专利名称：一种三维光子晶体制备方法
技术领域：
本发明属于半导体制备技术领域，涉及光子晶体的制备方法，具体涉及一种三维
光子晶体制备方法。
背景技术：
与电子相比，光子具有更快的速度，且几乎没有相互作用，随着纳米尺度下电子器件集成化的难度越来越大，基于光子运动的光子器件，特别是光子晶体这种可控制光子运动的新结构材料的出现，给人们带来了克服"电子瓶颈"的希望。由于光子晶体在自辐射抑制、波导及集成光路等方面的潜在优势，人们期望把它广泛应用于未来的光电集成器件，以便生产出更小尺寸、更高集成度和更快处理速度的产品。 光子晶体时介电常数不同的两种材料在空间按照一定的周期排列所形成的一种人造"晶体"结构。光子晶体中介电常数是空间的周期函数，与半导体材料中的电子在周期性势场作用下存在能带相类似，光子晶体也具有光子能带以及带隙，当光的频率位于光子带隙范围内时，将不能在光子晶体中传播。由于光子带隙的存在，产生了许多崭新的物理性质，使其可被用于制备高性能的激光器、高质量的选频器、高性能的反射镜等光电子与集成光电子器件，还可用于制作集成光路的超小型光学元件及光传输处理期间等，其广阔的应用前景使光子晶体成为当今世界的一个研究热点。光子晶体分为以为、二维和三维光子晶体，只有三位光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，三维光子晶体具有更普遍的实用性。 目前三维光子晶体的制备方法主要有以下几类机械加工法、逐层叠加法、胶体自组织法和多光束干涉法。其中，机械加工法费时费力，手段较为粗糙，只是在早期尝试中采用；逐层叠加法使用了较为成熟的半导体技术，是制备光子晶体的核心方法之一，然而该方法在制备大面积光子晶体时有很大困难，且该方法成本太高，耗时过长；胶体自组织法也是目前制备光子晶体常用的手段之一，其技术工艺相对简单，可用材料广泛，在制备大周期光子晶体时有着无可比拟的优势，但其可形成的晶格结构不多，难以避免多晶产生以及层间错位和结构坍塌等；多光束干涉法是制备光子晶体的另一种新手段，其通过曝光形成周期结构，既可以产生大量的周期，同时也保证了结构均匀性，通过控制激光束的入射角、光束强度、偏振方向及相位，可为设计晶格结构类型提供更多的自由度，但目前适合的全息记录材料有限，尚没有制备成实用化的近红外三维光子晶体，且多光束干涉法并不能制造所有结构的三维光子晶体。 随着集成光路的发展以及光子器件与电子器件的有效集成，采用与半导体工艺完全兼容的方法制备通讯波段三维光子晶体刻不容缓。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三维光子晶体制备方法，以适于制备大面积的三维光子晶体，可应用于光通讯领域的近红外波段，且该制备方法与半导体工艺完全兼容。
为解决上述技术问题，本发明提供的三维光子晶体制备方法利用二氧化硅或氮化
硅作为掩模层，通过离子注入方法将掩模层上的条状图形转移到硅衬底材料内，在硅衬底内形成二氧化硅长条状结构，接着再外延单晶硅并平坦化外延层表面，沉积掩模层、光刻刻
蚀、离子注入并退火等形成第二层二氧化硅长条状结构，重复上述步骤，直至构建完成设计所需的三维光子晶体结构。 本发明提供的三维光子晶体制备方法采用离子注入方法实现，包括以下步骤
1)提供一硅衬底； 2)在所述硅衬底表面淀积一掩模层，并涂布光刻胶，光刻，将所述掩模层刻蚀为所需图形； 3)进行氧离子注入并退火，实现掩模转移，根据光刻之后的所需图形，在该硅衬底内形成第一层二氧化硅结构； 4)去除所述掩模层，在所述硅衬底表面外延单晶硅，并平坦化所述外延衬底表面； 5)将所述硅衬底基片顺时针旋转m度夹角，(T <m《90° ，重复步骤2)至4)，制备第二层二氧化硅结构； 6)将步骤5)得到的硅衬底基片逆时针旋转m度夹角，重复步骤2)至4)制备奇数层二氧化硅结构； 7)将步骤6)得到的硅衬底基片再顺时针旋转m度夹角，重复步骤2)至4)制备偶数层二氧化硅结构； 8)重复步骤6)和7)n次，直至完成最后一层二氧化硅结构后，去除掩模层。
本发明提供的三维光子晶体制备方法中，掩模层为二氧化硅层或氮化硅层或二者的组合，制备得到的所述二氧化硅结构的周期为0. 4 2微米，占宽比为0. 35 0. 65。
