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Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

dc.date.accessioned2006-03-02T11:42:57Z
dc.date.available2006-03-02T11:42:57Z
dc.date.issued2006-03-02T11:42:57Z
dc.identifier.uriurn:nbn:de:hebis:34-200603027086
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/123456789/200603027086
dc.format.extent12967703 bytes
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.language.isoeng
dc.rightsUrheberrechtlich geschützt
dc.rights.urihttps://rightsstatements.org/page/InC/1.0/
dc.subjectoptical filtereng
dc.subjectOptisches Filterger
dc.subjectmicromachiningeng
dc.subjectFabry-Perot filtereng
dc.subjectair-gap filtereng
dc.subjectMEMSger
dc.subject.ddc620
dc.titleAir-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filterseng
dc.typeDissertation
dcterms.abstractMikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Überblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließend folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ätzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.ger
dcterms.abstractOptical filters play an important role for devices applied in communications as well as in spectroscopic systems for medical, process or environmental analysis. This thesis is focused on the technology development and the fabrication of air-gap based surface micromachined Fabry-Perot filters. Two different types of filter are presented within this work: continuously tuneable InP / air-gap based micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters, and silicon nitride / air-gap based Fabry-Perot filters featured by an optimised low-cost process. The main objective of this work regarding the InP / air-gap based filters has been to establish and to develop the fabrication process steps in the institute as well as to improve the fabrication process flow. The obtained improvements of process steps result in a faster and more reliable fabrication of the filters. An important, major part of the fabrication is the methane based dry etching, which is investigated in detail in this work. A favourable etching using a simple photo resist as mask is achieved. The electrostatically tuneable InP / air-gap filters, optimised for optical telecommunication systems using the optical telecommunication window at 1550nm, consist of two InP / air-gap distributed Bragg reflectors having each three 357nm (367nm) thick InP layers surrounded by air. Two different vertical designs are implemented and described. The filters exhibit an excellent wide tuning range. Depending on the lateral design, values of more than 140nm are achieved, whereas the filters can be tuned continuously using only small voltages of few volts. These results are international record values - as compared to previously reported tuneable Fabry-Perot filters: the wavelength tuneability as well as tuning performance is significantly improved. In addition, an extremely wide stop-band of up to 550nm is obtained due to the small layers and the high refractive index contrast between InP and air. Simultaneously, a large free spectral range is achieved due to the small cavity length of the filters resulting in a wide spectral operation range. The reduction of the deformations of InP layers due to growth-induced strain is a major challenge for the fabrication of InP / air-gap filters. The application of an underetch protection mask for the supporting posts of the filters reduces the strain impact. To obtain further information about the strain, the consequences on the reliability of the filII ters, and the deformation topology of the filter membranes during or after actuations, micro-mechanical experiments on single released InP layers are performed. Another major part of this work deals with a completely novel filter technology based on a silicon nitride / air-gap design. The surface micromachined demonstrator filters, fabricated on top of glass substrates, consist of two distributed Bragg reflectors comprising five 590nm thick silicon nitride layer separated by 390nm wide air-gaps each. The fabrication of the air-gap filters is consequently optimised to achieve low-cost devices. The fabrication process is implemented by plasma-enhanced chemical vapour deposition of stress-optimised films, reactive ion etching using a SF6 / CHF3 / Ar gas mixture, wet chemical etching of the sacrificial silicon layers by KOH and critical point drying. Generally, the process is compatible with a variety of materials, e.g. IIIâ V compounds, silicon, as well as organic materials, facilitating a huge application spectrum for sensors. The results of the experimental optical characterisation of demonstrator filters show a excellent agreement with the results of the theoretical model calculations. Additionally performed white light interferometer measurements document the accuracy of the layer positioning and the achieved flat cantilevers.eng
dcterms.accessRightsopen access
dcterms.creatorIrmer, Sören
dc.contributor.corporatenameKassel, Universität, FB 16, Elektrotechnik/Informatik
dc.contributor.refereeHillmer, Hartmut (Prof. Dr.)
dc.contributor.refereeMeiß ner, Peter (Prof. Dr.)
dc.subject.pacs07.57.Ty Infrared spectrometers, auxiliary equipment, and techniques
dc.subject.pacs07.60.Ly Interferometers
dc.subject.pacs42.79.Ci Filters, zone plates, and polarizers
dc.subject.pacs78.20.Bh Theory, models, and numerical simulation
dc.subject.pacs78.67.Pt Multilayers; superlattices
dc.subject.pacs85.60.Bt Optoelectronic device characterization, design, and modeling
dc.subject.pacs85.85.+j Micro- and nano-electromechanical systems (MEMS/NEMS) and devices
dc.subject.swdElektrooptisches Bauelementger
dc.subject.swdFabry-Perot-Resonatorger
dc.subject.swdBragg-Reflektorger
dc.subject.swdVertikalresonatorger
dc.subject.swdLuftspaltger
dc.subject.swdAbstimmung <Frequenz>ger
dc.date.examination2005-11-25


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