Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

1. Microsphere Fabrication

1. Wählen Sie eine kleine Menge (ca. 5 cm) aus optischen Fasern, Streifen ~ 1,5 "Verkleidung von einem Ende und reinigen Sie entweder mit Methanol oder Ethanol (Abbildung 1a, b).
2. Falls verfügbar, spalten das Ende mit einer optischen Faser Cleaver. Wenn nicht vorhanden, mit Drahtschneider oder einer Schere, so dass ~ 0,5 "links geschnitten wird. Der Vorteil der Verwendung einer optischen Faser Cleaver ist, dass es eine sehr glatte, gleichmäßige Schnitt wie in Abbildung 1b produziert. Übermäßige Rauheit oder Defekte aus einem Cut kann dazu führen, unebenen Reflow, wodurch die Güte der resultierenden Kügelchen.
3. Setzen Sie das gereinigte Faserende zu 3W von CO _2-Laser zu einer konzentrierten Leistung ~ 500 um Durchmesser Punktgröße für ~ 1 Sekunde (Abbildung 1c, d, e). Dies erzeugt Kugeln ~ 200 um im Durchmesser, aber die Größe kann durch Erhöhen oder Verringern des Durchmessers der optischen Faser abgestimmt werden. Eine leichte Anpassung der Laserintensität kann auch be notwendig, Reflow größeren oder kleineren Kugeln.

