一种纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种纳米级谐振光子器件的精密制造技术领域，特别是一种纳米级谐 振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺。
【背景技术】
[0002] 磁电复合材料的磁电親合是一种磁-力-电的转换效应，在交变磁场作用下，磁电 复合材料中的磁致伸缩相产生动态应变，通过力的传递来驱动压电相产生受迫振动；在某 一特定的交变磁场的频率下，磁电复合材料必然产生谐振现象，此时的交变磁场频率称为 谐振频率；在谐振频率下，磁电复合材料往往得到比较大的磁电电压系数。
[0003] III族氮化物材料具有优良的物理化学性能，是研制光电子器件的新型半导体材 料。制备氮化物光子器件结构的过程中，不可避免会引入刻蚀损伤，降低器件的性能；通过 图形化生长技术是解决这一难题的有效途径，通过生长技术获得器件结构，避免了刻蚀损 伤；氧化铪薄膜是一种优良的氮化物衬底材料。在生长过程中，氧化铪会表面氮化形成一层 氮化铪薄膜，氮化铪和III族氮化物材料的晶格匹配较小；在生长过程中，氧化铪薄膜有再 结晶过程，可以补偿一部分应力。
[0004] 通过在悬空图形化氧化铪衬底上生长氮化物，可以直接获得悬空氮化物光子器 件；利用悬空结构和空气介质的大折射率差异，实现光场和纳米结构的谐振效应，为进一步 探索激发光和纳米结构的交互作用，发展新颖集成氮化物光子器件奠定了基础。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种纳米级谐振光子 器件硅衬底刻蚀集成制备工艺。
[0006] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制 备工艺，选用硅衬底晶片为实现载体，包括如下步骤： a :在顶层硅器件层的上表面沉积一层复合氧化物薄膜层；复合氧化物薄膜层的制备 方法，具体步骤如下： U将纯度大于90%的泡沫镍片置于5-8%的盐酸中超声清洗，然后用去离子水冲洗干 净，烘干后备用； ?将异丙醇铝按ll_16g : IL的比例加入到浓度为0. 06-0. lmol/L的稀硝酸溶液中， 搅拌5-10min，迅速放入水浴锅加热到80-KKTC恒温回流6-12h，冷却后即形成半透明的溶 胶； 将溶胶进行离心分离，除去沉淀，即得到异丙醇铝溶胶；再用1 %的氨水调节PH值至 5. 5-8. 5 ； 藝将步骤②制备的异丙醇铝溶胶倒入反应釜中，并放入泡沫镍片，于85-120Γ下反应 25-35h，冷却，取出镍片，用去离子水冲洗后烘干，再经300-500°C焙烧2-5h，即在泡沫镍基 体表面得到复合氧化物薄膜层； 本发明采用原位生长法在泡沫镍基体上合成了晶型完整，粒径分布均一的镍铝复合氧 化物薄膜材料，且镍铝复合氧化物薄膜具有高附着力、不易脱落。该材料具有很高的比电容 和充放电能力，可用做电极材料。该镍基镍铝复合氧化物薄膜电吸附及脱附性能优良，可以 用做电吸附剂。
[0007] b :在复合氧化物薄膜层上表面旋涂一层电子束光刻胶层； c :采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义纳米光子器件结构，纳米光子器件结 构由具有同心圆结构且直径不同的第一环状层与第二环状层构成，第一环状层与第二环状 层之间有圆环状间隙； d :采用离子束轰击技术将步骤c中的纳米光子器件结构转移到复合氧化物薄膜层； e :将复合氧化物薄膜层按照步骤d中的纳米光子结构刻穿至硅衬底晶片的上表面； f :采用各项同性硅刻蚀技术，从硅衬底晶片的下表面向上剥离硅衬底晶片，形成一个 凹形空腔结构； g :采用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层； h:在第一环状层及第二环状层的各表面沉积一层薄膜即完成该制备工艺。
[0008] 本发明通过分子束外延或金属有机化合物气相沉积技术，直径不同的圆环层磁电 复合材料具有不同的单个谐振频率及谐振峰值，而且其谐振频率的大小可以通过经验公 式计算预测，实现氮化物谐振光子器件，避免了氮化物纳米器件制备过程中的刻蚀损伤问 题； 本发明以空气作为顶部和底部的低折射率材料，实现了器件结构对光场的限制作用， 利用光波和器件结构之间的谐振效用，多个不同直径的圆环层状磁电复合材料进行串联或 并联，形成圆环层状磁电复合材料的串联或并联结构； 本发明结合氮化物的量子阱结构，可以进一步探索其激发光和器件结构之间的交互作 用，能够实现多谐振频率及谐振峰，而且每个谐振频率的大小都可以通过改变相对应的圆 环层状磁电复合材料的直径来调控；本发明不仅可以为磁电复合材料器件的多频率操作提 供了可能，而且，由于圆环的结构特性，直径不同的圆环可以环环相扣，不会造成结构体积 的增大，便于微型磁电设备的制备。
