應用于微納光子器件的立體光刻研究進展

吳 琦 梁艷明 周建英

(中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東 廣州 510275)

應用于微納光子器件的立體光刻研究進展

吳 琦 梁艷明 周建英

(中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東 廣州 510275)

本文概述了光刻技術的廣泛應用并探討其今后的發展方向,分析比較了幾種常見立體光刻技術的優缺點,重點介紹了全息光刻技術在制備光子晶體方面的應用，并總結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

常規光刻技術是利用光學復制的方法把超小圖樣印到半導體薄片上或者介質層上來制作復雜電路的技術[1]。光刻原理雖然在19世紀初就為人們所知，但長期以來由于缺乏優良的光致抗蝕劑而未得到應用。直到20世紀50年代，美國制成高分辨率和優異抗蝕性能的柯達光致抗蝕劑(KPR)之后,光刻技術才迅速發展起來，并開始用在半導體工業方面。光刻技術現已發展成為一種精密的微細加工技術，是制造高級半導體器件和大規模集成電路的關鍵工藝之一，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，集成光學等方面的應用，微納尺度的立體光刻技術變得越來越重要。

2 光刻技術應用

2.1 電子學器件方面：

光刻工藝是微電子技術的核心技術之一，是一種最精密的 半導體晶片表面圖形加工技術。在微電子領域，光刻技術主要向細、精、薄三個方向發展。

隨著集成度的提高，光刻技術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[2]，比如有193nm浸入式技術、157nm光刻技術，極短紫外光刻技術、電子束投影光刻和納米壓印光刻等。

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

2.2 光學器件方面：

光刻技術被廣泛用于制作各種光柵，光子晶體等微納光學元件。

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,其中研究最多的是用全息光刻直接形成分布反饋(DFB)半導體激光器的光柵結構。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表面上實現了DFB激光器光柵的制備.

激光全息光刻技術的基本應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，而這些介質光柵又是制作半導體集成光學器件核心結構—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)提出集成光學概念以來，激光全息光刻就與集成光學迅速結成良緣。

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 立體光刻的研究進展

首次展示立體光刻技術是在1987年美國密執安州的底特律專業博覽會上[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，光點隨著設計的路徑掃描時，便會得到一層平面圖形，然后驅動工作臺，讓光源再掃描一層，這樣一層層掃描而得到立體圖形。

目前，立體光刻技術已經引起飛機制造、機械、汽車工業、建筑設計以及玩具、醫療等行業的重視。Skaw inski等人[8]應用此技術制備了準確的分子模型，模型中原子間的相互位置是通過量子力學計算和中子衍射數據確定的；Zurnedden等人[9]成功地復制出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確地獲得所需信息；Hjalgrim 等人[10]描述了此項技術對于考古學研究的重要意義。

光刻技術中的重要挑戰是小型化。小型化革命是光刻技術為了滿足產業需要，不斷進行技術革新，從而使得光刻的特征尺度不斷縮小。

平面（2D）光學投影曝光在微納電子學領域已取得巨大成就。隨著光子晶體等光子器件在通信，集成光學等方面的應用，微納尺度的三維立體雕刻技術變得越來越重要。利用微納米加工技術在可以在半導體材料上獲得三維光子晶體結構。1998年，美國Sandia國家實驗室的Lin等人利用多次淀積/刻蝕半導體技術成功在硅襯底上實現多晶硅棒組成的堆木結構，禁帶波長在10-14.5μm之間。此后日本京都大學的Noda等人在Ⅲ-Ⅴ族材料上將該結構改進，使得光子帶隙波長達到1.5μm的通訊波段。另一種典型的三維光子晶體結構是層疊結構,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的。

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

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。經過一段時間，懸浮的膠體顆粒會從無序的結構相變成有序的Opal結構而形成膠體晶體。如果在顆粒間的空隙中填充其他無機或有機物，再通過化學方法除去顆粒，就可以得到空氣球的反Opal結構。

3.2 逐點微加工法

3.2.1 電子束直寫技術

電子束直寫光刻[12][13]是一種利用帶電粒子實現的無掩模光刻技術，與傳統的光刻(區域曝光)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。與其它的光刻技術相比，電子束直寫光刻技術具有分辨率高的優點，由于不需要掩模板，很適合小批量、特殊微結構器件的生產。結合刻蝕和沉積工藝，利用電子束直寫技術可以制備20nm甚至更細的圖形，最小尺寸達10nm的原理型納米電子器件也已經制備出來[14].

