Summary
Si descrivono l'uso di una tecnica di anidride carbonica reflow laser per fabbricare cavità risonanti silice, incluse autoportante microsfere e on-chip microtoroids. Il metodo di reflow rimuove le imperfezioni della superficie, che consente lunghi tempi di vita dei fotoni all'interno di entrambi i dispositivi. I dispositivi ultra risultanti hanno fattori di alta qualità, consentendo applicazioni che vanno dalle telecomunicazioni alla rilevazione di agenti biologici.
Protocol
1. Microsfera Fabrication
- Selezionare una piccola quantità (circa 5 pollici) di fibra ottica, strip ~ 1.5 "rivestimento da una estremità e pulire sia con metanolo o etanolo (Figura 1a, b).
- Se disponibile, attaccatevi alla fine con una mannaia in fibra ottica. Se non disponibile, tagliato con tronchesi o forbici tali che ~ 0.5 "è a sinistra. Il vantaggio di utilizzare una fibra ottica mannaia è che produce molto liscia, taglio uniforme come in figura 1b. Rugosità eccessiva o difetti di un taglio può causare reflow irregolare, abbassando il fattore di qualità delle sfere risultanti.
- Esporre l'estremità della fibra pulita per 3W di potenza del laser CO 2 focalizzato a una dimensione del diametro di 500μm ~ ~ posto per 1 secondo (Figura 1c, d, e). Questo produce sfere ~~~HEAD=NNS 200μm di diametro, tuttavia, la dimensione può essere regolata aumentando o diminuendo il diametro della fibra ottica. Leggermente regolando l'intensità del laser può anche be necessario sfere reflow più o meno grandi.
2. Microtoroid Fabrication
- Progettare e realizzare una fotomaschera con scuri, cerchi pieni, nella spaziatura e il diametro della vostra scelta. È importante notare che i prodotti toroidi sarà 25-30% inferiore dei cerchi sulla maschera. Ad esempio, un cerchio pieno con un diametro di 100 micron produrrà un toroide con un diametro di circa 75 micron. Inoltre, si raccomanda di lasciare almeno 1-2mm di spazio tra ogni cerchio e di almeno 5 mm di spazio tra le matrici di cerchio e attorno ai bordi della maschera. Poiché i wafer campioni deve essere maneggiato con attenzione con una pinzetta, è importante per lasciare spazio per le pinze per afferrare senza danneggiare i toroidi. Lo spazio extra fornisce anche spazio per una fibra ottica rastremata coppia di luce nei dispositivi finiti, e consente di campioni di essere tagliati in piccoli array più facilmente. Per questa procedura, abbiamo usato una maschera con file di 160 micron dicerchi di diametro compreso ~ 1 millimetro di distanza, con ~ 5 mm di spazio tra una fila di cerchi. I toroidi sono finiti circa 110 micron di diametro.
- Inizia con wafer di silicio con uno strato di 2 micron di spessore di silicio cresciuto termicamente. Fendere i wafer per adattarsi al modello desiderato microfloppy sulla maschera fotolitografia, lasciando spazio per photoresist bordo del tallone. Si noti che all'inizio di fabbricazione, di solito è più conveniente per incidere più array di cerchi su grandi pezzi di wafer di silicio (~ diversi cm x cm diversi). Wafer più grandi consentono fotolitografia e incisione BOE di più campioni alla volta, e sono più facilmente trattato con una pinzetta. Più tardi, prima della fase 2 XEF attacco, si raccomanda di fendere i wafer più grandi in piccoli array per consentire un rapido, più uniforme XEF 2 incisione.
- In un fumehood, pulire accuratamente i wafer risciacquando con acetone, metanolo, isopropanolo e acqua deionizzata. Soffiare i campioni asciugare con un azoto o comp filtrataressed fucile ad aria compressa, e metterli su una piastra calda impostata a 120 ° C per almeno 2 minuti per asciugarsi.
- Dopo aver fatto raffreddare i wafer, metterli in un infiammabili / solvente fumehood ed esporre a HMDS per 2 minuti con il metodo di deposizione del vapore. Un semplice metodo di deposizione del vapore: mettere alcune gocce di HMDS in un bicchiere da 10 ml piccola e quindi coprire i wafer e piccolo becher con un contenitore di vetro più grande per contenere il vapore.
