納米科技導論-10-納米技術應用集景之三-修改

1、納米光柵的壓印制作工藝納米光柵的壓印制作工藝 夏金松夏金松教授現(xiàn)為光電國家實驗室光電子微教授現(xiàn)為光電國家實驗室光電子微納制造工藝平臺主任，其課題組以國內(nèi)領先的納制造工藝平臺主任，其課題組以國內(nèi)領先的微納微納 工藝平臺為依托，開展硅基光電器件與工藝平臺為依托，開展硅基光電器件與集成的研究工作，同時具有整套的光電器件測集成的研究工作，同時具有整套的光電器件測試平臺試平臺 ，具備完整的從材料到器件再到系統(tǒng)，具備完整的從材料到器件再到系統(tǒng)的研究平臺。目前，微納工藝平臺擁有世界一的研究平臺。目前，微納工藝平臺擁有世界一流的電子流的電子 束曝光設備束曝光設備EBL，電感耦合等離子，電感耦合等離子體刻蝕機體

2、刻蝕機ICP等相關硅基器件加工設備，具備等相關硅基器件加工設備，具備制作世界一流制作世界一流 硅基器件的能力。硅基器件的能力。夏金松老師，夏金松老師， 郵箱：郵箱：，電話電話圖圖1 衍射光柵的原理衍射光柵的原理 光柵的主要功能是利用衍射效應改變特定波光柵的主要功能是利用衍射效應改變特定波長的光的方向，如圖長的光的方向，如圖1 1所示。所示。以以納米光柵納米光柵為代表的納米尺度光子學的應用越為代表的納米尺度光子學的應用越來越廣泛來越廣泛. 衍射光柵在衍射光柵在光互聯(lián)光互聯(lián)中典型的應用是光纖到中典型的應用是光纖到芯片的垂直耦合器，如圖芯片的垂直耦合器，如圖2 2所示所示

3、: :圖圖 2 2 光纖到芯片耦合光柵光纖到芯片耦合光柵光纖中發(fā)射的光信號方向光纖中發(fā)射的光信號方向垂直于波導芯片，利用光垂直于波導芯片，利用光柵的衍射特性，光信號被柵的衍射特性，光信號被耦合進入芯片上的波導，耦合進入芯片上的波導，從而實現(xiàn)了垂直耦合的功從而實現(xiàn)了垂直耦合的功能。光柵耦合器可以采用能。光柵耦合器可以采用折射率相差很大的半導體折射率相差很大的半導體材料如材料如SOISOI制作，具有制作，具有CMOSCMOS工藝兼容，單模體積小的工藝兼容，單模體積小的特點，更加利于集成。特點，更加利于集成。 在太陽能領域，光柵被用來進一步的提高光電轉(zhuǎn)換在太陽能領域，光柵被用來進一步的提高光電轉(zhuǎn)換效

4、率，如圖效率，如圖3 3所示。在薄膜太陽能電池中的光程過所示。在薄膜太陽能電池中的光程過短是影響太陽能效率非常重要的一個原因，垂直入短是影響太陽能效率非常重要的一個原因，垂直入射的光進入太陽能電池后在硅薄膜的底端被反射，射的光進入太陽能電池后在硅薄膜的底端被反射，從而離開光電池，光在電池中所經(jīng)歷的吸收光程非從而離開光電池，光在電池中所經(jīng)歷的吸收光程非常的短。常的短。圖 3 利用光柵衍射增強太陽能吸收效率的原理利用衍射光柵的特性，垂直于光電利用衍射光柵的特性，垂直于光電池入射的太陽光經(jīng)光柵耦合，方向池入射的太陽光經(jīng)光柵耦合，方向改變?yōu)閹缀跗叫杏诠璞∧樱@樣改變?yōu)閹缀跗叫杏诠璞∧?，這樣光在薄膜

5、太陽能電池中需要經(jīng)歷的光在薄膜太陽能電池中需要經(jīng)歷的吸收光程變的很長，這樣光電池的吸收光程變的很長，這樣光電池的吸收效率也將得到很大程度的提高。吸收效率也將得到很大程度的提高。另外光柵結(jié)構(gòu)使得太陽能兩級之間另外光柵結(jié)構(gòu)使得太陽能兩級之間的接觸面積更大，減少了光生載流的接觸面積更大，減少了光生載流子移動到正負級所需的時間，從而子移動到正負級所需的時間，從而降低了復合幾率，也一定程度上提降低了復合幾率，也一定程度上提高了光電轉(zhuǎn)換效率。高了光電轉(zhuǎn)換效率。一、光柵的壓印工藝一、光柵的壓印工藝 光柵本身的波長敏感特性，是光柵器件的關鍵因光柵本身的波長敏感特性，是光柵器件的關鍵因素，使得其對制作工藝的要求

6、非常高，因此對納米光素，使得其對制作工藝的要求非常高，因此對納米光柵制作工藝的研究尤為重要。而半導體材料的折射率柵制作工藝的研究尤為重要。而半導體材料的折射率普遍很高（如普遍很高（如 ），因此光柵），因此光柵的周期非常的小，僅有幾百納米左右，必須采用至少的周期非常的小，僅有幾百納米左右，必須采用至少特征尺寸為特征尺寸為100nm100nm的制作工藝，主要制作方法有：的制作工藝，主要制作方法有：干涉曝光干涉曝光：利用兩束相干光束發(fā)生相干產(chǎn)生的周期性干涉：利用兩束相干光束發(fā)生相干產(chǎn)生的周期性干涉條紋對光刻膠進行曝光，經(jīng)過顯影后得到光柵圖案。這種條紋對光刻膠進行曝光，經(jīng)過顯影后得到光柵圖案。這種方法

7、的優(yōu)點是成本較低，無需復雜的光路，較短的時間內(nèi)方法的優(yōu)點是成本較低，無需復雜的光路，較短的時間內(nèi)就可以制作整個外延片上全部的光柵，產(chǎn)出快。但是該技就可以制作整個外延片上全部的光柵，產(chǎn)出快。但是該技術也有很多缺點，首先它只能制作周期性很強的圖形，不術也有很多缺點，首先它只能制作周期性很強的圖形，不能制作任意圖形，因此制作相移光柵的工藝非常復雜，而能制作任意圖形，因此制作相移光柵的工藝非常復雜，而且相干曝光產(chǎn)生的條紋呈正弦形狀，深度很淺。且相干曝光產(chǎn)生的條紋呈正弦形狀，深度很淺。電子束曝光（電子束曝光（E-BeamE-Beam）：利用高能的電子束：利用高能的電子束對光刻膠進行曝光，采用很細的電子束

