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納米光柵的壓印制作工藝 夏金松教授現(xiàn)為光電國家實(shí)驗(yàn)室光電子微納制造工藝平臺(tái)主任 其課題組以國內(nèi)領(lǐng)先的微納工藝平臺(tái)為依托 開展硅基光電器件與集成的研究工作 同時(shí)具有整套的光電器件測試平臺(tái) 具備完整的從材料到器件再到系統(tǒng)的研究平臺(tái) 目前 微納工藝平臺(tái)擁有世界一流的電子束曝光設(shè)備EBL 電感耦合等離子體刻蝕機(jī)ICP等相關(guān)硅基器件加工設(shè)備 具備制作世界一流硅基器件的能力 夏金松老師 郵箱 jinsongxia 電話027 87793415 圖1衍射光柵的原理 光柵的主要功能是利用衍射效應(yīng)改變特定波長的光的方向 如圖1所示 以納米光柵為代表的納米尺度光子學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛 衍射光柵在光互聯(lián)中典型的應(yīng)用是光纖到芯片的垂直耦合器 如圖2所示 圖2光纖到芯片耦合光柵 光纖中發(fā)射的光信號(hào)方向垂直于波導(dǎo)芯片 利用光柵的衍射特性 光信號(hào)被耦合進(jìn)入芯片上的波導(dǎo) 從而實(shí)現(xiàn)了垂直耦合的功能 光柵耦合器可以采用折射率相差很大的半導(dǎo)體材料如SOI制作 具有CMOS工藝兼容 單模體積小的特點(diǎn) 更加利于集成 在太陽能領(lǐng)域 光柵被用來進(jìn)一步的提高光電轉(zhuǎn)換效率 如圖3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(gè)原因 垂直入射的光進(jìn)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)歷的吸收光程非常的短 圖3利用光柵衍射增強(qiáng)太陽能吸收效率的原理 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 方向改變?yōu)閹缀跗叫杏诠璞∧?這樣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(jí)之間的接觸面積更大 減少了光生載流子移動(dòng)到正負(fù)級(jí)所需的時(shí)間 從而降低了復(fù)合幾率 也一定程度上提高了光電轉(zhuǎn)換效率 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(guān)鍵因素 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(dǎo)體材料的折射率普遍很高 如 因此光柵的周期非常的小 僅有幾百納米左右 必須采用至少特征尺寸為100nm的制作工藝 主要制作方法有 干涉曝光 利用兩束相干光束發(fā)生相干產(chǎn)生的周期性干涉條紋對光刻膠進(jìn)行曝光 經(jīng)過顯影后得到光柵圖案 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本較低 無需復(fù)雜的光路 較短的時(shí)間內(nèi)就可以制作整個(gè)外延片上全部的光柵 產(chǎn)出快 但是該技術(shù)也有很多缺點(diǎn) 首先它只能制作周期性很強(qiáng)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(fù)雜 而且相干曝光產(chǎn)生的條紋呈正弦形狀 深度很淺 電子束曝光 E Beam 利用高能的電子束對光刻膠進(jìn)行曝光 采用很細(xì)的電子束斑和很小的步距按照設(shè)計(jì)的圖形在光刻膠上掃描曝光 顯影后得到設(shè)計(jì)的圖案 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可制作任意圖形 圖形分辨率非常高 最小可達(dá)幾個(gè)納米 缺點(diǎn)是需要用很細(xì)的電子束斑和很小的步距進(jìn)行直寫 曝光時(shí)間非常長 產(chǎn)出慢 系統(tǒng)復(fù)雜度高 購置和維護(hù)費(fèi)用很高 因此更適合于小面積 少數(shù)樣品的科研實(shí)驗(yàn) 極紫外光刻 EUV 利用極紫外光對光刻膠進(jìn)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)對準(zhǔn)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(shù)較短的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)整片大面積 極小分辨率圖形的復(fù)制 但是系統(tǒng)對光源和光路系統(tǒng)的要求都非常高 購置和維護(hù)費(fèi)用非常高 因此 需要一種工藝技術(shù) 不僅能夠滿足100nm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(diǎn) 