CN201331670Y

CN201331670Y - 纳米压印用二次压印模板

Info

Publication number: CN201331670Y
Application number: CNU2008201448195U
Authority: CN
Inventors: 刘�文; 王定理; 周宁; 赵彦立; 徐智谋
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Accelink Technologies Co Ltd
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Accelink Technologies Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-12-24

Abstract

一种纳米压印用二次压印模板，包括有基板，在基板上形成有多数个相同的成套密集波分复用系统用半导体激光器的分布反馈DFB光栅结构。分布反馈DFB光栅结构的光栅周期为：d_i＝λ_i/(2n_eff)，其中，d_i为光栅周期，λ_i为符合ITU－T要求的激光器波长，其值为1525～1565nm或1565～1605nm，波长间隔为0.8nm或0.4nm，n_eff为激光器材料的有效折射率，典型值为3～3.5。本实用新型，由于一次压印模板只含有少量DFB光栅图形，因此制作上占用电子束曝光机机时少，成本比较低。而且采用同一个一次压印模板可以制作出多个二次压印模板，适合于大批量生产，所以采用二次压印模板的纳米压印方法制作DFB半导体激光器光栅，具有光栅分辨率高、重复性好，以及制作成本低，生产效率高的特点。

Description

纳米压印用二次压印模板

技术领域

本实用新型涉及一种纳米压印用模板。特别是涉及一种具有光栅分辨率高、重复性好，以及制作成本低，生产效率高的纳米压印用二次压印模板。

背景技术

纳米结构制造技术是整个纳米技术的核心基础，是当前世界科学研究亟待解决的难题之一。传统的加工技术已不能满足纳米技术飞速发展的需要。在开发超大规模集成电路工艺技术的过程中，人们已经开发了一些能够进行纳米尺度加工的技术，例如电子束与x射线曝光，聚焦离子束加工，扫描探针刻蚀技术等。电子束曝光技术虽然分辨率高，但产量低，加工成本高，只能用于加工关键图形。x射线光刻(使用波长0.1～10nm的x光)因高能辐射会迅速破坏掩模和透镜中的许多材料，导致光刻成本高昂。因为常规的透镜不能透过极紫外光，所以为了避免折射系统中强烈的光吸收，极紫外线光刻术(使用波长10～70nm的紫外光)必须采用精度极高的反射式光学系统，同样导致成本剧增。

由于受合成光源和光学镜片、电子聚焦等设备价格因素影响，投入上述几种光刻技术的设备研发费用急剧飙升，如此巨额的投入使绝大多数企业及科研机构根本无法承受，难以实现产业化。市场急需一种低成本的替代工艺，用于100nm以下特征线宽加工，以满足下一代IC制造的迫切需要。

针对这一挑战性，美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从1995年开始进行了开创性的研究，他们提出并展示了一种叫做“纳米压印”(nanoimprint lithography)的新技术。“纳米压印”是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是具有超高分辨率，高产量，低成本。高分辨率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。高产量是因为它可以像光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器件。低成本是因为它不像光学曝光机那样需要复杂的光学系统或像电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统。因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术，从根本上开辟了各种纳米器件生产的广阔前景。更为重要的是，纳米压印技术可望尽快突破几十纳米线宽IC制作的世界技术难题，具有强大竞争力，从根本上展示了纳米器件生产的广阔前景。

由于分布反馈(DFB)半导体激光器的光栅图形尺寸很小(栅条尺寸约为100nm)，目前通用的工艺方法是通过深紫外激光器双光束干涉曝光的方法来实现。但是采用双光束干涉曝光法，只能制作出具有均匀周期结构的DFB光栅，无法在同一外延片上同时进行多波长激光器光栅的制作，无法进行复杂结构光栅的制作。虽然采用电子束曝光方法可以在同一外延片上制作具有不同周期的相移结构DFB光栅，但其制作成本高，耗时长。

另外，采用双光束干涉法以及电子束曝光法制作DFB光栅，均存在光栅的形状、以及占空比的重复性不好的问题，从而导致激光器的光栅耦合系数不一致，影响了器件的边模抑制比，并导致器件成品率降低；而且所制作出的DFB光栅边缘可能不光滑，导致半导体激光器腔内存在严重散射效应，影响了器件的发光效率。若从采用双光束干涉法所制作的DFB光栅的表面扫描电镜图片，可以看到其光栅线条很粗糙，占空比不均匀，重复性差。

采用纳米压印的方法进行DFB光栅的制作可以很好地解决以上问题，可以低成本地在同一外延片上同时制作出多波长的DFB激光器光栅，而且所制作出的光栅线条光滑，占空比均匀，重复性好。

