用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀方法与刻蚀设备与流程

本发明属于集成光子器件或者集成电子器件，尤其涉及用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀方法与刻蚀设备。

背景技术：

1、近年来随着大数据、人工智能、高速网络、量子信息等信息技术的高速发展，对具有低传输损耗、高密度集成、低调制功耗等功能的集成光子器件或者集成电子器件(记作集成光子/电子器件)产生迫切需求。发展高性能集成光子/电子器件要解决的首要问题是如何在用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀出各种微纳结构。

2、例如，铌酸锂(linbo3，ln)和钽酸锂(litao3，lt)具有优异的非线性光学效应、电光效应、声光效应、压电效应等，可以实现各种光子器件或者电子器件的片上集成，因此是用于制备高性能集成光子/电子器件的理想衬底材料，发展基于铌酸锂和钽酸锂的高性能集成光子/电子器件要解决的首要问题是如何在其表面刻蚀出各种微纳结构。

3、刻蚀是指用化学或物理方法有选择地从衬底表面去除多余材料的过程，从而形成所需的微纳图案。刻蚀是半导体微纳制造工艺中的重要步骤之一，按工艺分类，可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀是利用等离子体或高能离子束，通过图案化的阻挡层窗口，轰击掉衬底表面暴露材料的一种工艺方法。干法刻蚀需要用到化学活性极高的气体，对加工环境、设备要求很高，操作复杂、加工成本高。对于铌酸锂衬底和钽酸锂衬底，现有干法刻蚀技术中通常采用氟基气体对铌酸锂和钽酸锂进行刻蚀，但晶体中的锂离子会与刻蚀气体中的氟离子结合在表面生成氟化锂，阻碍进一步刻蚀的同时造成侧壁粗糙。湿法刻蚀是利用液体化学试剂，通常是具有化学反应性的溶液，与带有图案化阻挡层的晶片发生化学反应腐蚀，从而实现刻蚀。湿法刻蚀在刻蚀过程中无法做到各向异性，在操作过程中会引入或产生有毒有害的化学物质，造成环境污染。对于铌酸锂衬底和钽酸锂衬底，现有的湿法刻蚀技术中通常采用氢氟酸对其进行刻蚀，但铌酸锂和钽酸锂具有较高的化学稳定性，很难在短时间内完成目标结构的刻蚀。

技术实现思路

1、针对上述技术现状，本发明提供一种用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀方法，如图1所示。

2、关于声波，包括狭义的声波与广义的声波概念。狭义的声波是指声源振动产生的机械波，所述声源是指能够发出声音的物体。广义的声波是指，振动源振动产生机械波，该机械波以所述狭义的声波的形式进行传播，所述振动源不限，包括所述声源。本发明中所述的声波均指所述广义的声波。

3、本发明的用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀方法包括如下步骤：

4、(1)在所述衬底表面形成图案化的阻挡层，所述阻挡层覆盖所述衬底表面的部分区域，所述衬底表面存在未被阻挡层覆盖而裸露的区域，称为裸露区域；

5、(2)将微纳米颗粒分散在液体中得到混合液，所述混合液可传播声波；将步骤(1)处理后的衬底置于所述混合液中；然后将声波传递至所述混合液，在所述声波的作用下所述微纳米颗粒撞击所述裸露区域，使该区域表面的衬底材料在撞击力作用下发生脱落从而实现该区域的刻蚀。

6、所述衬底的结构不限，可以是单一材料构成的块状结构，称为晶圆，或者是多种材料层层叠构成的复合结构，位于复合结构最顶层的是薄膜材料，包括但不限于铌酸锂、钽酸锂等。作为优选，所述晶圆的材料包括铌酸锂、钽酸锂、蓝宝石、氮化硅、碳化硅、氮化铝、氧化镓、氮化镓、砷化镓、锑化镓、磷化铟、氧化锌或者金刚石等。作为优选，所述复合结构包括绝缘体上铌酸锂(lnoi)、绝缘体上钽酸锂(ltoi)、薄膜铌酸锂(tfln)、薄膜钽酸锂(tflt)等。

