專利名稱：環(huán)形孔陣列結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)形孔狀結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作工藝，特別涉及
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)電子束膠在高劑量下曝光可由正型膠變?yōu)樨?型膠這一性質(zhì)。
背景技術(shù)：
上個世紀八十年代末，Yablonovitch在控制材料的輻射特性方面、John 在光子的局域化方面都做了開創(chuàng)性的工作，幾乎同時提出了光子晶體的概 念。光子晶體是用不同介電常數(shù)的物質(zhì)重復排列而成的周期結(jié)構(gòu)，在其光 波頻率與倒易空間的色散譜中，有可能出現(xiàn)貫穿整個譜圖的能隙，稱之為 光子禁帶。出現(xiàn)光子禁帶的可能性與周期結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)差成正比，并且 光子晶體拒絕那些能量在其禁帶內(nèi)的光子進入，或?qū)⑦@些光子局限在該晶 體的缺陷中。這種限制完全不同于光波導全內(nèi)反射的機理，到是與半導體 晶格周期性對電子產(chǎn)生束縛相類似，其色散譜中的光子禁帶則是對應著半 導體能代理論中的電子禁帶。二維光子晶體由于相對容易制造，而且其二 維結(jié)構(gòu)能夠充分表現(xiàn)光子晶體的特性，在研究中受到關(guān)注。
光子晶體的晶格尺度和光的波長處于同一數(shù)量級，如對于光通信波段 (波長1. 55pm)，要求光子晶體的晶格在0. 5pm左右，故光子晶體的制備 具有一定的難度。在人們的不斷探索和試驗的過程中，出現(xiàn)了許多可行的 人工光子晶體的制備方法，如介質(zhì)棒堆積，精密機械鉆孔，淀積/刻蝕工藝， 膠體顆粒自組裝，光電化學腐蝕方法，激光全息光刻法和電流變液法等。
Polymethyl methacrylate (PMMA)是第一個被發(fā)現(xiàn)可以作為電子束膠 的聚合物。PMMA最主要的特征是高分辨率，高對比度和低靈敏度。自 20世紀60年代PMMA被首次用于電子束曝光以來，直到今天仍然是分辨 率最高的電子束膠。迄今為止，20nm以下的電子束曝光圖形幾乎都是通 過PMMA實現(xiàn)的。PMMA的正常曝光劑量為50-500]_iC/cm2。但在非常高的曝光劑量下(10倍于正常的曝光劑量)PMMA會由正型膠轉(zhuǎn)為負型膠。
傳統(tǒng)的光子晶體制備工藝，由于受到電子束曝光分辨率的限制，實現(xiàn)
制作光子晶體的孔或者柱的直徑在200nm以下是很困難的，由于電子束曝光本身的鄰近效應的影響，特別是對于正型電子束膠，制備小尺度的光子晶體更為困難。由于頻率和尺寸呈反比，要實現(xiàn)制備具有高頻段禁帶的光子晶體，要求光子晶體的尺寸很小，對制備工藝提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于SOI材料的具有高頻段禁帶的環(huán)形孔狀陣列結(jié)構(gòu)的二維光子晶體。
本發(fā)明基于SOI材料，其特征在于，利用PMMA正型電子束膠在入射電子束劑量足夠高時變?yōu)樨撔碗娮邮z這一特性，僅經(jīng)過一次電子束曝光即可實現(xiàn)正、負膠同時存在的現(xiàn)象。具體方法包括使用清洗液清洗SOI材料襯底；
在SOI襯底上甩電子束膠，并進行前烘；以設計版圖為掩模，進行電子束曝光；
通過劑量補償?shù)姆椒▽Π鎴D進行修正，消除圖形進行電子束曝光時會受鄰近效應的影響導致的曝光圖形大小不一致；
進行顯影和定影，并進行后烘，形成環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)；
刻蝕SOI材料的頂層硅，形成環(huán)形空氣孔狀陣列結(jié)構(gòu)，孔中間為硅柱，完成二維光子晶體的制作。
進一步，所述的SOI材料的埋層二氧化硅的厚度的范圍為1-1.2微米。
進一步，所述的電子束膠為聚甲基丙烯酸甲酯A2型電子束膠，所述甩膠的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，膠的厚度為200納米。
進一步，所述的版圖為9X9的圓陣列，圓的直徑為200納米，每個圓中心都有一個點。
進一步，所述的版圖中圓的入射電子束劑量設為100微庫侖/厘米2，圓中心點的劑量設為0. 5皮庫侖。
進一步，所述的清洗液為比例為1: 1的濃硫酸和雙氧水的混合液，清洗方法為把放有SOI片子的混合液加熱10分鐘，溫度為150攝氏度。進一步，所述前烘是在180攝氏度的熱板上烘烤8分鐘。
進一步，所述顯影和定影時間都是13秒，
進一步，所述后烘是在110攝氏度的烘箱中烘烤10分鐘。
進一步，所述的刻蝕是通過耦合等離子體刻蝕的二氧化硅。進一步，所述的刻蝕是通過耦合等離子體刻蝕的硅。
進一步，所述的二維光子晶體的晶格常數(shù)為800-900納米，內(nèi)圓孔徑為75-80納米，外圓孔徑為300-350納米。
