一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法及应用，该方法包括：首先制作压印模版，并对压印模版和压印基片进行固定；然后将压印模版与压印基片对准并贴合，将压印模版的微纳图形压印到压印基片的压印光刻胶上；最后将转移到压印光刻胶上的微纳图形作为刻蚀掩膜，刻蚀得到所需的集成光电子器件微纳图形结构。本发明能解决纳米压印方法用于集成光电子器件制作中的对准问题，大大提高纳米压印微纳图形的成品率。
【专利说明】—种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法，属于光电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着光通信的发展，尤其是光通信系统超高速、大容量的要求使得光电子集成技术已经成为当今科学研究的热点领域。光电子集成采用类似于半导体集成电路的制作方法，将光学兀件集成在同一衬底上。这种集成器件具有体积小、寿命长、可靠性高、功耗低、性能优良等优点。
[0003]随着集成度的提高，器件的功能多样化，集成光电子器件里面的微纳图形结构也变得更加复杂，线宽更小，因此需要一种稳定、可靠的光刻工艺来制作集成光电子器件微纳图形。目前比较适用的光刻方法包括:浸没式光刻技术、极紫外光刻技术、电子束光刻技术、纳米压印技术。
[0004]浸没式光刻在光刻机的投影镜头与基片之间用一种液体充满，以增大投影镜头的数值孔径，从而获得更好的分辨率和焦深。但是液体中气泡的存在会破坏图像的完整性或者降低对比度，使图形边缘模糊，而且液体会对光刻胶和镜头产生影响从而影响浸没式光刻的性能。
[0005]极紫外光刻将极端远紫外光线(EUV)入射到反射掩膜上，从而在基片上得到掩膜图形。其优点在于光刻分辨率高，至少可以达到30nm以上。极紫外光刻技术工艺简单，容易产业化。但是极端紫外光源设计难度较大，同时极紫外光刻技术需要反射式投影系统以防止极端紫外光被材料吸收，制作困难。
[0006]电子束光刻用磁场将电子束聚焦在电子刻蚀剂上，可以制作复杂的微纳图形，且分辨率可达10nm。但是电子束光刻曝光速度慢、生产效率低，且难以实现高精度的对准和套刻。
[0007]纳米压印是将制作有微纳图形结构的模板利用机械压力压在基片表面作为图形转移层的压印胶上，使之充满模板上图形空隙，之后将模板同基片分离，在光刻胶上留下浮雕图形，通过反应离子束刻蚀去除转移层上残余的压印胶，然后利用干法或湿法刻蚀，获得需要的微纳图形。纳米压印技术的分辨率高，可达10nm，并且可以大批量、快速制备微纳图形结构，被认为是下一代光刻技术的热门研究领域。
[0008]虽然如此，到目前为止，利用纳米压印方法制作光电子器件尤其是集成光电子器件确很少有报导，其主要难度在于微纳图形结构对准方面。
[0009]专利“一种二维光子晶体结构GaN基LED的制备方法”(申请号:201110148202.7)中提出了利用纳米压印技术制作二维光子晶体的方法；专利“低成本DFB激光器的制造方法”(申请号:200610125535.7)中提出了利用纳米压印技术制作DFB (分布式反馈布拉格)激光器及DFB激光器阵列的方法。在这些结构中，微纳图形结构布满整个基片，不需要严格对准。而对于集成光电子器件来说，尤其是微纳图形分布在不同区域的器件，就需要精确的对准技术来保证纳米压印技术的成品率。唐仪超、余永林、赵家霖在专利“紫外纳米压印软模版固定及对准组件”中提出了一种可用于纳米压印模板固定及对准的组件，通过这一组件可以实现集成光电子器件中纳米压印模板图形与基片图形的对准，为微纳米压印方法用于集成光电子器件中微纳图形的制作提供了 一种重要的解决方案。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供了一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法及应用，其能解决纳米压印方法用于集成光电子器件制作中的对准问题，大大提高纳米压印微纳图形的成品率。
[0011]本发明所采用的技术方案是:一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法，包括:首先制作压印模版，并对压印模版和压印基片进行固定；然后将压印模版与压印基片对准并贴合，将压印模版的微纳图形压印到压印基片的压印光刻胶上；最后将转移到压印光刻胶上的微纳图形作为刻蚀掩膜，刻蚀得到所需的集成光电子器件微纳图形结构。
[0012]所述的方法，对压印模版和压印基片固定的方法包括:首先用掩模对准机的模版固定夹具固定模版固定及对准组件，将模版固定及对准组件上部的真空孔设置在模版固定夹具的真空槽处；开启真空后，真空吸力经过模版固定夹具的真空槽，由模版固定及对准组件中的真空孔传递至该组件下表面中心的真空孔处，压印模版被真空吸力吸附于该组件下表面，即将纳米压印模板固定在模版固定及对准组件之上；最后在压印基片上旋涂一层压印光刻胶，并将压印基片放置固定在工作台上。
