應(yīng)用于微納光子器件的立體光刻研究進(jìn)展

吳 琦 梁艷明 周建英

(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，廣東 廣州 510275)

應(yīng)用于微納光子器件的立體光刻研究進(jìn)展

吳 琦 梁艷明 周建英

(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，廣東 廣州 510275)

本文概述了光刻技術(shù)的廣泛應(yīng)用并探討其今后的發(fā)展方向,分析比較了幾種常見立體光刻技術(shù)的優(yōu)缺點,重點介紹了全息光刻技術(shù)在制備光子晶體方面的應(yīng)用，并總結(jié)了我們小組的研究成果。

光刻;立體光刻;全息光刻;光子晶體

1 引 言

常規(guī)光刻技術(shù)是利用光學(xué)復(fù)制的方法把超小圖樣印到半導(dǎo)體薄片上或者介質(zhì)層上來制作復(fù)雜電路的技術(shù)[1]。光刻原理雖然在19世紀(jì)初就為人們所知，但長期以來由于缺乏優(yōu)良的光致抗蝕劑而未得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)50年代，美國制成高分辨率和優(yōu)異抗蝕性能的柯達(dá)光致抗蝕劑(KPR)之后,光刻技術(shù)才迅速發(fā)展起來，并開始用在半導(dǎo)體工業(yè)方面。光刻技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為一種精密的微細(xì)加工技術(shù)，是制造高級半導(dǎo)體器件和大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵工藝之一，并已成功用于刻劃光柵、線紋尺和度盤等的精密線紋。同時，隨著光子晶體等光子器件在通信，集成光學(xué)等方面的應(yīng)用，微納尺度的立體光刻技術(shù)變得越來越重要。

2 光刻技術(shù)應(yīng)用

2.1 電子學(xué)器件方面：

光刻工藝是微電子技術(shù)的核心技術(shù)之一，是一種最精密的 半導(dǎo)體晶片表面圖形加工技術(shù)。在微電子領(lǐng)域，光刻技術(shù)主要向細(xì)、精、薄三個方向發(fā)展。

隨著集成度的提高，光刻技術(shù)所面臨的困難也越來越多。為了解決這些問題，人們想出許多新的光刻技術(shù)[2]，比如有193nm浸入式技術(shù)、157nm光刻技術(shù)，極短紫外光刻技術(shù)、電子束投影光刻和納米壓印光刻等。

激光全息光刻技術(shù)是一種基于相干光干涉效應(yīng)的無掩模版光刻技術(shù)，為微電子技術(shù)的發(fā)展又注入了新的動力。

2.2 光學(xué)器件方面：

光刻技術(shù)被廣泛用于制作各種光柵，光子晶體等微納光學(xué)元件。

早在80年代中期,Ⅲ-Ⅴ族化合物光電子器件的制備就用到了激光全息光刻技術(shù),其中研究最多的是用全息光刻直接形成分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器的光柵結(jié)構(gòu)。Aoyagi[3]和Podlesnik[4]等人用Ar+激光和I2(0.1%)+KI(10%)及H2O2∶H2SO4∶H2O的腐蝕液在GaAs表面上實現(xiàn)了DFB激光器光柵的制備.

激光全息光刻技術(shù)的基本應(yīng)用是制備各種大面積、高分辨率、小畸變的光致抗蝕劑浮雕光柵，而這些介質(zhì)光柵又是制作半導(dǎo)體集成光學(xué)器件核心結(jié)構(gòu)—衍射光柵的必不可少的刻蝕掩膜。因此，從1969年米勒(M·E·M iller)提出集成光學(xué)概念以來，激光全息光刻就與集成光學(xué)迅速結(jié)成良緣。

Savas等[5]利用消色差的干涉光刻法得到了周期為100nm的光柵，Chang等[6]得到了周期為50nm的光柵.

