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Die vorliegende Erfindung betrifft
Photonenkristallmaterialien (auch als photonische Bandlückenmaterialien
bekannt) und ein Verfahren zu deren Herstellung. Im Allgemeinen
ist ein Photonenkristall ein zusammengesetztes dielektrisches Medium
mit einer Struktur, die periodisch auf einer Längenskala variiert, die mit der
Wellenlänge
elektromagnetischer Strahlung vergleichbar ist. In einem idealen
Photonenkristall führt
eine Mehrfachstreuung und Interferenz elektromagnetischer Wellen,
die sich durch das Medium fortpflanzen, zu verbotenen Frequenzbändern für eine bestimmte
Fortpflanzungsrichtung, in der keine sich fortpflanzenden elektromagnetischen
Moden vorhanden sind. In einem verbotenen Band ist das Material äußerst reflektiv
und im Inneren des Mediums wird eine Emission von Strahlung mit
Frequenzen im verbotenen Band unterdrückt. Eine Photonenkristallstruktur
kann zur Modifizierung der Interaktion eines Materials mit elektromagnetischer Strahlung,
auch für
den Zweck der Kontrolle des äußeren Erscheinungsbildes
der Oberfläche
des Materials, sowie zur Konstruktion optischer und optoelektronischer
Vorrichtungen (nicht auf sichtbare optische Frequenzen beschränkt) verwendet
werden.
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In dem Artikel "Photonic Band Gaps and Holography" von Berger et al.,
J. Appl. Phys. 82(1), S. 60-4, ist eine Technik zur Schaffung einer
Struktur beschrieben, die in zwei Dimensionen photonisch ist. Die
Technik beinhaltet holographische Lithografie, wobei ein Resistmuster
auf einem Halbleitersubstrat erzeugt wird und dann als Maske zum
lonenätzen
des Substrates verwendet wird. Somit wird eine photonische Struktur,
die sich in zwei Dimensionen erstreckt, in dem Substrat gebildet.
Genauer wird die Maske durch Verteilen einer Schicht aus Photoresist
auf der Oberseite eines Zweiebenen-Systems aus einem GaAs-Substrat, das eine
Si3N4/Shipley S1518-Schicht
trägt,
gebildet. Es wird ein Interferenzmuster in dem Photoresist durch Überschneiden
drei kohärenter
ebener Wellen gebildet. Nach der Belichtung wird das Muster durch
reaktives lonenätzen
in die Siliziumnitrid/S1518-Schicht übertragen. Dann wird weiteres
reaktives lonenätzen
zur Übertragung
des Musters in das GaAs-Substrat verwendet.
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In
US
5385114 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Photonenkristalls
beschrieben, in dem die Poren einer Netzstruktur mit einem geeigneten
flüssi gen
dielektrischen Material imprägniert
werden, das dann verfestigt wird. Zum Einbringen des dielektrischen
Materials muss das Material des Netzes einen viel höheren Schmelzpunkt
haben, als das dielektrische Material und daher ist zum Beispiel
das Material des Netzes ein Metall. Danach wird das Netz unter Verwendung
eines geeigneten flüssigen
chemischen Reaktionspartners aufgelöst, um ein poröses dielektrisches
Material zu erhalten. Die Poren des dielektrischen Materials haben einen
anderen Brechungsindex als das Material selbst, so dass eine periodische
Struktur, die auf diese Weise hergestellt wird, dem Material ermöglicht,
als Photonenkristall zu funktionieren. Nachdem die Netzstruktur
entfernt wurde, können
die Poren in dem dielektrischen Material mit einem separaten Material
gefüllt
werden, dass einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex
des dielektrischen Materials unterscheidet. In diesem Dokument wird
das Verfahren der Porenfüllung
unter Verwendung eines regellosen an Stelle eines periodischen Metallnetzes
gezeigt, aber es wird in Betracht gezogen, dass ein periodisches
Metallnetz durch Gefrieren elektrohydrodynamisch erzeugter Metalltröpfchen,
Weben eines Drahtnetzes, Zusammenfügen kleiner Teile oder, als
Schlussfolgerung aus dem Oberbegriff, durch Bohren oder reaktives
lonenätzen
einer Metallplatte durch eine Maske gebildet werden könnte.
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Damit der Photonenkristall zweckdienlich
ist, muss die Periodizität
des dielektrischen Materials eine Größe vergleichbar der elektromagnetischen
Wellenlänge
von Interesse haben. Auf einer Skala, die mit sichtbaren optischen
oder fast Infrarot-Wellenlängen
vergleichbar ist, sind nur die Ätzprozeduren
durchführbar.
Die Herstellung von Masken, die zur Verwendung in solchen Bohr-
oder lonenätzvorgängen geeignet
sind, ist äußerst schwierig
und kostspielig. Solche Techniken können gegenwärtig nicht die notwendige Auflösung oder Bohrtiefe
bereitstellen, um Photonenkristalle zur Verwendung bei sichtbaren
optischen Wellenlängen
zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung versucht,
ein neuartiges Photonenkristallmaterial und ein Verfahren zu dessen
Herstellung bereitzustellen, mit einer dreidimensionalen Periodizität mit einer
Längenskala,
die mit Infrarot-, sichtbaren, optischen oder kürzeren elektromagnetischen
Wellenlängen
vergleichbar ist, welches die Nachteile der zuvor beschriebene,
bekannten Prozeduren behebt. Ein Verweis auf die dreidimensionale
Periodizität
ist als Verweis auf eine periodische Variation einer Eigenschaft
in allen drei Dimensionen des Materials gedacht. Ein Verweis auf
Periodizität
oder periodische Variationen sollte so verstanden werden, dass die
Fälle enthalten
sind, in welchen die Variation im Wesentlichen periodisch ist, sowie
Fälle,
in welchen zwei oder mehr periodische Muster mit Einheitszellen,
die nicht kommensurabel sein mögen, übereinander
gelegt sind. Ein Verweis auf die Längenskala einer periodischen
Variation soll sich auf eine charakteristische Dimension einer primitiven
Wigner-Seitz-Einheitszelle
beziehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zum Bilden eines Photonenkristalls bereit, wobei das Verfahren
das Bestrahlen einer Probe aus lichtempfindlichem Material mit wenigstens
vier interferierenden Strahlen aus im Wesentlichen kollimierter
und monochromatischer elektromagnetischer Strahlung umfasst, die sich
in verschiedenen Richtungen innerhalb der Probe fortpflanzt, um
eine dreidimensionale periodische Variation der Bestrahlungsstärke innerhalb
der Probe durch Interferenz zwischen der elektromagnetischen Strahlung
zu erzeugen, die sich in den verschiedenen Richtungen fortpflanzt,
sowie das selektive Kontrollieren der relativen Stärke der
elektromagnetischen Strahlung, die sich in den verschiedenen Richtungen
fortpflanzt, das selektive Kontrollieren der Polarisierung der elektromagnetischen
Strahlung, die sich in den verschiedenen Richtungen fortpflanzt,
und das Entwickeln der bestrahlten Probe aus lichtempfindlichem
Material zur Entfernung von Regionen der Probe abhängig von
ihrer Bestrahlung, wobei die Regionen ein verbundenes Netzwerk bilden,
um eine Struktur mit einer dreidimensionalen periodischen Variation
im Brechungsindex auf der Basis der periodischen Variation der Bestrahlungsstärke zu erzeugen.
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Zur Aufrechterhaltung der dreidimensionalen
Periodizität
in der Probe wird das Intensitätsinterferenzmuster
nicht wesentlich durch photoinduzierte Änderungen im Brechungsindex
des Probenmaterials gestört. Die
Probe aus lichtempfindlichen Material kann mehreren Belichtungen
ausgesetzt werden, von welchen jede entsprechende Interferenzmuster
in der Probe erzeugt.
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Die Probe aus lichtempfindlichen
Material kann mit einer kohärenten
oder teilweise kohärenten
Quelle elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden. Material
kann in die Hohlräume
in dem Verbundmaterial eingeführt
werden oder das Verbundmaterial kann als Matrize zur Herstellung
anderer Verbundmaterialien mit periodischen Variationen im Brechungsindex
verwendet werden.
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Durch diese beiden Techniken können die
optischen Eigenschaften des Photonenkristallmaterials verändert werden
und die Frequenzbereiche der verbotenen photonischen Bandlücken eingestellt
werden. Insbesondere kann durch die Wahl eines Materials mit einem
richtigen Brechungsindex die Überlappung
zwischen verbotenen Frequenzbändern,
die verschiedenen Fortpflanzungsrichtungen der Strahlung entsprechen,
erhöht
werden, um eine vollständige
photonische Bandlücke
zu bilden oder zu verbreitern, d.h., einen Bereich von Frequenzen,
für welche
keine sich fortpflanzenden elektromagnetischen Moden in irgendeiner
Richtung vorhanden sind.
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Vorzugsweise wird das dreidimensionale
Muster in der Probe gebildet, indem elektromagnetische Strahlung
von wenigstens vier kohärenten
oder teilweise kohärenten
Strahlen oder Quellen auf die Probe aus lichtempfindlichem Material
gerichtet wird, so dass sich diese in der Probe schneiden und interferieren.
Zusätzlich
kann die Probe mehr als einmal bestrahlt werden, um mehrere dreidimensionale
Muster in der Probe zu erzeugen.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist
die Längenskala
der Periodizität
in der Probe aus lichtempfindlichen Material von der Längenskala
der Periodizität
des Interferenzmusters abhängig,
das seinerseits von der Frequenz der einfallenden Strahlung, dem
Brechungsindex des lichtempfindlichen Materials und von der Form und
Richtung der Fortpflanzung der interferierenden elektromagnetischen
Wellenfronten in der Probe abhängig
ist. Dreidimensionale Periodizität
mit einer Submikron-Wellenlängenskala
kann in der Probe ohne Bedarf an teuren Masken hergestellt werden,
wodurch die Erfindung besonders für die Herstellung von Photonenkristallmaterial
zur Verwendung in optischen und elektrooptischen Anwendungen in
Infrarot-, sichtbaren optischen oder kürzeren Wellenlängenbereichen
des elektromagnetischen Spektrums geeignet ist.
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Ferner wird mit der vorliegenden
Erfindung ein Photonenkristallmaterial bereitgestellt, das eine
dreidimensionale Periodizität
seines Brechungsindexes für
eine Dicke von wenigstens 10 Mikron und bevorzugter wenigstens 50
Mikron aufweist.