[0013]所述的方法，将压印模版与压印基片对准并贴合的方法包括:在压印基片和压印模版上设置有对准标记，调整工作台的高度，使压印基片与纳米压印模板逐渐接近，通过光学显微镜观察压印基片与纳米压印模板上的对准标记，同时调整工作台在水平方向的位置和角度，直至所述的对准标记对准；最后继续调整工作台的高度，使压印基片和压印模板接触贴合。
[0014]所述的方法，所述微纳图像压印的方法包括热压印和紫外压印法。
[0015]所述的方法，热压印法的步骤包括:
a)将贴合的压印基片和压印模板加热到压印光刻胶的玻璃化温度以上，对压印模板施以机械压力，使该模板压入软化的压印光刻胶内，通过变温、变压过程，使压印光刻胶填充到压印模板的微纳图形结构间隙中；
b)降温至常温后撤销压力，并使压印基片和压印模板脱离；
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，紫外压印法包括:
a)将贴合的压印基片和压印模板加热到压印光刻胶的玻璃化温度以上，对压印模板施以机械压力，使该模板压入软化的压印光刻胶内，通过变温、变压过程，使压印光刻胶填充到压印模板的微纳图形结构间隙中，然后利用紫外光对压印光刻胶进行曝光固化；
b)降温至常温后撤销压力，并使压印基片和压印模板脱离；
所述的方法，采用紫外压印法时，压印模版采用能透过紫外线的材料。
[0016]所述的方法，得到包含微纳图形的压印基片后，利用反应离子束刻蚀法对压印基片表面进行去残胶处理，再利用干法或湿法刻蚀方法刻蚀出微纳图形。
[0017]一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法在包含光栅、光子晶体的集成光电子器件制作中的应用。
[0018]本发明的优点在于:采用结合纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法制作微纳图形，通过对纳米压印模版进行固定，并使其与压印基片图形精确对准，解决了纳米压印方法用于集成光电子器件制作中的对准问题，大大提高了纳米压印微纳图形的成品率。所述的对准微纳图形结构可以是光栅、光子晶体以及其它微纳结构，所述的微纳图形结构可以分布在基片上不同区域，通过本发明的制作方法可以进行不同区域图形的对准。本方法具有微纳图形分辨率高、成品率高、生产效率高、生产成本低等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图1是本发明的采用结合纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法制作微纳图形的原理图。
[0020]附图2实施实例的四段宽调谐数字级联光栅分布式布拉格反射(DCG-DBR)激光器结构原理图。
[0021]附图3是实施实例中数字级联光栅的结构示意图。
[0022]附图4是利用本发明的采用结合了纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法制作DCG-DBR激光器光栅结构的对准过程示意图。
[0023]附图5是纳米压印后，纳米压印模板光栅结构图形转移到压印光刻胶层上的示意图。
[0024]附图6是刻蚀后外延片上光栅结构纵截面示意图。
[0025]图中，1:模版固定及对准组件；2:模版固定夹具；3:上真空孔；4:真空槽；5:下真空孔；6:压印模版；7:压印基片；8:工作台；9:压印用光刻胶；10:n-1nP衬底；11:InGaAsP下波导层；12:InGaAsP/InP多量子阱层；13:InGaAsP/InP光栅；14:InGaAsP上波导层；15:P-1nGaAs欧姆接触层；16:P面电极；17:N面电极；18:对准标记；19:模板光栅图形；20:光栅图形；A:前光栅；B:有源区；C:相位区；D:后光栅。
【具体实施方式】
[0026]本发明采用结合了纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法，对纳米压印模版进行固定，并使纳米压印模版与压印基片图形区域能精确对准。
[0027]本发明包括如下步骤:
步骤1:用掩模对准机的模版固定夹具2固定模版固定及对准组件1，所述组件1上部的真空孔3位于所述模版固定夹具2的真空槽4处。开启真空后，真空吸力经过所述模版固定夹具2的真空槽4，由所述组件1中的真空孔3传递至所述组件1下表面中心的真空孔5处，模版6被真空吸力吸附于该位置，将纳米压印模板6固定在模板固定及对准组件1上。
[0028]步骤2:在压印基片上7旋涂一层压印用光刻胶9，并将压印基片7放置固定在工作台8上。
