激光全息光刻技术及其应用

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1　引　言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。在常规的光刻工艺中，首先要设计出图形复制用的掩模版，然后通过投影步进曝光机使覆盖在半导体晶片上的光致抗蚀剂膜按掩模版的图形曝光。　　随着半导体器件图形尺寸的日益缩小，特别是有些电子器件需要有很大的面积(如平板显示器)，这样基于投影曝光的传统光刻方法受到了象场尺寸和分辨率的限制。由于投影曝光的象场尺寸很小(如1～2μm线宽的曝光象场尺寸小于50mm×50mm)，因而曝光图形就必须在整个基片表面步进重复或扫描重复。这样在大面积衬底上制备由微小图形阵列构成的器件时，显得效率很低。此外，投影曝光机价格昂贵以及高成本的掩模版制备过程和使用过程中掩模版的消耗，都使投影光刻的成本很高。　　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。在这种技术中，使用多束激光在晶片表面重迭发生干涉效应从而产生各种由光亮区和暗区构成的干涉图形。图形以重复周期排列，图形的最小线宽可达波长的几分之一。由于干涉图形能形成在任意表面，所以避免了常规光刻中晶面的平整度和表面形貌对光刻质量的影响。此外，系统中没有掩模版和成象透镜，象场尺寸仅与使用激光束尺寸有关，所以能够加工大面积图形。　　由于上述优点，激光全息光刻技术在用于制备衍射光栅及微透镜的基础上，近来又在制备具有大面积重复结构图形阵列的场发射平板显示器方面表现出了广阔的应用前景。本文介绍了激光全息光刻技术的原理、发展及应用状况。2　激光全息光刻制备衍射光栅　　早在80年代中期，激光全息光刻技术就被用于Ⅲ-Ⅴ族化合物光电子器件的制备中，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。在这种技术中，全息激光光刻与光诱导湿法化学腐蚀相结合，能获得比常规半导体光刻技术更精细的光栅结构，是一种简单精细的光栅制备方法。图1给出了这种全息光刻装置的示意图［1］。半导体样品浸在腐蚀液中，当激光束在半导体晶片表面形成光栅图样时，由于激光光诱导液相腐蚀的作用［2］，在半导体表面形成光栅图形，其周期为                          式中λ是入射激光波长；n是腐蚀液的折射率；θi为光束的入射角。改变相干激光束的入射角，能制备各种尺寸的光栅结构，满足DFB激光器0.1～0.3μm周期光栅的要求。为能实时监测光刻过程，光刻装置中增加了一个He-Ne激光器(632.8nm)。这束激光在形成的光栅结构上反射，能获得腐蚀结构的信息。此外，Bjorkholm等人［3］也研究了直接用干涉激光束的反射来监测光栅腐蚀的过程。 图1　全息光刻衍射光栅装置　　Tsukada等人［4］使用图1所示装置(用568和647nm的激光，HF或H2SO4)，在n-GaAs和GaAlAs上制备了高质量的衍射光栅。Aoyagi［5］和Podlesnik［6］等人用Ar+激光和I2(0.1%)+KI(10%)及H2O2∶H2SO4∶H2O的腐蚀液也在GaAs表面上实现了DFB激光器光栅的制备。    3　激光全息光刻在平板显示器中的应用　　90年代初，激光全息光刻技术又在制备高清晰度的平板显示器方面显示出了良好的应用前景。用它来制备场发射平板显示器(FED)就是一个例子。FED是在淀积有阴极材料的基板上制备106～108个排列整齐的微小电子发射极(图2)，并连接成可进行行列寻址的矩阵电路，微电极发射电子使前基板上的磷光物质发光［7，8］。每个象素由几千个微电极构成，对于一个12英寸的FED有300万个象素。为提高显示器的亮度，降低功耗及延长显示器的寿命，要求微发射极的尺寸小于0.5μm，发展目标要达到0.2μm。由于FED的微发射极是在基板上光刻出圆孔阵列，然后在孔内淀积微电极构成的，所以在基板上光刻孔阵列是制备微发射的关键。由于常规的投影光刻技术不能同时兼有大的象场尺寸和高的分辨率，因而具有较低的生产效率。激光全息光刻技术具有大的曝光面积和高的分辨率，在FED制备方面具有明显的优点。美国LLNL实验室首先在1995年用二束激光全息光刻技术制成了场发射显示器需要的孔和点阵列［9］，但这种光刻技术在商品化的过程中都遇到了很大的困难。最近美国全息光刻系统公司开发了HLS-1000全息光刻机，这种设备采用了四束激光全息光刻技术。与二束激光干涉形成的图形相比，它能一次完成在光致抗蚀剂膜上形成圆孔的曝光。而在二束激光光刻系统，形成圆孔状图形不仅需要二次曝光，而且衬底还需要在曝光过程中旋转。此外，四束激光系统形成图形的最小间距也比二束系统缩小了一半。表1列出了HLS-1000系统的主要技术参数［10］。 图2　FED的结构 表1　HLS-1000全息光刻系统的主要技术参数HLS-1000使用了458nm的Ar+激光器，它比紫外光源能获得更大的象场面积。此外，蓝光比紫外光对操作人员眼和皮肤的损伤较小。为了在整个曝光区中获得均匀的图形尺寸，对激光进行了滤波去掉光干扰，使整个曝光区光束强度波动最小。系统的步进移动平台能使象场分步重复在平板上曝光，生产显示器的最大尺寸达30英寸。表2给出了HLS-1000全息光刻、常规投影光刻及电子束光刻制备FED特性的比较。 表2　FED制备中几种光刻技术的比较4　结　论本文对激光全息光刻技术的基本原理、发展状况及其在光电子器件制备中的应用进行了综述。尽管激光全息光刻与常规的光刻技术相比存在着很多优点，但由于成象原理的限制，它适用于具有周期性图形阵列器件的制备，如图形是圆孔、锥形、台面和光栅等。在目前情况下，激光全息光刻技术作为一种很有特色的工艺将与其它光刻技术一起在光电子器件的制备中发挥更重要的作用。参考文献［1］Ehrlich D J,Tsao J Y.Laser microfabrication.Academic press,INC Boston,1989:333［2］宋登元.激光诱导液相腐蚀及其应用.激光与红外，1991；21(5)：43［3］Bjorkholm J E,Eichner L.Monitoring the growth of nonuniform gratings written holographically by Gaussian laser beams.J ApplPhys,1985;57:2402［4］Tsukada N,Sugata S,Saitoh H et al.Grating formation on GaAs by one step laser photochemical etching.In Second European Conference on lntegrated Optics.Florence,ltaly,1984:125［5］Aoyagi Y,Masuda S,Doi A et al.Makeless fabrication of high quality DFB laser gratings by laser induced chemical etching.JPN J Appl Phys,1985;24294［6］Podlesnik D V,Gilgen H H,Sanchez A et al.Maskless,chemical etching of submicrometer gratings in single crystalline GaAs.Appl Phys Lett,1983;43:1083［7］Holloway P H,Sebastion J,Trottier T et al.Production and control of vacuum in field emission flat panel displays.Solid State Technology,1995;38(8):47［8］宋登元.基于半导体技术的平板显示器及进展.半导体技术,1998;23(5):2［9］Chinnock C.Interference lithography makes novel display elements.Laser Focus World,1995;31(9):24［10］Nole J.Holographic lithography needs no mask.Laser Focus World,1997;33(5):209