微纳光学 PPT
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微纳光学资料
• 提高生物组织的成像质量和分辨率
• 实现生物组织和化学物质的检测和分析
微纳光学在量子信息领域的应用
量子计算
• 微纳量子光子器件：量子比特、量子逻辑门等
• 实现量子信息的处理和计算
量子通信
• 微纳量子光子器件：量子纠缠、量子密钥分发等
• 实现量子信息的传输和保密
05
微纳光学的未来发展趋势与挑战
微纳光学的发展趋势及其影响
• 投影式电子束曝光技术
电子束曝光技术在微纳光学元件制备中的应用
• 制作高分辨率的微纳光学元件图形结构
• 控制微纳光学元件的尺寸和形状
纳米压印技术在微纳光学元件制备中的应用
纳米压印技术在微纳光学元件制备中的应用
• 制作微纳光学元件的图形结构
• 控制微纳光学元件的尺寸和形状
纳米压印技术简介
• 利用模具在聚合物材料上进行压印的过程
• 摩擦磨损法
04
微纳光学的应用实例
微纳光学在通信领域的应用
光纤通信
• 微纳光纤元件：光纤透镜、光纤滤波器等
• 提高光纤通信的传输速率和容量
量子通信
• 微纳量子光子器件：量子点、量子阱等
• 实现量子信息的传输和处理
微纳光学在生物医学领域的应用
光学成像
光学传感
• 微纳光学透镜、光纤探针等
• 微纳光学传感器：生物传感器、化学传感器等
• 微纳光学元件的制备技术：提高精度、降低成本等
• 微纳光学元件的性能表征：发展新的测量方法、提高测量精度等
• 微纳光学的应用领域：拓展新的应用领域、提高应用水平等
技术挑战的解决方案
• 发展新的制备技术：电子束曝光技术、纳米压印技术等
• 发展新的性能表征方法：光谱仪法、原子力显微镜法等
微纳光电子系统_第二章微纳光电器件简介
16
2010-9-5
32×32微测辐射热计SEM照片
×200 倍
×500倍
测试系统原理图
17
2010-9-5
像元编号
像元黑体响应电压 (µ V)
像元响应率 (V/W) 1.52×104 1.23×104 1.11×104 1.46×104 1.42×104 1.35×104 0.99×104 1.44×104 1.56×104 1.28×104
读出电路 X 向电极
11
2010-9-5
微桥结构设计
• 热学设计 低热导和合适的热响应时间 • 光学设计 提高填充系数和红外吸收率 • 力学设计 确保结构的机械力学稳定性
1. 00 0. 90
吸 0. 70 收 0. 60 率 0. 50 （ 0. 40 ％） 0. 30
0. 20 0. 10 0. 00 1. 0 3. 0 5. 0 7. 0 9. 0 11. 0 13. 0 15. 0
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 2π 1.67μm 1.96
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 1.7 π 1.42μm 2.35
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 0.95π 0.798μm 2.35
石英 1.47
400μm 0.5μm 1 8 2π 1.06μm 4.5
性能测试
衍射效率
微测辐射热计物理模型
微测辐射热计热学模型
热绝缘微桥结构
V dV I 0 dR dT I 0 R ＝ dQ dT dQ Geff
微桥结构 50 μm Y 向电极 红外 辐射 0.5μm
Gleg kleg
Aleg l
探测器响应率与探测 器和衬底间的热导G 呈反比，利用微桥结 构降低二者间的热导
微细和纳米加工技术 光学曝光技术2.1 引言 2.2光学曝光方式与原理.ppt
图2.2 接触式、接近式与投影式3种曝光方式的示意
4
图
2.2.1掩模对准式曝光
★掩模对准式曝光可以真实地再现掩模图形，但是它要求掩模必 须与光刻胶表面完全接触。
★掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和接近式曝光（非接触式 光学曝光）。
