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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:34-2016060950380

Title: Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint
Authors: Memon, Imran
???metadata.dc.subject.swd???: Optische Spektroskopie
???metadata.dc.subject.ddc???: 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 9-Jun-2016
Abstract: In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.Optical filter arrays for high quality spectroscopic applications in the visible (VIS) range are studied in this work. The optical filters, implemented as Fabry-Pérot (FP) filters for high resolution miniaturized optical nanospectrometer, are based on two highly reflecting dielectric mirrors and a resonance polymer cavity sandwiched between them. Each filter allows a narrow spectral band (called filter line in this work) to pass through, depending on the height of its resonance cavity. The efficiency of such optical filters depends on the precise fabrication of highly selective multispectral arrays of FP filters using low-cost and high-throughput fabrication processes. The fabrication of multiple spectral filters over the whole VIS range is achieved with a single patterning step on a single substrate using a 3D nanoimprint technology with ultra high vertical resolution. The key issue in implementing the multispectral filter arrays in a single process step is the fabrication of 3D nanoimprint templates with multiple desired arrays of filter cavities. To address this issue, different masking approaches are proposed to realize the 3D templates. The spectral selectivity of these efficient optical filters depends on the accuracy of vertically varying cavities which are fabricated using a large-area soft nanoimprint technology, called UV substrate conformal imprint lithography (UV-SCIL). The main issues of UV-based SCIL processes such as non-uniform residual layer and polymerization shrinkage offer limitations in the potential applications of this technology. It is essential that the residual layer must be thin and uniform to control critical dimensions of the functional 3D patterns during plasma etching for residual layer removal. In the case of the nanospectrometer, the cavities between the adjacent FP filters vary vertically and, thus, the volume of each individual cavity varies causing the consequent residual layer to vary in thickness across all different filters. The volumetric shrinkage, caused by polymerization process, affects the size and dimensions of the printed polymer cavities. The performance of the large-area UV-SCIL process is improved by implementing a volume-equalized template design and optimizing the imprint process conditions. The volume-equalized template design distributes 64 vertically varying filter cavities into several units with each unit comprising 4 cavities and having same average volume. Using the volume-equalized template, highly uniform residual layers (110 nm) are obtained across all the filter cavities with different heights. The quantitative analysis of polymerization shrinkage in the lateral and vertical dimensions of the FP filter cavities is investigated. The shrinkage in vertical heights, being the subject of interest for its ultimate influence on the spectral response from the filters, is reduced from the existing 12% to 4% by v adjusting the exposure time. FP filters fabricated using the volume-equalized template and the optimized imprint process demonstrates high quality spectral responses with a linear correspondence between the cavity heights and the spectral positions of their corresponding filter lines.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2016060950380
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