3 立體光刻的研究進(jìn)展

首次展示立體光刻技術(shù)是在1987年美國密執(zhí)安州的底特律專業(yè)博覽會上[7]。早期的立體光刻采用激光或紫外光作為光源，照射光刻用的液體膠液，膠層受光照固化析出，光點隨著設(shè)計的路徑掃描時，便會得到一層平面圖形，然后驅(qū)動工作臺，讓光源再掃描一層，這樣一層層掃描而得到立體圖形。

目前，立體光刻技術(shù)已經(jīng)引起飛機(jī)制造、機(jī)械、汽車工業(yè)、建筑設(shè)計以及玩具、醫(yī)療等行業(yè)的重視。Skaw inski等人[8]應(yīng)用此技術(shù)制備了準(zhǔn)確的分子模型，模型中原子間的相互位置是通過量子力學(xué)計算和中子衍射數(shù)據(jù)確定的；Zurnedden等人[9]成功地復(fù)制出5300年前木乃伊的頭蓋骨模型，從而可在不損害原型的情況下準(zhǔn)確地獲得所需信息；Hjalgrim 等人[10]描述了此項技術(shù)對于考古學(xué)研究的重要意義。

光刻技術(shù)中的重要挑戰(zhàn)是小型化。小型化革命是光刻技術(shù)為了滿足產(chǎn)業(yè)需要，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，從而使得光刻的特征尺度不斷縮小。

平面（2D）光學(xué)投影曝光在微納電子學(xué)領(lǐng)域已取得巨大成就。隨著光子晶體等光子器件在通信，集成光學(xué)等方面的應(yīng)用，微納尺度的三維立體雕刻技術(shù)變得越來越重要。利用微納米加工技術(shù)在可以在半導(dǎo)體材料上獲得三維光子晶體結(jié)構(gòu)。1998年，美國Sandia國家實驗室的Lin等人利用多次淀積/刻蝕半導(dǎo)體技術(shù)成功在硅襯底上實現(xiàn)多晶硅棒組成的堆木結(jié)構(gòu)，禁帶波長在10-14.5μm之間。此后日本京都大學(xué)的Noda等人在Ⅲ-Ⅴ族材料上將該結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使得光子帶隙波長達(dá)到1.5μm的通訊波段。另一種典型的三維光子晶體結(jié)構(gòu)是層疊結(jié)構(gòu),它是Kosaka等人利用偏壓濺射的方法在有圖形的硅襯底上交替生長二氧化硅和多孔硅實現(xiàn)的。

目前制備三維光子晶體的手段主要有三類[11]，化學(xué)自組織生長法，逐點微加工法和光學(xué)全息光刻法。

3.1 自組織生長:

利用單分散的膠體顆粒懸浮液的自組織特性,可以生長可見光、近紅外波段的三維光子晶體。顆粒的大小一般為微米或亞微米，懸浮在溶液中，由于顆粒帶電，這些懸浮顆粒之間有短程的排斥相互作用以及長程的范德瓦爾斯力。經(jīng)過一段時間，懸浮的膠體顆粒會從無序的結(jié)構(gòu)相變成有序的Opal結(jié)構(gòu)而形成膠體晶體。如果在顆粒間的空隙中填充其他無機(jī)或有機(jī)物，再通過化學(xué)方法除去顆粒，就可以得到空氣球的反Opal結(jié)構(gòu)。

3.2 逐點微加工法

3.2.1 電子束直寫技術(shù)

電子束直寫光刻[12][13]是一種利用帶電粒子實現(xiàn)的無掩模光刻技術(shù)，與傳統(tǒng)的光刻(區(qū)域曝光)加工不同，它是利用可變曝光劑量的電子束直接對涂在基片表面的抗蝕劑曝光加工。與其它的光刻技術(shù)相比，電子束直寫光刻技術(shù)具有分辨率高的優(yōu)點，由于不需要掩模板，很適合小批量、特殊微結(jié)構(gòu)器件的生產(chǎn)。結(jié)合刻蝕和沉積工藝，利用電子束直寫技術(shù)可以制備20nm甚至更細(xì)的圖形，最小尺寸達(dá)10nm的原理型納米電子器件也已經(jīng)制備出來[14].

但是，由于電子束直寫技術(shù)由于曝光量難控制，再加上直寫設(shè)備復(fù)雜、昂貴，不易進(jìn)行批量生產(chǎn)，較適合于高精度單件生產(chǎn)。

3.2.2 離子束光刻

離子束光刻也是一種帶電離子無掩模光刻技術(shù)，它可分為聚焦離子束(FIB)，掩模離子束光刻(M IB)和離子束濺射(IBP)[15][16]。離子束光刻的原理是通過加熱使附在一根金或鎢的針尖端的嫁或金硅合金熔化，在外加電場作用下使液態(tài)金屬表面產(chǎn)生場致離子發(fā)射，其發(fā)射面積極小，可以較容易將離子光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的離子聚焦成離子束，進(jìn)行高分辨率離子束曝光。