[0029]步骤3:调整所述工作台8的高度，使所述的压印基片7与所述的纳米压印模板6逐渐接近，通过光学显微镜观察所述的压印基片7与所述的纳米压印模板6上的两组对准标记，同时调整所述的工作台8在水平方向的位置和角度，直至所述的两组对准标记对准。调整所述的工作台8的高度，使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6接触贴合，然后关闭真空，并移动工作台8使工作台与所述的模板固定夹具2逐渐分离，取出贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6，完成对准过程。
[0030]所述的纳米压印方法包括热压印和紫外压印。
[0031]所述的热压印包括如下步骤:
步骤1:将所述的贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6加热到压印光刻胶9的玻璃化温度以上，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使模板压入软化的光刻胶内，通过一些变温、变压过程，经过一段时间，使压印光刻胶9填充到压印模板6的微纳图形结构间隙中。
[0032]步骤2:降温至常温后撤销压力，并使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6脱离。
[0033]步骤3:利用反应离子束刻蚀(RIE)对纳米压印基片7表面进行去残胶处理，然后利用压印出的压印光刻胶图形作为刻蚀掩膜，采用干法或者湿法刻蚀，得到所需的微纳图形结构。
[0034]所述的紫外压印包括如下步骤:
步骤1:将所述的贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6加热到一定温度，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使模板压入软化的光刻胶9内，通过一些变温、变压过程，使压印光刻胶填充到压印模板6的微纳图形结构间隙中，然后利用紫外光对光刻胶9进行曝光固化。
[0035]步骤2:撤销压力并降温至常温后，使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6脱离。
[0036]步骤3:利用反应离子束刻蚀(RIE)对纳米压印基片7表面进行去残胶处理，然后利用压印出的压印光刻胶图形作为刻蚀掩膜，采用干法或者湿法刻蚀，得到所需的微纳图形结构。
[0037]下面结合附图进一步详述本发明。
[0038]如图1所示，纳米压印软模版固定及对准组件中，模版固定及对准组件1通过模版固定夹具2夹紧。模版固定夹具2内设有真空槽4，真空槽4通过模版固定及对准组件1上的上真空孔3相连通。模版固定及对准组件1下表面设有下真空孔5，并与上真空孔3相通。开启真空后，压印模版6被真空吸力吸附于下真空孔5处。压印基片7位于工作台8上，压印基片7上还涂有一层压印用光刻胶9。
[0039]一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法，所述的集成光电子器件中微纳图形采用结合了纳米压印模版固定及对准组件1的纳米压印方法制作。纳米压印方法可以是热压印方法，也可以是紫外压印方法制作。
[0040]所述的结合纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法，包括如下步骤:
步骤1:用掩模对准机的模版固定夹具2固定模版固定对准组件1，所述组件1上部的
真空孔3位于所述模版固定夹具2的真空槽4处。开启真空后，真空吸力经过所述模版固定夹具2的真空槽4，由所述组件1中的真空孔3传递至所述组件1下表面中心的真空孔5处，纳米压印模版6被真空吸力吸附于该位置，将纳米压印模板6固定在模板固定及对准组件1上。[0041]步骤2:在压印基片上7旋涂一层压印用光刻胶9，并将压印基片7放置固定在工作台8上。
[0042]步骤3:调整所述工作台8的高度，使所述的压印基片7与所述的纳米压印模板6逐渐接近，通过光学显微镜观察所述的压印基片7与所述的纳米压印模板6上的两组对准标记，同时调整所述的工作台8在水平方向的位置和角度，直至所述的两组对准标记对准。调整所述的工作台8的高度，使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6接触贴合，然后关闭真空，并移动工作台8使工作台与所述的模板固定夹具2逐渐分离，取出贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6，完成对准过程。纳米压印模版固定及对准组件1需要采用透明固体材料，这样才能够通过光学显微镜看到所述的压印基片7和所述的纳米压印模板6上的对准标记。
