专利名称：基于soi材料的悬空谐振光子器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件及其制备方法，属于信息材料及器件技术领域。
背景技术：
绝缘体上的硅(silicon-on-insulator)是一种新型的硅基功能光电子材料。目前，商用的SOI晶片可以实现从数十纳米到数百微米的高质量的顶层硅器件，为开展SOI 材料光子器件提供了可靠的材料基础。从光学性能来看，Si和SiO2或空气之间的大的折射率差异，SOI微纳光子器件对光场有很强的限制作用，可以实现高密度集成的光子器件， 为小型化高密度的硅基微纳光子器件提供了物理基础，同时，悬空的硅基光子器件对光场有更强的限制作用并具备了空间自由度，为引入微机电驱动调节光子器件的结构参数提供了可能。通过微机电驱动器，实现对光子器件的调制，控制光子器件的光学性能，可以进一步研究光子和纳米结构的相互作用等物理问题。此外，SOI光子器件制备工艺与硅微电子标准CMOS工艺有良好的兼容性，可以大幅度降低成本，并实现与硅基微电子器件的单片集成，SOI基光子集成技术是实现高密度光子集成的关键，各种新技术、新器件层出不穷，预示着一个崭新的硅基光子时代的到来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现光波与悬空光子器件的交互作用，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件的基于SOI材料悬空谐振光子器件及其制备方法。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案本发明设计了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件，实现载体为SOI晶片，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，其中
所述硅衬底层具有一个贯穿至所述氧化埋层下表面的长方体空腔； 所述顶层硅器件层位于空腔上方的部分具有纳米光子器件结构。作为本发明的一种优化结构所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。作为本发明的一种优化结构所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。作为本发明的一种优化结构所述氧化埋层的材质为Si02。本发明还设计了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选择SOI晶片为实现载体，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，包括如下步骤
步骤(1)在所述SOI晶片的顶层硅器件层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层； 步骤(2)通过电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构； 步骤(3)利用氮化物刻蚀技术将步骤(2)中的纳米光子器件结构转移到所述顶层硅器件层；步骤(4):在所述顶层硅器件层上表面再次旋涂一层用于保护步骤(3)中转移到顶层硅器件层的纳米光子器件结构的光刻胶；
步骤(5)在所述SOI晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准工艺， 在所述硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个与所述顶层硅器件层具有纳米光子器件结构的部分对应的刻蚀窗口；
步骤(6):将所述氧化埋层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺将所述硅衬底层贯穿刻蚀至氧化埋层的下表面，形成一个长方体的空腔；
步骤(7)利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶层。作为本发明的一种优化方法还包括如下处理
步骤(8)通过BHF或Vapor HF技术，将位于步骤(6)中所述空腔上部的氧化埋层去除。作为本发明的一种优化方法所述步骤(2)中的纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。作为本发明的一种优化方法所述步骤(2)中的纳米光子器件结构为线形光栅结构。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
1.本发明利用光子器件材料和空间介质的大折射率差，实现了光波与悬空光子器件的交互作用，利用其结构上的对称性，悬空圆形光栅和二维光子晶体可以发展于偏振不敏感性光学元件，而悬空线形光栅可以用作偏振依赖性光学器件；
2.本发明所设计的基于SOI材料的悬空谐振光子器件具有优良的光学性能，可以用作滤光器件、高反射率介质微镜以及光传感器件，其制备技术便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。
图1是基于SOI材料的悬空谐振光子器件结构简图(a)单层硅谐振光子器件； (b)双层Si/SiA谐振光子器件。图2是基于SOI材料的悬空谐振光子器件制备工艺流程图。图3是悬空单层硅谐振圆形光栅器件。图4是悬空单层硅谐振线形光栅器件。图5是从硅衬底层观察悬空光子器件效果图。图6是悬空单层硅谐振光子晶体器件。图7是单层硅谐振光子晶体器件的模拟与实验结果。图8是双层Si/SiA谐振光子晶体器件的模拟与实验结果。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
如图1所示，本发明设计了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件，实现载体为SOI晶片，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，其中
所述硅衬底层具有一个贯穿至所述氧化埋层下表面的长方体空腔；所述顶层硅器件层位于空腔上方的部分具有纳米光子器件结构。图5所示为从硅衬底层观察悬空光子器件效果图。作为本发明的一种优化结构所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。图3所示为悬空单层硅谐振圆形光栅器件。作为本发明的一种优化结构所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。图4所示为悬空单层硅谐振线形光栅器件。利用线性光栅结构，可以实现偏振依赖性滤光器件和高反射率微镜；
