Методы технологии изготовления элементов нанооптики 235 Заключение Краткий словарь терминов

Вакуумное напыление, ионное легирование, ионный обмен, диффузия, золь-гель технологии, эпитаксия, литография, фотолитография, лазерная литография, рентгеновская литография, электроннолучевая и ионно-лучевая литографии, голографическая фотолитография

Основные технологические методы и процессы, применяемые для изготовления планарных и полосковых волноводов: вакуумное напыление, ионное легирование, ионный обмен, диффузия, золь-гель технологии, эпитаксия, фотолитография, лазерная запись.

Литография (lithography) - технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии или атомной силовой микроскопии.

Исторически литография - это способ перенесения на бумагу изображения или текста с плоской поверхности камня, на которой они предварительно были созданы. В настоящее время термин "литография" используется в широком смысле как техника переноса изображения.

Применительно к области нанотехнологий под литографией чаще всего понимают технологию микроэлектроники, включающую в себя набор нескольких этапов:

  • 1. Нанесение фоточувствительной полимерной пленки (фоторезиста) на кремневую пластину.
  • 2. Сушку и последующее облучение (экспонирование) пленочного покрытия пластины с определенным рисунком через соответствующую маску.
  • 3. Проявление (травление) экспонированного покрытия в специальном растворе.
  • 4. Формирование на подложке физической структуры элементов электронной схемы.

В последнее десятилетие термин “литография” используется в более широком значении - как метод формирования на поверхности подложки не только электронных схем, но и наноструктур (или рисунков с нанометровым разрешением) путем переноса их изображения с помощью маски, штампа или непосредственным воздействием на поверхность образца.

В зависимости от длины волны используемого излучения различают оптическую, ультрафиолетовую, рентгеновскую, электроннолучевую и ионно-лучевую литографию. Интерференционная голографическая литография может осуществляться с использованием светового, ультрафиолетового или синхротронного рентгеновского излучения.

Использование силовой туннельной микроскопии (СТМ) позволяет также реализовать ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и делает возможным создание литографических рисунков с нанометровым разрешением. При таком подходе зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима так, что на подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин). Альтернативой силового прижима зонда является подача на образец токового импульса (при этом область воздействия может расплавляться или частично испаряться). Такой способ литографии (наногравировки) обладает рядом преимуществ по сравнению электронно/ионно-лучевыми литографиями, в частности, нет необходимости в дополнительных технологических операциях (травление и прочее). Однако имеются и недостатки - при статическом воздействии зонда случайные торсионные изгибы кантиливера приводят к краевым неоднородностям рисунка, а операции сканирования (предшествующие и последующие нанолитографической операции) приводят к сдвиговым искажениям рисунка.

В случае динамической литографии с использование атомной силовой микроскопии (ACM) формирование углублений происходит с помощью колеблющегося зонда с использованием прерывистоконтактного метода сканирования. Такая литография может производиться с помощью векторного или растрового сканирования (первый способ по сравнению со вторым делает возможным высокую скорость процесса, но при этом не дает возможности варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии). Одной из важных разновидностей АСМ-литографии является анодно-окислительная литография, когда указанным методом можно менять не только геометрические характеристики поверхности, но и ее локальные электрофизические свойства (приложение электрического смещения к проводящему кантиливеру стимулирует протекание электрохимических процессов на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев). Зонд и поверхность образца выступают в таком процессе как катод и анод и в зависимости от прикладываемого электрического потенциала можно варьировать толщину выращиваемого анодного окисла.

Еще одним наиболее востребованным видом литографии на сегодняшний день является импринт-литография - она основана на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Нанорельеф "впечатывается" в полимер, покрывающий подложку, в условиях нагрева и высокого давления. Полимер с нанорельефом служит маской в последующих операциях (травление, имплантация и т. д.). С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а расстояние между элементами структуры - 20-30 нм. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для формирования различных слоев структуры. По сравнению с классической оптической и рентгеновской литографиями электронная литография обладает основным преимуществом, делающим ее наиболее эффективным методом создания топологии нанометровых размеров, а именно возможность получения ускоренных электронов с длиной волны 0,1 нм. Однако из-за рассеяния электронов в резистивной маске метод ограничен разрешением порядка 10 нм. Электронорезистом может являться полиметилметакрилат, растворимый в трихлорбензоле (при позитивном литографическом процессе), либо в хлорметилстиро- ле (при негативном литографическом процессе). Низкая производительность метода является также сдерживающим фактором его широкого внедрения в производство.

