2D Kryształy Fotoniczne

technologia i pomiary

Photonics Group

Politechnik Wrocławska

technologia i pomiary

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

1.

2D Kryształ fotoniczny

2.

Technologia

- elektronolitografia

- holografia

- nano-imprinting „litografia miękka”

Plan wykładu

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

- nano-imprinting „litografia miękka”

- trawienie suche RIE/ICP

- trawienie janowe FIB

3.

Pomiary

- transmisyjne

- odbiciowe

4.

Zastosowanie

5.

Tematy prac dyplomowych

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

2D kryształ fotoniczny

Bazowa struktura światłowodu

planarnego.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Struktura z wytworzonym

dwuwymiarowym

kryształem fotoniczny.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Główny podział

λ ≅

2a dla takich długości

obserwujmy zjawisko optycznej

przerwy wzbronionej

λ

= 1550 nm ⇒ a = 775 nm

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

usunięcie

wzrost

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

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,

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Elektronolitografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

wysoka rozdzielczość ( < 100 nm )

rezysty pozytywowe i negatywowe
(np. HSQ)

małe pole zapisu

praca „szeregowa” – czasochłonność

kosztowna aparatura

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Pole zapisu

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Elektronolitografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

University of St. Andrews, UK

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Litografia DUV

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

dobrze znany proces – układy CMOS

praca równoległa

rozdzielczość zależy od użytej
długość fali (300nm)

potrzebna maska pośrednia

problem z wzorami periodycznymi

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Litografia DUV

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

OAI Model 8000

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Nano-imprinting

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

równoległa metoda

tania i prosta

„resztkowa” warstwa

jakość wzoru determinowana
przez jakość stempla

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Nano-imprinting

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

OAI Model 5000

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

„Roll-to-Roll” nano-imprinting

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Roll-to-roll – komercyjny przykład

•

Wykonanie stempla z
wykorzystaniem litografii
holograficznej

•

Wytworzenie niklowej repliki z
oryginału metodami

Jednorazowy stempel: (ang. disposable master)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Roll-to-roll – komercyjny przykład

Nano wzór w masce pośredniej (450 nm period)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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)

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Roll-to-roll – komercyjny przykład

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Holografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

wymagana długa droga koherencji wiązki lasera

dodatkowa metoda wprowadzania defektów

duże pole zapisu

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Holografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Kąt

α

okres

Moc lasera:

głębokość wzoru

współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor FF)

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Holografia

α

Θ

Θ

= 0

º

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

α

Θ

= 0

º

Θ

= 90

º

Θ

= 60

º

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Holografia

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Przykłady masek

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Przykład wzoru

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Maska 2D PhC naświetlona
metodą holografii

- zdjęcie próbki

- obraz AFM

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Suche trawienie

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

szybkość trawienia

anizotropia – pochyłość ścian

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

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:

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

RIE/ICP

Fizyczny udział w trawieniu

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

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

RIE/ICP

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Institute of Nanostructure Technologies and Analytics, Kassel, Niemcy

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

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

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

FIB

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Pomiary

I(

ω

)

T(

ω

)

I(

ω

)

R(

ω

)

L(

ω

)

D(

ω

)

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

I(

ω

)

R(

ω

)

L(

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Metody

1. Zewnętrzne źródło światła:

- metody odbiciowe
- sprzęganie z krawędzi

2. Zintegrowane źródła światła:

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

2. Zintegrowane źródła światła:

- zintegrowanym źródłem światła
- metody luminescencyjne

3. Zaawansowane techniki:

- lokalne próbkowanie metodą SNOM
- próbkowanie metodą SNOM w czasie

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Sprzęganie do krawędzi

I

T

I

R

próbka

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

R

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.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Sprzęganie do krawędzi

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Sprzęganie do krawędzi

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Obraz za mikroskopem

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Wyniki

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Metoda odbiciowe

Θ

φ

Pomiar:

intensywność w funkcji kąta padania
dla wybranej długości fali,

intensywność w funkcji długość fali dla
określonego kąta.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Odbite światło zawiera

informacje o diagramach

pasmowych i również o

geometrii kryształu.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Metody z zintegrowanym źródłem

sygnał wyjściowy

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

SNOM

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Światłowód Fotoniczny

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

rdzeń

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

KAIST Fiber Optics Laboratory,
Daejeon, South Korea

Dioda LED

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Światłowody planarne

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Wnęki rezonansowe

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Układy przetwarzania kwantowego

Układy sprzężonych rezonatorów połączonych

światłowodami.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

Połączenie rezonatorów o dużym Q i małym V przy

pomocy światłowodów fotonicznych.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Ujemny współczynnik załamania

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Czapka niewidka

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

David Smith’s group, Duke University

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Tematy prac dyplomowych

1. Projektowanie i wytwarzanie kryształów fotonicznych

o ujemnym współczynniku załamania przy pomocy
litografii holograficznej.

2. Projektowanie i pomiary kryształów fotonicznych o

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

Podsumowanie

Na wykładzie zostały przedstawione:

metody wytwarzania 2D kryształów fotonicznych,

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

metody wytwarzania 2D kryształów fotonicznych,

metody pomiarowe transmisyjne jak i odbiciowe,

przykładowe zastosowania kryształu fotonicznego
komercyjne wraz z przyszłościowymi.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie

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.

Plan

Wstęp

EBL

Litografia

Nano-imprinitg

Holografia

Trawienie

Szymon Lis

Photonics Group

[e-mail]

C-2 p.305

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.

Trawienie

Pomiary

Zastosowanie

Podsumowanie