專利名稱：交叉光柵光子晶體以其多次曝光的制造工藝的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種制造光子晶體無源光學(xué)器件的方法。光子晶體器件特別適用于工作范圍大約為800—1800nm的光通信系統(tǒng)。較佳工和波長范圍為1300—1600nm。
光子晶體是一種介電常數(shù)呈周期性變化的結(jié)構(gòu)。這種周期性結(jié)構(gòu)可以是一維、二維或三維的。光子晶體允許某些光波長通過，而不允許其它的光波長通過。因此，稱光子晶體具有容許的波長帶和波長帶隙，其中帶隙限定了那些為晶體排除的波長。也就是說，波長帶隙內(nèi)的光不能通過光子晶體。而波長位于帶隙上下的光可以在晶體中傳播。光子晶體呈現(xiàn)一組帶隙，它們類似于布拉格散射方程的解。帶隙決定于電介常數(shù)的變化周期。因此，介電常數(shù)變化的周期性陣列對某些波長的光起布拉格散射體的作用，這類似于晶格中的原子對X射線進行的布拉格散射。在光子晶體介電常數(shù)的周期性變化中引入缺陷，將引入所謂的缺陷模式，缺陷模式對應(yīng)于能夠在含缺陷的晶體部分傳播的那些特定光波長。因為某個特定波長不能在晶體的正常部分中傳播，但能在缺陷區(qū)內(nèi)傳播，所以晶體內(nèi)的點缺陷可以將該特定光波長陷于一局域化的“光腔”中。與此類似，光子晶體中的線缺陷可以起波導(dǎo)的作用，它允許某個導(dǎo)模存在于帶隙中，此時晶體點陣將導(dǎo)向光限制在晶體線缺陷中。在三維的光子晶體中，平面缺陷對帶隙中的波長起條形波導(dǎo)的作用。
關(guān)于光子晶體結(jié)構(gòu)和作用的評述，可以參見Joannopoulous等人于1997年3月13日在Nature，第396卷，第143—149上發(fā)表的“光子晶體光的新轉(zhuǎn)折”。
對于通信業(yè)感興趣的特定波長，即上述在大約1300—1600nm范圍的波長來說，介電常數(shù)的變化周期必需大約為500nm。能有效產(chǎn)生這么小周期性的技術(shù)包括電子束平版印刷術(shù)、X射線平版印刷術(shù)，或Andesson等人在美國專利5,142,385中描述的激光干涉平版印刷術(shù)。光刻法的近期發(fā)展，例如準(zhǔn)分子激光器的使用，可以實現(xiàn)大約0.18μm(180nm)的分辨率。
在上述最后一篇文獻中，使用一個位于相位傳感器裝置和相移元件之間的反饋回路使激光強度圖案在空間和時間上穩(wěn)定。相干激光束之間的相對相位是用放置在其中一條光束光路中的移相器來測量和調(diào)節(jié)的。測量光束的相對相位并不容易，因為需要將每條光束的一個采樣投射到諸多光束相互作用形成干涉圖案的一個公共平面上。調(diào)節(jié)移相器，可最大程度地減少干涉圖案的變化，從而穩(wěn)定主光束間的相對相位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法至少用兩種明顯不同的干涉圖案在光致抗蝕層中刻寫一電子晶體點陣。用激光平版印刷術(shù)對光致刻蝕劑曝光，結(jié)果交叉的干涉圖案就刻寫在光致刻蝕劑上。用背面曝光工藝在光子晶體內(nèi)刻寫一波導(dǎo)。光致刻蝕劑的背面是襯底上或最靠近襯底的那一面。背面曝光技術(shù)使光致刻蝕劑和掩模之間的有效間隙為零。
本發(fā)明的第一個方面是一種制造光子晶體的方法，該方法首先對平坦的襯底涂覆一層厚的光致刻蝕層。在本文中，厚是指在3-10μm的范圍。然后，在光致刻蝕劑表面上或其附近形成一個激光干涉條紋圖案。聚焦此條紋圖案，以便穿透光致刻蝕劑的厚度，對光致刻蝕劑的整個厚度進行曝光。預(yù)先選擇光致刻蝕劑對于此條紋圖案的曝光強度和持續(xù)時間，以便所提供的曝光低于該光致刻蝕劑材料的曝光閾值。如果光致刻蝕劑材料的曝光量低于閾值水平，那么在顯影步驟中將不會對材料感光。
