纳米科技导论-9-纳米技术应用集景之二-修改

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1、纳米光栅的压印制作工艺夏金松教授现为光电国家实验室光电子微纳制造工艺平台主任，其课题组以国内领先的微纳工艺平台为依托，开展硅基光电器件与集成的研究工作，同时具有整套的光电器件测试平台，具备完整的从材料到器件再到系统的研究平台。目前，微纳工艺平台拥有世界一流的电子束曝光设备EBL，电感耦合等离子体刻蚀机ICP等相关硅基器件加工设备，具备制作世界一流硅基器件的能力。夏金松老师，邮箱：jinsongxia@gmail.com，电话027-87793415图1衍射光栅的原理光栅的主要功能是利用衍射效应改变特定波长

2、的光的方向，如图1所示。以纳米光栅为代表的纳米尺度光子学的应用越来越广泛.衍射光栅在光互联中典型的应用是光纤到芯片的垂直耦合器，如图2所示:图2光纤到芯片耦合光栅光纤中发射的光信号方向垂直于波导芯片，利用光栅的衍射特性，光信号被耦合进入芯片上的波导，从而实现了垂直耦合的功能。光栅耦合器可以采用折射率相差很大的半导体材料如SOI制作，具有CMOS工艺兼容，单模体积小的特点，更加利于集成。在太阳能领域，光栅被用来进一步的提高光电转换效率，如图3所示。在薄膜太阳能电池中的光程过短是影响太阳能效率非常重要的一个原

3、因，垂直入射的光进入太阳能电池后在硅薄膜的底端被反射，从而离开光电池，光在电池中所经历的吸收光程非常的短。图3利用光栅衍射增强太阳能吸收效率的原理利用衍射光栅的特性，垂直于光电池入射的太阳光经光栅耦合，方向改变为几乎平行于硅薄膜层，这样光在薄膜太阳能电池中需要经历的吸收光程变的很长，这样光电池的吸收效率也将得到很大程度的提高。另外光栅结构使得太阳能两级之间的接触面积更大，减少了光生载流子移动到正负级所需的时间，从而降低了复合几率，也一定程度上提高了光电转换效率。一、光栅的压印工艺光栅本身的波长敏感特性，是

4、光栅器件的关键因素，使得其对制作工艺的要求非常高，因此对纳米光栅制作工艺的研究尤为重要。而半导体材料的折射率普遍很高（如），因此光栅的周期非常的小，仅有几百纳米左右，必须采用至少特征尺寸为100nm的制作工艺，主要制作方法有：干涉曝光：利用两束相干光束发生相干产生的周期性干涉条纹对光刻胶进行曝光，经过显影后得到光栅图案。这种方法的优点是成本较低，无需复杂的光路，较短的时间内就可以制作整个外延片上全部的光栅，产出快。但是该技术也有很多缺点，首先它只能制作周期性很强的图形，不能制作任意图形，因此制作相移光栅的

5、工艺非常复杂，而且相干曝光产生的条纹呈正弦形状，深度很浅。电子束曝光（E-Beam）：利用高能的电子束对光刻胶进行曝光，采用很细的电子束斑和很小的步距按照设计的图形在光刻胶上扫描曝光，显影后得到设计的图案。该技术的优点是可制作任意图形，图形分辨率非常高，最小可达几个纳米。缺点是需要用很细的电子束斑和很小的步距进行直写，曝光时间非常长，产出慢，系统复杂度高，购置和维护费用很高，因此更适合于小面积、少数样品的科研实验。极紫外光刻（EUV）：利用极紫外光对光刻胶进行曝光。首先在光刻胶和曝光光源的中间放置具有要曝

6、光图案的掩膜板，经调节对准后，经过显影将掩模板上的图案转移到光刻胶上去。该技术较短的时间就可以实现整片大面积、极小分辨率图形的复制，但是系统对光源和光路系统的要求都非常高，购置和维护费用非常高。因此，需要一种工艺技术，不仅能够满足100nm最小特征尺寸的要求，还必须具备低成本、高产出、能够制作相移的优点，而现有的工艺技术无法兼顾这些因素，而纳米压印是解决这一难题非常具有竞争力的技术之一。二、纳米压印的原理在1995年，现任于普林斯顿大学纳米中心主任的StephenChou提出了纳米压印技术，这是一种利用图

7、形压模，将模板上的图形压印到压印胶上制作微纳图形的技术。纳米压印技术分为热压印、紫外压印和微接触压印三种：热压印（hot-embossingimprint）是最先被Chou开发出来的纳米压印技术，也是使用最普遍的压印技术。其原理如图4所示：图4热压印原理首先将旋涂上半导体晶片的压印胶加热到高于其玻璃化温度，以增强其流动性，再将刻蚀有需要压印图形的模板放置到压印胶上，施加压力，压力迫使压印胶填充模版压印图形中的空腔。图形成型完成后，经过降温，使压印胶凝固，使其具有一定的机械强度，得到与压印模板相反的图形。压

8、印完成后，进行脱模。然后用O2等离子体刻蚀工艺去除残留的底胶，开出掩膜窗口，并根据需要进行后续的图形转移。可以采用刻蚀的办法将压印胶的图形转移到半导体晶片上，也可以先在胶掩膜上镀一层金属，然后采用剥离（lift-off）工艺，将有掩膜区域内的金属和压印胶一并剥去，只剩下没有掩膜部分的金属图形留在晶片上，实现图形的反转。由于热压印的原理较为简单，因此大部分公司如瑞典Obducat和美国Nanonex的压印设备都具有这一功能。热压