專利名稱：微機電可調氮化物諧振光柵及其雙面加工方法
技術領域：
本發明屬于信息材料與器件技術領域，涉及雙面加工法制備微機電可調氮化物諧振光柵。
背景技術：
氮化物材料，特別是氮化鎵材料，在近紅外和可見光波段具有優良的光學性能，應用前景廣泛。生長在高阻硅襯底上的氮化物材料，為實現微機電可調的氮化物光子器件提供了可能:1，利用高阻硅襯底可以實現器件的絕緣隔離，發揮器件結構之間的靜電引力；2，利用深硅刻蝕技術，可以解決高阻硅襯底和氮化物材料的剝離問題，獲得懸空的氮化物薄膜；3，氮化物材料和空氣的高折射率差異，可以設計實現優良性能的諧振光柵，其光學性能受材料厚度以及光柵結構的影響；4，氮化物材料特別是氮化鎵材料具有優良的機械系能，適合發展微機電器件；5，由于靜電引力，微納驅動器見將會產生物理位移，利用彈簧結構，改變諧振光柵的周期、占空比等結構參數，實現對光柵光學性能的調控。
發明內容
技術問題:本發明提出雙面加工法制備微機電可調氮化物諧振光柵，包括固定梳齒、可移動梳齒、彈簧結構和諧振光柵結構。高阻硅襯底氮化物器件層的厚度通常由生長條件決定，厚度自由度較小，為設計氮化物諧振光子器件帶來困難，同時厚膜氮化物的刻蝕加工是一大難題。本發明提供的技術方法能夠解決懸空氮化物器件的加工問題，獲得厚度可控的氮化物微納靜電驅動器和諧振光柵，并通過微機電結構和諧振光柵的集成，實現器件結構的可控，從而改變器件的光學性能。技術方案:本發明的微機電可調氮化物諧振光柵，在高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上，設置有第一極性區域、第二極性區域、隔離第一極性區域和第二極性區域的隔離槽，第一極性區域上設置有固定梳齒，第二極性區域上設置有依次連接的諧振光柵結構、彈簧結構和可移動梳齒，可移動梳齒與固定梳齒相對錯開設置。本發明中，固定梳齒、諧振光柵結構、彈簧結構和可移動梳齒均為納米結構。本發明中，在高阻硅襯底氮化物晶片上，采用懸空氮化物薄膜背后減薄技術，實現氮化物層厚度可調的微機電可調氮化物諧振光柵器件。本發明制備微機電可調氮化物諧振光柵的雙面加工方法，利用高阻硅的物理特性，實現驅動器固定部分和可移動部分的分離，利用靜電引力驅動器件的可移動部分，改變氮化物諧振光柵的結構參數，調控器件的光學性能。包括如下具體步驟:
1)在高阻硅襯底氮化物晶片上進行背后拋光減薄；
2)在高阻硅襯底氮化物晶片上形成掩膜層，然后在掩膜層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后將微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構從掩膜層轉移至高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上；
3)去除殘余的掩膜層；
4)在氮化物層上旋涂光刻膠，形成光刻膠層；
5)采用光刻技術，在光刻膠層上定義隔離槽；
6)采用三五族刻蝕技術，在氮化物層上將隔離槽刻蝕至高阻硅襯底；
7)去除氮化物層上剩余的光刻膠層；
8)在氮化物層上旋涂一層保護膠用來保護器件結構，同時在高阻硅襯底層上旋涂一層光刻膠，形成光刻膠層；
9)使用背后對準工藝，定位氮化物層上的器件，具體方法為:采用光刻的方法，在高阻娃襯底層旋涂的光刻膠層上打開與器件位置相對應的窗口 ；
10)采用ICP深硅刻蝕的方法，通過步驟9)形成的光刻膠層窗口，刻蝕高阻硅襯底層，直至氮化物層；
11)采用ICP三五族刻蝕技術刻蝕，通過步驟10)已打開的窗口，繼續刻蝕氮化物層，直至實現可移動梳齒與固定梳齒分離，以及諧振光柵結構的分離；
12)去除氮化物層上的保護膠層和高阻硅襯底上剩余的光刻膠層，實現微機電可調諧振光柵。本發明的一個優選方案中，步驟2 )和步驟3 )中的掩膜層均為電子束膠層，步驟2 )中采用離子束轟擊法或三五族刻蝕技術，將定義的器件結構從電子束膠層轉移到氮化物層上。