- Porre un campione su un filatore con un supporto di dimensioni adeguate. Utilizzo di un contagocce o siringa e filtro, applicare photoresist al campione. Spin cappotto photoresist S1813 su ogni campione per 5 secondi a 500rpm, seguiti da 45 secondi a 3000rpm. Bordo rimozione tallone non è necessaria se il wafer è sufficientemente grande in modo che il tallone bordo non interferisce con il patterning.
- Morbida cuocere il fotoresist su una piastra calda a 95 ° C per 2 minuti.
- Utilizzando un allineatore maschera UV e la fotomaschera desiderato, esporre il fotoresist coperti campioni ad untotale di 80mJ/cm 2 di radiazioni UV.
- Porre i campioni in MF-321 sviluppatore per rimuovere il fotoresist che è stato esposto a luce UV. Durante lo sviluppo, strettamente guardare il fotoresist viene rimosso dal wafer e disciolto. È importante agitare / swish il contenitore costantemente durante questo processo per assicurare il fotoresist viene rimosso uniformemente. Per i parametri indicati, il photoresist impiega circa 30 secondi per lo sviluppo.
- Quando la maggior parte del photoresist indesiderato si è dissolta nello sviluppatore, lavare i campioni accuratamente sotto acqua corrente, soffiare delicatamente asciugare i campioni utilizzando una pistola ad aria o di azoto, e ispezionare i campioni con un microscopio per assicurare tutti i photoresist indesiderato è stato rimosso. Se necessario, i campioni possono essere immersi nuovamente in sviluppatore, tuttavia, si dovrebbe stare attenti a non overdevelop i campioni, come i modelli di photoresist desiderati potrebbe essere danneggiato. (Se i modelli desiderati sono danneggiato o difettoso, il fotoresist può essererimosso con acetone e gradini 2,1-2,9 può essere ripetuto).
- Dopo aver sviluppato, risciacquare accuratamente i campioni in acqua corrente, soffiare delicatamente asciugare i campioni, e duro li cuocere su una piastra calda a 110 ° C per 2 minuti. Questo passaggio riscalda il fotoresist di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, reflow il fotoresist e rugosità parzialmente riparazione che durante il processo di sviluppo.
- Utilizzando Teflon contenitori e dispositivi di protezione necessari, immergere i campioni in miglioramento tamponata ossido di mordenzante (BOE). BOE contiene HF, che incide la silice non coperta da fotoresist per formare pastiglie circolari silice sul wafer di silicio (Figura 2a-c). Migliorata tamponata HF produce un più agevole etch, riducendo al minimo ruvidità nei circoli di silice che ne derivano. Mentre è possibile mescolare tamponata HF iniziano 49% HF, questo può portare a risultati altamente variabili come tipicamente solo piccole quantità sono fatti.
- Dopo circa 15-20 minuti (depending sulle dimensioni dei campioni, i modelli e numero di campioni), togliere i campioni dal BOE con Teflon pinzette. Sciacquare accuratamente i campioni in acqua corrente. La silice è stato rimosso quando i campioni diventano idrofobo.
- Dopo incisione, risciacquo e asciugatura dei campioni, li ispezionare utilizzando un microscopio ottico. Verificare che i modelli desiderati sono stati incisi completamente e tutta la silice indesiderato è stato rimosso. Se necessario, restituire i campioni al BOE per l'incisione ulteriormente. Bisogna stare attenti a non overetch i campioni, i modelli circolari o sotto il photoresist potrebbe essere danneggiato.
- Una volta incisione BOE è completo, sciacquare i campioni in acqua deionizzata e asciugare. Se i campioni sono grandi pezzi di wafer di silicio, si raccomanda anche di tagliarli (utilizzando una sega a dadi o scriba diamante) in piccoli pezzi con singole righe di cerchi di silice. Singole righe di cerchi sono incise più rapidamente e uniformemente nel XEF2 fase di attacco (2.16). La polvere di silicio prodotta dal taglio viene rimosso durante la pulizia nel passaggio successivo.
- Rimuovere il fotoresist lavando con acetone, metanolo, isopropanolo, e acqua deionizzata, e asciugare i campioni utilizzando una pistola azoto e riscaldamento a 120 ° C piastra calda per almeno 2 minuti.
- Utilizzando un incisore XEF 2, inferiori al silicio sotto le pastiglie di silice circolari per formare minidischi di silice (Figura 2d-f). L'importo inciso dovrebbe essere circa 1/3 della dimensione del cerchio di silice, in modo che il pilastro microfloppy risultante è di circa 1/3-1/2 del diametro totale del disco, come determinato mediante ispezione con un microscopio ottico. Il numero di impulsi XEF 2 e la durata di ciascun impulso dipende dalla quantità di silicio nella camera e il tipo di XEF 2 incisore utilizzato.
