交叉光栅光子晶体以其多次曝光的制造工艺的制作方法

专利名称：交叉光栅光子晶体以其多次曝光的制造工艺的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种制造光子晶体无源光学器件的方法。光子晶体器件特别适用于工作范围大约为800—1800nm的光通信系统。较佳工和波长范围为1300—1600nm。
光子晶体是一种介电常数呈周期性变化的结构。这种周期性结构可以是一维、二维或三维的。光子晶体允许某些光波长通过，而不允许其它的光波长通过。因此，称光子晶体具有容许的波长带和波长带隙，其中带隙限定了那些为晶体排除的波长。也就是说，波长带隙内的光不能通过光子晶体。而波长位于带隙上下的光可以在晶体中传播。光子晶体呈现一组带隙，它们类似于布拉格散射方程的解。带隙决定于电介常数的变化周期。因此，介电常数变化的周期性阵列对某些波长的光起布拉格散射体的作用，这类似于晶格中的原子对X射线进行的布拉格散射。在光子晶体介电常数的周期性变化中引入缺陷，将引入所谓的缺陷模式，缺陷模式对应于能够在含缺陷的晶体部分传播的那些特定光波长。因为某个特定波长不能在晶体的正常部分中传播，但能在缺陷区内传播，所以晶体内的点缺陷可以将该特定光波长陷于一局域化的“光腔”中。与此类似，光子晶体中的线缺陷可以起波导的作用，它允许某个导模存在于带隙中，此时晶体点阵将导向光限制在晶体线缺陷中。在三维的光子晶体中，平面缺陷对带隙中的波长起条形波导的作用。
关于光子晶体结构和作用的评述，可以参见Joannopoulous等人于1997年3月13日在Nature，第396卷，第143—149上发表的“光子晶体光的新转折”。
对于通信业感兴趣的特定波长，即上述在大约1300—1600nm范围的波长来说，介电常数的变化周期必需大约为500nm。能有效产生这么小周期性的技术包括电子束平版印刷术、X射线平版印刷术，或Andesson等人在美国专利5,142,385中描述的激光干涉平版印刷术。光刻法的近期发展，例如准分子激光器的使用，可以实现大约0.18μm(180nm)的分辨率。
在上述最后一篇文献中，使用一个位于相位传感器装置和相移元件之间的反馈回路使激光强度图案在空间和时间上稳定。相干激光束之间的相对相位是用放置在其中一条光束光路中的移相器来测量和调节的。测量光束的相对相位并不容易，因为需要将每条光束的一个采样投射到诸多光束相互作用形成干涉图案的一个公共平面上。调节移相器，可最大程度地减少干涉图案的变化，从而稳定主光束间的相对相位。

发明内容
本发明的方法至少用两种明显不同的干涉图案在光致抗蚀层中刻写一电子晶体点阵。用激光平版印刷术对光致刻蚀剂曝光，结果交叉的干涉图案就刻写在光致刻蚀剂上。用背面曝光工艺在光子晶体内刻写一波导。光致刻蚀剂的背面是衬底上或最靠近衬底的那一面。背面曝光技术使光致刻蚀剂和掩模之间的有效间隙为零。
本发明的第一个方面是一种制造光子晶体的方法，该方法首先对平坦的衬底涂覆一层厚的光致刻蚀层。在本文中，厚是指在3-10μm的范围。然后，在光致刻蚀剂表面上或其附近形成一个激光干涉条纹图案。聚焦此条纹图案，以便穿透光致刻蚀剂的厚度，对光致刻蚀剂的整个厚度进行曝光。预先选择光致刻蚀剂对于此条纹图案的曝光强度和持续时间，以便所提供的曝光低于该光致刻蚀剂材料的曝光阈值。如果光致刻蚀剂材料的曝光量低于阈值水平，那么在显影步骤中将不会对材料感光。
然后，光致刻蚀剂接受第二组激光干涉条纹的曝光。此第二组条纹的长度尺寸与第一组条纹的长度尺寸成一定角度。同样，曝光条件也选择成小于光致刻蚀剂的曝光阈值。然而，受第一组和第二组条纹曝光的光致刻蚀区域，即两个条纹图案重叠的那些区域，受到了大于阈值的曝光量。