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Für
ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung werden nun Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, von welchen:
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1 ein
Diagramm eines raumzentrierten kubischen ("body-centred cubic" – bcc)
reziproken Gitters oder einer flächenzentrierten
kubischen ("face-centered
cubic" – fcc) Struktur
ist;
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2 ein
Diagramm der Schwellenintensitätskonturen
ist, die sich aus einer einzigen Bestrahlung durch vier schneidende
Strahlen ergeben;
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3 ein
Diagramm desselben Interferenzmusters wie für 2 ist, aber mit einer höheren Schwellenintensitätskontur;
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4 ein
Diagramm der Schwellenintensitätskonturen
für eine
Doppelimpulsbelichtung unter Verwendung anderer Strahl-Wellenvektoren
als jene von 2 und 3 ist;
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5a und 5b Atomkraftmikroskopiebilder
der Ober- und Unterseite einer Probe sind, die unter Verwendung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung bestrahlt wurde, welche
die Kohärenz
eines optischen 3D-fcc-Musters zeigen;
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6a ein
Atomkraftmikroskopiebild des Querschnitts eines gespaltenen Probe
ist, die unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
bestrahlt wurde, die Brüche
entlang Terrassen in der Probe zeigt;
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6b eine
graphische Darstellung der gespaltenen Probe von 6a ist, welche die Dimensionen der Terrassen
durch einen Teil der Probe zeigt; und
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7 eine
graphische Darstellung einer Bragg-Beugung von einer Probe ist,
die unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung bestrahlt
wurde, welche die Reflexionen von einer periodischen 3D-fcc-Struktur
zeigt.
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Wenn ein lichtempfindliches Material
gleichzeitig elektromagnetischer Strahlung aus mehreren kohärenten oder
teilweise kohärenten
Quellen ausgesetzt ist, wird ein Interferenzmuster in dem lichtempfindlichen Material
erzeugt und die Stärke
der Strahlung oder Dosis in dem Material, die durch das Interferenz muster
erzeugt wird, ändert
sich periodisch. Die Bestrahlung des lichtempfindlichen Materials
erzeugt Veränderungen im
Brechungsindex des Materials. Auf diese Weise wird durch Erzeugen
eines Interterenzmusters der einfallenden Strahlung in dem Probenmaterial
ein entsprechendes Muster von Variationen im Brechungsindex erzeugt.
Die durch Strahlung erzeugten Änderungen
im Brechungsindex sind gering, und daher wird zur Verstärkung des
Unterschiedes im Brechungsindex zwischen Bereichen in der bestrahlten
Probe, die einer hohen Strahlungsstärke und einer geringen Strahlungsstärke ausgesetzt
sind, die bestrahlte Probe vorzugsweise unter Verwendung herkömmlicher
chemischer Prozesse entwickelt. Während der Entwicklung des bestrahlten Materials
werden Bereiche des Materials, die etwa jenen entsprechen, die weniger
oder mehr als eine kritische Strahlungsdosis absorbiert haben, aufgelöst. Nach
der Entwicklung bleibt eine periodische Struktur bestehen, die aus
Restmaterial und Hohlräumen
besteht (die mit anderem Material, zum Beispiel Luft oder einem
Lösemittel,
gefüllt
werden können,
das einen anderen Brechungsindex aufweist).
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Es kann eine dreidimensionale Struktur
durch Verwendung von wenigstens vier interferierenden Strahlen von
im Wesentlichen kollimierter und monochromatischer elektromagnetischer
Strahlung erhalten werden, wobei Unterschiede zwischen den einzelnen
Wellenvektoren jedes Strahls reziproke Gittervektoren und somit die
Symmetrie der erhaltenen periodischen Struktur bestimmen.
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Für
ein besseres Verständnis
des Verhältnisses
zwischen den Wellenvektoren der Strahlen und der translationalen
Symmetrie des daraus resultierenden Interferenzmusters wird in der
Folge die Art und Weise erklärt,
in der ein bestimmter Satz geeigneter Wellenvektoren für eine periodische
Struktur mit flachenzentrierter kubischer (fcc) Symmetrie bestimmt
wird. 1 zeigt ein raumzentriertes
kubisches (bcc) reziprokes Gitter einer fcc-Struktur mit a1 = (2π/d)(–1, 1, 1),
a2 = (2π/d)(1, –1, 1) und
a3 = (2π/d)(1,
1, –1)
als einen Satz primitiver reziproker Gittervektoren, wobei d die
Seite der kubischen fcc-Einheitszelle ist. Für einen der einfallenden Strahlen
ist der Referenzwellenvektor k0 = 2π/d(3/2, 3/2,
3/2) definiert, und die Wellenvektoren für die anderen drei Strahlen
sind dann durch k1 = k0 – a1, k2 = k0 – a2 und k3 = k0 – a3 gegeben. Unterschiede zwischen diesen Wellenvektoren
verbinden Gitterpunkte in dem reziproken bcc-Gitter. Eine Interferenz
von Strahlung mit diesen vier Wellenvektoren erzeugt ein Interferenzmuster
mit fcc-Symmetrie.
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Es folgt ein Beispiel eines Verfahrens
zur Herstellung eines Photonenkristallmaterials mit dreidimensionaler
Periodizität.
Ein Negativphotoresist, dessen Löslichkeit
in einem geeigneten Lösemittel
nach der Belichtung mit einer Strahlung mit einer Wellenlänge von
355 nm abnimmt, wird gleichzeitig von vier Laserstrahlen bei einer
Wellenlänge
von 355 nm von einem frequenzverdreifachten Nd : YAG Laser bestrahlt,
mit den zuvor beschriebenen Wellenvektoren, die in einer Schicht
des Photoresist schneiden. Die Interferenz der vier Strahlen erzeugt
eine dreidimensionale periodische Intensitätsmodulation in dem Photoresist
mit fcc-Struktursymmetrie mit einer kubischen Einheitszellengröße von etwa
0,6 μm. 2 ist ein Diagramm einer
erhaltenen Kontur konstanter Intensität, wobei 3 eine Kontur höherer Intensität in demselben
Interferenzmuster zeigt. Nach der Entwicklung des Polymers, die
zu der Entfernung weniger bestrahlter Bereiche des Materials führt, wird
eine dreidimensionale periodische Struktur gebildet, die aus ineinandergreifenden
Netzwerken von bestrahltem Photoresist und mit Luft oder Lösemittel
gefüllten
Hohlräumen
besteht.