本发明提供的三维光子晶体制备方法中，步骤3)中氧离子注入剂量为2 10E17cn^，注入能量为150 200KeV，退火温度为1300-1400°C ，制备形成的二氧化硅结构厚度H为0. 2 0. 4微米；步骤4)中外延衬底表面的平坦化采用化学机械抛光方法实现。
本发明提供的三维光子晶体制备方法中，任意相邻所述奇数层二氧化硅结构与所述偶数层二氧化硅结构的间隔为0. 1 1微米。作为最佳技术方案，步骤(8)中最后一层二氧化硅结构制备完成后，去除掩模层，无需再次外延单晶硅。 本发明的技术效果是，采用一种全新的三维光子晶体制备方法构建通讯波段(近红外波段，A " 1550nm)三维光子晶体，该方法利用了半导体工艺中最常用的离子注入方法，与半导体工艺完全兼容，可以制备大面积的三维光子晶体，并可根据需要切割成较小尺寸，具有高效、低成本的优势，在光电集成器件中，具有广泛的应用前景。
图1为本发明提供的三维光子晶体制备方法流程图； 图2a 图2h为本发明提供的三维光子晶体制备方法工艺步骤示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步
4的详细描述。 如图1至图2h所示，本具体实施方式
提供的三维光子晶体制备方法包括以下步骤 步骤一，提供一硅衬底210。 该步骤中，硅衬底210为单晶硅，其晶向为(100)或(110)或(lll)，无厚度限制。
步骤二，在硅衬底210表面淀积一掩模层220，并涂布光刻胶，光刻刻蚀将掩模层图形化。 该步骤中，掩模层220为二氧化硅层或氮化硅层或二者的组合，掩模层220厚度通常为0. 5 1微米，作为最佳技术方案，掩模层220为二氧化硅层，通过热氧化生长或化学气象淀积(CVD)方法沉积。掩模层220表面涂布光刻胶，经光刻刻蚀将掩模层220图形化，并清洗去胶。该步骤中，掩模层220的刻蚀采用湿法腐蚀或干法刻蚀实现，常用的干法刻蚀方法为等离子体刻蚀。图2a为掩模层220图形化后的剖面结构示意图，如图2a所示，在掩模层220表面开矩形窗口至暴露出硅衬底210表面。本实施例优选的为长方形。
步骤三，进行氧离子注入并退火，实现掩模转移，在硅衬底210内形成第一层二氧化硅条状结构201。 该步骤中，氧离子注入剂量为2 10E17cm—2，注入能量为150 200KeV，退火温度为1300-140(TC，本实施例中优选的退火温度为1350°C。如图2b所示，在掩模层220表面开长方形窗口至暴露出硅衬底210表面，退火过程中氧离子的扩散，离子注入形成的二氧化硅结构201为六棱柱，其厚度H为0. 2 0. 4微米。 步骤四，去除掩模层220，在硅衬底210表面外延单晶硅230，并平坦化外延衬底表面。 该步骤中，掩模层220的去除采用湿法腐蚀方法。去除掩模层220后即得到完整的位于硅衬底210内第一层二氧化硅结构201，该二氧化硅结构201的深度与氧离子注入能量有关，作为最佳技术方案，二氧化硅结构201为六棱柱，其深度(指的是单晶硅230表面到二氧化硅六棱柱上表面的深度)为0. 1 0. 2微米，其剖面结构如图2c所示，图2d为第一层二氧化硅结构201立体结构示意图，二氧化硅结构201周期为0. 4 2微米，占宽比为0. 35 0. 65。 该步骤中，如图2e所示，采用外延方法在硅衬底210表面生长一单晶硅外延层230，该单晶硅外延层230厚度为0. 1 1微米，其表面采用化学机械抛光(CMP)方法进行平坦化。 步骤五，将硅衬底210基片顺时针旋转m度夹角，0。 < m《90° 。本实施例中优选90度，重复步骤二至步骤四，制备第二层二氧化硅条状结构202。 该步骤中，其去除掩模层220后剖面结构示意图如图2f所示，图2g为第二层二氧化硅结构202制备完成后立体结构示意图，如图2f及图2g所示，制备得到的第二层二氧化硅结构202在水平面上与第一层二氧化硅结构201垂直，且第一层二氧化硅结构201与第二层二氧化硅结构202在垂直方向上间隔距离0. 1 1微米。本具体实施方式
