创新光学光刻技术突破：高分辨率半导体激光器制造再升级

在大语言模型的驱动下，人工智能技术正飞速发展，由此催生了前所未有的算力需求。而算力需求的激增，又对底层物理硬件 —— 例如数据中心的光通信模块 —— 带来了巨大压力。

在这类模块中，分布反馈式激光器（DFB 激光器）、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等半导体激光器是核心基础器件。这类激光器凭借其在耐用性与性能方面的双重优势，应用范围早已突破数据通信领域的局限，拓展至自动驾驶辅助系统激光雷达、移动终端、分析检测设备等诸多场景。

图｜相关论文（来源：iStock.com/kynny.）

这类高性能激光器的一个共同特征，是均采用了高分辨率周期性结构；该结构可使激光器实现稳定的单模运转、偏振控制、表面发射，以及其他诸多实用功能。此外，高分辨率周期性结构的应用还能支持光束整形，从而进一步优化这类光源，以适配更多元的应用场景。

要制备这类高分辨率结构，就必须有能满足大规模量产需求的图形化工艺方案—— 目前制造商拥有多种技术选择，但可想而知，每种技术各有优劣。例如，电子束光刻技术（EBL）具备超高分辨率与良好的成品率，但其加工速度过慢，无法满足大面积量产的需求；投影光刻技术虽发展成熟，却存在设备购置与维护成本过高的问题，往往令人望而却步；纳米压印光刻技术的吞吐量优于电子束光刻，但其成品质量易受缺陷影响，同时在成品率、套刻精度和模板使用寿命方面均面临挑战；而干涉光刻技术的分辨率虽能达标，却受制于较低的吞吐量，且由于难以实现对波前和光栅周期的精准控制，想要完成均匀的大面积图形化加工，难度极大。

因此，开发一种兼具成本效益、高吞吐量与稳定良率，且能制备高分辨率周期性结构的工艺方案，成为半导体激光器行业梦寐以求的技术突破方向。

错位塔尔博特光刻技术（DTL） 为现有光刻技术提供了一种极具潜力的替代方案，能以经济高效的路径实现高分辨率图形的工业化量产。该技术基于独特的成像原理，可实现近乎不受限的焦深 —— 其焦深可达毫米量级，部分工况下甚至能达到数毫米（见图 1）。

图1:错位塔尔博特光刻技术（DTL）可实现近乎不受限的焦深，数值可达数毫米。上图所示为不同曝光间隙下，光栅周期 300 纳米的光栅显微图像，目标线宽为 150 纳米。

图｜相关论文（来源：Eulitha AG）

此外，错位塔尔博特光刻技术（DTL）拥有超大的单次曝光面积 —— 搭配业内最常用的 6 英寸光掩模时，曝光面积可达 140×140 平方毫米 —— 同时兼具优异的图形均匀性与光栅周期精度。经测试，整片晶圆范围内的光栅周期均匀性误差可控制在个位数皮米量级。

不仅如此，由于光掩模与晶圆之间无需配置复杂的物镜，且采用非接触式曝光工艺，DTL 的购置与维护成本得以大幅降低；尤为值得一提的是，在实现低成本运维的同时，该技术还能实现高达 60 纳米（半周期）的高分辨率，可满足周期性光栅的制备需求。

作为一项已在半导体行业发展成熟、应用广泛的光学光刻技术，DTL 可与光掩模、光刻胶等各类行业标准材料无缝兼容。

面向激光器制造的错位塔尔博特光刻技术（DTL）

错位塔尔博特光刻技术（DTL）的核心优势在于高吞吐量与成本效益。该技术可同时攻克两大行业痛点：一是解决长期制约电子束光刻技术的吞吐量瓶颈，二是突破投影光刻技术的成本限制。

此外，DTL 能够实现稳定的大面积图形化加工，这正是纳米压印光刻与干涉光刻技术难以保障的性能。随着激光器行业朝着更大晶圆尺寸方向发展（部分场景下已拓展至 6 英寸及以上规格），这一技术优势的价值愈发凸显。