8、斑和對光刻膠進行曝光，采用很細的電子束斑和很小的步距按照設計的圖形在光刻膠上掃描很小的步距按照設計的圖形在光刻膠上掃描曝光，顯影后得到設計的圖案。該技術的優(yōu)曝光，顯影后得到設計的圖案。該技術的優(yōu)點是可制作任意圖形，圖形分辨率非常高，點是可制作任意圖形，圖形分辨率非常高，最小可達幾個納米。缺點是需要用很細的電最小可達幾個納米。缺點是需要用很細的電子束斑和很小的步距進行直寫，曝光時間非子束斑和很小的步距進行直寫，曝光時間非常長，產(chǎn)出慢，系統(tǒng)復雜度高，購置和維護常長，產(chǎn)出慢，系統(tǒng)復雜度高，購置和維護費用很高，因此更適合于小面積、少數(shù)樣品費用很高，因此更適合于小面積、少數(shù)樣品的科研實驗。的科研實驗。極

9、紫外光刻（極紫外光刻（EUVEUV）：利用極紫外光對光刻：利用極紫外光對光刻膠進行曝光。首先在光刻膠和曝光光源的中膠進行曝光。首先在光刻膠和曝光光源的中間放置具有要曝光圖案的掩膜板，經(jīng)調(diào)節(jié)對間放置具有要曝光圖案的掩膜板，經(jīng)調(diào)節(jié)對準后，經(jīng)過顯影將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光準后，經(jīng)過顯影將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上去。該技術較短的時間就可以實現(xiàn)整刻膠上去。該技術較短的時間就可以實現(xiàn)整片大面積、極小分辨率圖形的復制，但是系片大面積、極小分辨率圖形的復制，但是系統(tǒng)對光源和光路系統(tǒng)的要求都非常高，購置統(tǒng)對光源和光路系統(tǒng)的要求都非常高，購置和維護費用非常高。和維護費用非常高。 因此，需要一種工藝技術，不僅能

10、夠滿足因此，需要一種工藝技術，不僅能夠滿足100nm最小特征尺寸的要求，還必須具備低成本、最小特征尺寸的要求，還必須具備低成本、高產(chǎn)出、能夠制作相移的優(yōu)點，而現(xiàn)有的工藝技術高產(chǎn)出、能夠制作相移的優(yōu)點，而現(xiàn)有的工藝技術無法兼顧這些因素，而無法兼顧這些因素，而納米壓印納米壓印是解決這一難題非是解決這一難題非常具有競爭力的技術之一。常具有競爭力的技術之一。二、納米壓印的原理二、納米壓印的原理 在在19951995年，現(xiàn)任于普林斯頓大學納年，現(xiàn)任于普林斯頓大學納米中心主任的米中心主任的Stephen ChouStephen Chou提出了納米提出了納米壓印技術，這是一種利用圖形壓模，將壓印技術，這是一

11、種利用圖形壓模，將模板上的圖形壓印到壓印膠上制作微納模板上的圖形壓印到壓印膠上制作微納圖形的技術。納米壓印技術分為圖形的技術。納米壓印技術分為熱壓印熱壓印、紫外壓印紫外壓印和和微接觸壓印微接觸壓印三種：三種：熱壓印熱壓?。╤ot-embossing imprinthot-embossing imprint）是最先被）是最先被ChouChou開發(fā)出來的納米壓印技術，也是使用最普遍的壓印開發(fā)出來的納米壓印技術，也是使用最普遍的壓印技術。其原理如圖技術。其原理如圖4 4所示：所示：圖圖 4 4 熱壓印原理熱壓印原理 首先將旋涂上半導體晶片的壓印膠加熱到高于首先將旋涂上半導體晶片的壓印膠加熱到高于其玻

12、璃化溫度，以增強其流動性，再將刻蝕有其玻璃化溫度，以增強其流動性，再將刻蝕有需要壓印圖形的模板放置到壓印膠上，施加壓需要壓印圖形的模板放置到壓印膠上，施加壓力，壓力迫使壓印膠填充模版壓印圖形中的空力，壓力迫使壓印膠填充模版壓印圖形中的空腔。圖形成型完成后，經(jīng)過降溫，使壓印膠凝腔。圖形成型完成后，經(jīng)過降溫，使壓印膠凝固，使其具有一定的機械強度，得到與壓印模固，使其具有一定的機械強度，得到與壓印模板相反的圖形。壓印完成后，進行脫模。然后板相反的圖形。壓印完成后，進行脫模。然后用用O2等離子體刻蝕工藝去除殘留的底膠，開出等離子體刻蝕工藝去除殘留的底膠，開出掩膜窗口，并根據(jù)需要進行后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移。掩膜

13、窗口，并根據(jù)需要進行后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移。可以采用刻蝕的辦法將壓印膠的圖形轉(zhuǎn)移到半可以采用刻蝕的辦法將壓印膠的圖形轉(zhuǎn)移到半導體晶片上，也可以先在膠掩膜上鍍一層金屬，導體晶片上，也可以先在膠掩膜上鍍一層金屬，然后采用剝離（然后采用剝離（lift-off）工藝，將有掩膜區(qū)域）工藝，將有掩膜區(qū)域內(nèi)的金屬和壓印膠一并剝?nèi)?，只剩下沒有掩膜內(nèi)的金屬和壓印膠一并剝?nèi)?，只剩下沒有掩膜部分的金屬圖形留在晶片上，實現(xiàn)圖形的反轉(zhuǎn)。部分的金屬圖形留在晶片上，實現(xiàn)圖形的反轉(zhuǎn)。由于熱壓印的原理較為簡單，因此大部分公司由于熱壓印的原理較為簡單，因此大部分公司如瑞典如瑞典Obducat和美國和美國Nanonex的壓印設備都的壓印設

