创新光学光刻技术：位移泰伯光刻（DTL）如何推动下一代半导体激光器制造

由大型语言模型驱动的人工智能快速发展，带来了前所未有的计算需求。这一激增反过来给数据中心的光学通信模块等底层物理硬件带来了巨大压力。

在这些模块中，分布式反馈（DFB）和 垂直腔面发射（VCSEL）等半导体激光器是基本组件。这些激光器的耐用性和性能优势不仅限于数据通信，还涵盖了用于先进驾驶辅助系统、移动设备和分析应用的激光雷达系统。

这些高性能激光器的一个共同特点是采用高分辨率周期结构，使激光器能够实现稳定的单模工作、偏振控制、表面发射及其他相关功能。使用高分辨率周期结构让光束工程成为可能，从而进一步优化了这些光源，使其适用于众多应用场景。

这些高分辨率结构的采用，需要一种适合大批量生产的图案化解决方案——而制造商目前有多种选择。可以预见的是，每种选择都有其优缺点。例如，电子束（e-beam）光刻技术具有足够的分辨率和良好的良率。然而，该技术对于大面积批量生产而言速度过慢。投影光刻技术虽然已相当成熟，但在设备购买和维护方面往往成本过高。纳米压印光刻技术的吞吐量高于电子束光刻，但其质量易受缺陷影响，并且在良率、套刻精度和母版寿命有限方面面临挑战。同时，干涉光刻技术可提供可接受的分辨率，但受限于低吞吐量。此外，由于难以精确控制波前和间距，实现均匀的大面积图案化颇具挑战。

因此，一种具有成本效益、高通量且能稳健地制作高分辨率周期性结构的图案的解决方案，是半导体激光行业渴求的进步。

位移泰伯光刻（DTL）为当前的光刻技术提供了一种有前景的替代方案，为高分辨率图案的工业生产提供了一条经济途径。该方法具有独特的成像原理，能够实现有效的无限景深，景深值可达毫米级，在某些情况下甚至可达数毫米（图1）。

图 1. 位移泰伯光刻（DTL）提供了几乎无限的对焦深度，可达数毫米。上图为不同曝光间隙下的 300 纳米间距光栅显微图像。目标线宽为 150 纳米。

此外，DTL 拥有极大的单次曝光场——配合最常见的 6 英寸镜头使用时，最大可达 140×140 平方毫米。光掩膜——具有极佳的图案均匀性和音高准确度。其音高均匀性已被在整片晶圆中描述为个位数皮米范围。此外，光罩与晶圆之间没有复杂的物镜，加上非接触式曝光工艺，使 DTL 拥有和维护成本较低，尤其相比其高分辨率（可达 60 纳米，用于周期光栅打印）。

作为一种在半导体行业成熟且成熟的光学光刻方法，DTL 能够与行业标准材料（包括光掩膜和光刻胶）无缝衔接。

DTL在激光制造中的应用

DTL 的主要优势是其高吞吐量和成本效益高。该方法同时克服了阻碍电子束光刻的通量问题和投影光刻的成本限制。

此外，它还提供了纳米印记和干涉光刻难以保证的强大大面积图案化。随着激光行业向更大尺寸的晶圆（最高可达6英寸）过渡，这一优势变得更加明显。在某些情况下，甚至更远。

DTL 还具备高重复性，这对大批量生产至关重要。通常，激光器件定义在小范围内，范围从数十微米到数百微米。通过 DTL，可以通过额外的低分辨率光刻步骤来定义这些区域，从而轻松实现这一点。通过使用非接触光罩保证重复性。

此外，在众多不同集成光子材料平台不断发展的当下，DTL 兼容磷化铟、砷化镓、碳化硅、氮化镓、硅、玻璃及其他当前关注的基底材料。

VCSEL：提升性能

在将 DTL 能力与激光系统架构对齐方面，VCSEL 是一个瞩目且匹配的应用。这些激光器广泛应用于消费级激光雷达、光通信和人脸识别系统，并在许多其他应用中展示了其实用性。