然后，光致刻蝕劑接受第二組激光干涉條紋的曝光。此第二組條紋的長度尺寸與第一組條紋的長度尺寸成一定角度。同樣，曝光條件也選擇成小于光致刻蝕劑的曝光閾值。然而，受第一組和第二組條紋曝光的光致刻蝕區(qū)域，即兩個條紋圖案重疊的那些區(qū)域，受到了大于閾值的曝光量。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難明白，可以用不止兩組條紋對部分光致刻蝕劑曝光至閾值以上的水平，形成具有各種周期性的種種圖案，其中所用條紋分別具有預(yù)選的波長、寬度和強度，并且投射到光致刻蝕劑上各自預(yù)選的時間段。例如，采用一種三條紋圖案曝光方案可以獲得六方光子晶體模型。這時，這三個條紋圖案的相應(yīng)軸，即以直角通過條紋長度尺寸的直線，相互成120°。
在此新穎方法的最后一步，將曝過光的光致刻蝕劑進行顯影，形成光子晶體。顯影是指對光致刻蝕劑施加一種化學(xué)試劑，將光致刻蝕劑中曝光量大于閾值水平的那些部分溶解掉。顯影后留下的周期性結(jié)構(gòu)就是光子晶體。在光子晶體的周期性排列特征中，高寬比即是特征高度對于特征直徑之比，該比值必須大于或等于大約3，這樣光子晶體才能在紅外波長區(qū)內(nèi)工作，并且包括紅外光的傳播或駐波模式(standing mode)。如果要使用光子晶體的第一帶隙，那么特征周期必須為λ/3左右，其中λ是信號的光波長。當(dāng)使用更高級數(shù)的帶隙時，特征周期應(yīng)較大。
在襯底上施加光致刻蝕層可以采用本領(lǐng)域已知的幾咱方法中的任何一種，包括旋轉(zhuǎn)、浸漬涂覆、干式等離子涂覆等。
構(gòu)成周期性陣列特征的材料在介質(zhì)常數(shù)上的變化宜至少為4倍，10倍是適宜的。光子帶隙的大小一般隨構(gòu)成光子晶體的材料各自介質(zhì)常數(shù)之差異的增大而增大。
在這種方法的一個實施方式中，將兩個基本上相同的干涉圖案交叉，用高于光致刻蝕劑閾值的周期性光強圖案對光致刻蝕劑進行曝光。干涉圖案的條紋寬度和條紋間距經(jīng)選擇，能產(chǎn)生一點陣陣列，其周期大約是作用于光子晶體的信號波長的0.3-0.9倍。在這個實施方式的一個例子中，光致刻蝕劑材料是晶體的光導(dǎo)部分，因此應(yīng)選擇為對于所選信號光波長帶是透明的材料。范圍大約1300-1600nm的波長帶包括現(xiàn)今規(guī)劃或工作中的大多數(shù)通信系統(tǒng)所用的信號范圍。
光子晶體的點陣特征可以排列成許多圖案，包括正方形(即每個特征與其最近鄰特征是等距的)、面心立方圖案，或者上述的六方圖案。就是說，一個具有適當(dāng)特征周期(可以稱為特征間距)的點陣實質(zhì)上可以具有任意的周期性特征排列，仍可呈現(xiàn)光子晶體的性質(zhì)。
通過選擇條紋圖案軸之間的夾角為90°，可以將正方形點陣刻寫在光致刻蝕劑中。在刻寫任何點陣時，無論先后還是同時將多個條紋圖案投射到光致刻蝕劑上，都可以得到相同結(jié)果。
本發(fā)明包括用上述方法及其實施方式制成的光子晶體。用上述的方法及實施方式制成的多個平面光子晶體疊合成一個垂直堆，就能構(gòu)成一個三維光子晶體。為了獲得功能性的三維光子晶體，必須對堆疊的每個組元進行特定的對準(zhǔn)。例如可參閱Noda等人在Jpn J.應(yīng)用物理第35卷(1996年)909發(fā)表的論文。
本發(fā)明的第二個方面是一種制造無源光學(xué)器件的方法，該方法先將薄層材料沉積在平坦的襯底上。襯底材料應(yīng)選擇為對預(yù)選的波長帶是透明的。
這里“薄”是指層的厚度小于或等于大約1μm。薄層材料對于預(yù)選波長(光致刻蝕劑的曝光波長)范圍內(nèi)的某個波長光不透明。在該第一薄層上面施加光致刻蝕劑薄層。用一個具有特定形狀的掩模在襯底上形成對于預(yù)定波長不透明的具有該特定形狀的材料。在對光致刻蝕劑薄層輻射和顯影后，在襯底上留下一個具有特定圖案形狀的雙層，即光致刻蝕層在第一薄層上面。襯底的其余部分只被第一薄層覆蓋著。光致刻蝕層的其余部分保護著下面的第一薄層，而未受保護的薄層可以用任何一種已知方法例如等離子蝕刻法除去。然后，再將光致刻蝕劑薄層除去，留下具有特定圖形形狀的第一薄層。
