AIP Advances | 制作低損耗絕緣體上鈮酸鋰波導(dǎo)的方法

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
" S9 M: h) t. j# c2 W絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)波導(dǎo)因其優(yōu)異的光學(xué)性能，在集成光電子技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。然而，由于鈮酸鋰(LN)的硬度高、化學(xué)惰性強(qiáng)，且在刻蝕過(guò)程中易產(chǎn)生材料再沉積，制作低損耗LNOI波導(dǎo)具有很大挑戰(zhàn)。本文基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) NanoFab設(shè)施的研究，介紹了優(yōu)化LNOI波導(dǎo)制作工藝的關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)[1]。
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; I( G! A& y, `: t掩模選擇與圖形化
選擇合適的掩模材料對(duì)獲得高質(zhì)量刻蝕結(jié)構(gòu)非常重要。雖然軟掩模(如電子束光刻膠)使用簡(jiǎn)單，但通常會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁質(zhì)量較差。硬掩模，如鉻(Cr)或二氧化硅(SiO2)，一般能產(chǎn)生更好的結(jié)果。
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為圖形化波導(dǎo)，通常使用電子束光刻(EBL)和正性光刻膠如ZEP520A。將光刻膠旋涂到LNOI芯片上，用EBL曝光，然后顯影。對(duì)于硬掩模樣品，在涂覆光刻膠之前需要先沉積掩模材料(如Cr或SiO2)。

* m" p, _) O" l1 ]圖1：使用ICP RIE圖形化LN的制作過(guò)程示意圖。

刻蝕過(guò)程
# a5 k( l" W' J+ {; ^) I: @0 ]電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕(ICP RIE)是刻蝕LN的首選方法。
. q& u4 {5 c/ F: u& T% \" x2 e該過(guò)程使用氬(Ar)等離子體物理刻蝕材料。需要優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)包括：

射頻(RF)功率：控制離子向基板加速，顯著影響刻蝕速率、深度和再沉積。

ICP功率：決定等離子體密度。
+ B8 z# R) p. K$ n. q: ?. u) l* K5 C腔室壓力
3 G9 m' v$ |  h+ P6 u氣體流量
; ]3 J) w; z/ Z( ], i) r, X基板溫度
3 s6 }: _9 I  F


圖2：用于LN刻蝕的ICP腔室示意圖。

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( l; V( m9 z4 e$ M5 F3 L% b% _9 VRF功率優(yōu)化
/ y2 Y/ [/ I: p: k) VRF功率是影響刻蝕和再沉積平衡的關(guān)鍵參數(shù)。在低RF功率下，再沉積材料往往積累在側(cè)壁上。隨著RF功率增加，刻蝕速率超過(guò)再沉積速率，導(dǎo)致側(cè)壁更干凈。
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0 Z8 ^1 P& `: n4 S圖3：SEM圖像顯示了RF功率對(duì)使用Cr掩模樣品再沉積的影響。
1 H+ d4 }5 F) N6 u) R# `! T" s# D
6 S6 f) }8 K3 S0 n' h1 U然而，過(guò)高的RF功率會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)結(jié)構(gòu)損壞。最佳RF功率范圍通常在100-200 W之間，但可能因具體使用的ICP RIE設(shè)備而異。
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) r4 |8 o* s* I' Q再沉積物去除
7 R4 m8 [9 L7 T+ {( N即使優(yōu)化了刻蝕參數(shù)，通常仍有一些再沉積物殘留，需要通過(guò)濕法清洗過(guò)程去除。改良的RCA-1溶液(NH4OH:H2O2:H2O比例為2:2:1)加熱到85°C對(duì)此很有效。
; O1 x3 n. l) n: |+ x3 [# l
圖4：清洗過(guò)程不同階段的LN波導(dǎo)SEM圖像。

; P  H* B' ^' A+ f+ l) D清洗過(guò)程需要仔細(xì)優(yōu)化：

持續(xù)時(shí)間：清洗不足會(huì)留下再沉積物，過(guò)度清洗會(huì)損壞波導(dǎo)。

方向：樣品應(yīng)在相對(duì)于攪拌方向的0°和90°方向上清洗。

溶液新鮮度：改變樣品方向時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備新的清洗溶液。
; h+ q/ B1 \. v: |; M/ T3 v  r[/ol]
; ~# r9 o7 N) @" z1 Q1 h典型的優(yōu)化清洗過(guò)程包括每個(gè)方向15分鐘，總共30分鐘。
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3 P" B/ `- D# _圖5：SEM圖像顯示了過(guò)度清洗導(dǎo)致的波導(dǎo)損壞。