而現(xiàn)有的工藝技術(shù)無法兼顧這些因素 而納米壓印是解決這一難題非常具有競爭力的技術(shù)之一 二 納米壓印的原理 在1995年 現(xiàn)任于普林斯頓大學(xué)納米中心主任的StephenChou提出了納米壓印技術(shù) 這是一種利用圖形壓模 將模板上的圖形壓印到壓印膠上制作微納圖形的技術(shù) 納米壓印技術(shù)分為熱壓印 紫外壓印和微接觸壓印三種 熱壓印 hot embossingimprint 是最先被Chou開發(fā)出來的納米壓印技術(shù) 也是使用最普遍的壓印技術(shù) 其原理如圖4所示 圖4熱壓印原理 首先將旋涂上半導(dǎo)體晶片的壓印膠加熱到高于其玻璃化溫度 以增強(qiáng)其流動(dòng)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 使壓印膠凝固 使其具有一定的機(jī)械強(qiáng)度 得到與壓印模板相反的圖形 壓印完成后 進(jìn)行脫模 然后用O2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(jìn)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)移到半導(dǎo)體晶片上 也可以先在膠掩膜上鍍一層金屬 然后采用剝離 lift off 工藝 將有掩膜區(qū)域內(nèi)的金屬和壓印膠一并剝?nèi)?只剩下沒有掩膜部分的金屬圖形留在晶片上 實(shí)現(xiàn)圖形的反轉(zhuǎn) 由于熱壓印的原理較為簡單 因此大部分公司如瑞典Obducat和美國Nanonex的壓印設(shè)備都具有這一功能 熱壓印的一種新型的改進(jìn)技術(shù)是激光輔助納米壓印技術(shù) 如圖5所示 可以將被壓印的半導(dǎo)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(dǎo)體晶片上 之后關(guān)閉激光脈沖 待半導(dǎo)體晶片冷卻后迅速的脫模 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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 圖5激光輔助直接壓印原理 紫外壓印 UVimprint 則分為兩種 一種為紫外與熱壓印同時(shí)進(jìn)行 STU 的壓印技術(shù) 如圖6所示 圖6紫外與熱壓印同時(shí)進(jìn)行 將紫外壓印膠旋涂到半導(dǎo)體晶片上 與熱壓印類似 通過對其加熱以增強(qiáng)流動(dòng)性 不同的是壓印模版必須是紫外透明材料 而且當(dāng)圖形壓印成型后 不是采用降溫凝固 而是利用紫外固化的方式使其固化 從而得到與壓印模版相反的圖形 目前使用STU技術(shù)的有瑞典Obducat公司 另一種稱為滴膠式壓印技術(shù) 不同的是將流動(dòng)性很好的紫外壓印膠滴上半導(dǎo)體晶片上的壓印區(qū)域 而不是采用旋涂的方式 模版移動(dòng)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STU壓印 滴膠式紫外壓印的工藝較為復(fù)雜 因?yàn)槟z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(guān)系 如果沒有掌握好 很有可能導(dǎo)致壓印失敗 但是滴膠式壓印也有其優(yōu)點(diǎn) 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)域也可以通過滴膠的位置來進(jìn)行選擇 滴膠式紫外壓印的一個(gè)改進(jìn)技術(shù)是步進(jìn)閃光壓印技術(shù) stepandflash SFIL 是由UniversityofTexasatAustin發(fā)明的 其原理如圖7 其特點(diǎn)是利用一個(gè)小面積的模版在一片半導(dǎo)體晶片上的多個(gè)選定的位置進(jìn)行滴膠式壓印 從而實(shí)現(xiàn)陣列的效果 目前使用stepandflash壓印技術(shù)的公司只有美國的Molecularimprint 圖7步進(jìn)閃光 微接觸式壓印 Microcontactimprint 與普通壓印的功能不同 如圖8所示 圖8微接觸壓印技術(shù) 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 通常使用的材料是聚二甲基硅氧烷 poly dimethylsiloxan PDMS 然后將聚合物模版浸入到具有形成自組裝分子層的化學(xué)溶液中 然后將模版慢慢的靠近晶片 形成微接觸 由于PDMS的強(qiáng)疏水性能 模版上突出圖形區(qū)域的自組裝分子層會(huì)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 微接觸壓印不需要特殊的設(shè)備就能夠進(jìn)行 但是圖形尺寸只能做到亞微米量級(jí) 微接觸壓印主要的優(yōu)點(diǎn)是生物兼容性好 