- Dopo XEF 2 acquaforte, esporre i campioni ad un concentrato raggio laser CO 2 a circa 1Intensità di 2W per ~ 3 secondi o fino a quando si forma toroidale liscia (Figura 2 g-i). A seconda delle dimensioni esatte del disco e la quantità di XEF 2 inferiori, una intensità leggermente superiore o inferiore e il tempo di esposizione può essere necessario per formare un microtoroid. È importante che il centro del fascio laser e il centro del microfloppy sono allineate, in modo che la silice microfloppy formerà una superficie liscia, microtoroid circolare.
3. Risultati rappresentativi
I dispositivi di microsfere e microtoroid possono essere esposte utilizzando sia la microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione (Figura 1d 2h, elettronici e Figura, I). In tutte le immagini, l'uniformità della superficie del dispositivo è evidente.
Per verificare che l'approccio dettagliato crea ultra-high-Q dispositivi, si caratterizza anche il fattore Q di più dispositivi eseguendo un (Δλ) linewidth di misurazione e di calcolo del caricoQ dalla semplice espressione: Q = λ / Δλ = ωτ, dove λ = lunghezza d'onda di risonanza, ω = frequenza, e τ = vita fotone. Spettri rappresentativa di ciascun dispositivo fabbricato utilizzando le procedure precedentemente dettagliate 1,9 e un grafico di confronto diversi dispositivi è mostrato in Figura 3. I fattori di qualità di tutti i dispositivi sono superiori a 10 milioni, con la maggioranza di essere superiore a 100 milioni di euro.
Lo spettro della microsfera era una sola risonanza, che indica che la luce sia accoppiata in senso orario o antiorario modalità di propagazione ottica. Tuttavia, lo spettro del toroide mostrato una risonanza scissione, indicando che la luce accoppiata in entrambe le modalità in senso orario e antiorario contemporaneamente. Questo fenomeno si verifica quando vi è una leggera imperfezione nel sito di accoppiamento. Inserendo lo spettro di una doppia Lorentzian, il fattore Q di entrambe le modalità può essere determinato. La scissione fenomeno di risonanzana può verificarsi sia in sfera e risonatori toroide, ma è più frequentemente osservata in toroidi quanto sono più sensibili alle imperfezioni e avere un minor numero di modalità di ottiche rispetto a sfere.
Figura 1. Diagramma di flusso del processo di fabbricazione microsfera cavità. a) Rendering e b) micrografia ottica di una fibra ottica pulito e tagliato. c) al microscopio Rendering, d) ed e ottica), la scansione al microscopio elettronico di un microspere risonatore.
Figura 2. Diagramma di flusso del processo di fabbricazione microtoroid cavità. a) Rendering, b) vista dall'alto micrografia ottica e c) vista laterale micrografia elettronica a scansione di ossido di pad circolare, come definito dalla fotolitografia e incisione BOE. Nota la leggera cuneo del ossido che è formato dal BOE. d) Rendering, e) vista dall'altoal microscopio ottico e f) vista laterale scansione al microscopio elettronico del pad di ossido dopo la fase di incisione 2 XEF. Si noti che il disco ossido mantiene a cuneo periferia. g) Rendering, h) top-view al microscopio ottico e i) laterale vista al microscopio elettronico a scansione della cavità microtoroid.
Figura 3. Qualità spettri rappresentativa del fattore a) microsfera eb) microtoroid cavità risonanti come determinato usando il metodo di misurazione della larghezza di riga. In molto elevate dispositivi Q, si può osservare la modalità di suddivisione o un doppio picco, in cui la luce riflessa un piccolo difetto e circola in entrambe le direzioni in senso orario e antiorario. c) Confronto grafico che mostra i fattori Q di microsfere diverse e microtoroid cavità risonanti. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 4. Schematica del reflow laser CO 2 set-up. Il raggio laser CO 2 (linea continua blu) viene riflessa e poi focalizzata sul campione. Esso passa attraverso i 10,6 um / 633 nm fascio di combinazione, che trasmette 10,6 um e riflette 633 nm. Le immagini colonna ottiche il riflesso del campione fuori del combinatore di fascio, pertanto, l'immagine è leggermente rosso. Un elenco dei componenti necessari per questa impostazione è in Tabella 4.
