铌酸锂微纳结构、用于形成其的干法刻蚀方法及其应用

本发明涉及微纳制造，尤其涉及一种铌酸锂微纳结构、用于形成其的干法刻蚀方法及其应用。

背景技术：

1、集成光子学在通信、传感和计算领域的应用前景广阔。因为集成电路用硅材料造芯片的工艺设备都非常成熟，而硅恰好在光通信波段透明并且折射率很大，所以可以将cmos工艺用来规模化制备硅基集成光路，“硅光子学”就是在这个背景下发展起来的。此外，基于磷化铟(inp)，氮化硅(sinx)，砷化镓(gaas)，氮化铝(aln)和碳化硅(sic)等材料的技术也在发展。但这些材料无法同时支持超低传播损耗、快速低损耗光调制和高效的全光非线性。铌酸锂(linbo3，lithium niobate，ln)具有从可见光到中红外波段(0.35μm～5μm)的透明窗口、相对较高的折射率、优异的电光和二阶非线性光学性能以及出色的声光和压电特性，被誉为“光学硅”，可以被广泛应用于集成光子学。

2、铌酸锂薄膜可用于制备超高性能紧凑型调制器、宽带频率梳，以及高效率的光学频率转换器和单光子源。掺杂铌酸锂材料应用也相当广泛。mg：ln，可以大大提高抗激光损伤阈值，促进了铌酸锂晶体在非线性光学领域的应用；nd：mg：ln晶体，可实现自倍频效应；fe：ln晶体用于光学体全息存储。所以，研究高质量铌酸锂薄膜的制备技术以及开发高精密铌酸锂纳米结构的加工工艺非常重要！

3、然而现有铌酸锂刻蚀技术多使用反应离子刻蚀(rie)、感应耦合等离子体刻蚀(icp)、离子束刻蚀(ibe)、湿法刻蚀(we)以及它们的组合刻蚀，然而这些制备技术中，均需要在铌酸锂表面准备介质-金属混合硬掩模，这增加了制备步骤与工艺难度，同时还大大提高了制备成本，并且受技术限制，目前还难以制备具有高深宽比且高垂直度的纳米级铌酸锂微纳结构。虽然聚焦离子束刻蚀(fib)是一种无需硬掩模的高精度刻蚀技术，也有相关研究报道证明其可以用于制备高质量铌酸锂微纳结构，但是，聚焦离子束的刻削速度非常慢，且使用成本惊人，不利于铌酸锂微纳器件的大规模生产和商业化。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铌酸锂微纳结构、用于形成其的干法刻蚀方法及其应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种用于制备铌酸锂微纳结构的干法刻蚀方法，其包括：

4、提供铌酸锂基体；

5、在所述铌酸锂基体表面形成图案化掩模；

6、利用磁中性环路放电刻蚀方法透过所述图案化掩模对所述铌酸锂基体进行刻蚀处理，形成微纳结构；

7、其中，进行所述刻蚀处理时，维持所述铌酸锂基体的温度不低于400℃，且采用间歇循环刻蚀的方式进行。

8、第二方面，本发明还提供一种上述干法刻蚀方法制备获得的铌酸锂微纳结构。

9、第三方面，本发明还提供上述铌酸锂微纳结构在非线性光学领域中的应用。

10、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

11、本发明利用磁中性环路放电刻蚀方法在高温下对铌酸锂进行间歇性刻蚀，可以大大促进氟基或氯基气体与铌酸锂之间的反应速度，大幅加快刻蚀速率；铌酸锂在与气体发生反应的过程中所产生的生成物会受高温影响迅速挥发，不会沉积或附着在铌酸锂表面，这有效避免了侧向腐蚀的发生，极大地提高了微纳结构的刻蚀垂直度；高温刻蚀促进反应气体与铌酸锂之间的化学反应，而光刻胶不与反应气体发生化学反应只会受到射频粒子的物理轰击，所以在射频功率不变的前提下，高温刻蚀可以大幅提高铌酸锂与光刻胶之间的刻蚀速率比，有利于在一些优选实施方式中能够直接使用光刻胶作为掩模制备具有高深宽比的铌酸锂微纳结构，避免了制备金属或介质硬掩模等步骤，大大简化了制备工艺，有效降低了加工成本。

12、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种用于制备铌酸锂微纳结构的干法刻蚀方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于，进行所述刻蚀处理时，维持所述铌酸锂基体的温度为400-500℃；

3.根据权利要求2所述的干法刻蚀方法，其特征在于，当处于所述刻蚀期时，控制所述铌酸锂基体的温度为第一温度，当处于所述间歇期时，控制所述铌酸锂基体的温度为第二温度；

4.根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于，磁中性环路放电刻蚀方法所采用的刻蚀气氛包括氯基气氛和/或氟基气氛。

5.根据权利要求4所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气氛包括cl2/ar混合气体、c12/bcl3/ar混合气体、sf6/ar混合气体、cf4/ar混合气体中的任意一种；

6.根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述图案化掩模选自光刻胶掩模；

7.根据权利要求6所述的干法刻蚀方法，其特征在于，所述光刻胶掩模的材质选自氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶和/或负性导电电子束光刻胶；

8.根据权利要求6所述的干法刻蚀方法，其特征在于，还包括：

9.权利要求1-8中任意一项所述的干法刻蚀方法制备获得的铌酸锂微纳结构；

10.权利要求9所述的铌酸锂微纳结构在集成光子器件、光电调制器件、波导模式传感器件以及量子技术领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种铌酸锂微纳结构、用于形成其的干法刻蚀方法及其应用。所述干法刻蚀方法包括：提供铌酸锂基体；在其表面形成图案化掩模；利用磁中性环路放电刻蚀方法对铌酸锂基体进行刻蚀处理，形成微纳结构；其中，进行刻蚀处理时，维持铌酸锂基体的温度不低于400℃，且采用间歇循环刻蚀的方式进行。本发明利用磁中性环路放电刻蚀方法在高温下对铌酸锂进行间歇性刻蚀，加快垂直方向的刻蚀速率，且反应的过程中所产生的生成物会受高温影响迅速挥发极大地提高了微纳结构的刻蚀垂直度；能够直接使用光刻胶作为掩模制备具有高深宽比的铌酸锂微纳结构，避免了制备金属或介质硬掩模等步骤，大大简化了制备工艺，有效降低了加工成本。技术研发人员：林雨,张伟,李玉雄,曾中明受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/2/1