本领域的技术人员不难明白，可以用不止两组条纹对部分光致刻蚀剂曝光至阈值以上的水平，形成具有各种周期性的种种图案，其中所用条纹分别具有预选的波长、宽度和强度，并且投射到光致刻蚀剂上各自预选的时间段。例如，采用一种三条纹图案曝光方案可以获得六方光子晶体模型。这时，这三个条纹图案的相应轴，即以直角通过条纹长度尺寸的直线，相互成120°。
在此新颖方法的最后一步，将曝过光的光致刻蚀剂进行显影，形成光子晶体。显影是指对光致刻蚀剂施加一种化学试剂，将光致刻蚀剂中曝光量大于阈值水平的那些部分溶解掉。显影后留下的周期性结构就是光子晶体。在光子晶体的周期性排列特征中，高宽比即是特征高度对于特征直径之比，该比值必须大于或等于大约3，这样光子晶体才能在红外波长区内工作，并且包括红外光的传播或驻波模式(standing mode)。如果要使用光子晶体的第一带隙，那么特征周期必须为λ/3左右，其中λ是信号的光波长。当使用更高级数的带隙时，特征周期应较大。
在衬底上施加光致刻蚀层可以采用本领域已知的几咱方法中的任何一种，包括旋转、浸渍涂覆、干式等离子涂覆等。
构成周期性阵列特征的材料在介质常数上的变化宜至少为4倍，10倍是适宜的。光子带隙的大小一般随构成光子晶体的材料各自介质常数之差异的增大而增大。
在这种方法的一个实施方式中，将两个基本上相同的干涉图案交叉，用高于光致刻蚀剂阈值的周期性光强图案对光致刻蚀剂进行曝光。干涉图案的条纹宽度和条纹间距经选择，能产生一点阵阵列，其周期大约是作用于光子晶体的信号波长的0.3-0.9倍。在这个实施方式的一个例子中，光致刻蚀剂材料是晶体的光导部分，因此应选择为对于所选信号光波长带是透明的材料。范围大约1300-1600nm的波长带包括现今规划或工作中的大多数通信系统所用的信号范围。
光子晶体的点阵特征可以排列成许多图案，包括正方形(即每个特征与其最近邻特征是等距的)、面心立方图案，或者上述的六方图案。就是说，一个具有适当特征周期(可以称为特征间距)的点阵实质上可以具有任意的周期性特征排列，仍可呈现光子晶体的性质。
通过选择条纹图案轴之间的夹角为90°，可以将正方形点阵刻写在光致刻蚀剂中。在刻写任何点阵时，无论先后还是同时将多个条纹图案投射到光致刻蚀剂上，都可以得到相同结果。
本发明包括用上述方法及其实施方式制成的光子晶体。用上述的方法及实施方式制成的多个平面光子晶体叠合成一个垂直堆，就能构成一个三维光子晶体。为了获得功能性的三维光子晶体，必须对堆叠的每个组元进行特定的对准。例如可参阅Noda等人在Jpn J.应用物理第35卷(1996年)909发表的论文。
本发明的第二个方面是一种制造无源光学器件的方法，该方法先将薄层材料沉积在平坦的衬底上。衬底材料应选择为对预选的波长带是透明的。
这里“薄”是指层的厚度小于或等于大约1μm。薄层材料对于预选波长(光致刻蚀剂的曝光波长)范围内的某个波长光不透明。在该第一薄层上面施加光致刻蚀剂薄层。用一个具有特定形状的掩模在衬底上形成对于预定波长不透明的具有该特定形状的材料。在对光致刻蚀剂薄层辐射和显影后，在衬底上留下一个具有特定图案形状的双层，即光致刻蚀层在第一薄层上面。衬底的其余部分只被第一薄层覆盖着。光致刻蚀层的其余部分保护着下面的第一薄层，而未受保护的薄层可以用任何一种已知方法例如等离子蚀刻法除去。然后，再将光致刻蚀剂薄层除去，留下具有特定图形形状的第一薄层。
然后，将一光致刻蚀剂厚层施加在衬底和具有上述一定形状的第一薄层上。用预选波长带中的某一波长光对此光致刻蚀剂厚层进行曝光。光是从衬底投向光致刻蚀层背面的。这样，带图案的且对入射光不透明的第一薄层可以防止光到达覆盖在此带图案第一薄层上面的光致刻蚀剂厚层部分。在辐射和显影完成后，在衬底上留下的是位于第一第一薄层图案上的光致刻蚀剂厚层。第一薄层和覆盖在上面的光致刻蚀层的图案或者形状被选择成一种光导结构的形状。值得注意的是，该光致刻蚀剂材料应具有独特的性质，因为它必须既起光致刻蚀剂的作用，也起波导的作用。因此该材料必须具有较高的折射率，应是紫外激活或记录光的吸收体，而对红外信号光又是透明的。