中，二氧化硅结构202的周期及占宽比与第一层二氧化硅条状结构201 —致，分别为0. 4 2微米和0. 35 0. 65。 步骤六，将步骤五得到的硅衬底210基片逆时针旋转90度至原位，重复步骤二至步骤四，制备奇数层二氧化硅结构201。 步骤七，将步骤六得到的硅衬底210基片再顺时针旋转90度，重复步骤二至步骤四，制备偶数层二氧化硅条状结构202。 图2h为步骤七完成后得到的三维光子晶体立体结构示意图，其中，图2h-l为步骤七完成后得到的三维光子晶体立体结构透视图，图2h-2为步骤七完成后得到的三维光子晶体立体结构表面示意图。 如图2h所示，相邻两奇数层之间相差1/2个周期，相邻两偶数层之间也相差1/2个周期。 步骤八，重复步骤六和步骤七，直至完成所有层的制备。 该步骤中，最后一层二氧化硅条状结构制备完成后，去除掩模层，无需再次外延单晶硅。 本发明中涉及的其他工艺条件和步骤为常规工艺，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。 上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
一种三维光子晶体制备方法，采用离子注入方法实现，其特征在于，包括以下步骤1)提供一硅衬底；2)在所述硅衬底表面淀积一掩模层，并涂布光刻胶，光刻，将所述掩模层刻蚀为所需图形；3)进行氧离子注入并退火，实现掩模转移，根据光刻之后的所需图形，在该硅衬底内形成第一层二氧化硅结构；4)去除所述掩模层，在所述硅衬底表面外延单晶硅，并平坦化所述外延衬底表面；5)将所述硅衬底基片顺时针旋转m度夹角，0°＜m≤90°，重复步骤2)至4)，制备第二层二氧化硅结构；6)将步骤5)得到的硅衬底基片逆时针旋转m度夹角，重复步骤2)至4)制备奇数层二氧化硅结构；7)将步骤6)得到的硅衬底基片再顺时针旋转m度夹角，重复步骤2)至4)制备偶数层二氧化硅结构；8)重复步骤6)和7)n次，直至完成最后一层二氧化硅结构后，去除掩模层。
2. 根据权利要求1所述的三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述步骤2)中光刻之后的所需图形为长方形。
3. 根据权利要求2所处的三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述m为90度。
4. 根据权利要求2或3所述的三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，氧离子注入剂量为2 10E17cm—2，注入能量为150 200KeV，退火温度为1300-1400°C。
5. 根据权利要求4所述的三维光子晶体制备方法，其特征在于，步骤3)中制备形成的二氧化硅结构为六棱柱，所述六棱柱厚度H为0. 2 0. 4微米。
6. 根据权利要求1所述的间相差1/2个周期。
7. 根据权利要求1所述的间相差1/2个周期。
8. 根据权利要求1所述的硅层或氮化硅层或二者的组合。
9. 根据权利要求1所述的周期为0. 4 2微米，占宽比为0. 35 0. 65。
10. 根据权利要求1所述的三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述外延衬底表面的平坦化采用化学机械抛光方法实现。
11. 根据权利要求1所处的三维光子晶体制备方法，其特征在于，任意相邻所述奇数层二氧化硅结构与所述偶数层二氧化硅结构的间隔为0. 1 1微米。三维光子晶体制备方法，其特征在于所述相邻两奇数层之三维光子晶体制备方法，其特征在于所述相邻两偶数层之三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述掩模层为二氧化三维光子晶体制备方法，其特征在于，所述二氧化硅结构的
全文摘要
一种三维光子晶体制备方法，利用二氧化硅或氮化硅作为掩模层，通过氧离子注入方法将掩模层上的所需图形转移到硅衬底材料内，在硅衬底内形成第一层二氧化硅结构，接着再外延单晶硅并平坦化外延层表面，沉积掩模层、光刻刻蚀、氧离子注入并退火等形成第二层二氧化硅结构，重复上述步骤n次，直至构建完成设计所需的三维光子晶体结构。该方法与半导体工艺完全兼容，可以制备大面积的三维光子晶体，并可根据需要切割成较小尺寸，具有高效、低成本的优势，在光电集成器件中，具有广泛的应用前景。
文档编号C30B29/00GK101724909SQ20091020012
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者杨志峰, 武爱民, 王曦, 魏星 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所;上海新傲科技股份有限公司