Dual Beam Focussed Ion Beam
Final Report Abstract
Das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) arbeitet auf dem Gebiet der Mikro- und Nanostrukturen mit Anwendungen in den Bereichen optische Baulemente, MEMS, spektroskopische Sensoren, Halbleiterlaser sowie für die Erforschung von technologischen Verfahren wie z.B. 3D Nanoimprint. Für unsere Forschungsthemen bietet das Focused Ion Beam (FIB) System ideale Möglichkeiten für die analytische Untersuchung von solchen Strukturen, Schichtsystemen und Bauelementen, die z.B. mit Hilfe von verschiedenen Detektoren in Kombination mit der Anfertigung von Querschnitten oder Lamellen durchgeführt werden. Auf diese Weise ist der Zugang zu Bereichen im Inneren von Proben, oder an besonders interessanten aber schwer zugänglichen Proben möglich. Darüber hinaus wird die FIB Anlage von uns für eine zweite Art von Anwendungen genutzt, der direkten Strukturerzeugung mittels ionmilling und einem hierfür installierten Lithographiesystem. Der Vorteil dieser Methode ist, neben der hohen Auflösung von Strukturen im sub-100 nm Bereich, die sehr vielseitige Einsetzbarkeit, die durch die nicht vorhandene Notwendigkeit von weiteren Prozesschritten, wie z.B. Beschichtung mit Resisten und die Auslegung der Anlage mit einem sechsachsigen Probentisch weiteren hierauf abgestimmten Bestandteilen, gegeben ist. Die Verwendung der Anlage wird im Folgenden anhand mehrerer Forschungsprojekte und wissenschaftlichen Arbeiten aus unserer Arbeitsgruppe und von Kooperationspartnern beschrieben: Optische MEMS Filter bestehend aus einer Abfolge von InP-Schichten und Luftspalten werden von uns durch eine Photonische Kristallstruktur in der obersten Halbleiterschicht ergänzt, die ein polarisationsselektives Verhalten bewirkt. Hierfür wird der Resonanzeffekt geführter Moden (Fanoresonanzen) genutzt, bei dem durch eine Asymmetrie der PhC Basiselemente (z.B. elliptisch) die Modenkopplung für verschiedene Polarisationsrichtungen unterschiedlich ist. Die Strukturen werden in einem neu entwickelten Prozess hergestellt in dem die PhC mittels FIB direkt in eine dielektrische Hartmaske geschrieben und nachfolgend mit einem Trockenätzverfahren in den Halbleiter übertragen werden. Dieser Ablauf ermöglicht ein relativ schnelles Arbeit und Ergebnisse von sehr hoher Qualität. Die Verwendung der FIB ermöglicht es nun auch sehr genau die PhC auf bereits bestehende Bauelemente auszurichten. Für die Anwendung ähnlicher Strukturen in Faserlasern wurden bereits Vorarbeiten erfolgreich durchführt, die die Stärken der FIB Anlage deutlich zeigen. Die im vorherigen Teil beschriebenen PhC Strukturen können auf der Facette (Faserendfläche) einer optischen Glasfaser bzw. eines Faserlasers in einer vorher abgeschiedenen Dünnschicht erzeugt werden, um ebenfalls den Polarisationszustand zu beeinflussen. Aufgrund der geringen Abmaße einer optischen Faser (einmodig) von nur 100- 200 µm (Kern: 5-9 µm) ist die Verwendung von Verfahren, die auf Resisten basieren nur schwer oder gar nicht möglich). Ebenso ist die Ausrichtung der Endfläche in einem konventionellen Lithographiesystem nicht in diesen Dimensionen möglich. Als weitere Forschungsthemen am INA seien die FIB Untersuchungen und Strukturierung von VCSEL Bauelementen, bestehend aus einer Abfolge von dielektrischen und organischen Dünnschichten genannt, bei denen die spektralen Emissionsbereiche fast frei gewählt werden können. Für die Untersuchung von Prozesstechnologien werden die analytischen Möglichkeiten der FIB Anlage sehr vielseitig eingesetzt, so z.B. für Metall-Halbleiterkontakte oder Polymerrestschichten bei Nanoimprintverfahren. In der „Technischen Physik“ (Prof. Reithmaier) werden mit Hilfe des FIB Systems Halbleiterlaser (GaAs basiert und InP basiert), die in neuartiger Weise aktive Schichten mit Quantenpunktstrukturen verwenden untersucht. Für Kooperationspartner an der Universität Kassel wurden mehrere Untersuchungen von lamellenartigen Ti/Al Werkstoffen durchgeführt, wobei Belastungsproben untersucht wurden, aber auch Initialkerben für neue Reißversuche und Testmuster für fs-Laser- Analytik erzeugt wurden. Weitere Arbeiten wurden im Bereich der TEM Lamellen-Herstellung und Untersuchung durchgeführt, so z.B. von oxidischen Dünnschichten oder GaN Epitaxien auf Si/AlN Substraten, bei denen sehr deutlich die Wachstumstruktur und spezielle Defekte sichtbar wurden.
