应用于微纳光子器件的立体光刻研究进展

吴 琦 梁艳明 周建英

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275)

应用于微纳光子器件的立体光刻研究进展

吴 琦 梁艳明 周建英

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275)

本文概述了光刻技术的广泛应用并探讨其今后的发展方向,分析比较了几种常见立体光刻技术的优缺点,重点介绍了全息光刻技术在制备光子晶体方面的应用，并总结了我们小组的研究成果。

光刻;立体光刻;全息光刻;光子晶体

1 引 言

常规光刻技术是利用光学复制的方法把超小图样印到半导体薄片上或者介质层上来制作复杂电路的技术[1]。光刻原理虽然在19世纪初就为人们所知，但长期以来由于缺乏优良的光致抗蚀剂而未得到应用。直到20世纪50年代，美国制成高分辨率和优异抗蚀性能的柯达光致抗蚀剂(KPR)之后,光刻技术才迅速发展起来，并开始用在半导体工业方面。光刻技术现已发展成为一种精密的微细加工技术，是制造高级半导体器件和大规模集成电路的关键工艺之一，并已成功用于刻划光栅、线纹尺和度盘等的精密线纹。同时，随着光子晶体等光子器件在通信，集成光学等方面的应用，微纳尺度的立体光刻技术变得越来越重要。

2 光刻技术应用

2.1 电子学器件方面：

光刻工艺是微电子技术的核心技术之一，是一种最精密的 半导体晶片表面图形加工技术。在微电子领域，光刻技术主要向细、精、薄三个方向发展。

随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。为了解决这些问题，人们想出许多新的光刻技术[2]，比如有193nm浸入式技术、157nm光刻技术，极短紫外光刻技术、电子束投影光刻和纳米压印光刻等。

激光全息光刻技术是一种基于相干光干涉效应的无掩模版光刻技术，为微电子技术的发展又注入了新的动力。

2.2 光学器件方面：

光刻技术被广泛用于制作各种光栅，光子晶体等微纳光学元件。

早在80年代中期,Ⅲ-Ⅴ族化合物光电子器件的制备就用到了激光全息光刻技术,其中研究最多的是用全息光刻直接形成分布反馈(DFB)半导体激光器的光栅结构。Aoyagi[3]和Podlesnik[4]等人用Ar+激光和I2(0.1%)+KI(10%)及H2O2∶H2SO4∶H2O的腐蚀液在GaAs表面上实现了DFB激光器光栅的制备.

激光全息光刻技术的基本应用是制备各种大面积、高分辨率、小畸变的光致抗蚀剂浮雕光栅，而这些介质光栅又是制作半导体集成光学器件核心结构—衍射光栅的必不可少的刻蚀掩膜。因此，从1969年米勒(M·E·M iller)提出集成光学概念以来，激光全息光刻就与集成光学迅速结成良缘。

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

3 立体光刻的研究进展

首次展示立体光刻技术是在1987年美国密执安州的底特律专业博览会上[7]。早期的立体光刻采用激光或紫外光作为光源，照射光刻用的液体胶液，胶层受光照固化析出，光点随着设计的路径扫描时，便会得到一层平面图形，然后驱动工作台，让光源再扫描一层，这样一层层扫描而得到立体图形。

目前，立体光刻技术已经引起飞机制造、机械、汽车工业、建筑设计以及玩具、医疗等行业的重视。Skaw inski等人[8]应用此技术制备了准确的分子模型，模型中原子间的相互位置是通过量子力学计算和中子衍射数据确定的；Zurnedden等人[9]成功地复制出5300年前木乃伊的头盖骨模型，从而可在不损害原型的情况下准确地获得所需信息；Hjalgrim 等人[10]描述了此项技术对于考古学研究的重要意义。

光刻技术中的重要挑战是小型化。小型化革命是光刻技术为了满足产业需要，不断进行技术革新，从而使得光刻的特征尺度不断缩小。

平面（2D）光学投影曝光在微纳电子学领域已取得巨大成就。随着光子晶体等光子器件在通信，集成光学等方面的应用，微纳尺度的三维立体雕刻技术变得越来越重要。利用微纳米加工技术在可以在半导体材料上获得三维光子晶体结构。1998年，美国Sandia国家实验室的Lin等人利用多次淀积/刻蚀半导体技术成功在硅衬底上实现多晶硅棒组成的堆木结构，禁带波长在10-14.5μm之间。此后日本京都大学的Noda等人在Ⅲ-Ⅴ族材料上将该结构改进，使得光子带隙波长达到1.5μm的通讯波段。另一种典型的三维光子晶体结构是层叠结构,它是Kosaka等人利用偏压溅射的方法在有图形的硅衬底上交替生长二氧化硅和多孔硅实现的。

