Silika Ultra Yüksek Kalite Faktörü Microresonators Fabrikasyon

1. Microsphere Fabrikasyon

1. Bir ucundan optik lif, şerit ~ 1.5 'kaplama küçük bir miktarda (yaklaşık 5 inç) seçmek ve metanol veya etanol (Şekil 1a, b) aşağıdakilerin ikisinden biri ile temizlenir.
2. Bir fiber optik satırla Varsa, çatlatma sonu. Mevcut değilse, tel kesme veya ~ 0.5 "bırakılır böyle makasla kesti. Bir fiber optik cleaver kullanmanın avantajı Şekil 1b olarak çok düzgün, düzgün kesme üretmesidir. Bir kesiden Aşırı pürüzler veya kusurlarına neden olabilir Ortaya çıkan kürelerin kalite faktörü düşürücü düzensiz akar.
3. Için bir ~ 500uM çapı spot büyüklüğü odaklı _CO2 lazer gücü 3W temizlenmiş fiber sonuna Açığa ~ 1 saniye (Şekil 1c, d, e). Bu çapa küreler ~ 200μm üretir; Bununla birlikte, boyutu fiber optiğin çapı artan ya da azalan tarafından ayarlanabilir. Biraz b de lazer yoğunluğu olabilir ayarlayarakakıtacak daha büyük veya daha küçük küreler için gerekli e.