Figura 5. Correttamente rifluire a) eb microsfere) microtoroid cavità risonanti. Grazie al posizionamento scorretto all'interno del fascio, il dispositivo è mal-formato. c) Come risultato di una fotomaschera scarsa o litografia poveri, il toroide è luna forma.
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Discussion
Come con qualsiasi struttura ottica, mantenere la pulizia ad ogni passo del processo di fabbricazione è di importanza critica. Come ci sono numerosi libri di testo scritti sul tema della litografia e di fabbricazione, i suggerimenti che seguono non intendono essere esaustivi, ma mettere in evidenza alcuni dei problemi più comuni, i ricercatori hanno dovuto affrontare. 19-20
Poiché l'uniformità della periferia del microtoroid è determinata dalla uniformità del disco iniziale, è molto importante per dischi modello molto circolari. I problemi più comuni specifici del microtoroid sono: 1) pixilation di foto-maschere, 2) fotolitografia poveri (sotto o sopra l'esposizione, sotto o sopra in via di sviluppo, e l'incisione ruvida o irregolare), e 3) scarsa adesione del photoresist alla silice; qui affrontare ogni questione individualmente.
È molto importante acquisire alta risoluzione foto-maschera. Mentre fotomaschere a bassa risoluzione o ink-jet fotomaschere sono readildisponibili y, questi si tradurrà in circoli "pixelate" o irregolari che non potranno reflow correttamente, con conseguente non-circolari toroidi. I protocolli attuali danno i tempi di esposizione ai raggi UV per il film di photoresist molto specifico spessore ad intensità UV specifici. Se il film di spessori diversi sono usate o se il fotoresist è scaduto, allora un diverso tempo di esposizione sarà necessario. Si consiglia inoltre di calibrare la propria photoaligner per assicurare la corretta esposizione ai raggi UV è dato. Analogamente, il tempo necessario a sviluppatore può variare come è specifico spessore di pellicola del fotoresist e presuppone che il fotoresist è completamente esposta. Infine, se la silice non è esposto a HMDS immediatamente prima che il fotoresist è applicato, il photoresist non aderire bene al wafer. Come risultato, quando il campione viene incise usando BOE, si verifica un grave sottosquadro e non uniforme.
C'è un altro problema che si pone anche spesso con il processo di fabbricazione toroide ed èrelativo al punto 2 XEF sottoquotazione. A causa del grado elevato di selettività di XEF 2 per silicio su silice, il 2 XEF non sarà direttamente etch l'ossido nativo che è intrinsecamente presente sul wafer di silicio. Pertanto, è importante assicurarsi di minimizzare la formazione potenziale di tale ossido e di eliminare ulteriormente qualsiasi ulteriore crescita dell'ossido dal fondo spurgo della camera 2 XEF etch con azoto. Se questo non viene fatto, il etch XeF2 sarà estremamente ruvida o in borsa.
Inoltre, al fine di formare una struttura circolare, è molto importante utilizzare un agente di attacco isotropo silicio. Mentre XEF 2 è il più comunemente usato mordenzante nel processo di fabbricazione microtoroid, ci sono altri, come HNA che è una miscela di acido fluoridrico, acido nitrico e acido acetico. 20 Tuttavia, poiché contiene HF, che non è selettiva per silicio XEF 2 è, e l'incisione del mu di silicev essere presi in considerazione.
Il processo di riflusso CO 2 laser utilizzato deve essere fatto molto successo proprio per fabbricare microsfere e microtoroids. Una configurazione reflow standard e semplice è illustrato nella Figura 4 con una lista di parti in Tabella 4. Ci sono molti modi possibili per costruire una tale impostazione, e il layout e le parti usato può variare. Tuttavia, il progetto deve soddisfare due criteri importanti. In primo luogo, la distanza tra il campione e CO 2 laser messa a fuoco deve essere pari alla lunghezza focale della lente, in modo che il campione è situato nel centro del fascio laser. In secondo luogo, l'uniformità della CO 2 laser attraverso il punto e il posizionamento del dispositivo nel centro dello spot sono estremamente importanti. Ciò richiede che tutte le ottiche spazio libero sono in allineamento, e naturalmente, ottiche spazio libero può deriva con variazioni di temperatura e umidità. Esempio dispositivi che sono stati fabbricati con erroneamenteottiche sono allineati in figura 5. Per evitare questi problemi di allineamento, telecamere e le fasi possono essere utilizzati per facilitare l', un più accurato posizionamento di un campione sotto la trave. Quando si utilizza un tavolo ottico o isolamento di vibrazione non è richiesto, avente le componenti integrati e fissati reflow su una basetta può migliorare l'allineamento.