聚焦離子束刻蝕與電子束曝光相比，它的鄰近效應(yīng)幾乎可以忽略，感光膠對離子束的靈敏度要比電子束高數(shù)百倍。但聚焦離子束刻蝕分辨率比電子束低，曝光深度也比電子束小，20萬伏的硅離子束的曝光深度僅為0.5微米，而2萬伏的電子束可曝光1微米以上。

現(xiàn)在，聚焦離子束技術(shù)在微電子工業(yè)中主要用作光學(xué)掩模版和集成電路芯片的修復(fù)工具，例如，用離子束可去除掩模版上的多余斑點和透光斑，切割或接通集成電路芯片上的某些連接等。

3.2.3 雙光子吸收

飛秒激光雙光子聚合法，是將飛秒激光聚焦到光聚合材料內(nèi)部，利用雙光子吸收激活光引發(fā)劑，誘發(fā)聚合反應(yīng)，形成固化的高聚物材料，通過控制聚焦光束的空間移動或激光束的干涉得到立體的微細(xì)結(jié)構(gòu)[17]。

Cumpston[18]于1999年將飛秒激光束聚焦到光聚合預(yù)聚物材料誘發(fā)雙光子吸收，制備了具有光子帶隙的三維微器件，M iwa[19]采用波長398nm，單脈沖能量小于10nJ的飛秒激光，在一種商用樹脂里面制作了微型金字塔模型。

江蘇大學(xué)的劉立鵬[20]等人采用此方法準(zhǔn)備了2D和3D的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這樣為加工任意形狀的、光學(xué)性質(zhì)容

易改變的三維光子晶體提供了一個可行的技術(shù)途徑。

圖1.（a）雙光子聚合法加工的“CHINA”，（b）層狀木堆結(jié)構(gòu)

3.3 全息光刻

光學(xué)全息法基于具有良好相干性的多光束干涉和衍射效應(yīng)。當(dāng)具有良好相干性的多束光波在的相干長度內(nèi)重疊于一立體空間時，將產(chǎn)生穩(wěn)定的光場分布。此時空間光場的分布為

光場的強(qiáng)度分布為

改變其中任何一束光的振幅，偏振，相位，波矢都能改變空間光場的分布。如果能夠精確控制以上變量，當(dāng)光束足夠多的時候，便能夠產(chǎn)生我們期望的三維光學(xué)圖像分布。當(dāng)光束的數(shù)量繼續(xù)增加，已有理論和實驗證明，利用傘狀排列的四束光便可以產(chǎn)生所有14種類似布拉菲晶格排列光場分布[21]。

全息光刻技術(shù)已經(jīng)在微納光子學(xué)和集成光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。利用多光束干涉光刻技術(shù)，國內(nèi)外的多個研究小組比如，Berger等[22], Tam等[23]，Zhong等[24]，本小組[25]已經(jīng)成功的制備了各種結(jié)構(gòu)的 2D和 3D規(guī)則光子晶體，可用于制備高性能反射鏡，超棱鏡等。在集成光學(xué)中，各種有用的功能性光子器件常常需要在規(guī)則的結(jié)構(gòu)中引入功能性缺陷，如微腔，波導(dǎo)等。光子晶體微腔通過在光子晶體中引入缺陷實現(xiàn)，因此可能在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷態(tài)，這種缺陷態(tài)具有很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子。這種由光子晶體制成的微腔比傳統(tǒng)微腔要優(yōu)異得多，在光通信以及高精度光學(xué)儀器的設(shè)計中有著重要的應(yīng)用前景[26-28]。目前國內(nèi)有很多研究機(jī)構(gòu)如中國科學(xué)院理論物理所、浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、湖南師范大學(xué)等單位已開展微腔的研究,并具備自己的研究特色。傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)可以支持直線傳播的光，但在拐角處會損失能量，光子晶體波導(dǎo)不僅對直線路徑而且對轉(zhuǎn)角都有很高的效率。