2. Microtoroid Fabrikasyon

1. Tasarım ve seçtiğiniz aralığı ve çapı, karanlık, katı daireli bir photomask olun. Bu üretilen toroidler maske daireler 25-30% daha küçük olacağını dikkate almak önemlidir. Örneğin, 100 mikron arasında bir çapa sahip katı bir daire yaklaşık 75 mikron arasında bir çapa sahip bir toroid üretecektir. Ayrıca, her bir daire arasında ve uzayın en az 5mm çevrelerin diziler arasında ve maske kenarlarında boşluk en az 1-2mm bırakmanız önerilir. Örnek gofret dikkatlice cımbız ile ele alınması gerektiğinden, bu toroidler zarar vermeden kavrama cımbız için alan bırakmak önemlidir. Ayrıca, ilave alan nihai cihazlar içine çift ışık konik bir optik lif için oda sağlar, ve numuneler daha kolay bir şekilde daha küçük dizileri halinde kesilmesini sağlar. Bu işlem için, biz 160 mikron di sıraları ile bir maske kullanılırçevrelerin her satır arasındaki boşluk ~ 5mm ile ayrı ameter daireler ~ 1mm. Bitmiş toroidler çapı yaklaşık 110 mm'dir.
2. Termal yetiştirilen bir silika 2 mikron kalınlığında bir tabaka ile silikon gofret ile başlayın. Cleave gofret fotolitografi maskesi üzerinde istenilen microdisk kalıplarına uydurmak için, ışığa dayanıklı kenar boncuk yer bırakarak. Fabrikasyon başında, genellikle silikon yonga plakalarının daha büyük parçaları (~ birkaç cm x kaç cm) çevrelerin etch çeşitli diziler için en uygun olduğunu unutmayın. Büyük gofret fotolitografi ve bir defada daha fazla numune aşınmasından BOE, izin ve daha kolay cımbız ile işlenir. Daha sonra, XeF ₂ aşındırma aşamasından önce, daha hızlı, daha düzgün XeF ₂ dağlama izin çatlatma küçük diziler içinde büyük gofret tavsiye edilir.
3. Bir fumehood olarak, aseton, metanol, izopropanol ve deiyonize su ile durulanması ile gofret iyice temizlenir. Örnekleri bir azot veya filtrelenmiş ait kullanarak kurutun üfleyinressed hava tabancası ve sıcak bir tabağa yerleştirin kuruması için en az 2 dakika boyunca 120 ° C olarak ayarlanır.
4. Gofret serin icar sonra, bir çözücü / yanıcı fumehood yerleştirin ve buhar biriktirme yöntemi kullanılarak 2 dakika HMDS maruz. Basit bir buhar biriktirme yöntemi: Küçük bir 10ml beherdeki HMDS'nin birkaç damla damlatın ve sonra buharı tutmak için büyük bir cam kap ile gofret ve küçük ölçek kapsamaktadır.
5. Uygun boyutta bir montaj ile bir değer bir örnek koyun. Bir damlalıklı şişe veya şırınga ve filtre kullanarak, örnek rezist geçerlidir. 3000rpm az 45 saniye takip 500rpm az 5 saniye, her numune üzerine kat S1813 fotorezist Spin. Gofret kenarı boncuk desen karışmaz böylece yeterince büyükse Kenar boncuk çıkarılması gerekli değildir.
6. Yumuşak fırında 95 azından bir sıcak plaka üzerinde ışığa ° C de 2 dakika.
7. UV maske hizalama ve istenilen photomask kullanarak, için heba kaplı örnekleri ortayaUV radyasyon 80mJ/cm ² toplam.
8. UV ışınlarına maruz kalmış ışığa çıkarmak için MF-321 geliştirici örnekleri daldırın. Gelişmekte iken fotorezist gofret kaldırılır ve çözünmüş olarak, yakından izliyorum. Bu ışığa üniform kaldırılır sağlamak için bu işlem sırasında sürekli olarak swish / kabı karıştırılmaya önemlidir. Verilen parametreler için, ışığa yaklaşık 30 saniye geliştirmek için alır.
9. En istenmeyen fotorezist geliştiricisi çözünmüş zaman, akan su altında iyice durulayın örnekleri, hafifçe bir azot veya hava tabancası kullanarak örnekleri kurutma makinesiyle kurutabilir ve tüm istenmeyen fotorezist kaldırıldı sağlamak için bir mikroskop ile inceleyecektir. Gerekirse, örnekler geliştirici tekrar dalmış olabilir, ancak bir arzu fotorezist desenleri de zarar verebileceğinden örnekleri overdevelop için dikkatli olmalıdır. Istenilen desen hasarlı veya kusurlu ise (, heba olabiliraseton ve adımları 2,1-2,9) tekrar tekrar edilebilir ile kaldırıldı.
10. Geliştirdikten sonra, iyice akan su örneklerde yıkayın, hafifçe kurulayın örnekleri darbe ve sabit 110 sıcak bir tabağa fırında 2 dakika ° C. Bu adım, gelişmekte işlemi sırasında ışığa ve kısmen tamir pürüzlülüğü Yeniden akıtılan, onun cam geçiş sıcaklığı yukarıda fotorezist ısıtır.
11. Teflon kaplarda ve gerekli koruyucu ekipman kullanımı, geliştirilmiş tamponlanmış oksit asitlenmesi (BOE) örneklerde batırmayın. BOE silikon (Şekil 2a-c) dairesel silika yastıkları oluşturmak için ışığa kapsamında değildir silika etches HF içerir. Geliştirilmiş tamponlu HF çıkan silika çevrelerinde düzgün bir aşındırma, minimize pürüzlülüğü üretir. O HF% 49 HF ile başlayan tamponlu karıştırmak için mümkün olsa da, bu tipik olarak sadece küçük miktarlarda yapılan son derece değişken sonuçlara yol açabilir.
12. Yaklaşık 15-20 dakika (d sonrakalıpları, örnek boyutları ve numune sayısı) üzerine epending, teflon cımbız kullanarak BOE gelen örnekleri çıkarın. Dikkatle su, çalışan örnekleri durulayın. Örnekleri hidrofobik olunca silika kaldırılmıştır.
13. , Yakma durulama ve numuneler kurutulduktan sonra, optik bir mikroskop kullanarak onları kontrol edin. Istenilen desen tamamen kazınmış olan ve istenmeyen tüm silika kaldırılmıştır emin olun. Gerekirse, daha fazla gravürü için BOE için örnekleri dönün. Bir örnek overetch için dikkatli olmalı, ya da ışığa altında dairesel model hasar görebilir.
14. Bir kez BOE aşındırma tamamlandığında, iyice deiyonize su örnekleri durulayın ve kurulayın darbe. Örnekleri silikon büyük parça üzerinde ise, o da onları (bir dicing testere veya elmas çizici kullanarak) silika çevrelerin tek tek satırları daha küçük parçalar halinde kesilmiş tavsiye edilir. Çevrelerin Bireysel satır XeF daha hızlı ve düzgün kazınmış olan₂ aşındırma adım (2.16). Kesme tarafından üretilen silikon toz sonraki adımda temizlik sırasında kaldırılır.
15. Aseton, metanol, izopropanol ve deiyonize su ile durulanması ile ışığa kaldırmak ve en az 2 dakika boyunca 120 ° C'de sıcak plaka üzerinde, bir nitrojen tabanca ve ısıtma kullanılarak örnek kurutun.
16. Bir XeF ₂ etcher kullanılarak, silika microdisks (Şekil 2B-f) oluşturmak üzere, dairesel silika pedler altında silikon undercut. Kazınmış miktarda elde microdisk en direği olarak optik bir mikroskop ile inceleme ile belirlenen toplam disk çapı, yaklaşık 1/3-1/2 olacak şekilde, yaklaşık 1/3 silika çemberin büyüklükte olmalıdır. XeF ₂ darbelerinin sayısı ve her darbenin süresi haznesi ve kullanılan XeF ₂ etcher tipinde silikon miktarına bağlı olarak değişir.
17. XeF ₂ aşındırma sonra, yaklaşık 1 odaklanmış bir _CO2 lazer ışınına maruz örnekleri~ 3 saniye ya da pürüzsüz toroid kadar 2W yoğunluğu (2g-i Şekil) oluşur. Diskin tam boyut ve XeF ₂ miktarı undercut, biraz daha yüksek veya daha düşük bir yoğunluğu ve maruz kalma süresine bağlı olarak, bir microtoroid oluşturmak için gerekli olabilir. Bu silika microdisk düz, dairesel microtoroid oluşturacak şekilde, lazer ışını ve microdisk merkezinde hizalanmış olması önemlidir.

