3/10/2010

1

2D Kryształy Fotoniczne

technologia i pomiary

Photonics Group

Politechnik Wrocławska

Szymon Lis

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

http://www-old.wemif.pwr.wroc.pl/photonicsgroup/

http://slis-wemif.blogspot.com/

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

1.

2D Kryształ fotoniczny

2.

Technologia

- elektronolitografia

- holografia

- nano-imprinting „litografia miękka”

- trawienie suche RIE/ICP

- trawienie janowe FIB

3.

Pomiary

- transmisyjne

- odbiciowe

4.

Zastosowanie

5.

Tematy prac dyplomowych

Plan wykładu

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

2D kryształ fotoniczny

Bazowa struktura światłowodu

planarnego.

Struktura z wytworzonym

dwuwymiarowym

kryształem fotoniczny.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Główny podział

λ ≅

2a dla takich długości

obserwujmy zjawisko optycznej

przerwy wzbronionej

λ

= 1550 nm ⇒ a = 775 nm

usunięcie

wzrost

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Litografia

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. deep UV 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

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Elektronolitografia

wysoka rozdzielczość ( < 100 nm )

rezysty pozytywowe i negatywowe
(np. HSQ)

małe pole zapisu

praca „szeregowa” – czasochłonność

kosztowna aparatura

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

2

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Pole zapisu

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Elektronolitografia

University of St. Andrews, UK

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Litografia DUV

dobrze znany proces – układy CMOS

praca równoległa

rozdzielczość zależy od użytej
długość fali (300nm)

potrzebna maska pośrednia

problem z wzorami periodycznymi

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Litografia DUV

OAI Model 8000

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Nano-imprinting

równoległa metoda

tania i prosta

„resztkowa” warstwa

jakość wzoru determinowana
przez jakość stempla

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Nano-imprinting

OAI Model 5000

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

3

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

„Roll-to-Roll” nano-imprinting

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Roll-to-roll – komercyjny przykład

•

Wykonanie stempla z
wykorzystaniem litografii
holograficznej

•

Wytworzenie niklowej repliki z
oryginału metodami
elektrochemicznymi

•

Wykorzystanie techniki „roll-to-
roll” do transferu wzoru do folii
PET

•

Proces „roll-to-roll” umożliwia
wytworzenie 100 metrów
jednorazowych stempli

•

Stemple tego rodzaju są giętkie i
przezroczyste dla UV

Zdjęcie jednorazowego

stempla

Jednorazowy stempel: (ang. disposable master)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Roll-to-roll – komercyjny przykład

Transfer wzoru ze stempla:
•

Nawirowanie resystu UV + wstępne wygrzewania

•

Imprinting z wykorzystaniem „wałka” nawet na 6”
podłożach

•

Spiekanie UV + usunięcie stempla

•

Usunięcie warstwy pozostałej (trawienie w
reaktywnym tlenie)

•

Gdy warstwa pozostała <15 nm można wykonać
transfer metodami suchego trawienia

Nano wzór w masce pośredniej (450 nm period)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Roll-to-roll – komercyjny przykład

Roll-To-Roll OLED/OPV manufacturing tool (fabricated by von Ardenne
Anlagentechnik GmbH)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Holografia

wymagana długa droga koherencji wiązki lasera

dodatkowa metoda wprowadzania defektów

duże pole zapisu

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Holografia

Kąt

α

okres

Moc lasera:

głębokość wzoru

współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor FF)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

4

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Holografia

α

Θ

Θ

= 0

º

Θ

= 90

º

Θ

= 60

º

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Holografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Przykłady masek

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Przykład wzoru

Maska 2D PhC naświetlona
metodą holografii

- zdjęcie próbki

- obraz AFM

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Suche trawienie

selektywność trawienia - stosunek prędkości trawienia
materiału warstwy docelowej do prędkość trawienia
rezystu

szybkość trawienia

anizotropia – pochyłość ścian

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Suche trawienie

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.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

5

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

RIE/ICP

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

Reactive Ion Etching (RIE) / Inductive Coupled Plasma (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

.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

RIE/ICP

Institute of Nanostructure Technologies and Analytics, Kassel, Niemcy

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Focused Ion Beam FIB

W systemie używa się jonów Ga

+

do

bombardowania podłoża, analogicznie jak w
maszynach EBL. 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 10-50 keV

średnica wiązki < 30 nm

FWHM <30 nm @ 70keV

wiązka o kształcie Gussowskim

National Renewable Energy
Laboratory, San Diego, USA

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

FIB

D. Freeman et al., Opt. Exp., 13, 3079 (2005)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Pomiary

I(

ω

)

T(

ω

)

R(

ω

)

I(

ω

)

R(

ω

)

L(

ω

)

L(

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

Diagramy pasmowe:

•

Prędkość grupowa

•

Diagram pasmowe

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

6

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Sprzęganie do krawędzi

I

R

T

I

R

próbka

1. Pomiar R i T w celu rejestracji optycznej przerwy

energetycznej.

2. Analogia do pomiarów wielowarstw dielektrycznych.
3. Nietrywialny jednoczesny pomiar transmisji i odbicia z

wymaganą dokładnością.

4. Pomiar dla ściśle ustalonego kąta.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Sprzęganie do krawędzi

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Sprzęganie do krawędzi

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Obraz za mikroskopem

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Wyniki

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Metoda odbiciowe

Θ

φ

Pomiar:

intensywność w funkcji kąta padania
dla wybranej długości fali,

intensywność w funkcji długość fali dla
określonego kąta.

Odbite światło zawiera

informacje o diagramach

pasmowych i również o

geometrii kryształu.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

7

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Metody z zintegrowanym źródłem

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.

sygnał wyjściowy

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

SNOM

Scanning Near-field Optical Microscope SNOM
- wykorzystywany do badania rozkładu bliskiego
pola radiacyjnego
- rozdzielczość na poziomie nanometrów
- wynik jakościowe nie ilościowy

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Światłowód Fotoniczny

rdzeń

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

KAIST Fiber Optics Laboratory,
Daejeon, South Korea

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Dioda LED

Daniel L. Barton and Arthur J. Fischer, „Photonic crystals improve
LED efficiency” , 2006

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Światłowody planarne

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Wnęki rezonansowe

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

3/10/2010

8

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Układy przetwarzania kwantowego

Układy sprzężonych rezonatorów połączonych

światłowodami.

Połączenie rezonatorów o dużym Q i małym V przy

pomocy światłowodów fotonicznych.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Ujemny współczynnik załamania

Luo et al. „Superlensing with Photonic
crystals”, PRB 68, 045115 (2003)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Czapka niewidka

David Smith’s group, Duke University

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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 GaN zintegrowanego 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.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Podsumowanie

Na wykładzie zostały przedstawione:

metody wytwarzania 2D kryształów fotonicznych,

metody pomiarowe transmisyjne jak i odbiciowe,

przykładowe zastosowania kryształu fotonicznego
komercyjne wraz z przyszłościowymi.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Podsumowanie

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.

Dodatkowo KF charakteryzuje się unikalnymi właściwościami, co
możliwa budowę układów optyki następnej generacji.

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.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie