CN101738662A - 百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法 - Google Patents

百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，该方法包括：步骤1：将光刻胶按不同的配比进行稀释，在清洗干净的衬底上甩胶，得到厚度分别为80nm、120nm、160nm、200nm和260nm的光刻胶层；步骤2：采用325nm的全息曝光系统，对不同厚度的光刻胶层进行相应剂量的曝光；步骤3：对经过曝光处理的样品进行显影和定影，得到相应的光刻胶光栅形貌图样；步骤4：对样品进行后烘，利用等离子体去胶机去除底胶，并对得到的光刻胶光栅形貌进行修饰。利用本发明，制备出了百纳米级窄线宽多种形貌的全息光栅光刻胶图样。

Description

百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，主要用于分布反馈激光器(DFB)，分布Bragg激光器(DBR)的器件制作工艺中，该光栅具有选模作用。此外还可运用于制备需要百纳米级尺度的光栅的光电子器件。
背景技术
DFB或DBR激光器，具有动态单纵模，窄线宽的特点。波长为1.3μm，1.55μm DFB激光器主要用于光纤通讯中，而852.3nm的DFB激光器则用于铯原子钟的泵浦中。
本发明是在研制852.3nm高功率窄线宽的DFB激光器课题下完成的。DFB激光器之所以能够实现单纵模激射，主要是由其内含的光栅具有选模作用。光栅制作的好坏对DFB激光器的性能有很大的影响，光栅形貌、深度、占空比也会影响DFB激光器的耦合因子，而耦合因子越大，阈值电流越小。
理论上来说，深度越大，耦合因子越大；占空比不同，耦合因子也不同；正弦形光栅与矩形光栅的耦合因子也不同。对于852.3nm激光器来说，一级光栅的周期为126.6nm，已经超出了He-Cd激光器的分辨极限，因此一般采用2级光栅，周期为253.2nm。即便是2级光栅，它的周期已很小，无法使用一般的光刻机通过普通的光刻手段来得到，而采用电子束曝光的方法可以制备矩形周期的光栅，而且可以制备出一级光栅，光栅的条宽可以做到50nm以下的级别，但是电子束的曝光时间较长，而且成本更高，而全息曝光具有低成本，一次大面积均匀曝光的特点，在制作周期性的光栅上，比电子束更有优势。
但由于全息曝光是双光束干涉的特点，干涉场的强度是呈正弦型分布的，因此一般认为作用到光刻胶显影完后，光刻胶光栅的轮廓也是正弦分布的，但实际上光刻胶在显影液中的溶解速率与曝光量是非线性的，本发明正是用此来得到了梯形与矩形的光刻胶光栅。
光刻胶光栅的形貌无论是对湿法还是干法来说，均至关重要，但效果不同：对于湿法来说，光刻胶光栅的形貌影响主要体现在占空比上，而与其矩形与否关系不大，腐蚀出来的光栅形貌与腐蚀液和晶向的选取有关，但是占空比会建立在原先胶的占空比上，进一步地减小，这是因为湿法腐蚀会有一定程度的侧蚀，并且会随着腐蚀深度的增大而侧蚀也相应地增大，但通过控制光刻胶光栅的占空比，可以更好地控制后继湿法腐蚀所得光栅的占空比，采用本发明的5种条件下的光刻胶光栅，可以得到湿法腐蚀下的5种不同占空比的光栅。
为了保持占空比，以及得到更深的光栅，需要采用干法刻蚀，干法刻蚀具有各向异性，但刻蚀的时候也会打掉部分作为掩模的光刻胶，因此光刻胶需要一定的厚度才能扛的住，由于刻蚀深度在60～80nm左右，因此采用110，160，240，290nm适合干法刻蚀，尤其是240，290nm厚的胶显影打胶完后分别可以达到80nm，120nm的厚度。通过控制干法刻蚀条件，可以得到梯形或者矩形的光栅形貌。此外利用本发明制作的矩形光栅的图样，可以用来进行金属剥离来制备金属光栅，从而制备出增益耦合光栅。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，以制备出百纳米级窄线宽多种形貌的全息光栅光刻胶图样。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，该方法包括：
步骤1：将光刻胶按不同的配比进行稀释，在清洗干净的衬底上甩胶，得到厚度分别为80nm、120nm、160nm、200nm和260nm的光刻胶层；
