平面环形微腔的制造方法技术

本发明专利技术涉及微型光学谐振器－光学微腔，具体是一种平面环形微腔。解决了以现有加工方法加工制得的环形微腔未能获得超高品质因数Ｑ值的问题，是以如下步骤方法制得的：１．在硅基上热生长出二氧化硅层，去离子水和丙酮清洗，氮气烘干，高温炉内烘烤；２．利用刻蚀工艺将硅基上的二氧化硅层刻蚀成圆盘状；３．对硅基进行各向同性腐蚀以在圆盘状二氧化硅层下方形成光滑的圆台状支柱；４．采用激光器以高斯热分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层进行表面热处理，使圆盘状二氧化硅层中心表面塌陷形成环状腔体。具有良好的光学特性、光学存储作用、超高品质因数，在非线性光学、光子学、量子电动力学、高灵敏度微光学器件等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微型光学谐振器一光学微腔，具体是一种采用MEMS微加工 工艺和激光微加工工艺相结合加工而成的具有高品质因数的平面环形微腔。
技术介绍
光学微腔是指尺寸可与光波波长相比拟的微型光学谐振器，是近年来在凝 聚态介观物理研究中非常活跃的一个领域。目前已出现的半导体光学微腔大体 可归结为以下三种典型的腔结构法布里-珀罗(F-P)微腔、"回音壁模式"(WG) 型微腔、光子晶体缺陷型微腔。其中，"回音壁模式"(whispering gallery mode) 是光波在腔内弯曲界面传播时，会发生全反射，从而形成了沿界面半波长范围 内传播的具有较高品质因数Q值的模式，该模式的腔结构对进入到腔内的电磁 波有很强的局域作用，腔内的能量只有很小的一部分会泄露出腔体之外造成损 失，是一种相当成功的高Q值光学微腔。因此，在许多应用领域具有很好的应 用前景，比如高灵敏度传感器、低阈值激光器等等。随着MEMS微细加工技术的发展，人们打破了 F-P腔、微球腔等形式的 传统研究工具，开始想方设法结合新的微细加工技术来设计加工能在应用领域 展开研究的光学微腔。因此，加工相对简单、具有便于与其他部件耦合的独特 结构的"回音壁模式"型环形微腔成为了人们研究的选择。各研究单位在材料 选择、加工方法等方面进行了多种尝试，也取得的一些进展。例如美国华盛 顿大学以光致漂白方法制作的聚合物环形微腔，美国密歇根大学以纳米压印技术在金属基底上制作的SI02环形微腔，还有选择SOI材料加工的环形微腔，在硅基底上用光刻、腐蚀的办法制作环形微腔，等等。目前应用上述方法加工而成的环形微腔在传感器、滤波器等方面进行了若干研究，经研究、实践证明现有环形微腔尽管品质因数Q值较高，但未能获得 超高品质因数Q值，进而限制了其推广应用。无法获得超高品质因数Q值的 原因主要有以下两点1、上述各加工方法加工得到的环形微腔的截面为"方 形"(如图4所示)，此结构会增加光在传播过程之中的固有损耗，不利于超高 品质因数Q值环形微腔的获得；2、上述各加工方法加工所得的环形微腔的表 面粗糙度较高， 一定程度上限制了光的存储时间，降低了品质因数Q值。
技术实现思路
本专利技术为了解决以现有加工方法加工制得的环形微腔未能获得超高品质 因数Q值，进而限制其推广应用的问题，提供了一种适合集成化生产的、具有 超高品质因数Q值的平面环形微腔。本专利技术是采用如下技术方案实现的平面环形微腔，是以如下步骤方法制 得的1、 利用硅热氧化工艺在硅基上热生长出厚度为2 5拜的二氧化硅层，然后用去离子水和丙酮清洗后，用氮气烘干，再在高温炉中100 15(TC高温范围内烘烤5 10分钟；2、 利用刻蚀工艺将硅基上的二氧化硅层刻蚀成圆盘状；其中，圆盘的大小决定了待加工环形微腔的大小。3、 利用体硅微加工工艺对硅基进行各向同性腐蚀以在圆盘状二氧化硅层 下方形成光滑的圆台状支柱；4、采用激光器以高斯热分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层进行表 面热处理，使圆盘状二氧化硅层中心表面塌陷形成环状腔体，得到所述平面环 状微腔。与现有技术相比，本专利技术采用激光器以高斯热分布模式对圆盘状二氧化硅 层进行表面热处理，使圆盘状二氧化硅层中心表面塌陷从而在圆盘边缘依靠表 面张力形成环状腔体，与方形截面环形微腔相比降低了能量的损耗；并且环形 微腔的厚度在3~5nm，使内部的光场分布更加紧凑因而具有极低的模式体积； 在圆盘状二氧化硅层中心塌陷的同时，圆盘边缘开始融化，并在表面张力作用 下形成环形腔的超表面，提高了腔体的表面光洁度，降低了由于粗糙表面带来 的光的散射损失，因此具有极高的品质因数。同时，在平面环形微腔下方用体 硅微加工工艺加工出圆台状支柱有以下优点1、支撑环形微腔腔体，2、将环 形微腔抬高一定高度有利于环形微腔与其他光波导部件的光学耦合，3、使环 形微腔下部悬空，从而避免了基底对微腔光学特性的影响。