14、備都具有這一功能。具有這一功能。熱壓印的一種新型的改進技術是熱壓印的一種新型的改進技術是激光輔助納米壓印技激光輔助納米壓印技術術，如圖，如圖5 5所示：可以將被壓印的半導體晶片用激光所示：可以將被壓印的半導體晶片用激光脈沖熔化，然后用模版直接把圖形壓印到半導體晶片脈沖熔化，然后用模版直接把圖形壓印到半導體晶片上，之后關閉激光脈沖，待半導體晶片冷卻后迅速的上，之后關閉激光脈沖，待半導體晶片冷卻后迅速的脫模，該技術的優(yōu)點是不需要壓印膠和后續(xù)的刻蝕工脫模，該技術的優(yōu)點是不需要壓印膠和后續(xù)的刻蝕工藝，圖形直接的由模版轉(zhuǎn)移到晶片上，效率非常的高。藝，圖形直接的由模版轉(zhuǎn)移到晶片上，效率非常的高。圖圖5 5

15、 激光輔助直接壓印原理激光輔助直接壓印原理 紫外壓印紫外壓?。║V imprintUV imprint）則分為兩種，一種為紫外與熱）則分為兩種，一種為紫外與熱壓印同時進行（壓印同時進行（STUSTU）的壓印技術，如圖）的壓印技術，如圖 6 6所示：所示：圖圖6 紫外與熱壓印同時進行紫外與熱壓印同時進行 將紫外壓印膠旋涂到半導將紫外壓印膠旋涂到半導體晶片上，與熱壓印類似，體晶片上，與熱壓印類似，通過對其加熱以增強流動性，通過對其加熱以增強流動性，不同的是壓印模版必須是紫不同的是壓印模版必須是紫外透明材料，而且當圖形壓外透明材料，而且當圖形壓印成型后，不是采用降溫凝印成型后，不是采用降溫凝固，而是

16、利用紫外固化的方固，而是利用紫外固化的方式使其固化，從而得到與壓式使其固化，從而得到與壓印模版相反的圖形，目前使印模版相反的圖形，目前使用用STUSTU技術的有瑞典技術的有瑞典ObducatObducat公司。公司。 另一種稱為另一種稱為滴膠式壓印技術滴膠式壓印技術，不同的是將流動性很好的紫外壓，不同的是將流動性很好的紫外壓印膠滴上半導體晶片上的壓印區(qū)域，而不是采用旋涂的方式，模版印膠滴上半導體晶片上的壓印區(qū)域，而不是采用旋涂的方式，模版移動到需要壓印的區(qū)域，開始逐漸下移，用很低的壓力將模板壓到移動到需要壓印的區(qū)域，開始逐漸下移，用很低的壓力將模板壓到晶片上，使壓印膠分散開并填充成型。相比于晶

17、片上，使壓印膠分散開并填充成型。相比于STUSTU壓印，滴膠式紫壓印，滴膠式紫外壓印的工藝較為復雜，因為膠的液滴大小、液滴的分布情況都與外壓印的工藝較為復雜，因為膠的液滴大小、液滴的分布情況都與需要壓印的圖形有很大的關系，如果沒有掌握好，很有可能導致壓需要壓印的圖形有很大的關系，如果沒有掌握好，很有可能導致壓印失敗。但是滴膠式壓印也有其優(yōu)點，它只在需要壓印的地方滴膠，印失敗。但是滴膠式壓印也有其優(yōu)點，它只在需要壓印的地方滴膠，因此可以大大減少壓印膠的用量，從另一方面來說，需要壓印的區(qū)因此可以大大減少壓印膠的用量，從另一方面來說，需要壓印的區(qū)域也可以通過滴膠的位置來進行選擇。域也可以通過滴膠的位

18、置來進行選擇。 滴膠式紫外壓印的一個改進技術是滴膠式紫外壓印的一個改進技術是步進閃光步進閃光壓印技術壓印技術（step and flash，SFIL），是由），是由University of Texas at Austin發(fā)明的，其原理發(fā)明的，其原理如圖如圖 7，其特點是利用一個小面積的模版在一，其特點是利用一個小面積的模版在一片半導體晶片上的多個選定的位置進行滴膠式片半導體晶片上的多個選定的位置進行滴膠式壓印，從而實現(xiàn)陣列的效果，目前使用壓印，從而實現(xiàn)陣列的效果，目前使用step and flash壓印技術的公司只有美國的壓印技術的公司只有美國的Molecular imprint。圖圖7 7

19、 步進閃光步進閃光 微接觸式壓印微接觸式壓?。∕icro contact imprintMicro contact imprint）與普）與普通壓印的功能不同。如圖通壓印的功能不同。如圖8 8所示：所示：圖圖8 微接觸壓印技術微接觸壓印技術 它的主要作用是將具有一定圖形的自組裝分子層轉(zhuǎn)移到晶片上。微接觸壓印它的主要作用是將具有一定圖形的自組裝分子層轉(zhuǎn)移到晶片上。微接觸壓印通常是利用聚合物模版，聚合物模版是旋涂在加工好的模具上經(jīng)固化形成的，通通常是利用聚合物模版，聚合物模版是旋涂在加工好的模具上經(jīng)固化形成的，通常使用的材料是聚二甲基硅氧烷常使用的材料是聚二甲基硅氧烷 (poly-dimethyl

20、siloxan(poly-dimethylsiloxan，PDMS)PDMS)，然后將聚合，然后將聚合物模版浸入到具有形成自組裝分子層的化學溶液中，然后將模版慢慢的靠近晶片，物模版浸入到具有形成自組裝分子層的化學溶液中，然后將模版慢慢的靠近晶片，形成微接觸，由于形成微接觸，由于PDMSPDMS的強疏水性能，模版上突出圖形區(qū)域的自組裝分子層會轉(zhuǎn)的強疏水性能，模版上突出圖形區(qū)域的自組裝分子層會轉(zhuǎn)移到晶片上，從而在晶片上形成具有一定圖形的自組裝分子層。微接觸壓印不需移到晶片上，從而在晶片上形成具有一定圖形的自組裝分子層。微接觸壓印不需要特殊的設備就能夠進行，但是圖形尺寸只能做到亞微米量級。微接觸壓印