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Obwohl sich die Stärke der
Strahlung in einem Interferenzmuster im Allgemeinen auf der Längenskala der
Wellenlänge
langsam ändert,
haben die erhaltenen Strukturen, die in den beiliegenden Figuren
dargestellt sind, relativ schart definierte Oberflächen. Dies
wird infolge einer Nichtlinearität
in den photochemischen Reaktionen und der anschließenden Entwicklung
erreicht, die eine Schwelle erzeugen, die lösliches und unlösliches
Material trennt. Diese Schwelle kann etwa einer Kontur konstanter
Strahlungsdosis entsprechen. Durch die richtige Wahl der Schwellenintensität kann der
Anteil des von der Probe entfernten Materials gesteuert werden.
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Für
jede dreidimensionale Struktur, die durch das zuvor beschriebene
Verfahren oder jedes andere Verfahren hergestellt wird, das die
Bildung von 3D Interferenzmustern in dem Probenmaterial verwendet,
ist es wichtig, dass das Interterenzmuster derart ist, dass das
während
der Entwicklung zu entfernende Material ein verbundenes Netzwerk
bildet. Dies garantiert, dass ein solches Material von dem Restmaterial
entfernt werden kann, um Hohlräume
zu erzeugen. Zusätzlich
ermöglicht
die Verbindung der Hohlräume,
dass ein Material mit einem anderen Brechungsindex in Bezug auf
das lichtempfindliche Material oder anderen gewünschten Eigenschaften in die
Hohlräume
eingeführt werden
kann. Es ist auch wichtig, dass die Entfernung von Material aus
den Hohlräumen
die periodische Struktur des Restmaterials nicht zerstört: zum
Beispiel kann dies erreicht werden, indem garantiert wird, dass
das Interferenzmuster derart ist, dass das zu entfernende Material und
das Material, das während
der Entwicklung erhalten bleibt, beide kontinuierliche ineinandergreifende
Netzwerke bilden. Diese Bedingung ist in dem oben angeführten Beispiel
erfüllt,
wo die Oberfläche,
die zu entfernendes Material und Restmaterial, das während der
Entwicklung erhalten bleibt, teilt, etwa der Kontur einer konstanten
Strahlung entspricht, die in 2 dargestellt
ist.
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Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen
Situation kann, um sicherzustellen, dass die periodische Struktur
des Restmaterials in einem unverbundenen Netzwerk während der
Entwicklung nicht zerstört
wird, das Restmaterial eine permanente Stützstruktur enthalten. Zum Beispiel
kann ein durchgehendes sekundäres Netzwerk
aus Material, das das lichtempfindliche Material vor der Belichtung
durchdringt und durch die Belichtung oder Entwicklung nicht zerstört wird,
das Restmaterial stützen.
Ein Beispiel für
ein solches sekundäres Netzwerk
ist ein Silicagel. Als Alternative kann das Restmaterial eine dreidimensionale
periodische Struktur nach der Entwicklung bilden, wenn isolierte
Partikel des Restmaterials miteinander verdichtet werden, ohne die
dreidimensionale Periodizität
zu zerstören,
um ein durchgehend verbundenes Material mit einer kleineren Einheitszelle
als das ursprüngliche
Interferenzmuster zu bilden.
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In dem oben genannten Beispiel wird
eine einzige Belichtung unter Verwendung vier gleichzeitig schneidender
Laserstrahlen verwenden. Dadurch kann jedoch nur eine begrenzte
Klasse durchgehend verbundener, dreidimensionaler Strukturen bereitgestellt
werden. Eine größere Flexibilität wird unter
Verwendung einer doppelten oder mehrfachen Belichtungstechnik erreicht,
die für
eine bessere Steuerung der räumlichen Verteilung
der Strahlungsdosis innerhalb des lichtempfindlichen Materials sorgt.
Bei der doppelten Belichtungstechnik wird das lichtempfindliche
Material zweimal bestrahlt, wobei jede Belichtung derart ist, dass
die sich die durch die Belichtung bedingte Strahlungsdosis periodisch
in der Position in dem lichtempfindlichen Material ändert, wie
zuvor beschrieben. Strahlung, die als Teil einer Belichtung angesehen
wird, kann in der Probe gleichzeitig mit Strahlung vorhanden sein,
die als Teil der anderen angesehen wird; die Charakteristik einer doppelten
Belichtung und das angewandete Kriterium zur Zuordnung von Strahlungsenergie
zu der einen oder anderen Belichtung ist, dass der Effekt der Interferenz
zwischen Strahlung von verschiedenen Belichtungen in der Bestimmung
der räumlichen
Variation der gesamten Strahlungsdosis in Bezug auf den Effekt der
Interferenz zwischen Strahlung von verschiedenen Quellen verringert
oder beseitigt ist, die zu derselben Belichtung gehört. Dies
wird entweder dadurch erreicht, dass sichergestellt wird, dass der
Grad an Kohärenz
zwischen Strahlung von den zwei Belichtungen geringer als der Grad
an Kohärenz
zwischen Strahlung von verschiedenen Quellen ist, die zu derselben
Belichtung gehören,
oder dass die Zeitüberlappung
zwischen den zwei Belichtungen verringert ist.