它在整個(gè)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(hù)了生物樣品不受到工藝過程的影響 三 納米壓印的應(yīng)用 自納米壓印技術(shù) NIL 發(fā)明至今 已經(jīng)被應(yīng)用于許多微納加工領(lǐng)域 并做出了一些重要的技術(shù)進(jìn)步 圖9 在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域 實(shí)現(xiàn)了最小5nm特征尺寸的圖形 100mm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 在電子領(lǐng)域 超窄通道MOSFET 高頻聲表波濾波器 Graphene晶體管 高性能新型存儲(chǔ)器等 在MEMS領(lǐng)域 制作出了的微流管道 高精度MEMS傳感器等 圖9已報(bào)導(dǎo)的納米壓印技術(shù)在電子 MEMS方面的應(yīng)用 在光電子領(lǐng)域 納米壓印技術(shù)幾乎制作出了所有微納光子學(xué)中涉及的器件 圖10 微透鏡 光柵 光子晶體 微環(huán) MMI AWG 可調(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 提高太陽能效率的陷光結(jié)構(gòu)等 值得一提的是 利用納米壓印技術(shù)制作光子晶體和圖形襯底提高LED的出光效率已經(jīng)被很多廠商商業(yè)化 圖10已報(bào)導(dǎo)的納米壓印制作的光電器件 四 納米壓印的發(fā)展現(xiàn)狀 如今 納米壓印技術(shù)已經(jīng)被InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors ITRS 認(rèn)為是下一代IC制造技術(shù)的之一 納米壓印相比于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn) 納米壓印技術(shù)制作的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(guān) 該技術(shù)不需要特殊的光學(xué)與高電壓設(shè)備 成本較低 納米壓印技術(shù)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(fù)制任意圖形 納米壓印能制作斜面 金字塔等3維圖形 納米壓印技術(shù)相比于現(xiàn)有的技術(shù) 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(shù)有如上諸多優(yōu)點(diǎn) 但是它同時(shí)也存在許多問題 大面積模版制作困難 需要長時(shí)間的E beam直寫曝光 成本高 時(shí)間長 風(fēng)險(xiǎn)大 壓印模版的表面需要進(jìn)行疏水處理 使聚合物壓印膠與襯底的粘附性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其與模版之間的粘附性 這樣才能保證脫模時(shí) 模版不會(huì)將壓印膠拉起來而破壞壓印圖形 納米壓印工藝是接觸式加工工藝 相比于非接觸式加工工藝 更容易引入多種缺陷 另外 當(dāng)壓力不均勻時(shí) 模版在高壓下與被壓印的晶片接觸時(shí) 有可能造成對兩者的損壞 同樣是由于接觸式工藝的原因 納米壓印技術(shù)對晶片平整度有非常高的要求 不平的晶片會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的圖形缺陷 國內(nèi) 上海交通大學(xué) 復(fù)旦大學(xué)和華中科技大學(xué)進(jìn)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(jí)或接近納米量級(jí) 制作圖形面積也較小 還處于樣品實(shí)驗(yàn)的階段 不能達(dá)到100nm最小特征尺寸 大面積 高質(zhì)量 高均勻性的要求 五 納米壓印制作DFB激光器光柵 DFB DistributedFeedbackLaser 即分布式反饋激光器 其不同之處是內(nèi)置了布拉格光柵 BraggGrating 屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器 目前 DFB激光器主要以半導(dǎo)體材料為介質(zhì) 包括銻化鎵 GaSb 砷化鎵 GaAs 磷化銦 InP 硫化鋅 ZnS 等 DFB激光器最大特點(diǎn)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1MHz以內(nèi) 以及具有非常高的邊摸抑制比 SMSR 目前可高達(dá)40 50dB以上 DFB激光器的應(yīng)用 一 光纖通訊通訊是DFB的主要應(yīng)用 如1310nm 1550nmDFB激光器的應(yīng)用 二 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù) TDLAS a 