一种在平面光波导表面制备微纳结构的方法与流程

本发明属于平面光波导器件技术领域，具体涉及一种在平面光波导表面制备微纳结构的方法，尤其涉及一种利用掩膜和微纳米球在平面光波导表面制备微纳结构的方法。

背景技术：

光通信器件的发展借助集成光路技术得以走向集成化、微型化，至今已有半个世纪。集成光路技术也称平面光波导技术，其在一块小小的光学衬底上就能实现光信号的各种传播及处理功能，相较于集成电路，集成光路拥有强大的抗电磁干扰能力，对信息的处理速度更快、开关响应速度更高。近年来，信息化社会发展迅速，网络流量呈爆发式增长，对集成光路高容量、高速率、高智能的需求也愈加迫切，为满足这一点，平面光波导器件的集成度亟需进一步提高、光学功能也应更加丰富，于是人们将目光投向光学性能优异、功能丰富的微纳结构，将微纳结构做到波导上去，赋予集成光路器件更高的内涵。

相比于纯波导结构，带有微纳结构的波导拥有更高的集成度，还能拥有更加丰富的功能，如拉曼信号检测、生物化学传感、光开关、光镊等，如今已成为国内外研究的热点。然而在波导上制备微纳结构，目前还主要采取聚焦离子束刻蚀(fib)、电子束曝光(ebl)等方式来实现，这些技术的工艺设备都相当昂贵，且在加工方式上均采用逐点扫描的方式，当结构复杂或面积较大时工作效率极低。另一方面，微纳米球刻蚀技术，作为一种低成本、灵活易操作的技术，一出现就受到广大研究者的热烈欢迎，以球做掩膜，可实现大面积的三角形、圆孔、圆环、圆盘、月牙等微纳阵列结构的制备，然而其本身却有走向不稳定、随机性缺陷、可重复性差等缺点，如何将它准确地码在波导上，是一个非常值得考究的问题。

因此，需要寻找一种经济实惠、耗时短、使用灵活、稳定可靠的方法在平面光波导表面批量制备出多种微纳结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在平面光波导表面制备微纳结构的方法，该方法利用掩膜和微纳米球在平面光波导表面制备微纳结构，经济实惠、耗时短、使用灵活、稳定可靠，可实现批量化生产。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种在平面光波导表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：

(1)选取表面具有凸起平面光波导的基片，在所述基片的表面上设置光刻胶；

(2)利用掩膜对所述凸起平面光波导上的光刻胶进行局部曝光，在所述凸起平面光波导上形成曝光窗口，并对所述曝光窗口显影；

(3)在显影后的基片上设置微纳米球；

(4)在设有微纳米球的基片上设置材料薄膜；

(5)去除曝光窗口区域上的微纳米球，在所述微纳米球之间的空隙处形成材料薄膜，即构成所述平面光波导表面的微纳结构。

在上述在平面光波导表面制备微纳结构中：

优选的，步骤(1)中所述平面光波导基片可以为绝缘体上的硅(silicon-on-insulator，soi)、玻璃/二氧化硅(quartz/silica/sio2)、铌酸锂(linbo3)、iii-v族半导体化合物(如inp(磷化铟)，gaas(砷化镓)等)、氮氧化硅(sion)、高分子聚合物(polymer)等拥有凸起光波导通道的平面光波导器件。

优选的，所述平面光波导至少为一个。

优选的，所述平面光波导的宽度为0.1～10μm，高度为0.1～10μm。

优选的，所述基片使用前，需要经过清洗和疏水处理。

由于重力等因素，凸起的平面光波导通道上的光刻胶的厚度将比未设置平面光波导区域的光刻胶的厚度薄。即步骤(1)中所述平面光波导上光刻胶的厚度小于所述基片上未设置平面光波导区域光刻胶的厚度。

优选的，步骤(1)中所述正性光刻胶在未设置平面光波导区域的厚度是平面光波导高度的1～10倍。

优选的，步骤(1)中所述光刻胶为正性光刻胶。如ar-p3740光刻胶、az5214e等。

优选的，步骤(1)中可以采用旋涂等方法在所述基片上设置一层光刻胶。

优选的，步骤(2)中所述掩膜为具有窗口的掩膜，可以是普通的掩膜板，掩膜窗口大小不受限制。

利用掩膜对所述凸起平面光波导上的光刻胶进行局部曝光时，紫外激光可以通过掩膜上的窗口照射到所述凸起平面光波导的光刻胶上形成曝光窗口，通过调整曝光剂量，从而使曝光窗口处的光刻胶曝光，而其它区域的曝光强度则低于该区域的曝光强度或无曝光，从而在后续的显影中光刻胶不能被完全去除或不被去除，而曝光窗口处的光刻胶被完全显影而去除。

