光栅培训

一、激光器中光栅的作用
周期性结构及其特性
干涉 反射光 入射光
CD表面结构
周期性结构对波长具有选择性
一、激光器中光栅的作用
光栅结构及其特性
干涉
波导
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。
二、光栅制作技术
光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVD Regrowth
65.00
60.00
55.00
50.00
45.00
40.00
35.00 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
五、黄岛光栅制作进展
全息曝光关键工艺 3、光强分布对曝光的影响 光强I1，相位Φ1 干涉 光刻胶 晶圆 光强I2，相位Φ2
光刻胶 晶圆
光刻
刻蚀
MOCVD Regrowth
二、光栅制作技术
光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVD Regrowth
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 汞灯-紫外光 （UV）
波长名 紫外光（UV）e线 紫外光（UV）g线
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。
三、全息曝光系统光路
双光束系统与单光束系统对比 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。
5E17
5E17 5E17
10.257
20.514 19.737
温度过高 光栅层已融化
H2SO4： 3min DI： 10min
ห้องสมุดไป่ตู้温度合适 光栅层完好
39/8
InGaAsP光栅层
InP间隔层 InGaAsP保护层
衬底
衬底
ICP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 1、刻蚀阻挡层的选择
Wafer/SiO2/光刻胶
Wafer/光刻胶
实验条件：
Wafer ID G0267 G0268
激光器 曝光时间(s) 光刻胶 显影液 显影时间(s) 刻蚀阻挡层 功率(mW) 光刻胶 35 75 1:09 1:06 25 光刻胶/SiO2 35 75 1:09 1:06 25
二、光栅制作技术
电子束光刻技术 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。
光栅刻蚀关键工艺
五、黄岛光栅制作进展
光栅Regrowth关键工艺
Layer Thickness(nm) Tset Tture PH3 (sccm) CC (cm-3) GR(nm/min)
InP-1
InP-2 1.3Q
100
100 100
600
600->620 620
565
580
310/100
310/100 310/100
五、黄岛光栅制作进展
全息曝光关键工艺 3、光强分布对曝光的影响 坐标系统 调整旋转平台与光强分布的相对位置
光束方向
五、黄岛光栅制作进展
全息曝光关键工艺 3、光强分布对曝光的影响 移动wafer放置位置
光栅深度 底部残胶
50 40 30 20 10 0 15 10 5 0
测试位置
厚度/nm
五、黄岛光栅制作进展
束流
二、光栅制作技术
电子束光刻技术
可以提高SMSR良率
二、光栅制作技术
纳米压印技术 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。
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。
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
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
四、光栅测试技术
二、光栅制作技术
纳米压印技术
可以提高SMSR良率
二、光栅制作技术
全息曝光技术 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。
二、光栅制作技术
全息曝光技术
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；
DFB光栅制备
王虎/郭海侠/逯心红
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目 录
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
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一、激光器中光栅的作用
FP腔形成稳定激射的条件
正向 FP腔面 Z=0 FP腔面
反向
Z=L
一、激光器中光栅的作用
FP腔形成稳定激射的条件
波长（nm） 分辨率（um） 546 436 0.5
光学光刻
紫外光（UV）h线
紫外光（UV）i线
405
365
0.4
0.35
二、光栅制作技术
光栅制作：光刻、刻蚀、MOCVD Regrowth
粒子束直写：电子束光刻技术
光刻技术
纳米压印技术
光学曝光：全息曝光技术
二、光栅制作技术
电子束光刻技术 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。
四、光栅测试技术
原子力显微镜（AFM）
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
激光干涉方法
工作原理：
干涉条件：
四、光栅测试技术
激光干涉方法
五、黄岛光栅制作进展
光栅制作工艺流程 光栅结构外延 InP帽子层 InGaAsP光栅层 InP间隔层 InGaAsP保护层 衬底 涂胶 光刻胶 全息曝光 Partial grating模板 SiO2
左/中/右光栅深度 （nm） 29/33/36 1/1/1
AFM结果见下页
五、黄岛光栅制作进展
全息曝光关键工艺 1、刻蚀阻挡层的选择
左侧 中心 右侧
G0267
G0268
32
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。
二、光栅制作技术
纳米压印技术
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。
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。
五、黄岛光栅制作进展
光栅制作工艺流程 光栅底部残胶清理 光栅刻蚀
InP帽子层 InGaAsP光栅层 InP间隔层 InGaAsP保护层 衬底
去除光刻胶和SiO2
光栅再生长
五、黄岛光栅制作进展
全息曝光关键工艺 1、刻蚀阻挡层的选择
光刻胶 光刻胶 InP帽子层 SiO2 InP帽子层 InGaAsP光栅层 InP间隔层 InGaAsP保护层
扫描电子显微镜（SEM） 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。
四、光栅测试技术
扫描电子显微镜（SEM）
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