Modern fabrication techniques for nanostructures and photonic components

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan Aalto-yliopiston Micronova-puhdastilaympäristössä kehitettyjä uusia mikro- ja nanotekniikan valmistusmenetelmiä ja niiden sovelluksia. Valmistusmateriaaliksi valittiin pii, koska se on kestävä ja stabiili materiaali, jolla on suotuisat sähköiset ja optiset ominaisuudet ja jota on verrattain helppo prosessoida. Työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäinen osa käsittelee nanovalmistusta, pääosin ns. "topdown"-valmistustekniikoita, joihin kuuluu menetelmiä, joilla materiaalia poistetaan ennalta suunnitellun kuvion mukaisesti. Toisessa osassa tutkitaan fotoniikan komponenttien ominaisuuksien räätälöintiä atomikerroskasvatettujen ohutkalvojen avulla. Tässä tutkimustyössä on kolme keskeistä prosessia: atomikerroskasvatus, fokusoidun ionisuihkun avulla suoritettu kuviointi ja kuivaetsaus. Tutkimuksen tuloksena on kehitetty useita piimateriaalin muokkaamiseen tarkoitettuja valmistusmenetelmiä. Merkittävä osa tuloksista saatiin hyödyntämällä fokusoidun ionisuihkun (FIB) avulla suoritettua litografiaa, jolloin oli mahdollista saada aikaan nanorakenteita myös epätasaisille ja kalteville pinnoille. Tätä prosessia voi hyödyntää sekä 3Dintegraatiossa että mikro- ja nanofluidistiikassa. Samoja periaatteita voidaan soveltaa myös vapautettujen nanorakenteiden valmistamiseen. Tämäntyyppisiä rakenteita käytetään mm. materiaalien ominaisuuksien tutkimuksissa ja "lab-on-a-chip"- sovelluksissa. Tutkimuksessa on myös kehitetty fokusoidun ionisuihkun käyttöön perustuva ns. "harmaasävy"- litografia, jolla kyetään aikaansaamaan erilaisia nanorakenteiden korkeusprofiileja. Tätä menetelmää voi käyttää pienten integroitujen diffraktiivisen optiikan komponenttien valmistukseen, jotka toimivat ultraviolettiaallonpituuksilla. Työssä kehitetty litografia mahdollistaa uuden tavan tehdä piipohjaisia fotoniikan hilakytkimiä. Lisäksi tässä väitöskirjassa esitellään tapoja käyttää atomikerroskasvatusta fotoniikassa aaltojohteiden ja mikroresonaattorien virittämiseen esimerkiksi siten, että niiden toiminta on polarisaatiosta riippumatonta. Tässä työssä saavutetut tulokset laajentavat nanoteknologian mahdollisuuksia sekä nanorakenteiden valmistamisessa että optiikan sovelluksissa. Kehitetyissä valmistusmenetelmissä prosessivaiheiden määrä on minimoitu, joten ne sopivat erityisesti prototyyppien valmistamiseen. Työssä esitetään myös suuntaviivoja miten näitä kehitettyjä perustekniikoita voisi jatkossa edelleen tehostaa.