像本发明第一个方面一样，对光致刻蚀剂的辐射也是按两个或多个交叉的干涉条纹图案的形式。光致刻蚀剂中只有那些接受一个以上条纹图案辐射的部分，其总辐射量才超过阈值。使用激光干涉仪来形成干涉条纹，并将条纹投射到光致刻蚀剂的顶面或底面上。底面是与衬底接触的表面。顶面与底面相对，且与底面基本平行。
一旦背面辐射结束后，将光致刻蚀剂厚层显影，在衬底上留下了光致刻蚀剂的由圆柱形孔(在另一实施方式中是柱体)组成的周期性阵列。光致刻蚀剂厚层留在对用来辐射光致刻蚀剂厚层的波长不透明的、具有一定形状的第一薄层上。所得的结构是一种含有波导腔或者波导路径可以通过的光子晶体。
厚和薄这两个词保留上述的同样意义。施加光致刻蚀剂材料的手段以及光致刻蚀剂与孔填充材料(如果填充的话)之间的相对介电常数也如上述。
掩模不透明部分的平视截面是从正上方观察时其不透明部分的形状，它在衬底上产生了具有基本上同样形状的、不透明的第一薄层，该形状可以是几种光导结构中的任何一种。例如，光导结构可以是通过光子晶体的波导路径。该路径可以有一个或多个折或弯。可以制成在光子晶体中有多个路径通过，这些路径排列成平面波导领域中已知的分光器或耦合器的形状。分光器或耦合器常以输入端的数目N和输出端的数目M来表征，其中N和M都是大于1的整数。例如，1×4耦合器具有一个光输入端和四个光输出端。
典型的单模波导路径宽度在0.7-20μm的范围，这里宽度是指限定波导路径边界的周期性特征第一边和第二边之间的最短距离。
为了在光子晶体中形成光阱或光腔，可用不透明掩模来形成一个缺陷，即对光子晶体中孔(柱体)的周期性阵列的周期性引入差别。引入这种缺陷的一个掩模实施例包括具有伸长形状的不透明掩模部分。这个长形的不透明部分中至少有一个一般为圆形的洞。长形掩模部分的宽度大于一个孔(柱体)的直径，但小于孔(柱体)直径的两倍。此整个长形掩模部分位于光子晶体内部。换言之，由施加掩模生成的并将进行剩余过程步骤的光致刻蚀剂厚层以光子晶体点阵为其所有的边界。长形掩模的长度尺寸沿一排孔(柱体)取向。然后，对其而言光子晶体为透明的光波长可以传播进入晶体。缺陷的尺寸，即具有圆形洞的长形光致刻蚀剂部分的尺寸，构成了一个周期性点阵，对于这个点阵，传播光的波长在带隙中。传播光被有效地陷在此缺陷位置处。
这样，就可以构成具有一些缺陷的光子晶体，这些缺陷能对在光子晶体带隙波长范围内的若干波长起限止作用。
用这个方法，可以设计并制出一些波导路径和光阱或光腔的组合，它们起无源光学器件的作用，可用于耦合、分光、滤光和多路复用。而采用这个新颖方法将多个无源器件叠合成堆，可以获得三维的光子晶体结构。
附图简述

图1是光子晶体的频率一波矢曲线图，图中示出不会在晶体中传播的最先三个区域或频带。
图2a和2b是两维光子晶体的两个例子，分别表示圆柱形孔的周期性阵列和圆柱体的周期性阵列。
图3示出了通过光子晶体的波导路径。
图4a、4b、4c和4d表示在光致刻蚀剂上叠加干涉条纹，以制造光子晶体。
图5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和5i示出了在光子晶体中产生一条波导路径的一系列光刻步骤，其最后步骤采用背面曝光技术。
图6是激光干涉仪的示意图。
图7示出了能将缺陷位点嵌入光子晶体中的平版印刷用的掩模。
图8是用本申请人的新颖方法制造的光子晶体的显微照片。
本发明详细描述一个周期性特征点阵，其间距为将与点阵相互作用的光的波长数量级，它被称为光子晶体，因为这种点阵的表现非常像可以反射X光波长的晶体原子点阵。光子点阵中的特征，即孔或柱状结构，有时称为“原子”。