[0009] 本发明进一步限定的技术方案是： 进一步的，前述的纳米级谐振光子器件娃衬底刻蚀集成制备工艺，复合氧化物薄膜层 的制备方法，具体步骤如下： Il将纯度大于90%的泡沫镍片置于6%的盐酸中超声清洗，然后用去离子水冲洗干 净，烘干后备用； @'将异丙醇铝按12g : IL的比例加入到浓度为0. 07mol/L的稀硝酸溶液中，搅拌 7min，迅速放入水浴锅加热到95°C恒温回流10h，冷却后即形成半透明的溶胶； 将溶胶进行离心分离，除去沉淀，即得到异丙醇铝溶胶；再用1 %的氨水调节PH值至 6. 5 ； ?将步骤f制备的异丙醇铝溶胶倒入反应釜中，并放入泡沫镍片，于95Γ下反应31h， 冷却，取出镍片，用去离子水冲洗后烘干，再经360°C焙烧4h，即在泡沫镍基体表面得到复 合氧化物薄膜层。
[0010] 前述的纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，第一环状层各表面的薄膜 材料为 PZT、PMN-PT 或 BaTi03。
[0011] 前述的纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，第二环状层各表面的薄膜 材料为Ni金属、CoFe合金或NiFe合金材料。
[0012] 前述的纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，第一环状层采用分子束外 延技术在各表面生长出一层薄膜。
[0013] 前述的纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，第二环状层采用金属有机 化合物化学气相沉积技术在各表面沉积一层薄膜。
[0014]
【具体实施方式】
[0015] 实施例1 本实施例提供的一种纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，选用硅衬底晶片 为实现载体，其特征在于包括如下步骤： a :在顶层硅器件层的上表面沉积一层复合氧化物薄膜层；复合氧化物薄膜层的制备 方法，具体步骤如下： X将纯度大于90 %的泡沫镍片置于6 %的盐酸中超声清洗，然后用去离子水冲洗干 净，烘干后备用； 議将异丙醇铝按12g : IL的比例加入到浓度为0.07mol/L的稀硝酸溶液中，搅拌 7min，迅速放入水浴锅加热到95°C恒温回流10h，冷却后即形成半透明的溶胶； 将溶胶进行离心分离，除去沉淀，即得到异丙醇铝溶胶；再用1 %的氨水调节PH值至 6. 5 ； 将步骤·：！制备的异丙醇铝溶胶倒入反应釜中，并放入泡沫镍片，于95°C下反应31h， 冷却，取出镍片，用去离子水冲洗后烘干，再经360°C焙烧4h，即在泡沫镍基体表面得到复 合氧化物薄膜层； b :在复合氧化物薄膜层上表面旋涂一层电子束光刻胶层； c :采用电子束曝光技术在电子束光刻胶层上定义纳米光子器件结构，纳米光子器件结 构由具有同心圆结构且直径不同的第一环状层与第二环状层构成，第一环状层与第二环状 层之间有圆环状间隙； d :采用离子束轰击技术将步骤c中的纳米光子器件结构转移到复合氧化物薄膜层； e :将复合氧化物薄膜层按照步骤d中的纳米光子结构刻穿至硅衬底晶片的上表面； f :采用各项同性硅刻蚀技术，从硅衬底晶片的下表面向上剥离硅衬底晶片，形成一个 凹形空腔结构； g :采用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束光刻胶层； h :在第一环状层及第二环状层的各表面沉积一层薄膜即完成该制备工艺； 第一环状层各表面的薄膜材料为PZT，第二环状层各表面的薄膜材料为Ni金属；第一 环状层采用分子束外延技术在各表面生长出一层薄膜；第二环状层采用金属有机化合物化 学气相沉积技术在各表面沉积一层薄膜。
[0016] 实施例2 本实施例提供的一种纳米级谐振光子器件硅衬底刻蚀集成制备工艺，选用硅衬底晶片 为实现载体，其特征在于包括