然后，將一光致刻蝕劑厚層施加在襯底和具有上述一定形狀的第一薄層上。用預(yù)選波長帶中的某一波長光對此光致刻蝕劑厚層進行曝光。光是從襯底投向光致刻蝕層背面的。這樣，帶圖案的且對入射光不透明的第一薄層可以防止光到達覆蓋在此帶圖案第一薄層上面的光致刻蝕劑厚層部分。在輻射和顯影完成后，在襯底上留下的是位于第一第一薄層圖案上的光致刻蝕劑厚層。第一薄層和覆蓋在上面的光致刻蝕層的圖案或者形狀被選擇成一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形狀。值得注意的是，該光致刻蝕劑材料應(yīng)具有獨特的性質(zhì)，因為它必須既起光致刻蝕劑的作用，也起波導(dǎo)的作用。因此該材料必須具有較高的折射率，應(yīng)是紫外激活或記錄光的吸收體，而對紅外信號光又是透明的。
像本發(fā)明第一個方面一樣，對光致刻蝕劑的輻射也是按兩個或多個交叉的干涉條紋圖案的形式。光致刻蝕劑中只有那些接受一個以上條紋圖案輻射的部分，其總輻射量才超過閾值。使用激光干涉儀來形成干涉條紋，并將條紋投射到光致刻蝕劑的頂面或底面上。底面是與襯底接觸的表面。頂面與底面相對，且與底面基本平行。
一旦背面輻射結(jié)束后，將光致刻蝕劑厚層顯影，在襯底上留下了光致刻蝕劑的由圓柱形孔(在另一實施方式中是柱體)組成的周期性陣列。光致刻蝕劑厚層留在對用來輻射光致刻蝕劑厚層的波長不透明的、具有一定形狀的第一薄層上。所得的結(jié)構(gòu)是一種含有波導(dǎo)腔或者波導(dǎo)路徑可以通過的光子晶體。
厚和薄這兩個詞保留上述的同樣意義。施加光致刻蝕劑材料的手段以及光致刻蝕劑與孔填充材料(如果填充的話)之間的相對介電常數(shù)也如上述。
掩模不透明部分的平視截面是從正上方觀察時其不透明部分的形狀，它在襯底上產(chǎn)生了具有基本上同樣形狀的、不透明的第一薄層，該形狀可以是幾種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的任何一種。例如，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以是通過光子晶體的波導(dǎo)路徑。該路徑可以有一個或多個折或彎?？梢灾瞥稍诠庾泳w中有多個路徑通過，這些路徑排列成平面波導(dǎo)領(lǐng)域中已知的分光器或耦合器的形狀。分光器或耦合器常以輸入端的數(shù)目N和輸出端的數(shù)目M來表征，其中N和M都是大于1的整數(shù)。例如，1×4耦合器具有一個光輸入端和四個光輸出端。
典型的單模波導(dǎo)路徑寬度在0.7-20μm的范圍，這里寬度是指限定波導(dǎo)路徑邊界的周期性特征第一邊和第二邊之間的最短距離。
為了在光子晶體中形成光阱或光腔，可用不透明掩模來形成一個缺陷，即對光子晶體中孔(柱體)的周期性陣列的周期性引入差別。引入這種缺陷的一個掩模實施例包括具有伸長形狀的不透明掩模部分。這個長形的不透明部分中至少有一個一般為圓形的洞。長形掩模部分的寬度大于一個孔(柱體)的直徑，但小于孔(柱體)直徑的兩倍。此整個長形掩模部分位于光子晶體內(nèi)部。換言之，由施加掩模生成的并將進行剩余過程步驟的光致刻蝕劑厚層以光子晶體點陣為其所有的邊界。長形掩模的長度尺寸沿一排孔(柱體)取向。然后，對其而言光子晶體為透明的光波長可以傳播進入晶體。缺陷的尺寸，即具有圓形洞的長形光致刻蝕劑部分的尺寸，構(gòu)成了一個周期性點陣，對于這個點陣，傳播光的波長在帶隙中。傳播光被有效地陷在此缺陷位置處。
這樣，就可以構(gòu)成具有一些缺陷的光子晶體，這些缺陷能對在光子晶體帶隙波長范圍內(nèi)的若干波長起限止作用。
用這個方法，可以設(shè)計并制出一些波導(dǎo)路徑和光阱或光腔的組合，它們起無源光學(xué)器件的作用，可用于耦合、分光、濾光和多路復(fù)用。而采用這個新穎方法將多個無源器件疊合成堆，可以獲得三維的光子晶體結(jié)構(gòu)。
附圖簡述

圖1是光子晶體的頻率一波矢曲線圖，圖中示出不會在晶體中傳播的最先三個區(qū)域或頻帶。
圖2a和2b是兩維光子晶體的兩個例子，分別表示圓柱形孔的周期性陣列和圓柱體的周期性陣列。
圖3示出了通過光子晶體的波導(dǎo)路徑。
圖4a、4b、4c和4d表示在光致刻蝕劑上疊加干涉條紋，以制造光子晶體。
圖5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和5i示出了在光子晶體中產(chǎn)生一條波導(dǎo)路徑的一系列光刻步驟，其最后步驟采用背面曝光技術(shù)。
圖6是激光干涉儀的示意圖。
圖7示出了能將缺陷位點嵌入光子晶體中的平版印刷用的掩模。
圖8是用本申請人的新穎方法制造的光子晶體的顯微照片。