能够使光子晶体在构成无源光学器件方面非常通用的光子晶体性质是，存在波长带隙。这种晶体能够透过第一波长范围的光，而反射另第二波长范围的光，那怕这两个波长范围相隔只有几个纳米。晶体基本上不透明的波长带称为带隙。光子晶体具有对应于入射光反射级数的带隙。图1是光频率对于光波矢的关系图，该图分别显示了容许频率(即晶体可透过的频率)以及第一、第二和第三带隙2、4和6。要注意的是，带隙的“级”随频率的增加而增加。如果需要在第一级带隙中有波长λ，特征周期就必须为λ/3左右。
关于光子晶体结构和性质的详细讨论，可阅《光子晶体》一书，Joannopouls等人著，1995年由新泽西州Princeton市的Princeton University Press出版。
提供类似于图1所示带隙的光子晶体的例子表示于图2a和2b中。图2a中，周期性特征是孔状开口8，图2b中是圆柱桩10。这两种实施方式具有基本上相同的作用，只要特征周期以及介电常数在特征与其邻近环境物质(分别为12和14)之间的反差是相同。图中表示这两种类型的光子晶体被衬底16的平坦表面支承着。
柱桩10的高度或者孔8的相应深度应大约为3μm至4μm，以便在1300—1600nm或更宽的800—1800nm波长范围内传播波导使用的一种单模。特征(柱桩或孔，或其他结构)的周期大约是0.5μm。较佳的高宽比是＞10，就是说，特征的直径或宽度大约为0.2-0.3μm。这些非常小尺寸要求使得构造光子晶体很困难。
但是下面将会看到，采用本发明提示的方法是行得通的。本发明人认为，改善干涉仪相对衬底的稳定性可使本发明的这种新颖方法提供能在第一带隙中使用的光子晶体。
图3显示了一种嵌入了波导路径22的光子晶体20。箭头24和26表示光在晶体中传播的可能方向。对孔8的周期性进行选择，以便能够反射投入波导路径22的波长带。在图3所示的波导路径中使用了直角转弯，这是为了着重说明光子晶体波导的一种不同寻常而有用的性质。因为光只能通过用箭头26和24表示的开口进入和离开，所以这个晶体引导光绕了一个急转弯，而不致产生多大的损失。损失的光只是因180°背反射而从投入口逸出的光。
用于这个方法的新颖原理在图4a-4d中获得了说明。图4a显示了具有光强极大28和极小30的的第一干涉图案。这个图案(通常称为干涉条纹图案)投射到图4d所示的覆盖在衬底36之平坦表面上的光致刻蚀剂34上。选择图案强度和光致刻蚀剂受图案曝光的时间，使得光致刻蚀剂所受的曝光量小于其阈值。示于图4b的第二干涉条纹图案分别具有极大28和极小30，该图案与图4a的条纹图案基本上相同，不同的是这两个图案相互转了个90°。如前一样，曝光的强度和持续时间也选择在低于光致刻蚀剂的阈值。然而，图4a和4b这两个条纹图案的曝光量的和却高于光致刻蚀剂的阈值。由这两个干涉条纹图案产生的曝光量的和示于图4c，该图显示了从两个干涉图案接受光的区域32。在这些区域32，两个干涉条纹图案互相重叠。当曝过光的光致刻蚀剂显影以后，在区域32就出现孔38。这就可以对紫外光(例如波长为460nm)敏感的光致刻蚀剂印制周期小至230nm的一些孔。条纹图案的聚焦深度远大于光致刻蚀剂的厚度。因此可以恰当地对一块较厚的(例如厚度为3-10μm)的光致刻蚀剂曝光。
图5a-5i显示在光子晶体中构成一个无源光学器件的一些步骤，用的是本发明的新颖方法，结合在掩模和衬底之间提供零间距的背面曝光技术。图5a显示一块涂有薄层材料的衬底40，该薄层材料对于将要对光致刻蚀剂曝光的光波长来说是不透明的。如图5b所示，在此不透明的薄层上施加一光致刻蚀剂薄层44。图5c中的掩模具有一部分48对于光致刻蚀剂的曝光波长不透明，如箭头50所示，将掩模置于光致刻蚀剂薄层44上。光致刻蚀剂经过显影产生图5d中的结构，在该结构中，除了部分52之外，不透明薄层42被曝光，其中部分52是由掩模部48所保护的光致刻蚀剂所覆盖的。将不透明薄层42蚀刻除去，留下裸露的衬底表面54和被保护的光致刻蚀剂部分52。然后，除去光致刻蚀剂，留下图5f所示的部分56，其形状为掩模48的不透明部分的形状。将示于图5g中的光致刻蚀剂厚层58施加在衬底和不透明薄层部分的上面。