21、主要要特殊的設備就能夠進行，但是圖形尺寸只能做到亞微米量級。微接觸壓印主要的優(yōu)點是生物兼容性好，它在整個壓印過程中，沒有高溫、高壓、紫外曝光的過的優(yōu)點是生物兼容性好，它在整個壓印過程中，沒有高溫、高壓、紫外曝光的過程，最大程度的保護了生物樣品不受到工藝過程的影響。程，最大程度的保護了生物樣品不受到工藝過程的影響。三、納米壓印的應用三、納米壓印的應用 自納米壓印技術（自納米壓印技術（NILNIL）發(fā)明至今，已）發(fā)明至今，已經(jīng)被應用于許多經(jīng)被應用于許多微納加工微納加工領域，并做出了領域，并做出了一些重要的技術進步（圖一些重要的技術進步（圖9 9）。在）。在半導體工半導體工藝領域藝領域，實現(xiàn)了最小，

22、實現(xiàn)了最小5nm5nm特征尺寸的圖形，特征尺寸的圖形，100mm100mm晶片下高均勻性，高質(zhì)量的納米圖形，晶片下高均勻性，高質(zhì)量的納米圖形，全程質(zhì)量在線監(jiān)控。在全程質(zhì)量在線監(jiān)控。在電子領域電子領域，超窄通，超窄通道道MOSFETMOSFET，高頻聲表波濾波器，高頻聲表波濾波器，GrapheneGraphene晶體管，高性能新型存儲器等。晶體管，高性能新型存儲器等。在在MEMSMEMS領領域域，制作出了的微流管道，高精度，制作出了的微流管道，高精度MEMSMEMS傳傳感器等。感器等。圖圖9 已報導的納米壓印技術在電子、已報導的納米壓印技術在電子、MEMS方面的應用方面的應用 在在光電子領域光電

23、子領域，納米壓印技術幾乎制作出了，納米壓印技術幾乎制作出了所有微納光子學中涉及的器件（圖所有微納光子學中涉及的器件（圖 10），微透），微透鏡、光柵、光子晶體、微環(huán)、鏡、光柵、光子晶體、微環(huán)、MMI、AWG、可、可調(diào)諧濾波器、反射器，激光器、光互聯(lián)器件、調(diào)諧濾波器、反射器，激光器、光互聯(lián)器件、偏振分光器、表面等離子晶體、提高太陽能效偏振分光器、表面等離子晶體、提高太陽能效率的陷光結(jié)構(gòu)等。值得一提的是，利用納米壓率的陷光結(jié)構(gòu)等。值得一提的是，利用納米壓印技術制作光子晶體和圖形襯底提高印技術制作光子晶體和圖形襯底提高LED的出的出光效率已經(jīng)被很多廠商商業(yè)化。光效率已經(jīng)被很多廠商商業(yè)化。圖圖 10

24、已報導的納米壓印制作的光電器件已報導的納米壓印制作的光電器件四、納米壓印的發(fā)展現(xiàn)狀四、納米壓印的發(fā)展現(xiàn)狀 如今，納米壓印技術已經(jīng)被如今，納米壓印技術已經(jīng)被International International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 認為是下一代認為是下一代ICIC制造技術的之一。制造技術的之一。 納米壓印相比于傳統(tǒng)的光刻技術有許多優(yōu)點：納米壓印相比于傳統(tǒng)的光刻技術有許多優(yōu)點：納米壓印技術制作的圖形面積和工藝最小尺寸只與模納米壓印技術制作的

25、圖形面積和工藝最小尺寸只與模版上圖形的面積與最小尺寸有關。版上圖形的面積與最小尺寸有關。 該技術不需要特殊的光學與高電壓設備，成本較低。該技術不需要特殊的光學與高電壓設備，成本較低。 納米壓印技術制作的圖形由模版上的圖形決定，沒有納米壓印技術制作的圖形由模版上的圖形決定，沒有周期性的要求，能夠復制任意圖形。周期性的要求，能夠復制任意圖形。 納米壓印能制作斜面、金字塔等納米壓印能制作斜面、金字塔等3 3維圖形。維圖形。 納米壓印技術相比于現(xiàn)有的技術，在成本、生產(chǎn)效納米壓印技術相比于現(xiàn)有的技術，在成本、生產(chǎn)效率、加工尺寸、制作圖形的多樣性、圖形面積上都具率、加工尺寸、制作圖形的多樣性、圖形面積上都

26、具有很大的優(yōu)勢，非常適合器件的大規(guī)模生產(chǎn)。有很大的優(yōu)勢，非常適合器件的大規(guī)模生產(chǎn)。 雖然納米壓印技術有如上諸多優(yōu)點，但是它同時也存雖然納米壓印技術有如上諸多優(yōu)點，但是它同時也存在許多問題：在許多問題： 大面積模版制作困難，需要長時間的大面積模版制作困難，需要長時間的E-beam直寫曝直寫曝光，成本高、時間長、風險大。光，成本高、時間長、風險大。 壓印模版的表面需要進行疏水處理，使聚合物壓印膠壓印模版的表面需要進行疏水處理，使聚合物壓印膠與襯底的粘附性遠遠大于其與模版之間的粘附性，這與襯底的粘附性遠遠大于其與模版之間的粘附性，這樣才能保證脫模時，模版不會將壓印膠拉起來而破壞樣才能保證脫模時，模版

27、不會將壓印膠拉起來而破壞壓印圖形。壓印圖形。 納米壓印工藝是接觸式加工工藝，相比于非接觸式加納米壓印工藝是接觸式加工工藝，相比于非接觸式加工工藝，更容易引入多種缺陷，另外，當壓力不均勻工工藝，更容易引入多種缺陷，另外，當壓力不均勻時，模版在高壓下與被壓印的晶片接觸時，有可能造時，模版在高壓下與被壓印的晶片接觸時，有可能造成對兩者的損壞。成對兩者的損壞。 同樣是由于接觸式工藝的原因，納米壓印技術對晶片同樣是由于接觸式工藝的原因，納米壓印技術對晶片平整度有非常高的要求，不平的晶片會產(chǎn)生非常嚴重平整度有非常高的要求，不平的晶片會產(chǎn)生非常嚴重的圖形缺陷。的圖形缺陷。 國內(nèi)，上海交通大學、復旦大學和華中