過程控制 HCl O2 b 火災(zāi)預(yù)警 CO CO2ratio c 成分檢測 moistureinnaturalgas d 醫(yī)療應(yīng)用 bloodsugar breathgas helicobacter e 大氣測量 isotopecompositionofH2O O2 CO f 泄漏檢查 Methane g 安全 H2S HF h 環(huán)境測量 Ozone Methane i 科研 Marsandspacemissions j 三 原子光譜學(xué)應(yīng)用k 原子鐘 GALILEO chipscaleatomicclock l 磁力計(jì) SERF m 四 新興市場a 精密測量 Ellipsometry 3Dvision b 夜視儀c 同位素監(jiān)測 distinctionof235UHF 238UHF d DFB激光器國內(nèi)外廠商現(xiàn)狀 當(dāng)前 DFB激光器芯片技術(shù)基本上由德國 美國 日本等發(fā)達(dá)國家掌握 比如德國Nanoplus Sacher Eagleyard Toptica公司 美國Thorlabs EM4 PowerTechnology Sarnoff公司 日本NTT Oclaro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Nanoplus Eagleyard NTT Thorlabs等幾家公司 由于部分國家對DFB激光器的技術(shù)保護(hù) 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Nanoplus代理商深圳市華儒科技 Eagleyard代理商富泰 香港 科技 NTT北京代表處 Thorlabs代理商上海瞬渺光電科技等等 由于DFB激光器內(nèi)部光柵的特殊技術(shù) 能夠篩選出從750nm到3500nm 甚至更長中心波長的DFB激光器 但能夠準(zhǔn)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750nm到3500nm之間的任意中心波長 其它廠商暫時(shí)只能篩選比如從750nm到1200nm部分中心波長 或者從1000nm到2400nm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 Nanoplus已經(jīng)把中心波長做到了4000nm 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(shù)上展開了激烈的競爭 目前國內(nèi)還沒有成熟的DFB芯片生產(chǎn)技術(shù) 由于成品率低基本上沒有形成商業(yè)化 國內(nèi)生產(chǎn)的DFB激光器主要是基于對國外芯片的封裝生產(chǎn) 主要表現(xiàn)為對通訊波段的生產(chǎn)和應(yīng)用 制造工藝DFB芯片的制作工藝非常復(fù)雜 體現(xiàn)了半導(dǎo)體產(chǎn)品在生產(chǎn)制造上的最復(fù)雜程度 下表是DFB激光器的主要生產(chǎn)工藝流程 從材料生長到封裝的整個(gè)過程 Process 工藝流程 GaSb processing 銻化鎵材料生長 coating lift off 鍍膜 剝離 opticallithography 光學(xué)光刻 e beam 電子束成象 vaporcoating 氣相涂蓋 etching 蝕刻 electroplating 電解沉積 qualitycontrol 質(zhì)量控制 BackEnd 后續(xù)處理 cleaving 切割 facetcoating 端面鍍膜 characterization 參數(shù)塑造 mounting TO header 安裝 fibercoupling 光纖耦合 burn In 預(yù)燒 1 壓印模版的制作 A 母版的E Beam制作 光柵模版的設(shè)計(jì)和制作是納米壓印制作DFB激光器的一個(gè)關(guān)鍵步驟 適合DWDM技術(shù)要求的1550nm波段DFB激光器 根據(jù)Bragg條件將光柵的周期設(shè)計(jì)為242nm 長度為250 m 然后在每個(gè)光柵的中間去掉了一個(gè)周期 形成 4相移 圖11光柵模版的設(shè)計(jì)圖 設(shè)計(jì)完成后 將文件導(dǎo)入E Beam曝光機(jī)中 就可以開始模版的制作了 按照Si或石英材料不同 電子束曝光制作的方式略有不同 對于Si材料 由于本身具有一定的導(dǎo)電性 可以直接利用E Beam曝光 過程是先在用piranha溶液 H2SO4 H2O2 2 1 去離子水清洗后并吹干的Si片表面旋涂一層HMDS 4000轉(zhuǎn) 分鐘 35秒 對其進(jìn)行表面處理 然后再旋涂一層稀釋后的 ZEP 520A ZEP A 2 3 ZEP電子束曝光膠 2000轉(zhuǎn) 分鐘 35秒 并在185 熱板上烘烤2分鐘 然后將其放入E Beam設(shè)備進(jìn)行曝光 曝光后在顯影液中顯影2分鐘 并用異丙醇 IPA 沖洗1分鐘 取出后吹干 然后利用Cl2和HBr做RIE刻蝕出圖形 