三维纳米结构的加工及其光学应用研究
发布时间：2024-02-13 17:21
三维纳米结构由于具有更高的集成度和优异的力学与物理性能,在过去十几年中引起了研究者们极大的兴趣。基于三维纳米结构的各种器件可以实现平面纳米器件无法获得的卓越功能,使得其在集成电路、纳机电系统、生物仿生、纳米光学等诸多领域中有着广泛应用。为了可控地获得三维纳米结构,国内外的研究者们开展了许多三维纳米加工技术研究并取得了系列成果。然而,这些三维纳米加工方法在高分辨、高深宽比、材料均一性和制备灵活性等方面仍然存在一定的挑战。本论文从三维纳米光学结构的制备需求出发,利用电子束曝光技术高分辨和良好加工灵活性的优势,开发新型三维纳米结构加工方法,并展示了所得三维纳米结构在光学领域中的应用。本论文的主要研究内容及成果如下:(1)开发出了一种可靠加工高分辨、高深宽比三维硅纳米结构的高保真图形转移技术,并展示了硅纳米管这一特殊结构的优异光学抗反特性。我们首先使用电子束曝光技术定义出高分辨的HSQ胶图形,再以HSQ胶图形结构作为硬掩模对其底部硅衬底进行反应离子刻蚀。我们对所采用的特殊低温混合气体刻蚀工艺进行了深入的机理分析,并系统研究了样品台基板功率源和刻蚀气体配比这两个关键刻蚀参数对刻蚀结果的影响。利用...
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 三维纳米结构的应用需求
1.1.1 集成电路
1.1.2 纳机电系统
1.1.3 仿生科技
1.1.4 纳米光学
1.2 三维纳米结构的加工方法
1.2.1 基于现有自上而下纳米加工技术的改进型方法
1.2.2 全新概念纳米加工方法
1.2.3 自上而下与自下而上相结合的加工方法
1.3 加工三维纳米结构面临的挑战
1.4 本文的研究内容
第2章 研究方法
2.1 电子束曝光
2.1.1 概述
2.1.2 电子束曝光系统
2.1.3 电子束抗蚀剂
2.2 电感耦合等离子体反应离子刻蚀
2.2.1 基本原理及优势
2.2.2 高深宽比结构的刻蚀
2.2.3 低温SF6/O2工艺
2.3 电子束蒸发
2.4 微区反射光谱测试
2.4.1 微区反射光谱测试系统
2.4.2 基本操作流程
2.4.3 实际反射光谱计算公式
2.5 单粒子暗场散射光谱测试
2.5.1 单粒子暗场散射光谱测试系统
2.5.2 基本操作流程
2.5.3 实际散射光谱计算公式
2.6 时域有限差分数值模拟
2.6.1 Yee氏网格划分体系
2.6.2 麦克斯韦方程组
2.6.3 麦克斯韦旋度方程的有限差分表示
第3章 高保真图形转移技术加工三维硅纳米结构
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 基本工艺流程
3.2.2 电子束曝光
3.2.3 低温电感耦合等离子体反应离子刻蚀
3.2.4 样品形貌表征及光学测量
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 极小尺寸电子束加工
3.3.2 低温ICP-RIE各参数及其优化
3.3.3 加工灵活性展示
3.3.4 刻蚀结果对深宽比的依赖性
3.3.5 高深宽比硅纳米管的抗反性能
3.4 本章总结
第4章 椭圆单晶硅纳米柱的偏振依赖散射行为研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 样品的制备
4.2.2 散射光谱的测量
4.2.3 FDTD模拟仿真
4.3 结果与讨论
4.3.1 样品制备结果
4.3.2 单个椭圆硅纳米柱的偏振依赖散射行为
4.3.3 FDTD模拟仿真
4.3.4 模式分析
4.4 本章小结
第5章 牺牲层工艺直接制备三维氧化硅纳米结构
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 加工概念
5.2.2 电子束曝光
5.2.3 PMMA层的去除释放
5.2.4 结构形貌表征
5.3 实验结果和讨论
5.3.1 不同释放工艺对比
5.3.2 干法释放工艺加工能力
5.3.3 工艺灵活性展示
5.3.4 悬空氧化硅结构机械稳定性展示
5.4 本章小结
第6章 基于悬空三维氧化硅纳米结构的比色传感器
6.1 引言
6.2 比色传感器的结构设计与实现