但是，由于電子束直寫技術由于曝光量難控制，再加上直寫設備復雜、昂貴，不易進行批量生產，較適合于高精度單件生產。

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，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金屬表面產生場致離子發射，其發射面積極小，可以較容易將離子光學系統發射的離子聚焦成離子束，進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，它的鄰近效應幾乎可以忽略，感光膠對離子束的靈敏度要比電子束高數百倍。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。

現在，聚焦離子束技術在微電子工業中主要用作光學掩模版和集成電路芯片的修復工具，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部，利用雙光子吸收激活光引發劑，誘發聚合反應，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結構[17]。

Cumpston[18]于1999年將飛秒激光束聚焦到光聚合預聚物材料誘發雙光子吸收，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。

江蘇大學的劉立鵬[20]等人采用此方法準備了2D和3D的結構，如圖1所示，這樣為加工任意形狀的、光學性質容

易改變的三維光子晶體提供了一個可行的技術途徑。

圖1.（a）雙光子聚合法加工的“CHINA”，（b）層狀木堆結構

3.3 全息光刻

光學全息法基于具有良好相干性的多光束干涉和衍射效應。當具有良好相干性的多束光波在的相干長度內重疊于一立體空間時，將產生穩定的光場分布。此時空間光場的分布為

光場的強度分布為

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，當光束足夠多的時候，便能夠產生我們期望的三維光學圖像分布。當光束的數量繼續增加，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]。

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

3.4 分析

以上三種方法各有優缺點，化學自組織生長法能夠制作大面積均勻的微納結構，制作費用低，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構的材料。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，該方法可以精確制作各種三維維納結構，但是制作費用高，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、品質等多項指標衡量，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的基礎上演變而來的一種無掩模圖形產生技術。傳統的光學全息光刻法[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，品質好。同時最新的研究進展表明[30,25]，該技術也能導入各種缺陷，制作功能性微納材料，因此是最具有大規模生產潛力的方法之一。我們小組提出的一步全息光刻法[25]，結合位相控制技術[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中，如能合理安排各束光的強度，偏振，夾角和相位時，更加復雜的三維光學圖像便可以產生，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。如何設計多光束的光強，相位，偏振，波矢等參數，得到期望的光強分布是一個關鍵的問題。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計了帶功能性缺陷的1D、2D以及3D光子晶體結構(實驗裝置如圖2)，并使用SU8制作了線缺陷的一維布拉格結構、二維三角格子光子晶體中的波導結構[25]。

圖2.多光束相位可控全息光刻技術實驗圖

如使用較多光束及改變光束的偏振態和強度，三維光子晶體中的缺陷也可使用該方法實現。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構

左圖為理論結果，中圖為理論上具有代表性的截面，右圖顯示CCD對應截面的干涉圖樣。

利用此方法通過一次光刻便可以產生一維，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，控制準確，為制備功能性光子器件制備和光學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制器上，重構出了三維光場，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的透鏡構成4f系統，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，在其后方得到再現像[33]，以下為我們實驗的簡圖（如圖 4）和部分結果(如圖 5)[34]。由于空間光調制器的位相分布可實時改變，本方法在實現三維顯示、生成全息光鑷和制備三維光子器件等光學領域，具有很高的應用價值。但是，如何成一個連續的三維物體，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注的問題。

5 結束語

光刻技術被廣泛地應用在電子器件，光子器件制造等領域。立體光刻技術由電子束直寫光刻到離子束光刻，雙光子吸收光刻，發展到全息光刻，全息光刻具有成本低，效率高，品質好等優點。在復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展的潛力，有望成為今后制備微納光電子器件的主流技術之一。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真審閱和寶貴意見。

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(責任編校：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。