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Somit kann unter Verwendung der doppelten
Belichtungstechnik Strahlung in der ersten und zweiten Belichtung
von wechselseitig inkohärenten
Quellen abgeleitet werden, die zum Beispiel der Ausgang eines Lasers
zu verschiedenen Zeitpunkten, von verschiedenen Lasern, oder Quellen
mit verschiedenen Frequenzen sein könnten.
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Bei einem alternativen Verfahren,
das die doppelte Belichtungstechnik verwendet, werden zwei Impulse
einer elektromagnetischen Strahlung verwendet, in der eine Interferenz
zwischen den zwei Impulsen verringert oder beseitigt ist, indem
sichergestellt wird, dass der zweite Impuls später als der erste ankommt.
Zum Beispiel wird ein einziger Laserimpuls in zwei Impulse geteilt,
wobei der zweite in Bezug auf den ersten zeitlich verzögert ist.
Der erste Impuls wird in vier Strahlen geteilt, die dazu verwendet
werden, ein anfängliches
dreidimensionales Interferenzmuster in dem lichtempfindlichen Material
zu erzeugen. Nachdem der erste Impuls abgeklungen ist, während der
zweite Impuls einer Verzögerungslinie
gefolgt ist, wird der zweite Impuls auf gleiche Weise in vier Strahlen
geteilt, die anderen Pfaden als die vier Strahlen in der ersten
Belichtung folgen und überlappen,
um ein anderes dreidimensionales Interferenzmuster in dem lichtempfindlichen
Material zu bilden. Als Alternative können die Strahlen, die von
dem zweiten Impuls abgeleitet werden, im Wesentlichen denselben
Pfaden folgen wie die ersten vier Strahlen, aber anderen relativen
Phasenverzögerungen
in Bezug auf die relativen Phasenverzögerungen der Strahlen von dem
ersten Impuls unterzogen werden, so dass ein Interferenzmuster gebildet
wird, das dem anfänglichen
Interferenzmuster gleich oder mit diesem identisch ist, das aber
in seiner räumlichen
Position in Bezug auf das Anfangsmuster verschoben ist. Zur Erzeugung
der notwendigen relativen Phasenverzögerungen sind elektrooptische
Modulatoren auf wenigstens einer der vier Strahlenleitungen bereitgestellt
und im Zeitintervall zwischen dem ersten und zweiten Impuls eingestellt.
Wenn ein Impuls von einem frequenzverdreifachtem Nd : YAG Laser
mit einer Dauer von etwa 5 ns verwendet wird, bietet eine Verzögerungsleitung
von einigen wenigen Metern Länge
eine ausreichende Verzögerung,
um eine Zeitüberlappung
zwischen den zwei Belichtungen zu vermeiden und den Phasenmodulatoren
zu ermöglichen, den
Zustand zwischen den Impulsen zu ändern.
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Unter Verwendung eines der zuvor
beschriebenen Verfahren, welche die Doppelbelichtungstechnik verwenden,
wird das lichtempfindliche Material anschließend unter Verwendung herkömmlicher
Techniken auf dieselbe Weise wie zuvor beschrieben entwickelt. Die
Doppelbelichtungstechnik ermöglicht
eine exakte Steuerung der Form einer Kontur einer konstanten Dosis
innerhalb des lichtempfindlichen Materials, wodurch die Konstruktion
und Herstellung von offenen, aber dennoch kontinuierlich verbundenen
Strukturen leichter wird. 4 ist
ein Diagramm einer Intensitätskontur
mit fcc-Symmetrie, das unter Verwendung einer Doppelimpulsbelichtung
mit Wellenvektoren erzeugt wurde, die sich von jenen unterscheiden,
die zuvor beschrieben wurden, und somit eine kleinere Einheitszelldimension
von etwa 0,3 μm
haben. Die Intensitätskonturen,
die in 4 dargestellt
sind, offenbaren eine Struktur mit sehr feinen Bindungen und einem
Füllanteil
geringen Volumens.
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Wie zuvor erwähnt, kann das lichtempfindliche
Material mit mehr als zwei Belichtungen bestrahlt werden. Solange
keine wesentlichen photochemischen Änderungen in der gesamten Zeit,
in der eine Bestrahlung statt findet, auftreten, ist es möglich sicherzustellen,
dass alle Belichtungen periodische Intensitätsmuster mit derselben Periodizität oder kommensurablen
Periodizitäten
erzeugen. In dem Fall, in dem aufeinanderfolgende Belichtungen einer
Bestrahlung mit Laserstrahlen entsprechen, die denselben Pfaden
folgen, wird die relative Phasenverzögerung zwischen den Strahlen
zwischen jedem Impuls von der Quelle geändert; dadurch können drei
oder mehr Belichtungen des Materials durchgeführt werden, wobei jede ein
Interterenzmuster erzeugt, dass räumlich in Bezug auf die anderen
Interferenzmuster verschoben ist.
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Für
viele geeignete lichtempfindliche Materialien muss die Dauer der
Belichtung des lichtempfindlichen Materials mit elektromagnetischer
Strahlung kurz genug sein, dass das Intensitätsinterterenzmuster durch photoinduzierte Änderungen im
Brechungsindex des lichtempfindlichen Materials nicht signifikant
gestört
ist. Eine Kurzimpulsbelichtung verringert die Einschränkungen
der mechanischen Stabilität
der optischen Komponenten. Zur Sicherstellung, dass das Intensitätsinterferenzmuster,
das in dem Probenmaterial gebildet wird, nicht signifikant durch Änderungen
im Brechungsindex beeinflusst wird, die durch Strahlung herbeigeführt werden,
sollte das Probenmaterial im Idealfall einer Strahlung nicht länger als
100 ms ausgesetzt werden. Bei anderen lichtempfindlichen Materialien
treten keine großen
photoinduzierten Änderungen
im Brechungsindex während
der Belichtung auf, wohl aber während
anschließender
Prozeduren, zum Beispiel bei einer Erwärmung der Probe.
