本發(fā)明屬于集成光子器件或者集成電子器件，尤其涉及用于集成光子/電子器件的襯底表面刻蝕方法與刻蝕設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、近年來隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、高速網(wǎng)絡(luò)、量子信息等信息技術(shù)的高速發(fā)展，對具有低傳輸損耗、高密度集成、低調(diào)制功耗等功能的集成光子器件或者集成電子器件(記作集成光子/電子器件)產(chǎn)生迫切需求。發(fā)展高性能集成光子/電子器件要解決的首要問題是如何在用于集成光子/電子器件的襯底表面刻蝕出各種微納結(jié)構(gòu)。

2、例如，鈮酸鋰(linbo3，ln)和鉭酸鋰(litao3，lt)具有優(yōu)異的非線性光學(xué)效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、壓電效應(yīng)等，可以實(shí)現(xiàn)各種光子器件或者電子器件的片上集成，因此是用于制備高性能集成光子/電子器件的理想襯底材料，發(fā)展基于鈮酸鋰和鉭酸鋰的高性能集成光子/電子器件要解決的首要問題是如何在其表面刻蝕出各種微納結(jié)構(gòu)。

3、刻蝕是指用化學(xué)或物理方法有選擇地從襯底表面去除多余材料的過程，從而形成所需的微納圖案。刻蝕是半導(dǎo)體微納制造工藝中的重要步驟之一，按工藝分類，可分為干法刻蝕和濕法刻蝕。干法刻蝕是利用等離子體或高能離子束，通過圖案化的阻擋層窗口，轟擊掉襯底表面暴露材料的一種工藝方法。干法刻蝕需要用到化學(xué)活性極高的氣體，對加工環(huán)境、設(shè)備要求很高，操作復(fù)雜、加工成本高。對于鈮酸鋰襯底和鉭酸鋰襯底，現(xiàn)有干法刻蝕技術(shù)中通常采用氟基氣體對鈮酸鋰和鉭酸鋰進(jìn)行刻蝕，但晶體中的鋰離子會與刻蝕氣體中的氟離子結(jié)合在表面生成氟化鋰，阻礙進(jìn)一步刻蝕的同時(shí)造成側(cè)壁粗糙。濕法刻蝕是利用液體化學(xué)試劑，通常是具有化學(xué)反應(yīng)性的溶液，與帶有圖案化阻擋層的晶片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。濕法刻蝕在刻蝕過程中無法做到各向異性，在操作過程中會引入或產(chǎn)生有毒有害的化學(xué)物質(zhì)，造成環(huán)境污染。對于鈮酸鋰襯底和鉭酸鋰襯底，現(xiàn)有的濕法刻蝕技術(shù)中通常采用氫氟酸對其進(jìn)行刻蝕，但鈮酸鋰和鉭酸鋰具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，很難在短時(shí)間內(nèi)完成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的刻蝕。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種用于集成光子/電子器件的襯底表面刻蝕方法，如圖1所示。

2、關(guān)于聲波，包括狹義的聲波與廣義的聲波概念。狹義的聲波是指聲源振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波，所述聲源是指能夠發(fā)出聲音的物體。廣義的聲波是指，振動(dòng)源振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械波，該機(jī)械波以所述狹義的聲波的形式進(jìn)行傳播，所述振動(dòng)源不限，包括所述聲源。本發(fā)明中所述的聲波均指所述廣義的聲波。

3、本發(fā)明的用于集成光子/電子器件的襯底表面刻蝕方法包括如下步驟：

4、(1)在所述襯底表面形成圖案化的阻擋層，所述阻擋層覆蓋所述襯底表面的部分區(qū)域，所述襯底表面存在未被阻擋層覆蓋而裸露的區(qū)域，稱為裸露區(qū)域；

5、(2)將微納米顆粒分散在液體中得到混合液，所述混合液可傳播聲波；將步驟(1)處理后的襯底置于所述混合液中；然后將聲波傳遞至所述混合液，在所述聲波的作用下所述微納米顆粒撞擊所述裸露區(qū)域，使該區(qū)域表面的襯底材料在撞擊力作用下發(fā)生脫落從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的刻蝕。

6、所述襯底的結(jié)構(gòu)不限，可以是單一材料構(gòu)成的塊狀結(jié)構(gòu)，稱為晶圓，或者是多種材料層層疊構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，位于復(fù)合結(jié)構(gòu)最頂層的是薄膜材料，包括但不限于鈮酸鋰、鉭酸鋰等。作為優(yōu)選，所述晶圓的材料包括鈮酸鋰、鉭酸鋰、藍(lán)寶石、氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鎵、氮化鎵、砷化鎵、銻化鎵、磷化銦、氧化鋅或者金剛石等。作為優(yōu)選，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包括絕緣體上鈮酸鋰(lnoi)、絕緣體上鉭酸鋰(ltoi)、薄膜鈮酸鋰(tfln)、薄膜鉭酸鋰(tflt)等。

7、作為優(yōu)選，首先將所述襯底的表面進(jìn)行清潔處理而去除雜質(zhì)，然后形成所述阻擋層。作為一種實(shí)現(xiàn)方式，將所述襯底置于丙酮、乙醇、去離子水等中的一種或者幾種進(jìn)行超聲清潔，然后取出干燥。所述干燥方式不限，包括烘烤、氮?dú)獯蹈傻戎械囊环N或者幾種。

8、在所述襯底表面形成圖案化的阻擋層的方法不限。例如，在所述襯底表面旋涂光刻膠，然后通過光刻形成圖案化的阻擋層；或者，采用物理或化學(xué)的鍍膜工藝在所述襯底表面形成圖案化的阻擋層，利用這種方法得到的阻擋層稱為硬質(zhì)阻擋層。硬質(zhì)阻擋層的材料不限，包括鉻、鈦、鎳、鋁、銅、鋅、鎢、氧化硅、氮化硅、氮化鈦、類金剛石等中的一種或者幾種。

9、所述阻擋層的厚度不限，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，例如厚度為10nm-500nm。

10、所述液體與所述襯底材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所述液體不限，包括水、酒精、甘油、煤油、機(jī)油、動(dòng)物油等中的至少一種。

11、所述微納米顆粒與所述液體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且所述微納米顆粒與襯底材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

12、所述微納米顆粒的材料不限，包括金剛石、氧化硅、金屬氧化物、金屬氮化物、過渡金屬碳化物等中的一種或者幾種。所述金屬氧化物包括但不限于氧化鋁、氧化鈰、氧化鉻、氧化鋯、氧化鐵、三氧化二錳、氧化鑭、氧化釔等中的一種或者幾種。所述金屬氮化物包括但不限于氮化鎵、氮化鋁、氮化銦等中的一種或者幾種。所述過渡金屬碳化物包括但不限于碳化硅、碳化鈦、碳化鈣、碳化硼、碳化鎢等中的一種或者幾種。

13、所述微納米顆粒的粒徑在微米量級或者納米量級，作為優(yōu)選，所述微納米顆粒的粒徑為1nm-100μm。

14、所述微納米顆粒在混合液中的質(zhì)量體積濃度不限，根據(jù)實(shí)際刻蝕需求而定，例如可以是0.0001g/l-1000g/l。

15、所述步驟(2)中，作為一種實(shí)現(xiàn)方式，通過聲波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生聲波，將該聲波傳遞至所述混合液。

16、所述步驟(2)中，為了提高刻蝕效果，所述微納米顆粒的硬度較大，作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述微納米顆粒的硬度大于所述襯底的材料硬度。例如，當(dāng)所述襯底為鈮酸鋰晶圓時(shí)，其莫氏硬度為5.0-6.0，選擇莫氏硬度為6.0以上的微納米顆粒進(jìn)行刻蝕。當(dāng)所述襯底為鉭酸鋰薄膜時(shí)，其硬度為5.5-6.0，選擇莫氏硬度為6.0以上的微納米顆粒進(jìn)行刻蝕。

17、所述步驟(2)中，所述聲波的振動(dòng)方向可根據(jù)需要設(shè)置，為了提高對所述裸露區(qū)域的撞擊率，作為優(yōu)選，所述聲波的振動(dòng)方向垂直于所述裸露區(qū)域表面。

18、所述步驟(2)中，為了提高所述微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)能力，優(yōu)選加熱所述混合液，較高的溫度有利于所述微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)加劇，優(yōu)選所述混合液溫度為10℃-100℃。

19、所述步驟(2)中，作為優(yōu)選，將步驟(1)處理后的襯底固定在支撐臺上并置于所述混合液中。所述襯底的固定方式不限，可以通過粘附劑粘結(jié)在支撐臺上、通過吸附件吸附在支撐臺上，或者通過連接件固定連接在支撐臺上。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述支撐臺可旋轉(zhuǎn)，從而輔助增強(qiáng)微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)，所述支撐臺的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為1rpm-1000rpm。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述支撐臺可升降，從而有利于襯底的安裝與拆卸。作為優(yōu)選，所述支撐臺可根據(jù)需要設(shè)置方向以及數(shù)量。

20、所述步驟(2)中，作為優(yōu)選，所述聲波的振動(dòng)頻率為20hz-1500khz。為了加速微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)，從而提高對裸露區(qū)域的撞擊效率，作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述的振動(dòng)頻率為1khz-1500khz。

21、所述步驟(2)中，作為優(yōu)選，所述聲波的聲功率密度為1瓦特/升-1500瓦特/升。

22、所述步驟(2)中，通過調(diào)節(jié)所述微納米顆粒的種類、在所述混合液中的濃度、粒徑、硬度，聲波的振動(dòng)頻率、功率密度、振動(dòng)時(shí)間，以及所述混合液溫度中的一種或者幾種調(diào)節(jié)所述微納米顆粒的撞擊力。所述撞擊力依據(jù)具體的刻蝕需求而定。