目前制备三维光子晶体的手段主要有三类[11]，化学自组织生长法，逐点微加工法和光学全息光刻法。

3.1 自组织生长:

利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组织特性,可以生长可见光、近红外波段的三维光子晶体。颗粒的大小一般为微米或亚微米，悬浮在溶液中，由于颗粒带电，这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德瓦尔斯力。经过一段时间，悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的Opal结构而形成胶体晶体。如果在颗粒间的空隙中填充其他无机或有机物，再通过化学方法除去颗粒，就可以得到空气球的反Opal结构。

3.2 逐点微加工法

3.2.1 电子束直写技术

电子束直写光刻[12][13]是一种利用带电粒子实现的无掩模光刻技术，与传统的光刻(区域曝光)加工不同，它是利用可变曝光剂量的电子束直接对涂在基片表面的抗蚀剂曝光加工。与其它的光刻技术相比，电子束直写光刻技术具有分辨率高的优点，由于不需要掩模板，很适合小批量、特殊微结构器件的生产。结合刻蚀和沉积工艺，利用电子束直写技术可以制备20nm甚至更细的图形，最小尺寸达10nm的原理型纳米电子器件也已经制备出来[14].

但是，由于电子束直写技术由于曝光量难控制，再加上直写设备复杂、昂贵，不易进行批量生产，较适合于高精度单件生产。

3.2.2 离子束光刻

离子束光刻也是一种带电离子无掩模光刻技术，它可分为聚焦离子束(FIB)，掩模离子束光刻(M IB)和离子束溅射(IBP)[15][16]。离子束光刻的原理是通过加热使附在一根金或钨的针尖端的嫁或金硅合金熔化，在外加电场作用下使液态金属表面产生场致离子发射，其发射面积极小，可以较容易将离子光学系统发射的离子聚焦成离子束，进行高分辨率离子束曝光。

聚焦离子束刻蚀与电子束曝光相比，它的邻近效应几乎可以忽略，感光胶对离子束的灵敏度要比电子束高数百倍。但聚焦离子束刻蚀分辨率比电子束低，曝光深度也比电子束小，20万伏的硅离子束的曝光深度仅为0.5微米，而2万伏的电子束可曝光1微米以上。

现在，聚焦离子束技术在微电子工业中主要用作光学掩模版和集成电路芯片的修复工具，例如，用离子束可去除掩模版上的多余斑点和透光斑，切割或接通集成电路芯片上的某些连接等。

3.2.3 双光子吸收

飞秒激光双光子聚合法，是将飞秒激光聚焦到光聚合材料内部，利用双光子吸收激活光引发剂，诱发聚合反应，形成固化的高聚物材料，通过控制聚焦光束的空间移动或激光束的干涉得到立体的微细结构[17]。

Cumpston[18]于1999年将飞秒激光束聚焦到光聚合预聚物材料诱发双光子吸收，制备了具有光子带隙的三维微器件，M iwa[19]采用波长398nm，单脉冲能量小于10nJ的飞秒激光，在一种商用树脂里面制作了微型金字塔模型。

江苏大学的刘立鹏[20]等人采用此方法准备了2D和3D的结构，如图1所示，这样为加工任意形状的、光学性质容

易改变的三维光子晶体提供了一个可行的技术途径。

图1.（a）双光子聚合法加工的“CHINA”，（b）层状木堆结构

3.3 全息光刻

光学全息法基于具有良好相干性的多光束干涉和衍射效应。当具有良好相干性的多束光波在的相干长度内重叠于一立体空间时，将产生稳定的光场分布。此时空间光场的分布为

光场的强度分布为

改变其中任何一束光的振幅，偏振，相位，波矢都能改变空间光场的分布。如果能够精确控制以上变量，当光束足够多的时候，便能够产生我们期望的三维光学图像分布。当光束的数量继续增加，已有理论和实验证明，利用伞状排列的四束光便可以产生所有14种类似布拉菲晶格排列光场分布[21]。

全息光刻技术已经在微纳光子学和集成光学领域展现了巨大的潜力。利用多光束干涉光刻技术，国内外的多个研究小组比如，Berger等[22], Tam等[23]，Zhong等[24]，本小组[25]已经成功的制备了各种结构的 2D和 3D规则光子晶体，可用于制备高性能反射镜，超棱镜等。在集成光学中，各种有用的功能性光子器件常常需要在规则的结构中引入功能性缺陷，如微腔，波导等。光子晶体微腔通过在光子晶体中引入缺陷实现，因此可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异得多，在光通信以及高精度光学仪器的设计中有着重要的应用前景[26-28]。目前国内有很多研究机构如中国科学院理论物理所、浙江大学、中国科技大学、国防科技大学、湖南师范大学等单位已开展微腔的研究,并具备自己的研究特色。传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量，光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率。