3. Temsilcisi Sonuçlar

Mikroküre ve microtoroid aygıtları, optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (Şekil 1d, e ve Şekil 2h, i) hem kullanılarak görüntülenebilir. Tüm görüntüler, cihaz yüzeyinin bütünlüğü açıkça bellidir.

Ayrıntılı bir yaklaşım ultra-yüksek-Q cihazlar oluşturur doğrulamak için, biz de bir çizgi kalınlığı (Δλ) ölçümü yapan ve yüklü hesaplayarak çeşitli aygıtları Q faktörü karakterizeSoru basit bir ifade ile: Q = λ / Δλ = ωτ, burada λ = rezonans dalga boyu, ω = frekans ve τ = foton ömrü. Daha önce ayrıntılı prosedürler ^1,9 ve çeşitli cihazların bir karşılaştırma grafiği kullanılarak üretilen her aygıt için temsili spektrumları Şekil 3 'de gösterilmiştir. Tüm cihazların kalite faktörleri çoğunluğu 100 milyon üzerinde olması ile, yukarıda 10 milyon vardır.

Mikroküre spektrumu hafif saat yönünde veya saat yönünün tersine yayılan optik modu birine birleştiğinde belirten tek bir rezonans oldu. Ancak, toroid spektrumu aynı anda saat yönünde ve saat yönünün tersine modları içine birleştiğinde o ışık gösteren, bölünmüş bir rezonans sergiledi. Kaplin yerinde hafif bir kusur olduğunda bu olay meydana gelir. Bir çift-Lorentz için tayfı takılması ile, iki moddan Q faktörü tespit edilebilir. Bölünmüş rezonans fenomenna küre ve toroid rezonatörler hem de oluşabilir, ancak kusurları daha duyarlıdırlar ve küre göre daha az optik modlar olduğu gibi daha sık toroidler görülmektedir.

Mikroküre boşluğu üretim süreci Şekil 1. Akış çizelgesi. a) Rendering ve bir temizlenmeli ve parçalanabilen fiber optik b) optik mikrografı. c) Rendering, d) optik mikroskop ve e) rezonatör bir microspere elektron mikroskobu tarama.

