THz光子晶体的制作工艺优化

前面在理论上深入研究了THz波段介质、金属和相变光子晶体的性质,本小节主要介绍这三种THz光子晶体的加工工艺和制备的样品。

用于刻蚀的高阻硅片的电阻率为6 000Ω·cm,掺杂类型为p型,直径为4英寸^[1],厚度为400μm,双面抛光。主要采用MEMS技术中的深硅刻蚀工艺进行加工,加工工艺流程图如图4.7所示,加工步骤如下。

图4.7　各种光子晶体的加工工艺流程图

(1)制掩膜版。采用电子束曝光制成图4.8(a)所示的掩膜版。

图4.8　

(2)清洗。将硅片和掩膜版用硫酸与双氧水清洗液清洗2 h。

(3)光刻,涂304正胶。为了既保证刻蚀深度又保证图形刻蚀精度,涂胶厚度达4μm;采用紫外曝光,而后显影。

(4)深硅刻蚀。刻蚀方法为电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀,刻蚀深度由刻蚀时间控制,1 min大约刻蚀3μm,刻蚀时间控制在40 min,刻蚀深度为120μm。

(5)等离子体去胶。(www.xing528.com)

(6)划片。划片后就得到硅光子晶体芯片,大小为10 mm×4 mm。图4.8(b)所示为整块4英寸未划片时的晶圆芯片照片。图4.9所示为各种结构的硅光子晶体扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)图。台阶仪探针测量柱高,柱高度为121.2μm。显微镜观察柱直径,柱直径为98.5μm和50.5μm。

(7)如需加工成金属光子晶体,可以采用蒸镀或磁控溅射的方式将金属镀到硅光子晶体芯片表面。图4.10所示为镀铜的金属光子晶体SEM图。

(8)如需加工成相变光子晶体,可以采用金属钒靶的磁控溅射方式在硅光子晶体柱上镀膜。在金属钒离子脱离金属钒靶的同时,通入1 Pa气压的氩气与氧气混合气体,比例为1∶10,反应温度为400℃,时间为3 h,钒被氧化为VO2的同时沉积在硅光子晶体柱表面,最终得到图4.11所示的镀VO2的相变光子晶体,VO2在整个硅光子晶体柱表面(包括顶部、侧壁和基底)形成一个VO2薄膜壳,厚度约为1.2μm。

图4.9　各种结构的硅光子晶体SEM图

图4.10　镀铜的金属光子晶体SEM图

图4.11　

(a～d)镀VO2的相变光子晶体SEM图;(e)VO2薄膜SEM图;(f)镀VO2的相变光子晶体柱的侧壁和顶部局部SEM图