将图5h中交叉的干涉条纹图案通过衬底投射到光致刻蚀剂的背面。衬底当然必须选为对曝光光波长至少是部分透明的。光致刻蚀剂的曝光强度和持续时间等条件如同上面叙述图4a-4d中的过程那样。应注意的是，不透明薄层部分56对于光致刻蚀剂厚层的背面来说(即与衬底和不透明薄层接触的那个面)是一个零间隙掩模。在经曝光的光致刻蚀剂显影以后，在图5i的衬底40上留下了由圆柱形孔62构成的光子晶体点阵，以及形状与不透明薄层部分56一样的未显影的光致刻蚀剂部分64。
在图5c所示的步骤中也可以使用另一种掩模的构型。为了在光子晶体中印上一个缺陷位点，将一特定光波长限止在该缺陷位点上，可以使用一个如图7所示的掩模46，该掩模46具有一长形的不透明部分66，而该部分66中还有一个透明部分68。该缺陷位点必需具有合适于支持一个模式的尺寸，即具有一个起共振腔作用的尺寸。
用来对光致刻蚀剂曝光的激光干涉仪是人们知道的。图6例示了一个用来将条纹通过衬底投射到光致刻蚀剂背面的简单且稳定干涉仪。来自激光器66的紫外光通过滤光器射到反射镜70上。此相干激光接着行进到分光器72，在此光被分成两束分别射到两个覆有镜面的棱镜74通过之。这两个光束通过衬底40，在光致刻蚀剂背面的光束会合处产生一组干涉条纹。条纹的聚焦深度应使整个厚度的光致刻蚀剂都受到曝光。
用上述方法制成的光子晶体的一张照片示于图8。孔的直径约为0.5μm，通过此光子晶体的波导路径宽度大约为8μm。图8上半部分的照片的放大倍数大约是下半部分照片的两倍。
实施例在一块边长75mm、厚3mm的正方形衬底上涂覆0.3μm的硅层。通过将电子束射到硅金属上，对硅进行蒸气沉积。然后，将衬底在Elertrotech(一个以英国为基地的公司)生产的Plasmafab 505 barrel asher中用氧气对其进行等离子体清洁处理。将购自Shipley Company的HMDS打底涂料(是六甲基二硅氮烷)蒸气沉积到衬底上，进行粘附性打底，然后以4200rpm的速率旋转涂覆1μm厚的Shipley S1813光致刻蚀剂。然后在90℃下烘烤30分钟，从光致刻蚀剂上除去溶剂。
在光致刻蚀剂上覆有铬掩模的条件下进行曝光。掩模上具有几根宽度为4—10μm的精细线条。在用Shipley Microposit 351显影剂对光致刻蚀剂显影后，在120℃下烘烤30分钟。
然后用一台Nextral(基地在法国的一个公司)公司的RIE等离子体蚀刻机将硅腐蚀除去。所用的腐蚀剂气体是功率设定在30瓦、压力设定在7毫乇的15 sccm SF6。用Shipley清除器将光致刻蚀剂薄层除去，然后再次用上述Plasmafab 505在氧等离子体中清洁衬底。再次，用HMDS蒸气涂覆对衬底打底，然后又以4500rpm速率对衬底旋转涂覆大约6μm厚的购自Hoechst Company的AZ4562光致刻蚀剂。继以在90℃下烘烤30分钟。然后，用图6所示的干涉仪装置从背面对光致刻蚀剂进行曝光。该装置中的氩离子激光器工作于458nm。最后，用Hoechst AZ351B显影剂对光致刻蚀剂进行显影。
所获得含有一个波导路径的光子晶体，采用一台Zygo扫描干涉显微镜、一台Olympus BH-2光学显微镜、一架Dektak 8000轮廓测定器，和一架ABT-55MEB(购自Akashi Beam Technology Corporation，Shinjuku NS Bdg(P.O.Box6131)2-4-1，Tokyo，163 Japan)进行观察和测量。