掩模对准式曝光
5
1．接触式曝光
★接触式曝光又可分为 ①硬接触与②软接触 曝光。
参数。
★由式可见，若要曝光成像与掩模设计图形尽可能一致，只有 减小间隙和缩短照明波长。
10
2.2.2投影式曝光
★投影式曝光既有接触式曝光的高分辨率，而又避免了接触式 曝光容易产生缺陷的弊端。
★光学投影成像曝光技术是用光学投影的方法将掩模版图形的 影像(以等倍方式或缩小的方式)投影在半导体基片表面上，这 时掩模版作为光学成像系统的物方，基片表面上的光致抗蚀 剂层为像方。
λ ：照明光波长； NA：光学透镜的数值孔径； K2：一个与具体的曝光系统及光刻胶工艺特性
有关的常数。
★由上式可见，焦深与数值孔径的平方成反比。
★单纯地追求分辨率会使焦深大大减低。
R k1 NA
21
焦深甚至比分辨率更为重要
★大规模集成电路的硅晶圆直径都是在6～8in，甚至是12in。大的晶圆本 身就不可能做到绝对的平整，加之每一道曝光工序都是在前面已经加工 过的晶圆上进行，前道工序已在晶圆表面形成了高低起伏的电路结构形 貌。如果曝光系统的焦深很小，则掩模成像只能在很小的高度起伏范围 内才能保证聚焦，超出这一范围就散焦了。散焦的结果，使得分辨率下 降。
★投影式曝光的光学分辨率(R)取决于照明光波长(λ)、光学透 镜的数值孔径(NA)和工艺条件，如下式所示：
R k1 NA
微纳ppt
如果要蒸发难熔金属，常常没有合用的电阻加热元件。一 种可以达到中等材料温度的方法是应用电感加热坩锅。
但是坩锅本身材料的玷污仍是一个严重问题。可以用只加热材料 而冷却坩锅的方法来避免这种影响，常用方法是电子束蒸发。
多组分薄膜
溅射简介
溅射是微电了制造中，不用蒸发而进行金属膜淀积的主要 替代方法。第一次发现溅射现象是在1852年，世纪20年
输运等决定。
溅射产额S是从靶上发出的靶原子数与射到靶上的离子数之 比。它由离子质量、离子能量、靶原子质量和靶的结晶性
决定。
对于不同材料，溅射产额与垂直入射氢离子的离子能量之 函数关系
溅射产额对角度的依赖性与靶材料及入射离子的能量密切 相关。
高密度等离子溅射
在等离矛体内加上一个磁场，使得电子绕磁力线方向作螺 旋运动。如果系统采用固定磁棒，此工艺称为磁控溅射。 轨道运动的半径由下式给出
离开坩锅的材料和堆积在圆片表面上材料的比值，这个比 例常数是从坩锅处看，圆片所对的总立体角部分 式中，R是坩锅表面与圆片 cos cos k 表面之距离，θ和Ф分别为左 R2 与坩锅表面法线和圆片表面法 线之间的夹角(见下图)。
为了得到好的均匀性，一种常用的方法是把柑锅和圆片放 在同一个球表面上（如上图左）此时
pe 3 10 T
12 23
1 2 H NKT
e
式中σ金属薄膜表面张力，N是阿佛加德罗常数，△Hv是蒸发 焓。
淀积速率
质量蒸发速率的表达式
RME
M pe 2 kT
如果所装材料全部熔化，通常可假定，对流和热传导将保 持整个坩锅内材料的温度近似为恒定。若同时假定坩锅开 口有恒定面积A，则有 M RML pe A 2 kT
微纳加工PPT
1、晶圆处理工序
• 本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及 电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关 等），其处理程序通常与产品种类和所使 用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶 圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学 气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、 蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤， 最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与 制作。
微纳技术的重要地位