尽管采用纳米压印技术可以大大降低半导体激光器的制作成本，但纳米压印用模板通常是采用电子束曝光技术制作的，其价格仍然十分昂贵而且加工速度非常慢，采用电子束曝光的方法制作一个两英寸压印用模板(均匀布满DFB光栅)的成本超过5000美元，而且需要几十个小时，不适合于批量生产。虽然电子束光刻技术目前已开发出可变形光斑，以及限角度散射投影式光子束光刻技术，已逐渐提升了加工速度，但面对未来大面积(4英寸、6英寸以及6英寸以上)压印模板的制作加工成本以及产能，这些改进的电子束光刻技术仍无法满足直接加工的要求。

另一方面，压印模板的使用寿命是有限的，特别是压印模板在使用过程中需要经历高温、高压以及急冷等周期性的恶劣环境，其中所造成的压印模板内应力严重影响了其使用寿命，同样造成了目前压印成本的增加。因此要求进一步降低纳米压印的制作成本，真正使得纳米压印技术能实现低成本的生产，首先需要解决压印模板的制作成本问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能有效降低纳米压印用模板的成本，从而进一步降低了分布反馈半导体激光器的生产成本，具有光栅分辨率高、重复性好，生产效率高的纳米压印用二次压印模板。

本实用新型所采用的技术方案是：一种纳米压印用二次压印模板，包括有基板，在基板上形成有多数个相同的成套密集波分复用系统用半导体激光器的分布反馈光栅结构。

所述的分布反馈光栅结构的分布反馈光栅周期为：d_i＝λ_i/(2n_eff)，其中，d_i为光栅周期，λ_i为符合ITU-T要求的激光器波长，其值在C波段为1525～1565nm，在L波段为1565～1605nm，波长间隔为0.8nm或者0.4nm，n_eff为激光器材料的有效折射率，典型值为3～3.5。

本实用新型的纳米压印用二次压印模板，采用在刻有少量图形的一次压印模板的基础上，用分步重复压印的方法制作二次压印模板，然后采用二次压印模板来压印制作DFB光栅。由于一次压印模板只有少量DFB光栅图形，因此占用电子束曝光机机时少，即使需要反复修改，成本也比较低。而且采用同一个一次压印模板可以制作出多个二次压印模板，适合于大批量生产，成本低，重复性好。采用二次压印模板的纳米压印方法制作DFB半导体激光器光栅的技术，具有光栅分辨率高、重复性好，以及制作成本低，生产效率高的特点。

附图说明

图1是采用纳米压印结合金属剥离工艺制作二次压印模板的示意图；

图2是本发明二次压印模板的结构示意图；

图3是图2中每个DFB光栅结构的放大示意图；

图4是采用二次压印模板在同一外延片上制作多通道DWDM激光器芯片系列示意图

图5是纳米压印的工艺流程示意图

其中：

11：一次模板 12：二次基片

13：光刻胶层 12-1、12-2、12-3、…、12-n：二次压印模板

14：金属膜 21：基板

22：DFB光栅结构 41：外延片

51：压印模板 52：光刻胶层

53：外延片

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本实用新型的纳米压印用二次压印模板是如何实现的。

如图2所示，本实用新型的纳米压印用二次压印模板，包括有基板21，在基板21上形成有多数个相同的成套密集波分复用系统(DWDM)用分布反馈(DFB)光栅结构22。

如图3所示，所述的DFB光栅结构22的DFB光栅周期为：d_i＝λ_i/(2n_eff)，其中，d_i为光栅周期，λ_i为符合ITU-T(国际电信联盟技术委员会)要求的激光器波长，其值在C波段为1525～1565nm，在L波段为1565～1605nm，波长间隔为0.8nm或者0.4nm，n_eff为激光器材料的有效折射率，典型值为3～3.5。

本实用新型的纳米压印用二次压印模板，是使用刻有100～1000个DFB光栅图案的一次压印模板，利用分步重复压印方法在另一基片上连续印制，将该基片制作出具有多个与一次压印模板上的DFB光栅图案相同的二次压印模板。

其中，所述的刻有DFB光栅图案的一次压印模板是利用电子束直写技术在一次模板上制作100～1000个DFB光栅结构，在DFB光栅中间具有相移结构；所述的压印方法是采用热压印方法，或采用冷压印(紫外固化压印)方法，或微接触压印方法中的一种。

