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1、纳米光栅的压印制作工艺 夏金松教授现为光电国家实验室光电子微 纳制造工艺平台主任，其课题组以国内领先的 微纳 工艺平台为依托，开展硅基光电器件与集 成的研究工作，同时具有整套的光电器件测试 平台 ，具备完整的从材料到器件再到系统的研 究平台。目前，微纳工艺平台拥有世界一流的 电子 束曝光设备EBL，电感耦合等离子体刻蚀 机ICP等相关硅基器件加工设备，具备制作世 界一流 硅基器件的能力。夏金松老师， 邮箱：，电话 027-87793415 图1 衍射光栅的原理 光栅的主要功能是利用衍射效应改变特定波 长的光的方向，如图1所示。以纳米光栅为代表的纳米尺度光子学的应用越 来越广泛. 衍射光栅在光互
2、联中典型的应用是光纤到 芯片的垂直耦合器，如图2所示:图 2 光纤到芯片耦合光栅光纤中发射的光信号方向垂 直于波导芯片，利用光栅的 衍射特性，光信号被耦合进 入芯片上的波导，从而实现 了垂直耦合的功能。光栅耦 合器可以采用折射率相差很 大的半导体材料如SOI制作 ，具有CMOS工艺兼容，单模 体积小的特点，更加利于集 成。 在太阳能领域，光栅被用来进一步的提高光电转换 效率，如图3所示。在薄膜太阳能电池中的光程过 短是影响太阳能效率非常重要的一个原因，垂直入 射的光进入太阳能电池后在硅薄膜的底端被反射， 从而离开光电池，光在电池中所经历的吸收光程非 常的短。图 3 利用光栅衍射增强 太阳能吸收
3、效率的原理利用衍射光栅的特性，垂直于光电 池入射的太阳光经光栅耦合，方向 改变为几乎平行于硅薄膜层，这样 光在薄膜太阳能电池中需要经历的 吸收光程变的很长，这样光电池的 吸收效率也将得到很大程度的提高 。另外光栅结构使得太阳能两级之 间的接触面积更大，减少了光生载 流子移动到正负级所需的时间，从 而降低了复合几率，也一定程度上 提高了光电转换效率。一、光栅的压印工艺光栅本身的波长敏感特性，是光栅器件的关键因 素，使得其对制作工艺的要求非常高，因此对纳米光 栅制作工艺的研究尤为重要。而半导体材料的折射率 普遍很高（如 ），因此光栅 的周期非常的小，仅有几百纳米左右，必须采用至少 特征尺寸为100
4、nm的制作工艺，主要制作方法有：干涉曝光：利用两束相干光束发生相干产生的周期性干涉 条纹对光刻胶进行曝光，经过显影后得到光栅图案。这种 方法的优点是成本较低，无需复杂的光路，较短的时间内 就可以制作整个外延片上全部的光栅，产出快。但是该技 术也有很多缺点，首先它只能制作周期性很强的图形，不 能制作任意图形，因此制作相移光栅的工艺非常复杂，而 且相干曝光产生的条纹呈正弦形状，深度很浅。电子束曝光（E-Beam）：利用高能的电子束 对光刻胶进行曝光，采用很细的电子束斑和 很小的步距按照设计的图形在光刻胶上扫描 曝光，显影后得到设计的图案。该技术的优 点是可制作任意图形，图形分辨率非常高， 最小可达
5、几个纳米。缺点是需要用很细的电 子束斑和很小的步距进行直写，曝光时间非 常长，产出慢，系统复杂度高，购置和维护 费用很高，因此更适合于小面积、少数样品 的科研实验。极紫外光刻（EUV）：利用极紫外光对光刻 胶进行曝光。首先在光刻胶和曝光光源的中 间放置具有要曝光图案的掩膜板，经调节对 准后，经过显影将掩模板上的图案转移到光 刻胶上去。该技术较短的时间就可以实现整 片大面积、极小分辨率图形的复制，但是系 统对光源和光路系统的要求都非常高，购置 和维护费用非常高。因此，需要一种工艺技术，不仅能够满足 100nm最小特征尺寸的要求，还必须具备低成本 、高产出、能够制作相移的优点，而现有的工艺技 术无
6、法兼顾这些因素，而纳米压印是解决这一难题 非常具有竞争力的技术之一。二、纳米压印的原理在1995年，现任于普林斯顿大学纳 米中心主任的Stephen Chou提出了纳米 压印技术，这是一种利用图形压模，将 模板上的图形压印到压印胶上制作微纳 图形的技术。纳米压印技术分为热压印 、紫外压印和微接触压印三种：热压印（hot-embossing imprint）是最先被Chou开 发出来的纳米压印技术，也是使用最普遍的压印技 术。其原理如图4所示：图 4 热压印原理 首先将旋涂上半导体晶片的压印胶加热到高于 其玻璃化温度，以增强其流动性，再将刻蚀有 需要压印图形的模板放置到压印胶上，施加压 力，压力
