光栅培训

DFB光栅制备王虎/郭海侠/逯心红1/8第一部分：激光器中光栅的作用第二部分：光栅制作技术第三部分：全息曝光系统光路第四部分：光栅测试技术第五部分：黄岛光栅制作进展目录2/8正向反向FP腔形成稳定激射的条件Z=0Z=LEfz=E0egm−amze−jβz(ejωt)Erz={E0ρrightegm−amzejβL}egm−am(L−z)e−jβ(L−z)E0=E0ρleftρrightegm−am2Le−j2βLFP腔面FP腔面（传播常数β=2π/λm）一、激光器中光栅的作用相位条件：e−j2βL=12L=Nλm通常材料的增益谱可以覆盖几个纳米的波长范围，因此相位条件2L=Nλm可以有多个波长满足条件稳定激射条件，也就是通常所说的多模。FP腔形成稳定激射的条件E0=E0ρleftρrightegm−am2Le−j2βL一、激光器中光栅的作用入射光𝜽𝒊𝜽𝒅CD表面结构反射光𝜽𝒊𝜽𝒅干涉周期性结构对波长具有选择性Λsinθi−sinθd=MλΛ周期性结构及其特性一、激光器中光栅的作用入射光𝜆𝑚1𝜽𝒊𝜽𝒅反射光𝜆𝑚2Λsinθiλm1+Λsinθdλm2=M干涉波导Λ光栅对特定波长的光进行反射，从而选择特定波长，实现分布反馈。引入光栅的DFB激光器将只有一个纵模。光栅结构及其特性一、激光器中光栅的作用二、光栅制作技术光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVDRegrowth晶圆光刻胶光刻刻蚀MOCVDRegrowth二、光栅制作技术光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVDRegrowth紫外光刻技术在光栅制作中的局限：光学光刻系统的分辨率受衍射效应的限制。衍射光投射光强度光刻版理想光强度图形曝光光源波长名波长（nm）分辨率（um）光学光刻汞灯-紫外光（UV）紫外光（UV）e线546紫外光（UV）g线4360.5紫外光（UV）h线4050.4紫外光（UV）i线3650.35光栅周期：Λ=𝜆2𝑛𝑒𝑓𝑓式中：𝜆=1310𝑛𝑚𝑛𝑒𝑓𝑓≈3因此：Λ≈200𝑛𝑚≪400𝑛𝑚二、光栅制作技术光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVDRegrowth粒子束直写：电子束光刻技术纳米压印技术光学曝光：全息曝光技术光刻技术工作原理：电子束光刻利用高能电子束对光刻胶进行曝光。场发射电子枪产生高能电子束，主机将需要制作的图形数据送往图形发生器，图形发生器接到指令后通过系统中的电磁透镜和偏转器控制电子束在衬底上逐步进行扫描。电子束光刻技术二、光栅制作技术特点：1、电子束不受衍射极限的限制，因此电子束光刻具有极高的加工精度，可以达到10纳米以下；2、直写式的加工方式让电子束光刻具有极大的自由度，可以制作任意形状的光栅；3、直写的加工方式需要将电子束斑在样品表面逐点扫描，这使得电子束制作图形速度很慢；4、系统复杂昂贵。束流电子束光刻技术二、光栅制作技术电子束光刻技术二、光栅制作技术可以提高SMSR良率工作原理：首先在衬底上匀上一层压印胶，然后将压印模板在一定温度和压力下压入压印胶中，经历一定时间压印胶完全填充好模板图形后，温度和压强降低到常态，压印胶也固化成与模板完全相反的图形。脱模后压印工艺就基本完成。剩下的就是将压印胶上的图形进一步转移到衬底上。纳米压印技术二、光栅制作技术特点：1、纳米压印的光刻分辨率完全可以排除光刻中光衍射、反射以及干涉等的限制，其分辨率和图形只由压印模板板决定，可以制作任意形状的光栅；2、纳米压印光刻不需要复杂的光学或电子光学系统，却可以像传统光刻一样的并行处理；3、纳米压印存在水平对准性的问题，带来图形均匀性的问题；4、在进行多次压印工艺之后，操作人员很难保证压印图形的一致性。纳米压印技术二、光栅制作技术纳米压印技术二、光栅制作技术可以提高SMSR良率工作原理：将一束激光分为两路，这两路激光由于有着完全相同的频率而具有相干性。两束相干光束同时入射到涂有光刻胶的衬底表面发生相干，利用相干条纹对衬底上的光刻胶进行曝光。Λ=λ02nsinθ全息曝光技术二、光栅制作技术特点：1、全息曝光光刻不需要复杂的光路系统，具有成本低的优点，且它是一种典型的并行处理工艺，可一次性在整个外延片上获得大面积的光栅；2、因为其工作原理的限制，所制得的大面积光栅都具有相同的周期，因而只能制作均匀光栅；3、由于曝光过程中不可避免的存在反射、散射现象，或微小的振动引起的光路扰动，最后制得的光栅图形往往不会很平直；4、全息曝光系统严重受周围环境的影响，工艺稳定性相对较差。全息曝光技术二、光栅制作技术双光束系统单光束系统1、可以独立调节两束相干光，可实现较大面积的均匀光栅；2、光学元件较多，调节过程繁复，稳定性相对较差。1、无法独立调节相干光，曝光均匀性相对较差；2、曝光面积较小；3、光学元件少，系统相对更加稳定。