# m; `% e: Q" x' A硬掩模比較
( r: {7 y! U! s雖然Cr和SiO2硬掩模都能產(chǎn)生良好結(jié)果，但它們具有不同特性：
# f- M+ l% Y2 }" p. e
1. 鉻掩模：

由于Cr的多晶結(jié)構(gòu)，在側(cè)壁上產(chǎn)生顆粒狀特征

與SiO2相比，通常產(chǎn)生更光滑的側(cè)壁

不太容易出現(xiàn)溝槽問(wèn)題

/ ?# Q% e3 `) O0 W! i( @2. 二氧化硅掩模：

可能在側(cè)壁上產(chǎn)生條紋

更容易在側(cè)壁底部產(chǎn)生溝槽

可能需要額外措施來(lái)緩解充電效應(yīng)
2 W0 U+ F6 @2 Y# ]


* _8 J) n+ u: D- T6 b+ q圖6：比較使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩�？涛g的LN波導(dǎo)SEM圖像。


圖7：使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩模刻蝕的LN波導(dǎo)FIB-milled橫截面SEM圖像。
8 N/ E( Y3 V  F/ ]( _: p. [( }
波導(dǎo)制作流程
" H& f8 k# z* Q5 X2 C基于上述優(yōu)化，以下是制作低損耗LNOI波導(dǎo)的流程總結(jié)：
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$ h4 s' ^- F- S5 j# Q1. 基板準(zhǔn)備：
從LNOI晶圓開(kāi)始(如700 nm x切割LN薄膜在2 μm SiO2上，再在Si基板上)
使用硫酸高錳酸鉀溶液清洗基板，然后進(jìn)行RCA清洗
' Z8 _: |  o; I  r; Y# ^
2. 硬掩模沉積：
% O: V# }# p+ _- W- x( p4 ?

使用電子束蒸發(fā)沉積50 nm Cr

(替代方案：500 nm PECVD SiO2 + 10 nm電子束Cr)

8 {' m# D& M) \8 F3. 光刻：
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旋涂ZEP520A電子束光刻膠

進(jìn)行電子束光刻定義波導(dǎo)圖形

顯影曝光后的光刻膠

4. 圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模：
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使用ICP RIE刻蝕硬掩模層
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5. LN刻蝕：

使用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行LN的ICP RIE刻蝕：
    RF功率：150 W
    ICP功率：1500 W
    壓力：5 mTorr
    Ar氣體流量：20 SCCM
/ u* r; r, x0 z. o6 w    溫度：5°C
# q, O' X* f5 x! H0 S! _2 m

使用多個(gè)短刻蝕循環(huán)，中間有冷卻期，以防止樣品損壞

. y2 \% D9 Y) f$ `6. 掩模去除：
3 E. ^: ]% V# E6 F$ T

使用適當(dāng)?shù)目涛g劑去除剩余硬掩模
+ N. k, f" f; a7 U) h
% p; k9 Q! _, n+ J+ o% C7. 再沉積物清洗：
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在加熱的RCA-1溶液中每個(gè)方向清洗15分鐘(總共30分鐘)
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7 I; z2 h; j5 X8. 包覆(可選)：
7 D$ Q2 ^, k1 v6 ~

使用PECVD沉積2 μm SiO2作為上部包覆層

9. 端面準(zhǔn)備：
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拋光端面以進(jìn)行光學(xué)耦合
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光學(xué)表征
為評(píng)估制作的波導(dǎo)質(zhì)量，光學(xué)損耗測(cè)量非常重要。典型設(shè)置包括使用錐形光纖將1550 nm激光耦合到波導(dǎo)中，并測(cè)量輸出功率。
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& t5 H( h1 O0 K# F圖8：測(cè)量LNOI波導(dǎo)在1550 nm波長(zhǎng)下光學(xué)損耗的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
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- C7 ]( u3 T& k6 a/ n+ M9 N圖9：對(duì)八個(gè)相同LNOI波導(dǎo)進(jìn)行的光學(xué)損耗測(cè)量結(jié)果。

使用本文描述的優(yōu)化制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為4.5 mm的LNOI波導(dǎo)，總損耗(傳播+耦合)約為-10.5 dB。這相當(dāng)于傳播損耗的上限估計(jì)約為2 dB/cm，與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值具有競(jìng)爭(zhēng)力。

( r1 M, y. S! n7 P1 x結(jié)論
制作低損耗LNOI波導(dǎo)需要仔細(xì)優(yōu)化多個(gè)工藝步驟，從掩模選擇到刻蝕參數(shù)和刻蝕后清洗。作者認(rèn)為通過(guò)遵循本文提供的指南，研究人員可以開(kāi)發(fā)可靠的工藝來(lái)制作高質(zhì)量LNOI光電子器件，即使在共享潔凈室設(shè)施中也能實(shí)現(xiàn)。持續(xù)改進(jìn)這些技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)集成鈮酸鋰光電子技術(shù)的發(fā)展。
; ]9 F; u9 U! g/ O: Y6 ?3 g/ B
* ]5 r0 C# J; }% a參考文獻(xiàn)
[1] CH. S. S. Pavan Kumar, N. N. Klimov, and P. S. Kuo, "Optimization of waveguide fabrication processes in lithium-niobate-on-insulator platform," AIP Advances, vol. 14,
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