为了进一步优化 VCSEL 性能，设计者可能会在先进的 VCSEL 器件中集成高分辨率光栅，用于偏振控制和/或光束工程，或作为激光腔内的高反射镜。在本例中，典型的制造流程是利用 DTL 在晶圆上绘制高分辨率光栅图案，随后进行第二次低分辨率曝光以定义单个激光单元边界。这导致了明显的格栅区域（见图 2）。

图 2. 一个典型的带有表面光栅 VCSEL 单元。高分辨率光栅间距为 280 纳米，采用双色调光刻（DTL）技术进行图案化，随后在低分辨率光刻步骤中清晰界定22微米的圆形边界。

该方法的成功有据可查，且支持的应用领域广泛。例如，采用 DTL 技术制造的垂直腔面发射激光器（VCSEL）已展现出30 dB的正交偏振抑制比（OPSR）。这一成果为精密计时应用场景和双倍数据速率偏振复用自由空间链路打开了大门。同时，另一项研究得出结论，可以采用双掩模曝光技术替代电子束光刻曝光技术来制作表面周期性光栅。这一成功促使亚洲主要VCSEL代工厂采用 DTL 技术生产6英寸晶圆，使其成为下一代光电子器件的关键技术。

增强光谱性能

DFB激光器以及分布式布拉格反射器（DBR）激光二极管是DTL的另一种核心应用。这些激光器架构依赖于DTL技术来制造具有极高间距精度的光栅——在整个曝光场内，间距精度小于10pm。这种精度对于这些激光源的光谱性能至关重要。除了无可匹敌的间距控制能力外，DTL还具有直接在晶圆表面进行图案化的优势，从而能够集成到复杂的器件架构中。DTL覆盖了从约120纳米到大于1微米的宽间距范围，使其适用于从可见光谱（蓝色）到红外光谱的激光。

许多DFB激光器的一个显著特点是引入了四分之一波长相移，以实现稳定的单模运行。传统上，这种相移是通过修改单个光栅周期来突然引入的。而DTL通过在多个光栅周期内实施逐步相移，提供了等效的解决方案，准确地实现了相同的总相移值。图3展示了相位分布的示意图。初步结果表明，这种方法达到了与传统设计相当的性能。

图3. 与DTL曝光兼容的渐变相移设计的相位轮廓（上）。总相移精确定义为π，使光栅线的相对位置发生反转。实验测量的采用DTL图案化并融入渐变相移设计的分布式反馈（DFB）激光器的单模抑制比（SMSR）（下）。在室温和高温下，SMSR值均超过器件目标值。

采用此方法制造的器件在室温下光栅间距约为203纳米时，平均单模抑制比为42.65分贝，在高温下为42.57分贝（图3）。随着相移设计的进一步迭代和优化以及后续工艺控制的加强，预计单模抑制比和良率将进一步提高。

下一代能源

光子晶体表面发射激光器（PCSELs）是一类新兴的半导体激光器，具有高功率和窄光束单模表面发射的特性。这些特性使这些激光器成为激光雷达、片上互联和其他领域的有前景的解决方案。与DFB激光器不同，PCSELs采用二维周期性阵列图案化，通常排列成方形或六边形晶格。晶格常数与发射波长成正比。

DTL 不仅可用于打印一维光栅，还能打印二维周期阵列，为该制造应用提供了大视场曝光和无限景深的绝佳组合（见图 4）。随着 PCSELs 朝向大批量生产和更大市场布局，DTL 为实现稳健且经济的制造提供了清晰的路径。

图 4. 使用 DTL 制作的二维周期性图案代表性显微镜图像。六边形晶格中的圆形孔（a）。 方格格子中的圆孔 （b）。 双孔方格（c）。

展望未来

通过克服传统方法的局限性，DTL实现了高分辨率、卓越的间距精度、大面积均匀性和经济成本的完美结合。其无限的焦深使得能够在复杂的晶圆表面进行图案化，并且其与标准制造工艺的兼容性确保了其能够无缝集成到当前的生产线中。

随着高性能激光器需求的持续增长，DTL 有望成为下一代半导体激光器生产的行业标准。

作者：Zhixin Wang，Kelsey Wooley，Harun Solak

文章来源：https://www.photonics.com/Articles/Innovative-Optical-Lithography-Advances/a71547