7、作为优选，首先将所述衬底的表面进行清洁处理而去除杂质，然后形成所述阻挡层。作为一种实现方式，将所述衬底置于丙酮、乙醇、去离子水等中的一种或者几种进行超声清洁，然后取出干燥。所述干燥方式不限，包括烘烤、氮气吹干等中的一种或者几种。

8、在所述衬底表面形成图案化的阻挡层的方法不限。例如，在所述衬底表面旋涂光刻胶，然后通过光刻形成图案化的阻挡层；或者，采用物理或化学的镀膜工艺在所述衬底表面形成图案化的阻挡层，利用这种方法得到的阻挡层称为硬质阻挡层。硬质阻挡层的材料不限，包括铬、钛、镍、铝、铜、锌、钨、氧化硅、氮化硅、氮化钛、类金刚石等中的一种或者几种。

9、所述阻挡层的厚度不限，可以根据实际情况进行调整，例如厚度为10nm-500nm。

10、所述液体与所述衬底材料不发生化学反应，所述液体不限，包括水、酒精、甘油、煤油、机油、动物油等中的至少一种。

11、所述微纳米颗粒与所述液体不发生化学反应，并且所述微纳米颗粒与衬底材料不发生化学反应。

12、所述微纳米颗粒的材料不限，包括金刚石、氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、过渡金属碳化物等中的一种或者几种。所述金属氧化物包括但不限于氧化铝、氧化铈、氧化铬、氧化锆、氧化铁、三氧化二锰、氧化镧、氧化钇等中的一种或者几种。所述金属氮化物包括但不限于氮化镓、氮化铝、氮化铟等中的一种或者几种。所述过渡金属碳化物包括但不限于碳化硅、碳化钛、碳化钙、碳化硼、碳化钨等中的一种或者几种。

13、所述微纳米颗粒的粒径在微米量级或者纳米量级，作为优选，所述微纳米颗粒的粒径为1nm-100μm。

14、所述微纳米颗粒在混合液中的质量体积浓度不限，根据实际刻蚀需求而定，例如可以是0.0001g/l-1000g/l。

15、所述步骤(2)中，作为一种实现方式，通过声波产生装置产生声波，将该声波传递至所述混合液。

16、所述步骤(2)中，为了提高刻蚀效果，所述微纳米颗粒的硬度较大，作为进一步优选，所述微纳米颗粒的硬度大于所述衬底的材料硬度。例如，当所述衬底为铌酸锂晶圆时，其莫氏硬度为5.0-6.0，选择莫氏硬度为6.0以上的微纳米颗粒进行刻蚀。当所述衬底为钽酸锂薄膜时，其硬度为5.5-6.0，选择莫氏硬度为6.0以上的微纳米颗粒进行刻蚀。

17、所述步骤(2)中，所述声波的振动方向可根据需要设置，为了提高对所述裸露区域的撞击率，作为优选，所述声波的振动方向垂直于所述裸露区域表面。

18、所述步骤(2)中，为了提高所述微纳米颗粒的运动能力，优选加热所述混合液，较高的温度有利于所述微纳米颗粒的运动加剧，优选所述混合液温度为10℃-100℃。

19、所述步骤(2)中，作为优选，将步骤(1)处理后的衬底固定在支撑台上并置于所述混合液中。所述衬底的固定方式不限，可以通过粘附剂粘结在支撑台上、通过吸附件吸附在支撑台上，或者通过连接件固定连接在支撑台上。作为进一步优选，所述支撑台可旋转，从而辅助增强微纳米颗粒的运动，所述支撑台的转速优选为1rpm-1000rpm。作为进一步优选，所述支撑台可升降，从而有利于衬底的安装与拆卸。作为优选，所述支撑台可根据需要设置方向以及数量。

20、所述步骤(2)中，作为优选，所述声波的振动频率为20hz-1500khz。为了加速微纳米颗粒的运动，从而提高对裸露区域的撞击效率，作为进一步优选，所述的振动频率为1khz-1500khz。

21、所述步骤(2)中，作为优选，所述声波的声功率密度为1瓦特/升-1500瓦特/升。

22、所述步骤(2)中，通过调节所述微纳米颗粒的种类、在所述混合液中的浓度、粒径、硬度，声波的振动频率、功率密度、振动时间，以及所述混合液温度中的一种或者几种调节所述微纳米颗粒的撞击力。所述撞击力依据具体的刻蚀需求而定。

