摘要：奈米光電子器件正在成為下一代光電子器件的核心。文章介紹了電子束光刻和電感耦合等離子體刻蝕為代表的微納加工技術在光電子學器件中的應用，主要包括量子點雷射器、 量子點thz探測器和光子晶體器件。
1引言
在過去的50多年中，微納加工技術的進步極大地促進了微電子技術和光電子技術的發展。微電子技術的發展以超大規模積體電路為代表，整合度以每18個月翻一番的速度提高，使得以90nm為最小電路尺寸的積體電路晶元已經開始批量生產.以光刻與刻蝕為基礎的平面為加工技術已經成為超大規模積體電路的技術核心，隨著電子束光刻技術和電感耦合等離子體(icp)刻蝕技術的出現，平面微納加工工藝正在推動以單電子器件與自旋電子器件為代表的新一代奈米電子學的發展.當微納加工技術應用到光電子領域，就形成了新興的奈米光電子技術，主要研究奈米結構中光與電子相互作用及其能量互換的技術.奈米光電子技術在過去的十多年裡，一方面，以低維結構材料生長和能帶工程為基礎的奈米製造技術有了長足的發展，包括分子束外延(mbe)、金屬有機化學氣相澱積(mocvd)和化學束外延(cbe)，使得在晶元表面外延生長方向(直方向)的外延層精度控制到單個原子層，從而獲得了具有量子尺寸效應的半導體材料;另一方面，平面奈米加工工藝實現了奈米尺度的光刻和橫向刻蝕，使得人工橫向量子限制的量子線與量子點的製作成為可能.同時，光子晶體概念的出現，使得奈米平面加工工藝廣泛地應用到光介質材料折射率週期性的改變中。
本文將重點闡述電子束光刻技術和icp刻蝕技術在新興的奈米光電子學器件中的應用，主要包括量子點雷射器、量子點thz探測器和光子晶體器件。
2 電子束光刻技術
電子束光刻技術是利用電子束在塗有電子抗蝕劑的晶元上直接描畫或投影影印圖形的技術[2].電子抗蝕劑是一種對電子敏感的高分子聚合物，經過電子束掃瞄過的電子抗蝕劑發生分子鏈重組，使**圖形部分的抗蝕劑發生化學性質改變。經過顯影和定影，獲得高解析度的抗蝕劑**圖形。電子束光刻技術的主要工藝過程為塗膠、前烘、電子束**、顯影和堅膜。現代的電子束光刻裝置已經能夠製作小於10nm的精細線條結構。電子束光刻裝置也是製作光學掩膜版的重要工具。
影響**精度的內部工藝因素主要取決於電子束斑尺寸、掃瞄步長、電子束流劑量和電子散射引起的鄰近效應。電子束的能量越高，束斑的直徑就越小，比如10kev的電子束斑直徑為4nm，20kev時就減小到2nm。電子束的掃瞄步長由束斑直徑所限制。步長過大，不能實現緊密地平面束掃瞄;步長過小，電子束掃瞄區域會受到過多的電子散射作用。電子束流劑量由電子束電流強度和駐留時間所決定。電子束流劑量過小，抗蝕劑不能完全感光;電子束流劑量過大，圖形邊緣的抗蝕劑會受到過多的電子散射作用。由於高能量的電子波長要比光波長短成百上千倍，因此限制解析度的不是電子的衍射，而是各種電子像散和電子在抗蝕劑中的散射。電子散射會使圖形邊緣內側的電子能量和劑量降低，產生內鄰近效應;同時散射的電子會使圖形邊緣外側的抗蝕劑感光，產生外鄰近效應。內鄰近效應使垂直的圖形拐角圓弧化，而外鄰近效應使相鄰的圖形邊緣趨近和模糊。
影響**精度的外部工藝因素包括電子抗蝕劑的厚度和顯影時間。電子抗蝕劑越薄，**圖形的解析度會越高，但掩蔽作用會降低。顯影時間越長，圖形邊緣越不清晰甚至擴充套件。此外環境溫度、電磁干擾、機械振動和電源不穩定都會影響**精度。
電子束光刻可以在計算機的控制下直接產生所要求的圖形。由於電子束偏轉場(即寫場)很小，通常為100—1000μm2，所以電子束**圖形是由寫場拼接而成，如圖1所示。電子束掃瞄完乙個寫場，雷射控制的工作台將下乙個相鄰區域按指令移動到電子束掃瞄範圍內。因此，寫場對準是決定圖形拼接精度的關鍵步驟。對於初次**的圖形，寫場對準實際上就是把電子束掃瞄的方向和順序定義為平行於由晶元邊沿所定義的工作台平面xy移動方向。對於圖形套刻來講，寫場對準就是將把電子束掃瞄的方向和順序定義為平行於由套刻標記所定義的工作台平面xy移動方向。現代的電子束光刻裝置的寫場拼接誤差已經達到30—60nm。**的圖形盡量放在同一寫場內。對於大於寫場的圖形，要避免圖形關鍵部位在寫場邊界。通常寫場越大，電子束偏轉就越大，電子散射就越強，**精度就越低。
圖1.電子束**過程中的寫場拼接
5 結束語
微納加工技術的發展，將促進奈米光電子器件向更深更廣的方向發展。微納加工的半導體奈米結構在光電子領域帶來許多新的量子物理效應，如量子點的庫侖阻塞效應和光子輔助隧穿效應，光子晶體的光子帶隙效應等。對這些新的奈米結構帶來的新現象的研究將為研製新原理基礎上的新器件打下基礎。
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