納米科技導論-9-納米技術應用集景之二-修改(已修改)
2025-05-12 05:59 本頁面
【正文】 納米光柵的壓印制作工藝 夏金松 教授現(xiàn)為光電國家實驗室光電子微納制造工藝平臺主任，其課題組以國內(nèi)領先的微納 工藝平臺為依托，開展硅基光電器件與集成的研究工作，同時具有整套的光電器件測試平臺 ，具備完整的從材料到器件再到系統(tǒng)的研究平臺。目前，微納工藝平臺擁有世界一流的電子 束曝光設備 EBL，電感耦合等離子體刻蝕機 ICP等相關硅基器件加工設備，具備制作世界一流 硅基器件的能力。 夏金松老師， 郵箱： ， 電話 02787793415 圖 1 衍射光柵的原理 光柵的主要功能是利用衍射效應改變特定波長的光的方向，如圖 1所示。 以 納米光柵 為代表的納米尺度光子學的應用越來越廣泛 . 衍射光柵在 光互聯(lián) 中典型的應用是光纖到 芯片的垂直耦合器，如圖 2所示 : 圖 2 光纖到芯片耦合光柵 光纖中發(fā)射的光信號方向垂直于波導芯片，利用光柵的衍射特性，光信號被耦合進入芯片上的波導，從而實現(xiàn)了垂直耦合的功能。光柵耦合器可以采用折射率相差很大的半導體材料如 SOI制作，具有 CMOS工藝兼容，單模體積小的特點，更加利于集成。 在太陽能領域，光柵被用來進一步的提高光電轉(zhuǎn)換效率，如圖 3所示。在薄膜太陽能電池中的光程過短是影響太陽能效率非常重要的一個原因，垂直入射的光進入太陽能電池后在硅薄膜的底端被反射，從而離開光電池，光在電池中所經(jīng)歷的吸收光程非常的短。 圖 3 利用光柵衍射增強太陽能吸收效率的原理 利用衍射光柵的特性，垂直于光電池入射的太陽光經(jīng)光柵耦合，方向改變?yōu)閹缀跗叫杏诠璞∧樱@樣光在薄膜太陽能電池中需要經(jīng)歷的吸收光程變的很長，這樣光電池的吸收效率也將得到很大程度的提高。另外光柵結(jié)構(gòu)使得太陽能兩級之間的接觸面積更大，減少了光生載流子移動到正負級所需的時間，從而降低了復合幾率，也一定程度上提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 一、光柵的壓印工藝 光柵本身的波長敏感特性，是光柵器件的關鍵因素，使得其對制作工藝的要求非常高，因此對納米光柵制作工藝的研究尤為重要。而半導體材料的折射率普遍很高（如 ），因此光柵的周期非常的小，僅有幾百納米左右，必須采用至少特征尺寸為 100nm的制作工藝，主要制作方法有： 干涉曝光 ：利用兩束相干光束發(fā)生相干產(chǎn)生的周期性干涉條紋對光刻膠進行曝光，經(jīng)過顯影后得到光柵圖案。這種方法的優(yōu)點是成本較低，無需復雜的光路，較短的時間內(nèi)就可以制作整個外延片上全部的光柵，產(chǎn)出快。但是該技術也有很多缺點，首先它只能制作周期性很強的圖形，不能制作任意圖形，因此制作相移光柵的工藝非常復雜，而且相干曝光產(chǎn)生的條紋呈正弦形狀，深度很淺。 電子束曝光（ EBeam） ：利用高能的電子束對光刻膠進行曝光，采用很細的電子束斑和很小的步距按照設計的圖形在光刻膠上掃描曝光，顯影后得到設計的圖案。該技術的優(yōu)點是可制作任意圖形，圖形分辨率非常高，最小可達幾個納米。缺點是需要用很細的電子束斑和很小的步距進行直寫，曝光時間非常長，產(chǎn)出慢，系統(tǒng)復雜度高，購置和維護費用很高，因此更適合于小面積、少數(shù)樣品的科研實驗。 極紫外光刻（ EUV） ：利用極紫外光對光刻膠進行曝光。首先在光刻膠和曝光光源的中間放置具有要曝光圖案的掩膜板，經(jīng)調(diào)節(jié)對準后，經(jīng)過顯影將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上去。該技術較短的時間就可以實現(xiàn)整片大面積、極小分辨率圖形的復制，但是系統(tǒng)對光源和光路系統(tǒng)的要求都非常高，購置和維護費用非常高。 因此，需要一種工藝技術，不僅能夠滿足100nm最小特征尺寸的要求，還必須具備低成本、高產(chǎn)出、能夠制作相移的優(yōu)點，而現(xiàn)有的工藝技術無法兼顧這些因素，而 納米壓印 是解決這一難題非常具有競爭力的技術之一。 二、納米壓印的原理 在 1995年，現(xiàn)任于普林斯頓大學納米中心主任的 Stephen Chou提出了納米壓印技術，這是一種利用圖形壓模，將模板上的圖形壓印到壓印膠上制作微納圖形的技術。納米壓印技術分為 熱壓印 、紫外壓印 和 微接觸壓印 三種： 熱壓印 （ hotembossing imprint）是最先被 Chou開發(fā)出來的納米壓印技術，也是使用最普遍的壓印技術。其原理如圖 4所示： 圖 4 熱壓印原理 首先將旋涂上半導體晶片的壓印膠加熱到高于其玻璃化溫度，以增強其流動性，再將刻蝕有需要壓印圖形的模板放置到壓印膠上，施加壓力，壓力迫使壓印膠填充模版壓印圖形中的空腔。圖形成型完成后，經(jīng)過降溫，使壓印膠凝固，使其具有一定的機械強度，得到與壓印模板相反的圖形。壓印完成后，進行脫模。然后用 O2等離子體刻蝕工藝去除殘留的底膠，開出掩膜窗口，并根據(jù)需要進行后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移。可以采用刻蝕的辦法將壓印膠的圖形轉(zhuǎn)移到半導體晶片上，也可以先在膠掩膜上鍍一層金屬，然后采用剝離（ liftoff）工藝，將有掩膜區(qū)域內(nèi)的金屬和壓印膠一并剝?nèi)?，只剩下沒有掩膜部分的金屬圖形留在晶片上，實現(xiàn)圖形的反轉(zhuǎn)。由于熱壓印的原理較為簡單，因此大部分公司如瑞典 Obducat和美國 Nanonex的壓印設備都具有這一功能。 熱壓印的一種新型的改進技術是 激光輔助納米壓印技術 ，如圖 5所示：可以將被壓印的半導體晶片用激光脈沖熔化，然后用模版直接把圖形壓印到半導體晶片上，之后關閉激光脈沖，待半導體晶
教學課件相關推薦
鄂ICP備17016276號-1