綜上所述，本發(fā)明利用PMMA電子束膠在高劑量下可由正膠變?yōu)樨撃z這一性質(zhì)。僅一次電子束曝光即可實現(xiàn)正、負膠同時存在的現(xiàn)象。簡化了工藝步驟，降低工藝難度，可重復性好，可實現(xiàn)大規(guī)模加工和生產(chǎn)。實現(xiàn)了納米量級的環(huán)形結(jié)構(gòu)的制作工藝。該光子晶體結(jié)構(gòu)在高頻段出現(xiàn)禁帶，高頻禁帶的頻率范圍達到0.7868-0. 8066 a從，其中a為晶格常數(shù)，X為波
長。實現(xiàn)了在SOI上制備具有高頻段禁帶的新型光子晶體結(jié)構(gòu)。


圖1是經(jīng)過熱氧化，甩膠后的SOI材料的側(cè)視圖；圖2是光子晶體的側(cè)視圖3是光子晶體的平面波展開(PWE)法計算的光子晶體TE偏振模色散關(guān)系圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
圖1是經(jīng)過熱氧化，甩膠后的SOI材料的側(cè)視圖。包括
S0I材料，該S0I材料由頂層硅3，埋層二氧化硅4，硅襯底5組成。其中埋層二氧化硅4的厚度為lMm。
在所述S0I襯底上首先熱氧化生成30rnn的二氧化硅2 ，然后再甩上PMMA A2電子束膠1，甩膠的轉(zhuǎn)速為2000rpm。電子束膠的厚度為200nm左右。圖2是光子晶體的側(cè)視圖。版圖設計為9X9的圓陣列，圓的直徑為200nm，每個圓中心都有一個點，由于鄰近效應的存在，經(jīng)過電子束曝光，圖形的尺度會變大。點區(qū)域入射劑量大形成反膠，周圍圓區(qū)域的入射劑量小形成正膠。顯影后，再通過耦合等離子體刻蝕二氧化硅和硅后，所形成的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中硅柱6直徑dl為75-80nm，空氣孔7直徑d2為300-350nm， 硅柱6位于空氣孔7的中心位置。硅柱6和空氣孔7的高度與SOI材料的頂層硅3的高度一致。位于SOI材料的埋層二氧化硅4上。該環(huán)形孔狀結(jié)構(gòu)為9X9陣列。晶格常數(shù)為800-900nm。
圖3是光子晶體的平面波展開(PWE)法計算的光子晶體TE偏振模色散關(guān)系圖。從圖中可以清楚的看到兩個禁帶，其中一個為高頻禁帶，另一個為低頻禁帶。高頻禁帶的頻率范圍為0.7868-0.8066 a/人，其中a為晶格常數(shù)，人為波長。
請參閱圖1和圖2并結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的環(huán)形孔狀結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作工藝作進一步詳細說明。具體包括如下步驟
(1) 版圖設計為9X9的圓陣列，圓的直徑為200nm，每個圓中心都有一個點。由于電子束曝光中會有鄰近效應的影響，使曝光的圖形大小不一致。所以通過劑量補償?shù)姆椒▽Π鎴D進行修正，修正的方法是利用電子束曝光機Raithl50自帶的鄰近效應修正程序，選中版圖，設置好各項參數(shù)，該鄰近效應修正程序即可自動修改版圖中的劑量分布，這種修正方法屬于劑量補償修正方法。修正后達到曝光圖形大小一致的效果此過程是如何實現(xiàn)，需要詳細說明。
(2) 熱氧化SOI襯底，該SOI材料由頂層硅3，埋層二氧化硅4，硅襯底5組成。在頂層硅表面形成二氧化硅2掩膜層。然后再甩上PMMAA2電子束膠1。根據(jù)所設計的版圖，版圖設計為9X9的圓陣列，圓的直徑為200nm，每個圓中心都有一個點應把所設計的版圖具體描述，利用電子束曝光技術(shù)在覆蓋二氧化硅2的SOI片上制作環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)圖形。其中，圓的入射電子束劑量為100|aC/cm2，圓中心點的入射劑量為0. 5pC。點部分劑量高，曝光后為負膠，圓部分劑量低曝光后為正膠。中間的硅柱6由于上面附著的是負膠，顯影后膠被留下，空氣孔7由于上面附著的是 正膠，顯影后膠被顯掉。因此形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。 (3)圖形轉(zhuǎn)移利用感應耦合等離子體干法刻蝕技術(shù)刻蝕二氧化硅2， 將電子束膠上的圖形轉(zhuǎn)移到氧化硅2，再利用感應耦合等離子體
干法刻蝕技術(shù)刻蝕硅3， 一直刻蝕到SOI材料的埋層二氧化硅4 上。再用濕法腐蝕去掉剩余的二氧化硅2形成環(huán)形空氣孔結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)如圖2所示。