高重复性也是 DTL 的一大亮点，而这一特性正是大规模量产的关键要求。通常而言，激光器件的图形定义区域尺寸较小，仅有几十至几百微米。借助 DTL，只需增设一道低分辨率光刻工序来完成这类小区域的图形定义，即可轻松实现器件制备；同时，非接触式光掩模的采用，进一步确保了加工的重复性。

更重要的是，当前多种集成光子学材料平台正处于蓬勃发展阶段，DTL 可与磷化铟、砷化镓、碳化硅、氮化镓、硅、玻璃等各类主流衬底材料良好兼容。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）：性能跃升新路径

从技术适配性来看，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 DTL 极具潜力的应用场景。这类激光器广泛应用于消费级激光雷达、光通信、人脸识别系统等领域，同时在诸多其他场景中也展现出应用价值。

为进一步优化 VCSEL 性能，设计人员会在高端器件中引入高分辨率光栅结构，用于实现偏振控制、光束整形，或作为激光谐振腔的高反射镜。在这类器件的典型制备流程中，首先采用 DTL 在整片晶圆上完成高分辨率光栅的图形化加工，随后再通过第二次低分辨率曝光工艺，界定单个激光器单元的边界，最终形成轮廓清晰的光栅功能区域（见图 2）。

图2:一款典型的表面集成光栅结构垂直腔面发射激光器（VCSEL）单元：其光栅周期为 280 纳米的高分辨率光栅由错位塔尔博特光刻技术（DTL）完成图形化加工，而直径 22 微米的圆形单元边界，则在后续的低分辨率光刻工序中实现高精度界定。

图｜相关论文（来源：Eulitha AG）

该技术方案的成效已有充分详实的文献佐证，可支撑的应用场景也十分多元。例如，采用错位塔尔博特光刻技术（DTL）制备的垂直腔面发射激光器（VCSEL），已实现 30 分贝的正交偏振抑制比（OPSR）¹。这一技术突破为精密授时应用，以及速率翻倍的偏振复用自由空间光链路的落地开辟了道路 ¹。

与此同时，另有研究证实，DTL 曝光技术可取代电子束光刻技术，用于制备表面周期性光栅 ²。这一技术成果已推动亚洲多家头部 VCSEL 代工厂，将 DTL 工艺导入 6 英寸晶圆的量产环节，使其成为下一代光电器件制造的核心关键技术。

提升光谱性能

分布反馈式（DFB）激光器与分布布拉格反射式（DBR）激光二极管，是错位塔尔博特光刻技术（DTL）的另一类核心应用场景。这类激光器的结构设计，需依托DTL技术来制备光栅，且该技术能实现超高的光栅周期精度——曝光区域内的周期误差可控制在10皮米以内。这一精度水平，对激光器的光谱性能起着至关重要的作用。

除了拥有无可比拟的光栅周期控制能力外，DTL技术还具备**晶圆表面形貌直接图形化**的优势，能够适配复杂器件结构的集成需求。同时，DTL技术可覆盖的光栅周期范围极广，从约120纳米到1微米以上，这使其能满足从可见光（蓝光）到红外波段激光器的制备需求。

许多DFB激光器的一个显著特征，是引入**四分之一波长相移**以实现稳定的单模运转。传统工艺中，这种相移是通过修改单个光栅周期来实现的突变式相移。而DTL技术则提供了一种等效方案：通过在多个光栅周期上实现渐变式相移，精准达成相同的总相移量。图3为该相移分布的示意图。初步实验结果表明，这种方案能够实现与传统设计相当的器件性能。

图3: 图 3与DTL 曝光工艺兼容的渐变式相移设计的相移分布（上图）。其总相移量被精准设定为 π，使光栅条纹的相对位置发生反转。采用 DTL 光刻工艺并集成渐变式相移设计的分布反馈式（DFB）激光器，其实测单模抑制比（SMSR）数据如下（下图）。该器件在室温和高温条件下的单模抑制比数值，均超出目标指标要求。

图｜相关论文（来源：Eulitha AG）

对于光栅周期约 203 纳米的器件而言，采用该工艺制备的产品在室温下的平均单模抑制比可达 42.65 分贝，高温条件下则为 42.57 分贝（见图 3）。通过对相移设计方案及后续工艺控制进行进一步迭代优化，有望实现更高的单模抑制比与器件成品率。

新一代光源

光子晶体面发射激光器（PCSEL）是一类新兴的半导体激光器，可实现高功率输出，同时具备单模面发射与窄光束的特性 ³。这些优异性能使其成为激光雷达、片上通信等领域极具潜力的解决方案。与分布反馈式（DFB）激光器不同，光子晶体面发射激光器的图形化结构为二维周期阵列，这类阵列通常采用正方形或六边形晶格排布，晶格常数与发射波长呈正比关系。

错位塔尔博特光刻技术（DTL）不仅可用于制备一维光栅，还能加工二维周期阵列，其兼具的大视场曝光与近乎无限制的焦深两大优势，十分契合光子晶体面发射激光器的制造需求（见图 4）。随着光子晶体面发射激光器逐步迈向大规模量产并扩大市场份额，DTL 技术为其实现稳定且经济的产业化生产，指明了清晰可行的路径。

图4:采用 DTL 技术制备的二维周期结构代表性显微图像。

（a）六边形晶格排布的圆孔阵列

（b）正方形晶格排布的圆孔阵列

（c）双孔型正方形晶格阵列

图像（a）与（c）经参考文献 4 授权后改编。

图｜相关论文（来源：Eulitha AG）

未来展望

通过突破传统光刻技术的局限，错位塔尔博特光刻技术（DTL）实现了高分辨率、超高周期精度、大面积均匀性与经济成本的绝佳组合，这一优势是现有技术难以企及的。其近乎不受限的焦深，可支持在具有复杂表面形貌的晶圆上直接进行图形化加工；同时，该技术与标准制造工艺的良好兼容性，确保了它能无缝整合至现有生产线中。

随着市场对高性能激光器的需求持续攀升，DTL 技术已具备充分的竞争力，有望成为下一代半导体激光器量产的行业通用标准。

作者简介

Zhixin Wang现任Eulitha AG计算光刻团队负责人。他本科与硕士均毕业于北京大学，后于苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）获博士学位；电子邮箱：zhixin.wang@eulitha.com。

Kelsey Wooley担任Eulitha AG美国分公司负责人，同时主导全球应用拓展项目。她毕业于杨百翰大学，获化学工程专业学位，曾任职于英特尔、美光科技以及元宇宙平台公司（Meta）旗下的现实实验室；电子邮箱：kelsey.wooley@eulitha.com。

Harun Solak是Eulitha AG联合创始人兼首席执行官（CEO）。他于美国威斯康星大学获电子工程专业博士学位，在任职保罗・谢尔研究所研究员期间，参与搭建了全球首套极紫外干涉光刻系统；电子邮箱：harun.solak@eulitha.com。

参考文献

1. Y. Liu et al. (2018). OPSR enhancement of high-temperature operating shallow-surface grating VCSELs. Appl Opt, Vol. 57, No. 16, pp. 4486-4490.

2. Z. Shi et al. (2023). High throughput fabrication of surface gratings on VCSEL using displacement Talbot lithography. Proc SPIE, Vol. 12556, Beijing, China.

3. K. Hirose et al. (2014). Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers. Nat Photonics, Vol. 8, pp. 406-411.

4. S. Rietmann et al. (2025). Enhancing displacement Talbot lithography through inverse-designed curvilinear masks and multibeam mask writing. Proc SPIE, Vol. 13424, 134240G, San Jose, Calif.

资讯来源

photonics.com, December 2025