納米壓印技術(shù)制作光子晶體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、作為最有影響力的納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)之一,納米壓印技術(shù)因具有高分辨率、低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢,在國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)中被列為下一代32nm、22nm和16nm節(jié)點光刻技術(shù)的重要代表。自1995年華裔科學(xué)家周郁(Stephen Chou)教授在Appl.Phys.Lett.上首次提出納米壓印概念以后,引起了業(yè)界的廣泛重視和研究熱潮。國外半導(dǎo)體設(shè)備制造商、材料商以及工藝商紛紛開始涉足這一領(lǐng)域的研究工作,短短十多年來,已經(jīng)發(fā)展了熱壓

2、印、紫外壓印以及微接觸印刷等多種壓印形式。但是,和光學(xué)曝光技術(shù)不同,納米壓印技術(shù)是一種接觸式工藝,納米尺度下的材料性能、高精度壓印制程、脫膜、尺寸效應(yīng)等關(guān)鍵問題尚在研究之中,尤其是和現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的兼容性尚沒有妥善的解決方案。因此,納米壓印技術(shù)目前還處于實驗室研究水平,國際上只有少數(shù)半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)先企業(yè)在嘗試進行工業(yè)化試驗。
　　 本論文工作研究利用紫外納米壓印技術(shù)制作二維平面光子晶體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。深入研究了紫外納米壓印的

3、關(guān)鍵工藝過程。針對技術(shù)瓶頸,研究了大面積低成本納米壓印模板的制備技術(shù)、功能化光刻膠的制備技術(shù)以及模板表面抗粘連修飾技術(shù)。最后,以二維平面光子晶體提高半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)光抽取效率作為應(yīng)用方向,研究了平面光子晶體提高半導(dǎo)體照明器件光抽取效率的理論設(shè)計和工藝兼容實現(xiàn)。通過這些研究工作的開展,促進了我國對納米壓印技術(shù)核心知識產(chǎn)權(quán)的掌握,推動了納米壓印技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用步伐。論文內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　 首先,針對電子束光刻

4、技術(shù)直接加工納米壓印模板存在高成本、低效率的瓶頸問題,發(fā)明了一種利用濕法刻蝕工藝將凹模轉(zhuǎn)換為凸模的低成本、大面積紫外納米壓印模板的制作方法。利用該方法獲得了100 nm以下的光子晶體納米陣列結(jié)構(gòu)。通過對紫外納米壓印光刻膠AMONIL進行功能改性,制備了具有光致發(fā)光特性的氧化鋅量子點(ZnO QDs)復(fù)合的納米壓印光刻膠,該光刻膠增強了ZnO QDs的熒光特性,并且保持了良好的紫外納米壓印特性,拓展了納米壓印技術(shù)在LED等光電器件領(lǐng)域的應(yīng)

5、用。
　　 深入研究了紫外納米壓印過程中基底和模板的清洗、模板的表面修飾、光刻膠薄膜制備技術(shù)、高精度納米壓印制程控制技術(shù)以及圖形襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)等關(guān)鍵工藝。開發(fā)出了一套氣相法表面處理裝置,研究了碳氟氣相表面處理技術(shù)。修飾后的納米壓印模板對水的接觸角由修飾前的33°提高到113°,有效的降低了納米結(jié)構(gòu)模板的表面能,解決了納米壓印過程中脫模難的問題。最終利用紫外納米壓印技術(shù)實現(xiàn)了對二維平面光子晶體結(jié)構(gòu)的制造技術(shù),復(fù)型精度在10 nm以內(nèi)

6、。
　　 最后結(jié)合光子晶體在提高LED光抽取效率中的實際應(yīng)用,基于等效折射率理論和薄膜光學(xué)增透理論,設(shè)計了在氮化鎵基藍(lán)光LED外延片表面構(gòu)建光子晶體的厚膜結(jié)構(gòu),提出了一組實驗可行的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究了紫外納米壓印技術(shù)與LED半導(dǎo)體制作工藝有效集成的關(guān)鍵技術(shù),成功制備出了光子晶體LED器件。經(jīng)封裝后初步測試結(jié)果表明,有光子晶體結(jié)構(gòu)的比沒有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED器件在光通量、光效率以及光輻射功率等方面最高分別提高了22.3％、36

7、.65％、14.23％。實驗測試與理論設(shè)計方案比較結(jié)果表明,高占空比(2r/a)的平面光子晶體結(jié)構(gòu)有利于使局限在LED芯片內(nèi)的光能量向自由空間耦合,從而提高光波的輸出效率。同樣的占空比條件下,不同的周期和刻蝕深度對出光效率也有影響,周期越小,刻蝕深度要求越高。這一結(jié)論為后續(xù)進一步優(yōu)化理論設(shè)計方案,提高加工工藝具有指導(dǎo)意義。
　　 本論文的部分研究工作是和LED芯片制造商共同合作完成,器件制作部分完全通過工業(yè)流水線進行流片,封裝測