双光束激光干涉纳米光刻设备研发

发布时间：2020-03-31 18:17

【摘要】：纳米光刻装备是纳米技术产业化中的重大共性关键设备,其能满足光子晶体和低维量子材料的科研需要,也能满足发光二极管图形衬底和太阳能电池表面粗糙化图形从微米到纳米尺度的产业化需要。但由于光刻能力和工艺成本的限制,一直缺乏低成本制备尺寸形状高度均匀的大面积周期性纳米图形结构的有效纳米光刻手段。而激光干涉光刻技术具有大面积、高分辨、低成本等优点,十分适合于高均匀周期性性纳米图形结构的制备。本文主要研究内容是发展一种激光干涉纳米光刻设备,预期目标是以较低成本,制备大面积、高分辨的纳米周期光栅或者纳米周期点阵。本文主要分为五个部分。第一部分是绪论,介绍多种光刻技术,包括传统紫外光刻技术、投影式曝光技术、极紫外光刻技术、电子束光刻技术、聚焦离子束光刻技术、纳米压印技术、激光干涉光刻技术。比较和分析这些可用于加工纳米周期图形的微纳加工技术,发现激光干涉技术具有高效率、低成本、制备大面积纳米图形的优势。第二章是激光干涉系统的理论说明。基于光的干涉理论,建立双光束激光干涉曝光系统的数学物理模型,并利用模拟软件模拟光刻区域的光强分布。第三章是搭建双光束激光干涉系统的实验部分。采用理论与实验验证结合的方法,在尽量不增加系统复杂性的条件下,选择光刻图形畸变更小的的双光束激光干涉系统光路,选择合适系统组成元件,搭建双光束激光干涉光刻系统。第四章是制备周期纳米图形的实验部分。实验内容为使用搭建的双光束激光干涉曝光系统光刻涂覆有旋涂正性光刻胶的硅片(2-4英寸),在特定的正胶显影液中显影,结合多种表征方法分析光刻图形质量。第五章是结论与展望。本论文的研究内容与实验成果是:1.在中国科学院科研项目装备研制项目的支持下,自主搭建了一套双光束激光干涉光刻设备。在激光干涉光刻系统搭建过程中,通过整体减震设计,光刻系统实现了较强的抵抗外界复杂震动和噪声的能力;并通过激光光束的平行均匀化,光刻系统实现了图形大面积范围制备的均匀性。2.制备的周期纳米图形均匀性较好,图形的周期的范围为500nm-1.2μm,最大光刻晶圆直径可达4英寸,也能拓展至8英寸。
【图文】：

量子点

制备技术在太阳能电池表面制造纳米微结构，可延长太阳能电池的使用寿命提高它的能量密度，实现能源的高效转化；利用纳米光刻技术制备纳米图形蓝宝石衬底，有效减少光线在 LED 内部遭受的全反射，加之二维光子晶体特的光子禁带作用，可进一步提升 GaN 基蓝光 LED 的出光效率，实现能源的效利用[7-9]。目前，常用于制备半导体纳米材料的方法是自组织生长，其能获得纳米尺的半导体量子点结构，单个量子点具有量子效应，可改善材料的光电特性，是此方法无法精确控制量子点的生长过程，量子点大小，密度，形状，均匀等均不可控制（如图 1-1(a)所示），无法实现材料的宏观量子效应[10]。通过平面衬底上制备周期纳米孔阵，，引导量子点的生长(如图 1-1(b)所示)，实现量子点尺寸、密度、形状、均匀性的精确控制与调节。这项技术有利于应用料的宏观量子效应，满足光电器件在基础研究和产业界中的共性需求。

统计分布,制造工艺流程,硅片

基本单元经过逐级组装，形成纳米、微米，甚至更大尺寸的结构[18]。自组装技术不是通过共价键的形成或断裂形成新的化学物质，而是依赖构建单元之间的弱相互作用，如范德瓦尔斯力，构建单元自发地形成具有特殊性质聚集体的技术，这种技术更多的是利用系统状态趋向于达到热力学平衡原理，控制制备过程，结果服从统计分布，重复性差，难以精确控制纳米材料的合成尺寸。自上而下的图形制备技术经历了几十年的发展，技术更加成熟、可靠，尺寸控制更加精确，且使用方便，因此，使用自上而下的方式制备图形衬底技术更加有利。光刻技术是半导体工业中的最核心的自上而下加工方式，将预定义的几何图案转移到涂覆光敏薄层的半导体晶圆上表面，高性能的光刻过程与其他工艺结合，将获得更好的产品质量和更高的成品率[19]。硅集成电路芯片的工艺制造流程如图 1-2，可以通过图 1-2 证明光刻工艺在整个芯片制造工艺中的中心地位。据估计，光刻成本占硅晶圆加工成本的 30%以上[20]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN305.7

【参考文献】