双光束系统与单光束系统对比三、全息曝光系统光路我们的全息曝光系统三、全息曝光系统光路我们的全息曝光系统三、全息曝光系统光路四、光栅测试技术光栅形貌测试：扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）光栅周期测试：激光干涉方法扫描电子显微镜（SEM）四、光栅测试技术工作原理：扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种电子信号。通过对电子信号的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。1、可观测大面积的光栅形貌2、测量分辨率较低，测量误差较大3、测量光栅周期受人为因素影响四、光栅测试技术扫描电子显微镜（SEM）四、光栅测试技术原子力显微镜（AFM）工作原理：AFM用微小探针摸索样品表面来获得信息。当针尖接近样品时，针尖受到力（原子间作用力-范德华力，斥力或者引力）的作用使悬臂发生偏转或振幅改变，悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像。1、可观测光栅的精细结构，计算占空比；2、测量分辨率较高，可获得光栅刻蚀深度；3、测量光栅周期受人为因素影响。四、光栅测试技术原子力显微镜（AFM）𝜽干涉条件：Λ2Λ𝑠𝑖𝑛𝜃=𝜆入射光𝜆反射光𝜆四、光栅测试技术激光干涉方法工作原理：四、光栅测试技术激光干涉方法衬底InGaAsP保护层InP间隔层InGaAsP光栅层InP帽子层SiO2光栅结构外延Partialgrating模板涂胶全息曝光光刻胶光栅制作工艺流程五、黄岛光栅制作进展衬底InGaAsP保护层InP间隔层InGaAsP光栅层InP帽子层光栅底部残胶清理光栅刻蚀去除光刻胶和SiO2光栅再生长光栅制作工艺流程五、黄岛光栅制作进展1、刻蚀阻挡层的选择衬底InGaAsP保护层InP间隔层InGaAsP光栅层InP帽子层光刻胶衬底InGaAsP保护层InP间隔层InGaAsP光栅层InP帽子层光刻胶SiO2ICP刻蚀光栅时会产生大量的有机物，影响刻蚀工艺复杂一些五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺Wafer/SiO2/光刻胶Wafer/光刻胶WaferID激光器功率(mW)曝光时间(s)光刻胶显影液显影时间(s)刻蚀阻挡层左/中/右光栅深度（nm）G026735751:091:0625光刻胶29/33/36G026835751:091:0625光刻胶/SiO21/1/1实验条件：AFM结果见下页1、刻蚀阻挡层的选择五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺32G0267G0268左侧右侧中心1、刻蚀阻挡层的选择五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺2、光刻胶厚度光栅层的尺寸在几十纳米，光刻胶太厚带来曝光误差。因此，全息曝光所使用的光刻胶不能太厚；全息曝光所产生的干涉条纹对比度比较微弱，这一因素也要求光刻胶不能太厚。35.0040.0045.0050.0055.0060.0065.0015002000250030003500400045005000550060006500五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺干涉加强处：两束光相位形同Φ1=Φ2，因此光强为I=I1+I2干涉相消处：两束光相位相反Φ1=-Φ2，因此光强为I=𝐼1−𝐼2理想情况下I1=I2，那么干涉相消处的暗条纹光强为0，这样产生的光栅深度最深，但在实际光路中，由于激光光束横模的不理想、光强分布不均匀、反射镜反射率低于100%等因素，干涉相消处很难实现0光强。光强I1，相位Φ1光刻胶晶圆干涉光强I2，相位Φ23、光强分布对曝光的影响五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺坐标系统调整旋转平台与光强分布的相对位置3、光强分布对曝光的影响五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺光束方向01020304050051015厚度/nm测试位置光栅深度底部残胶移动wafer放置位置3、光强分布对曝光的影响五、黄岛光栅制作进展全息曝光关键工艺五、黄岛光栅制作进展光栅刻蚀关键工艺五、黄岛光栅制作进展光栅Regrowth关键工艺H2SO4：3minDI：10min温度过高光栅层已融化温度合适光栅层完好LayerThickness(nm)TsetTturePH3(sccm)CC(cm-3)GR(nm/min)InP-1100600565310/1005E1710.257InP-2100600-620310/1005E1720.5141.3Q100620580310/1005E1719.73739/8