Microtoroid boşluğu üretim süreci Şekil 2. Akış çizelgesi. a) Rendering, b) üst görünüm optik mikrograf ve c) fotolitografi ve BOE gravür tarafından tanımlanan dairesel oksit yüzeyi, elektron mikroskobu tarama yan görünümü. BOE oluşturduğu oksit hafif bir kama şeklinde not edin. d) Rendering, e) üst görünümoptik mikrograf ve f) XeF ₂ aşındırma aşamasından sonra oksit pad elektron mikroskobu tarama yan görünümü. Oksit diski kama şekilli periferi muhafaza dikkat ediniz. microtoroid boşluğuna elektron mikroskobu tarama g) Rendering, h) üst görünüm optik mikrograf ve i) yan görünümü.

Şekil 3. A) mikroküre ve çizgi kalınlığı ölçüm yöntemi kullanılarak belirlenen b) microtoroid rezonans kaviteler Temsilcisi kalite faktörü spektrumları. Çok yüksek Q cihazlar, bir ışık, küçük bir defekt yansıyan ve saat yönünde ve saat yönünün tersine her iki yönde dolaşır olduğu, mod-bölme veya bir çift tepe gözlemleyebiliriz. c) Birkaç mikroküre ve microtoroid rezonans boşluklarının Q faktörleri gösteren Karşılaştırma grafiği. büyük rakam için buraya tıklayın .

Şekil 4. _CO2 lazer reflow şematik set-up. CO ₂ lazer ışını (katı mavi çizgi) yansır ve örnek odaklanmıştır. Bu 10.6 mikron / 10.6 mikron iletir ve 633 nm yansıtan 633 nm ışın birleştirici, geçer. Kiriş birleştiricinin off örnek optik sütun görüntüleri yansıması, bu nedenle görüntü biraz kırmızı. Bu kurulum için gerekli olan parçaların bir listesi Tablo 4'te yer almaktadır.

Şekil 5. Yanlış a) mikroküre ve b) microtoroid rezonans kaviteler reflowed. Demeti içinde yanlış yerleşimi nedeniyle, cihaz mal-oluşmuştur. c) bir düşük photomask ya da zayıf litografya bir sonucu olarak, toroid ay şekilli olup.

Herhangi bir optik yapısı olduğu gibi, üretim sürecinin her aşamasında temiz tutmak önem taşımaktadır. Litografi ve uydurmalarla konuda yazılmış çok sayıda kitap var gibi, aşağıdaki önerileri kapsamlı olmalı, ancak araştırmacılar karşılaştıkları daha yaygın sorunları birkaç vurgulamak için değildir. ^19-20

Microtoroid çevresindeki bir homojenlik başlangıç ​​diskin yeknesaklık göre belirlenmesinden dolayı, bu kalıp çok dairesel disk için çok önemlidir. Microtoroid özgü ortak sorunlar şunlardır: 1) foto maskeler pixilation, 2) kötü fotolitografi (pozlama altında veya üzerinde, geliştirme, ve kaba veya düzensiz dağlama altında veya üzerinde) ve silika fotorezist 3) yapışmayı; burada tek tek her sorunu gidermek.

Yüksek çözünürlüklü fotoğraf ve maskeler elde etmek çok önemlidir. Düşük rezolüsyonlu photomasks veya mürekkep püskürtme photomasks imkanlarımızı ikenmevcut y, bu "sarhoş" ya da tırtıklı çevreler neden olacak olan doğru akıtacak, dairesel olmayan toroidler neden olmaz. Bu protokoller çok özel fotorezist filmi özel UV yoğunluklarda kalınlıkları için UV ışınlarına maruz kalma süresi vermek. Farklı film kalınlıkları ise kullanılan veya ışığa süresi dolmuş, daha sonra farklı bir pozlama süresi gerekli olacaktır. Bu doğru UV ışınlarına maruz verilir sağlamak için kişinin photoaligner kalibre için de tavsiye edilir. Bu ışığa filmi kalınlığı özgüdür ve ışığa tamamen açık olduğunu varsayar Benzer şekilde, geliştirici gerekli süre değişebilir. Fotorezist uygulanmadan önce silika hemen HMDS maruz bırakılmamaktadır Son olarak, eğer ışığa gofret için de uygun olmayacaktır. Bunun sonucunda, Örnek BOE kullanılarak kazınmış edildiğinde, bir ağır ve düzgün olmayan alttan yaşayacaksınız.