利用圆形光栅和二维光子晶体的结构对称性，可以实现偏振不敏感的谐振光子器件。图6所示为悬空单层硅谐振光子晶体器件。作为本发明的一种优化结构所述氧化埋层的材质为Si02。如图2所示，本发明还设计了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法， 选择SOI晶片为实现载体，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，包括如下步骤
步骤(1)在所述SOI晶片的顶层硅器件层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层； 步骤(2)通过电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构； 步骤(3):利用氮化物刻蚀技术将步骤(2)中的纳米光子器件结构转移到所述顶层硅器件层；
步骤(4):在所述顶层硅器件层上表面再次旋涂一层用于保护步骤(3)中转移到顶层硅器件层的纳米光子器件结构的光刻胶；
步骤(5)在所述SOI晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准工艺， 在所述硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个与所述顶层硅器件层具有纳米光子器件结构的部分对应的刻蚀窗口；
步骤(6):将所述氧化埋层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀工艺将所述硅衬底层贯穿刻蚀至氧化埋层的下表面，形成一个长方体的空腔；
步骤(7)利用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶层。作为本发明的一种优化方法还包括如下处理
步骤(8)通过BHF或Vapor HF技术，将位于步骤(6)中所述空腔上部的氧化埋层去除。作为本发明的一种优化方法所述步骤(2)中的纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。作为本发明的一种优化方法所述步骤(2)中的纳米光子器件结构为线形光栅结构。图7是单层硅谐振光子晶体器件的模拟与实验结果。图8是双层Si/SiA谐振光子晶体器件的模拟与实验结果。
权利要求
1.一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件，实现载体为SOI晶片，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，其特征在于所述硅衬底层具有一个贯穿至所述氧化埋层下表面的长方体空腔；所述顶层硅器件层位于空腔上方的部分具有纳米光子器件结构。
2.根据权利要求1所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件，其特征在于所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
3.根据权利要求1所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件，其特征在于所述纳米光子器件结构为线形光栅结构。
4.根据权利要求1所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件，其特征在于所述氧化埋层的材质为SiO2。
5.一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，选择SOI晶片为实现载体，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，其特征在于包括如下步骤步骤(1)在所述SOI晶片的顶层硅器件层的上表面旋涂一层电子束光刻胶层；步骤(2)采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义纳米光子器件结构；步骤(3 )采用氮化物刻蚀技术将步骤(2 )中的纳米光子器件结构转移到所述顶层硅器件层；步骤(4):在所述顶层硅器件层上表面再次旋涂一层用于保护步骤(3)中转移到顶层硅器件层的纳米光子器件结构的光刻胶；步骤(5)在所述SOI晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，采用背后对准工艺， 在所述硅衬底层下表面的光刻胶层打开一个与所述顶层硅器件层具有纳米光子器件结构的部分对应的刻蚀窗口；步骤(6):将所述氧化埋层作为刻蚀阻挡层，采用深硅刻蚀工艺将所述硅衬底层贯穿刻蚀至氧化埋层的下表面，形成一个长方体的空腔；步骤(7)采用氧气等离子灰化方法去除残余的光刻胶层。
6.根据权利要求5所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于还包括如下处理步骤(8)采用BHF或Vapor HF技术，将位于步骤(6)中所述空腔上部的氧化埋层去除。
7.根据权利要求5所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于 所述步骤(2 )中的纳米光子器件结构为圆形光栅结构或二维光子晶体结构。
8.根据权利要求5所述的基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于 所述步骤(2)中的纳米光子器件结构为线形光栅结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件及其制备方法，实现载体为SOI晶片，从上到下依次包括顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，所述硅衬底层具有一个贯穿至所述氧化埋层下表面的长方体空腔；所述顶层硅器件层位于空腔上方的部分具有纳米光子器件结构。本发明还公开了一种基于SOI材料的悬空谐振光子器件的制备方法。本发明所设计的基于SOI材料的悬空谐振光子器件及其制作方法能够实现光波与悬空光子器件的交互作用，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。
文档编号H01S5/50GK102570312SQ20111044160
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者朱洪波, 王永进 申请人:南京邮电大学