專利名稱：二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及in - V族半導(dǎo)體納米級(jí)加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是
涉及二維納米結(jié)構(gòu)，如光子晶體結(jié)構(gòu)的深刻蝕的實(shí)現(xiàn)方法。
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背景技術(shù)：
近年來，以光子晶體為代表的納米器件研究獲得飛速發(fā) 展。在基于半導(dǎo)體材料的二維光子晶體基礎(chǔ)上已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了 亞微米級(jí)的波導(dǎo)傳輸、光束的偏振分離、上下路濾波器、帶通 濾波器、微缺陷腔激光器和邊發(fā)射激光器等器件，光子晶體器
15件的發(fā)展和完善為實(shí)現(xiàn)光子集成回路創(chuàng)造了必要的條件。由于 硅材料是間接帶隙材料，不利于在光子集成回路中實(shí)現(xiàn)光源集
成，因此未來的光芯片有極大可能是在m-v族半導(dǎo)體材料上 實(shí)現(xiàn)。目前，各種基于m-v族半導(dǎo)體材料的光功能單元通常 在一種光子晶體薄板上實(shí)現(xiàn)，即由高折射率材料制成的厚度為 20數(shù)百納米的薄板，上下面被反差很大的低折射率材料覆蓋，而 二維光子晶體圖形垂直穿越薄板。薄板有上下被空氣包覆的懸
浮結(jié)構(gòu)，或者上面為空氣，下面有Si02或Ah03支撐的非對(duì)
稱結(jié)構(gòu)。但是這種薄板結(jié)構(gòu)難以在實(shí)際應(yīng)用中普及，懸浮結(jié)構(gòu) 的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能極差，而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中偶模與奇模間存
在耦合[Yoshinori Tanaka， Takashi Asano， Ranko Hatsuta，
5 and Susumu Noda,應(yīng)用物理快報(bào)，8 8巻，0 1 1 1 1 2 (2 0 0 6 )]，使位于偶模禁帶的模式在平行于薄板平面的方向 上損耗加劇，同時(shí)這兩種結(jié)構(gòu)都很難實(shí)現(xiàn)電注入泵浦。解決上 面問題的方法是在I11-V族半導(dǎo)體襯底上面外延生長傳統(tǒng)半導(dǎo) 體激光器常用的弱導(dǎo)限制結(jié)構(gòu)，再通過各向異性干法刻蝕工藝
io 將光子晶體圖形轉(zhuǎn)移到襯底中。這種結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)電注入泵 浦，機(jī)械性能也得到增強(qiáng)，已有波導(dǎo)和邊發(fā)射激光器的報(bào)道 [Thomas D.Happ, Martin Kamp，Alfred Forche1，Jean-Louis Gentner and L. Goldstein,應(yīng)用物理快報(bào)，8 2巻，4 (2 0 0 3 ) ; M. Mulot， S. A扁d,M. Swillo， M. Qiu， B.
15Jaskorzynska， A. Talneau， 真空科技期干'j B, 2 l巻，9 0 0 (2 0 0 3)]。在這種結(jié)構(gòu)中光需要同時(shí)被弱導(dǎo)波導(dǎo)限 制和被光子晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制，因而光子晶體結(jié)構(gòu)的深刻蝕是必須 的。在目前的刻蝕工藝中，是采用光刻膠直接作掩膜層刻蝕， 或者是在III-V族半導(dǎo)體襯底上淀積一層Si02或SiNx，在將
20光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到淀積層后，再以淀積層作掩膜層進(jìn)行刻
蝕，但是納米結(jié)構(gòu)曝光不允許過厚的光刻膠，因而這兩種方法 使用的掩膜層的厚度都不會(huì)超過5 0 0 — 6 0 0納米，過薄的
掩膜層制約了納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移深度。目前在優(yōu)化的條件下光子
晶體結(jié)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)移深度僅達(dá)到約4 . 5微米[M. Mulot， S. Anand， R. Ferrini， B. Wild, R. Houdre， J. Moosburger and 5 A. Forchel，真空科技期刊B， 2 2巻，7 0 7 ( 2 0 0 4 )]， 這使得垂直方向的損耗較大，有必要改進(jìn)刻蝕技術(shù)，使光子晶 體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大深度的轉(zhuǎn)移。

發(fā)明內(nèi)容
io 本發(fā)明的目的在于克服以有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種二維納