本發(fā)明詳細(xì)描述一個周期性特征點陣，其間距為將與點陣相互作用的光的波長數(shù)量級，它被稱為光子晶體，因為這種點陣的表現(xiàn)非常像可以反射X光波長的晶體原子點陣。光子點陣中的特征，即孔或柱狀結(jié)構(gòu)，有時稱為“原子”。
能夠使光子晶體在構(gòu)成無源光學(xué)器件方面非常通用的光子晶體性質(zhì)是，存在波長帶隙。這種晶體能夠透過第一波長范圍的光，而反射另第二波長范圍的光，那怕這兩個波長范圍相隔只有幾個納米。晶體基本上不透明的波長帶稱為帶隙。光子晶體具有對應(yīng)于入射光反射級數(shù)的帶隙。圖1是光頻率對于光波矢的關(guān)系圖，該圖分別顯示了容許頻率(即晶體可透過的頻率)以及第一、第二和第三帶隙2、4和6。要注意的是，帶隙的“級”隨頻率的增加而增加。如果需要在第一級帶隙中有波長λ，特征周期就必須為λ/3左右。
關(guān)于光子晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的詳細(xì)討論，可閱《光子晶體》一書，Joannopouls等人著，1995年由新澤西州Princeton市的Princeton University Press出版。
提供類似于圖1所示帶隙的光子晶體的例子表示于圖2a和2b中。圖2a中，周期性特征是孔狀開口8，圖2b中是圓柱樁10。這兩種實施方式具有基本上相同的作用，只要特征周期以及介電常數(shù)在特征與其鄰近環(huán)境物質(zhì)(分別為12和14)之間的反差是相同。圖中表示這兩種類型的光子晶體被襯底16的平坦表面支承著。
柱樁10的高度或者孔8的相應(yīng)深度應(yīng)大約為3μm至4μm，以便在1300—1600nm或更寬的800—1800nm波長范圍內(nèi)傳播波導(dǎo)使用的一種單模。特征(柱樁或孔，或其他結(jié)構(gòu))的周期大約是0.5μm。較佳的高寬比是＞10，就是說，特征的直徑或?qū)挾却蠹s為0.2-0.3μm。這些非常小尺寸要求使得構(gòu)造光子晶體很困難。
但是下面將會看到，采用本發(fā)明提示的方法是行得通的。本發(fā)明人認(rèn)為，改善干涉儀相對襯底的穩(wěn)定性可使本發(fā)明的這種新穎方法提供能在第一帶隙中使用的光子晶體。
圖3顯示了一種嵌入了波導(dǎo)路徑22的光子晶體20。箭頭24和26表示光在晶體中傳播的可能方向。對孔8的周期性進行選擇，以便能夠反射投入波導(dǎo)路徑22的波長帶。在圖3所示的波導(dǎo)路徑中使用了直角轉(zhuǎn)彎，這是為了著重說明光子晶體波導(dǎo)的一種不同尋常而有用的性質(zhì)。因為光只能通過用箭頭26和24表示的開口進入和離開，所以這個晶體引導(dǎo)光繞了一個急轉(zhuǎn)彎，而不致產(chǎn)生多大的損失。損失的光只是因180°背反射而從投入口逸出的光。
用于這個方法的新穎原理在圖4a-4d中獲得了說明。圖4a顯示了具有光強極大28和極小30的的第一干涉圖案。這個圖案(通常稱為干涉條紋圖案)投射到圖4d所示的覆蓋在襯底36之平坦表面上的光致刻蝕劑34上。選擇圖案強度和光致刻蝕劑受圖案曝光的時間，使得光致刻蝕劑所受的曝光量小于其閾值。示于圖4b的第二干涉條紋圖案分別具有極大28和極小30，該圖案與圖4a的條紋圖案基本上相同，不同的是這兩個圖案相互轉(zhuǎn)了個90°。如前一樣，曝光的強度和持續(xù)時間也選擇在低于光致刻蝕劑的閾值。然而，圖4a和4b這兩個條紋圖案的曝光量的和卻高于光致刻蝕劑的閾值。由這兩個干涉條紋圖案產(chǎn)生的曝光量的和示于圖4c，該圖顯示了從兩個干涉圖案接受光的區(qū)域32。在這些區(qū)域32，兩個干涉條紋圖案互相重疊。當(dāng)曝過光的光致刻蝕劑顯影以后，在區(qū)域32就出現(xiàn)孔38。這就可以對紫外光(例如波長為460nm)敏感的光致刻蝕劑印制周期小至230nm的一些孔。條紋圖案的聚焦深度遠(yuǎn)大于光致刻蝕劑的厚度。因此可以恰當(dāng)?shù)貙σ粔K較厚的(例如厚度為3-10μm)的光致刻蝕劑曝光。