本發明的一個優選方案中，步驟2)和步驟3)中的掩膜層包括在高阻硅襯底氮化物晶片上形成的氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，以及在氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層上形成的電子束膠層，步驟2)中，先在電子束膠層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后采用離子束轟擊法或反應離子刻蝕的方法，將微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構從電子束膠層轉移至氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，然后采用離子束轟擊法或三五族刻蝕技術，將定義的器件結構從氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層轉移到氮化物層上。本發明可結合氮化物掩膜刻蝕技術，采用二氧化硅或氧化鉿薄膜，作為刻蝕掩膜層，可在步驟I)前采用相應的成膜技術，并采用電子束曝光首先在掩膜層定義微納靜電驅動器和諧振光柵結構，通過掩膜層刻蝕技術刻穿掩膜層至氮化物器件層，然后采用離子束轟擊或反應離子束刻蝕方法，獲得氮化物微納靜電驅動器和諧振光柵結構。有益效果:本發明與現有技術相比，具有以下優點:
本發明的微機電可調氮化物諧振光柵，實現在高阻硅襯底氮化物晶片上，在微機電可調氮化物諧振光柵下方形成空腔，完成懸空微型納米靜電驅動器和諧振光柵的集成:
(O因為高阻硅的物理特性，利用隔離槽，實現第一極性區域和第二極性區域的分離，從而區分出微型納米靜電驅動器的正負極；
(2)在第一極性區域和第二極性區域分別施加電壓，利用靜電引力驅動微型納米驅動器的可移動梳齒向固定梳齒位移，使彈簧結構發生形變，從而帶動諧振光柵結構拉伸或復位，改變諧振光柵結構的周期和占空等結構參數，實現微機電可調氮化物諧振光柵。
本發明基于高阻硅襯底氮化物材料上，氮化物材料，尤其是氮化鎵材料與傳統硅晶材料相比在近紅外，特別是在可見光波段具有優良的光學性能；利用氮化物材料與空氣之間的高折射率差異適合發展近紅外與可見光波段的諧振光柵，其光學性能與材料厚度以及諧振光柵結構相關；利用氮化物材料特別是氮化鎵材料良好的機械性能，適合發展微型納米靜電驅動器；使微型納米靜電驅動器和諧振光柵集成，通過微型納米驅動器來調控諧振光柵的周期和占空比等結構參數，可以減少諧振光柵受結構參數的影響，增加諧振光柵的諧振帶寬，提高諧振光柵的利用效率，同時還能精密調節諧振光柵的周期和諧振頻率，使諧振光柵結構更加精密。本發明應用懸空氮化物薄膜背后減薄技術，可以解決頂層氮化物器件的刻蝕難題。通過背后減薄，可以獲得厚度可控的氮化物薄膜，形成懸空微機電可調氮化物諧振光柵，滿足氮化物諧振光柵的設計需求。
圖1為高阻硅襯底微機電可調氮化物諧振光柵示意 圖2為高阻硅襯底微機電可調氮化物諧振光柵懸空結構的側視示意 圖3為高阻硅襯底微機電可調氮化物諧振光柵工藝流程圖。圖中有:第一極性區域1、第二極性區域2、固定梳齒11、諧振光柵結構21、彈簧結構22、可移動梳齒23、隔離槽3。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1、2所示，本發明設計了一種微機電可調氮化物諧振光柵器件，在高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上，設置有第一極性區域1、第二極性區域2、隔離第一極性區域I和第二極性區域2的隔離槽3 ;利用高阻硅襯底的物理特性和隔離槽的結構作用，將第一極性區域和第二極性區域隔離開；第一極性區域I上設置有固定梳齒11，第二極性區域2上設置有依次連接的諧振光柵結構21、彈簧結構22和可移動梳齒23，可移動梳齒23與固定梳齒11相對錯開設置。本發明的一種實施例中，固定梳齒11、諧振光柵結構21、彈簧結構22和可移動梳齒23均為納米結構。實現載體為高阻硅襯底氮化物晶片。利用高阻硅的物理特性和隔離槽的結構特點，實現第一極性區域I和第二極性區域2在結構和電性上的分離；在第一極性區域I和第二極性區域2施加反向電壓，利用靜電引力驅動微型納米靜電驅動器的可移動梳齒23向固定梳齒11位移；通過微型納米靜電驅動器和諧振光柵21的集成，利用微型納米靜電驅動器改變氮化物諧振光柵21的占空比及周期，實現諧振光柵21結構的可控，從而調控器件的光學性能，其中:
微機電可調氮化物諧振光柵器件中，微機電部分是指微型納米靜電驅動器，與諧振光柵21部分完全懸空；微機電部分包括固定梳齒11、可移動梳齒23和彈簧結構22 ； 微機電可調氮化物器件通過隔離槽3將固定梳齒11與可移動梳齒23、彈簧結構22、諧振光柵21在結構上和電性上分離，利用高阻硅的物理特性，并結合隔離槽3形成驅動器的正負極；
微機電可調氮化物器件利用靜電引力，驅動可移動梳齒23向固定梳齒位移11，帶動彈簧結構22與可移動梳齒23的位移發生同方向形變，彈簧結構22連同驅動部分控制諧振光柵21的周期及占空比的增大或復原，通過改變諧振光柵21的結構參數來調控其光學性能。如圖3所示，本發明還提供了用雙面加工制備微機電可調氮化物諧振光柵的方法。高阻硅襯底氮化物器件層的厚度通常由生長條件決定，厚度自由度較小，為設計氮化物諧振光子器件帶來困難，同時厚膜氮化物的刻蝕加工也是一大難題。本發明提供的技術方法能夠去除器件下方的高阻硅襯底，解決懸空氮化物器件的加工問題，使微機電氮化物諧振光柵器件懸空，從背后減薄氮化物層，使其厚度可控，具體包括如下步驟:
1)在聞阻娃襯底氣化物晶片上進行聞阻娃襯底層的拋光減薄；
2)在高阻硅襯底氮化物晶片上形成掩膜層，然后在掩膜層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后將微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構從掩膜層轉移至高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上；
3)去除殘余的掩膜層；
4)在氮化物層上旋涂光刻膠，形成光刻膠層；
5)采用光刻技術，在光刻膠層上定義隔離槽3；
6)采用三五族刻蝕技術，在氮化物層上將隔離槽3刻蝕至高阻硅襯底；
7)去除氮化物層上剩余的光刻膠層；
8)在氮化物層上旋涂一層保護膠用來保護器件結構，同時在高阻硅襯底層上旋涂一層光刻膠，形成光刻膠層；
9)使用背后對準工藝，定位氮化物層上的器件，具體方法為:采用光刻的方法，在高阻娃襯底層旋涂的光刻膠層上打開與器件位置相對應的窗口 ；
10)采用深硅刻蝕的方法，通過步驟9)形成的光刻膠層窗口，刻蝕高阻硅襯底層，直至氮化物層；
11)采用三五族刻蝕技術刻蝕，通過步驟10)已打開的窗口，繼續刻蝕氮化物層，直至實現可移動梳齒(23)與固定梳齒(11)分離，以及諧振光柵結構(21)的分離；
12)去除氮化物層上的保護膠層和高阻硅襯底上剩余的光刻膠層，實現微機電可調諧振光柵。本發明的一種具體實施例中，上述步驟2)和步驟3)中的掩膜層均為電子束膠層，步驟2)中采用離子束轟擊法或三五族刻蝕技術，將定義的器件結構從電子束膠層轉移到氮化物層上。作為本發明的另一種具體實施例，可結合氮化物掩膜刻蝕技術，在步驟2)和3)中掩膜層包括在高阻硅襯底氮化物晶片上形成的氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，以及在氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層上形成的電子束膠層，步驟2)中，先在電子束膠層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后采用離子束轟擊法或反應離子刻蝕的方法，將微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構從電子束膠層轉移至氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，然后采用離子束轟擊法或三五族刻蝕技術，將定義的器件結構 從氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層轉移到氮化物層上。
權利要求
1.一種微機電可調氮化物諧振光柵，其特征在于，在高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上，設置有第一極性區域(I)、第二極性區域(2)、隔離所述第一極性區域(I)和第二極性區域(2)的隔離槽(3)，所述第一極性區域(I)上設置有固定梳齒(11)，所述第二極性區域(2 )上設置有依次連接的諧振光柵結構(21)、彈簧結構(22 )和可移動梳齒(23 )，所述可移動梳齒(23 )與固定梳齒(11)相對錯開設置。