2. Mikrotoroid Fabrication

1. Konstruktion und Herstellung einer Photomaske mit dunklen, festen Kreisen, in dem Abstand und Durchmesser Ihrer Wahl. Es ist wichtig zu beachten, dass die Ringspulen hergestellt werden 25-30% kleiner als die Kreise auf der Maske. Zum Beispiel wird ein ausgefüllter Kreis mit einem Durchmesser von 100 Mikron einen Toroid mit einem Durchmesser von etwa 75 Mikron herzustellen. Es ist auch empfohlen, mindestens 1 bis 2 mm Abstand zwischen den einzelnen Kreis und mindestens 5 mm Abstand zwischen den Arrays von Kreisen und an den Rändern der Maske zu verlassen. Da die Probe-Wafer muss vorsichtig mit einer Pinzette gehandhabt werden, ist es wichtig, Raum für die Pinzette zu greifen, ohne eine Beschädigung der Ringspulen verlassen. Der zusätzliche Platz bietet auch Raum für eine sich verjüngende Glasfaser, um Licht in die fertigen Geräte und ermöglicht Proben in kleinere Arrays leichter geschnitten werden. Für dieses Verfahren haben wir eine Maske mit Reihen von 160 um dimesser Kreise ~ 1mm auseinander, mit ~ 5mm Abstand zwischen den einzelnen Reihe von Kreisen. Die fertigen Ringkerne sind ca. 110 m im Durchmesser.
2. Beginnen Sie mit Silizium-Wafern mit einer 2 um dicke Schicht aus thermisch gewachsenem Siliziumdioxid. Cleave die Wafer, um das gewünschte Muster auf dem microdisk Photolithographiemaske passen, was Raum für Fotolack Randwulst. Beachten Sie, dass zu Beginn der Herstellung, ist es gewöhnlich am bequemsten zu ätzen mehrere Arrays von Kreisen größere Stücke von Silizium-Wafern (~ einige cm x mehrere cm). Größere Wafer ermöglichen Photolithographie und Ätzen der BOE mehr Proben zu einem Zeitpunkt, und sind leichter mit einer Pinzette behandelt. Später, vor dem XeF ₂ Ätzschritt wird die Spaltung der größeren Wafern in kleinere Anordnungen empfohlen, schnellere, gleichmäßigere XeF ₂ Ätzen zu ermöglichen.
3. In einem Abzug durchzuführen, gründlich reinigen, die Wafer durch Spülen mit Aceton, Methanol, Isopropanol und deionisiertem Wasser. Blasen Sie die Proben trocknen mit einem Stickstoff-oder gefiltert compressed Luftgewehr, und legen Sie sie auf einer heißen Platte bei 120 ° C für mindestens 2 Minuten trocknen lassen.
4. Nach Trocknung der Wafer kühlen, legen Sie sie in einer entflammbaren / Lösungsmittel Abzug durchzuführen und zu entlarven HMDS für 2 Minuten mit dem Aufdampfverfahren. Eine einfache Aufdampfverfahren: ein paar Tropfen von HMDS in einem kleinen 10ml Becherglas und dann die Abdeckung der Wafer und kleines Becherglas mit einem größeren Glasbehälter, um den Dampf halten.
5. Legen Sie eine Probe auf einem Spinner mit einem passenden Halterung. Verwendung einer Tropfflasche oder Spritze und Filter Fotolack Anwendung auf die Probe. Schleuderbeschichtungsverfahren S1813 Photoresists auf jeder Probe für 5 Sekunden bei 500 UpM, 45 Sekunden bei 3000 rpm gefolgt. Randentlackung nicht erforderlich, wenn der Wafer so groß ist, daß der Randwulst nicht mit der Strukturierung stören.
6. Weichbacken der Fotolack auf einer heißen Platte bei 95 ° C für 2 Minuten.
7. Mit Hilfe einer UV-Mask Aligner und dem gewünschten Photomaske, entlarven die Fotolack-bedeckten Proben auf eineinsgesamt 80mJ/cm ² von UV-Strahlung.
8. Tauchen der Proben in MF-321 an Entwickler, um den Photoresist, die UV-Licht ausgesetzt war, zu entfernen. Bei der Entwicklung, genau zu beobachten, wie der Photoresist von dem Wafer entfernt und gelöst wird. Es ist wichtig zu rühren / swish des Behälters konstant während dieses Prozesses, um sicherzustellen, dass der Photoresist gleichmäßig entfernt wird. Für den gegebenen Parametern erfolgt die Photoresist ca. 30 Sekunden bis zu entwickeln.
9. Wenn die meisten der unerwünschten Fotolack im Entwickler gelöst ist, spülen Sie die Proben gründlich unter fließendem Wasser, blasen Sie sanft trocknen die Proben mit Hilfe eines Stickstoff-oder Luftgewehr, und prüfen Sie die Proben mit einem Mikroskop, um sicherzustellen, alle unerwünschten Fotolack entfernt wurde. Bei Bedarf können die Proben wieder in Entwickler eingetaucht werden, jedoch sollte man darauf achten, nicht um die Proben überentwickeln wie die gewünschte Photolackstrukturen auch beschädigt werden könnten. (Wenn die gewünschten Muster beschädigte oder defekte sind, kann der Fotolack seinentfernt und mit Aceton Schritte 2,1-2,9 wiederholt werden kann).
10. Nach der Entwicklung, spülen Sie gründlich die Proben in fließendem Wasser, blasen Sie sanft trocknen die Proben und harte backen sie auf einer heißen Platte bei 110 ° C für 2 Minuten. Dieser Schritt erwärmt das Photoresist oberhalb seiner Glasübergangstemperatur, Aufschmelzen des Photoresist und teilweise Reparatur Rauhigkeit aufweist, die während der Entwicklung aufgetreten ist.
11. Mit Teflon-Container und der notwendigen Schutzausrüstung, tauchen die Proben in verbesserter gepufferten Oxid-Ätzmittel (BOE). BOE enthält HF, die die Kieselsäure nicht von Photolack bedeckt, um kreisförmige Siliciumdioxid-Pads auf der Silizium-Wafer (2a-c) zu bilden ätzt. Verbesserte gepufferte HF erzeugt eine glattere ätzen, die Minimierung Rauheit in den erhaltenen Silica-Kreisen. Während es möglich ist, zu mischen gepufferter HF beginnend mit 49% HF, können diese sehr unterschiedliche Ergebnisse, wie sie typischerweise nur in geringen Mengen hergestellt werden führen.
12. Nach ca. 15-20 Minuten (d* je nach Muster, Stichprobengröße und Anzahl der Proben), entfernen Sie die Proben aus der BOE mit Teflon-Pinzette. Spülen Sie die Proben in fließendem Wasser. Das Siliciumdioxid wurde entfernt, als die Proben hydrophob werden.
13. Nach dem Ätzen, Spülen und Trocknen der Proben, untersuchen sie mit einem Lichtmikroskop. Überprüfen Sie, ob die gewünschten Muster wurden komplett geätzt und alle unerwünschten Kieselsäure entfernt wurde. Falls erforderlich, geben die Proben an das BOE für weitere Ätzung. Man sollte darauf achten, nicht um die Proben Überätzzeit, oder die kreisförmige Muster unter dem Fotolack kann beschädigt werden.
14. Sobald BOE Ätzen beendet ist, gründlich die Proben in deionisiertem Wasser und trocken blasen. Wenn die Proben auf große Stücke von Silizium-Wafer sind, wird auch empfohlen, sie (unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, oder Diamant Schreiber) in kleinere Stücke mit einzelnen Zeilen von Siliciumdioxid Kreise schneiden. Einzelne Reihen von Kreisen schneller und gleichmäßig in der XeF geätzt_2-Ätzung Schritt (2.16). Siliziumstaub durch das Schneiden erzeugt wird während der Reinigung im nächsten Schritt entfernt.
15. Entfernen des Photoresists durch Spülen mit Aceton, Methanol, Isopropanol und deionisiertem Wasser und Trocknen der Proben unter Verwendung eines Stickstoff Pistole und Erhitzen auf 120 ° C heißen Platte für mindestens 2 Minuten.
16. Mit Hilfe eines XeF ₂ Radierer, unterbieten die Silizium unterhalb der runden Pads Silica Silica-Mikroplatten (Abbildung 2d-f) zu bilden. Die Höhe geätzt sein sollte ca. 1/3 der Kieselsäure Kreis der Größe, so dass die resultierenden microdisk die Säule etwa 1/3-1/2 des gesamten Scheibendurchmesser, als durch Inspektion mit einem optischen Mikroskop bestimmt ist. Die Anzahl der Impulse XeF ₂ und die Dauer jedes Impulses abhängig von der Menge an Silicium in der Kammer und der Art von XeF ₂ Radierer verwendet.
17. Nach XeF ₂ Radierung, entlarven die Proben zu einem fokussierten CO _{2-Laserstrahl} auf ca. 12W Intensität für ~ 3 Sekunden lang oder bis eine glatte Toroid gebildet wird (Abbildung 2g-i). Abhängig von der genauen Größe der Platte und der Menge an XeF ₂ lagen, einem etwas höheren oder einer niedrigeren Intensität und Belichtungszeit erforderlich sein, um eine Mikrotoroid bilden. Es ist wichtig, dass das Zentrum des Laserstrahls und dem Zentrum der Mikroplatten ausgerichtet sind, so daß das Siliciumdioxid Mikroplatten eine glatte, kreisförmige Mikrotoroid bilden.

