宋登元 王小平
摘要:論述了雷射全息光刻技術的基本原理、發展狀況和在製備衍射光柵及場發射平板顯示器等光電子器件方面的應用。
關鍵詞:雷射 全息光刻 光電子器件
1 引 言
光刻工藝是微電子技術的核心技術之一，是一種最精密的半導體晶片表面圖形加工技術。在常規的光刻工藝中，首先要設計出圖形複製用的掩模版，然後通過投影步進曝光機使覆蓋在半導體晶片上的光致抗蝕劑膜按掩模版的圖形曝光。
隨著半導體器件圖形尺寸的日益縮小，特別是有些電子器件需要有很大的面積(如平板顯示器)，這樣基於投影曝光的傳統光刻方法受到了象場尺寸和解析度的限制。由於投影曝光的象場尺寸很小(如1～2μm線寬的曝光象場尺寸小於50mm×50mm)，因而曝光圖形就必須在整個基片表面步進重複或掃描重複。這樣在大面積襯底上製備由微小圖形陣列構成的器件時，顯得效率很低。此外，投影曝光機價格昂貴以及高成本的掩模版製備過程和使用過程中掩模版的消耗，都使投影光刻的成本很高。
雷射全息光刻技術是一種基於相干光幹涉效應的無掩模版光刻技術。在這種技術中，使用多束雷射在晶片表面重迭發生幹涉效應從而產生各種由光亮區和暗區構成的幹涉圖形。圖形以重複周期排列，圖形的最小線寬可達波長的幾分之一。由於幹涉圖形能形成在任意表面，所以避免了常規光刻中晶面的平整度和表面形貌對光刻質量的影響。此外，系統中沒有掩模版和成象透鏡，象場尺寸僅與使用雷射束尺寸有關，所以能夠加工大面積圖形。
由於上述優點，雷射全息光刻技術在用於製備衍射光柵及微透鏡的基礎上，近來又在製備具有大面積重複結構圖形陣列的場發射平板顯示器方面表現出了廣闊的應用前景。本文介紹了雷射全息光刻技術的原理、發展及應用狀況。
2 雷射全息光刻製備衍射光柵
早在80年代中期，雷射全息光刻技術就被用於Ⅲ-Ⅴ族化合物光電子器件的製備中，其中研究最多的是用全息光刻直接形成分布反饋(DFB)半導體雷射器的光柵結構。在這種技術中，全息雷射光刻與光誘導溼法化學腐蝕相結合，能獲得比常規半導體光刻技術更精細的光柵結構，是一種簡單精細的光柵製備方法。圖1給出了這種全息光刻裝置的示意圖［1］。半導體樣品浸在腐蝕液中，當雷射束在半導體晶片表面形成光柵圖樣時，由於雷射光誘導液相腐蝕的作用［2］，在半導體表面形成光柵圖形，其周期為
式中λ是入射雷射波長；n是腐蝕液的折射率；θi為光束的入射角。改變相干雷射束的入射角，能製備各種尺寸的光柵結構，滿足DFB雷射器0.1～0.3μm周期光柵的要求。為能實時監測光刻過程，光刻裝置中增加了一個He-Ne雷射器(632.8nm)。這束雷射在形成的光柵結構上反射，能獲得腐蝕結構的信息。此外，Bjorkholm等人［3］也研究了直接用幹涉雷射束的反射來監測光柵腐蝕的過程。
圖1 全息光刻衍射光柵裝置
Tsukada等人［4］使用圖1所示裝置(用568和647nm的雷射，HF或H2SO4)，在n-GaAs和GaAlAs上製備了高質量的衍射光柵。Aoyagi［5］和Podlesnik［6］等人用Ar+雷射和I2(0.1%)+KI(10%)及H2O2∶H2SO4∶H2O的腐蝕液也在GaAs表面上實現了DFB雷射器光柵的製備。
3 雷射全息光刻在平板顯示器中的應用
90年代初，雷射全息光刻技術又在製備高清晰度的平板顯示器方面顯示出了良好的應用前景。用它來製備場發射平板顯示器(FED)就是一個例子。FED是在澱積有陰極材料的基板上製備106～108個排列整齊的微小電子發射極(圖2)，並連接成可進行行列尋址的矩陣電路，微電極發射電子使前基板上的磷光物質發光［7，8］。每個象素由幾千個微電極構成，對於一個12英寸的FED有300萬個象素。為提高顯示器的亮度，降低功耗及延長顯示器的壽命，要求微發射極的尺寸小於0.5μm，發展目標要達到0.2μm。由於FED的微發射極是在基板上光刻出圓孔陣列，然後在孔內澱積微電極構成的，所以在基板上光刻孔陣列是製備微發射的關鍵。由於常規的投影光刻技術不能同時兼有大的象場尺寸和高的解析度，因而具有較低的生產效率。雷射全息光刻技術具有大的曝光面積和高的解析度，在FED製備方面具有明顯的優點。美國LLNL實驗室首先在1995年用二束雷射全息光刻技術製成了場發射顯示器需要的孔和點陣列［9］，但這種光刻技術在商品化的過程中都遇到了很大的困難。最近美國全息光刻系統公司開發了HLS-1000全息光刻機，這種設備採用了四束雷射全息光刻技術。與二束雷射幹涉形成的圖形相比，它能一次完成在光致抗蝕劑膜上形成圓孔的曝光。而在二束雷射光刻系統，形成圓孔狀圖形不僅需要二次曝光，而且襯底還需要在曝光過程中旋轉。此外，四束雷射系統形成圖形的最小間距也比二束系統縮小了一半。表1列出了HLS-1000系統的主要技術參數［10］。