3.4 分析

以上三种方法各有优缺点，化学自组织生长法能够制作大面积均匀的微纳结构，制作费用低，但是该方法一般只可以制作面心立方（fcc）的光子晶体，较难精确制作各种不同功能和结构的材料。逐点微加工法包括电子束刻蚀，离子束刻蚀，双光子吸收光刻等技术，该方法可以精确制作各种三维维纳结构，但是制作费用高，制作周期长，而且很难制作大面积的材料。从器件的成本、效率、品质等多项指标衡量，激光全息光刻制造最有竞争力；激光全息光刻是在全息照相术的基础上演变而来的一种无掩模图形产生技术。传统的光学全息光刻法[29]可制备出无缺陷、大体积的微纳光子器件如光子晶体，此制备方法成本低，效率高，品质好。同时最新的研究进展表明[30,25]，该技术也能导入各种缺陷，制作功能性微纳材料，因此是最具有大规模生产潜力的方法之一。我们小组提出的一步全息光刻法[25]，结合位相控制技术[31]，可以快速、方便地制备带缺陷的一维、二维和三维光子晶体。

4 我们的工作

近期,我们的研究表明，在多光束干涉立体光刻技术中，如能合理安排各束光的强度，偏振，夹角和相位时，更加复杂的三维光学图像便可以产生，并不需要过多的光束，具备功能性缺陷的光子器件也可以被制备出来。如何设计多光束的光强，相位，偏振，波矢等参数，得到期望的光强分布是一个关键的问题。利用遗传算法[32]，此问题得到了很好的解决。

我们小组通过遗传算法设计了带功能性缺陷的1D、2D以及3D光子晶体结构(实验装置如图2)，并使用SU8制作了线缺陷的一维布拉格结构、二维三角格子光子晶体中的波导结构[25]。

图2.多光束相位可控全息光刻技术实验图

如使用较多光束及改变光束的偏振态和强度，三维光子晶体中的缺陷也可使用该方法实现。如图3所示

图3 理论和实验上最终在SU8上形成面缺陷三维结构

左图为理论结果，中图为理论上具有代表性的截面，右图显示CCD对应截面的干涉图样。

利用此方法通过一次光刻便可以产生一维，二维，或者三维功能性缺陷，比利用电子束或者离子束刻蚀的方法以及通过二次加工引入缺陷的方法成本低，速度快，控制准确，为制备功能性光子器件制备和光学集成带来了新的希望。

在用计算全息法合成三维光场的过程中，我们还利用了高效、快速的三维Gerchberg-Saxton算法(简称GS算法)，生成位相型傅里叶计算全息图，并加载在位相型液晶空间光调制器上，重构出了三维光场，图像清晰连贯，对比度高，噪声少。实验中采用波长为632.8nm的平行光以小倾角入射到LCOS上，用f1=250mm，f2=120mm的透镜构成4f系统，全息图缩小成像到最后一个焦平面，也即焦距较小的凸透镜3 f3=38.1mm的前焦面，在其后方得到再现像[33]，以下为我们实验的简图（如图 4）和部分结果(如图 5)[34]。由于空间光调制器的位相分布可实时改变，本方法在实现三维显示、生成全息光镊和制备三维光子器件等光学领域，具有很高的应用价值。但是，如何成一个连续的三维物体，以及通过GS算法来形成我们需要的三维分布并通过光刻形成光子晶体是我们接下来工作更加关注的问题。

5 结束语

光刻技术被广泛地应用在电子器件，光子器件制造等领域。立体光刻技术由电子束直写光刻到离子束光刻，双光子吸收光刻，发展到全息光刻，全息光刻具有成本低，效率高，品质好等优点。在复杂光电子器件的制备方面，立体光刻由逐层加工到一次曝光成型，大大缩短了成本和时间，全息光刻显示出了巨大发展的潜力，有望成为今后制备微纳光电子器件的主流技术之一。致谢 本文作者衷心感谢张培晴博士、谢向生博士对本文的认真审阅和宝贵意见。

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(责任编校：何俊华)

A

1673-2219（2010）04-0042-05

2010－01－09

吴琦（1980－），女，湖南祁阳人，助教，研究方向为信息电子学。