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Unter Verwendung des zuvor beschriebenen
Verfahrens wurde das lichtempfindliche Material mit einer einzigen
Belichtung von einem frequenzverdreifachten ND : YAG Laser mit Injektions-Seeding
bestrahlt. Die erhaltenen 3D periodischen Variationen in Proben
von lichtempfindlichem Material sind in 5, 6 und 7 dargestellt. In jedem Fall
dauerte die einfache Belichtung etwa 6 ns und wurde unter Verwendung
einer mechanischen Blende gewählt.
Der Laserstrahl wurde unter Verwrendung von drei Strahlteilern in
vier Strahlen geteilt und jeder Strahl wurde durch ein Halbwellenlängenplättchen und
einen Polarisator geleitet, um den linearen Polarisierungszustand
und die Stärke
jedes Strahls zu steuern. Der Durchmesser jedes Strahls war etwa
8 mm und die vier Strahl interferierten in einer Probe aus lichtempfindlichem
Material zur Erzeugung eines fcc periodischen Musters (Brechung
an der Luft/Proben-Schnittstelle
bedeutet, dass die Struktur nicht kubisch, sondern in die Richtung
senkrecht zu dieser Schnittstelle etwas verkürzt ist). Der Probenfilm wurde
in der (1, 1, 1) Ebene ausgerichtet und die Fortpflanzungsrichtungen
des Strahls waren wie folgt:
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5a und 5b sind Atomkraftmikroskopiebilder
bei 6 × 6
Mikron, der Oberbeziehungsweise Unterseite eines lichtempfindlichen
Materials nach einer Bestrahlung wie zuvor beschrieben. Die periodische
Struktur ist unmittelbar aus den Bildern erkennbar, und die Tatsache,
dass die periodische Struktur sich an der Ober- und Unterseite findet,
ist ein Beweis für
die Kohärenz
des 3D fcc optischen Musters durch die Dicke des Probenmaterials.
In diesem Versuch bestand das Probenmaterial aus 80 Gewichtsteilen
ActilaneTM 270 (einem bifunktionalen
Urethanacrylatoligomer, das von Akros Chemicals bereitgestellt wurde);
20 Gewichtsteilen PETA (Pentaerythritoltriacrylat); und 20 Gewichtsteilen
DMPA (2,2-Diemthoxy-2-phenylacetophenon, einem Photoinitiator, der
auch als IrgacureTM 651 bekannt
ist). Das Probenmaterial wurde in einer 50 Mikron Schicht unter Verwendung
eines K-Stanbverteilers verteilt. Die Laserenergie betrug 286 mJ
mit Pulsenergien von 50 : 10 : 10 : 10 mJ. Nach der Bestrahlung
wurde das Probenmaterial durch etwa zehnminütiges Rühren des Probenmaterials in
Aceton entwickelt.
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Für 6a bestand das Probenmaterial
aus 60 Gewichtsteilen ActilaneTM 320 (einem
bifunktionalen Epoxidacrylatoligomer, das von Akros Chemicals bereitgestellt
wurde), 40 Gewichtsteilen PETA und 2 Gewichtsteilen DMPA. In diesem
Versuch wurde das Probenmaterial in einer 100 Mikron Schicht auf
einem geschmolzenen Siliziumsubstrat erneut unter Verwendung eines
K-Stabverteilers
verteilt. Die Laserenergie betrug 300 mJ mit Pulsenergien von 65
: 13 : 13 : 13 mJ. Nach der Bestrahlung wurde das Probenmaterial
etwa 30 Minuten in einem sonischen Bad mit Aceton entwickelt. Zum
Spalten der Probe wurde die Probe in flüssigem Stickstoff gekühlt und
dann zerbrochen (nicht geschnitten), um eine gespaltene Ebene zu
erzeugen, die deutliche Terrassen der periodischen Struktur in der
bestrahlten Probe aufweist. Das in 6a dargestellte Atomkraftmikroskopiebild
ist eine 20 × 20
Mikron Abtastung der Filmkante nach dem Bruch. Das Vorhandensein
der Terrassenbildung in dem Probenmaterial bestätigt des Weiteren die Fortsetzung
der periodischen Struktur durch den Körper des Probenmaterials und
die wahre 3D Eigenschaft der periodischen Variation des Brechungsindexes
in dem lichtempfindlichen Material nach der Bestrahlung. In 6b sind die Dimensionen der
gespaltenen Kante graphisch dargestellt. Die Stufenhöhe ist etwa
700 nm, die gleich der Dimension einer Einheitszelle des optisch
erzeugten Musters ist.