米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，其是在III-V族半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)光子晶 體等納米結(jié)構(gòu)深刻蝕的方法，通過新的掩膜制作技術(shù)，提高各 向異性干法刻蝕深度。
本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下
15 本發(fā)明一種二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，其特征在于，包括
如下步驟
SO 1、在襯底上涂覆光刻膠，采用電子束曝光或其它曝 光技術(shù)在光刻膠上制作出光子晶體納米圖形；
SO 2、將光子晶體納米圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；
20 SO 3 、在納米圖形轉(zhuǎn)移之后，將襯底表面的光刻膠去除，
采用熱氧化工藝將有納米結(jié)構(gòu)的部分氧化生成Si02;
s o 4 、取一待刻蝕的m-v族半導(dǎo)體襯底，將所述襯底有 納米結(jié)構(gòu)的表面與ni-v族半導(dǎo)體襯底的待刻蝕面相對(duì)，利用 非平面鍵合技術(shù)，將兩種材料粘合；
5 SO 5 、采用減薄工藝，將襯底減薄至僅留下已氧化為Si02
的納米結(jié)構(gòu)。
其中襯底為硅襯底或n型硅襯底。
其中所述步驟SO 2中，采用氟基氣體為氣源的干法刻蝕 技術(shù)將納米圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底。 io 其中所述步驟SO 2中，采用電化學(xué)腐蝕技術(shù)將納米圖形
轉(zhuǎn)移到n型硅襯底。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明的二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，可以得到厚度超過2 微米的Si02掩膜層。相對(duì)于現(xiàn)有的刻蝕方法，由于掩膜層厚 15度有了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高，在刻蝕選擇比相同或接近時(shí)，可以 實(shí)現(xiàn)光子晶體等納米結(jié)構(gòu)的更深的刻蝕。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及
20附圖詳細(xì)說明如后，其中
圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法， 包括如下步驟-
5 SO 1、在襯底上涂覆光刻膠，采用電子束曝光或其它曝
光技術(shù)在光刻膠上制作出光子晶體納米圖形，所述的襯底為硅 襯底或n型硅襯底；
SO 2、將光子晶體納米圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；所述步驟S
0 2中，采用氟基氣體為氣源的干法刻蝕技術(shù)將納米圖形轉(zhuǎn)移 10到硅襯底或轉(zhuǎn)移到n型硅襯底；
SO 3、在納米圖形轉(zhuǎn)移之后，將襯底表面的光刻膠去除，
采用熱氧化工藝將有納米結(jié)構(gòu)的部分氧化生成Si02 ;
s o 4 、取一待刻蝕的in-v族半導(dǎo)體襯底，將所述襯底有 納米結(jié)構(gòu)的表面與m-v族半導(dǎo)體襯底的待刻蝕面相對(duì)，利用
15非平面鍵合技術(shù)，將兩種材料粘合；
SO 5、采用減薄工藝，將襯底減薄至僅留下己氧化為Si02
的納米結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
20 實(shí)施例1 :
請(qǐng)?jiān)俳Y(jié)合參閱圖1所示，本發(fā)明二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方 法，包括如下步驟
步驟SO 1 :在硅襯底上涂覆3 0 Onm厚的電子束光刻
5膠，如PMMA，經(jīng)過電子束曝光和顯影得到納米結(jié)構(gòu)的圖形；
步驟SO 2:采用反應(yīng)離子束或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技
術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底上，在使用C4F8氣源并且刻蝕中控 制襯底溫度在1 0 °C以下，可得到〉2 0 : 1的選擇比，納米 結(jié)構(gòu)的刻蝕轉(zhuǎn)移深度能達(dá)到5微米以上；
10 步驟SO 3:將硅襯底有納米結(jié)構(gòu)的表面作熱氧化處理，
使納米結(jié)構(gòu)氧化為Si02 。在InP襯底上依次外延生長InP緩 沖層、InGaAsP多層量子阱和InP覆蓋層，包括量子阱在內(nèi)的 總厚度達(dá)到1 0微米；
步驟SO 4 :將硅襯底的Si(h面與InP襯底通過非平面
15 鍵合技術(shù)粘接在一起；
步驟SO 5 :利用減薄工藝去掉硅襯底上多余的硅和 Si02，僅留下約2微米厚的納米結(jié)構(gòu)。