3. Repräsentative Ergebnisse

Die Mikrokügelchen und Mikrotoroid Geräte abgebildet unter Verwendung sowohl der optischen Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (1d, e und Abbildung 2h, i) werden. In allen Bildern ist die Gleichmäßigkeit der Oberfläche der Vorrichtung deutlich zu erkennen.

Um sicherzustellen, dass die detaillierte Vorgehensweise ultrahohem Q Geräten herstellt, auch den Q-Faktor von mehreren Geräten, indem eine Linienbreite (Δλ) Messung und Berechnung der geladenen dadurch gekennzeichnetQ aus dem einfachen Ausdruck: Q = λ / Δλ = ωτ, wo λ = Resonanzwellenlänge, ω = Frequenz und τ = Photonenlebensdauer. Repräsentative Spektren von jeder Vorrichtung hergestellt unter Verwendung der oben detaillierten Verfahren ^1,9 und einen Vergleich Graphen von mehreren Geräten ist in 3 gezeigt. Die Qualitätsfaktoren aller Geräte sind über 10 Millionen, wobei die meisten davon über 100 Mio. Euro.

Das Spektrum der Mikrokügelchen ein einziges Signal, was anzeigt, dass das Licht in entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn ausbreitenden optischen Mode gekoppelt ist. Jedoch zeigte das Spektrum des Toroids eine geteilte Resonanz, was anzeigt, dass Licht in sowohl den Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn Moden gleichzeitig gekoppelt ist. Dieses Phänomen tritt auf, wenn es eine leichte Ungenauigkeit an der Kupplungsstelle. Durch Einsetzen des Spektrums zu einem Dual-Lorentz, kann der Q-Faktor der beiden Modi bestimmt werden. Die geteilte Resonanz Phänomenna kann sowohl in Kugel und Torus-Resonatoren auftreten, ist aber häufiger in Toroiden beobachtet, wie sie anfälliger für Unvollkommenheiten und sind weniger optischen Moden im Vergleich zu Kugeln.

Abbildung 1. Ablaufschema der Mikrokugel Hohlraum Herstellungsprozess. a) Rendering und b) optische Aufnahme eines gereinigt und gespalten optische Faser. c) Rendering, d) und e Mikroskopiebild) Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines microspere Resonator.