7、迫使压印胶填充模版压印图形中的空 腔。图形成型完成后，经过降温，使压印胶凝 固，使其具有一定的机械强度，得到与压印模 板相反的图形。压印完成后，进行脱模。然后 用O2等离子体刻蚀工艺去除残留的底胶，开出 掩膜窗口，并根据需要进行后续的图形转移。 可以采用刻蚀的办法将压印胶的图形转移到半 导体晶片上，也可以先在胶掩膜上镀一层金属 ，然后采用剥离（lift-off）工艺，将有掩膜区 域内的金属和压印胶一并剥去，只剩下没有掩 膜部分的金属图形留在晶片上，实现图形的反 转。由于热压印的原理较为简单，因此大部分 公司如瑞典Obducat和美国Nanonex的压印设 备都具有这一功能。热压印的一种新型的改
8、进技术是激光辅助纳米压印技 术，如图5所示：可以将被压印的半导体晶片用激光 脉冲熔化，然后用模版直接把图形压印到半导体晶片 上，之后关闭激光脉冲，待半导体晶片冷却后迅速的 脱模，该技术的优点是不需要压印胶和后续的刻蚀工 艺，图形直接的由模版转移到晶片上，效率非常的高 。图5 激光辅助直接压印原理 紫外压印（UV imprint）则分为两种，一种为紫外与热 压印同时进行（STU）的压印技术，如图 6所示：图6 紫外与热压印同时进行 将紫外压印胶旋涂到半导 体晶片上，与热压印类似， 通过对其加热以增强流动性 ，不同的是压印模版必须是 紫外透明材料，而且当图形 压印成型后，不是采用降温 凝固，而是利
9、用紫外固化的 方式使其固化，从而得到与 压印模版相反的图形，目前 使用STU技术的有瑞典 Obducat公司。另一种称为滴胶式压印技术，不同的是将流动性很好的紫外压 印胶滴上半导体晶片上的压印区域，而不是采用旋涂的方式，模版 移动到需要压印的区域，开始逐渐下移，用很低的压力将模板压到 晶片上，使压印胶分散开并填充成型。相比于STU压印，滴胶式紫 外压印的工艺较为复杂，因为胶的液滴大小、液滴的分布情况都与 需要压印的图形有很大的关系，如果没有掌握好，很有可能导致压 印失败。但是滴胶式压印也有其优点，它只在需要压印的地方滴胶 ，因此可以大大减少压印胶的用量，从另一方面来说，需要压印的 区域也可以通
10、过滴胶的位置来进行选择。滴胶式紫外压印的一个改进技术是步进闪光 压印技术（step and flash，SFIL），是由 University of Texas at Austin发明的，其原理 如图 7，其特点是利用一个小面积的模版在一 片半导体晶片上的多个选定的位置进行滴胶式 压印，从而实现阵列的效果，目前使用step and flash压印技术的公司只有美国的 Molecular imprint。图7 步进闪光 微接触式压印（Micro contact imprint）与普 通压印的功能不同。如图8所示：图8 微接触压印技术它的主要作用是将具有一定图形的自组装分子层转移到晶片上。微接触压
11、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经固化形成的，通 常使用的材料是聚二甲基硅氧烷 (poly-dimethylsiloxan，PDMS)，然后将聚合 物模版浸入到具有形成自组装分子层的化学溶液中，然后将模版慢慢的靠近晶片 ，形成微接触，由于PDMS的强疏水性能，模版上突出图形区域的自组装分子层会 转移到晶片上，从而在晶片上形成具有一定图形的自组装分子层。微接触压印不 需要特殊的设备就能够进行，但是图形尺寸只能做到亚微米量级。微接触压印主 要的优点是生物兼容性好，它在整个压印过程中，没有高温、高压、紫外曝光的 过程，最大程度的保护了生物样品不受到工艺过程的影响。三、纳米压
12、印的应用自纳米压印技术（NIL）发明至今，已 经被应用于许多微纳加工领域，并做出了 一些重要的技术进步（图9）。在半导体工 艺领域，实现了最小5nm特征尺寸的图形， 100mm晶片下高均匀性，高质量的纳米图形 ，全程质量在线监控。在电子领域，超窄 通道MOSFET，高频声表波滤波器， Graphene晶体管，高性能新型存储器等。 在MEMS领域，制作出了的微流管道，高精 度MEMS传感器等。图9 已报导的纳米压印技术在电子、MEMS方面的应用在光电子领域，纳米压印技术几乎制作出了 所有微纳光子学中涉及的器件（图 10），微透 镜、光栅、光子晶体、微环、MMI、AWG、可 调谐滤波器、反射器，激