作为其中的一种优选的实施方式，所述掩膜可以是在石英玻璃上镀上金属铬的图形形成具有窗口的掩膜结构。

当然，掩膜也可以采用其它结构，只要能使紫外激光透过掩膜照射到所述凸起平面光波导的光刻胶上形成曝光窗口即可。

作为本发明的一种优选的技术方案，可以将掩膜与平面光波导相垂直或者具有一定的角度交叉设置，此时，所述掩膜与所述平面光波导具有交叉或重叠部分，将该交叉或重叠部分设置为掩膜窗口时，激光即可从此通过使光刻胶被曝光。

此时，优选的，步骤(2)中所述曝光窗口的大小主要由掩膜窗口与平面光波导的重叠部分(交叉部分)确定。

掩膜上的窗口大小可以根据所需曝光窗口大小进行调整。

作为本发明一种优选的实施方式，所述掩膜为具有狭缝窗口的掩膜板，所述具有狭缝窗口的掩膜板位于所述平面光波导的上方，且与所述平面光波导相垂直设置，所述掩膜板上的狭缝窗口与所述平面光波导的重叠区域(交叉区域)即形成曝光窗口。

优选的，步骤(2)中利用掩膜对所述平面光波导上的光刻胶进行局部欠曝光，步骤(2)中所述欠曝光的剂量为能将所述平面光波导表面的光刻胶曝光透的剂量。

进一步的，所述欠曝光的剂量与所述平面光波导表面的光刻胶的厚度相关，即步骤(2)中所述欠曝光的剂量为刚好能将所述凸起平面光波导表面的光刻胶曝光透的剂量，具体剂量可以根据光刻胶的类型、厚度及对应的显影液浓度进行选择。

优选的，步骤(2)中所述显影是指对所述曝光窗口区域显影，所述曝光窗口之外区域未被显影或被部分显影，仍然被光刻胶覆盖。

即步骤(2)中所述的显影只会将凸起的平面光波导上的曝光窗口位置对应的光刻胶完全显掉去除，而基片上其它区域仍被光刻胶覆盖。

优选的，步骤(3)中利用气液界面法在显影后的基片上设置至少一层微纳米球。

进一步的，作为本发明的一种优选的实施方式，气液界面法可以为常规的可实现大面积有序单层微纳米球密排的方法，微纳米球可以是聚苯乙烯小球或二氧化硅微纳米球。

更进一步的，步骤(3)中还包括调整微纳米球直径的步骤。

具体的，可以采用氧等离子清洗机来调整微纳米球直径，比如减小微纳米球的直径以得到更多形状图形的微纳结构及其阵列。

优选的，步骤(4)中利用电子束蒸镀法在设有微纳米球的基片上设置材料薄膜。

优选的，步骤(4)中所述材料薄膜可以为金属、陶瓷或合金等材料薄膜。

其中金属可以为金、银、铜、铁、铝、钛、镍、铬、钨等，陶瓷可以为ito(氧化铟锡)、氧化镁、氧化铁、氮化硅、碳化硅、氮化钛、氧化铬、氧化锌、硫化锌、二氧化硅、铌酸锂等，合金可以为铁钴、铝硅、钛硅、铬硅、锌铝、钛锌、钛铝等。

进一步的，步骤(5)中去除曝光窗口区域上的微纳米球时，还包括去除非曝光窗口区域上的光刻胶及其上面的微纳米球和材料薄膜步骤。

优选的，步骤(5)中所述微纳结构包括三角形、圆孔、圆盘、圆环和月牙的微纳阵列结构。

此外，可根据曝光窗口大小以及填充微纳米球的数量，控制凸起平面光波导(光波导通道)表面纳米结构的数量(如也可形成单个或极少数量的纳米结构)，之后通过对纳米球掩膜的后续处理还可以得到圆孔、圆盘、圆环、月牙等微纳结构及其阵列。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明利用微纳米球可在平面光波导表面上准确地制备出三角形、圆孔、圆盘、圆环、月牙等微纳结构以及微纳米阵列结构，而在平面光波导周围不存在任何多余的结构以将干扰降到最低；

(2)本发明方法利用掩膜和微纳米球在平面光波导表面制备微纳结构，经济实惠、耗时短、使用灵活、稳定可靠，可实现批量化生产；

(3)本发明方法是一种低成本的、可靠的、使用灵活的技术，利用本发明有助于进一步提高波导器件的集成度及丰富波导处理光信号的能力，如拉曼信号检测、生物化学传感、光开关、光镊等；

(4)与微纳结构相结合的光波导器件拥有更丰富的光学功能，器件的集成度更高，其在光通信领域中有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1-2的具体步骤示意图；

