二氧化钛波导刻蚀工艺优化研究

作     者：范瑞钦 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋清海

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：二氧化钛 波导 ICP刻蚀 梯度超表面 微环谐振器 

摘      要：二氧化钛是一种非常有应用前景的材料。拥有独特的光催化特性,更有着非常好的光学性质,如折射率高、可见光到红外的宽透明窗口、低双光子吸收和高非线性能力。除此之外,借由镀膜和刻蚀工艺,二氧化钛能够做到片上集成,实现高性能的非线性应用,如超连续、光频梳;或是实现二氧化钛超表面,应用在如结构色、超透镜、增强光催化等方面;同时也能够应用在回音壁光学微腔中,利用高Q值的二氧化钛光学微腔,实现如增强与物质相互作用,光学传感等应用。二氧化钛的片上集成器件的制备可以采用磁控溅射、原子层沉积等方法自下而上制备,也可以采用自上而下的半导体工艺流程。考虑与CMOS工艺的兼容性,本文采用了自上而下的半导体工艺。首先我们利用真空电子束蒸镀机制备了Ti O2薄膜,在文中给出了详细的制备过程,对制备好的薄膜晶相与光学性质做了表征给出了表征结果。随后我们讨论了金属掩模的剥离工艺和蒸镀工艺的优化,给出了优化结果。在简要介绍ICP刻蚀原理后,分析了ICP刻蚀的各个工艺参数如气体压力、ICP源功率、射频源功率以及刻蚀时间等对刻蚀的深度、侧壁的倾角、垂直度等因素的影响,给出了详细的优化过程和优化结果。利用优化后的刻蚀工艺,我们并制备了Ti O2波导与微环,本文首先对回音壁光学微腔的模式特性进行了分析,讨论了回音壁微腔内的重要参数。随后介绍了二氧化钛波导微环实验的实验装置,通过利用Ti O2光栅定向耦合器或是透镜光纤进行末端直接耦合的方法测量微环的Q值,实验测得我们制备的Ti O2回音壁光学微腔的透射光谱数据,通过洛伦兹拟合,经计算Ti O2微环的品质因子能达到3万以上。为了实现对波导内传输模式进行调控,我们引入了梯度超表面。超表面由一系列的二维微纳结构组成。当光入射在微纳结构上是,由于微纳结构的散射作用,使得出射光相较于入射光产生了一定的振幅和相位变化。经过微纳结构的尺寸、形状、排布特殊设计,就能够对光的传播进行调控。本文通过在Ti O2波导上设计硅天线微纳阵列,利用微纳天线阵列的集体散射效应为波导内的传输模式提供一个等效波矢6)eff,从而实现对波导内的模式进行调控。本文提出了1.2μm宽,0.8μm厚的波导传输的TE基模转化成TM基模的天线阵列设计,并给出了仿真结果。