2.根據權利要求1所述的微機電可調氮化物諧振光柵，其特征在于，在所述高阻硅襯底氮化物晶片上，采用懸空氮化物薄膜背后減薄技術，實現氮化物層厚度可調的微機電可調氮化物諧振光柵器件。
3.根據權利要求1或2所述的微機電可調氮化物諧振光柵，其特征在于，所述固定梳齒(11)、諧振光柵結構(21)、彈簧結構(22 )和可移動梳齒(23 )均為納米結構。
4.一種制備權利要求1或2所述微機電可調氮化物諧振光柵的雙面加工方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)在高阻硅襯底氮化物晶片上進行背后拋光減薄； 2)在高阻硅襯底氮化物晶片上形成掩膜層，然后在所述掩膜層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后將所述微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構從掩膜層轉移至高阻硅襯底氮化物晶片的氮化物層上； 3)去除殘余的掩膜層； 4)在氮化物層上旋涂光刻膠，形成光刻膠層； 5)采用光刻技術，在所述光刻膠層上定義隔離槽(3)； 6)采用三五族刻蝕技術，在氮化物層上將所述隔離槽(3)刻蝕至高阻硅襯底； 7)去除氮化物層上剩余的光刻膠層； 8)在氮化物層上旋涂一層保護膠用來保護器件結構，同時在高阻硅襯底層上旋涂一層光刻膠，形成光刻膠層； 9)使用背后對準工藝，定位氮化物層上的器件，具體方法為:采用光刻的方法，在高阻娃襯底層旋涂的光刻膠層上打開與器件位置相對應的窗口 ； 10)采用深硅刻蝕的方法，通過所述步驟9)形成的光刻膠層窗口，刻蝕高阻硅襯底層，直至氮化物層； 11)采用ICP三五族刻蝕技術刻蝕，通過所述步驟(10)已打開的窗口，繼續刻蝕氮化物層，直至實現可移動梳齒(23)與固定梳齒(11)分離，以及諧振光柵結構(21)的分離； 12)去除氮化物層上的保護膠層和高阻硅襯底上剩余的光刻膠層，實現微機電可調諧振光柵。
5.根據權利要求4所述的制備微機電可調氮化物諧振光柵的雙面加工方法，其特征在于，所述步驟2)和步驟3)中的掩膜層均為電子束膠層，步驟2)中采用離子束轟擊法或三五族刻蝕技術，將定義的器件結構從電子束膠層轉移到氮化物層上。
6.根據權利要求4所述的制備微機電可調氮化物諧振光柵的雙面加工方法，其特征在于，所述步驟2)和步驟3)中的掩膜層包括在高阻硅襯底氮化物晶片上形成的氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，以及在所述氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層上形成的電子束膠層，步驟2)中，先在電子束膠層上定義微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構，之后采用離子束轟擊法或反應離子刻蝕的方法，將所述微型納米靜電驅動器和氮化物諧振光柵的器件結構 從電子束膠層轉移至氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層，然后采用離子束轟擊法或ICP三五族刻蝕技術，將定義的器件結構從氧化鉿掩膜層或二氧化硅掩膜層轉移到氮化物層上。
全文摘要
本發明公開了一種微機電可調氮化物諧振光柵，實現氮化物諧振光柵和微型納米靜電驅動器的集成并提出了雙面加工法制備微機電可調氮化物諧振光柵的方法；該微機電可調氮化物諧振光柵實現在高阻硅襯底氮化物晶片上，采用薄膜沉積、電子束曝光、光刻、反應離子刻蝕、三五族刻蝕等技術定義和刻蝕器件，采用背后對準工藝和深硅刻蝕技術，去除微機電可調氮化物諧振光柵下方的高阻硅襯底，然后采用三五族刻蝕技術對微機電可調氮化物光柵進行背后減薄，完成懸空微型納米靜電驅動器和諧振光柵的集成；通過微型納米靜電驅動器調控諧振光柵的周期、占空比等結構參數，從而達到改變器件光學性能的目的。
文檔編號G02B5/18GK103185909SQ20131008533
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月18日 優先權日2013年3月18日
發明者王永進, 施政, 高緒敏, 賀樹敏, 李欣, 于慶龍 申請人:南京郵電大學