圖2 FED的結構
表1 HLS-1000全息光刻系統的主要技術參數
HLS-1000使用了458nm的Ar+雷射器，它比紫外光源能獲得更大的象場面積。此外，藍光比紫外光對操作人員眼和皮膚的損傷較小。為了在整個曝光區中獲得均勻的圖形尺寸，對雷射進行了濾波去掉光幹擾，使整個曝光區光束強度波動最小。系統的步進移動平臺能使象場分步重複在平板上曝光，生產顯示器的最大尺寸達30英寸。表2給出了HLS-1000全息光刻、常規投影光刻及電子束光刻製備FED特性的比較。
表2 FED製備中幾種光刻技術的比較
4 結 論
本文對雷射全息光刻技術的基本原理、發展狀況及其在光電子器件製備中的應用進行了綜述。儘管雷射全息光刻與常規的光刻技術相比存在著很多優點，但由於成象原理的限制，它適用於具有周期性圖形陣列器件的製備，如圖形是圓孔、錐形、臺面和光柵等。在目前情況下，雷射全息光刻技術作為一種很有特色的工藝將與其它光刻技術一起在光電子器件的製備中發揮更重要的作用。
參考文獻
［1］Ehrlich D J,Tsao J Y.Laser microfabrication.Academic press,INC Boston,1989:333
［2］宋登元.雷射誘導液相腐蝕及其應用.雷射與紅外，1991；21(5)：43
［3］Bjorkholm J E,Eichner L.Monitoring the growth of nonuniform gratings written holographically by Gaussian laser beams.J ApplPhys,1985;57:2402
［4］Tsukada N,Sugata S,Saitoh H et al.Grating formation on GaAs by one step laser photochemical etching.In Second European Conference on lntegrated Optics.Florence,ltaly,1984:125
［5］Aoyagi Y,Masuda S,Doi A et al.Makeless fabrication of high quality DFB laser gratings by laser induced chemical etching.JPN J Appl Phys,1985;24:L294
［6］Podlesnik D V,Gilgen H H,Sanchez A et al.Maskless,chemical etching of submicrometer gratings in single crystalline GaAs.Appl Phys Lett,1983;43:1083
［7］Holloway P H,Sebastion J,Trottier T et al.Production and control of vacuum in field emission flat panel displays.Solid State Technology,1995;38(8):47
［8］宋登元.基於半導體技術的平板顯示器及進展.半導體技術,1998;23(5):2
［9］Chinnock C.Interference lithography makes novel display elements.Laser Focus World,1995;31(9):24
［10］Nole J.Holographic lithography needs no mask.Laser Focus World,1997;33(5):209