[0043]所述的热压印方法包括如下步骤:
步骤1:将所述的贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6加热到压印光刻胶9的玻璃化温度以上，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使模板6压入软化的光刻胶9内，通过一些变温、变压过程，使压印光刻胶9填充到压印模板6的微纳图形结构间隙中。
[0044]步骤2:降温至常温后撤销压力，并使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6脱离。
[0045]步骤3:利用反应离子束刻蚀(RIE)去除残留的光刻胶，然后利用压印出的压印光亥謙图形作为刻蚀掩膜，采用干法或者湿法刻蚀，得到所需的微纳图形结构。
[0046]所述的紫外压印方法包括如下步骤:
步骤1:将所述的贴合的纳米压印基片7和纳米压印模板6加热到一定温度(较热压印法温度更低)，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使模板6压入软化的光刻胶9内，通过一些变温、变压过程，使压印光刻胶9填充到压印模板6的微纳图形结构间隙中，然后利用紫外光对光刻胶9进行曝光固化。此时，压印模板6为能透过紫外线的材料。
[0047]步骤2:撤销压力并降温至常温后，使所述的纳米压印基片7和所述的纳米压印模板6脱离。
[0048]步骤3:利用反应离子束刻蚀(RIE)去除残留的光刻胶，然后利用压印出的压印光亥謙图形作为刻蚀掩膜，采用干法或者湿法刻蚀，得到所需的微纳图形结构。
[0049]本发明制作的微纳图形可以是光栅、光子晶体和其他微纳图形结构，所述的微纳图形结构可以分布在基片上不同区域，通过发明的制作方法进行不同区域图形的对准。
[0050]下面给出利用结合了纳米压印模版固定及对准组件的纳米压印方法制作数字级联光栅分布式布拉格反射(DCG-DBR)激光器中数字级联光栅(DCG)的实施实例。
[0051 ] 下面对照附图，对实施实例进行说明。
[0052]在本实施实例中，DCG-DBR激光器结构图如附图2所示。
[0053]DCG-DBR激光器的基本结构与普通取样光栅分布式布拉格反射激光器的结构一样，从下到上依次主要包括:N面电极17，n-1nP衬底10，InGaAsP下波导层11，InGaAsP/InP多量子阱层12，InP/InGaAsP光栅13，InGaAsP上波导层14，P-1nGaAs欧姆接触层15，P面电极16。
[0054]DCG-DBR纵向为四个区域，前光栅A、有源区B、相位区C和后光栅D。前光栅和后光栅提供多通道平坦反射峰的梳状反射谱，通过游标卡尺原理实现波长调谐。增益区提供光增益，相位区用来微调纵模位置，调节波长。
[0055]附图3是数字级联光栅(DCG)的结构示意图。DCG由复数个采样光栅周期组成，采样周期4，一个采样周期由长度相等zg的几个光栅子段组成，这几个光栅子段均为周期不同的均匀光栅，光栅周期分别为κ，Λ2...ΛΝ，相邻光栅周期间隔为2?5nm，因此很难用普通的光刻方法来制作。本发明中，利用纳米压印的方法来制作DCG。首先通过电子束光刻方法、全息曝光或其他微纳图形制作方法制作好DCG纳米压印模板，再用制作好的压印模板去制作DCG，有着很高的精度。
[0056]请参照附图4，附图5和附图6，下面阐述本发明的方法制作DCG-DBR激光器内光栅结构的实施过程。
[0057]请参照附图4，下面阐述利用压印模版固定及对准组件实现纳米压印模板与对接生长外延片对准过程，包括如下步骤:
步骤1:制作准备好用于纳米压印的模板6，并且在对接生长好的外延片7上均匀旋涂一层纳米压印用光刻胶9。
[0058]步骤2:所述软模版固定及对准组件1固定于所述掩模对准机的模版固定夹具2上，将纳米压印模板6利用真空吸力吸附于所述平板下表面中心的真空孔5处，将所述的外延片7固定于工作台8上。
[0059]步骤3:调节工作台8的高度，使纳米压印模板6与外延片7逐渐接近，通过显微镜观察，调整工作台8水平位置和角度，使纳米压印模板6和外延片7上的对准标记18互相重合对准，然后调节工作台，使纳米压印模板6与外延片7贴合。释放真空吸力，取出贴合的纳米压印模板6与外延片7，完成对准过程。
[0060]步骤4:通过纳米压印方法将纳米压印模板6上的模板光栅图形19转移到光刻胶9上。所述的纳米压印方法可以是热压印方法，也可以是紫外压印方法。图形转移后的纳米压印光刻胶上9光栅图形20请参照附图5。
[0061]所述的热压印方法，包括如下步骤:
(1):将所述的贴合的纳米压印模板6和外延片7加热到压印光刻胶9的玻璃化温度以上，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使纳米压印模板6压入软化的光刻胶9内，通过一些变温、变压过程，经过一段时间，使压印光刻胶9填充到纳米压印模板6的模板光栅图形19结构间隙中。
[0062](2):降温至常温后撤销压力，并使所述的纳米压印模板6和所述的外延片7脱离。
[0063]所述的紫外压印方法，包括如下步骤:
(1)将所述的贴合的纳米压印模板6和外延片7加热到一定温度，对所述的纳米压印模板6施以机械压力，使模板压入软化的光刻胶9内，通过一些变温、变压过程，使压印光刻胶9填充到纳米压印模板6的模板光栅图形19结构间隙中，然后利用紫外光对压印光刻胶9进行曝光固化。
[0064](2):撤销压力并降温至常温后，使所述的纳米压印模板6和所述的外延片7脱离。
[0065]步骤5:利用反应离子束刻蚀(RIE)对外延片7表面进行去残胶处理，然后利用压印出的图形作为刻蚀掩膜，采用干法或者湿法刻蚀，得到所需的光栅13结构。
[0066]步骤6，在刻蚀后的外延片表面覆盖一层n-1nP就完成了数字级联光栅结构的制作过程。光栅结构示意图，请参照附图6。[0067]以上实施实例仅用于说明本发明的方法，而并非对本发明适用范围的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对实施内容做出各种变化，因而所等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法，其特征在于包括:首先制作压印模版，并对压印模版和压印基片进行固定；然后将压印模版与压印基片对准并贴合，将压印模版的微纳图形压印到压印基片的压印光刻胶上；最后将转移到压印光刻胶上的微纳图形作为刻蚀掩膜，刻蚀得到所需的集成光电子器件微纳图形结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对压印模版和压印基片固定的方法包括:首先用掩模对准机的模版固定夹具固定模版固定及对准组件，将模版固定及对准组件上部的真空孔设置在模版固定夹具的真空槽处；开启真空后，真空吸力经过模版固定夹具的真空槽，由模版固定及对准组件中的真空孔传递至该组件下表面中心的真空孔处，压印模版被真空吸力吸附于该组件下表面，即将纳米压印模板固定在模版固定及对准组件之上；最后在压印基片上旋涂一层压印光刻胶，并将压印基片放置固定在工作台上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将压印模版与压印基片对准并贴合的方法包括:在压印基片和压印模版上设置有对准标记，调整工作台的高度，使压印基片与纳米压印模板逐渐接近，通过光学显微镜观察压印基片与纳米压印模板上的对准标记，同时调整工作台在水平方向的位置和角度，直至所述的对准标记对准；最后继续调整工作台的高度，使压印基片和压印模板接触贴合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述微纳图像压印的方法包括热压印和紫外压印法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，热压印法的步骤包括:a)将贴合的压印基片和压印模板加热到压印光刻胶的玻璃化温度以上，对压印模板施以机械压力，使该模板压入软化的压印光刻胶内，通过变温、变压过程，使压印光刻胶填充到压印模板的微纳图形结构间隙中；b)降温至常温后撤销压力，并使压印基片和压印模板脱离。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，紫外压印法包括:a)将贴合的压印基片和压印模板加热到压印光刻胶的玻璃化温度以上，对压印模板施以机械压力，使该模板压入软化的压印光刻胶内，通过变温、变压过程，使压印光刻胶填充到压印模板的微纳图形结构间隙中，然后利用紫外光对压印光刻胶进行曝光固化；b)降温至常温后撤销压力，并使压印基片和压印模板脱离。
7.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于:采用紫外压印法时，压印模版采用能透过紫外线的材料。
8.根据权利要求1?6中任一项所述的方法，其特征在于:得到包含微纳图形的压印基片后，利用反应离子束刻蚀法对压印基片表面进行去残胶处理，再利用干法或湿法刻蚀方法刻蚀出微纳图形。
9.一种用于集成光电子器件的微纳图形的制作方法的应用，其特征在于:应用于在包含光栅、光子晶体的集成光电子器件制作中。
【文档编号】G03F7/00GK103631086SQ201210297193
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月21日 优先权日:2012年8月21日
【发明者】余永林, 赵家霖, 唐怡超, 赵航 申请人:华中科技大学