圖5a-5i顯示在光子晶體中構(gòu)成一個無源光學(xué)器件的一些步驟，用的是本發(fā)明的新穎方法，結(jié)合在掩模和襯底之間提供零間距的背面曝光技術(shù)。圖5a顯示一塊涂有薄層材料的襯底40，該薄層材料對于將要對光致刻蝕劑曝光的光波長來說是不透明的。如圖5b所示，在此不透明的薄層上施加一光致刻蝕劑薄層44。圖5c中的掩模具有一部分48對于光致刻蝕劑的曝光波長不透明，如箭頭50所示，將掩模置于光致刻蝕劑薄層44上。光致刻蝕劑經(jīng)過顯影產(chǎn)生圖5d中的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，除了部分52之外，不透明薄層42被曝光，其中部分52是由掩模部48所保護的光致刻蝕劑所覆蓋的。將不透明薄層42蝕刻除去，留下裸露的襯底表面54和被保護的光致刻蝕劑部分52。然后，除去光致刻蝕劑，留下圖5f所示的部分56，其形狀為掩模48的不透明部分的形狀。將示于圖5g中的光致刻蝕劑厚層58施加在襯底和不透明薄層部分的上面。
將圖5h中交叉的干涉條紋圖案通過襯底投射到光致刻蝕劑的背面。襯底當(dāng)然必須選為對曝光光波長至少是部分透明的。光致刻蝕劑的曝光強度和持續(xù)時間等條件如同上面敘述圖4a-4d中的過程那樣。應(yīng)注意的是，不透明薄層部分56對于光致刻蝕劑厚層的背面來說(即與襯底和不透明薄層接觸的那個面)是一個零間隙掩模。在經(jīng)曝光的光致刻蝕劑顯影以后，在圖5i的襯底40上留下了由圓柱形孔62構(gòu)成的光子晶體點陣，以及形狀與不透明薄層部分56一樣的未顯影的光致刻蝕劑部分64。
在圖5c所示的步驟中也可以使用另一種掩模的構(gòu)型。為了在光子晶體中印上一個缺陷位點，將一特定光波長限止在該缺陷位點上，可以使用一個如圖7所示的掩模46，該掩模46具有一長形的不透明部分66，而該部分66中還有一個透明部分68。該缺陷位點必需具有合適于支持一個模式的尺寸，即具有一個起共振腔作用的尺寸。
用來對光致刻蝕劑曝光的激光干涉儀是人們知道的。圖6例示了一個用來將條紋通過襯底投射到光致刻蝕劑背面的簡單且穩(wěn)定干涉儀。來自激光器66的紫外光通過濾光器射到反射鏡70上。此相干激光接著行進到分光器72，在此光被分成兩束分別射到兩個覆有鏡面的棱鏡74通過之。這兩個光束通過襯底40，在光致刻蝕劑背面的光束會合處產(chǎn)生一組干涉條紋。條紋的聚焦深度應(yīng)使整個厚度的光致刻蝕劑都受到曝光。
用上述方法制成的光子晶體的一張照片示于圖8。孔的直徑約為0.5μm，通過此光子晶體的波導(dǎo)路徑寬度大約為8μm。圖8上半部分的照片的放大倍數(shù)大約是下半部分照片的兩倍。
實施例在一塊邊長75mm、厚3mm的正方形襯底上涂覆0.3μm的硅層。通過將電子束射到硅金屬上，對硅進行蒸氣沉積。然后，將襯底在Elertrotech(一個以英國為基地的公司)生產(chǎn)的Plasmafab 505 barrel asher中用氧氣對其進行等離子體清潔處理。將購自Shipley Company的HMDS打底涂料(是六甲基二硅氮烷)蒸氣沉積到襯底上，進行粘附性打底，然后以4200rpm的速率旋轉(zhuǎn)涂覆1μm厚的Shipley S1813光致刻蝕劑。然后在90℃下烘烤30分鐘，從光致刻蝕劑上除去溶劑。
在光致刻蝕劑上覆有鉻掩模的條件下進行曝光。掩模上具有幾根寬度為4—10μm的精細(xì)線條。在用Shipley Microposit 351顯影劑對光致刻蝕劑顯影后，在120℃下烘烤30分鐘。
然后用一臺Nextral(基地在法國的一個公司)公司的RIE等離子體蝕刻機將硅腐蝕除去。所用的腐蝕劑氣體是功率設(shè)定在30瓦、壓力設(shè)定在7毫乇的15 sccm SF6。用Shipley清除器將光致刻蝕劑薄層除去，然后再次用上述Plasmafab 505在氧等離子體中清潔襯底。再次，用HMDS蒸氣涂覆對襯底打底，然后又以4500rpm速率對襯底旋轉(zhuǎn)涂覆大約6μm厚的購自Hoechst Company的AZ4562光致刻蝕劑。繼以在90℃下烘烤30分鐘。然后，用圖6所示的干涉儀裝置從背面對光致刻蝕劑進行曝光。該裝置中的氬離子激光器工作于458nm。最后，用Hoechst AZ351B顯影劑對光致刻蝕劑進行顯影。
