Fabricage van nanofotonische structuren met gefocusseerde ionenbundels

Fabricage van nanofotonische structuren met gefocusseerde ionenbundels publieke verdediging

Jonathan Schrauwen Promotor: Prof. Dries Van Thourhout Vakgroep Informatietechnologie Faculteit Ingenieurswetenschappen 4 februari 2009

Licht Type straling Golflengte (m)

Radio

Microgolf

Infraood Zichtbaar Ultraviolet X-stralen

Gamma

Typische schaal van de golflengte Gebouwen

Mensen

Frequentie (Hz)

Uitgestraald door objecten op een temperatuur van

2

Nanofotonisch?

Vlinders

Naaldpunt

Protozoa

Moleculen

Atomen

Atoomkernen

Golven of deeltjes?

3

Nanofotonisch?

Golven of deeltjes? Type straling Golflengte (m)

Radio

Microgolf

Infraood Zichtbaar Ultraviolet X-stralen

Gamma

Typische schaal van de golflengte Gebouwen

Golf Mensen

Frequentie (Hz)

Uitgestraald door objecten op een temperatuur van

4

Nanofotonisch?

Vlinders

Naaldpunt

Protozoa

Moleculen

Deeltje Atoomkernen

Atomen

Lichtbreking

verschil in brekingsindex (Δn) brekingshoek

5

Nanofotonisch?

Totale interne reflectie Principe

n = 1.5

n = 2.4 verschil in brekingsindex (Δn) TIR hoek n = 3.5 6

Nanofotonisch?

Lichtgeleiding in vezels en chips

verschil in brekingsindex (Δn)

7

Nanofotonisch?

Minimale bochtstraal

Communicatie over vezel 00101010101001000111111010000

50 Mbps 1 DVD per 15 min afstand 100 m

00101010101001000111111010000

10 Gbps 1 DVD per 5 sec afstand 100 km

00101010101001000111111010000

00101010101001000111111010000

...

00101010101001000111111010000

00101010101001000111111010000

8

Nanofotonisch?

multiplexing

>10 Tbps = 1000 Gbps >1000 DVDs per 5 sec afstand 100 km

Lichtgeleiding op chips Glas met kleine dopering n = 1.51 Silicium oxide = Glas n = 1.5

Laag index contrast Grootte circuit = cm

III-V halfgeleiders InP InGaAsP

n = 3.5

InP

n = 3.2

Grootte circuit = mm

Silicium-op-isolator

9

Silicium

n = 3.5

Grootte circuit = 100 μm

Silicium Oxide

n = 1.5

= meer functies = goedkoper

Nanofotonisch?

Nanofotonische structuren? 500 nm 200 nm

Silicium

n = 3.5

Silicium Oxide

n = 1.5

Grootte circuit = 100 μm

Silicium-op-isolator

Twee componenten in meer detail: Roosterkoppelaar Ringresonator

10

Nanofotonisch?

Verliezen

Verliezen

Roosterkoppelaar

Silicium Silicium Oxide 11

Nanofotonisch?

Verliezen

Roosterkoppelaar

Silicium Oxide

12

Nanofotonisch?

Verliezen

Roosterkoppelaar Koppelefficientie naar vezel

λ

70 nm

Silicium

600 nm

Oxide

13

Nanofotonisch?

Verliezen

Ringresonator uit resonantie in resonantie intensiteit

intensiteit

λ 14

Nanofotonisch?

λ Verliezen

Ringresonatoren zijn filters

intensiteit

λ 15

Nanofotonisch?

Verliezen

Golflengte (de)multiplexing 10 μm

16

Nanofotonisch?

Verliezen

Gevoelig voor nanometers 10 μm 501 x 200 nm

500 x 200 nm intensiteit 1 nm

<1 nm 1.5 μm

17

Nanofotonisch?

λ Verliezen

SiOx

Nanofotonisch!

18

Nanofotonisch? Ionenbundels

Fabricage: optische lithografie Belichten Ontwikkelen

Masker Resist Si

Si

SiOx

SiOx

Etsen

19

Resist verwijderen

Si

Si

SiOx

SiOx


193 nm diep-UV lithografie (gebruikt voor Pentium4 processoren)

20


Fabricage: imprint lithografie Stempel fabricage Duwen + harden Resist

Stempel verwijderen

Si

Si

Si

SiOx

SiOx

SiOx

• Optische / imprint lithografie = kopiëren - Paralelle techniek: vele structuren tegelijk - Goedkoop voor grote volumes, duur voor kleine volumes

• Seriële technieken: - voor maskers en stempels - voor prototypes 21


Gefocusseerde ionenbundels


22


Gefocusseerde ionenbundels ionenbron

electrostatische lens

= Focused ion beam = FIB

afbuiging

gesputterde atomen

Ga

+

sluiter

1. flexibel = ideaal voor prototypes 2. zeer hoge precisie (nanometers) 3. 3D structuren mogelijk

gas versterkt etsen

schade

23


24



Live beeld

25


Dit doctoraat:

SiOx

SiOx SiOx

FIB: Nanofotonisch!

1. flexibel = prototypes 2. precies 3. 3D structuren

26


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Optische verliezen

100 % = 0 dB 10 % = -10 dB 1 % = -20 dB

27


Verliezen

Verliezen (dB)

Wat is het doel? direct etsen 3500 dB/cm

Beschadigde lengte (μm) 28


Verliezen

Gas versterkt etsen - Jodium gas (dijood) - Versneld etsproces - Minder ionen = minder schade

29


Verliezen

Niet spectaculair...