Технология наноимпринта использует твердые штампы для переноса изображения в полимерные резисты, созданные с помощью электронной литографии. Предельное разрешение в данном случае ограничивается 10-20 нм.

Процессы легирования, а также наращивания слоёв различных материалов призваны сформировать вертикальную физическую структуру ИС. Необходимые форма и размеры элементов и областей в каждом слое структуры обеспечиваются процессом фотолитографии. Упрощенная схема технологического процесса изготовления интегрально- оптического устройства включает: Выбор технологии изготовления волновода для интегральной оптики определяется материалами волновода и подложки, геометрией волновода и профилем показателя преломления сердцевины волновода.

Технологии литографии

В основе литографических процессов лежит травление или изменение физических и оптических свойств подложки через отверстия в сформированной на ее поверхности маске. В результате травления на подложке формируется рельефный рисунок, повторяющий рисунок маски. В литографии применяют процессы влажного (химического) травления в жидких средах и сухого травления в плазме.

Влажное химическое травление используется в литографии для создания волноводов на поверхности стекол и полупроводников. Процедура травления заключается в погружении подложек с масками из

Этапы процесса литографии

Рис. 3.4.1. Этапы процесса литографии

фоторезиста в травящий раствор (рис.3.4.1). Состав раствора, его температура и продолжительность травления зависят от материала подложки, типа фоторезиста, образующего маску и глубины травления. Для ускорения процесса травления используют травление в ультразвуковом поле. Форма и глубина вытравленных углублений зависит от площади отверстия в маске, материала подложки, состава травителя. При литографии должны использоваться растворы, которые воздействуют только на материал подложки и не повреждают маску.

После завершения процесса травления маску из фоторезиста удаляют путем растворения в ином растворителе. Подложку тщательно промывают, высушивают и проводят контроль качества травления.

Наиболее детально отработаны процессы травления кремния, так как он широко используется в микроэлектронике и интегральной оптике. Рассмотрим некоторые особенности химического травления кремния в процессе литографии.

Для травления кремния используют изотропные и анизотропные травители. Изотропные травители травят монокристаллических кремний во всех кристаллографических направлениях с одинаковой скоростью. Изотропные травители используют для вытравливания углублений простой формы и для химической полировки поверхности пластин кремния. Примером изотропного травителя является водный раствор состава HF:HN03: СН3СООН = 1:40:15. Скорость травления таким травителем при температуре 22.18 К примерно одинакова по всем кристаллографическим направлениям и равна 0,15 мкм/мин.

При анизотропном травлении форма углубления зависит от состава травителя и кристаллографической ориентации пластины кремния. Примером анизотропного травителя является водный раствор КОН. При температуре 353 К скорость травления кремния в кристаллографическом направлении <110> для такого травителя в 600 раз больше, чем скорость травления в направлении <111>. Использование анизотропных травителей позволяет создавать углубления сложной формы, что значительно расширяет возможности литографии. Некоторые простые формы углублений, полученных анизотропным травлением кремния, показаны на рис. 3.4.2.

Профили углублений в кремнии при анизотропном травлении

Рис. 3.4.2. Профили углублений в кремнии при анизотропном травлении

Необходимо отметить, что процессы травления идут не только в глубину подложки, но и в стороны. При этом по мере углубления области травления происходит ее расширение и подтравливание материала под маской (рис. 3.4.3). Проявление фоторезистов может производиться несколькими методами: деструкция полимера в серной кислоте, растворение в органических растворителях (дибутилфталат).

Подтравливание материала под маской

Рис. 3.4.3. Подтравливание материала под маской

Этот эффект необходимо учитывать при подготовке литографии. В то же время, он используется для создания сложных трехмерных конструкций литографическим способом.

Рентгеновская литография

При использовании стандартных методов фотолитографии может быть реализована точность изготовления элементов интегральнооптических устройств примерно 1 мкм. Точность ограничивается рядом факторов, в первую очередь, эффектами дифракции и интерференции излучения при экспонировании фоторезиста. На рис.3.4.4. показано распределение интенсивности излучения по углу микроизображения возникающее в результате дифракции. Интерференционные эффекты возникают в результате интерференции в тонких слоях подложки и фоторезиста и также приводят к размытию изображения. Влияние дифракционных и интерференционных эффектов при контактном экспонировании фоторезиста невозможно устранить полностью. Однако эти эффекты можно существенно уменьшить за счет уменьшения длины волны экспонирующего излучения.

Распределение интенсивности света при дифракции на краю микроизображения

Рис. 3.4.4. Распределение интенсивности света при дифракции на краю микроизображения

Для увеличения пространственного разрешения фотолитографии используются рентгеновская, электроннолучевая и ионнолучевая литографии.

В методе рентгеновской литографии для экспонирования фоторезиста используется низкоэнергетическое (Е = 1... 10 кэВ) рентгеновское излучение (диапазон длин волн 0,2...20 нм). В качестве источников излучения используются промышленные рентгеновские установки и источники синхротронного излучения с зеркальными оптическими системами, позволяющими сформировать пучок рентгеновского излучения требуемой геометрии. В рентгеновской литографии используют специальные рентгенорезисты. Позитивным рентгенорезистом является, например, сополимер метилметакрилата и метакрилата. Негативным рентгенорезистом — сополимер глицидилметакрилата и этилакри- лата. Фотошаблоны для рентгеновской литографии изготавливают из тонких пластин кремния или карбида кремния и покрывают тонким слоем золота.

Методы и технологии рентгеновской литографии позволяют создавать структуры с размерами элементов до 12 нм. Это позволило ввести технологические стандарты для рентгеновской литографии: «технология 65 нм» и «технология 32 нм». Интенсивно ведется разработка «технологии 22 нм» и «технологии 12 нм».

Электронно-лучевая и ионно-лучевая литографии

Разрешающая способность электронно- и ионно-лучевой литографии не имеет принципиальных ограничений и ограничивается только техническими возможностями технологических установок и практическими требованиями к размерам формируемых элементов. Это связано с малой длиной волны де-Бройля электронов и ионов.

Экспонирование электронорезистов и ионорезистов может проводиться тремя методами: перемещением сфокусированного пучка частиц по резисту; растровым сканированием пучка по резисту, накрытому маской; экспонирование резиста, накрытого маской, широким расфокусированным пучком. В качестве электронно- и ионорезистов используются тонкие слои полимеров: производные полиметилметакрилата (позитивные резисты) и сополимеры глицидилметакрилата (негативные резисты). Энергия электронов или ионов при экспонировании составляет 5...20 кэВ. Пространственное разрешение при электронно- и ионно-лучевой литографии может достигать 5... 10 нм.

Голографическая фотолитография

Принцип голографической фотолитографии заключается в формировании на поверхности фоторезиста голограммы. Интерференционная картина голограммы является тем изображением, которое экспонирует фоторезист. Для записи голограмм используют ультрафиолетовые лазеры. После экспозиции фоторезист обрабатывают стандартными методами, описанными выше. На рис. 3.4.5 показано использование голографической литографии для изготовления дифракционной решетки.

Формирование дифракционной решетки методом голографической фотолитографии

Рис. 3.4.5. Формирование дифракционной решетки методом голографической фотолитографии: а - экспонирование фоторезиста двумя пучками когерентного излучения; б - фоторезист после проявления и задубливания

Метод позволяет получать дифракционные решетки с пространственной частотой до 4000 лин/мм. Подобные решетки могут быть использованы в интегрально-оптических системах в качестве устройств ввода-вывода оптических сигналов, спектральных фильтров, демультиплексоров WDM и др. Достоинствами голографической фотолитографии являются простота технологии и высокая воспроизводимость. Голографические методы используются в фотолитографии при изготовлении фотошаблонов для мультипликации (размножения) изображений и повышения качества рисунка путем удаления пространственных шумов.