• 微纳技术是继IT、生物之后。21世纪最具 发展潜力的高新技术，是未来十年高增长 的新兴产业。也是高新技术产业发展新的 增长点，同样也是当今高科技发展的重要 领域之一。
数码相机的镜头， 数码相机的镜头，镜片生产方式
• 一、光学冷加工（传统的生产方式） • 二、以冲压形式生产
冲压式生产时的模床控制与加工精 度
• 冲压式生产的设备都是特制的，控制采用 开放式工业级计算机架构，外接普通笔记 本电脑，应用VB编程实现对马达与盛物台 的控制。马达基本控制采用omoron变频器 实现转速控制。马达是气动的，采用压缩 空气做支撑与驱动，当然采用别的形式也 行。马达转速要求20000+—1每分。冲压采 用机器人自动冲压，真空加热炉中采用类 似于磁控管方式实现急热，冷却时使用氮 气。
硬盘加工
• 硬盘作为计算机数据存储的主要部件，其 磁存储密度不断上升，磁头与磁盘磁介质 之间的距离进一步减小，对磁盘表面质量 的要求也越来越高。
• 一方面，当硬盘表面具有波度时，磁头就 会随着高速旋转的存储器硬盘的波动上下 运动，当波度超过一定的高度时，磁头就 不再能随着波度运动，它就会与磁盘基片 表面碰撞，发生所谓的“磁头压碎”导致 磁盘设备发生故障或读写信息的错误。
3、构装工序
• 就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的 芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引 接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作 为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶 盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶 粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才 算制成了一块集成电路芯片（即我们在电 脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或 四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。
第二章 微纳光学理论基础(1)
明确了倾斜因子，任意闭合面都可以作为衍射积分面， 计算远场衍射场实用。
平面角谱分析
波场的角谱表示法就是对光传播空间中任一 平面上的光场分布 通过傅里叶变换进行平面波分解，各个傅里叶分量看做 沿不同 方向传播的平面波，在任一 其他点上的复振幅是经过相移后的 平面波之和。
U ( x, y, z)
故有：
A ( P ) e
j ( P )
e
j
2
OPD
(P)
光程差或相位分布一般可用多项 式来拟合：
n ( x, y )
n
i
Ai , j x
i j
y
j
i 1 j 0
标量衍射系统空间模型
典型衍射系统： - I为光波入射空间：平面或球 面简谐波均匀波； - 衍射光学元件II为光透射空间: 入射光波振幅或相位受到微结 构调制，波前改变； - III为衍射空间： 透射光波传 播形成光强起伏的衍射图样， 非均匀波。
R R
是标量领域的一个精确方法，但是在z=0时，存在一个 奇点。
基于标量理论的衍射光学设计
• 衍射光学设计的基本问题是在在孔径A内找到适当的衍射光 学元件结构，使得目标平面上的输出光场满足所需要求。 • 实质是一个优化问题。优化设计方法有： 模拟退火算法、遗 传算法、GS算法、Y-G算法等。
矢量衍射理论基础
第二章 微纳光电子理论基础
参考：微光学与系统， 杨国光编著，浙大出版社
2.1 微纳结构光学理论概述
理论涉及领域
- 微纳光学主要设计尺寸在微米或纳米量级的器件以及尺寸在亚微米量 级或纳米量级的表面微纳结构。
- 当器件或微结构的尺寸接近入射波长或小于入射波长时，光进入共振 区（衍射区）。常规光学的标量理论已无法设计这类微光学器件，必须 采用光共振区的矢量理论进行设计。 - 涉及三个理论领域：
