Pb(ZrTi)O 3铁电体的湿化学蚀刻

引言

多年来，有源光学器件，包括调制和放大功能，是这一概念中最重要的元素之一，仍然需要研究和开发的努力。铁电材料的使用可能有助于这一发展的材料方面，因为它们的强折射率，可见光和近红外范围的透明度，以及某些材料的高电光响应，使它们可能适用于有源电光器件。在目前的工作中，我们研究了利用经典光刻和湿化学蚀刻Pb（ZrTi）O3铁电薄膜的可能性，以开发集成的平面光学器件，如光调制器结构。（江苏英思特半导体科技有限公司）

实验

Pb（Zr0.36Ti0.64）O3（PZT）铁电薄膜的细化是基于改进的溶胶-凝胶工艺，使用醇前体组分和乙酸作为溶剂。虽然溶液在金属基底上的旋转涂层导致均匀和无裂纹的薄膜，但在玻璃上的沉积似乎更加困难。在目前的实验中，我们使用了康宁1737 F玻璃，并采用了快速热退火过程，但将样品冷却到室温速度相当慢。这使得我们能够在基底的25×25 mm2的总面积上获得具有相对少量裂纹的薄膜。（江苏英思特半导体科技有限公司）

为了获得厚度达到2m的薄膜，进行了多次旋转涂层，特别用于湿式化学蚀刻过程的研究。掩模图案转移到PZT薄膜是通过经典的光刻工艺使用S正s光刻胶（Shipley S1818）。使用了两种不同的掩模模式，一种用于研究蚀刻过程本身，另一种用于实现波导结构。用透射光谱对铁电薄膜的平面进行光学表征，用m线光谱对波导的平面进行光学表征。后者允许确定PZT薄膜[6,7,8]的折射率和厚度。m线技术是基于使用一个折射率高于该折射率的棱镜的PZT（在我们的例子中是硒化锌），它被压在薄膜上（见图1）。

为了实现m线耦合实验中所使用的导光结构，研究了PZT薄膜的湿式化学蚀刻工艺。蚀刻结果如图2所示，其中可以看到不同分辨率的扫描电镜显微图。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图1.马赫-森德尔干涉仪波导结构的棱镜-薄膜耦合器设置方案和典型尺寸图

图2.盐酸（37%）PZT薄膜的湿式化学蚀刻。

结果和讨论

在康宁1737 F玻璃基板上沉积了450 nm厚的PZT（36/64）单层的透射光谱，测定了从可见到近红外（300~2500nm）的波长范围。在图3中，我们比较了PZT薄膜在其焦氯石相（在560◦C热处理，略低于结晶温度）和钙钛矿相（在620◦C退火）的传输。

在这两种情况下，在350 nm处都可以看到一个尖锐的吸收边缘，并且由于PZT薄膜内的多次反射而产生干涉振荡。吸收边缘的位置与钙钛矿相中透明PLZT陶瓷块材料的位置接近，并与薄膜的黄色一致。（江苏英思特半导体科技有限公司）

在近红外环境中，特别是在“远程办公波长”（1.3米和1.55米）中，PZT的透明度都高于85%。用m线技术获得的TE偏振hene激光束的典型暗线谱如图4所示，在第一步中，模态色散方程的分辨率，使用一个薄膜厚度和折射率，一个近似的折射率，允许识别测量的吸收峰的模式顺序。

虽然峰m = 0到m = 3可以很好地识别出来，但现有的高阶模态不能明确地归因，因此没有在图中进行索引。第二步，通过对两种模式的平面介质波导的色散方程进行数值解析，计算了PZT薄膜的折射率和厚度。结合暗线谱的四种te模，可以形成六种模偶；不同模偶的折射率和薄膜厚度的数值计算结果分别如表I所示。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图3.PZT薄膜波长的函数

图4.PZT薄膜的TE暗线光谱

表1根据TE暗线谱计算不同模对的PZT薄膜折射率和厚度

结论

为了研究光在湿式化学蚀刻制备的波导中的传播，采用棱镜-膜耦合器器件作为光耦合器。研究了线性和马赫-曾德尔多模波导结构。在图8中，我们展示了一张来自一个集成干涉仪结构的右侧部分的散射光的照片（比较图1）。

由于耦合棱镜必须放置在衬底的左侧，因此只能看到一半的马赫-曾德尔结构。两个平行干涉仪臂和右侧输出臂的可见部分对应的长度为55 mm，每个导光结构的宽度为40 m。在两个干涉仪臂中，从左侧到右侧的散射光强度都在降低。在它们的交叉点，光强度由于两臂的统一而增加，但很可能这也是由于几何形状的变化所导致的多次反射。在干涉仪的输出臂上，散射光强度再次从左侧到右侧减小。（江苏英思特半导体科技有限公司）

图8来自马赫-曾德干涉仪结构的散射光。

审核编辑 黄宇