图2是本发明实施例1中可以实现的部分微纳结构的示意图；

图3是本发明实施例1-3中在平面光波导上开出窗口的显微镜图；

图4是本发明实施例1中在平面光波导表面上制备出三角型阵列的sem图；

图5是本发明实施例2中在平面光波导表面上制备出三角型阵列的sem图；

图6是本发明实施例3的具体步骤示意图；

图7是本发明实施例3中在平面光波导表面上制备出圆孔的sem图。

具体实施方式

下面结合实例具体进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的在平面光波导表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：

(1)将包含直波导(波导宽4μm，高220nm)的soi片清洗干净，去除其表面的油污、金属等杂质；其中平面光波导数量根据基片大小不同，可以设置几根，几十根或者上百根甚至数百根，可根据需要设置；

(2)使用hmds(六甲基二硅胺，hexamethyldisilazane)预处理系统处理清洗过的soi片，使其表面呈疏水态；

(3)给处理过的基片匀上ar-p3740光刻胶，胶厚约1.5μm，如图1中步骤a所示，其中1为基片，2为光刻胶；

(4)准备好夹缝为5μm宽的窗口掩膜板，在光刻机中对基片进行欠曝光(剂量约40mj)，如图1中步骤b所示，其中3为被曝光的光刻胶；

(5)使用ar300-26：水＝1：8(体积比)的显影液显影40s，仅波导上开出了窗口，而其它区域仍被光刻胶覆盖，如图1中步骤c，以及图3中所示；

(6)利用气相液面法在显影后的基片上设置直径为1μm的单层微纳米小球4，具体为聚苯乙烯小球，如图1中步骤d；

(7)蒸镀30nm厚的金薄膜材料，接着将片子先后置于丙酮、异丙醇、纯水中超声处理以去除小球和光刻胶，在波导上得到微纳结构5，具体为三角形阵列，如图1中步骤e以及图4所示。

此外，可根据曝光窗口大小以及填充微纳米球的数量，控制凸起平面光波导(光波导通道)表面纳米结构的数量(如也可形成单个或极少数量的纳米结构)，之后通过对纳米球掩膜的后续处理还可以得到圆孔、圆盘、圆环、月牙等微纳结构及其阵列，如图2所示。

实施例2

如图1所示，本实施例提供的在平面光波导表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：

(1)将包含直波导(1μm、高340nm)的soi片清洗干净，去除其表面的油污、金属等杂质；

(2)使用hmds(六甲基二硅胺，hexamethyldisilazane)预处理系统处理清洗过的soi片，使其表面呈疏水态；

(3)给处理过的基片匀上az5214e光刻胶，胶厚约1.1μm，如图1中步骤a所示，其中1为基片，2为光刻胶；

(4)准备好夹缝为4μm宽的窗口掩膜板，在光刻机中对基片进行欠曝光(剂量约30mj)，如图1中步骤b所示，其中3为被曝光的光刻胶；

(5)使用az300mif显影液显影40s，仅波导上开出了窗口，而其它区域仍被光刻胶覆盖，如图1中步骤c，以及图3中所示；

(6)利用气相液面法在显影后的基片上设置直径为500nm的单层微纳米小球4，具体为聚苯乙烯小球，如图1中步骤d；

(7)蒸镀30nm厚的钛薄膜材料，接着将片子先后置于丙酮、异丙醇、纯水中超声处理以去除小球和光刻胶，在波导上得到微纳结构5，具体为三角形阵列，如图1中步骤e以及图5所示。

实施例3

如图6所示，本实施例提供的在平面光波导表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：

(1)将包含直波导(宽500nm、高220nm)的soi片清洗干净，去除其表面的油污、金属等杂质；

(2)使用hmds(六甲基二硅胺，hexamethyldisilazane)预处理系统处理清洗过的soi片，使其表面呈疏水态；

(3)给处理过的基片匀上az5214e光刻胶，胶厚约1.1μm，如图6中步骤a所示，其中1为基片，2为光刻胶；

(4)准备好夹缝为2μm宽的窗口掩膜板，在光刻机中对基片进行欠曝光(剂量约30mj)，如图6中步骤b所示，其中3为被曝光的光刻胶；

(5)使用az300mif显影液显影40s，仅波导上开出了窗口，而其它区域仍被光刻胶覆盖，如图6中步骤c，以及图3中所示；

(6)利用气相液面法在显影后的基片上设置直径为500nm的单层微纳米小球4，如图6中步骤d，具体为聚苯乙烯小球，再通过氧等离子清洗机将聚苯乙烯小球直径减小为425nm，如图6中步骤e；

(7)蒸镀30nm厚的铝薄膜材料，接着将片子先后置于丙酮、异丙醇、纯水中超声处理以去除小球和光刻胶，在波导上得到微纳结构5，如图6中步骤f以及图7所示。

以上实施例中以soi片为例进行了说明，采用其它基片如玻璃/二氧化硅、铌酸锂、iii-v族半导体化合物、氮氧化硅或高分子聚合物等，也可以得到类似的结果。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的是实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。