最后在RemoverPG中以90 加熱3小時(shí)以去除電子束膠 這里的清洗過程和HDMS非常重要 直接影響了樣片對膠的粘附性 沒有做這兩個(gè)過程可能導(dǎo)致勻不上膠 對于石英模版 由于是絕緣材料 模版制作過程比較復(fù)雜 制作工藝如圖12所示 圖12石英模版的制作工藝 需要先在石英上用電子束蒸鍍30nm的Cr 勻上電子束膠后 用E Beam曝光 在膠上顯影出模版圖形 利用膠做掩膜 用O2和Cl2RIE將圖形從膠上轉(zhuǎn)移到Cr上 在RemoverPG中加熱3小時(shí)剝?nèi)ル娮邮z 利用Cr做掩膜 用CHF3和O2做RIE將圖形從Cr上轉(zhuǎn)移到石英上 用CrRemover處理15分鐘 去除殘留的Cr 留下石英模版 因?yàn)槟赴娴目涛g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(guān)鍵 需要小心的選擇 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(chǔ)存在干燥的環(huán)境中等待下一步防粘工藝 圖13利用E beam制作的光柵模版SEM B 模版的防粘處理 采用濕法防粘工藝 使用的自組裝分子層材料為全氟癸基三氯硅烷 1H 1H 2H 2Hfluorodecyltrichlorosilane 防粘處理的工藝過程是 將模版放入H2SO4 H2O2 2 1的溶液中清洗 并用去離子水清洗 吹干 儲(chǔ)存在干燥的環(huán)境中 將模版浸入含0 6mmol mL的FDTS的異辛烷溶液中10分鐘 將模版取出后迅速放入異辛烷中沖洗干凈 最后用丙酮和異丙醇清洗并吹干 儲(chǔ)存在干燥環(huán)境中 必須注意的是 因?yàn)镕DTS化學(xué)物質(zhì)會(huì)與水發(fā)生反應(yīng) 生成極其難以去掉的反應(yīng)物 所以整個(gè)防粘處理過程需要在完全無水的環(huán)境中完成 不然會(huì)對模版造成致命的損壞 C SFIL制作二次模版 圖14利用軟模版技術(shù)和二次模版技術(shù)壓印的整體過程 首先利用E Beam制作小面積模版 再利用SFIL技術(shù)通過多次復(fù)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(shù)是將一個(gè)小面積的模版經(jīng)過多次復(fù)制 形成一個(gè)大面積的圖形陣列 并用這個(gè)圖形陣列制作大面積模版 如可將把一個(gè)用上述E Beam方法制作的10mm 10mm的石英模版經(jīng)過9次復(fù)制而形成一個(gè)30mm 30mm的大面積Si模版 制作時(shí)可使用Imprio100SFIL壓印機(jī) 為保證平整性 一片雙面拋光的Si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到Si片上并在160 熱板上烘烤60秒 形成一層60nm的轉(zhuǎn)移層 轉(zhuǎn)移層在這里有兩個(gè)作用 首先 它能夠增強(qiáng)襯底與壓印膠之間的粘性 使脫模的過程更加順利 另外 它能夠使表面更加平整 提高壓印的質(zhì)量 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 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30秒使其固化 紫外曝光后 石英模版被拉起來脫模并準(zhǔn)備進(jìn)行下一次壓印 這個(gè)壓印過程重復(fù)了9次 形成一個(gè)3 3的陣列 為保證陣列中壓印制作的各個(gè)圖形塊不會(huì)重疊 每兩個(gè)相鄰圖形塊之間的間隔為2mm 重復(fù)這些圖形塊以形成陣列的過程由Imprio100上的x y對準(zhǔn)控制系統(tǒng)完成 壓印完成后 先用O2RIE去除SFIL的底膠和轉(zhuǎn)移層 露出刻蝕Si的窗口 最后按照之前所說的Si刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到大面積模版上 D 熱壓印制作軟模版 熱壓制作軟模版的步驟不需要?jiǎng)蚰z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成氣室 并開始?jí)河」に?壓印曲線如圖15所示 軟模版制作完成后 將其儲(chǔ)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印工藝 圖15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 A 光柵的壓印制作 用壓印制作的DFB激光器的外延片結(jié)構(gòu)如圖16所示 圖16DFB激光器結(jié)構(gòu) a 外延結(jié)構(gòu) b 3D視圖 a b 由一片n InP襯底經(jīng)MOCVD生長而成 包括一層緩沖層 處于兩層保護(hù)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16 b 是DFB激光器芯片全部制作工藝完成后的三維視圖 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的溫度與壓力分別為80 與20Bar 初始勻膠厚度為200nm 因?yàn)橥庋悠旧砭头浅５母蓛?