所獲得含有一個波導(dǎo)路徑的光子晶體，采用一臺Zygo掃描干涉顯微鏡、一臺Olympus BH-2光學(xué)顯微鏡、一架Dektak 8000輪廓測定器，和一架ABT-55MEB(購自Akashi Beam Technology Corporation，Shinjuku NS Bdg(P.O.Box6131)2-4-1，Tokyo，163 Japan)進行觀察和測量。
圖8的SEM照片表明了本方法是可行的。還需要進一步工作來改善厚光致刻蝕劑的曝光和處理的技術(shù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，這里所述的本發(fā)明包括那些未實際描述但采用本發(fā)明原理的實施方式。例如，可以采用一種負(fù)光致刻蝕劑材料和頂面曝光的方法。
盡管在前面已對本發(fā)明的一些特定實施方式進行了揭示和描述，但本發(fā)明的范圍只受以下權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1.一種制造光子晶體的方法，該方法先在襯底的一個基本上平坦的表面上涂以光致刻蝕劑厚層，該光致刻蝕層對于一選定的波長帶來說一般是透明的，并且具有一介電常數(shù)，一曝光閾值，以及一個平行于襯底平坦表面的頂表面，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)將具有平行條紋的第一干涉圖案投射在光致刻蝕劑頂面上一段預(yù)定的時間，所述平等條紋位于光致刻蝕劑頂面的平面內(nèi)，所述條紋具有預(yù)選的強度、寬度和間隔，預(yù)選時間和條紋強度經(jīng)選擇，可以提供小于光致刻蝕劑曝光閾值的曝光量，所述干涉圖案是由一個激光干涉儀產(chǎn)生的，所述激光具有一個光致刻蝕劑至少呈部分透明的波長；b)至少將具有平行條紋的第二干涉圖案投射到光致刻蝕劑的頂面上一段預(yù)定的時間，所述條紋具有預(yù)選的強度、寬度和間距，所述預(yù)選時間和條紋強度經(jīng)選擇，可以提供小于光致刻蝕劑曝光閾值的曝光量，其中所述干涉圖案是由一個激光干涉儀產(chǎn)生的，所述激光具有一個光致刻蝕劑至少呈部分透明的波長，在光致刻蝕劑的至少部分表面上，第一干涉圖案的條紋與至少第二干涉圖案的條紋相交，在相交條紋之間形成一預(yù)選夾角，并且由第一和至少第二干涉條紋圖案提供的曝光量的和大于光致刻蝕劑的曝光閾值；c)對光致刻蝕劑顯影，除去光致刻蝕劑上所受曝光量超過閾值的那些部分，在第一和第二干涉圖案相交的表面部分上，形成一個光致刻蝕劑材料對稱突起的周期性陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述突起的高寬比≥3。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述制造步驟a)包括一種光致刻蝕劑施涂方法，所述施涂方法選自旋轉(zhuǎn)涂覆、浸漬涂覆、彎月面涂覆和干式等離子體涂覆。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包圍在每個所述突起周圍的體積部分由第一介電常數(shù)表征，而光致刻蝕劑突起部分由第二介電常數(shù)表征，且第二介電常數(shù)至少是第一介電常數(shù)的4倍。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用兩個干涉圖案，并且第一和第二干涉圖案的條紋寬度和間距基本上相等，且經(jīng)選擇，能夠提供一個周期性陣列，其周期在0.1λi-1.0λi范圍內(nèi)，其中λi是光致刻蝕劑通常呈透明的波長帶。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，光致刻蝕劑通常呈透明的波長帶在大約1300-1600nm的范圍。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述夾角接近90°。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉圖案是先后投射到光致刻蝕劑上的。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉圖案是同時投射到光致刻蝕劑上的。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光致刻蝕層的厚度是3-10μm范圍。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用三個干涉圖案，且第一、第二和第三干涉圖案的條紋寬度和間距基本上相同，任何兩根相交條紋的較小夾角是60°，使得在顯影步驟后提供一個呈六方周期性的光致刻蝕劑突起。
12.一種使用權(quán)利要求1所述方法制造的光子晶體。
13.一種用權(quán)利要求1所述方法制造的至少兩個光子晶體所形成的垂直堆疊，其特征在于，使光致刻蝕劑突起垂直對準(zhǔn)。
14.一種在光子晶體中制造無源光學(xué)器件的方法，其特征在于，所述包括以下步驟在襯底上沉積一薄的材料層，所述襯底具有一個平坦表面并至少對一個預(yù)選的波長帶部分透明，所述薄的涂覆材料基本上平坦，并覆蓋在襯底的平坦表面上，而且對所述預(yù)選波長帶中的一種波長光透明；在所述不透明的材料薄層上施涂一層光致刻蝕劑材料的薄涂層，所述光致刻蝕劑材料對所述預(yù)選波長帶中一種波長光敏感；在所述光致刻蝕劑材料上覆蓋一掩模，所述掩模具有對所述預(yù)選波長帶中的一種波長光分別透明和不透明的部分，不透明的掩模部分具有與一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平視截面相當(dāng)?shù)男螤詈统叽?；用所述預(yù)選波長帶中的一種波長光對所述光致刻蝕劑材料曝光；對所述光致刻蝕劑材料進行顯影，除去光致刻蝕劑材料上經(jīng)曝光的部分，在所述不透明的材料薄層上留下一部分具有光導(dǎo)結(jié)構(gòu)之平視截面的光致刻蝕劑材料；將在顯影步驟中顯露出的不透明的薄層材料部分腐蝕掉，在襯底上留下由具有光導(dǎo)結(jié)構(gòu)之平視截面的光致刻蝕劑材料薄層所覆蓋的不透明薄層材料；除去光致刻蝕劑薄層，在襯底上留下具有光導(dǎo)結(jié)構(gòu)之平視截面的不透明薄層材料；所述方法還包括如下步驟a)在襯底和不透明材料薄層上施涂一層光致刻蝕劑厚層，其與襯底相鄰，而不透明材料薄層位于所述光致刻蝕劑厚層的背面；b)將條紋平行的第一干涉圖案投射通過襯底并射到光致刻蝕劑厚層的背面上一段預(yù)選的時間，所述平行條紋位于光致刻蝕劑厚層背表面的平面上，所述條紋具有預(yù)選的強度、寬度和間距，預(yù)選時間和條紋強度經(jīng)選擇，可以提供小于光致刻蝕劑厚層曝光閾值的曝光量，所述干涉圖案是由一激光干涉儀產(chǎn)生的，所述激光具有襯底和光致刻蝕劑至少呈部分透明的波長；c)至少將具有平行條紋的第二干涉圖案投射到光致刻蝕劑厚層的背面上一段預(yù)選的時間，所述條紋具有預(yù)選的強度、寬度和間距，所述預(yù)選時間和條紋強度經(jīng)選擇，可以提供小于光致刻蝕劑曝光閾值的曝光量，所述干涉圖案是由一激光干涉儀產(chǎn)生的，所述激光具有襯底和光致刻蝕劑厚層至少呈部分透明的波長，在光致刻蝕劑表面的至少一部分平面上，第一干涉圖案的條紋與至少第二干涉圖案的條紋相交，形成一預(yù)選夾角，并且由第一和至少第二干涉條紋圖案提供的曝光量的和大于光致刻蝕劑厚層的曝光閾值；d)對光致刻蝕劑厚度進行顯影，除去光致刻蝕劑厚層上所受曝光量超過閾值的那些部分，在襯底上留下一周期性陣列，該陣列由間隔對稱的普通圓柱形孔組成，位于覆蓋在襯底上的厚層光致刻蝕劑材料部分中，孔出現(xiàn)在第一和第二組條紋相交的地方，并在阻擋曝光的不透明材料薄層上留下一光致刻蝕劑厚層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蝕劑薄層的厚度≤1.0μm。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蝕劑厚層的厚度在3-10μm范圍。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，施加或涂覆光致刻蝕劑材料的步驟b)和h)包括一種施涂方法，該方法選自旋轉(zhuǎn)涂覆、浸漬涂覆、彎月面涂覆和干式等離子體涂覆。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，光致刻蝕劑厚層用第一介電常數(shù)來表征，而孔用第二介電常數(shù)來表征，第一介電常數(shù)至少是第二介電常數(shù)的4倍。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，步驟c)中不透明掩模部分的平視截面具有一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形狀和大小，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)至少具有第一端和第二端，而至少第一和第二端分別與光子晶體外面的區(qū)域連接。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，步驟c)中不透明掩模部分的平視截面具有第一邊和第二邊，所述第一和第二邊由光子晶體限定，第一邊和第二邊之間的最短距離在0.7-20μm范圍。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，步驟c)中不透明掩模部分的平視截面是一個NXM分光器或耦合器，其中N和M是大于或等于1的整數(shù)。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，步驟c)中不透明掩模部分的平視截面是細(xì)長段，該細(xì)長段具有一長度和一寬度，以及至少一個通常為圓形的洞，所述細(xì)長段的寬度大于一個孔的直徑但小于或等于孔直徑的兩倍，所述細(xì)長段的長度和寬度安排在光子晶體內(nèi)，所述細(xì)長段的長度方向沿光子晶體的一排孔取向。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，孔的高寬比≥3。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，使用兩個干涉圖案，并且第一和第二干涉圖案的條紋寬度和條紋間距基本上相等，且經(jīng)選擇，可以提供一個周期性陣列，其周期在0.1λi-1.0λi，λi是光致刻蝕劑一般呈透明的波長帶。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，光致刻蝕劑一般呈透明的波長帶在1300—1600nm范圍。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述夾角接近90°。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉圖案是先后投射到光致刻蝕劑上的。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，第一和第二干涉圖案是同時投射到光致刻蝕劑上的。
29.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，使用三個干涉圖案，且第一、第二和第三干涉圖案的條紋寬度和間距基本相等，在任何兩個相交條紋之間的較小夾角是120°，從而在顯影步驟后提供一個具有六方周期性的光致刻蝕劑突起。
30.一種在用權(quán)利要求14所述方法制造的光子晶體中的無源或有源光學(xué)器件。
31.一種由至少兩個無源光學(xué)器件組成的垂直堆疊，其特征在于，所述至少兩個無源光學(xué)器件在用權(quán)利要求14的方法制造的光子晶體中，并且光致刻蝕劑突起是垂直對準(zhǔn)的。
全文摘要
通過先后或同時進行兩次干涉曝光來制造交叉光柵光子晶體的方法。該方法用光刻法形成一個在原位的掩蔽元件,用光掩模(46)讓置于不透明膜(42)上面的光致刻蝕劑(44)曝光,并將帶圖案的光致刻蝕劑(52)用作掩模,腐蝕掉金屬層,在襯底(40)上形成帶圖形的金屬膜(56),由此形成帶圖案的交叉光柵光子晶體。然后,對帶圖案的金屬膜涂以第二光致刻蝕劑(58),通過襯底(40)的背面對兩個同時投射的干涉圖案(60)對其曝光,然后顯影生成圖5I所示的圖案。所得的制品可以用作波導(dǎo)、耦合器、分束器和波分復(fù)用器。
文檔編號G03F7/20GK1329727SQ9981405
公開日2002年1月2日 申請日期1999年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者J·－C·科特伏特, B·達赫馬尼, C·倫瓦澤 申請人:康寧股份有限公司