超快激光微纳加工：原理、技术与应用(程亚等)PPT模板全文
光刻
和焦面强度倾斜
第3章超快激光 脉冲时空整形
3.4光束整形加工应用 举例
3.4.1无 衍射光束
加工
3.4.2脉 冲偏振整
形加工
3.4.3飞 秒激光超 分辨加工
0
7
第4章超快激光对材料的表面处理
材第
料 的 表 面 处 理
章 超 快 激 光 对
4
01 4 .1 飞 秒激 光加工薄 02 4 .2 材 料表 面的钻孔
6.3光子器件的制备
6.4高品质光学微腔
参考文献
第6章透明介电 材料内部的三维 光子学集成
6.2透明材料内部中三维光波 导的制备
6.2.2波导的 制作方式
1
2
3
6.2.1制作波导 的影响因素
6.2.3不同材 料
第6章透明介电材料 内部的三维光子学集 成
6.3光子器件的制备
0 1
6.3.1分束器
0 2
超快激光微纳加工：原 理、技术与应用(程亚等)
演讲人 2 0 2 x - 11 - 11
0
1
丛
书
序
丛书序
0
2
序
言
序言
0
3
前
言
前言
0
4
第1章超快激光加工概述
第1章超快激光加 工概述
1.1超快激光加工介绍 1.2超快激光加工的特点 1.3超快激光材料处理 参考文献
第1章超快激 光加工概述
0 3
8.3精密切割
0 6
参考文献
第8章超快激光加工 在现代工业中的应用
8.1表面处理
8.1.1抗 摩擦损耗
结构
8.1.2浮 雕和成型
微纳结构与器件加工：光学光刻技术
Chap.3 微纳结构与器件加工技术2014/4/2712014/4/2722014/4/2732014/4/274光刻工艺流程图2014/4/275刻流程光刻黄光区2014/4/277Hexamethyldisilazane, (CH 3)6Si 2NH •在SiO 2表面的光刻SiO 2:亲水性；光刻胶：疏水性；①脱水烘焙:去除水分②HMDS：增强附着力•HMDS：六甲基乙硅氮烷——(CH 3)6Si 2NH 表面的OH2014/4/278•作用：去掉SiO 2表面的-OH2014/4/279photoresist dispenservacuum chuckspindle to vacuum 2014/4/2710p vacuum pump2014/4/2711光刻工艺流程图2014/4/2712UV Light SourceMaskResist2014/4/27132014/4/2714①作用：②显影液：2014/4/27152014/4/2716光刻工艺流程图2014/4/27172014/4/2718Ultraviolet Light曝光使感光材料中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。
photoresistphotoresistsilicon substrateoxidesilicon substrateoxide2014/4/2719 silicon substrate silicon substrate紫外光photoresist主要组成结构类型2014/4/2721感光机理2014/4/2722可分为三类：①光聚合型②光分解型2014/4/2723③光交联型2014/4/27242014/4/2725原理：邻醌重氮化合物被紫外光照后，进行分子重排，得到一种烯酮的化合物，后者见水便转化为羧酸，羧酸可溶解在稀碱水溶解中。
2014/4/2726分辨率R= 1/2L（线宽和线与线间空白宽度均为L）关键尺寸（主要因素：2014/4/27272014/4/27282014/4/27292014/4/27302014/4/27312014/4/2732掩模版制作过程12. Finished12Finished2014/4/2733⏹根据曝光光源分类：●接触式曝光●掩模版的位置接近式曝光●投影式曝光不同⏹根据曝光方式分类2014/4/2734接触式投影式接近式Lens Lens I MaskW f W f Mask SiO 2Photoresist WaferWafer Lens IIWafer SiO 2Photoresist间隙2014/4/2735101511110:15:11:1投影式2014/4/2736步进投影式光刻机原理图2014/4/2737从早期的硅片制造以来光刻设备可以分为5代。