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In 7 ist
das Bragg-Beugungsmuster, das von einer dritten Probe eines lichtempfindlichen
Materials erhalten wurde, dargestellt. In diesem Fall bestand das
Probenmaterial aus 50 Gewichtsteilen ActilaneTM 270, 50 Gewichtsteilen PETA
und 2 Gewichtsteilen DMPA. Das Probenmaterial wurde in einer 50 Mikron Schicht
unter Verwendung eines K-Stabverteilers über einem geschmolzenen Siliziumsubstrat
verteilt. In diesem Fall betrug die Laserenergie 286 mJ
mit Pulsenergien von 50 : 10 : 10 : 10 mJ und die Entwicklung des Probenmaterials
nach der Bestrahlung war ein Rühren
in Aceton für
etwa 10 Minuten. Um die Versuchsergebnisse zu erhalten, die in 7 dargestellt sind, wurde
das 3D mikrostrukturierte Photonenkristallmaterial um eine Achse
gedreht, so dass es einen Winkel von etwa 15° mit der [1, 0, –1] Richtung
in der (1, 1, 1) Ebene der fcc-Struktur bildete. Ein kollimierter
Strahl weißen
Lichts wurde auf das Photonenkristallmaterial senkrecht zu dieser
Achse einfallen gelassen; θ =
0° entspricht
einem Einfall entlang der [1, 1, 1] Richtung. Die eingetragenen
Punkte zeigen Wellenlängen,
bei welchen eine starke Bragg-Streuung
von der periodischen Struktur zu einem Minimum in der übertragenen
Intensität
des ungebeugten Strahls (gemessen durch ein Spektrophotometer) führt. Die
Volllinien entsprechen einer Berechnung der Winkelabhängigkeit
der Wellenlängen,
welche die Bragg-Streuungsbedingung für verschiedene Kristallebenen
erfüllen.
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Die zuvor unter Bezugnahme auf 5, 6 und 7 beschriebenen
Versuchsergebnisse zeigen deutlich, wie mit dem gegenwärtigen Verfahren
3D periodische Variationen im Brechungsindex in Form von 3D periodischen
Strukturen, die sich durch die gesamte Tiefe des Probenmaterials
erstrecken, erzeugt werden können.
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Die obengenannten Verfahren können auch
zur Schaffung von Photonenkristallstrukturen verwendet werden, die
gekerbte Defekte enthalten. Solche Defekte sind entweder in Form
von Strukturdefekten oder durch Einbringen isolierter Fremdsubstanz,
möglichennreise
mit nicht linearen optischen Eigenschaften, nützlich. Defekte können dazu
verwendet werden, elektromagnetische Moden innerhalb des Photonenkristallmaterials
zum Zwecke der Schaffung von Wellenleitern oder Mikrohöhlungen
zu schaffen und zu steuern. Mikrohöhlungen, in welchen die Strahlungsemission
in eine geringe Anzahl von Moden kanalisiert wird, können zur
Steuerung der Emissionsrichtung und zur Erhöhung der spektralen Helligkeit
von Strahlungsquellen, wie Leuchtdioden, verwendet werden. Mikrohöhlungen
können
auch zum Schaffen von Lasern mit geringen oder Null-Schwellendichten
beim elektrischen oder optischen Pumpen verwendet werden. Andere
optische oder elektrooptische Vorrichtungen, die Defekte in einem
Photonenkristallmaterial enthalten, werden auch in Betracht gezogen.
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In der vorangehenden Beschreibung
wurde allgemein auf lichtempfindliche Materialien Bezug genommen.
Geeignete Materialien zur Verwendung in den oben genannten Verfahren
sind Acrylat-Negativphotoresist; es sind auch viele analoge Verfahren
möglich.
Polyacrylate sind bei 355 nm transparent; eine Polymerisation wird
durch herkömmliche
Radikal-Photoinitiatoren herbeigeführt und setzt sich im Dunkeln
nach eine gepulsten Belichtung unter Verwendung von Strahlung von
einem frequenzverdreifachten Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von
355 nm fort. Material mit einer hohen Dichte einer photochemisch
herbeigeführten
Vernetzung wird relativ unlöslich
gemacht und bleibt während
der Entwicklung erhalten. Eine geeignete Konzentration eines Radikalinhibitors
kann zum Ändern
der Schwelle zwischen unlöslichen
bestrahlten Bereichen und löslichen
Bereichen oder zur Erhöhung
der Schärfe
dieser Schwelle verwendet werden. Die hauptsächliche chemische Änderung
auf Grund der Polymerisierung tritt mit einer Auslösungsperiode
von mehreren Millisekunden auf, deutlich nach Beendigung der Belichtung.
Somit ist die Bestrahlungsdauer des lichtempfindlichen Materials
vorzugsweise kürzer
als 1 Millisekunde und im Idealfall kürzer als 100 ns. Photochemisch
herbeigeführte Änderungen
im Brechungsindex beeinflussen daher ein dreidimensionales Intensitätsmuster
nicht signifikant, das durch die Überlappung von Strahlen erzeugt
wird, die aus einem einzigen Impuls von einem typischen Nd-YAG-Laser mit einer Impulsdauer
von etwa 6 ns erzeugt werden; die einzige signifikante chemische Änderung,
die wahrscheinlich während
eines solchen Laserimpulses auftritt, ist die Zersetzung der Photoinitiatorspezies.
Ein 100 mJ optischer Impuls kann zum Polymerisieren eines
1 cm2 Films und zur Erzeugung einer Variation
in der periodischen Intensität
verwendet werden, die durch einen Film mit 100 μm Dicke annähernd tiefenunabhängig ist.
Es wird angenommen, dass Defekte in der periodischen Struktur infolge
von Kristalldefekten, Volumenänderungen
durch Wärmeausstrahlung
und Dehnung, die Fähigkeit
des Materials, als Photonenkristall unter Verwendung der zuvor beschriebenen
Verfahrens zu dienen, nicht signifikant beeinflussen.
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Ein alternatives Materialsystem ist
ein Positivphotoresist, der auf einem Copolymer von p-Hydroxystyrol
und t-Butylacrylat beruht. Die Absorption von Ultraviolettlicht
durch einen Photosäuregenerator
löst eine
Reaktion aus, in welcher der Photosäuregenerator die Entfernung
der Schutzgruppen des t-Butylesters
katalysiert, um eine Karbonsäure
zu erhalten. Bei einer Erwärmung
auf 140°C
(Backen nach der Belichtung) werden etwa 200 Karbonsäurereste
pro absorbiertem Photon erzeugt und das Polymer wird in wässerigem
Alkali löslich.
