納米壓印技術制作光子晶體結構及其應用研究.pdf

1、作為最有影響力的納米結構加工技術之一,納米壓印技術因具有高分辨率、低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢,在國際半導體技術藍圖(ITRS)中被列為下一代32nm、22nm和16nm節(jié)點光刻技術的重要代表。自1995年華裔科學家周郁(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。國外半導體設備制造商、材料商以及工藝商紛紛開始涉足這一領域的研究工作,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,和光學曝光技術不同,納米壓印技術是一種接觸式工藝,納米尺度下的材料性能、高精度壓印制程、脫膜、尺寸效應等關鍵問題尚在研究之中,尤其是和現(xiàn)有半導體工藝的兼容性尚沒有妥善的解決方案。因此,納米壓印技術目前還處于實驗室研究水平,國際上只有少數(shù)半導體集成電路制造領先企業(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制作二維平面光子晶體結構及其應用。深入研究了紫外納米壓印的

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

4、技術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構。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在LED等光電器件領域的應

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、高精度納米壓印制程控制技術以及圖形襯底轉移技術等關鍵工藝。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。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構模板的表面能,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實現(xiàn)了對二維平面光子晶體結構的制造技術,復型精度在10 nm以內

6、。
　　 最后結合光子晶體在提高LED光抽取效率中的實際應用,基于等效折射率理論和薄膜光學增透理論,設計了在氮化鎵基藍光LED外延片表面構建光子晶體的厚膜結構,提出了一組實驗可行的光子晶體結構參數(shù)。研究了紫外納米壓印技術與LED半導體制作工藝有效集成的關鍵技術,成功制備出了光子晶體LED器件。經(jīng)封裝后初步測試結果表明,有光子晶體結構的比沒有光子晶體結構的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％。實驗測試與理論設計方案比較結果表明,高占空比(2r/a)的平面光子晶體結構有利于使局限在LED芯片內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。這一結論為后續(xù)進一步優(yōu)化理論設計方案,提高加工工藝具有指導意義。
　　 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