Метод лазерной записи волноводов в стекле

В последние годы начало развиваться новое технологическое направление - формирование волноводов в стеклах лазерным излучением. Данный метод основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых стекол под действием лазерного излучения. Для записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок, который движется вдоль подложки. Фокус пучка может находиться вблизи поверхности подложки, либо в глубине стекла. В зависимости от этого формируется либо внедренный волновод, либо погруженный в стекло. Для записи волноводов могут использоваться специальные фоточувствительные и фоторефрактивные стекла. Запись волновода может проводиться непрерывным или импульсно-периодическим излучением. При использовании фемто-секундных лазерных импульсов волновод может быть сформирован и в других типах стекол, например кварцевом, фторидном и германатном стеклах. Поперечные размеры волноводов могли варьироваться размером пятна в фокальной плоскости в пределах 7... 3 0 мкм.

Схема формирования волноводов в подложке

Рис. 3.4.6. Схема формирования волноводов в подложке: а — принцип лазерной записи волноводов в стекле; б — оптические волноводы, сформированные во фторидном стекле фемто-секундными лазерными импульсами

Достоинством данного метода является его технологическая простота и отсутствие трудоемких фотолитографических процессов. Необходимо отметить, что методом лазерной записи в стеклах могут быть сформированы не только оптические волноводы, но и дифракционные решетки, голограммы, микролинзы, амплитудные и фазовые транспаранты и другие оптические элементы.

Фотолитография - процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.

На рис. 3.4.7 приведена укрупнённая структурная схема процесса фотолитографии. Отдельные этапы на схеме включают в себя несколько операций. Ниже в качестве примера приведено описание основных операций при избирательном травлении оксида кремния (Si02), которое используется многократно и имеет целью создание окон под избирательное легирование, а также контактных окон.

Подготовка поверхности к нанесению фотослоя заключается в её обработке парами органического растворителя для растворения жировых плёнок, которые препятствуют последующему сцеплению фоторезиста с поверхностью. Отмывка сверхчистой (деионизованой) водой удаляет следы растворителя; а также микрочастицы, способные впоследствии образовать "проколы" в тонком (1 мкм) слое фоторезиста.

Укрупненная схема процесса фотолитографии

Рис. 3.4.7. Укрупненная схема процесса фотолитографии

При нанесении фотослоя используется раствор светочувствительного полимера в органическом растворителе (фоторезист). Для получения тонких слоёв фоторезиста на поверхности пластины его вязкость должна быть очень мала, что достигается высоким содержанием растворителя (80-2.15% по массе). В свою очередь, с уменьшением толщины фотослоя повышается разрешающая способность фотолитографического процесса. Однако, при толщинах менее 0,5 мкм плотность дефектов ("проколов") в фотослое резко возрастает, и защитные свойства фотомаски снижаются.

Нанесение фотослоя может быть выполнено одним из двух способов: центрифугированием или распылением аэрозоля. В случае использования центрифуги дозированное количество фоторезиста подаётся в центр пластины, прижатой вакуумом к вращающейся платформе (центрифуге). Жидкий фоторезист растекается от центра к периферии, а центробежные силы равномерно распределяют его по поверхности пластины, сбрасывая излишки в специальный кожух. Толщина нанесённой плёнки зависит от скорости вращения платформы, от вязкости фоторезиста. Скорость вращения центрифуги около 6000 об/мин, толщина фотослоя регулируются подбором соответствующей вязкости, т.е. содержанием растворителя. Для центрифугирования характерны следующие недостатки:

  • 1. Трудность получения относительно толстых (в несколько микрометров) и равномерных плёнок из-за плохой растекаемости вязкого фоторезиста.
  • 2. Напряжённое состояние нанесённой плёнки, что приводит на этапе проявления к релаксации участков фотомаски и изменению их размеров.
  • 3. Наличие краевого утолщения как следствие повышения вязкости в процессе выравнивания, что ухудшает контакт фотошаблона с фотослоем.
  • 4. Трудность организации одновременной обработки нескольких пластин.
Боковое подтравливание под фотомаску

Рис. 3.4.8. Боковое подтравливание под фотомаску: 1- пластина, 2 - фронт травления при нормальной скорости, 3 - фронт травления при повышенной скорости «перетравливание», 4 - фотомаска