6.2.1 结构设计
6.2.2 样品制备及表征
6.2.3 FDTD模拟计算
6.3 结果与讨论
6.3.1 介电层SiOx的厚度对滤色器的影响
6.3.2 基于低阶反射峰的比色传感
6.3.3 基于高阶反射峰的比色传感
6.3.4 基于氧化硅实心柱的F-P腔结构在不同折射率环境下的光学响应
6.3.5 初步实验验证
6.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录 攻读学位期间所发表的学术论文
本文编号：3896979
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 三维纳米结构的应用需求
1.1.1 集成电路
1.1.2 纳机电系统
1.1.3 仿生科技
1.1.4 纳米光学
1.2 三维纳米结构的加工方法
1.2.1 基于现有自上而下纳米加工技术的改进型方法
1.2.2 全新概念纳米加工方法
1.2.3 自上而下与自下而上相结合的加工方法
1.3 加工三维纳米结构面临的挑战
1.4 本文的研究内容
第2章 研究方法
2.1 电子束曝光
2.1.1 概述
2.1.2 电子束曝光系统
2.1.3 电子束抗蚀剂
2.2 电感耦合等离子体反应离子刻蚀
2.2.1 基本原理及优势
2.2.2 高深宽比结构的刻蚀
2.2.3 低温SF6/O2工艺
2.3 电子束蒸发
2.4 微区反射光谱测试
2.4.1 微区反射光谱测试系统
2.4.2 基本操作流程
2.4.3 实际反射光谱计算公式
2.5 单粒子暗场散射光谱测试
2.5.1 单粒子暗场散射光谱测试系统
2.5.2 基本操作流程
2.5.3 实际散射光谱计算公式
2.6 时域有限差分数值模拟
2.6.1 Yee氏网格划分体系
2.6.2 麦克斯韦方程组
2.6.3 麦克斯韦旋度方程的有限差分表示
第3章 高保真图形转移技术加工三维硅纳米结构
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 基本工艺流程
3.2.2 电子束曝光
3.2.3 低温电感耦合等离子体反应离子刻蚀
3.2.4 样品形貌表征及光学测量
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 极小尺寸电子束加工
3.3.2 低温ICP-RIE各参数及其优化
3.3.3 加工灵活性展示
3.3.4 刻蚀结果对深宽比的依赖性
3.3.5 高深宽比硅纳米管的抗反性能
3.4 本章总结
第4章 椭圆单晶硅纳米柱的偏振依赖散射行为研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 样品的制备
4.2.2 散射光谱的测量
4.2.3 FDTD模拟仿真
4.3 结果与讨论
4.3.1 样品制备结果
4.3.2 单个椭圆硅纳米柱的偏振依赖散射行为
4.3.3 FDTD模拟仿真
4.3.4 模式分析
4.4 本章小结
第5章 牺牲层工艺直接制备三维氧化硅纳米结构
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 加工概念
5.2.2 电子束曝光
5.2.3 PMMA层的去除释放
5.2.4 结构形貌表征
5.3 实验结果和讨论
5.3.1 不同释放工艺对比
5.3.2 干法释放工艺加工能力
5.3.3 工艺灵活性展示
5.3.4 悬空氧化硅结构机械稳定性展示
5.4 本章小结
第6章 基于悬空三维氧化硅纳米结构的比色传感器
6.1 引言
6.2 比色传感器的结构设计与实现
6.2.1 结构设计
6.2.2 样品制备及表征
6.2.3 FDTD模拟计算
6.3 结果与讨论
6.3.1 介电层SiOx的厚度对滤色器的影响
6.3.2 基于低阶反射峰的比色传感
6.3.3 基于高阶反射峰的比色传感
6.3.4 基于氧化硅实心柱的F-P腔结构在不同折射率环境下的光学响应
6.3.5 初步实验验证
6.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录 攻读学位期间所发表的学术论文
本文编号：3896979
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