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微纳光学不仅是光电子产业的重要发展方向之一，也是目前光学领域的前沿研究方向。 微纳光学的发展随着大规模集成电路工艺水平的进步而发展，光存储、光通信、光显示、 激光器和激光材料等多个光电子产业都进入了微纳米光学领域，并且影响到了整个光学及 其其他学科的进步。
主流的微纳光学研究方向
微纳发光材料 和器材
微纳光学具有广泛的应用前景。例如，光学超分辨技术、纳 米结构的光学制造、快速相变材料以及利用表面等离子体等纳米 光学技术等。在光通信、激光武器、大气污染检测等多种应用场 合，微纳米光学技术中都将发挥重要作用。借助纳米制造技术， 可以制造出一系列新型的光学元件，例如：偏振分光器件等。因 此，微纳光学器件在光存储、光显示、光通信等光材料主要采用微纳颗粒作为发 光基质，包括纯的及掺杂的微纳半导体发 光材料，稀土离子及过度金属离子掺杂的 纳米氧化物、硫化物、复合氧化物、及各 种微纳无机盐发光材料等。微纳发光材料 主要用于各种微纳发光器件如微纳发光二 极管或微纳激光器的设计及制备，它可以 实现宏观块体材料所不具备的发光性质。
微纳光学
报告内容
• 微纳光学概念与研究方向 • 微纳光学结构制备方法 • 微纳光学器件应用及前景
微纳光学概念与研究方 向
微纳光学
微纳光学主要指微纳米尺度的光学效应，以及利用微纳米尺度的光学效应开发出光学器 件、系统及装置。它所研究的是在微纳尺度下光电子的运动传输特性、光电子与物质的相 互作用规律、相关的操控及其应用技术等。通过它我们希望实现在微纳尺度上，光波的发 射、传播、变换和接收。
压模板（采用电子束直写制作） 压模板压印
压模板移走 图像转移完成
纳米压印光刻术
微纳光学结构制备方法
• 平面光子晶体
光子晶体（Photonic Crystal）可以控制光束传播， 并且能克服波导间的耦合增加， 以实现纳米级波导、路由与开 关
平面光子晶体制备方法
微纳光学器件应用及前 景
微纳光学技术与应用交流会
微纳光波导材 料及器件
微纳光纤是微纳光波导材料的典型代表。 按照材料划分，微纳光纤可分为玻璃光纤 （包括石英系玻璃光纤光纤、卤化物玻璃光 纤及硫系玻璃光纤）、塑料光纤、晶体光纤 等。
纳光纤器件包括光纤无源器件（分为光纤 连接器、光纤耦合器、光隔离器、光波分复 用器和解复用器、光开关、光衰减器、光纤 光栅、光纤滤波器等）、光纤激光器、光纤 放大器等。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
微纳光学结构 器件
微纳光学结构技术是指通过在材料中引 入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。 光子晶体就是规律性的三维微结构，其周 期远小于波长，形成光子禁带，通过引入 局部缺陷，控制光的传播与分束。
光栅可以看作是一维或者二维的光子晶 体，通过引入微纳结构可以实现新的光学
光学步进器是一种图像缩小系统， 相干成像系统。
光学步进器
微纳光学结构制备方法
电子束纳米光刻技术
纳米压印光刻术
利用高聚焦电子束对电子敏
利用模具并通过机械方法使
感抗腐蚀剂表面的确定性扫描， 得某种柔软或液态材料（即抗
使用各种正性和负性抗腐蚀剂 蚀剂）变为模具表面图形的固
作为刻蚀模板。
态形式和复制阴模。
微纳光探测材 料及器件
微纳光探测器件用于实现光信号的转换 和检测，是光电信息系统的关键环节和技 术，主要包括光敏电阻、电二极管、光电 池等器件。光敏电阻的主要材料包括微纳 尺度的金属硫化物、硒化物和碲化物等。 光电二极管的主要材料包括微纳尺度的硒、 硅、锗等。光电池的材料主要包括微纳尺 度的单晶硅、非晶硅、化合物、多晶硅等。
性能。
微纳光学结构制备方法
微纳光学结构制备方法
微光学等离子体刻蚀加工技术