图8的SEM照片表明了本方法是可行的。还需要进一步工作来改善厚光致刻蚀剂的曝光和处理的技术。
本领域的技术人员应该理解，这里所述的本发明包括那些未实际描述但采用本发明原理的实施方式。例如，可以采用一种负光致刻蚀剂材料和顶面曝光的方法。
尽管在前面已对本发明的一些特定实施方式进行了揭示和描述，但本发明的范围只受以下权利要求书的限制。
权利要求
1.一种制造光子晶体的方法，该方法先在衬底的一个基本上平坦的表面上涂以光致刻蚀剂厚层，该光致刻蚀层对于一选定的波长带来说一般是透明的，并且具有一介电常数，一曝光阈值，以及一个平行于衬底平坦表面的顶表面，其特征在于，所述方法包括以下步骤a)将具有平行条纹的第一干涉图案投射在光致刻蚀剂顶面上一段预定的时间，所述平等条纹位于光致刻蚀剂顶面的平面内，所述条纹具有预选的强度、宽度和间隔，预选时间和条纹强度经选择，可以提供小于光致刻蚀剂曝光阈值的曝光量，所述干涉图案是由一个激光干涉仪产生的，所述激光具有一个光致刻蚀剂至少呈部分透明的波长；b)至少将具有平行条纹的第二干涉图案投射到光致刻蚀剂的顶面上一段预定的时间，所述条纹具有预选的强度、宽度和间距，所述预选时间和条纹强度经选择，可以提供小于光致刻蚀剂曝光阈值的曝光量，其中所述干涉图案是由一个激光干涉仪产生的，所述激光具有一个光致刻蚀剂至少呈部分透明的波长，在光致刻蚀剂的至少部分表面上，第一干涉图案的条纹与至少第二干涉图案的条纹相交，在相交条纹之间形成一预选夹角，并且由第一和至少第二干涉条纹图案提供的曝光量的和大于光致刻蚀剂的曝光阈值；c)对光致刻蚀剂显影，除去光致刻蚀剂上所受曝光量超过阈值的那些部分，在第一和第二干涉图案相交的表面部分上，形成一个光致刻蚀剂材料对称突起的周期性阵列。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述突起的高宽比≥3。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制造步骤a)包括一种光致刻蚀剂施涂方法，所述施涂方法选自旋转涂覆、浸渍涂覆、弯月面涂覆和干式等离子体涂覆。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包围在每个所述突起周围的体积部分由第一介电常数表征，而光致刻蚀剂突起部分由第二介电常数表征，且第二介电常数至少是第一介电常数的4倍。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用两个干涉图案，并且第一和第二干涉图案的条纹宽度和间距基本上相等，且经选择，能够提供一个周期性阵列，其周期在0.1λi-1.0λi范围内，其中λi是光致刻蚀剂通常呈透明的波长带。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，光致刻蚀剂通常呈透明的波长带在大约1300-1600nm的范围。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述夹角接近90°。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉图案是先后投射到光致刻蚀剂上的。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉图案是同时投射到光致刻蚀剂上的。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光致刻蚀层的厚度是3-10μm范围。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用三个干涉图案，且第一、第二和第三干涉图案的条纹宽度和间距基本上相同，任何两根相交条纹的较小夹角是60°，使得在显影步骤后提供一个呈六方周期性的光致刻蚀剂突起。
