一种基于飞秒激光直写的集成微纳电极及制备方法

本发明涉及飞秒激光直写技术、反应离子刻蚀及湿法腐蚀，特别是一种利用金属膜及介质膜等材料结合飞秒激光直写、干法湿法刻蚀技术制备铌酸锂光子芯片上的集成微纳电极的方法。

背景技术：

1、与电子集成回路不同，光子集成回路是以光子作为传输载体可实现更高传输速度、更大传输容量等特性，因此作为新一代技术平台已经被广泛应用于光学通讯、微波光子学、量子信息处理等领域。目前人们在硅、iii-v族半导体材料、氮化硅等材料上已经取得了一系列进展也实现大规模应用。而铌酸锂被称作光子学中的“硅”，主要是由于其具备众多优异的特性，如：具有宽透光窗口、相对较大的折射率，高非线性系数以及较大的电光调制系数等等。相比于其它光子集成回路材料，电光效应是铌酸锂最典型也是最主要的特征之一，在电光调制器、微波光子学均具有广泛的应用。传统的铌酸锂光子芯片的集成微纳电极制备主要采用电子束直写或者紫外光刻的金属剥离工艺，此方式制备效率低而且成本较高，亟需发展一套基于飞秒激光直写的集成微纳电极制备工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在克服传统电子束直写制备成电极技术难以大规模制备大尺寸的光子芯片中微纳集成电极的问题，提供一种替代技术路线来制备低成本的微纳电极并且结构均匀性、方法便捷性均有提升。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：

3、一种基于飞秒激光直写的集成微纳电极的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

4、步骤1)准备铌酸锂光子芯片并镀铬膜、二氧化硅膜以及铬膜：

5、1.1)铌酸锂光子芯片(1)材料包括三层：从上至下依次为300nm-600nm厚铌酸锂薄膜(2)、2μm-8μm厚二氧化硅层(3)和500μm-1mm厚单晶硅衬底(4)；其铌酸锂薄膜(2)上设有系列脊状光波导结构；

6、1.2)在所述的铌酸锂光子芯片表面通过磁控溅射镀600nm-1μm厚铬膜作为后续底层牺牲层；

7、1.3)用化学气象沉积的方法在上述结构上镀400nm-1μm二氧化硅层，作为电极结构顶层的限定层；

8、1.4)利用磁控溅射在上述结构上镀50nm-100nm铬膜，作为电极结构的掩膜层；

9、步骤2)飞秒激光直写电极铬掩膜图案：

10、2.1)将表面镀有上述三层膜的铌酸锂光子芯片通过吸盘固定在可计算机编程控制的三维运动平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦到所述的电极结构掩膜层表面，通过计算机程序驱动运动平台利用飞秒激光直写所述铬膜层，形成电极掩模图案；

11、步骤3)反应离子刻蚀二氧化硅膜：

12、3.1)将上述芯片放置于反应离子刻蚀机的腔室中，将气腔抽至真空，设置气压、射频功率、偏压以及刻蚀时间等参数，实现对所述铌酸锂光子芯片的二氧化硅限定层进行刻蚀，用于控制结构线宽，被所述电极结构铬掩模图案保护下的二氧化硅层不被离子刻蚀，其它未被所述电极铬掩模图案保护下的二氧化硅膜被高密度等离子源轰击而被刻蚀，将二氧化硅层完全刻蚀，刻蚀深度为400nm-1μm，由于最底层存在一层铬膜牺牲层可以阻挡离子刻蚀的过刻问题，保护铌酸锂薄膜；

13、步骤4)化学腐蚀底层铬膜牺牲层：

14、4.1)将所述刻蚀二氧化硅层后的芯片放置于商业铬腐蚀液中，控制腐蚀时间，将刻蚀后剩余的顶上铬掩膜层去掉，所述底层铬膜牺牲层且未被二氧化硅保护下的部分完全腐蚀干净，由于湿法腐蚀金属是各向同性的，向下腐蚀的同时也会向四周腐蚀，在这个作用下，底层铬膜牺牲层与顶上二氧化硅电极结构限定层可以行成底切结构方便后续工艺；

15、步骤5)电子束蒸发镀钛-金电极：

16、5.1)将所述湿法腐蚀结束后芯片放置于电子蒸发腔室中，将气腔抽至真空，设置镀膜参数，蒸镀10-100nm钛膜作为金膜的粘附层，然后再镀500nm-800nm金膜，确保底层铬膜牺牲层厚度至少是被剥离金属层厚度1.25倍；相比于溅射工艺，电子束蒸发金属膜以类似辐射的方式沉积至材料上，方向性，可避免后续剥离困难以及边缘不光滑毛刺等现象；

17、步骤6)湿法腐蚀剥离制备集成电极

18、6.1)将所述电子束蒸发镀完钛-金电极芯片放置于商业铬腐蚀液，控制腐蚀参数结合超声辅助将底层铬膜牺牲层剥离掉，由于上述在电极掩膜保护下的底层铬膜还存在将在剥离过程中被去除，同时将对应的金电极结构去除，上述激光刻写的结构由于底层铬膜在前述工艺中被去除，这里的金膜将直接与铌酸锂薄膜粘合，剥离结束后可制备预先设计好的电极结构。

19、一种上述方法制得的基于飞秒激光直写的集成微纳电极。

20、与现有技术相比较，本发明的优点在于：

21、本发明利用金属薄膜及介质膜代替传统光刻胶的方案，适用于飞秒激光直写技术及反应离子刻蚀方式，与使用紫外光刻技术或者电子束直写技术相比，成本低，效率高，无需额外制备掩膜版。

22、1)提供了一套可以与化学机械抛光技术兼容，可应对任意复杂大尺寸集成电极结构的制备路线。

23、2)提供了一种电极均一性，侧壁粗糙度，微波损耗等电极性能达到最佳的制备方法，对集成光子学中的电光、热光调控等特性有着重要的作用。

技术特征：

1.一种基于飞秒激光直写的集成微纳电极的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

2.一种权利要求1所述方法制得的基于飞秒激光直写的集成微纳电极。

技术总结本发明公开了一种基于飞秒激光直写的集成微纳电极及制备方法，其制备方法包括铌酸锂光子芯片上镀金属铬膜、化学气相沉积镀二氧化硅膜、飞秒光刻铬掩膜、反应离子刻蚀、电子束蒸发金膜及湿法腐蚀等步骤。本发明使用介质膜及金属膜代替传统光刻胶，利用飞秒光刻的低成本、高效率等技术优势，可大规模于光子芯片上制备高度集成、电极性能优异的大尺寸微纳电极结构，可应用于片上微型激光器、微波光子学及高速调制器等领域。技术研发人员：程亚,陈锦明,宋吕斌受保护的技术使用者：华东师范大学技术研发日：技术公布日：2024/1/13