Publications
- Structuring of 2D Photonic Crystal on InP Membranes as Polarizing Element for Optical MEMS Based Sensor Systems. IEEE Technical Digest INSS, S. 179-182 (2010)
R. Zamora ; T. Kusserow ; M. Wulf ; K. Kanwar ; B. Witzigmann ; H. Hillmer
- Herstellung und Charakterisierung von nanophotonischen Strukturen mit Hilfe fokussierter Ionenstrahlen. In: DGaO Proceedings 2008 (2008)
T. Kusserow ; M. Wulf ; N. Dharmarasu ; H. Hillmer
- Micromachining of InP/InGaAs multiple membrane/airgap structures for tunable optical devices. In: Proceedings of the SPIE Vol. 6993 (2008)
T. Kusserow ; S. Ferwana ; T. Nakamura ; T. Hayakawa ; N. Dharmarasu ; B. Vengatesan ; H. Hillmer
- Monolithic Integration of a Tunable Photodetector Based on InP/airgap Fabry-Pérot Filters. In: Proc. IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (2008)
T. Kusserow ; R. Zamora ; J. Sonksen ; T. Nakamura ; T. Hayakawa; B. Vengatesan ; N. Dharmarasu ; H. Hillmer
- 3D nanoimprint templates with ultra-high vertical precision. In: ICMAT 2009 & IUMRS-ICA 2009 (2009)
M. Bartels ; X. Wang ; T. Kusserow ; F. Koehler ; S. Wittzack ; H. Hillmer
- High Vertical Resolution 3D Nanoimprint Technology for Nanophotonic Applications. In: IEEE/LEOS Intern. Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (2009)
M. Bartels ; S. Wittzack ; F. Köhler ; X. Wang ; A. Albrecht ; S. Schudy ; M. Engenhorst ; H. H. Mai ; O. Setyawati ; T. Woit ; C. Woidt ; H. Hillmer
- Hochpräzise Nanoimprint-Templates für 3D-Strukturen. In: Galvanotechnik, Band 100, Heft 10, S. 2376-2382 (2009)
S. Wittzack ; F. Köhler ; X. Wang ; O. Setyawati ; T. Woit ; A. Albrecht ; M. Engenhorst ; S. Schudy ; C. Woidt ; M. Bartels ; H. Hillmer
- Photonic Crystal Polarizer Element on InP/Air Membranes for Optical MEMS Applications. In: ICMAT 2009 & IUMRS-ICA 2009 (2009)
T. Kusserow ; M. Wulf ; R. Zamora ; B. Vengatesan ; B. Witzigmann ; H. Hillmer
- Tunable Fabry-Perot-filters based on InP/air-gap mirrors. In: Photonik International 1, S. 14-16 (2009)
T. Kusserow ; S. Irmer ; D. Nethaji ; H. Hillmer ; B. Vengatesan
- High-resolution, Low-cost Microsensors for Networked Sensing Systems: Optical Nanospectrometers with Nanoimprinted Cavities of Filter Arrays. IEEE Technical Digest INSS, S. 171-174 (2010)
X. Wang ; A. Albrecht ; S. Schudy ; T. Woit ; V. Daneker ; K. Schultz ; H. H. Mai ; F. Köhler ; S. Wittzack ; M. Bartels ; H. Hillmer
- Photonic Crystal Polarizer Element on InP/Air Membranes for Optical MEMS Applications. In: S. Chua ; J. Teng ; A. Danner (Hrsg.): Compound Semiconductor Photonics : Pan Stanford, S. 66-68 (2010)
T. Kusserow ; M. Wulf ; R. Zamora ; B. Vengatesan ; B. Witzigmann ; H. Hillmer
- 1.3µm Two-Section DBR Lasers Based on Surface Defined Gratings for High-Speed Telecommunication. IEEE Phot. Techn. Lett., Vol. 23, NO. 7, p. 411-413 (2011)
Sohaib Afzal, Florian Schnabel, Wenzel Scholz, Johann Peter Reithmaier, David Gready, Gadi Eisenstein, Petri Melanen, Ville Vilokkinen, Ivo Montrosset, and Marco Vallone