因此不需要進(jìn)行清洗就可以勻上壓印膠 勻膠參數(shù)為4000轉(zhuǎn) 分鐘 勻膠后 將晶片放置在95 的熱板上烘烤2分鐘以去除壓印膠中的溶劑 然后將其放入壓印機(jī)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(zhǔn)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?jí)河」に?使用的壓印曲線如圖17所示 圖17軟模版紫外壓印曲線 經(jīng)過軟模版壓印后 晶片表面壓印膠的光柵圖形在顯微鏡下如圖18所示 圖18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 高均勻性 與圖11進(jìn)行比較 可見壓印制作的光柵的布局與模版設(shè)計(jì)一致 說明壓印工藝成功的將設(shè)計(jì)的光柵圖形轉(zhuǎn)移到了外延片上 壓印完成后 利用O2等離子將殘余的底膠去除 打開窗口 工藝氣體為O2 流量為20sccm 反應(yīng)室壓力為10mT 刻蝕功率為80w 具體刻蝕時(shí)間視殘留的光刻膠厚度而定 刻蝕底膠時(shí)間太長可能會(huì)破壞壓印膠光柵形狀 同時(shí)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(shí)間太短可能未將殘留的薄層光刻膠去除干凈 無法進(jìn)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InP材料上 使用的刻蝕機(jī)為Oxford公司的PlasmaSystem100 工藝參數(shù)為 CH4 H2 10 30 反應(yīng)室壓力為10mT 刻蝕功率為150W 由于光柵的刻蝕屬于淺刻蝕 且ICP功率會(huì)損壞壓印膠掩膜 因此在刻蝕過程中 不需要加上ICP功率 刻蝕速率在10nm 分鐘 刻蝕完畢后用O2等離子在80W下轟擊5分鐘去除作為刻蝕掩膜的壓印膠 圖19 a 為刻蝕后InP樣片的側(cè)視圖 圖19 b 為光柵圖形中1 4相移區(qū)域的AFM圖片 圖19 c 為SEM圖片 由此可見 壓印制作的光柵形貌呈方形 而不是雙光束干涉制作的光柵的正弦形 光柵的周期為240nm左右 與設(shè)計(jì)值相同 形貌質(zhì)量很好 并制作出了所需要的的1 4相移圖形 圖19InP樣片上光柵及芯片圖形 a 側(cè)面圖 b 相移區(qū)AFM c 相移區(qū)俯視圖 d 芯片圖 a b c d 完成了光柵的刻蝕制作后 在MOCVD工藝之前 需要對外延片進(jìn)行清洗 如用丙酮以及酒精分別煮沸一次 再用去離子水沖洗并用氮?dú)獯蹈?接著在150 的熱板上烘烤2分鐘 并再次用80W的O2等離子清洗3分鐘 清洗完成后 利用MOCVD生長過渡層和高摻雜的接觸層將光柵掩埋 接著利用光刻濕法工藝形成一個(gè)直到刻蝕阻擋層的脊波導(dǎo) 再利用PECVD沉積一層SiO2作為絕緣層 利用光刻和BOE 稀釋的氧化物刻蝕溶液 在SiO2上的脊波導(dǎo)處開出窗口 并利用lift off工藝沉積Ti Pt Au作為P面電極 最后將晶片減薄 并在背面也沉積上Ti Pt Au作為N面電極 這樣注入的載流子就只能通過脊波導(dǎo)形成電流通道 所有以上工藝完成后 利用劃片機(jī)將晶片切為250 m腔長的長條 并在器件端面鍍上增透膜 即可完成DFB激光器芯片的制作 圖19 d 為制作完成后的DFB激光器芯片的顯微鏡圖片 其中圓形區(qū)域?yàn)殡姌O 細(xì)條區(qū)域?yàn)榧共▽?dǎo) 可見脊波導(dǎo)的長度為250 m 而每兩個(gè)脊波導(dǎo)之間的間距也為250 m 與圖11 圖18上的圖形一致 說明后續(xù)工藝成功的將壓印制作的光柵轉(zhuǎn)化為DFB芯片 B DFB激光器測試 可利用半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)對制作出來的激光器管芯進(jìn)行測試 測試的光譜如圖20所示 波長分布在1540nm至1560nm 波長間隔為1 6nm 邊模抑制比大于35dB 圖20制作出的DFB激光器激射譜 激光器管芯的P I特性曲線如圖21所示 圖21制作的DFB激光器的P I曲線 其閾值電流Ith為10mA 在Ith 20mA處激光器管芯的斜率效率為0 3mW mA 出光功率約為6 0mW 管芯的串聯(lián)電阻小于8歐姆 這些性能指標(biāo)均滿足DWDM系統(tǒng)中對激光器芯片的特性要求 在此基礎(chǔ)上 可對制作的DFB激光器管芯進(jìn)行封裝 并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和光示波器進(jìn)行調(diào)制性能測試 結(jié)果如圖22所示 由圖可見 封裝的DFB激光器出纖功率 2dBm 在2 5GHz調(diào)制速率下 消光比 8dB 圖22封裝完成的激光器調(diào)制性能測試