12.一种使用权利要求1所述方法制造的光子晶体。
13.一种用权利要求1所述方法制造的至少两个光子晶体所形成的垂直堆叠，其特征在于，使光致刻蚀剂突起垂直对准。
14.一种在光子晶体中制造无源光学器件的方法，其特征在于，所述包括以下步骤在衬底上沉积一薄的材料层，所述衬底具有一个平坦表面并至少对一个预选的波长带部分透明，所述薄的涂覆材料基本上平坦，并覆盖在衬底的平坦表面上，而且对所述预选波长带中的一种波长光透明；在所述不透明的材料薄层上施涂一层光致刻蚀剂材料的薄涂层，所述光致刻蚀剂材料对所述预选波长带中一种波长光敏感；在所述光致刻蚀剂材料上覆盖一掩模，所述掩模具有对所述预选波长带中的一种波长光分别透明和不透明的部分，不透明的掩模部分具有与一种光导结构的平视截面相当的形状和尺寸；用所述预选波长带中的一种波长光对所述光致刻蚀剂材料曝光；对所述光致刻蚀剂材料进行显影，除去光致刻蚀剂材料上经曝光的部分，在所述不透明的材料薄层上留下一部分具有光导结构之平视截面的光致刻蚀剂材料；将在显影步骤中显露出的不透明的薄层材料部分腐蚀掉，在衬底上留下由具有光导结构之平视截面的光致刻蚀剂材料薄层所覆盖的不透明薄层材料；除去光致刻蚀剂薄层，在衬底上留下具有光导结构之平视截面的不透明薄层材料；所述方法还包括如下步骤a)在衬底和不透明材料薄层上施涂一层光致刻蚀剂厚层，其与衬底相邻，而不透明材料薄层位于所述光致刻蚀剂厚层的背面；b)将条纹平行的第一干涉图案投射通过衬底并射到光致刻蚀剂厚层的背面上一段预选的时间，所述平行条纹位于光致刻蚀剂厚层背表面的平面上，所述条纹具有预选的强度、宽度和间距，预选时间和条纹强度经选择，可以提供小于光致刻蚀剂厚层曝光阈值的曝光量，所述干涉图案是由一激光干涉仪产生的，所述激光具有衬底和光致刻蚀剂至少呈部分透明的波长；c)至少将具有平行条纹的第二干涉图案投射到光致刻蚀剂厚层的背面上一段预选的时间，所述条纹具有预选的强度、宽度和间距，所述预选时间和条纹强度经选择，可以提供小于光致刻蚀剂曝光阈值的曝光量，所述干涉图案是由一激光干涉仪产生的，所述激光具有衬底和光致刻蚀剂厚层至少呈部分透明的波长，在光致刻蚀剂表面的至少一部分平面上，第一干涉图案的条纹与至少第二干涉图案的条纹相交，形成一预选夹角，并且由第一和至少第二干涉条纹图案提供的曝光量的和大于光致刻蚀剂厚层的曝光阈值；d)对光致刻蚀剂厚度进行显影，除去光致刻蚀剂厚层上所受曝光量超过阈值的那些部分，在衬底上留下一周期性阵列，该阵列由间隔对称的普通圆柱形孔组成，位于覆盖在衬底上的厚层光致刻蚀剂材料部分中，孔出现在第一和第二组条纹相交的地方，并在阻挡曝光的不透明材料薄层上留下一光致刻蚀剂厚层。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蚀剂薄层的厚度≤1.0μm。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蚀剂厚层的厚度在3-10μm范围。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，施加或涂覆光致刻蚀剂材料的步骤b)和h)包括一种施涂方法，该方法选自旋转涂覆、浸渍涂覆、弯月面涂覆和干式等离子体涂覆。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蚀剂厚层用第一介电常数来表征，而孔用第二介电常数来表征，第一介电常数至少是第二介电常数的4倍。