13、光器、光互联器件、偏 振分光器、表面等离子晶体、提高太阳能效率的 陷光结构等。值得一提的是，利用纳米压印技术 制作光子晶体和图形衬底提高LED的出光效率已 经被很多厂商商业化。图 10 已报导的纳米压印制作的光电器件四、纳米压印的发展现状如今，纳米压印技术已经被International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 认为是下一代IC制造技术的之一。纳米压印相比于传统的光刻技术有许多优点： 纳米压印技术制作的图形面积和工艺最小尺寸只与模版 上图形的面积与最小尺寸有关。 该技术不需要特殊的光学与高电压设备，成本较低 。 纳米压印技术制作
14、的图形由模版上的图形决定，没有周 期性的要求，能够复制任意图形。纳米压印能制作斜面、金字塔等3维图形。 纳米压印技术相比于现有的技术，在成本、生产效 率、加工尺寸、制作图形的多样性、图形面积上都具 有很大的优势，非常适合器件的大规模生产。虽然纳米压印技术有如上诸多优点，但是它同时也存 在许多问题： 大面积模版制作困难，需要长时间的E-beam直写曝 光，成本高、时间长、风险大。压印模版的表面需要进行疏水处理，使聚合物压印胶 与衬底的粘附性远远大于其与模版之间的粘附性，这 样才能保证脱模时，模版不会将压印胶拉起来而破坏 压印图形。纳米压印工艺是接触式加工工艺，相比于非接触式加 工工艺，更容易引入
15、多种缺陷，另外，当压力不均匀 时，模版在高压下与被压印的晶片接触时，有可能造 成对两者的损坏。同样是由于接触式工艺的原因，纳米压印技术对晶片 平整度有非常高的要求，不平的晶片会产生非常严重 的图形缺陷。国内，上海交通大学、复旦大学和华中科 技大学进行过一些纳米压印的工艺和制作器 件的研究，制作的器件多在亚微米量级或接 近纳米量级，制作图形面积也较小，还处于 样品实验的阶段，不能达到100nm最小特征 尺寸、大面积、高质量、高均匀性的要求。 五、纳米压印制作DFB激光器光栅DFB( Distributed Feedback Laser)，即 分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉 格光栅（Br
16、agg Grating），属于侧面发射的 半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导 体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓 （GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。 DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（ 即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz 以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR ），目前可高达40-50dB以上。DFB激光器的应用 一、光纤通讯 通讯是DFB的主要应用，如1310nm，1550nm DFB激 光器的应用。 二、可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS） a) 过程控制 (HCl, O2 ) b) 火灾预警 (CO/CO2 ratio) c) 成分检测 (moisture in natural gas) d) 医疗应用 (blood sugar, breath gas, helicobacter) e) 大气测量 (isotope composition of H2O, O2, CO) f) 泄漏检查 (Methane) g)