步骤2：采用325nm的全息曝光系统，对不同厚度的光刻胶层进行相应剂量的曝光；
步骤3：对经过曝光处理的样品进行显影和定影，得到相应的光刻胶光栅形貌图样；
步骤4：对样品进行后烘，利用等离子体去胶机去除底胶，并对得到的光刻胶光栅形貌进行修饰。
上述方案中，步骤1中所述光刻胶为S9912光刻胶，衬底为GaAs衬底。
上述方案中，步骤1中所述在衬底上甩胶时，先预甩3000转/分，再匀甩5000转/分。
上述方案中，步骤1中所述将光刻胶按不同的配比进行稀释，所用的稀释液为DA3004，在光刻胶厚度分别为70nm、110nm、160nm、240nm和290nm时，光刻胶与稀释液的配比比例分别为：1∶8、1∶7、1∶6、1∶4和1∶3。
上述方案中，步骤2中所述全息曝光系统，采用的激光器是He-Cd激光器，He-Cd激光器的曝光功率为37.1mW，周期为250nm。
上述方案中，步骤3中所述显影时所用的显影液为四甲基氢氧化铵。
上述方案中，步骤4中所述后烘是在120℃下烘30分钟。
上述方案中，步骤4中所述利用等离子体去胶机去除底胶，所用的等离子体去胶机的功率为9W。
上述方案中，步骤2、3和4中所述曝光、显影、等离子体去胶的工艺条件为：
当胶厚70nm时，曝光时间为20秒，显影时间30秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为圆弧形，占空比为0.7；
当胶厚110nm时，曝光时间为40秒，显影时间25秒，去胶时间55秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.6；
当胶厚160nm时，曝光时间为50秒，显影时间35秒，去胶时间40秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.5；
当胶厚240nm时，曝光时间为85秒，显影时间40秒，去胶时间30秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.43；
当胶厚290nm时，曝光时间为100秒，显影时间35秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.31。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用全息曝光的方法制备百纳米级的光栅，具有一次性大面积曝光，成本低廉的优势，而目前的普通光刻的方法无法做到百纳米级尺度的线宽。除了全息曝光方法之外，可供选择的制备方法主要是电子束曝光(EBL)、聚焦离子束刻蚀(FIB)以及X射线光刻，它们虽在制备上具有更大的弹性与自由度，但设备极其昂贵，而且制备大面积图案耗时长，成本极高，因此就制备大面积均匀形貌的光栅来说，全息曝光的方法无疑具有很大优势。本发明利用全息曝光的这种手段，制备了多种形状，不同占空比的光刻胶光栅，给后面制作性能更好的DFB激光器及相关需要百纳米级光栅结构的光电子器件提供了更多的自由度与手段。
2、就DFB激光器而言，光栅质量的好坏，对器件的性能乃至能否实现连续激射，有着至关重要的影响。不同材料系，激射波长的DFB激光器，要达到不同性能要求时，所需要的光栅形貌是不一样的，这里所提到的光栅形貌包括光栅的深度、形状、占空比。因此本发明就为适应光栅制作的此类要求提供了条件。譬如说，若后面采用湿法刻蚀处理的话，光刻胶光栅掩模的形貌影响不大，所起作用的是掩模的占空比，不同材料系，不同的腐蚀液，会使腐蚀出光栅的形状不同，这问题并不是本发明所要解决的，但可以肯定地是，腐蚀出来的占空比决定于掩模光栅的占空比。又如采用干法刻蚀制备半导体光栅，由于通常的DFB激光器掩埋光栅的深度在100nm以下，所以在干法刻蚀的时候直接采用光刻胶来作为掩模，比用其它硬质掩模，如SiO2，有成本优势，但因为干法刻蚀的时候，也会对掩模的光刻胶有刻蚀作用，因此光刻胶光栅需要有足够的厚度，形状最好为矩形，转移的图形才可控，而本发明中的矩形光栅厚度均在80nm以上，满足通常100nm以下的光栅深度的刻蚀条件，当然这涉及到干法刻蚀的设备与条件的选取，但这并不是本发明所要解决的问题。而对于本矩形光栅才能做到2种占空比的问题，并不会阻碍我们获得想要得DFB激光器的耦合因子，通过理论计算我们可以发现，光栅刻蚀深度的相应地增加，可以具有高占空比但深度较浅的光栅同样的效果。