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤c)中不透明掩模部分的平视截面具有一个波导结构的形状和大小，该波导结构至少具有第一端和第二端，而至少第一和第二端分别与光子晶体外面的区域连接。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤c)中不透明掩模部分的平视截面具有第一边和第二边，所述第一和第二边由光子晶体限定，第一边和第二边之间的最短距离在0.7-20μm范围。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤c)中不透明掩模部分的平视截面是一个NXM分光器或耦合器，其中N和M是大于或等于1的整数。
22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤c)中不透明掩模部分的平视截面是细长段，该细长段具有一长度和一宽度，以及至少一个通常为圆形的洞，所述细长段的宽度大于一个孔的直径但小于或等于孔直径的两倍，所述细长段的长度和宽度安排在光子晶体内，所述细长段的长度方向沿光子晶体的一排孔取向。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，孔的高宽比≥3。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，使用两个干涉图案，并且第一和第二干涉图案的条纹宽度和条纹间距基本上相等，且经选择，可以提供一个周期性阵列，其周期在0.1λi-1.0λi，λi是光致刻蚀剂一般呈透明的波长带。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，光致刻蚀剂一般呈透明的波长带在1300—1600nm范围。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述夹角接近90°。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉图案是先后投射到光致刻蚀剂上的。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉图案是同时投射到光致刻蚀剂上的。
29.如权利要求14所述的方法，其特征在于，使用三个干涉图案，且第一、第二和第三干涉图案的条纹宽度和间距基本相等，在任何两个相交条纹之间的较小夹角是120°，从而在显影步骤后提供一个具有六方周期性的光致刻蚀剂突起。
30.一种在用权利要求14所述方法制造的光子晶体中的无源或有源光学器件。
31.一种由至少两个无源光学器件组成的垂直堆叠，其特征在于，所述至少两个无源光学器件在用权利要求14的方法制造的光子晶体中，并且光致刻蚀剂突起是垂直对准的。
全文摘要
通过先后或同时进行两次干涉曝光来制造交叉光栅光子晶体的方法。该方法用光刻法形成一个在原位的掩蔽元件,用光掩模(46)让置于不透明膜(42)上面的光致刻蚀剂(44)曝光,并将带图案的光致刻蚀剂(52)用作掩模,腐蚀掉金属层,在衬底(40)上形成带图形的金属膜(56),由此形成带图案的交叉光栅光子晶体。然后,对带图案的金属膜涂以第二光致刻蚀剂(58),通过衬底(40)的背面对两个同时投射的干涉图案(60)对其曝光,然后显影生成图5I所示的图案。所得的制品可以用作波导、耦合器、分束器和波分复用器。
文档编号G03F7/20GK1329727SQ9981405
公开日2002年1月2日 申请日期1999年6月2日 优先权日1998年6月8日
发明者J·－C·科特伏特, B·达赫马尼, C·伦瓦泽 申请人:康宁股份有限公司