微纳加工技术在光电子领域的应用

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摘要：纳米光电子器件正在成为下一代光电子器件的核心。文章介绍了电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀为代表的微纳加工技术在光电子学器件中的应用，主要包括量子点激光器、 量子点THz探测器和光子晶体器件。

关键词：纳米光电子器件；电子束光刻；电感耦合等离子体刻蚀；量子点器件；光子晶体

1引言

在过去的50多年中，微纳加工技术的进步极大地促进了微电子技术和光电子技术的发展。微电子技术的发展以超大规模集成电路为代表，集成度以每18个月翻一番的速度提高，使得以90nm为最小电路尺寸的集成电路芯片已经开始批量生产.以光刻与刻蚀为基础的平面为加工技术已经成为超大规模集成电路的技术核心，随着电子束光刻技术和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术的出现，平面微纳加工工艺正在推动以单电子器件与自旋电子器件为代表的新一代纳米电子学的发展.当微纳加工技术应用到光电子领域，就形成了新兴的纳米光电子技术，主要研究纳米结构中光与电子相互作用及其能量互换的技术.纳米光电子技术在过去的十多年里，一方面，以低维结构材料生长和能带工程为基础的纳米制造技术有了长足的发展，包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)和化学束外延(CBE)，使得在晶片表面外延生长方向(直方向)的外延层精度控制到单个原子层，从而获得了具有量子尺寸效应的半导体材料;另一方面，平面纳米加工工艺实现了纳米尺度的光刻和横向刻蚀，使得人工横向量子限制的量子线与量子点的制作成为可能.同时，光子晶体概念的出现，使得纳米平面加工工艺广泛地应用到光介质材料折射率周期性的改变中。

本文将重点阐述电子束光刻技术和ICP刻蚀技术在新兴的纳米光电子学器件中的应用，主要包括量子点激光器、量子点THz探测器和光子晶体器件。

2 电子束光刻技术

电子束光刻技术是利用电子束在涂有电子抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形的技术[2].电子抗蚀剂是一种对电子敏感的高分子聚合物，经过电子束扫描过的电子抗蚀剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗蚀剂发生化学性质改变。经过显影和定影，获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形。电子束光刻技术的主要工艺过程为涂胶、前烘、电子束曝光、显影和坚膜。现代的电子束光刻设备已经能够制作小于10nm的精细线条结构。电子束光刻设备也是制作光学掩膜版的重要工具。

影响曝光精度的内部工艺因素主要取决于电子束斑尺寸、扫描步长、电子束流剂量和电子散射引起的邻近效应。电子束的能量越高，束斑的直径就越小，比如10keV的电子束斑直径为4nm，20keV时就减小到2nm。电子束的扫描步长由束斑直径所限制。步长过大，不能实现紧密地平面束扫描;步长过小，电子束扫描区域会受到过多的电子散射作用。电子束流剂量由电子束电流强度和驻留时间所决定。电子束流剂量过小，抗蚀剂不能完全感光;电子束流剂量过大，图形边缘的抗蚀剂会受到过多的电子散射作用。由于高能量的电子波长要比光波长短成百上千倍，因此限制分辨率的不是电子的衍射，而是各种电子像散和电子在抗蚀剂中的散射。电子散射会使图形边缘内侧的电子能量和剂量降低，产生内邻近效应;同时散射的电子会使图形边缘外侧的抗蚀剂感光，产生外邻近效应。内邻近效应使垂直的图形拐角圆弧化，而外邻近效应使相邻的图形边缘趋近和模糊。

影响曝光精度的外部工艺因素包括电子抗蚀剂的厚度和显影时间。电子抗蚀剂越薄，曝光图形的分辨率会越高，但掩蔽作用会降低。显影时间越长，图形边缘越不清晰甚至扩展。此外环境温度、电磁干扰、机械振动和电源不稳定都会影响曝光精度。

电子束光刻可以在计算机的控制下直接产生所要求的图形。由于电子束偏转场(即写场)很小，通常为100—1000μm²，所以电子束曝光图形是由写场拼接而成，如图1所示。电子束扫描完一个写场，激光控制的工作台将下一个相邻区域按指令移动到电子束扫描范围内。因此，写场对准是决定图形拼接精度的关键步骤。对于初次曝光的图形，写场对准实际上就是把电子束扫描的方向和顺序定义为平行于由晶片边沿所定义的工作台平面xy移动方向。对于图形套刻来讲，写场对准就是将把电子束扫描的方向和顺序定义为平行于由套刻标记所定义的工作台平面xy移动方向。现代的电子束光刻设备的写场拼接误差已经达到30—60nm。曝光的图形尽量放在同一写场内。对于大于写场的图形，要避免图形关键部位在写场边界。通常写场越大，电子束偏转就越大，电子散射就越强，曝光精度就越低。

图1.电子束曝光过程中的写场拼接

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5 结束语

微纳加工技术的发展，将促进纳米光电子器件向更深更广的方向发展。微纳加工的半导体纳米结构在光电子领域带来许多新的量子物理效应，如量子点的库仑阻塞效应和光子辅助隧穿效应，光子晶体的光子带隙效应等。对这些新的纳米结构带来的新现象的研究将为研制新原理基础上的新器件打下基础。

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