Abbildung 2. Flussdiagramm der Mikrotoroid Hohlraum Herstellungsprozess. a) Rendering, b) Draufsicht optischen Aufnahme und c) Seitenansicht Rasterelektronenmikrographie der kreisförmigen Oxid-Pad, wie durch Photolithographie und Ätzen BOE definiert. Man beachte die leichte Keilform das Oxid, das durch die BOE ausgebildet ist. d) Rendering, e) Draufsichtoptischen Aufnahme und f) Seitenansicht Rasterelektronenmikrographie der Oxid-Pad nach dem XeF ₂ Ätzschritt. Beachten Sie, dass das Oxid Platte die keilförmigen Umfang trägt. g) Rendering, h) Draufsicht Mikroskopiebild und i) Seitenansicht Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Mikrotoroid Hohlraum.

3. Repräsentative Gütefaktor Spektren der a) Mikrokügelchen und b) Mikrotoroid Resonanzhohlräume wie unter Verwendung der Linienbreite Messverfahren. In sehr hohen Q-Geräten, kann man beobachten, Modus-Spaltung oder eine Doppel-Spitze, in der Licht reflektiert einen kleinen Fehler und zirkuliert in beiden Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. c) Vergleich Diagramm, das die Q-Faktoren von mehreren Mikrosphäre und Mikrotoroid Resonanzhohlräumen. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung .

Abbildung 4. Schematische Darstellung des CO _2-Laser Reflow-Set-up. Die CO _{2-Laserstrahl} (durchgezogene blaue Linie), wird reflektiert und dann auf die Probe fokussiert. Es geht durch den 10,6 um / 633 nm Strahl-Kombinierer, die 10,6 um und überträgt 633 nm reflektiert. Die optische Säule geben die Reflexion der Probe aus der Strahlvereiniger, daher ist das Bild etwas rot. Eine Liste der benötigten Teile für dieses Setup ist in Tabelle 4.

Abbildung 5. Falsch gelötet ein) Mikrosphäre und b) Mikrotoroid Resonanzräume. Durch falsche Platzierung innerhalb des Strahls, ist die Störung eines Bus-gebildet ist. c) Als Ergebnis einer schlechten Photomaske oder schlechte Lithographie, ist das Toroid mondförmige.

Wie bei jeder optischen Aufbau, Aufrechterhaltung der Sauberkeit bei jedem Schritt des Herstellungsprozesses ist von entscheidender Bedeutung. Da es zahlreiche Lehrbücher zum Thema Lithografie und Herstellung geschrieben sind, werden die unten aufgeführten Vorschläge nicht den Anspruch auf Vollständigkeit, sondern markieren nur einige der häufigsten Fragen haben Forscher konfrontiert. ^19-20

Da die Gleichförmigkeit der Mikrotoroid der Peripherie durch die Gleichförmigkeit der ersten Platte bestimmt wird, ist es sehr wichtig, um Muster sehr Kreisscheiben. Häufige Probleme spezifisch für die Mikrotoroid sind: 1) Pixilation von Photomasken, 2) arm Photolithographie (unter oder über Belichtung, unter oder über der Entwicklung und rauen oder unebenen Ätzen) und 3) die schlechte Haftung der Fotolack an die Silika; Hier sprechen wir jede Ausgabe einzeln.

Es ist sehr wichtig, eine hohe Auflösung Photomasken erwerben. Während niedrige Auflösung Fotomasken oder Ink-Jet-Photomasken sind readily zur Verfügung, werden diese in "pixelig" oder gezackte Kreise führen welche nicht Reflow richtig, was zu nicht-kreisförmigen Ringkerne. Die vorliegenden Protokolle geben UV-Belichtungszeiten für sehr spezifische Photoresistfilms Dicken bei bestimmten UV-Intensitäten. Wenn unterschiedliche Schichtdicken verwendet werden oder wenn der Fotolack abgelaufen ist, dann eine andere Belichtungszeit erforderlich sein wird. Es ist auch ratsam, seine photoaligner kalibrieren, um sicherzustellen, das richtige UV-Exposition gegeben ist. In ähnlicher Weise kann die Zeit in Entwicklers Bedarf variieren, wie es spezifisch für die Photoresist der Schichtdicke ist und vorausgesetzt, dass der Photolack vollständig belichtet ist. Schließlich, wenn die Kieselsäure ist nicht auf HMDS unmittelbar vor dem Photoresist aufgebracht wird ausgesetzt ist, wird der Photolack nicht gut an der Wafer. Als ein Ergebnis, wenn die Probe geätzt wird unter Verwendung BOE, wird es zu einem schweren und nicht einheitlich Hinterschneidung.

