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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Technische Elektronik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2017051152527

Title: Optical Sensor Array based Nanospectrometer: Fabrication of high resolution 3D NanoImprint master templates and bonding of Fabry-Pérot filter array onto photodetector array
Authors: Hafiz, Muhammad Ikram
???metadata.dc.subject.swd???: MiniaturisierungOptische SpektroskopieNanotechnologieNanoprägenLithografieHybridtechnikWaferBonden
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)530 - Physik (Physics)600 - Technik (Technology (Applied sciences))620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 11-May-2017
Abstract: In the field of optical spectroscopy, spectrometers are high resolution optical sensors that have emerged as a platform for a wide range of application fields. Commercially available spectrometers are bulky and expensive. Hence, this limits its integration into modern mobile and wearable devices. To overcome this limitation, miniaturization of spectrometers is an interesting target for a wide range of emerging applications. The most attractive concept of fabricating miniaturized spectrometers is the Fabry-Pérot filter (FP-filter) array based micro spectrometer. To enable spectral selectivity, the mian aim of a project at INA is to fabricate miniaturized spectrometer with 64 static FP-filters in an array to cover the entire visible (VIS) spectral range for sensing applications. In the production of multiple spectral FP-filter arrays, a large number of 3D FP-cavities of precise and varying vertical heights are required which is challenging to fabricate. The conventional photolithography technique is inefficient in achieving this goal as a large number of processing steps are required, which increases the processing time and fabrication cost. Therefore, this work implements a novel fabrication technology for producing miniaturized and high resolution Nanospectrometer which is the NanoImprint Lithography (NIL). It is a non-conventional patterning technique where a deformable polymer resist is mechanically molded to form 3D functional structures for a desired application.This dissertation focuses on two aspects; the fabrication of 3D UV-SCIL master template for filter array and the integration of filter array onto the photodetector array. In first part of the work, the technological fabrication of the UV-SCIL master template in the application of static Nanospectrometer in visible (VIS) spectral region using various substrate materials is investigated, i.e. Gallium Arsenide (GaAs), Silicon (Si) and various types of glasses. A series of photolithographic and Reactive Ion Etching (RIE) processes are implemented to achieve the master template containing 64 unique vertical FP-cavity heights. In order to achieve the designed transmission-lines from the array of 64 unique FP-filters, a precise etching and reproducibility of the master template material is essential. Therefore, investigation on the etching process of a template material is studied. The designed vertical height difference among the 64 FP-cavities in the array is 1.71 nm that would result in a spectral distance of 5 nm among the transmission-lines of the FP-filter array to cover the entire VIS spectral region.The second part of the work is the integration of the FP-filter array onto a photodetector array in order to detect the optical signal and provide its electrical read-outs. Various wafer bonding techniques are reviewed and among them adhesive bonding is found as the most optimum technique to preserve the optical signal during its transit from FP-filter array to the PD array. From a wide variety and categories of adhesives, acrylate based reactive polymer adhesives are selected that provide high optical specification and sufficient bond strength. These adhesives are thermoset polymers which do no flow (dissolve) with temperature increase. The micro bond-lines of these adhesives are evaluated in terms of their transparency in VIS spectral region, bond strength, resistant to heat and aggressive solvents used in the device fabrication process and their aging. Finally, the FP-filter array is integrated onto the PD array using the tested adhesives to produce a sensor array for its implementation in the Nanospectrometer.Um die aufkommenden Bedürfnissen zu befriedigen und für zukünftige Realitäten bereit zu sein, ist es notwendig mit der schnell fortschreitenden technologischen