23、作為優(yōu)選，刻蝕結(jié)束后取出所述襯底清洗，然后去除所述阻擋層，獲得刻蝕后圖案化的微納結(jié)構(gòu)表面層，優(yōu)選利用拋光工藝對該表面層進(jìn)行拋光處理，降低表面層微納結(jié)構(gòu)的表面粗糙度。

24、去除所述阻擋層的方法不限。當(dāng)采用在所述襯底表面旋涂光刻膠，然后通過光刻形成所述阻擋層時(shí)，優(yōu)選使用有機(jī)溶劑超聲清洗所述阻擋層。當(dāng)所述阻擋層是硬質(zhì)阻擋層時(shí)，優(yōu)選采用等離子體處理等的方式去除所述阻擋層。

25、刻蝕后所述混合液中包含襯底材料碎屑，該碎屑可以作為所述混合液中的微納米顆粒，用于對后續(xù)置于所述混合液中的襯底進(jìn)行聲波驅(qū)動(dòng)刻蝕。

26、本發(fā)明還提供一種用于集成光子/電子器件的襯底的刻蝕設(shè)備，包括用于盛放混合液的容器以及用于產(chǎn)生聲波的聲波產(chǎn)生裝置；

27、所述混合液包括液體與微納米顆粒；所述聲波可在所述混合液中傳播；

28、所述襯底表面設(shè)置圖案化的阻擋層，所述襯底表面存在未被所述阻擋層覆蓋而裸露的區(qū)域，稱為裸露區(qū)域；

29、工作狀態(tài)時(shí)，將帶有阻擋層的所述襯底置于所述混合液中，所述聲波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生聲波傳遞至所述混合液，在所述聲波的驅(qū)動(dòng)作用下，所述微納米顆粒撞擊所述裸露區(qū)域，使該區(qū)域表面的襯底材料在撞擊力作用下發(fā)生脫落，從而實(shí)現(xiàn)裸露區(qū)域的刻蝕。

30、作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述聲波產(chǎn)生裝置包括聲波發(fā)生器與聲波換能器，聲波發(fā)生器將電能轉(zhuǎn)換為與聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，聲波換能器將輸入的電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)功率，以振動(dòng)形式輸出，即得到所述聲波。

31、作為一種實(shí)現(xiàn)方式，聲波發(fā)生器設(shè)置在所述容器外部，聲波換能器設(shè)置在混合液中，聲波換能器輸出的聲波振動(dòng)直接傳遞至所述混合液并在混合液中傳播。作為另一種實(shí)現(xiàn)方式，聲波發(fā)生器設(shè)置在所述容器外部，聲波換能器置于容器的底部，通過容器壁將該聲波傳遞至容器中的混合液并在混合液中傳播。

32、作為一種實(shí)現(xiàn)方式，刻蝕設(shè)備還包括支撐臺，工作狀態(tài)時(shí)，將帶有所述阻擋層的所述襯底固定在所述支撐臺表面，然后將所述支撐臺浸沒于所述混合液中。所述襯底的固定方式不限，可以通過粘附劑粘結(jié)在支撐臺上、通過真空吸附件吸附在支撐臺上，或者通過連接件固定連接在支撐臺上。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述支撐臺可旋轉(zhuǎn)，從而輔助增強(qiáng)微納米顆粒的運(yùn)動(dòng)，所述支撐臺的轉(zhuǎn)速優(yōu)選為1rpm-1000rpm。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述支撐臺可升降，從而有利于襯底的安裝與拆卸。作為優(yōu)選，所述支撐臺可根據(jù)需要設(shè)置方向以及數(shù)量。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少包括：

34、(1)本發(fā)明提供了一種用于集成光子/電子器件的襯底表面刻蝕方法，將所述襯底置于包含微納米顆粒的混合液中，將聲波傳遞至所述混合液，聲波在所述混合液中傳播，在聲波的驅(qū)動(dòng)下，所述微納米顆粒撞擊襯底表面未被阻擋層覆蓋而裸露的區(qū)域，使該區(qū)域表面的襯底材料在撞擊力作用下發(fā)生脫落從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的刻蝕，該方法無污染、成本低、可控性強(qiáng)，能夠根據(jù)實(shí)際刻蝕所需通過調(diào)整微納米顆粒種類、粒徑、濃度、硬度，聲波的振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間，以及混合液溫度等中的一種或者幾種調(diào)節(jié)微納米顆粒的撞擊力。

35、(2)利用本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)基于鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體表面的各種微納結(jié)構(gòu)，是高性能集成光子/電子器件的一種實(shí)現(xiàn)途徑。

36、(3)本發(fā)明提供的刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲驅(qū)動(dòng)微納米顆?？涛g襯底表面。

37、(4)本發(fā)明操作簡單方便，適合襯底刻蝕的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化，刻蝕后的混合液可重復(fù)利用，節(jié)能環(huán)保，刻蝕后的襯底可用于集成光子/電子器件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高性能集成光子/電子器件。