28、科國內(nèi)，上海交通大學、復旦大學和華中科技大學進行過一些納米壓印的工藝和制作器技大學進行過一些納米壓印的工藝和制作器件的研究，制作的器件多在亞微米量級或接件的研究，制作的器件多在亞微米量級或接近納米量級，制作圖形面積也較小，還處于近納米量級，制作圖形面積也較小，還處于樣品實驗的階段，不能達到樣品實驗的階段，不能達到100nm最小特征最小特征尺寸、大面積、高質(zhì)量、高均勻性的要求。尺寸、大面積、高質(zhì)量、高均勻性的要求。 五、納米壓印制作五、納米壓印制作DFB激光器光柵激光器光柵 DFB( Distributed Feedback Laser)，即，即分布式反饋激光器分布式反饋激光器，其不同之處是，其

29、不同之處是內(nèi)置了布拉內(nèi)置了布拉格光柵格光柵（Bragg Grating），屬于側(cè)面發(fā)射的），屬于側(cè)面發(fā)射的半導體激光器。目前，半導體激光器。目前，DFB激光器主要以半導激光器主要以半導體材料為介質(zhì)，包括銻化鎵體材料為介質(zhì)，包括銻化鎵(GaSb）、砷化鎵）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦）、磷化銦(InP)、硫化鋅、硫化鋅(ZnS)等。等。DFB激光器最大特點是具有非常好的單色性激光器最大特點是具有非常好的單色性（即光譜純度），它的線寬普遍可以做到（即光譜純度），它的線寬普遍可以做到1MHz以內(nèi)，以及具有非常高的邊摸抑制比以內(nèi)，以及具有非常高的邊摸抑制比（SMSR），目前可高達），目前可高達40-5

30、0dB以上。以上。DFB激光器的應用激光器的應用 一、光纖通訊一、光纖通訊 通訊是通訊是DFB的主要應用，如的主要應用，如1310nm，1550nm DFB激激光器的應用。光器的應用。 二、可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術（二、可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS） a) 過程控制過程控制 (HCl, O2 ) b) 火災預警火災預警 (CO/CO2 ratio) c) 成分檢測成分檢測 (moisture in natural gas) d) 醫(yī)療應用醫(yī)療應用 (blood sugar, breath gas, helicobacter) e) 大氣測量大氣測量 (isotope compo

31、sition of H2O, O2, CO) f) 泄漏檢查泄漏檢查 (Methane) g) 安全安全 (H2S, HF) h) 環(huán)境測量環(huán)境測量 (Ozone, Methane) i) 科研科研 (Mars and space missions) j) 三、原子光譜學應用三、原子光譜學應用 k) 原子鐘原子鐘 (GALILEO, chip scale atomic clock) l) 磁力計磁力計 (SERF) m) . 四、新興市場四、新興市場 a) 精密測量精密測量 (Ellipsometry, 3D vision) b) 夜視儀夜視儀 c) 同位素監(jiān)測同位素監(jiān)測 (distincti

32、on of 235UHF / 238UHF) d) DFB激光器國內(nèi)外廠商現(xiàn)狀激光器國內(nèi)外廠商現(xiàn)狀 當前，當前，DFB激光器芯片技術基本上由德國、美激光器芯片技術基本上由德國、美國、日本等發(fā)達國家掌握，比如德國國、日本等發(fā)達國家掌握，比如德國Nanoplus、Sacher、Eagleyard、Toptica公司，美國公司，美國Thorlabs、EM4、Power Technology、Sarnoff公司，日本公司，日本NTT、Oclaro等公司。廠商非常多，但能夠?qū)崿F(xiàn)商等公司。廠商非常多，但能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的廠家并不多，主要有業(yè)化生產(chǎn)的廠家并不多，主要有Nanoplus、Eagleyard、

33、NTT、Thorlabs等幾家公司。由于部等幾家公司。由于部分國家對分國家對DFB激光器的技術保護，部分產(chǎn)品對中國激光器的技術保護，部分產(chǎn)品對中國禁售，目前主要通過代理商向國內(nèi)銷售，主要包括禁售，目前主要通過代理商向國內(nèi)銷售，主要包括Nanoplus代理商深圳市華儒科技、代理商深圳市華儒科技、Eagleyard代理代理商富泰商富泰(香港香港)科技、科技、NTT北京代表處、北京代表處、Thorlabs代理代理商上海瞬渺光電科技等等。商上海瞬渺光電科技等等。 由于由于DFB激光器內(nèi)部光柵的特殊技術，能夠篩選激光器內(nèi)部光柵的特殊技術，能夠篩選出從出從750nm到到3500nm，甚至更長中心波長的，甚

34、至更長中心波長的DFB激激光器，但能夠準確地篩選中心波長非常困難，目前光器，但能夠準確地篩選中心波長非常困難，目前Nanoplus具有絕對的優(yōu)勢，能夠篩選從具有絕對的優(yōu)勢，能夠篩選從750nm到到3500nm之間的任意中心波長，其它廠商暫時只能篩之間的任意中心波長，其它廠商暫時只能篩選比如從選比如從750nm到到1200nm部分中心波長，或者從部分中心波長，或者從1000nm到到2400nm部分中心波長。從一些國外最新部分中心波長。從一些國外最新發(fā)表論文看，通過對新物質(zhì)材料的研究，發(fā)表論文看，通過對新物質(zhì)材料的研究，Nanoplus已經(jīng)把中心波長做到了已經(jīng)把中心波長做到了4000nm，其它公司

35、也開始往，其它公司也開始往2000-3000nm之間發(fā)展，在材料的研究和工藝技術之間發(fā)展，在材料的研究和工藝技術上展開了激烈的競爭。上展開了激烈的競爭。 目前國內(nèi)還沒有成熟的目前國內(nèi)還沒有成熟的DFB芯片生產(chǎn)技術，由于芯片生產(chǎn)技術，由于成品率低基本上沒有形成商業(yè)化，國內(nèi)生產(chǎn)的成品率低基本上沒有形成商業(yè)化，國內(nèi)生產(chǎn)的DFB激激光器主要是基于對國外芯片的封裝生產(chǎn)，主要表現(xiàn)為光器主要是基于對國外芯片的封裝生產(chǎn)，主要表現(xiàn)為對通訊波段的生產(chǎn)和應用。對通訊波段的生產(chǎn)和應用。 制造工藝制造工藝DFB芯片的制作工藝芯片的制作工藝非常復雜非常復雜，體現(xiàn)了，體現(xiàn)了半導體產(chǎn)品在生產(chǎn)制造上的最復雜程度，下表是半導體產(chǎn)

36、品在生產(chǎn)制造上的最復雜程度，下表是DFB激光器的主要生產(chǎn)工藝流程（從材料生長到封激光器的主要生產(chǎn)工藝流程（從材料生長到封裝的整個過程）：裝的整個過程）： Process（工藝流程）：（工藝流程）：GaSb-processing（銻化鎵材料生長）（銻化鎵材料生長）coating / lift-off（鍍膜（鍍膜/剝離）剝離）optical lithography（光學光刻）（光學光刻） e-beam（電子束成象）（電子束成象）vapor coating（氣相涂蓋）（氣相涂蓋）etching（蝕刻）（蝕刻）electroplating（電解沉積）（電解沉積）quality control（質(zhì)量控制

37、）（質(zhì)量控制）Back End（后續(xù)處理）：（后續(xù)處理）： cleaving（切割）（切割） facet coating（端面鍍膜）（端面鍍膜） characterization（參數(shù)塑造）（參數(shù)塑造） mounting (TO-header)（安裝）（安裝） fiber coupling（光纖耦合）（光纖耦合） burn-In（預燒）（預燒） 1、壓印模版的制作、壓印模版的制作A A、母版的、母版的E-BeamE-Beam制作制作 光柵模版的設計和制作是納米壓印制作光柵模版的設計和制作是納米壓印制作DFBDFB激光器的一個關激光器的一個關鍵步驟，適合鍵步驟，適合DWDMDWDM技術要求的技術

38、要求的1550nm1550nm波段波段DFBDFB激光器，根據(jù)激光器，根據(jù)BraggBragg條件將光柵的周期設計為條件將光柵的周期設計為242nm242nm，長度為，長度為250m250m，然后在每，然后在每個光柵的中間去掉了一個周期，形成個光柵的中間去掉了一個周期，形成 /4/4相移。相移。圖圖11 光柵模版的設計圖光柵模版的設計圖 設計完成后，將文件導入設計完成后，將文件導入E-Beam曝光機中，曝光機中，就可以開始模版的制作了。按照就可以開始模版的制作了。按照Si或石英材料或石英材料不同，電子束曝光制作的方式略有不同。對于不同，電子束曝光制作的方式略有不同。對于Si材料，由于本身具有一

39、定的導電性，可以直材料，由于本身具有一定的導電性，可以直接利用接利用E-Beam曝光。過程是先在用曝光。過程是先在用piranha溶液（溶液（H2SO4:H2O2=2:1）、去離子水清洗）、去離子水清洗后并吹干的后并吹干的Si片表面旋涂一層片表面旋涂一層HMDS(4000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘，分鐘，35秒秒)對其進行表面處理，然后再旋涂對其進行表面處理，然后再旋涂一層稀釋后的（一層稀釋后的（ZEP-520A：ZEP-A=2：3）ZEP電子束曝光膠（電子束曝光膠（2000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘，分鐘，35秒），秒），并在并在185熱板上烘烤熱板上烘烤2分鐘，然后將其放入分鐘，然后將其放入E-Beam設備進行曝光。設備

40、進行曝光。 曝光后在顯影液中顯影曝光后在顯影液中顯影2分鐘，并用異丙分鐘，并用異丙醇（醇（IPA）沖洗）沖洗1分鐘，取出后吹干。然后利分鐘，取出后吹干。然后利用用Cl2和和HBr做做RIE刻蝕出圖形，最后在刻蝕出圖形，最后在Remover PG中以中以90加熱加熱3小時以去除電子小時以去除電子束膠。這里的清洗過程和束膠。這里的清洗過程和HDMS非常重要，非常重要，直接影響了樣片對膠的粘附性，沒有做這兩直接影響了樣片對膠的粘附性，沒有做這兩個過程可能導致勻不上膠。個過程可能導致勻不上膠。 對于石英模版，由于是絕緣材料，模版制對于石英模版，由于是絕緣材料，模版制作過程比較復雜，制作工藝如圖作過程比

41、較復雜，制作工藝如圖 12所示：所示：圖圖 12 石英模版的制作工藝石英模版的制作工藝需要先在石英上用電子束蒸鍍需要先在石英上用電子束蒸鍍30nm的的Cr；勻上電子束膠后，用勻上電子束膠后，用E-Beam曝光，在膠上顯影出模版圖形；曝光，在膠上顯影出模版圖形；利用膠做掩膜，用利用膠做掩膜，用O2 和和Cl2 RIE將圖形從膠上轉(zhuǎn)移到將圖形從膠上轉(zhuǎn)移到Cr上；上；在在Remover PG中加熱中加熱3小時剝?nèi)ル娮邮z；小時剝?nèi)ル娮邮z；利用利用Cr做掩膜，用做掩膜，用CHF3和和O2做做RIE將圖形從將圖形從Cr上轉(zhuǎn)移到石英上上轉(zhuǎn)移到石英上;用用Cr Remover處理處理15分鐘，去除殘留的分

42、鐘，去除殘留的Cr，留下石英模版。，留下石英模版。因為母版的刻蝕深度決定了軟模版的深度，從而影響到最終的壓印因為母版的刻蝕深度決定了軟模版的深度，從而影響到最終的壓印過程，對于壓印工藝非常的關鍵，需要小心的選擇。過程，對于壓印工藝非常的關鍵，需要小心的選擇。 模版刻蝕完成后，需要放入模版刻蝕完成后，需要放入piranha （H2SO4：H2O2 = 2:1）溶液中清洗，并用去離子水清洗，吹干，儲存）溶液中清洗，并用去離子水清洗，吹干，儲存在干燥的環(huán)境中等待下一步在干燥的環(huán)境中等待下一步防粘工藝防粘工藝。圖圖 13 利用利用E-beam制作的光柵模版制作的光柵模版SEMB、模版的防粘處理、模版的

43、防粘處理 采用濕法防粘工藝，使用的自組裝分子層材料為采用濕法防粘工藝，使用的自組裝分子層材料為全氟癸全氟癸基三氯硅烷基三氯硅烷（1H,1H,2H,2H fluorodecyltrichlor osilane），防粘處理的工藝過程是：），防粘處理的工藝過程是：將模版放入將模版放入H2SO4：H2O2 = 2:1的溶液中清洗，并用去的溶液中清洗，并用去離子水清洗，吹干，儲存在干燥的環(huán)境中。離子水清洗，吹干，儲存在干燥的環(huán)境中。將模版浸入含將模版浸入含0.6 mmol/mL的的 FDTS的異辛烷溶液中的異辛烷溶液中10分分鐘。鐘。將模版取出后迅速放入異辛烷中沖洗干凈，最后用丙酮和將模版取出后迅速放入

44、異辛烷中沖洗干凈，最后用丙酮和異丙醇清洗并吹干，儲存在干燥環(huán)境中。異丙醇清洗并吹干，儲存在干燥環(huán)境中。 必須注意的是，因為必須注意的是，因為FDTS化學物質(zhì)會與水發(fā)生反應，化學物質(zhì)會與水發(fā)生反應，生成極其難以去掉的反應物，所以整個防粘處理過程需要生成極其難以去掉的反應物，所以整個防粘處理過程需要在完全無水的環(huán)境中完成，不然會對模版造成致命的損壞。在完全無水的環(huán)境中完成，不然會對模版造成致命的損壞。C、SFIL制作二次模版制作二次模版圖圖14 利用軟模版技術和二次模版技術壓印的整體過程利用軟模版技術和二次模版技術壓印的整體過程 首先利用首先利用E-Beam制作小面積模版，再利用制作小面積模版，再

45、利用SFIL技術通過多次復制制作技術通過多次復制制作大面積二次母版，然后利用熱壓印將母版上的圖形轉(zhuǎn)移到軟模版，最后通大面積二次母版，然后利用熱壓印將母版上的圖形轉(zhuǎn)移到軟模版，最后通過軟模版將圖形通過紫外壓印轉(zhuǎn)移到最終的晶片上。過軟模版將圖形通過紫外壓印轉(zhuǎn)移到最終的晶片上。 二次模版技術是將一個小面積的模版經(jīng)過多次復二次模版技術是將一個小面積的模版經(jīng)過多次復制，形成一個大面積的圖形陣列，并用這個圖形陣制，形成一個大面積的圖形陣列，并用這個圖形陣列制作大面積模版。如可將把一個用上述列制作大面積模版。如可將把一個用上述E-Beam方法制作的方法制作的10mm10mm的石英模版經(jīng)過的石英模版經(jīng)過9次復

46、次復制而形成一個制而形成一個30mm30mm的大面積的大面積Si模版。模版。 制作時可使用制作時可使用Imprio 100 SFIL壓印機。為保證壓印機。為保證平整性，一片雙面拋光的平整性，一片雙面拋光的Si晶片被用作大面積模版晶片被用作大面積模版的材料。在壓印工作之前，將一層緩沖層材料旋涂的材料。在壓印工作之前，將一層緩沖層材料旋涂到到Si片上并在片上并在160熱板上烘烤熱板上烘烤60秒，形成一層秒，形成一層60nm的轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層在這里有兩個作用：首先，的轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層在這里有兩個作用：首先，它能夠增強襯底與壓印膠之間的粘性，使脫模的過它能夠增強襯底與壓印膠之間的粘性，使脫模的過程更加順利

47、，另外，它能夠使表面更加平整，提高程更加順利，另外，它能夠使表面更加平整，提高壓印的質(zhì)量。壓印的質(zhì)量。 在石英模版和晶片被調(diào)整到完全平行后，模版開始緩在石英模版和晶片被調(diào)整到完全平行后，模版開始緩慢下移并與晶片緊密接觸，慢下移并與晶片緊密接觸， 壓印膠被滴在兩者之間，精壓印膠被滴在兩者之間，精確控制滴膠的體積和形狀使壓印膠能夠完全填充模版與晶確控制滴膠的體積和形狀使壓印膠能夠完全填充模版與晶片之間的形狀。然后向模版施壓，保持其壓在晶片上片之間的形狀。然后向模版施壓，保持其壓在晶片上60秒，待壓印膠填充完成后，利用紫外曝光秒，待壓印膠填充完成后，利用紫外曝光30秒使其固化。秒使其固化。紫外曝光后

48、，石英模版被拉起來脫模并準備進行下一次壓紫外曝光后，石英模版被拉起來脫模并準備進行下一次壓印。這個壓印過程重復了印。這個壓印過程重復了9次，形成一個次，形成一個33的陣列，為的陣列，為保證陣列中壓印制作的各個圖形塊不會重疊，每兩個相鄰保證陣列中壓印制作的各個圖形塊不會重疊，每兩個相鄰圖形塊之間的間隔為圖形塊之間的間隔為2mm。重復這些圖形塊以形成陣列。重復這些圖形塊以形成陣列的過程由的過程由Imprio 100上的上的x-y對準控制系統(tǒng)完成。、對準控制系統(tǒng)完成。、壓印完成后，先用壓印完成后，先用O2 RIE去除去除SFIL的底膠和轉(zhuǎn)移層，露的底膠和轉(zhuǎn)移層，露出刻蝕出刻蝕Si的窗口，最后按照之前

49、所說的的窗口，最后按照之前所說的Si刻蝕工藝將圖形刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到大面積模版上。轉(zhuǎn)移到大面積模版上。D、熱壓印制作軟模版、熱壓印制作軟模版 熱壓制作軟模版的步驟不需要勻膠的過程，只用將軟熱壓制作軟模版的步驟不需要勻膠的過程，只用將軟模版材料放置在母版上，再用密封塑料片覆蓋住兩者形模版材料放置在母版上，再用密封塑料片覆蓋住兩者形成氣室，并開始壓印工藝。壓印曲線如圖成氣室，并開始壓印工藝。壓印曲線如圖 15所示。軟所示。軟模版制作完成后，將其儲存在干燥、潔凈的環(huán)境中，等模版制作完成后，將其儲存在干燥、潔凈的環(huán)境中，等待將它上面的圖形轉(zhuǎn)移到最終激光器外延片上的紫外壓待將它上面的圖形轉(zhuǎn)移到最終激光