Welt Schritt zu halten. Vielmehr ist es wichtig alternative und maßgeschneiderte Herangehensweisen anzuwenden, welche industriell umsetzbar und zugleich kostengünstig sind, um Veränderungen der schnell voranschreitenden technologischen Entwicklung von multifunktionellen Geräten anzuführen. Eine Reihe von Faktoren treiben diese Entwicklungen voran, unter anderen der steigende Bedarf für Miniaturisierung. Für optische Sensortechnologien und Sensorsysteme ist ihre starke Miniaturisierung von besonderem Interesse, die einen Durchbruch ihrer Integration in moderne mobile und tragbare Geräte ermöglicht.Diese Dissertation konzentriert sich auf zwei Aspekte: Die Herstellung der 3D UV - SCIL Masterstempel für die Filterarrays und die Integration der Filterarrays auf die Photodetektorarrays. Im ersten Teil der Arbeit wird die technologische Herstellung der UV - SCIL Masterstempel für den Anwendungsbereich des statischen Nanospektrometers im sichtbaren Spektralbereich (VIS) unter Verwendung verschiedener Substratmaterialien untersucht, d.h. Gallium-Arsenid (GaAs), Silizium (Si) und verschiedene Arten von Gläsern. Eine Reihe von photolithographischen und Reactive Ion Etching (RIE)-Prozessen werden implementiert, um den Masterstempel mit 64 verschiedenen vertikalen FP-Kavitätshöhen zu erreichen. Um die designten Transmissionslinien des Arrays aus 64 verschiedenen FP-Filtern zu erreichen, ist eine genaue Ätzung und Reproduzierbarkeit des Master-Stempel-Materials wesentlich. Daher werden Ätzprozesse eines jeden Stempelmaterials detailliert untersucht. Verschiedene RIE-Ätzrezepte werden für GaAs-, Si- und Glassubstrate unter Verwendung der am INA verfügbaren Ätzgase untersucht. Die Auswirkungen des Gasflusses, der HF-Leistung und der Ätzzeit auf die Ätzrate der drei Substratmaterialien werden untersucht. Das Ätzen von GaAs, Si und Glas ist für die gewünschten steuerbaren und reproduzierbaren Ätzraten optimiert. Darüber hinaus werden die drei Materialien hinsichtlich der Steuerbarkeit des Ätzprozesses, der Kosten, der Haltbarkeit, der Einfachheit der Verarbeitung und der Prozesskosten verglichen, um das optimale Material für die Entwicklung von 3D-Mastervorlagen UV - SCIL für auszuwählen. Schließlich wird ein hochauflösender 3D-Nanoimprint-Masterstempel aus Si-Substrat hergestellt und unter Verwendung des Weißlichtinterferometers (WLI) für die miniaturisierte Chip-großen FP-Filterarrays charakterisiert. Der entworfene vertikale Höhenunterschied zwischen den 64 FP-Kavitäten in dem Array beträgt 1,71 nm, was zu einem spektralen Abstand von 5 nm zwischen den Transmissionslinien der FP-Filterarray führen wird. Eine Gesamtveränderung der vertikalen Struktur zwischen der entworfenen und hergestellten Masterstempel beträgt 2,6% mit einer Oberflächenrauigkeit von <0,5 nm rms wird erreicht. Die Gesamtdifferenz der vertikalen Höhen der FP-Kavitäten im Array reicht von 140,8 nm bis 252,5 nm. Der zweite Teil der Arbeit ist die Integration des FP-Filterarrays auf ein Photodetektorarray, um das optische Signal zu detektieren und sein elektrisches Auslesen vorzusehen. Verschiedene Wafer-Bonding-Techniken werden recherchiert und unter ihnen wird das Integrieren als die optimale Technik gefunden, um das optische Signal während seines Transfers von der FP-Filteranordnung zu der PD-array zu bewahren. Von einer Vielzahl von Klebstoffen und Klebstoffkategorien werden auf Acrylat basierende reaktive Polymerklebstoffe ausgewählt, die eine hohe optische Spezifikation und eine ausreichende Klebkraft bereitstellen. Diese Klebstoffe sind „Thermoset“ Polymere, die unter einer Temperaturerhöhung nicht fließen (auflösen). Die micro bond-line dieser Klebstoffe werden hinsichtlich ihrer Transparenz im VIS-Spektralbereich, der Bindungsfestigkeit, der Wärmebeständigkeit und der Resistenz gegen aggressiven Lösungsmittel, die bei dem Herstellungsverfahren und verwendet werden und ihrem Alterungsverhalten bewertet. Schließlich wird die FP-Filteranordnung auf dem Photodetektor-Array unter Verwendung der getesteten Klebstoffe integriert, um eine Sensorarray für ihre Implementierung im Nanospektrometer zu erzeugen. Die gemessene optische Transmission betrug >90% und die gemessene Zug-Bindungs-Festigkeit war 5.1, 3.5 und 8.3 MPa bzw. für die ausgewählten reaktiven Polymer-Klebstoffe. Darüber hinaus zeigen sie eine gute Beständigkeit gegen Temperaturerhöhung und andere Herstellungsprozesse.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2017051152527
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