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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Elektronolitografia
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
oryginału metodami
elektrochemicznymi
•
Wykorzystanie techniki „roll-to-
roll” 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
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
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
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Przykłady masek
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Przykład wzoru
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Sprzęganie do krawędzi
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Obraz za mikroskopem
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Wyniki
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Wnęki rezonansowe
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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