所述的纳米压印用的二次压印模板的具体制作方法如图1所示，包括如下步骤：

1)利用电子束直写技术制作出具有相移结构的DFB光栅图案的一次压印模板11；

2)在二次基片12上均匀涂布一层热塑性高分子光刻胶13，并将光刻胶加热到玻璃转化温度105℃以上；

3)利用机械力将一次压印模板压入高温软化的光刻胶层13内，并维持高温、高压1～10分钟，使热塑性高分子光刻胶13填充到一次压印模板11的纳米结构内；

4)待光刻胶冷却固化后，释放压力，将一次压印模板11脱离二次基片12；

5)平移一次压印模板11，重复步骤3和4，在二次基片22上重复进行压印复制一次压印模板11的图形；

6)对二次基片12表面的带有压印图形的光刻胶13进行反应离子刻蚀去除残留的底胶；

7)在带有光刻胶图形13的二次基片12表面溅射一薄层金属膜14；

8)采用剥离的方法去除二次基片12表面的光刻胶13以及其上面覆盖的金属膜，而二次基片12表面无光刻胶处覆盖的金属膜被保留下来；

9)最后，以二次基片表面保留下来的金属膜14作为掩膜，采用反应离子刻蚀的方法，将二次基片制作出所需要的具有相移型分布反馈光栅结构的二次压印模板12-1。

10)分别采用不同的二次基片，重复步骤2至9，可以利用同一块一次压印模板11制作出多个二次压印模板12-2，12-3，…，12-n。

以上第1-4步为典型的热压印工艺过程，还可以采用现有的冷压印(紫外固化压印)的制作方法：1)首先利用电子束直写技术制作带有DFB光栅图案的一次压印模板，模板材料必须使用可以让紫外线穿透的石英；2)然后在二次基片表面均匀涂布一层低黏度、对紫外光敏感的液态高分子光刻胶；3)将一次压印模板与在二次基片对准后，将压印模板压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚合反应固化成形；4)然后释放压力，将一次压印模板脱离二次基片，进行脱模。然后根据以上第5-10步所描述的方法进行二次压印模板其它工艺步骤的制作。

或者将以上的第1-4步采用公知的微接触压印方法制作：1)首先利用电子束直写技术制作带有DFB光栅图案的一次压印模板；2)然后在一次压印模板的表面涂附一层液体；3)将涂附有液体的一次压印模板与二次基片表面接触，使得在二次基片与一次压印模板接触的地方形成一层自组装的单层膜；4)将一次压印模板脱离二次基片。然后根据以上第5-10步所描述的方法进行二次压印模板其它工艺步骤的制作。

图4是采用二次压印模板的纳米压印技术制作DWDM用半导体激光器芯片DFB光栅的示意图。通过采用二次压印模板的压印技术可以在同一外延片41上同时制作多个相同的成套40通道间隔为100GHz激光器的DFB光栅，每只激光器的激射波长为λ1、λ2，…λ39，λ40。

光栅的具体纳米压印制作过程如图5所示，通常包括五步工艺；

1)利用如图1所述方法制作二次压印模板51，其中二次压印模板51上包含了多个如图2所示的成套的间隔为100GHz的分布反馈光栅图案；在待制作DFB光栅的外延片53表面均匀涂布一层热塑性高分子PMMA光刻胶材料52；

2)将外延片53上的光刻胶层52加热到玻璃转化温度105℃以上(如135℃)，利用机械力将二次压印模板压入高温软化的光刻胶层内，并维持高温、高压1～10分钟，使热塑性高分子光刻胶填充到二次压印模板的纳米结构内；

3)待光刻胶冷却固化后，释放压力，将二次压印模板51脱离光刻胶层52；

4)接着对外延片53进行反应离子刻蚀(RIE)去除残留的光刻胶，即可以将二次压印模板51上的光栅结构复制到光刻胶52上；

5)最后，以压印出的光刻胶52作为掩膜，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法，在外延片53上制作出所需要的DFB光栅结构。

Claims

1.一种纳米压印用二次压印模板，其特征在于，包括有基板(21)，在基板(21)上形成有多数个相同的成套密集波分复用系统用半导体激光器的分布反馈光栅结构(22)。

2.根据权利要求1所述的纳米压印用二次压印模板，其特征在于，所述的分布反馈光栅结构(22)的分布反馈光栅周期为：d_i＝λ_i/(2n_eff)，其中d_i为光栅周期，λ_i为符合ITU-T要求的激光器波长，其值在C波段为1525～1565nm，在L波段为1565～1605nm，波长间隔为0.8nm或者0.4nm，n_eff为激光器材料的有效折射率，典型值为3～3.5。