Se un laser CO 2 non è disponibile, metodi di reflow alternativi possono essere utilizzati. Per la microsfere, una torcia idrogeno potrebbe essere utilizzato come metodo alternativo. Se questo approccio, è molto importante seguire tutti i protocolli di sicurezza necessari per la costruzione della reflow set-up, ad esempio incorporando uno scaricatore flashback sul serbatoio di idrogeno e con una torcia di idrogeno, per eliminare il potenziale rischio di esplosione. Tipicamente, quando questo approccio viene utilizzato, un sistema di imaging simile a quello descritto per la CO 2 laser set-up viene utilizzato per monitorare il processo di riflusso. Tuttavia, una torcia di idrogeno non work per la microtoroid, come la temperatura di fusione del silicio è inferiore a quella di silice. Il laser CO 2 supera questo problema, perché di silice assorbe fortemente la luce del laser mentre il silicio non è così. Pertanto, abbiamo trovato che reflow con un correttamente allineato CO 2 raggio laser permette di ottenere il riflusso più consistente necessaria per microsfere alto fattore di qualità e risonatori microtoroid.
La coppia di metodi qui presentato consentire la fabbricazione di ultra-alto Q cavità risonanti silice. Come risultato della loro vita fotoni lunghi, questi dispositivi hanno molte importanti applicazioni, in particolare nell'ambito delle scienze biologiche.
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Disclosures
Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.
Acknowledgments
A. Maker è stato sostenuto da una Fondazione Annenberg Graduate Research Fellowship, e questo lavoro è stato sostenuto dal National Science Foundation [085281 e 1028440].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fiber scribe | Newport | F-RFS | Optional |
| Optical fiber | Newport | F-SMF-28 | Any type of optical fiber can be used. |
| Fiber coating stripper | Newport | F-STR-175 | Wire strippers can also be used |
| Ethanol | Any vendor | Solvent-level purity | Methanol or Isopropanol are substitutes |
| Table 1. Microsphere Fabrication Materials. | |||
| Silicon wafers with 2μm thermally grown silica | WRS Materials | n/a | We use intrinsic8, <100>, 4" diameter |
| HMDS (Hexamethyldisilazane) | Aldrich | 440191 | |
| Photoresist | Shipley | S1813 | |
| Developer | Shipley | MF-321 | |
| Buffered HF - Improved | Transene | n/a | The improved buffered HF gives a smoother, better quality etch than plain B– or HF |
| Acetone, Methanol, Isopropanol | Any vendor | 99.8% purity | |
| Table 2. Microtoroid Fabrication Materials. | |||
| Spinner | Solitec | 5110-ND | Any spinner can be used. |
| Aligner | Suss Microtec | MJB 3 | Any aligner can be used. |
| XeF2 etcher | Advanced Communication Devices, Inc. | #ADCETCH2007 | |
| Table 3. Microtoroid Fabrication Equipment. | |||
| CO2 Laser | Synrad | Series 48 | |
| 3-Axis stage | OptoSigma | 120-0770 | Available from other vendors as well. |
| Si Reflector 1" diameter) | II-VI | 308325 | Available from other vendors as well. |
| Kinematic gimbal mount (for Si reflector) | Thor Labs | KX1G | Available from other vendors as well. |
| Beam combiner (1" diameter) | Meller Optics | L19100008-B0 | Available from other vendors as well. |
| 4" Focal length Lens (1" diameter) | Meller Optics or II-VI | Available from other vendors as well | |
| Assorted posts, lens mounts | Thor Labs, Newport, Edmund Optics or Optosigma | ||
| Zoom 6000 machine vision system | Navitar | n/a | Requires generic USB camera and computer for real-time imaging. This is purchased as a kit. |
| Focuser for Zoom 6000 system | Edmund Optics | 54-792 | Available from other vendors as well. |
| X-Z Axis Positioners for Zoom 6000 | Parker Daedal | CR4457, CR4452, 4499 | CR4457 is X-axis, CR4452 is Z-axis, 4499 is mounting bracket. |
| Table 4. CO2 Laser Reflow Set-up. | |||
References
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