Es kommt zu keinem Quellen und in der herkömmlichen Photolithographie
können
Zeilenauflösungen
von < 250 nm routinemäßig erreicht
werden. In diesem positiven System ist es das stärker bestrahlte Material, das durch
Auflösung
entfernt wird, und das weniger bestrahlte Material, das zur Bildung
einer Photonenkristallstruktur erhalten bleibt. Es kommt zu keinen
wesentlichen Änderungen
im Brechungsindex der Probe bis zum Backen nach der Belichtung,
wodurch die Bedingung, dass das Probenmaterial nicht mehr als 100
ms einer Strahlung ausgesetzt werden soll, gelockert wird.
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Die zuvor beschriebenen Beispiele
und Verfahren können
zur direkten Herstellung von Photonenkristallmaterial verwendet
werden. Das Material, das durch dieses Verfahren hergestellt wird,
kann auch als Matrize für
weitere Herstellungsschritte verwendet werden, um ein Photonenkristallmaterial
mit einem anderen Brechungsindex als jenem des Probenmaterials zu
erzeugen. Wie zuvor erwähnt,
kann ein Material in die Hohlräume
zwischen dem Restmaterial eingeführt
werden, die während
der anfänglichen
lithographischen Technik erzeugt werden. Festes Material kann entweder
durch Verfestigung aus einer Schmelze, oder durch chemische Dampfabscheidung,
oder durch Elektroplattieren, Elektroabscheidung, chemische Abscheidung oder
Ausfällen
aus einer Lösung,
oder durch Sedimentation oder andere Techniken eingebracht werden.
Das ursprüngliche
entwickelte Material kann dann unter Verwendung herkömmlicher
Techniken entfernt werden, um ein Negativ des ursprünglichen
Gitters zu schaffen. Weitere Wiederholungen dieses Schrittes können nach Bedarf
durchgeführt
werden, um ein Gitter aus Material mit dem gewünschten Brechungsindex mit
der korrekten Struktur zu erhalten. Es wird angenommen, dass die
Brechindizes der lichtempfindlichen Materialien, die zur Verwendung
mit den zur beschriebenen Verfahren geeignet sind, nicht imstande
sind, ein Photonenkristallmaterial mit einer vollständigen photonischen
Bandlücke
herzustellen, d. h., mit einem Frequenzbereich, der für alle Fortpflanzungsrichtungen
verboten ist. Daher muss das anfängliche
Photonenkristallmaterial, das durch die zuvor beschriebenen Verfahren
erzeugt wurde, als Matrize in der zuvor dargelegten Weise verwendet
werden, um ein Photonenkristallmaterial mit dem gewünschten
Brechungsindex zu erzeugen.
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Obwohl in den ausführlichen
Beispielen auf kohärente
Strahlungsquellen Bezug genommen wurde, kann das Vertahren als Alternative
teilweise kohärente
Quellen, wie eine Entladungslampe, verwenden. Obwohl die meisten
Anwendungen des zuvor beschriebenen Verfahrens eine einzige Laserquelle
verwenden, wird auch in Betracht gezogen, dass mehrere Laserquellen
verwendet werden können.
Die Strahlung mit einer Wellenlänge
von 355 nm, die in dem zuvor beschriebenen Verfahren verwendet wurde,
liegt im Ultraviolett-Spektralbereich,
und es können
alternativ Wellenlängen
elektromagnetischer Strahlung sowohl mit längeren als auch kürzeren Wellenlängen verwendet
werden, wo dies angemessen ist.
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Obwohl dies oben nicht erwähnt wurde,
wird in Betracht gezogen, dass mit einer einzigen Quelle der Strahl
unter Verwendung teilweise reflektiver Spiegel geteilt wird, um
die Strahlung nach der Amplitude zu teilen, oder unter Verwendung
optischer Komponenten, die verschiedene Teile der Wellenfront von
der Quelle auf verschiedene Weisen (Teilen der Amplitude) reflektieren,
beugen, brechen oder andersartig beeinflussen. Zusätzlich ist
unter Verwendung des oben genannten Verfahrens möglich, dreidimensionale Strukturen
unter Verwendung von mehr als vier schneidenden Strahlen herzustellen
und unter Verwendung von einer Strahlung, die nicht die Form kollimierter
Strahlen hat.
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Mit den zuvor beschriebenen Verfahren
und Beispielen können
Photonenkristalle mit einer dreidimensionalen periodischen Struktur
hergestellt werden. Solche Struktur sind als verlustarme Wellenleiter
mit enger Krümmung
für die
Signalleitung in einem Chip nützlich.
Ebenso können
unter Verwendung des Photonenkristalls Emissionswellenlängen gesteuert
und die spektrale Helligkeit von Leuchtdioden verbessert werden.
Der Photonenkristall kann zusätzlich
zur Begrenzung der Anzahl von Moden verwendet werden, in welche
ein Laser Strahlung aussenden kann, wodurch der Schwellenstrom des
Lasers herabgesetzt wird, und die Eigenschaft eines Photonenkristalls,
eine spontane Emission in einem bestimmten Frequenzband zu unterdrücken, kann
zur Verstärkung
des Photonenzahl-Squeezing verwendet werden, wodurch eine Verringerung
in der Bit-Fehlerrate in optischen Übertragungen geboten wird.
Weitere Anwendungen des Photonenkristalls, der gemäß den beschriebenen
Verfahren erzeugt wird, werden für ästhetische
wie auch technische Zwecke in Betracht gezogen.