50、器外延片上的紫外壓印工藝。印工藝。圖圖 15 熱壓制作軟模版工藝的壓印曲線熱壓制作軟模版工藝的壓印曲線2、DFB光柵的壓印制作與測試光柵的壓印制作與測試A、光柵的壓印制作、光柵的壓印制作用壓印制作的用壓印制作的DFB激光器的外延片結(jié)構(gòu)如圖激光器的外延片結(jié)構(gòu)如圖 16所示。所示。 圖圖 16 DFB激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu):(a)外延結(jié)構(gòu)；（外延結(jié)構(gòu)；（b）3D視圖視圖（a） (b) 由一片由一片n-InP襯底經(jīng)襯底經(jīng)MOCVD生長而成。包括一層緩生長而成。包括一層緩沖層、處于兩層保護層之間的量子阱層，一層包覆層，沖層、處于兩層保護層之間的量子阱層，一層包覆層，一層刻蝕阻擋層，在刻蝕阻擋層上是在包覆

51、層與接觸一層刻蝕阻擋層，在刻蝕阻擋層上是在包覆層與接觸層之間的光柵材料層。光柵制作在光柵材料層上，圖層之間的光柵材料層。光柵制作在光柵材料層上，圖 16（b）是）是DFB激光器芯片全部制作工藝完成后的三維激光器芯片全部制作工藝完成后的三維視圖。視圖。 利用紫外壓印將軟模版上的圖形轉(zhuǎn)移到壓印膠的制作中使用利用紫外壓印將軟模版上的圖形轉(zhuǎn)移到壓印膠的制作中使用的溫度與壓力分別為的溫度與壓力分別為80與與20Bar，初始勻膠厚度為，初始勻膠厚度為200nm。因為外延片本身就非常的干凈，因此不需要進行清洗就可以勻因為外延片本身就非常的干凈，因此不需要進行清洗就可以勻上壓印膠，勻膠參數(shù)為上壓印膠，勻膠參數(shù)

52、為4000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠后，將晶片放置在分鐘，勻膠后，將晶片放置在95的熱板上烘烤的熱板上烘烤2分鐘以去除壓印膠中的溶劑，然后將其放入分鐘以去除壓印膠中的溶劑，然后將其放入壓印機中，將軟模版放置在被壓印外延片上，需要注意的是，壓印機中，將軟模版放置在被壓印外延片上，需要注意的是，軟模版上光柵的方向必須對準外延片的晶向，然后用密封塑料軟模版上光柵的方向必須對準外延片的晶向，然后用密封塑料片覆蓋住兩者形成氣室，并開始壓印工藝。使用的壓印曲線如片覆蓋住兩者形成氣室，并開始壓印工藝。使用的壓印曲線如圖圖 17所示：所示：圖圖 17 軟模版紫外壓印曲線軟模版紫外壓印曲線經(jīng)過軟模版壓印后，晶片表面壓印膠

53、的光柵圖形在經(jīng)過軟模版壓印后，晶片表面壓印膠的光柵圖形在顯微鏡下如圖顯微鏡下如圖18所示所示:圖圖 18 顯微鏡下壓印膠的圖案顯微鏡下壓印膠的圖案由圖可見，壓印圖形在大面積下有高質(zhì)量、高均勻由圖可見，壓印圖形在大面積下有高質(zhì)量、高均勻性。與圖性。與圖11進行比較，可見壓印制作的光柵的布局進行比較，可見壓印制作的光柵的布局與模版設計一致，說明壓印工藝成功的將設計的光與模版設計一致，說明壓印工藝成功的將設計的光柵圖形轉(zhuǎn)移到了外延片上。柵圖形轉(zhuǎn)移到了外延片上。 壓印完成后，利用壓印完成后，利用O2等離子將殘余的底膠去除，打等離子將殘余的底膠去除，打開窗口開窗口(工藝氣體為工藝氣體為O2，流量為，流量

54、為20sccm，反應室壓力，反應室壓力為為10mT，刻蝕功率為，刻蝕功率為80w)，具體刻蝕時間視殘留的光，具體刻蝕時間視殘留的光刻膠厚度而定。刻蝕底膠時間太長可能會破壞壓印膠光刻膠厚度而定。刻蝕底膠時間太長可能會破壞壓印膠光柵形狀，同時使得凸起的光刻膠太薄，不利于接下來對柵形狀，同時使得凸起的光刻膠太薄，不利于接下來對外延片的刻蝕轉(zhuǎn)移圖形，而刻蝕底膠的時間太短可能未外延片的刻蝕轉(zhuǎn)移圖形，而刻蝕底膠的時間太短可能未將殘留的薄層光刻膠去除干凈，無法進行圖形轉(zhuǎn)移。將殘留的薄層光刻膠去除干凈，無法進行圖形轉(zhuǎn)移。 打開窗口后，即可用干法刻蝕的方法將圖形轉(zhuǎn)移到打開窗口后，即可用干法刻蝕的方法將圖形轉(zhuǎn)移到

55、InP材料上，使用的刻蝕機為材料上，使用的刻蝕機為Oxford公司的公司的Plasma System 100，工藝參數(shù)為：，工藝參數(shù)為：CH4：H2=10：30，反應，反應室壓力為室壓力為10mT，刻蝕功率為，刻蝕功率為150W，由于光柵的刻蝕，由于光柵的刻蝕屬于淺刻蝕，且屬于淺刻蝕，且ICP功率會損壞壓印膠掩膜，因此在刻功率會損壞壓印膠掩膜，因此在刻蝕過程中，不需要加上蝕過程中，不需要加上ICP功率，刻蝕速率在功率，刻蝕速率在10nm/分分鐘?？涛g完畢后用鐘。刻蝕完畢后用O2等離子在等離子在80W下轟擊下轟擊5分鐘去除作分鐘去除作為刻蝕掩膜的壓印膠。為刻蝕掩膜的壓印膠。圖圖 19（a）為刻蝕后）