Verliezen (dB)

jodium etsen 1700 dB/cm direct etsen 3500 dB/cm

Beschadigde lengte (μm) 30


Verliezen

Wat is er aan de hand? Verschillende analysetechnieken: EDX, EBSD, XPS

Jodium blijft plakken

Verwijderen door bakken op 300oC voor bakken na bakken

Energie (keV) 31


Verliezen

jodium etsen + bakken 200 dB/cm

Verliezen (dB)

jodium etsen 1700 dB/cm direct etsen 3500 dB/cm

Schrauwen et al. Journal of Applied Physics, vol. 102, p. 103104 (2007)

32

Beschadigde lengte (μm)


Verliezen

Dit doctoraat:

SiOx

SiOx SiOx


FIB: Nanofotonisch!


33


Verliezen

Verliezen

Gewone roosterkoppelaar Koppelefficientie (dB)

Gemaakt met optische lithografie Gemaakt met FIB

Even goed als bestaande technieken! Golflengte (μm)

Schrauwen et al. Applied Physics Letters, vol. 89, p.141102 (2006)

34


Verliezen

Verliezen

Schuine roosterkoppelaar Koppelverlies (dB)

Ontworpen schuine koppelaar

Gefabriceerde schuine koppelaar

Gewone roosterkoppelaar

Golflengte (μm) Schrauwen et al. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19(11), p.816-818 (2007)

35


Verliezen

Verliezen

Verticale koppeling? VCSEL

36


VCSEL

Verliezen

Verliezen

FIB schrijven stempel + imprint Stempel fabricage Polymeer

Si

Si

SiOx

SiOx

Schrauwen et al. US Patent Pending (2008)

37


Verliezen

Verliezen

Dit doctoraat:

SiOx

SiOx SiOx


FIB: Nanofotonisch!


38


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Ringresonatoren zijn sensoren Silicium Oxide

intensiteit

λ 39


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Ringresonatoren zijn sensoren sleuf Silicium Oxide

intensiteit

Ringen met sleuf zijn gevoeliger λ 40


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Sleuven gemaakt met FIB

Schrauwen et al. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 20(23), p.2004 (2008)

41


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Heel gevoelig 10 μm 501 x 200 nm

500 x 200 nm intensiteit 1 nm

<1 nm 1550 nm

42


Verliezen

λ Verliezen

Verliezen

En daarom moeilijk om te maken

intensiteit

λ 43


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Trimmen met seriële techniek

intensiteit

λ 44


Verliezen

Verliezen

Verliezen

Referentiering

45


Getrimde ring

Verliezen

Verliezen

Verliezen

Silicium Oxide

5.5 Electron beam trimming

Rek in Silicium

46

Gecompacteerd oxide

Figure 5.14: The oxide compaction next to the ridge generates a Nanofotonisch? Ionenbundels Verliezen tensile strain in the silicon, parallel to the substrate. This figure

Verliezen

Verliezen

Silicium Oxide

5.5 Electron beam trimming

Rek in Silicium

Schrauwen et al. Optics Express, vol. 16(6), p.3738 (2007)

47

Gecompacteerd oxide

Schrauwen et al. US Patent Pending (2007)

Figure 5.14: The oxide compaction next to the ridge generates a Nanofotonisch? Ionenbundels Verliezen tensile strain in the silicon, parallel to the substrate. This figure

Verliezen

Verliezen

Dit doctoraat:

SiOx

SiOx SiOx


FIB: 5.5 Electron beam trimming

Nanofotonisch!

1. flexibel = prototypes

Figure 5.14: The oxide compaction next to the ridge generates a tensile strain in the silicon, parallel to the substrate. This figure shows the first principal strain obtained from a finite element simulation. Color key: dark blue = compressive strain 0.05; red = tensile strain 0.17; light blue as in the edges of the substrate represents strain 0.

2. precies 3. 3D structuren

48


Verliezen Verliezen

Verliezen

better visualization) and the first principal strain in the case of a 10% compacted oxide layer with a thickness of 70 nm. The stress in the silicon lattice is between 1 and 3 GPa tensile, which is of the same order of magnitude than what can be achieved by depositing straining layers, such as demonstrated in Ref. [114] for the enhancement of the χ(2) non-linearity in silicon. This mechanism of compaction induced stress can therefore also be used to fabricate modulators in silicon.

Verliezen

It was reported [112] that the induced stress in the compacted oxide layer saturates upon high dose electron beam irradiation. However, we have not found reports of this effect for the energy and dose range considered in our experiments. Since a complete study was beyond the scope of this work, we have chosen to estimate the

Fabricage van nanofotonische structuren met gefocusseerde ionenbundels publieke verdediging

Jonathan Schrauwen Promotor: Prof. Dries Van Thourhout Vakgroep Informatietechnologie Faculteit Ingenieurswetenschappen 4 februari 2009

Ringresonatoren zijn filters

intensiteit

λ 52

Nanofotonisch?

Verliezen

Het internet

Toegangsnetwerk Metro netwerk

Kern netwerk

Optische gegevensoverdracht

53

Nanofotonisch?

Grotendeels elektronische gegevensoverdracht Evolutie naar Fiber To The Home = FTTH

Fabricage van nanofotonische structuren met gefocusseerde ionenbundels

Recommend Documents