因此，本专利技术所述 平面环形微腔较现有环形微腔具有更稳定、更高的品质因数。并且由于其集成 化的综合加工方法支持批量生产，从而保证了同批设计加工的产品性能的统一 性。本专利技术所述平面环形微腔以其良好的性能通过与耦合波导的光耦合可以在 高灵敏度传感器、滤波器等微光学器件上广泛应用。所述硅热氧化工艺、刻蚀 工艺、体硅微加工工艺是现有公知技术。分别对本专利技术所述平面环形微腔和用纳米压印技术制备的环形微腔(直径 9(Him)进行透射光谱分析，得透射光谱图如图3、 5所示，由本专利技术所述平面 环形微腔的透射光谱图(如图3所示)可大致推算出此环形微腔的品质因数Q 为108，自由光谱宽度为5.65nm;而用纳米压印技术制备的环形微腔的透射光谱图(如图5所示)可分析得该环形微腔的品质因数Q值约为104。本专利技术所 述平面环形微腔的品质因数明显高出以纳米压印技术制备的环形微腔4个数量 级，充分说明了用MEMS微加工工艺和激光微加工工艺相结合加工而成的平 面环形微腔的优势。本专利技术具有良好的光学特性、光学存储作用、超高的品质因数，在非线性 光学、光子学、量子电动力学、高灵敏度微光学器件等领域具有广泛的应用前學附图说明图1是本专利技术所述平面环形微腔的加工工序示意图2是本专利技术所述平面环形微腔放大后的实物结构图3为本专利技术所述平面环形微腔(直径卯pm)的透射光谱图4为用纳米压印技术制备的环形微腔放大后的实物结构图5为用纳米压印技术制备的环形微腔(直径90^im)的透射光谱图中l-硅基；2-二氧化硅层；3-平面环形微腔。具体实施例方式平面环形微腔，是以如下步骤方法制得的1、 利用硅热氧化工艺在硅基1上热生长出厚度为2~5pm的二氧化硅层2， 然后用去离子水和丙酮清洗后，用氮气烘干，再在高温炉中100 150。C高温范 围内烘烤5 10分钟；2、 利用刻蚀工艺将硅基1上的二氧化硅层2刻蚀成圆盘状；其中，圆盘的大小决定了待加工环形微腔的大小。3、 利用体硅微加工工艺对硅基1进行各向同性腐蚀以在圆盘状二氧化硅层2下方形成光滑的圆台状支柱；4、采用激光器以高斯热分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层2进行 表面热处理，使圆盘状二氧化硅层2中心表面塌陷形成环状腔体，得到所述平 面环状微腔3。具体实施时，步骤1中的硅基选择<110>晶向的硅片，硅基的直径选择并 无限定，区别仅在于大直径的硅基在划片的时候会有大的选择余地。其中，"用 去离子水和丙酮清洗后，用氮气烘干，再在高温炉中100 15(TC高温范围内烘 烤5 10分钟"是硅热氧化工艺加工后的常规处理手段。步骤2中，利用的刻蚀工艺可以采用反应离子束刻蚀工艺或者光刻工艺或 者其它刻蚀工艺，如采用光刻工艺，其光刻胶选择美国Shipley公司的1813号 为宜。涂胶方法可以是旋转法、喷涂法和提拉法中其一。增粘剂首先选择六甲 基三硅氧烷HMDS，也可以是三甲基甲硅烷二乙基胺TMSDEA或者六甲基环 三硅氧烷HMCTS。步骤3中，采用氟化氤XeF2在400Pa压力条件下对硅基进行各向同性腐 蚀。之所以选择氟化氙XeF2是因为1、氟化氙XeF2对硅基表面的二氧化硅 层没有影响；2、采用氟化氙XeF2对硅基进行各向同性腐蚀，更有利于形成光 滑的圆台状支柱，此形状支柱在一定程度上保证了环形微腔的性能。其中，腐 蚀的时间长短决定于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面环形微腔，其特征在于：是以如下步骤方法制得的：　１）、利用硅热氧化工艺在硅基（１）上热生长出厚度为２～５μｍ的二氧化硅层（２），然后用去离子水和丙酮清洗后，用氮气烘干，再在高温炉中１００～１５０℃高温范围内烘烤５～１０分钟；　２）、利用刻蚀工艺将硅基（１）上的二氧化硅层（２）刻蚀成圆盘状；　３）、利用体硅微加工工艺对硅基（１）进行各向同性腐蚀以在圆盘状二氧化硅层（２）下方形成光滑的圆台状支柱；　４）、采用激光器以高斯热分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层（２）进行表面热处理，使圆盘状二氧化硅层（２）中心表面塌陷形成环状腔体，得到所述平面环状微腔（３）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张文栋，闫树斌，熊继军，薛晨阳，严英占，吉喆，王少辉，姜国庆，王宝花，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]