引言

隨著制造技術的不斷進步，特別是基于納米或微米結構的制造，已經研究出了具有強光學限制的各種制造工藝.兩種最廣泛使用的基于擴散的制造波導的方法已經在超導材料中得到了很好的確立，即鈦熱擴散和質子交換方法。本文結合理論模擬和實驗，綜合分析了所提出的旋轉交換濕蝕刻法的蝕刻結果。發現質子交換層可以很容易地使用氫氟酸/硝酸混合酸蝕刻阻擋層，從而改善提取率和表面形貌。最佳波導的最低粗糙度被測量為0.81毫米，這有利于基于光纖的器件的性能提高.最終，具有改進的表面形貌的光波導的垂直方向的功率損耗被成功地實現了。此外，這種方法還可以進一步提高基于光子的器件的性能，為基于光子的超緊湊集成電路鋪平道路。

實驗

光學波導是在商用光學級500μm厚的z切割LN襯板中制造的。PEWE方法的制作過程如圖1所示：

鉻掩膜制作：用去離子水清洗后，在正面表面沉積一層100納米厚的鉻膜。隨后，在光刻膠上進行標準光刻，形成6微米寬的波導圖案。使用硝酸鈰銨和硝酸的混合溶液對該掩模進行濕法蝕刻，用超聲波處理去除保留的光致抗蝕劑結構。最后，4英寸的襯底被分成4個相同的樣品。

質子交換：使用6微米寬的鉻條作為掩模，以防止質子滲透到基底中。然后將三個樣品浸泡在240℃苯甲酸酶液中，樣品被放置在熔體中放置所需的時間，然后取出并讓其冷卻。

濕法蝕刻：在聚乙烯工藝后，樣品# 1 ~# 4再次清洗，然后在室溫下浸入硝酸(濃度為68%硝酸)和氫氟酸(濃度為40%氫氟酸)的混合溶液中，完成蝕刻工藝。

鉻掩模的拋光和去除：蝕刻處理后的四個樣品沿垂直方向切割，形成波導端面，用二氧化硅懸浮液進行拋光。隨后，用(NH4)2 Ce(NO3)6和NO3的混合溶液再次除去這些膜。

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表一 聚乙烯工藝的實驗條件

結果和討論

直接質子交換：

為了理解所提出的PEWE方法，非常有必要找出精確的PE過程。它主要涉及來自質子源的質子離子(H+)的內擴散過程和來自LN晶格的間質離子(Li+)的外擴散過程。由于電中性，擴散將最終達到動態平衡，因為過程依賴于時間。然后，進行過程的瞬態動力學分析，交換溫度為240攝氏度，模擬結果如圖1，發現在準備過程中，旋轉運動不會導致材料的損壞，但也會導致兩側的損壞.隨著交換速率的增加，質子濃度降低。中間區域的總濃度比中間區域低20%。

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圖1 由COMSOL(a)模擬的質子濃度分布；沿水平線的歸一化質子濃度（i-v）(b)；垂直線(I)的歸一化質子濃度作為PE時間(c)的函數；垂直線(II)的歸一化質子濃度作為PE時間(d)的函數

對蝕刻率的評價：

如圖2(a)所示，在樣品（#1～#3）中實現了蝕刻深度和蝕刻時間之間的準線性關系。然而，純LN（樣品#4）在室溫下幾乎沒有溶解在酸性混合物中。蝕刻速率也計算并繪制如圖2(b)。一方面，可以看出，樣品#1～#3的蝕刻率包含兩個周期。在最初的50min中，蝕刻速率實際上與蝕刻時間無關。然后，三個樣品的蝕刻率隨著蝕刻時間的增加而降低。另一方面，隨著PE時間的增加，蝕刻率也略有提高。為了進行比較，計算并列出了所有樣本的標準偏差和參考偏差.當使用方法時，匹配的最大相對標準偏差僅為10.8%，這表明在進程結束后的匹配率的相對投資能力，而沒有進程的示例#4顯示出明顯的不匹配狀態（見表2）。

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圖2 溶液HF中LN底物的蝕刻深度：硝酸=1：2(a)；溶液HE后LN底物的蝕刻速率：硝酸=1：2(b)。

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?表2 評價不同質子交換時間的蝕刻速率

質子交換LiNbO3的結構性質：

采用HRXRD測量來評價PE過程后LN材料的相變。隨著PE持續時間的增加，衛星峰值的強度也在增加，這是由于LN材料中質子交換層厚度增加的結果。隨著PE持續時間的增加，質子濃度越來越高，質子交換層的相位情況變得越來越復雜。

測量3×3μm區域的蝕刻基板的粗糙度，如圖3（d)-(f)所示。采用PEWE法測定三個樣品蝕刻表面的RMS粗糙度分別為0.81、1.07和3.85nm。結果發現，均質根粗糙度為0.81nm，屬于樣品#1，這是由質子交換層的均勻性造成的。隨著PE持續時間的延長，樣品#2和#3的粗糙度增加。然而，它們的粗糙度仍然遠小于光波長的十分之一。因此，我們認為這些表面是光學光滑的。最后，為了在保持光滑形態的同時獲得目標蝕刻深度，需要優化PE持續時間，以實現具有較小散射損耗的光波導。

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圖3 樣品1(a)、樣品2(b)、樣品3(c)蝕刻剖面的SEM結果，以及樣品1(d)、樣品2(e)、樣品3(f)蝕刻表面對應的AFM圖像的SEM結果。紅色虛線框內是光波導的垂直部分

總結

綜上所述，全面證明了一種結合濕蝕刻在LN基底中制備高質量光波導的有效方法。由于質子交換反應，H+離子擴散到LN底物中取代Li+離子，導致相變和結構缺陷。而質子濃度和新出現的缺陷都會影響蝕刻速率。掃描電鏡和AFM結果表明，蝕刻表面光學光滑，在波導表面附近的側壁準垂直。然而，在蝕刻速率和蝕刻表面的粗糙度之間存在著權衡。此外，所提出的PEWE方法可用于在LNOI平臺上制備損耗小的超壓縮集成波導器件。

審核編輯：符乾江