深紫外光刻技術在光子晶體器件中的應用

摘 要: 光刻技術越來越多地應用于制作光子器件中，使得光器件的體積大大縮小。本文作者研究了深紫外光刻工藝方法的基本原理及工藝過程，同時通過工藝參數優化，得到了較好的硅基光子晶體樣品。

關鍵詞: 深紫外光刻技術 深紫外曝光 光子晶體

1.引言

在過去十年中，隨著個人電腦的普及和因特網的飛速發展，由數字移動通信業務導向個人通信而引發常規通信的革命，以及多媒體通信業務的出現，刺激了光通信業務的飛速發展。然而相對于超大規模集成電路而言，用于光互聯中實現光路由及光開關的光器件因其體積縮小空間有限和功能單一，在應用中受到很大限制，因此在許多光通信模塊中還是需要大量的電光轉換。近些年，隨著電子束光深紫外光刻的方法更多地應用到納米光子器件的制作中，光器件的體積大大縮小，可以更多地集成到同一個光子集成回路中。光子晶體板是平板波導與二維光子晶體的復合結構，它借助于二維光子晶體平面內的光限制和平板波導平面垂直方向的光約束，從而在一定程度上實現三維光子晶體的性質。自光子晶體概念提出至今，為了實現完全的光控制，人們嘗試用多種方法得到三維光子晶體，但其設計和加工的復雜性一直制約著三維光子晶體的進展。而光子晶體板結構制作要簡單得多。光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質結構，有時也稱為PBG結構。目前光子集成回路中，若要通過光波導實現多個功能的集成，器件整體的面積仍然比較大，其中主要受到波導彎曲半徑的影響，而光子晶體中由于光子帶隙效應的存在，使得光子晶體缺陷波導具有較小的彎曲半徑與較大的分支角，因此用光子晶體制作光子器件體積大大縮小，在構建大規模光功能芯片方面具有潛在的應用價值。[1]

2.深紫外光刻技術

光刻技術在集成電路制造的驅動下取得了長足的進步，從抽象層次看，光刻系統包含以下幾個部分:輻射源、輻射控制系統、光刻膠、樣品，為了得到更小尺寸的光刻圖案，對用于光刻的光源，要求其特征光波波長更小，而且光源應有足夠的強度，能實現快速曝光，實現大規模生產。汞弧光燈是早期常用的光刻光源。汞弧光燈包含有三條特征譜線:G線(436nm)、H線(405nm)、I線(365nm)。通達到的分辨率為400nm左右。[2]通過在汞弧光燈中加入氙氣可以得到250nm波長的光，但其強度不滿足光刻要求。為了解決光刻強度的問題，目前工業界大量采用的光源系統是準分子激光器。準分子激光器在深紫外光譜范圍內是最亮的光源。通常通過準分子激光器可以得到的光波波長為248nm、193nm和157nm。準分子激光以多模形式強烈發射，具有相對弱的空間相干性，光刻精度可以達l00nm以下[3]。雖然深紫外曝光技術已經廣泛應用于大規模集成電路的制造中，但是這項技術并不能直接移植到光電子器件的制造中。光子集成回路中的特征結構和集成電路中的差別非常大。在電路中，接觸孔之間的距離一般都是大于孔本身的尺寸，而在光子晶體中，空氣孔的排布是非常緊湊的。另外光子集成回路中的特征結構差別非常大，例如光子晶體中空氣孔處的圖形比較密集，而與光子晶體波導耦合的介質波導只包括一根單線條，這樣的兩種結構需要不同的工藝參數，因此制作光集成器件需要更多的工藝優化[4]。光刻精度受到光學衍射的限制，當被曝光的圖形特征尺寸小于照明波長時，則該結構有可能經過曝光及顯影、定影之后，圖形非常模糊，甚至光刻不出來。利用深紫外曝光的方法制作光子晶體最大的難度在于修正光學近鄰效應的影響。光子晶體是具有周期性結構的新型材料，圖形密度較大，其特征尺寸接近光刻系統的照明波長，因此近鄰效應影響較大，使得臨近的孔之間在曝光的時候相互干涉，因此有些孔可能相對原始尺寸變大變小。對于完整周期的光子晶體，可以通過選擇合適的曝光條件，得到相應的結構;對于有線缺陷或缺陷的光子晶體，缺陷處的空氣孔經過曝光之后和其他完整周期處的空氣孔有一定差別，因此需要在光學掩模板上作調整。我們利用深紫外曝光的方法制作了光子晶體樣品，深紫外曝光技術將普通的光學曝光波長范圍延伸到了深紫外波長范圍，在亞微米CMOS工藝中，這項術不僅滿足了批量生產中精度的要求，而且滿足了速度的要求。

3.結語

我們深入研究了深紫外光刻工藝方法的基本原理與過程，對其中各個工藝參數的影響進行了分析。深紫外曝光技術將普通的光學曝光波長范圍延伸到了深紫外波長范圍，在微米CMOS工藝中，這項技術滿足了批量生產中精度和速度的要求。我們將其應用到通信波段光子晶體的制作中，通過工藝參數優化，得到了較好的硅基光子晶體樣品。

參考文獻:

[1]莊同曾.集成電路制造技術——原理與實踐.北京:電子工業出版社，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]韓春輝，蔡金燕，孟亞峰.基于VXIbus的數字集成電路在線測試系統的設計.微計算機信息，2006，(1):175-177.

[4]崔錚.微納米加工技術及其應用.北京:高等教育出版社，2005.