23、作为优选，刻蚀结束后取出所述衬底清洗，然后去除所述阻挡层，获得刻蚀后图案化的微纳结构表面层，优选利用抛光工艺对该表面层进行抛光处理，降低表面层微纳结构的表面粗糙度。

24、去除所述阻挡层的方法不限。当采用在所述衬底表面旋涂光刻胶，然后通过光刻形成所述阻挡层时，优选使用有机溶剂超声清洗所述阻挡层。当所述阻挡层是硬质阻挡层时，优选采用等离子体处理等的方式去除所述阻挡层。

25、刻蚀后所述混合液中包含衬底材料碎屑，该碎屑可以作为所述混合液中的微纳米颗粒，用于对后续置于所述混合液中的衬底进行声波驱动刻蚀。

26、本发明还提供一种用于集成光子/电子器件的衬底的刻蚀设备，包括用于盛放混合液的容器以及用于产生声波的声波产生装置；

27、所述混合液包括液体与微纳米颗粒；所述声波可在所述混合液中传播；

28、所述衬底表面设置图案化的阻挡层，所述衬底表面存在未被所述阻挡层覆盖而裸露的区域，称为裸露区域；

29、工作状态时，将带有阻挡层的所述衬底置于所述混合液中，所述声波产生装置产生声波传递至所述混合液，在所述声波的驱动作用下，所述微纳米颗粒撞击所述裸露区域，使该区域表面的衬底材料在撞击力作用下发生脱落，从而实现裸露区域的刻蚀。

30、作为一种实现方式，所述声波产生装置包括声波发生器与声波换能器，声波发生器将电能转换为与声波换能器相匹配的高频交流电信号，声波换能器将输入的电功率转换为机械振动功率，以振动形式输出，即得到所述声波。

31、作为一种实现方式，声波发生器设置在所述容器外部，声波换能器设置在混合液中，声波换能器输出的声波振动直接传递至所述混合液并在混合液中传播。作为另一种实现方式，声波发生器设置在所述容器外部，声波换能器置于容器的底部，通过容器壁将该声波传递至容器中的混合液并在混合液中传播。

32、作为一种实现方式，刻蚀设备还包括支撑台，工作状态时，将带有所述阻挡层的所述衬底固定在所述支撑台表面，然后将所述支撑台浸没于所述混合液中。所述衬底的固定方式不限，可以通过粘附剂粘结在支撑台上、通过真空吸附件吸附在支撑台上，或者通过连接件固定连接在支撑台上。作为进一步优选，所述支撑台可旋转，从而辅助增强微纳米颗粒的运动，所述支撑台的转速优选为1rpm-1000rpm。作为进一步优选，所述支撑台可升降，从而有利于衬底的安装与拆卸。作为优选，所述支撑台可根据需要设置方向以及数量。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

34、(1)本发明提供了一种用于集成光子/电子器件的衬底表面刻蚀方法，将所述衬底置于包含微纳米颗粒的混合液中，将声波传递至所述混合液，声波在所述混合液中传播，在声波的驱动下，所述微纳米颗粒撞击衬底表面未被阻挡层覆盖而裸露的区域，使该区域表面的衬底材料在撞击力作用下发生脱落从而实现该区域的刻蚀，该方法无污染、成本低、可控性强，能够根据实际刻蚀所需通过调整微纳米颗粒种类、粒径、浓度、硬度，声波的振动频率、振动时间，以及混合液温度等中的一种或者几种调节微纳米颗粒的撞击力。

35、(2)利用本发明的方法能够实现基于铌酸锂晶体和钽酸锂晶体表面的各种微纳结构，是高性能集成光子/电子器件的一种实现途径。

36、(3)本发明提供的刻蚀设备结构简单、成本低，能够实现超声驱动微纳米颗粒刻蚀衬底表面。

37、(4)本发明操作简单方便，适合衬底刻蚀的大规模生产和商业化，刻蚀后的混合液可重复利用，节能环保，刻蚀后的衬底可用于集成光子/电子器件，实现大规模高性能集成光子/电子器件。