深紫外光刻技术在光子晶体器件中的应用
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作者: 刘 欢 王 健 李金凤
摘 要: 光刻技术越来越多地应用于制作光子器件中,使得光器件的体积大大缩小。本文作者研究了深紫外光刻工艺方法的基本原理及工艺过程,同时通过工艺参数优化,得到了较好的硅基光子晶体样品。
关键词: 深紫外光刻技术 深紫外曝光 光子晶体
1.引言
在过去十年中,随着个人电脑的普及和因特网的飞速发展,由数字移动通信业务导向个人通信而引发常规通信的革命,以及多媒体通信业务的出现,刺激了光通信业务的飞速发展。然而相对于超大规模集成电路而言,用于光互联中实现光路由及光开关的光器件因其体积缩小空间有限和功能单一,在应用中受到很大限制,因此在许多光通信模块中还是需要大量的电光转换。近些年,随着电子束光深紫外光刻的方法更多地应用到纳米光子器件的制作中,光器件的体积大大缩小,可以更多地集成到同一个光子集成回路中。光子晶体板是平板波导与二维光子晶体的复合结构,它借助于二维光子晶体平面内的光限制和平板波导平面垂直方向的光约束,从而在一定程度上实现三维光子晶体的性质。自光子晶体概念提出至今,为了实现完全的光控制,人们尝试用多种方法得到三维光子晶体,但其设计和加工的复杂性一直制约着三维光子晶体的进展。而光子晶体板结构制作要简单得多。光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG结构。目前光子集成回路中,若要通过光波导实现多个功能的集成,器件整体的面积仍然比较大,其中主要受到波导弯曲半径的影响,而光子晶体中由于光子带隙效应的存在,使得光子晶体缺陷波导具有较小的弯曲半径与较大的分支角,因此用光子晶体制作光子器件体积大大缩小,在构建大规模光功能芯片方面具有潜在的应用价值。[1]
2.深紫外光刻技术
光刻技术在集成电路制造的驱动下取得了长足的进步,从抽象层次看,光刻系统包含以下几个部分:辐射源、辐射控制系统、光刻胶、样品,为了得到更小尺寸的光刻图案,对用于光刻的光源,要求其特征光波波长更小,而且光源应有足够的强度,能实现快速曝光,实现大规模生产。汞弧光灯是早期常用的光刻光源。汞弧光灯包含有三条特征谱线:G线(436nm)、H线(405nm)、I线(365nm)。通达到的分辨率为400nm左右。[2]通过在汞弧光灯中加入氙气可以得到250nm波长的光,但其强度不满足光刻要求。为了解决光刻强度的问题,目前工业界大量采用的光源系统是准分子激光器。准分子激光器在深紫外光谱范围内是最亮的光源。通常通过准分子激光器可以得到的光波波长为248nm、193nm和157nm。准分子激光以多模形式强烈发射,具有相对弱的空间相干性,光刻精度可以达l00nm以下[3]。虽然深紫外曝光技术已经广泛应用于大规模集成电路的制造中,但是这项技术并不能直接移植到光电子器件的制造中。光子集成回路中的特征结构和集成电路中的差别非常大。在电路中,接触孔之间的距离一般都是大于孔本身的尺寸,而在光子晶体中,空气孔的排布是非常紧凑的。另外光子集成回路中的特征结构差别非常大,例如光子晶体中空气孔处的图形比较密集,而与光子晶体波导耦合的介质波导只包括一根单线条,这样的两种结构需要不同的工艺参数,因此制作光集成器件需要更多的工艺优化[4]。光刻精度受到光学衍射的限制,当被曝光的图形特征尺寸小于照明波长时,则该结构有可能经过曝光及显影、定影之后,图形非常模糊,甚至光刻不出来。利用深紫外曝光的方法制作光子晶体最大的难度在于修正光学近邻效应的影响。光子晶体是具有周期性结构的新型材料,图形密度较大,其特征尺寸接近光刻系统的照明波长,因此近邻效应影响较大,使得临近的孔之间在曝光的时候相互干涉,因此有些孔可能相对原始尺寸变大变小。对于完整周期的光子晶体,可以通过选择合适的曝光条件,得到相应的结构;对于有线缺陷或缺陷的光子晶体,缺陷处的空气孔经过曝光之后和其他完整周期处的空气孔有一定差别,因此需要在光学掩模板上作调整。我们利用深紫外曝光的方法制作了光子晶体样品,深紫外曝光技术将普通的光学曝光波长范围延伸到了深紫外波长范围,在亚微米CMOS工艺中,这项术不仅满足了批量生产中精度的要求,而且满足了速度的要求。
3.结语
我们深入研究了深紫外光刻工艺方法的基本原理与过程,对其中各个工艺参数的影响进行了分析。深紫外曝光技术将普通的光学曝光波长范围延伸到了深紫外波长范围,在微米CMOS工艺中,这项技术满足了批量生产中精度和速度的要求。我们将其应用到通信波段光子晶体的制作中,通过工艺参数优化,得到了较好的硅基光子晶体样品。
参考文献:
[1]庄同曾.集成电路制造技术――原理与实践.北京:电子工业出版社,1987.
[2]A.C.Deng,Y.C.Shiau,and K.H.Loh,Time Domain Current Waveform Simulation of CMOS Circuits[J].Proceedings of ICCAD,pp. Nov.1988:208-211.
[3]韩春辉,蔡金燕,孟亚峰.基于VXIbus的数字集成电路在线测试系统的设计.微计算机信息,2006,(1):175-177.
[4]崔铮.微纳米加工技术及其应用.北京:高等教育出版社,2005.
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