Ayrıca sık sık toroid fabrikasyon süreci ile ortaya çıkar ve biri başka mesele varXeF ₂ kırılması adım ile ilgili. Çünkü silika üzerinde silikon için XeF ₂ seçiciliği yüksek derecesi, XeF ₂ silikon üzerinde doğal olarak mevcuttur doğrudan etch yerli oksit olmaz. Bu nedenle, böyle bir oksit büyüme potansiyeli en aza indirmek ve daha iyice Azot ile XeF ₂ etch odası tasfiye ederek başka oksit büyüme ortadan kaldırmak için emin olmak önemlidir. Bu yapılmazsa, XeF2 etch son derece kaba veya cebe olacaktır.

Buna ek olarak, dairesel bir yapı oluşturmak üzere, bir silikon izotropik etchant kullanımı için çok önemlidir. XeF ₂ microtoroid imalat sürecinde en yaygın olarak kullanılan etchant iken, hidroflorik asit, nitrik asit ve asetik asit karışımı gibi HNA gibi diğerleri, bulunmaktadır. ²⁰ Bununla birlikte, HF içeren, çünkü bu gibi seçici değildir XeF ₂ olarak silikon, ve silika mu aşındırmast dikkate alınmalıdır.

Kullanılan _CO2 lazer yeniden akış süreci başarıyla mikroküreler ve microtoroids imal etmek için çok hassas yapılmalıdır. Bir standart ve basit bir akıtacak kurulum Tablo 4'te parçaların bir listesini Şekil 4 'de gösterilmiştir. Orada böyle bir kurulum yapmak için pek çok olası yolları vardır ve kullanılan düzeni ve parçaları değişebilir. Ancak tasarım iki önemli kriterlere uygun olmalıdır. İlk olarak, örnek ve CO ₂ lazerin odak lens arasındaki mesafe örnek lazer ışınının odak bulunur, böylece objektifin odak uzunluğuna eşit olmalıdır. İkinci olarak, spot ve leke merkezinde cihazın yerleştirilmesi boyunca CO ₂ lazer yeknesaklık son derece önemlidir. Bu boş alan optik tüm uyum içinde olması gerekir, ve tabii ki, boş alan optik sıcaklık ve nem oranı dalgalanmaları ile kayması olabilir. Yanlış ile uyduruldu Örnek cihazlarhizalanmış optik Şekil 5 içinde bulunmaktadır. Bu uyum sorunları, kameralar ve aşamaları ışını altında bir örnek daha kolay, daha doğru konumlandırma izin için kullanılabilir önlemek için. Optik bir tablo veya titreşim izolasyonu kullanılarak gerekli olmasa da, reflow bileşenleri entegre ve breadboard güvenli olan uyumu artırabilir.

Bir _CO2 lazer mevcut değilse, alternatif akıtacak yöntemleri de kullanılabilir. Mikroküre için, bir hidrojen meşale alternatif bir yöntem olarak kullanılabilir. Bu yaklaşım kullanılırsa, bu tür hidrojen deposu bir flashback tutucu içeren ve bir patlama potansiyel risk ortadan kaldırmak için, bir hidrojen meşale gibi kullanarak kurulum reflow, oluşturulurken tüm gerekli güvenlik protokolleri takip etmek çok önemlidir. Tipik olarak, bu yaklaşım kullanıldığında, benzer bir görüntüleme sistemi CO ₂ lazer kurulumu için açıklanmış olana akıtacak proses izlenmesi için kullanılır. Bununla birlikte, bir hidrojen torç w olmayacakmicrotoroid için ork olarak silikon erime sıcaklığı silika daha azdır. Silikon değil ise silika güçlü lazer ışığı emer, çünkü _CO2 lazer, bu sorunun üstesinden gelir. Bu nedenle, düzgün hizalanmış _CO2 lazer ışını ile reflow bize yüksek kalite faktörü mikroküre ve microtoroid rezonatörler için gerekli en tutarlı reflow elde etmesini sağlar bulduk.

Yöntemleri çifti ultra-yüksek-Q silika rezonans boşlukların fabrikasyon olanak burada sundu. Uzun ömürlü foton bir sonucu olarak, bu cihazlar, özellikle biyolojik Sciences içindeki birçok önemli uygulamaları, sahiptir.