3、值得一提的是，矩形光刻胶光栅作为掩模，对金属剥离有利，这样可以制备相应的金属光栅，而金属光栅的吸收作用对许多光电子器件均有极为重要的作用，而且金属作为一种硬质材料，能够取代光刻胶光栅，更好地起到掩模作用，为得到极深刻蚀的光栅(100nm以上)，奠定了基础。
附图说明
图1是本发明提供的制备百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的方法流程图；
图2是70nm胶厚所得的占空比为0.7的光刻胶光栅图样；
图3是110nm胶厚所得的占空比为0.6的光刻胶光栅图样；
图4是160nm胶厚所得的占空比为0.5的光刻胶光栅图样；
图5是240nm胶厚所得的占空比为0.43的光刻胶光栅图样；
图6是290nm胶厚所得的占空比为0.31的光刻胶光栅图样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的制备百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的方法流程图，该方法包括：
步骤1：将光刻胶按不同的配比进行稀释，在清洗干净的衬底上甩胶，得到厚度分别为80nm、120nm、160nm、200nm和260nm的光刻胶层；
步骤2：采用325nm的全息曝光系统，对不同厚度的光刻胶层进行相应剂量的曝光；
步骤3：对经过曝光处理的样品进行显影和定影，得到相应的光刻胶光栅形貌图样；
步骤4：对样品进行后烘，利用等离子体去胶机去除底胶，并对得到的光刻胶光栅形貌进行修饰。
上述步骤1中所述光刻胶为S9912光刻胶，衬底为GaAs衬底。在衬底上甩胶时，先预甩3000转/分，再匀甩5000转/分。将光刻胶按不同的配比进行稀释，所用的稀释液为DA3004，在光刻胶厚度分别为70nm、110nm、160nm、240nm和290nm时，光刻胶与稀释液的配比比例分别为：1∶8、1∶7、1∶6、1∶4和1∶3。具体可以参考表1。
 稀释比例(S9912∶DA3004)   胶厚
 1∶8   70nm
 1∶7   110nm
 1∶6   160nm
 1∶4   240nm
 1∶3   290nm
表1
上述步骤2中所述全息曝光系统，采用的激光器是He-Cd激光器，He-Cd激光器的曝光功率为37.1mW，周期为252.3nm。
上述步骤3中所述显影时所用的显影液为四甲基氢氧化铵。
上述步骤4中所述后烘是在120℃下烘30分钟。利用等离子体去胶机去除底胶，所用的等离子体去胶机的功率为9W。
上述步骤2、3和4中所述曝光、显影、等离子体去胶的工艺条件为：当胶厚70nm时，曝光时间为20秒，显影时间30秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为圆弧形，占空比为0.7；当胶厚110nm时，曝光时间为40秒，显影时间25秒，去胶时间55秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.6；当胶厚160nm时，曝光时间为50秒，显影时间35秒，去胶时间40秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.5；当胶厚240nm时，曝光时间为85秒，显影时间40秒，去胶时间30秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.43；当胶厚290nm时，曝光时间为100秒，显影时间35秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.31。具体可以参考表2。
胶厚 曝光时间 显影时间 打胶时间   形状(占空比)
70nm 20s 30s 25s   圆弧形(0.7)
  110nm   40s   25s   55s   梯形(0.6)
  160nm   50s   35s   40s   梯形(0.5)
  240nm   85s   40s   30s   矩形(0.43)
  290nm   100s   35s   25s   矩形(0.31)
表2