При распылении аэрозоли фоторезист подаётся из форсунки на пластины, лежащие на столе, совершающем возвратно-поступательное движение. Необходимая толщина формируется постепенно. Отдельные мельчайшие частицы растекаются и, сливаясь, образуют сплошной слой. При следующем проходе частицы приходят на частично просохший слой, несколько растворяя его. Поэтому время обработки, которое зависит от вязкости, расхода и "факела" фоторезиста, от скорости движения стола и расстояния от форсунки до подложки, устанавливается экспериментально. При реверсировании стола крайние пластины получат большую дозу фоторезиста, чем центральные. Во избежание утолщения слоя на крайних пластинах форсунке также сообщается возвратно-поступательное вертикальное движение (синхронно с движением стола). При торможении стола в конце хода форсунка поднимается вверх и плотность потока частиц в плоскости пластин снижается.

Распыление аэрозоли лишено недостатков центрифугирования, допускает групповую обработку пластин, но предъявляет более жёсткие требования к чистоте (отсутствие пыли) окружающей атмосферы. На-

244

несение фоторезиста и последующая сушка фотослоя являются весьма ответственными операциями, в значительной степени определяющими процент выхода годных микросхем.

Пылевидные частицы из окружающего воздуха могут проникать в наносимый слой и создавать микродефекты. Нанесение фотослоя должно выполняться в условиях высокой обеспыленности в рабочих.

При сушке нанесённого слоя в слое могут сохраниться пузырьки растворителя, а при выходе на поверхность слоя они могут образовать микротрещины. Поэтому сушка выполняется с помощью источников инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а, следовательно, поглощение излучения с выделением тепла происходит на границе " пластина-фоторезист ". Следовательно, сушка протекает от нижних слоёв фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности температура сушки должна быть умеренной (100-120 °С). Перечисленные виды дефектов фотослоя (пылевидные частицы, микропузырьки и микротрещины) сохраняются в фотомаске и наследуются оксидной маской, создавая в ней микроотверстия. При использовании оксидной маски для избирательного легирования примесь будет проникать через них, образуя легированные микрообласти и, как следствие, токи утечки и пробои в р-п-переходах. Если оксидная маска представляет собой слой контактных окон, то металл, проникая в микроотверстия, может привести к паразитным связям между областями и коротким замыканиям.

Фотошаблон - стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем - покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Изготовление фотошаблонов. Фотошаблон представляет собой плоскопараллельную пластину из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных для света участков. Рисунок создается на основе пленочного покрытия и образует топологию одного из слоев интегрально-оптического устройства. Для одновременной обработки большого количества одинаковых устройств рисунок на фотошаблоне многократно повторяется. Кроме основного рисунка фотошаблон содержит также специальные метки и реперы для его точного совмещения с подложкой в процессе фотолитографии.

Эмульсионные фотошаблоны изготавливают, в основном, фотографическим способом. Пленочные фотошаблоны, в частности, фотошаблоны на основе металлической пленки, могут изготавливаться методом электронно-лучевой обработки.

Рассмотрим фотографический процесс изготовления фотошаблона наиболее распространенным трехступенчатым методом последовательного уменьшения.

Схема изготовления эталонного фотошаблона методом последовательного уменьшения

Рис. 3.4.9. Схема изготовления эталонного фотошаблона методом последовательного уменьшения. 1 - оригинал; 2 - объектив; 3 - промежуточный фотошаблон; 4 - объектив фотоповторителя; 5 - эталонный фотошаблон на координатном столе

Первый этап - изготовление оригинала фотошаблона. Оригинал изготавливается на большой (1500x1200 мм) пластине стекла, покрытой непрозрачной пленкой. Для создания рисунка часть пленки удаляется резцом координатографа, управляемого с помощью компьютера.

Второй этап - изготовление промежуточного оригинала или уменьшенной копии оригинала, выполненной на фотопластинах с высокой разрешающей способностью.

Третий этап - мультиплицирование, которое осуществляется на фотоповторителях. Фотошаблон, изготовленный на третьем этапе, называется эталонным.

В качестве оригинала фотошаблона часто используется непосредственно компьютерное изображение. В этом случае используется специальный компьютерный монохромный проектор, позволяющий создать изображение, соответствующее промежуточному фотошаблону, которое подается непосредственно на объектив фотоповторителя (рис. 3.4.10).

