光子学制造中的气体辅助蚀刻

气体辅助蚀刻技术概述

蚀刻是从表面选择性地去除材料的过程，留下所需的序列或结构。在波导、衰减器和滤光片等光子元件的制造过程中，蚀刻是必不可少的。存在各种蚀刻技术，包括湿法蚀刻、干法蚀刻和气体辅助蚀刻。

气体辅助蚀刻包括使用反应性气体来辅助蚀刻过程。反应性气体被引入蚀刻区域，在那里它与蚀刻的材料反应以产生挥发性化合物，这些化合物很容易被离子轰击去除。聚焦离子束（FIB）或等离子体源可以用于执行气体辅助蚀刻。FIB方法使用聚焦离子束来蚀刻材料，而等离子体源方法使用等离子体产生反应气体。

蚀刻在光子制造中的作用

蚀刻是光电子器件制造中的一个关键步骤，因为它能够开发其操作所需的复杂的微米结构和纳米结构。采用蚀刻来建立谐振孔径，这对于在谐振器生产过程中增强光信号至关重要。在滤光器的制造中，使用蚀刻来产生带通滤波器，该带通滤波器负责滤除特定波长的光。

气体辅助蚀刻有哪些不同的方法？

在光子学制造中有几种气体辅助蚀刻的方法。气体辅助离子束蚀刻有三种广泛使用的方法：标准聚焦离子束蚀刻（FIBE）、反应离子束蚀刻（RIBE）和化学辅助离子束蚀刻（CAIBE）。

气体辅助聚焦离子束刻蚀工艺

聚焦离子束（FIB）是一种有效的技术组成部分，促进了包括纳米技术、材料科学和微电子工业在内的许多研究领域中微纳米系统的实现和研究的科学技术进步。

利用FIB处理，可以通过离子研磨引发的材料去除或通过离子束和气体前体的相互作用引发的局部沉积来产生复杂的纳米结构。值得注意的是，这项技术适用于纳米光子学感兴趣的材料族，即导电金属，以及绝缘和低损耗电介质。

发表在《微型机械》上的一篇文章聚焦于FIB诱导的蚀刻和铣削，以实现光子器件中的本征手性。研究表明，聚焦离子束（具有Ga+等重离子或He+等轻离子）可以用作抗蚀剂光刻蚀刻的扫描离子传感器，其位置和速度由图案合成器调节。

在高破坏性的FIB铣削过程中，离子束检查材料的表面并挖掘所需区域。如果气体注入系统（GIS）同时将气态天然前体引入真空室，则表面铣削可以与气体辅助蚀刻相结合。

反应离子束蚀刻（RIBE）

RIBE中的光束是由反应性气体而不是惰性气体制成的。该工艺与其他技术的不同之处主要是在于气体与基底材料相互作用，以化学方式将其去除。

根据基底材料的不同，该工艺可以比传统的IBE更精确和更可控，这使得它有利于蚀刻非常薄的薄膜涂层，在这些涂层中，防止对子层的损伤是至关重要的。

Neu等人在《微型机械》杂志上发表的一篇文章告诉读者介绍了在RIBE工艺中用于光子制造的单晶金刚石器件的一种新颖性。

这种创新方法被称为反应离子束角度蚀刻（RIBAE），用于均匀和适应性地制造独立的光子和机电纳米结构。

为了用这种技术创建3D纳米结构，首先将传统的光刻图案应用于蚀刻掩模，然后将样品垂直于离子束固定在旋转样品表面上进行反应离子蚀刻。通过使材料相对于离子束成角度，进行后续的蚀刻，最终在蚀刻掩模下对纳米结构进行一致的蚀刻。

用于光子学应用的化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）

与离子束无关，非电离反应性气体被引入基板邻近的CAIBE工艺中。惰性气体中的离子通过源发射，类似于IBE。这一过程与RIBE一样，产生反应气体；然而，它们只出现在材料附近。当惰性物质与反应性气体接触时，会发生化学反应，从而去除材料。

惰性气体离子束的混合物和反应气体定位在基底附近，可以使该过程比RIBE更有效，并且比传统IBE更精确。

在《物理化学快报》杂志上，研究人员利用化学气体辅助聚焦离子束（GAFIB）对钙钛矿电池进行图案化。使用GAFIB蚀刻制备了具有宽带衰减和纳米级精度的均匀重复亚微米钙钛矿亚波长光栅（SWG）吸收体。结果表明，FIB作为亚微米蚀刻方法和表面改性技术（在FIB图案化以减轻光学损耗之后）对钙钛矿光子纳米晶体的应用是可行的。钙钛矿太阳能电池可以与SWG吸收剂形成图案，通过增加光捕获和吸收来提高器件效率。

除了这些主要技术外，电子回旋共振（ECR）等离子体蚀刻也在被利用。电子回旋共振等离子体蚀刻是一种利用高频磁场产生等离子体的气体辅助蚀刻方法。然后使用等离子体来雕刻所制造的材料。ECR等离子体蚀刻是一种及其各向异性的蚀刻技术，可以产生干净的侧壁和清晰的图案。

简言之，气体辅助蚀刻是制造光子器件的关键步骤。预计新型气体辅助蚀刻方法，如低温蚀刻和原子层蚀刻，将在光子制造的发展中发挥关键作用。