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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
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”
- 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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Pole zapisu
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Litografia DUV
OAI Model 8000
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
„Roll-to-Roll” nano-imprinting
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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” umoŜliwia
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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”
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)
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Holografia
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Przykłady masek
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Sprzęganie do krawędzi
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Sprzęganie do krawędzi
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Obraz za mikroskopem
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Wyniki
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
C-2 p.305
Światłowody planarne
Plan
Wstęp
EBL
Litografia
Nano-imprinitg
Holografia
Trawienie
Pomiary
Zastosowanie
Podsumowanie
Szymon Lis
Photonics Group
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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
szymon.lis@pwr.wroc.pl
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