Схема изготовления фотошаблона с помощью компьютерного проектора

Рис. 3.4.10. Схема изготовления фотошаблона с помощью компьютерного проектора: 1 - компьютер; 2 - проектор; 3 - объектив фотоповторителя; 4 - эталонный фотошаблон на координатном столе

После изготовления эталонного фотошаблона проводится контроль качества его рисунка с выявлением и устранением дефектов. Контроль качества и устранение дефектов является чрезвычайно важной процедурой, так как при наличии дефектов на эталонном фотошаблоне появится брак во все партии изготавливаемых интегрально-оптических устройств. В зависимости от материала пленочного покрытия различают фотошаблоны на основе специальной фотографической эмульсии и на основе металлической пленки. Эталонный фотошаблон непосредственно не используется в процессе фотолитографии. С его помощью методом контактной фотографии изготавливаются рабочие фотошаблоны.

Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны более 300 нм), либо из кварцевого стекла (при X < 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.

К фотошаблонам для производства полупроводниковых структур предъявляется комплекс требований, к которым в первую очередь следует отнести следующие: оптическая плотность маскирующего материала должна быть не менее 2,0; толщина маскирующего материала - не более 100 нм; его отражательная способность не выше 15%; отклонение от плоскости от нескольких мкм до десятков мкм (для разных классов фотошаблонов); микродефектность порядка 0,1 см'2; краевая четкость рисунка не ниже 0,1 мкм для элементов изображения с размером менее 1 мкм.

Совмещение и экспонирование. Под совмещением перед экспонированием понимается точная ориентация фотошаблона

относительно пластины, при которой элементы очередного топологического слоя (на фотошаблоне) занимают положение относительно элементов предыдущего слоя (в пластине),

предписанное разработчиком топологии. Например, фотошаблон,

несущий рисунок эмиттерных областей должен быть точно ориентирован относительно пластины, в которой уже сформированы базовые области.

Проявление. Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов заключается в обработке фотослоя органическим

растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению, растворяются, а облучённые участки, где при поглощении ультрафиолетового излучения происходит разрыв межатомных связей и перестройка структуры (фотополимеризация), сохраняются. В позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению, происходит разрушение структуры (деструкция) с образованием кислоты. Для перевода её в растворимые слои применяют раствор неорганического соединения со щелочными свойствами (КОН, NaOH и др.).

После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120-480 °С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются её защитные свойства.

Травление. При травлении в жидких травителях используются водные растворы неорганических соединений (обычно кислот). Химический состав и концентрация травителя в растворе подбирается так, чтобы поверхностный слой растворялся активно, а нижележащий не растворялся. Наряду с явлением подтравливания под фотомаску, наблюдается и разброс величины подтравливания элементов одного слоя. К моменту окончания растворения слоя в "окне" фотомаски боковое травление оказывается примерно равным толщине слоя. В процессе травления имеют место отвод продуктов химической реакции от поверхности в раствор и подвод из раствора свежего травителя. Оба процесса протекают благодаря взаимодиффузии, скорость которой и определяет скорость травления. Поскольку технологическое время травления устанавливают по самому мелкому элементу, более крупные элементы получают "перетравливание", т.е. большие погрешности размера.

Изготовление волноводной структуры из кремния по технологии SOI (silicon on insulator)

Рассмотрим технологию изготовления интегрально-оптических устройств на примере простого интегрально-оптического устройства, состоящего из двух волноводов и волноводного кольцевого резонатора, расположенного между ними (рис.3.4.11).

Электронно-микроскопическое изображение волноводной структуры с кольцевым резонатором и её спектральные характеристики

Рис. 3.4.11. Электронно-микроскопическое изображение волноводной структуры с кольцевым резонатором и её спектральные характеристики

Структура изготовлена по технологии SOI (silicon on insulator) на подложке из монокристаллического кремния толщиной 200 мкм. Технология основана на создании на подложке слоя диэлектрика (обычно Si02) с низким показателем преломления. Поверх слоя наращивается тонкий слой монокристаллического кремния, формирующий волновод. В нашем случае толщина слоя Si02 равна 1 мкм, толщина слоя кремния - 0,22 мкм. Радиус кольца 4 мкм. Ширина волноводов 0,54 мкм.

Структура представляет собой узкополосный фильтр с шириной резонансной полосы 0,025 нм (используются в WDM волоконно- оптических линиях связи для демультиплексирования оптических сигналов).

Выводы:

  • Литография - технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно- лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии или атомной силовой микроскопии.
  • Электронная литография обладает основным преимуществом, делающим ее наиболее эффективным методом создания топологии нанометровых размеров.
  • Фотолитография - процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.
  • Фотошаблон - стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем - покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками.
  • Метод формирования волноводов в стеклах лазерным излучением основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых стекол под действием лазерного излучения. Для записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок, который движется вдоль подложки.

Вопросы для самоконтроля:

  • 1. Каковы основные методы изготовления интегральных схем оптического диапазона?
  • 2. В чем заключается метод литографии?
  • 3. Каковы разновидности методы литографии?
  • 4. Что такое фотолиторафия?
  • 5. Как производится формирование световодов лазерным излучением?
  • 6. Опишите этапы технологического процесса фотолитографии.

Краткий словарь терминов

Брэгговский волновод - волновод, сердцевина которого в продольном направлении имеет периодическую модуляцию показателя преломления.

Гетероструктура полупроводниковая (semiconductor heterostructure) - искусственная структура, изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль принадлежит переходному слою, т.е. границе раздела двух веществ (материалов).

Гофрированный волновод - диэлектрический волновод (световод) с периодической модуляцией показателя преломления в продольном направлении на границе волновода.

Голографические наноструктуры - искусственно созданные голограммы, которые обеспечивают нужное распределение интенсивности поля в ближней волновой зоне (например, многофокусные линзы).

Графен (graphene) - двумерная форма углерода, состоящая из монослоя его атомов, образующих гексагональную решётку.

Графан (graphane) - гидрированный графен.

Градиентные волноводы - волноводы с альфа-профилем показателя преломления.

Диффузные волноводы - волноводы, которые изготавливаются обычно диффузией примесей в подложку и отличаются плавным распределением показателя преломления по сечению. В этих волноводах нет чётко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой. Диффузия - процесс последовательного перемещения атомов примеси в материале, обусловленный тепловым движением.

Жидкие кристаллы (liquid crystals) - вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия) вещества, переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.

Ионный обмен - частный случай процесса диффузии: ионы некоторых примесей при диффузии в объем материала способны замещать ионы этого материала.

Ионная имплантация - это метод введения примеси, с помощью технологии ионной имплантации: ионы выбранной примеси в вакууме разгоняются в электрическом поле до высоких энергий (от десятков до тысяч килоэлектроновольт) направляются на подложку. В результате столкновений с атомами подложки они теряют энергию и внедряются в неё на определенной глубине.

Импринт-литография - литография, основанная на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии.

Интегральная оптика - область технологий современной оптики: изучающая процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных световодах.

Кварцевое стекло (плавленый кварц) - это однокомпонентное стекло из чистого диоксида кремния SiC>2.

Квантовая точка (quantum dot, nano-dot, КТ, QD, ND) - частица полупроводникового материала с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно размером 1-10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона ограничено во всех трёх измерениях. Квантовая проволока (quantum wire) - полупроводниковый материал нитеобразной формы, в котором потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, и за счет малых поперечных размеров (обычно 1-10 нм) движение электрона ограничено в двух измерениях. Квантовая яма (quantum well) - тонкий плоский слой полупроводникового материала (обычно толщиной 1-10 нм) внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона ограничено двумя измерениями.

Коллоидный кристалл (colloidal crystal) - пространственно упорядоченная система близких по размеру объектов субмикронного размера, свойства которого определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.

Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») - добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Литография (lithography) - технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т. д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока элек- тронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии или атомной силовой микроскопии.

Магнитооптика (magneto-optics) - раздел физики, в котором изучаются изменения оптических свойств сред под действием магнитного поля и обусловливающие эти изменения особенности взаимодействия оптического излучения (света) с помещенным в поле веществом. Метаматериал (metamaterial) - искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяется структурой компонентов, упорядоченных особым образом.

Монокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств.

Металлооптика раздел физики, изучающий взаимодействие металлов с электромагнитными волнами оптического диапазона. Наночастицы - частицы, размерами от 1 до 100 нанометров. Нанокристалл (nanocrystal) - кристалл, размеры которого по одному или нескольким измерениям лежат в нано диапазоне.

Наноплазмоника - раздел оптики, изучающий явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами с целью создания сложных оптических устройств. Наноэлектроника (nanoelectronics) - область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.

Нанотехнология (nanotechnology) - совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка нескольких нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Наночастицы, нанопорошки - объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Нанотрубки, нановолокна объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Наноплёнки - объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм.

Нанооптика - раздел оптики, в котором изучаются особенности взаимодействия излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами и нанотелами.

Нанофотоника - раздел нанооптики, в которой исследуются нанополя со считанным количеством фотонов и исследуются поведение света на нанометровой шкале.

Нановолокно (nanofiber) - объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~ 1-100 нм) и существенно меньше третьего.

Наностержень (nanorod) - наночастица, относящаяся к классу нанообъектов, у которой два размерных параметра (диаметр поперечного сечения) находятся в диапазоне 1-100 нм, а третий из параметров (длина) несколько больше.

Одномодовый световод - световод, в котором может распространяться только одна мода.

Оптические ситаллы (стеклокристаллические материалы) - неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке.

Оптический композит (optical composit media) - среда, состоящая из двух и более компонентов. Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся частицы материала с отличающимися от матрицы оптическими свойствами.

Оптическое стекло - это прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления оптических приборов.

Оптический пинцет (optical tweezers), оптическая ловушка (optical trap) - оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в фокус лазерного луча.

Плазмон (plasmon), плазмоны - волны электронной плотности возникают в твердых телах или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов. Плазмонный резонанс (plasmon resonance) - это возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной.

Плазмоника - класс устройств на основе плазмонов.

Пластиковое оптоволокно (ПОВ) - оптоволокно, сделанное из полимерных материалов.

Полупроводники - материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон- вольт (эв).

Планарный волновод - тонкий слой диэлектрика с высоким показателем преломления на подложке с низким показателем преломления. Полосковый волновод - волновод с прямоугольным поперечным сечением.

Самоорганизация (self-organization) - самопроизвольное образование упорядоченных пространственных или временных структур через нарастание флуктуаций в условиях непрерывных потоков энергии и вещества в сильно неравновесных открытых системах.

Самосборка (self-assembly) - процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру.

Сердцевина (ядро, core) оптоволокна - область волокна, в которой распространяется свет.

Синтетические кристаллы - это кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) - неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз.

Стекло - неорганическое структурно- аморфное, изотропное вещество, твёрдое тело.

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes) - протяжённые цилиндрические структуры полая цилиндрическая структура диаметром от 1 до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Углеродные наноматериалы (carbon nanomaterials) - собирательный термин, которым обозначают различные низкоразмерные структуры или наноструктурированные материалы, основой которых является углерод.

Фотолитография - процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.

Фотонная интегральная схема (photonic integrated circuit (PIC)) или оптическая интегральная схема (ОИС) (integrated optical circuit) - многокомпонентное фотонное устройство (монолитная или гибридная интегральная схема), изготовленное на подложке и выполняющее функции обработки оптических сигналов.

Фотонный кристалл (photonic crystal) - материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в 1, 2 или 3 пространственных направлениях в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Фотонно-кристаллическая гетероструктура (photonic crystal heterostructure) - структура, содержащая не менее двух фотонных кристаллов с различными фотонными запрещенными зонами, находящихся в оптическом контакте.

Фотонно-кристаллическое волокно (photonic crystal fiber) (ФКВ) - это оптическое волокно (ОВ), оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла.

Фотонно-кристаллические сверхпроводники фотонные кристаллы, в которых фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния благодаря коллективным явлениям.

Фотошаблон - стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем - покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками.

Фуллерены, бакиболы или букиболы - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Фуллериты - это конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов.

Эффект Зеемана - расщепление спектральных линий оптических переходов между уровнями (в атомах, молекулах) в магнитном поле. Эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации линейно- поляризованного монохроматического света, при прохождении через среду при продольном по полю подмагничивания распространении.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >