Plan. Wstęp EBL Litografia Nano-imprinitg Holografia Trawienie Pomiary Zastosowanie Podsumowanie. Szymon Lis Photonics Group. C-2 p.305. Plan.

Transkrypt

1 Politechnik Wrocławska wykładu 2D Kryształy Fotoniczne technologia i pomiary 1. 2D Kryształ fotoniczny 2. Technologia - elektronolitografia - holografia - nano-imprinting litografia miękka - trawienie suche RIE/ICP - trawienie janowe FIB 3. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki transmisyjne - odbiciowe Tematy prac dyplomowych 2D kryształ fotoniczny Główny podział Bazowa struktura światłowodu planarnego. λ 2a dla takich długości obserwujmy zjawisko optycznej przerwy wzbronionej λ= 1550 nm a = 775 nm usunięcie wzrost Struktura z wytworzonym dwuwymiarowym kryształem fotoniczny. Elektronolitografia W pierwszym kroku technologii należy zaprojektować i wytworzyć maskę, w tym celu możemy wykorzystać cztery metody: elektronolitografia szeregowa metoda zapisu wzoru wiązką elektronów przemiataną linia po linii, litografia DUV (ang. deepuv 248nm 193nm) tradycyjna litografia optyczna jednak wykorzystująca krótsze długość fali, nonoimprinting równoległa metoda odciskania ustrukturyzowanego stempla w odpowiednim rezyście, holografia równoległa metoda wykorzystująca interferencje światła do wytwarzania periodycznych struktur na dużych obszarach wysoka rozdzielczość ( < 100 nm) rezystypozytywowe i negatywowe (np. HSQ) małe pole zapisu praca szeregowa czasochłonność kosztowna aparatura 1

2 Pole zapisu Elektronolitografia University of St. Andrews, UK DUV DUV dobrze znany proces układy CMOS praca równoległa rozdzielczość zależy od użytej długość fali (300nm) potrzebna maska pośrednia problem z wzorami periodycznymi OAI Model 8000 Nano-imprinting Nano-imprinting równoległa metoda tania i prosta resztkowa warstwa jakość wzoru determinowana przez jakość stempla OAI Model

3 Roll-to-Roll nano-imprinting Roll-to-roll komercyjny przykład Jednorazowy stempel: (ang. disposable master) Wykonanie stempla z wykorzystaniem litografii holograficznej Wytworzenie niklowej repliki z oryginału metodami elektrochemicznymi Wykorzystanie techniki roll-toroll do transferu wzoru do folii PET Proces roll-to-roll umoŝliwia wytworzenie 100 metrów jednorazowych stempli Stemple tego rodzaju są giętkie i przezroczyste dla UV Zdjęcie jednorazowego stempla Roll-to-roll komercyjny przykład Roll-to-roll komercyjny przykład Nano wzór w masce pośredniej (450 nm period) Transfer wzoru ze stempla: Nawirowanie resystu UV + wstępne wygrzewania Imprinting z wykorzystaniem wałka nawet na 6 podłoŝach Spiekanie UV + usunięcie stempla Usunięcie warstwy pozostałej (trawienie w reaktywnym tlenie) Gdy warstwa pozostała <15 nm moŝna wykonać transfer metodami suchego trawienia 3

4 Θ Θ= 0º α Θ= 90º Θ= 60º Przykłady masek Przykład wzoru Maska 2D PhC naświetlona metodą holografii - zdjęcie próbki - obraz AFM Suche trawienie Suche trawienie selektywność trawienia - stosunek prędkości trawienia materiału warstwy docelowej do prędkość trawienia rezystu szybkość trawienia anizotropia pochyłość ścian W suchym trawieniu nie korzystamy z chemicznych roztworów tak jak w mokrym trawieniu, tylko w celu usuwania materiału z podłoża wykorzystywana jest plazma. Suche trawienie można podzielić na trzy typy, ze względu na wykorzystywane reakcje: 1. reakcja chemiczna między plazmą reaktywnego gazu, a podłożem powoduje usuwanie materiału z podłoża, 2. fizyczny proces rozpylania poprzez bombardowanie podłoża ciężkimi jonami (np. Ar), 3. kombinacji dwóch powyższych. W odróżnieniu od technologii elektroniki, w fotonice wymagane jest trawienie znacznie głębiej i zwiększą anizotropią. 4

5 RIE/ICP RIE/ICP Reactive Ion Etching(RIE) / Inductive CoupledPlasma (ICP) jest kombinacją procesu chemicznego, który zmniejsza energia wiązań miedzy atomami (jonami) materiału podłoża, a procesem fizycznym w którym ciężkie jony usuwają materiał poprzez bombardowanie obszarów o obniżonej energii wiązania. Fizyczny udział w trawieniu odbywa się poprzez bombardowanie podłoża Izotropowy generujący defekty mało selektywny Chemiczny udział w trawieniu wynika z reakcji jonów plazmy z podłożem anizotropowy selektywny szybki Institute of Nanostructure Technologies and Analytics, Kassel, Niemcy Focused Ion Beam FIB FIB National RenewableEnergy Laboratory, San Diego, USA W systemie używa się jonów Ga + do bombardowania podłoża, analogicznie jak w maszynach. Dodatkowo powstałe podczas bombardowania wtórne elektrony służą do generowania obrazu powierzchni. Skupiona wiązka jonów umożliwia wytwarzanie otworów o niewielkich rozmiarach w ściśle określonych miejscach. energia jonów kev średnica wiązki < 30 nm FWHM <30 nm@ 70keV wiązka o kształcie Gussowskim D. Freeman et al., Opt. Exp., 13, 3079 (2005) R(ω) I(ω) I(ω) D(ω) Standardowe parametry: Transmisja, T(w) Odbicie, R(w) Dyfrakcja, D(w) Absorpcja, A(w) Straty, L(w) = 1 T-R-D-A R(ω) L(ω) L(ω) Diagramy pasmowe: Prędkość grupowa Diagram pasmowe T(ω) Metody 1. Zewnętrzne źródło światła: - metody odbiciowe - sprzęganie z krawędzi 2. Zintegrowane źródła światła: - zintegrowanym źródłem światła - metody luminescencyjne 3. Zaawansowane techniki: - lokalne próbkowanie metodą SNOM - próbkowanie metodą SNOM w czasie 5

6 Sprzęganie do krawędzi Sprzęganie do krawędzi I I T R próbka R 1. Pomiar R i T w celu rejestracji optycznej przerwy energetycznej. 2. Analogia do pomiarów wielowarstw dielektrycznych. 3. Nietrywialnyjednoczesny pomiar transmisji i odbicia z wymaganą dokładnością. 4. Pomiar dla ściśle ustalonego kąta. Sprzęganie do krawędzi Obraz za mikroskopem Wyniki Metoda odbiciowe Pomiar: intensywność w funkcji kąta padania dla wybranej długości fali, intensywność w funkcji długość fali dla określonego kąta. Θ φ Odbite światło zawiera informacje o diagramach pasmowych i również o geometrii kryształu. 6

7 Metody z zintegrowanym źródłem SNOM sygnał wyjściowy nie wymaga układu sprzęgania światła z zewnątrz, umożliwia wprowadzenie światła dokładnie tam gdzie jest wymagane, typowe źródła to: studnie kwantowe, ale również materiały luminescencyjne domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich. Scanning Near-field Optical Microscope SNOM -wykorzystywany do badania rozkładu bliskiego pola radiacyjnego - rozdzielczość na poziomie nanometrów - wynik jakościowe nie ilościowy Światłowód Fotoniczny Dioda LED rdzeń KAIST Fiber Optics Laboratory, Daejeon, South Korea Daniel L. Barton and Arthur J. Fischer, Photonic crystals improve LED efficiency, 2006 Światłowody planarne Wnęki rezonansowe 7

8 Układy przetwarzania kwantowego Ujemny współczynnik załamania Układy sprzężonych rezonatorów połączonych światłowodami. Połączenie rezonatorów o dużym Q i małym V przy pomocy światłowodów fotonicznych. Luoet al. Superlensingwith Photonic crystals, PRB 68, (2003) Czapka niewidka Tematy prac dyplomowych 1. Projektowanie i wytwarzanie kryształów fotonicznych o ujemnym współczynniku załamania przy pomocy litografii holograficznej. 2. Projektowanie i pomiary kryształów fotonicznych o ujemnym współczynniku załamania. 3. Projekt lasera GaNzintegrowanego z mikro-wnęką bazującą na krysztale fotonicznym. 4. Projekt, wytworzenie i pomiary antyrefleksyjnych warstw dielektrycznych z kryształem fotonicznym. 5. Zintegrowane układu plazmoniki projektowanie, wytworzenie i pomiary. David Smith s group, Duke University Na wykładzie zostały przedstawione: metody wytwarzania 2D kryształów fotonicznych, Kryształ fotoniczny ma właściwości pułapkowania i kontroli światła. Rozmiary kryształu fotonicznego i przyrządów bazujących na tej strukturze są na tyle małe, że umożliwiają dalszą integracje układów scalonych. metody pomiarowe transmisyjne jak i odbiciowe, Dodatkowo KF charakteryzuje się unikalnymi właściwościami, co możliwa budowę układów optyki następnej generacji. przykładowe zastosowania kryształu fotonicznego komercyjne wraz z przyszłościowymi. Jednakże, jeszcze jest sporo do zrobienie: aby zwiększyć komercjalizacje wymagana jest tania i powtarzalna tania linia technologiczna, efektywne systemy sprzęgania i odprzęgania światła ze struktur, niezawodne narzędzia do projektowaniu układów optyki. 8