CC BY
48
ФОРМИРОВАНИЕ НАНО-МИКРОСТРУКТУР И ПЛАНАРНЫХ ВОЛНОВОДОВ МЕТОДОМ КОПИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА МАТРИЦЫ УФ-ОТВЕРЖДАЕМОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ
Е.Ю. Золотова
Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор И.Ю. Денисюк
В работе рассмотрено применение метода наноимпринтинга для изготовления микрооптики, а конкретно оптического волновода, с задаваемыми параметрами. Отражены условия подготовки и протекания процесса вакуумирования и УФ-отверждения для более точной передачи формы оптической поверхности. Приведены возможности варьирования параметрами с целью улучшения эксплуатационных показателей.
Введение
Развитие компьютеров и Интернета требует передачи все больших объемов информации. Вначале для передачи использовались высокочастотные линии связи, однако в этом случае допустимая полоса частот лимитирована излучением СВЧ и, соответственно, повышением потерь при увеличении частоты.
Выйти на принципиально новые уровни скорости передачи позволило использование оптических линий связи. Здесь свет (световая частота) используется в качестве несущей СВЧ информационного сигнала. Для этого излучение лазера модулируется СВЧ информационным сигналом. Далее свет передается по оптоволокну на большие расстояния. В конце производится обратная демодуляция с использованием сверхбыстрых фотодиодов. Однако сейчас, несмотря на название, оптическая связь реально представляет собой гибридные системы, состоящие из оптических линий связи и электронных систем модуляции и коммутации, которые и лимитируют суммарное быстродействие.
Использование непосредственной модуляции ИК света в волокне могло бы существенно повысить полосу частот и, соответственно, скорость передачи. Существующие кристаллические электрооптические модуляторы на ЫЫЬОз весьма дороги, критичны к вибрациям, имеют большие размеры и требуют высокого напряжения управления [1]. Это не дает возможности их широкого применения в устройствах телекоммуникации.
Рис. 1. (а) - модулятор Маха-Цендера, (Ь) - электрооптический переключатель
каналов 2*2
В последние годы интенсивно исследуются электрооптические устройства на основе полимерных планарных волноводов. Сейчас есть уже первые примеры их применения (рис. 1) [2-4]. Для изготовления в основном используются такие процессы, как
микроштамповка, полутоновая литография и soft lithography (наноимпритинг). Возможности современной фотолитографии позволяют с высокой точностью создать прототип необходимого волноводного устройства (Y - разветвитель, модулятор Маха-Цендера и др.) на фоторезисте, которое, благодаря таким методам, как наноимпритинг, может быть воспроизведено из необходимого полимерного материала на желаемом носителе с минимальными искажениями формы [5]. Это позволяет получать сколь угодно большое число копий хорошего качества с единичной матрицы, тем самым удешевляя процесс производства. В данной работе рассматривается применимость процесса наноимпритинга для получения полимерных планарных волноводов.
Метод soft litography
По существу, метод наноимпритинга заключается в перенесении топологии необходимой схемы (элемента) на полимер, который становится штампом для многократного использования. Возможность передачи суб-25 нм структур, высокая производительность и относительная дешевизна делают этот метод перспективным для серийного изготовления оптических интегральных схем [4]. Общая структура метода наноимпринта представлена на рис. 2.
Рис. 2. Процесс изготовления копии микрооптики при помощи метода наноимпринта: a - изготовление шаблона для волновода методом фотолитографии; b - изготовление гибкого штампа из силиконового каучука; c - гибкий штамп из силиконового каучука; d, e - нанесение УФ-отверждаемого полимера на стеклянную подложку и формирование волновода из полимера; f - полученный полимерный волновод
на стеклянной подложке
Поскольку получаемая структура является полимерной, то использование схожих веществ для получения штампа является нецелесообразным, так как могут возникнуть химические связи между штампом и формирующейся структурой. Исходя из этого, для получения штампа нами был выбран высокопрочный прозрачный силоксановый каучук (Silastic T-4). Данное вещество представляет собой двухкомпонентный материал, состоящий из основы, которая при смешивании со сшивающим агентом вулканизируется при комнатной температуре по реакции присоединения с линейной усадкой вещества менее 0,01 %. Silastic T-4 является прозрачным для УФ-излучения, что позволяет использовать его для получения элементов из УФ-отверждаемых полимерных композиций даже при использовании непрозрачных подложек. Гибкость и прочность Silastic
Т-4 позволяет легко снимать его как с фотолитографического шаблона (при изготовлении штампа), так и с полимерной копии (при получении копии) (рис. 2, с, Г) без повреждения топографии штампа [5].
УФ-полимеризуемые композиции
В работе в качестве основного оптического материала используются УФ-полимеризуемая композиция.
Название Производитель Показатель преломления Химическая формула Назначение
1 2-carboxyethyl acrylate Aldrich, США № 552348 1.4570 Н2С -СН-С-ОСН2СН2 -с-он Ненасыщенный мономер. Смачиватель
2 2-Phenoxyethyl acrylate Aldrich, США № 40,833-6 1.5180 ^jl^OHO Ненасыщенный мономер
3 Bisphenol A glyc-erolate 4,500 ppm monomethyl ether hydroquinone as inhibitor Aldrich, США № 41,116-7 1.557 Ненасыщенный оли-гомер
4 Диметоксифе-нилацетофенон (инициатор, содержание 0,01 %) Aldrich, США сй-Ер Фотоини-циирующая система
Таблица. Использованные компоненты УФ-отверждаемой композиции
Рис. 3. Спектр поглощения диметоксифенилацетофенона
NANOMETERS
Рис. 4. Спектр излучения ртутной лампы
Преимущества использования УФ-отверждаемых акрилатов состоит в том, что они не требуют присутствия растворителей и не содержат выделяющихся летучих органических соединений. В основном такая композиция содержит олигомер, мономер и фотоинициатор. Под действием УФ излучения инициатор генерирует свободные радикалы, способные разрушить двойные углеродные связи мономера и инициировать образование полимерных цепей. Быстрое отверждение (порядка десятков минут) обеспечивает высокую производительность процесса.
В таблице приведены формулы используемых веществ.
Композиция, использованная в данной работе, состояла из компонентов в следующем соотношении № 1 - 10 %, № 2 - 40 %, № 3 - 50 %, № 4 - 0,1 %. Здесь OH группы 2-carboxyethyl acrylate обеспечивают адгезию к стеклянной подложке, Bisphenol A glycerolate дает необходимую жесткость получаемому элементу, а с помощью 2-Phenoxyethyl acrylate можно подобрать необходимый показатель преломления всей композиции, который будет удовлетворять условию планарного волновода. Спектр поглощения инициатора Диметоксифенилацетофенон приведен на рис. 3. Его поглощение в области ультрафиолета определяет использование ртутной лампы для отверждения мономерной композиции, спектр которой приведен на рис. 4.
Описание эксперимента
Процесс Soft lithography при получения волноводной структуры с помощью разработанного прибора проводится в несколько этапов:
1. изготовление гибкого штампа;
2. изготовление волновода с использованием гибкого штампа из светоотверждаемых мономеров.
Изготовление гибкого штампа. Из литературы хорошо известен процесс изготовления гибкого штампа из силоксана [6, 7] c использованием фотографического шаблона. Так как в литературе приводится только общая схема процесса, то в каждом конкретном случае приходится отрабатывать элементы технологии заново. В нашем случае использовался Силастик Т-4 с соответствующим отвердителем. Операции были проведены согласно технологическому регламенту.
Используется мастер-штамп, имеющий структуру будущих микрополосков, полученный методом фотолитографии на фоторезисте. Мастер-штамп на керамической подложке приведен на фотографии (рис. 5). Далее с мастер-штампа делается силокса-новый гибкий штамп. Поверхность мастер-штампа должна быть чистой и свободной от загрязнений. Для этого проводится очищение его в составе растворителя (гексан или изопропиловый спирт) в течение нескольких минут.
■
Рис. 5. Фотография керамического шаблона.
Высота полоска 2,7 мкм, ширина 5 мкм, длина 3 см
Для получения состава, из которого при последующих процедурах получается силок-сановый штамп, следует провести смешение основы «Силастик Т-4» и отвердителя в пропорции 10:1 в чистой емкости с перемешиванием до полного диспергирования отвердителя в основе. Перемешивание может быть ручным или механическим. Повышать температуру выше +35°С не рекомендуется. Для обеспечения полного смешения основы и отвердителя рекомендуется работать с малыми количествами компонентов. Далее наносим состав на фотолитографический мастер-штамп, у которого перед этим следует сделать бортики, возможно, при помощи скотча, во избежание вытекания состава за пределы мастер-штампа при последующем ваккуумировании. При смешивании силоксана с инициатором происходит активное выделение газовой фазы в объеме силоксана. Поскольку пузыри сильно искажают передачу топографии объекта, производим процесс вакуумирования при 10-3 мм. рт. ст. Для полного обезгаживания состава достаточно примерно 30 мин., при этом смесь будет увеличиваться в объеме, а затем оседать. После прекращения вакуумирования силоксановый штамп вулканизируется на воздухе в течение 18-24 часов при комнатной температуре (+22-24 °С) и отделяется от образца. Отделение происходит достаточно просто, так как силоксан не имеет адгезии к подложкам и является гибким и прочным. Под микроскопом видно, что силоксан полностью затекает во все мелкие элементы оригинала, и форма получаемого штампа передается с хорошей точностью (рис. 6).
Если рабочая температура ниже, то время отверждения увеличивается. Возможно тепловое ускорение процесса отверждения, но при этом будет происходить заметная усадка отливки из-за различий в коэффициентах термического расширения при охлаждении силиконового каучука и формы. Формы, сделанные из компаунда «Силастик Т-4», могут эксплуатироваться длительное время при повышенных температурах. Однако длительное использование форм при температурах выше +200°С приведет к потере их эластичности. Нагрев до температуры выше +250°С не рекомендуется. Эти данные приведены для понимания области и условий применения данного материала.
Рис. 6 Фотография полученного силоксанового штампа
Таким образом, через сутки мы имеем маску с мастер-штампа для последующего изготовления волноводной структуры.
Установка. Установка для реализации процесса представлена на рис. 7.
Рис. 7. Фотография установки
Установка представляет собой вакуумную камеру с форвакуумной откачкой (насос внизу). Принципиальная и оптическая схемы установки представлены в приложении. Система питания аргоном обеспечивает газонапуск и заполнение камеры до заданного давления. Давление в установке измеряется тепловыми датчиками. Образец, установленный на столике внутри камеры, экспонируется осветителем с ртутной лампой высокого давления (ДРШ-250). Осветитель (слева) представляет собой держатель лампы с системой конвекционного охлаждения и кварцевым конденсором, формирующим параллельный пучок света. Пучок вводится в камеру через кварцевое окно и направляется на образец поворотным зеркалом внутри камеры (чертежи отдельных элементов не приводятся, в силу их простоты).
Изготовление волновода с использованием гибкого штампа из светоотвер-ждаемых мономеров. Волновод формируется на стеклянной подложке с помощью си-локсанового штампа, как описано выше.
Процесс изготовления начинается с тщательного обезжиривания подложки из силикатного стекла. Может использоваться любой другой материал, стекло использовано как наиболее распространенный и доступный материал.
Описанный в литературе метод полностью повторить не удалось, так как при нанесении состава на подложку с последующим наложением штампа не передается задаваемая толщина объекта, так как не происходит полного вытекания состава из-под си-локсанового штампа и образуется лишняя толщина. Наш опыт заключается в том, что приходится подгонять штамп, чтобы край капилляра под будущий волновод находился на краю подложки и обеспечивал попадание состава в капилляр. Полимеризующийся состав распределяется вдоль края подложки и штампа и закрывается тяжелым покровным стеклом для обеспечения плотного контакта. Комплект помещается в установку и полностью закрывается для проведения вакуумирования с целью избавления от кислорода, который ингибирует (препятствует) полимеризацию мономеров. В процессе ва-куумирования происходит затекание состава в полосок волновода под действием капиллярного эффекта. Тем самым возможно полностью воспроизвести форму и добиться желаемой толщины волновода без лишних остаточных слоев.
Производится откачка до 1.2 х 10х кПа, при этом разряжении комплект выдерживается пять минут, причем при увеличении времени вакуумирования давление в вакуумной камере не изменяется. Вакуумирование необходимо для затекания жидкого ак-рилата под действием капиллярных сил. Для предотвращения кипения материала при его фотополимеризации камеру после вакуумирования и затекания акрилата заполняют инертным газом (аргон). Заполнение проводится до достижения давления в камере
1.02 х10 кПа. Далее производится засветка ультрафиолетом в течение трех минут. По окончании экспозиции необходимо уравнять давление в камере с атмосферным, чтобы открыть камеру и достать образец.
Поскольку акрилатная композиция не имеет адгезии к силоксану и при этом образует химические связи с поверхностью стекла, то после полимеризации мы имеем полимерный микрополосок на стеклянной подложке, а силоксановая маска легко отделяется от полученного элемента. В итоге получаем точную копию фотолитографического шаблона. На рис. 8 приведена фотография полученного волновода.
Рис. 8. Фотография полученного волновода на стеклянной подложке
На фотографии представлены фотолитографический шаблон на керамической пластине, силоксановая копия и полученный волновод на силикатном стекле (рис. 9).
Рис. 9. Фотография керамического шаблона, силоксанового штампа и полученных
на стеклянной подложке волноводов
Обсуждение результатов
Проведенная работа показала, что описанный в литературе метод, заключающийся в изготовлении гибкого штампа рассмотренным выше способом и последующем его нанесении на каплю жидкого акрилата, находящегося на поверхности стекла, дает остаточный слой акрилата, который растекается из-под штампа и принципиально не может быть уменьшен при повышении давления, поскольку поверхностное натяжение в тонком слое не позволяет акрилату вытечь полностью. Аналогичные результаты получены также в зарубежных работах (рис. 10).
—*— 4
* ♦ Мэуедийе -♦-
* •
20 40 60 ВО 100 Рогм (М>
Рис. 10. График зависимости остаточного слоя от силы сжатия
Рассмотрена толщина остаточного слоя в зависимости от силы сжатия, приложенной к силоксановому штампу. Видно, что повышение давления на штамп приводит к уменьшению как высоты волновода, так и толщины остаточного слоя, причем устранить появление остаточного слоя полностью не удается. С другой стороны, повышение давления приводит к изгибу профиля волновода, как показано на рис. 11, что негативно сказывается на модовом составе и потерях проходящего света.
Рис. 11. Изгиб профиля волновода
В данной работе та же задача - уменьшение толщины остаточного слоя - была успешно решена иным способом: наполнение волноводной структуры силоксанового штампа жидким акрилатом проводилось под действием капиллярных сил. Было обнаружено, что втягивание жидкого акрилата под силоксановый штамп происходит только в вакууме. Вероятно, при наличии воздуха он, с одной стороны, не дает втягиваться ак-рилату из-за ограниченного объема, с другой стороны, известно, что в вакууме поверхностное натяжение выше, следовательно, лучше будет и затекание состава. Если жидкий акрилат экспонировать в вакууме, то при газовыделении происходит образование пузырей газовой фазы, которые затвердевают при фотополимеризации и портят образующуюся структуру. Поэтому после окончания процесса затекания акрилата в камеру напускается аргон до давления, большего, чем давление кипения состава. Газовыделе-
ние прекращается, и при экспонировании происходит затвердевание акрилата. После снятия штампа на поверхности стекла остается полимерный волновод, имеющий заданные размеры, которые не искажаются приложением значительного давления, как в предыдущем случае. Кроме того, затекание акрилата приводит к более чистой (беспыльной) структуре, поскольку пыль, содержащаяся в акрилате и на поверхности стекла, в этом случае не попадает в полосок.
Конечно, метод требует доработки. Затекание зависит от смачивания акрилат-стекло и акрилат-силоксан. Недостаточная очистка поверхностей препятствует затеканию. Поэтому в наших предварительных лабораторных экспериментах длина затекания составляла от 5 до 20 мм, что, во-первых, достаточно для практического использования, и, во-вторых, может быть улучшено при доработке технологического процесса.
Таким образом, в работе предложен и исследован метод создания планарных волноводов, основанный на затекании жидкого акрилата в структуру силоксанового штампа под действием капиллярных сил поверхностного натяжения. Данный метод даже в лабораторном исполнении дал хорошие результаты: получены микрополосковые полимерные волноводы на стекле, имеющие заданную конфигурацию и не имеющие остаточного слоя полимера за пределами волновода.
Были проведены эксперименты по введению света в сформированные волновод-ные структуры, которые показали, что сформированная структура имеет волноводные свойства и пропускает свет на десятки миллиметров. Фотография световода с введенным в него светом представлена на рис. 12. Видны точки ввода света (слева) и линии волноводов (слева направо).
Поиск аналогов показал, что данный способ не используется в зарубежных работах для изготовления микрополосковых волноводов.
!
Рис. 12. Свет, проходящий через волноводы Выводы
1. Исследован процесс затекания акрилата под силоксановый штамп. Показано, что традиционный способ дает принципиально неустранимый остаточный слой акрила-та вокруг полоска.
2. Предложен и экспериментально проверен новый метод формирования планар-ных полимерных волноводов, основанный на капиллярном затекании жидкого акрилата под силоксановый штамп, прижатый к стеклу. Метод неизвестен в зарубежных публикациях по формированию полимерных акриловых волноводов и может быть использован в практике.
3. Введение света в полученный волновод показало прохождение света на расстояние несколько десятков миллиметров, что вполне достаточно для практического использования.
4. Использованные вещества, структуры волноводов и длина прохождения света достаточны для реализации У-разветвителей (несколько миллиметров длины) и интерферометра Маха-Цендера (10-15 мм).
1. Слепов Н. Оптические волновые конвекторы и модуляторы. // Электроника: наука, технология, бизнес. 2000. № 6, С. 6-10
2. T.C. Sum *, A.A. Bettiol, H.L. Seng, I. Rajta 1, J.A. van Kan, F. Watt Proton beam writing of passive waveguides in PMMA Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 210 (2003)266-271.
3. G. Paloczi, Y. Huang, A. Yariv/ Replica - molded electro-optic polymer Mach-Zehnder modulator, 2004 Applied Physics Letters V.85,№10, p. 1662-1664.
4. Myung-Hyun Lee, Jung Jin Ju, Suntak Park, Jung Yun Do, and Seung Koo Park Polymer-Based Devices for Optical Communications ETRI Journal, Volume 24, Number 4, August
5. Аракчеева Е., Танклевская Е., Нестеров С., Максимов М., Гуревич С. Получение фотонных кристаллах в структурах на основе полупроводников и полимеров и использованием метода наноимпринта. // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. № 8. С. 80-84.
6. G.T. Paloczi, Y. Huang, J. Scheuer, A. Yariv. Soft lithography molding of polymer integrated optical devices: Reduction of the background residue 2004 J. Vac. Sci. Techol. B, Vol.22 № 4 p. 1764-1769.
7. http://www.pentasever.ru/product.php
Рис. 13. Оптическая схема: 1 - источник света (ртутная лампа), 2 - конденсор, 3 - входное окно камеры, 4 - поворотное зеркало, 5 - вакуумная камера, 6 - образец
Литература
2002.
Приложение