请参阅图2～6，制作不同形貌和占空比全息光刻胶光栅的步骤如下：
1)、根据所需要的形貌与占空比，选择相应的光刻胶；这里以选用的240nm的光刻胶为例；
2)、清洗外延片，放入烘箱中120℃烘30分钟；
3)、涂胶于外延片上，甩胶，之后放入烘箱中85℃烘20分钟；
4)、调整全息曝光样品台的角度，以得到所需要的周期，对于253.2nm的周期角度设定为40°；
5)、全息曝光，要得到矩形占空比为0.41的光刻胶光栅，曝光85s，降低空气扰动与外界振动的影响提高曝光的稳定性；
6)、采用四甲基氢氧化铵∶去离子水＝1∶8混合成的显影液，显影40s，定影1分钟；
7)、120℃后烘30分钟，坚膜处理，提高胶对衬底的附着力以及抗蚀性；
8)、利用等离子体打胶机打底胶，打开湿法或者干法的刻蚀窗口，功率设定为9W，为了得到矩形光栅，打胶时间设定为30s；
9)、进行湿法或者干法刻蚀，或是金属淀积剥离。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：将光刻胶按不同的配比进行稀释，在清洗干净的衬底上甩胶，得到厚度分别为80nm、120nm、160nm、200nm和260nm的光刻胶层；
步骤2：采用325nm的全息曝光系统，对不同厚度的光刻胶层进行相应剂量的曝光；
步骤3：对经过曝光处理的样品进行显影和定影，得到相应的光刻胶光栅形貌图样；
步骤4：对样品进行后烘，利用等离子体去胶机去除底胶，并对得到的光刻胶光栅形貌进行修饰。
2.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤1中所述光刻胶为S9912光刻胶，衬底为GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤1中所述在衬底上甩胶时，先预甩3000转/分，再匀甩5000转/分。
4.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤1中所述将光刻胶按不同的配比进行稀释，所用的稀释液为DA3004，在光刻胶厚度分别为70nm、110nm、160nm、240nm和290nm时，光刻胶与稀释液的配比比例分别为：1∶8、1∶7、1∶6、1∶4和1∶3。
5.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤2中所述全息曝光系统，采用的激光器是He-Cd激光器，He-Cd激光器的曝光功率为37.1mW，周期为252.3nm。
6.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤3中所述显影时所用的显影液为四甲基氢氧化铵。
7.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤4中所述后烘是在120℃下烘30分钟。
8.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤4中所述利用等离子体去胶机去除底胶，所用的等离子体去胶机的功率为9W。
9.根据权利要求1所述的百纳米级窄线宽多种形貌全息光栅光刻胶图样的制备方法，其特征在于，步骤2、3和4中所述曝光、显影、等离子体去胶的工艺条件为：
当胶厚70nm时，曝光时间为20秒，显影时间30秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为圆弧形，占空比为0.7；
当胶厚110nm时，曝光时间为40秒，显影时间25秒，去胶时间55秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.6；
当胶厚160nm时，曝光时间为50秒，显影时间35秒，去胶时间40秒，光刻胶图样的形状为梯形，占空比为0.5；
当胶厚240nm时，曝光时间为85秒，显影时间40秒，去胶时间30秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.43；
当胶厚290nm时，曝光时间为100秒，显影时间35秒，去胶时间25秒，光刻胶图样的形状为矩形，占空比为0.31。
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