相位光栅掩模板的模拟光刻技术
利用灰度加工技术完成图形成形 和等离子刻蚀，再将图形轮廓转印 到基板中。
光束通过相位光栅掩模板，GCA步 进器，形成模拟光强轮廓，对光致 腐蚀剂正确曝光和显影。
灰度光刻术是，制造出一种光掩 模，使得透射通过该掩模的光辐射 强度随空间位置变化。
主流的微纳光学研究方向
微纳发光材料 和器材
微纳光学具有广泛的应用前景。例如，光学超分辨技术、纳 米结构的光学制造、快速相变材料以及利用表面等离子体等纳米 光学技术等。在光通信、激光武器、大气污染检测等多种应用场 合，微纳米光学技术中都将发挥重要作用。借助纳米制造技术， 可以制造出一系列新型的光学元件，例如：偏振分光器件等。因 此，微纳光学器件在光存储、光显示、光通信等光材料主要采用微纳颗粒作为发 光基质，包括纯的及掺杂的微纳半导体发 光材料，稀土离子及过度金属离子掺杂的 纳米氧化物、硫化物、复合氧化物、及各 种微纳无机盐发光材料等。微纳发光材料 主要用于各种微纳发光器件如微纳发光二 极管或微纳激光器的设计及制备，它可以 实现宏观块体材料所不具备的发光性质。
微纳光学
报告内容
• 微纳光学概念与研究方向 • 微纳光学结构制备方法 • 微纳光学器件应用及前景
微纳光学概念与研究方 向
微纳光学
微纳光学主要指微纳米尺度的光学效应，以及利用微纳米尺度的光学效应开发出光学器 件、系统及装置。它所研究的是在微纳尺度下光电子的运动传输特性、光电子与物质的相 互作用规律、相关的操控及其应用技术等。通过它我们希望实现在微纳尺度上，光波的发 射、传播、变换和接收。
压模板（采用电子束直写制作） 压模板压印
压模板移走 图像转移完成
纳米压印光刻术
微纳光学结构制备方法
• 平面光子晶体
光子晶体（Photonic Crystal）可以控制光束传播， 并且能克服波导间的耦合增加， 以实现纳米级波导、路由与开 关
平面光子晶体制备方法
微纳光学器件应用及前 景
微纳光学技术与应用交流会
微纳光波导材 料及器件
微纳光纤是微纳光波导材料的典型代表。 按照材料划分，微纳光纤可分为玻璃光纤 （包括石英系玻璃光纤光纤、卤化物玻璃光 纤及硫系玻璃光纤）、塑料光纤、晶体光纤 等。
纳光纤器件包括光纤无源器件（分为光纤 连接器、光纤耦合器、光隔离器、光波分复 用器和解复用器、光开关、光衰减器、光纤 光栅、光纤滤波器等）、光纤激光器、光纤 放大器等。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
微纳光学结构 器件
微纳光学结构技术是指通过在材料中引 入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。 光子晶体就是规律性的三维微结构，其周 期远小于波长，形成光子禁带，通过引入 局部缺陷，控制光的传播与分束。
光栅可以看作是一维或者二维的光子晶 体，通过引入微纳结构可以实现新的光学
光学步进器是一种图像缩小系统， 相干成像系统。
光学步进器
微纳光学结构制备方法
电子束纳米光刻技术
纳米压印光刻术
利用高聚焦电子束对电子敏
利用模具并通过机械方法使
感抗腐蚀剂表面的确定性扫描， 得某种柔软或液态材料（即抗
使用各种正性和负性抗腐蚀剂 蚀剂）变为模具表面图形的固
作为刻蚀模板。
态形式和复制阴模。
微纳光探测材 料及器件
微纳光探测器件用于实现光信号的转换 和检测，是光电信息系统的关键环节和技 术，主要包括光敏电阻、电二极管、光电 池等器件。光敏电阻的主要材料包括微纳 尺度的金属硫化物、硒化物和碲化物等。 光电二极管的主要材料包括微纳尺度的硒、 硅、锗等。光电池的材料主要包括微纳尺 度的单晶硅、非晶硅、化合物、多晶硅等。
性能。
微纳光学结构制备方法
微纳光学结构制备方法
微光学等离子体刻蚀加工技术
相位光栅掩模板的模拟光刻技术
利用灰度加工技术完成图形成形 和等离子刻蚀，再将图形轮廓转印 到基板中。
光束通过相位光栅掩模板，GCA步 进器，形成模拟光强轮廓，对光致 腐蚀剂正确曝光和显影。
灰度光刻术是，制造出一种光掩 模，使得透射通过该掩模的光辐射 强度随空间位置变化。