模擬結(jié)果圖3是光子晶體的平面波展開(PWE)法計算的光子晶體TE 偏振模色散關(guān)系圖?？v坐標為頻率，橫坐標為k空間的位置。從圖中可以 清楚的看到兩個禁帶，其中上面的為高頻禁帶，下面的為低頻禁帶。高頻 禁帶的頻率范圍為0.7868-0.8066 a/X，其中a為晶格常數(shù)，X為波長。該光 子晶體結(jié)構(gòu)在高頻段出現(xiàn)了禁帶，實現(xiàn)了制備具有高頻段禁帶的新型光子 晶體結(jié)構(gòu)。
至此己經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。應該理解，本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應由 所附權(quán)利要求所限定。
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權(quán)利要求
1. 一種環(huán)形孔陣列結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作方法，其特征在于，包括使用清洗液清洗SOI材料襯底；在SOI襯底上甩電子束膠，并進行前烘；以設計版圖為掩模，進行電子束曝光；通過劑量補償?shù)姆椒▽Π鎴D進行修正，消除圖形進行電子束曝光時會受鄰近效應的影響導致的曝光圖形大小不一致；進行顯影和定影，并進行后烘，形成環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)；刻蝕SOI材料的頂層硅，形成環(huán)形空氣孔狀陣列結(jié)構(gòu)，孔中間為硅柱，完成二維光子晶體的制作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的S0I材料 的埋層二氧化硅的厚度的范圍為1-1. 2微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的電子束膠 為聚甲基丙烯酸甲酯A2型電子束膠，所述甩膠的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分，膠 的厚度為200納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的版圖為9 X9的圓陣列，圓的直徑為200納米，每個圓中心都有一個點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的版圖中 圓的入射電子束劑量設為100微庫侖/厘米2，圓中心點的劑量設為0.5 皮庫侖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的清洗液 為比例為1: 1的濃硫酸和雙氧水的混合液，清洗方法為把放有SOI片子 的混合液加熱10分鐘，溫度為150攝氏度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述前烘是在 180攝氏度的熱板上烘烤8分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述顯影和定 影時間都是13秒。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述后烘是在110攝氏度的烘箱中烘烤io分鐘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的刻蝕是 通過耦合等離子體刻蝕的二氧化硅。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的刻蝕是 通過耦合等離子體刻蝕的硅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的二維光子晶體的晶格常數(shù)為800-900納米，內(nèi)圓孔徑為75-80納米，外圓孔徑為 300-350納米。
全文摘要
本發(fā)明是一種環(huán)形孔陣列結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的制作方法。包括使用清洗液清洗SOI材料稱底；在SOI稱底上甩電子束膠，并進行前烘；以設計版圖為掩模，進行電子束曝光；通過劑量補償?shù)姆椒▽Π鎴D進行修正，消除圖形進行電子束曝光時會受鄰近效應的影響導致的曝光圖形大小不一致；進行顯影和定影，并進行后烘，形成環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)；刻蝕SOI材料的頂層硅，形成環(huán)形空氣孔狀陣列結(jié)構(gòu)，孔中間為硅柱，完成二維光子晶體的制作。本發(fā)明實現(xiàn)了納米量級的環(huán)形結(jié)構(gòu)的制作工藝，該光子晶體結(jié)構(gòu)在高頻段出現(xiàn)了禁帶，實現(xiàn)了制備具有高頻段禁帶的新型光子晶體結(jié)構(gòu)。
文檔編號G03F7/00GK101470347SQ20071030425
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者楊 張, 香 楊, 楊富華, 穎 王, 韓偉華 申請人:中國科學院半導體研究所