大高寬比納米光學(xué)元件制作工藝及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著納米科技的發(fā)展，我們已經(jīng)生活在納米熱的社會(huì)中。納米科技涉及領(lǐng)域眾多，包括納米材料、納米電子學(xué)、納米光學(xué)（納米光子學(xué)）、納米生物、納米機(jī)械及相關(guān)的納米加工技術(shù)等。納米光學(xué)是近些年研究的熱點(diǎn)，其包括物質(zhì)的納米級(jí)限制、輻射的納米級(jí)限制及納米加工技術(shù)和納米器件。納米加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)納米科技發(fā)展的重要手段。自X射線被發(fā)現(xiàn)后，由于X射線具有衍射小和穿透性強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，與X射線相關(guān)的技術(shù)成為人們研究的重要工具。20世紀(jì)70年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院He

2、nrySmith等開(kāi)發(fā)了X射線曝光技術(shù)，突破傳統(tǒng)光學(xué)曝光的分辨率極限。本文主要對(duì)利用X射線曝光技術(shù)制作大高寬比納米光學(xué)元件的工藝進(jìn)行研究，并利用X射線曝光技術(shù)制作了大高寬比聚合物光子晶體激光器?；赬射線曝光技術(shù)和國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室軟X射線光刻實(shí)驗(yàn)站，本文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　 1.基于等厚干涉原理的X射線曝光技術(shù)的間隙控制方法的提出及實(shí)驗(yàn)研究
　　 介紹了X射線曝光技術(shù)原理及組成部分：X射線曝光源、高精度

3、X射線掩模及X射線抗蝕劑?；趪?guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室光刻站，發(fā)展了一種基于基于等厚干涉原理的掩模與樣品之間間隙大小及均勻性的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)掩模與樣品的間隙控制。該方法主要分為兩步，其一是利用微納加工的方法實(shí)現(xiàn)在氮化硅薄膜均勻而且厚度較小的臺(tái)階的制作；然后利用等厚干涉原理來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積均勻間隙的調(diào)整。搭建了掩模與樣品之間裝夾后所產(chǎn)生的等厚干涉條紋的觀測(cè)光路，其不僅可以用來(lái)判斷掩模與樣品的裝夾好壞及它們之間的不平行度，而且可以應(yīng)用于曝光過(guò)程中熱應(yīng)

4、力導(dǎo)致變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該方法不僅有效的保護(hù)了掩模，提高了其壽命，降低了工藝成本，而且實(shí)現(xiàn)小且均勻的間隙控制，提高了X射線曝光中圖形復(fù)制精度。
　　 2.針對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)的干燥過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，提出了一種輔助干燥方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本部分的論文主要工作是對(duì)大高寬比納米結(jié)構(gòu)圖形的變形或坍塌進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。分析了大高寬比納米結(jié)構(gòu)在定影液干燥過(guò)程中發(fā)生變形或者坍塌的原因，及影響其變形量

5、大小或者坍塌的相關(guān)圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)?；谟邢拊治鲕浖嗀NSYS及經(jīng)典梁擺動(dòng)模型，計(jì)算了大高寬比納米結(jié)構(gòu)受表面張力作用下不同高寬比和占空比的變形量，給出了其臨界高寬比值。提出了一種輔助干燥方法，建立了物理模型，對(duì)其作了分析和理論推導(dǎo)，并利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了使用輔助干燥方法情況下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)圖形的變形量。通過(guò)對(duì)經(jīng)典梁擺動(dòng)模型和輔助干燥方法物理模型進(jìn)行了比較，使用輔助干燥方法可制作的高寬比是原來(lái)未使用該方法的2.6倍?；趯?duì)圖形結(jié)構(gòu)變

6、形或者坍塌的充分理論分析，還實(shí)施實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高寬比為16.7的150納米光柵的制作。實(shí)驗(yàn)有效的驗(yàn)證輔助干燥方法可行性，減小了圖形的變形量，提高了圖形的高寬比。此外，還對(duì)該方法進(jìn)行了拓展，分析了封閉結(jié)構(gòu)的變形，優(yōu)化了輔助干燥方法的輔助結(jié)構(gòu)，并利用有限元法計(jì)算了使用輔助干燥方法情況下封閉結(jié)構(gòu)的變形量。
　　 3.基于平面波展開(kāi)法，二維聚合物光子晶體激光器的設(shè)計(jì)。
　　 介紹了光子晶體的理論研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域。聚合物

7、光子晶體以其具有易于加工、激射波長(zhǎng)選擇范圍寬等特點(diǎn)備受研究者的關(guān)注。羅丹明6G是最為常用的熒光材料，研究了其發(fā)光特性，并對(duì)其熒光譜線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。但是由于聚合物光子晶體材料本身具有較小的折射率差，無(wú)法形成能帶，群速度異常是聚合物光子晶體器件工作的主要原理。此外，還介紹了光子晶體的理論研究方法及其應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)平面波展開(kāi)法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明?；谀軒Ю碚撝腥核俣确闯，F(xiàn)象和羅丹明6G的熒光特性，利用平面波展開(kāi)法計(jì)算了三角晶格、蜂窩晶格和正方晶

8、格二維光子晶體結(jié)構(gòu)能帶曲線?；谄矫娌ㄕ归_(kāi)法，研究了介質(zhì)填充率和有效折射率差對(duì)能帶及能帶走勢(shì)的影響作用。
　　 4.大高寬比二維聚合物納米光子晶體激光器的制作、初步測(cè)試及設(shè)計(jì)優(yōu)化
　　 首先提出了電子束曝光技術(shù)與X射線曝光技術(shù)相結(jié)合制作大高寬比二維聚合物納米光子晶體激光器。該方法利用電子束曝光技術(shù)具有高分辨率的特點(diǎn)和X射線曝光技術(shù)具有高效率及大高寬比等特點(diǎn)。介紹了電子束曝光工藝及電子束曝光工藝中的鄰近效應(yīng)和圖形拼接問(wèn)題，

9、并圖形鄰近效應(yīng)的校正技術(shù)。研究了在制作同步輻射X射線掩模時(shí)電子束曝光技術(shù)的鄰近效應(yīng)。
　　 利用電子束曝光技術(shù)和電鍍金工藝制作出周期為300nm，占空比為1:1的X射線光柵掩模及周期為800nm及填充率為0.25的光子晶體X射線掩模，并利用制作的光子晶體X射線曝光成果復(fù)制了不同晶格二維聚合物光子晶體結(jié)構(gòu)。在二維聚合物光予晶體激光器中，羅丹明6G是激光工作物質(zhì)，聚合物光子晶體結(jié)構(gòu)是諧振腔。羅丹明6G被激發(fā)后，其譜線會(huì)被光子晶體結(jié)構(gòu)