腔。
65.将传统上直接利用聚焦离子束刻蚀碳化硅形成的回音壁廊微盘谐振腔的光学品质因子，以及利用本申请提供的制备方法形成的回音壁廊微盘谐振腔的光学品质因子进行比较，请参阅图4，图4中曲线1为直接利用聚焦离子束刻蚀碳化硅形成的回音壁廊微盘谐振腔的光学传输曲线，曲线2为利用本申请提供的聚焦离子束刻蚀结合退火氧化方法形成的回音壁廊微盘谐振腔的传输曲线；可见，曲线1未测得明显的光学谐振峰，表明光在结构中传输损耗极大，曲线2测得光学谐振峰并且其光学品质因子为10200，这表明本申请提供的制备方法，可以有效去除离子束对材料造成的损伤层。
66.以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。