3.4 分析

以上三種方法各有優(yōu)缺點，化學(xué)自組織生長法能夠制作大面積均勻的微納結(jié)構(gòu)，制作費(fèi)用低，但是該方法一般只可以制作面心立方（fcc）的光子晶體，較難精確制作各種不同功能和結(jié)構(gòu)的材料。逐點微加工法包括電子束刻蝕，離子束刻蝕，雙光子吸收光刻等技術(shù)，該方法可以精確制作各種三維維納結(jié)構(gòu)，但是制作費(fèi)用高，制作周期長，而且很難制作大面積的材料。從器件的成本、效率、品質(zhì)等多項指標(biāo)衡量，激光全息光刻制造最有競爭力；激光全息光刻是在全息照相術(shù)的基礎(chǔ)上演變而來的一種無掩模圖形產(chǎn)生技術(shù)。傳統(tǒng)的光學(xué)全息光刻法[29]可制備出無缺陷、大體積的微納光子器件如光子晶體，此制備方法成本低，效率高，品質(zhì)好。同時最新的研究進(jìn)展表明[30,25]，該技術(shù)也能導(dǎo)入各種缺陷，制作功能性微納材料，因此是最具有大規(guī)模生產(chǎn)潛力的方法之一。我們小組提出的一步全息光刻法[25]，結(jié)合位相控制技術(shù)[31]，可以快速、方便地制備帶缺陷的一維、二維和三維光子晶體。

4 我們的工作

近期,我們的研究表明，在多光束干涉立體光刻技術(shù)中，如能合理安排各束光的強(qiáng)度，偏振，夾角和相位時，更加復(fù)雜的三維光學(xué)圖像便可以產(chǎn)生，并不需要過多的光束，具備功能性缺陷的光子器件也可以被制備出來。如何設(shè)計多光束的光強(qiáng)，相位，偏振，波矢等參數(shù)，得到期望的光強(qiáng)分布是一個關(guān)鍵的問題。利用遺傳算法[32]，此問題得到了很好的解決。

我們小組通過遺傳算法設(shè)計了帶功能性缺陷的1D、2D以及3D光子晶體結(jié)構(gòu)(實驗裝置如圖2)，并使用SU8制作了線缺陷的一維布拉格結(jié)構(gòu)、二維三角格子光子晶體中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[25]。

圖2.多光束相位可控全息光刻技術(shù)實驗圖

如使用較多光束及改變光束的偏振態(tài)和強(qiáng)度，三維光子晶體中的缺陷也可使用該方法實現(xiàn)。如圖3所示

圖3 理論和實驗上最終在SU8上形成面缺陷三維結(jié)構(gòu)

左圖為理論結(jié)果，中圖為理論上具有代表性的截面，右圖顯示CCD對應(yīng)截面的干涉圖樣。

利用此方法通過一次光刻便可以產(chǎn)生一維，二維，或者三維功能性缺陷，比利用電子束或者離子束刻蝕的方法以及通過二次加工引入缺陷的方法成本低，速度快，控制準(zhǔn)確，為制備功能性光子器件制備和光學(xué)集成帶來了新的希望。

在用計算全息法合成三維光場的過程中，我們還利用了高效、快速的三維Gerchberg-Saxton算法(簡稱GS算法)，生成位相型傅里葉計算全息圖，并加載在位相型液晶空間光調(diào)制器上，重構(gòu)出了三維光場，圖像清晰連貫，對比度高，噪聲少。實驗中采用波長為632.8nm的平行光以小傾角入射到LCOS上，用f1=250mm，f2=120mm的透鏡構(gòu)成4f系統(tǒng)，全息圖縮小成像到最后一個焦平面，也即焦距較小的凸透鏡3 f3=38.1mm的前焦面，在其后方得到再現(xiàn)像[33]，以下為我們實驗的簡圖（如圖 4）和部分結(jié)果(如圖 5)[34]。由于空間光調(diào)制器的位相分布可實時改變，本方法在實現(xiàn)三維顯示、生成全息光鑷和制備三維光子器件等光學(xué)領(lǐng)域，具有很高的應(yīng)用價值。但是，如何成一個連續(xù)的三維物體，以及通過GS算法來形成我們需要的三維分布并通過光刻形成光子晶體是我們接下來工作更加關(guān)注的問題。

5 結(jié)束語

光刻技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在電子器件，光子器件制造等領(lǐng)域。立體光刻技術(shù)由電子束直寫光刻到離子束光刻，雙光子吸收光刻，發(fā)展到全息光刻，全息光刻具有成本低，效率高，品質(zhì)好等優(yōu)點。在復(fù)雜光電子器件的制備方面，立體光刻由逐層加工到一次曝光成型，大大縮短了成本和時間，全息光刻顯示出了巨大發(fā)展的潛力，有望成為今后制備微納光電子器件的主流技術(shù)之一。致謝 本文作者衷心感謝張培晴博士、謝向生博士對本文的認(rèn)真審閱和寶貴意見。

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(責(zé)任編校：何俊華)

A

1673-2219（2010）04-0042-05

2010－01－09

吳琦（1980－），女，湖南祁陽人，助教，研究方向為信息電子學(xué)。