Es gibt ein anderes Thema, das auch stellt sich häufig mit dem Toroid Herstellungsprozess und istim Zusammenhang mit dem XeF ₂ unterboten Schritt. Aufgrund der hohen Selektivität der XeF ₂ für Silizium über Kieselgel, wird die XeF ₂ nicht direkt etch das native Oxid welche inhärent auf dem Silizium-Wafer ist. Daher ist es wichtig, sicherzustellen, um das potenzielle Wachstum eines solchen Oxids zu minimieren und weiterhin für die Beseitigung keine weitere Oxid-Wachstum durch gründliches Spülen des XeF ₂ Ätzkammer mit Stickstoff. Wird dies nicht getan wird, wird die XeF2 etch extrem rau oder versenkte.

Zusätzlich, um eine Ringstruktur zu bilden, ist es sehr wichtig, um ein isotropes Silicium Ätzmittel verwendet. Während XeF ₂ ist das am häufigsten verwendete Ätzmittel im Mikrotoroid Herstellungsverfahren gibt es andere, wie HNA, die eine Mischung aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure ist. ²⁰ Allerdings, da es HF enthält, ist es nicht so selektiv für Silizium als XeF ₂ ist, und das Ätzen des Siliciumdioxids muRunde berücksichtigt werden.

Die CO _2-Laser Reflow-Prozess verwendet werden, müssen sehr genau durchgeführt werden, um erfolgreich zu fabrizieren und Mikrotoroide Mikrosphären. Eine Standard-und einfache Reflow-Setup ist in 4 mit einer Liste von Teilen in Tabelle 4 gezeigt. Es gibt viele Möglichkeiten, eine solche Konfiguration zu erstellen, und das Layout und Teile kann variieren. Allerdings muss das Design erfüllen zwei wichtige Kriterien. Erstens muss der Abstand zwischen der Probe und CO _2-Laser die Fokussierlinse gleich der Brennweite des Objektivs, so dass die Probe im Fokus des Laserstrahls befindet. Zweitens sind die Gleichmäßigkeit der CO _2-Laser in dem Lichtpunkt und der Platzierung der Vorrichtung in der Mitte des Flecks äußerst wichtig. Dies erfordert, dass alle Freiraumoptik ausgerichtet sind, und natürlich, Freiraumoptik kann mit Temperatur-und Feuchtigkeitsschwankungen zu driften. Beispiel Geräte, die mit fehlerhaft hergestellt wurdenausgerichtet Optik sind in Abbildung 5. Zur Vermeidung dieser Probleme Ausrichtung, Kameras und Phasen verwendet werden, um leichter, eine genaue Positionierung einer Probe unter dem Strahl zu ermöglichen. Während mit Hilfe eines optischen Tisch oder Schwingungsisolation nicht benötigt wird, kann mit dem Reflow-Komponenten integriert und gesichert auf einem Steckbrett verbessern Ausrichtung.

Wenn ein CO _2-Laser nicht verfügbar ist, können alternative Reflow Verfahren verwendet werden. Für die Mikrokügelchen, könnte ein Wasserstoffatom Brenner nach einem alternativen Verfahren verwendet werden. Wenn diese Methode gewählt wird, ist es sehr wichtig, alle erforderlichen Sicherheits-Protokollen folgen beim Aufbau des Reflow-Set-up, wie eingebautem Rückschlagsicherung auf dem Wasserstofftank und mit Hilfe eines Wasserstoff-Brenner, um das potenzielle Risiko einer Explosion zu beseitigen. Typischerweise wird, wenn dieser Ansatz verwendet wird, eine ähnliche Abbildungssystem, dass für die CO _2-Laser Aufbau beschrieben wird, zur Überwachung des Reflow-Prozess verwendet. Allerdings wird ein Wasserstoffatom Fackel nicht wen für die Mikrotoroid, als die Schmelztemperatur von Silizium weniger als der von Silika. Die CO _2-Laser überwindet dieses Problem, weil Kieselsäure stark absorbiert das Laserlicht während Silizium nicht. Deshalb haben wir gefunden, dass mit einem Reflow richtig ausgerichtet CO _{2-Laserstrahl} es uns, die gleichbleibend gute für hohe Güte Mikrokügelchen und Mikrotoroid Resonatoren benötigt erhalten können.

Das Paar von hier vorgestellten Verfahren ermöglichen die Herstellung von ultra-high-Q Siliciumdioxid Resonanzhohlräume. Infolge ihrer langen Photonenlebensdauern, haben diese Geräte zahlreiche wichtige Anwendungen, insbesondere im Bereich der biologischen Wissenschaften.