以Si(h納米結(jié)構(gòu)為掩膜對(duì)InP襯底進(jìn)行干法刻蝕，可釆 用化學(xué)輔助離子束刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕等技術(shù)，如以 20感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，使用氯基氣源時(shí)選擇比能達(dá)到〉5 : 1，以2微米厚度的掩膜可以使納米結(jié)構(gòu)在InP襯底的轉(zhuǎn)移深 度達(dá)到1 0微米。
實(shí)施例2 :
請(qǐng)?jiān)俳Y(jié)合參閱圖1所示，本發(fā)明二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方 法，包括如下步驟
5 步驟SO 1:在n型硅襯底上涂覆電子束光刻膠，經(jīng)過電
子束曝光和顯影得到納米結(jié)構(gòu)的圖形；
步驟SO 2:采用電化學(xué)刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底， 納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移深度能達(dá)到5 0微米以上；
步驟SO 3:將硅襯底有納米結(jié)構(gòu)的表面作熱氧化處理，
10 使納米結(jié)構(gòu)氧化為Si02。在GaAs襯底上依次外延生長GaAs 緩沖層、AlGaAs限制層、InGaAs量子點(diǎn)層、AlGaAs限制層和 GaAs覆蓋層，外延結(jié)構(gòu)的總厚度達(dá)到l 5微米；
步驟SO 4 :將硅襯底的Si02面與InP襯底通過非平面 鍵合技術(shù)粘接在一起；
15 步驟SO 5 :利用減薄工藝去掉硅襯底上多余的硅和
Si02，僅留下約2微米厚的納米結(jié)構(gòu)；
以Si02納米結(jié)構(gòu)為掩膜對(duì)GaAs襯底進(jìn)行干法刻蝕，以感 應(yīng)耦合等離子體刻蝕，使用CI 2 /BC1 3為氣源時(shí)選擇比能達(dá) 到〉1 0:1，以2微米厚度的掩膜可以使納米結(jié)構(gòu)在InP襯底 20的轉(zhuǎn)移深度達(dá)到近2 0微米。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù) 方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明， 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修 改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，其特征在于，包括如下步驟S01、在襯底上涂覆光刻膠，采用電子束曝光或其它曝光技術(shù)在光刻膠上制作出光子晶體納米圖形；S02、將光子晶體納米圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；S03、在納米圖形轉(zhuǎn)移之后，將襯底表面的光刻膠去除，采用熱氧化工藝將有納米結(jié)構(gòu)的部分氧化生成SiO2；S04、取一待刻蝕的III-V族半導(dǎo)體襯底，將所述襯底有納米結(jié)構(gòu)的表面與III-V族半導(dǎo)體襯底的待刻蝕面相對(duì)，利用非平面鍵合技術(shù)，將兩種材料粘合；S05、采用減薄工藝，將襯底減薄至僅留下已氧化為SiO2的納米結(jié)構(gòu)。
2 、如權(quán)利要求1所述的二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，其特 征在于，其中襯底為硅襯底或n型硅襯底。
3 、如權(quán)利要求1或2所述的二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法， 其特征在于，其中所述步驟SO 2中，采用氟基氣體為氣源的20干法刻蝕技術(shù)將納米圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底。
4 、如權(quán)利要求1或2所述的二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法， 其特征在于，其中所述步驟S0 2中，采用電化學(xué)腐蝕技術(shù)將納米圖形轉(zhuǎn)移到n型硅襯底。
全文摘要
一種二維納米結(jié)構(gòu)深刻蝕方法，其特征在于，包括如下步驟S01、在襯底上涂覆光刻膠，采用電子束曝光或其它曝光技術(shù)在光刻膠上制作出光子晶體納米圖形；S02、將光子晶體納米圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；S03、在納米圖形轉(zhuǎn)移之后，將襯底表面的光刻膠去除，采用熱氧化工藝將有納米結(jié)構(gòu)的部分氧化生成SiO₂；S04、取一待刻蝕的III-V族半導(dǎo)體襯底，將所述襯底有納米結(jié)構(gòu)的表面與III-V族半導(dǎo)體襯底的待刻蝕面相對(duì)，利用非平面鍵合技術(shù)，將兩種材料粘合；S05、采用減薄工藝，將襯底減薄至僅留下已氧化為SiO₂的納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101101445SQ20061009100
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者剛 任, 楊國華, 鄭婉華, 陳良惠, 馬小濤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所