Micromecanizado del Niobato de Litio mediante haces de iones de alta energía con potenciales aplicaciones ópticas
2011
Tesista | Francisco José Gabriel NESPRÍAS Licenciado en Física - Universidad de Buenos Aires - Argentina Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
Director | Dr. Mario E. DEBRAY. CNEA, UNSAM - Argentina |
Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones – Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
Fecha Defensa | 30/03/2011 |
Jurado | Dr. Ricardo DEPINE. UBA - Argentina Dr. Gerardo GARCÍA BERMUDEZ. CNEA - Argentina Dr. Gustavo TORCHIA. CIOP, UNLP - Argentina |
Código | IS/TD 57/11 |
Título completo
Micromecanizado del Niobato de Litio mediante haces de iones de alta energía con potenciales aplicaciones ópticas
Resumen
El presente trabajo de tesis comprende el estudio y fabricación de circuitos ópticos empleando el Micro-haz de iones Pesados (MiP) acoplado al acelerador Tandar del Centro Atómico Constituyentes.
Hasta el presente, las guías de onda tipo canal micro-maquinadas, en general, han sido fabricadas en silicio montado sobre estructuras aislantes, utilizando las técnicas de procesamiento similares a las empleadas en el diseño de circuitos integrados. Sin embargo, resulta difícil fabricar este tipo de estructuras en niobato de litio, que también es un material muy importante para la optoelectrónica debido a sus propiedades electro-ópticas. Uno de los retos principales es la dificultad de atacar químicamente al niobato de litio. En este trabajo de tesis, se muestra un nuevo método para la fabricación de guías de onda tipo canal en niobato de litio mediante la combinación de implantación iónica, micromaquinado directo de haces de iones con decenas de MeV de energía, y técnicas selectivas de ataque químico. El método no implica la unión de la oblea mediante pegamento o el corte del cristal mediante haces de iones (crystal ion slicing) y es un método completamente monolítico.
Se estudió por medio de simulaciones electromagnéticas las características de las guías de onda fabricadas por implantación iónica y por el nuevo método aquí presentado. Esta técnica computacional brinda la posibilidad de estudiar las guías de ondas en orden a un diseño óptimo.
Para la concreción del presente trabajo se hizo necesaria la implementación de sucesivas mejoras en la línea del MiP. Se destacan:
1)La instalación y puesta a punto de un nuevo sistema de control de la bobina de barrido,
2)La instalación de un sistema de nano-posicionamiento para el desplazamiento de la muestra en los tres ejes coordenados,
3)La programación y control simultáneos de estos dispositivos junto a un deflector electrostático ultrarrápido para la deflexión del haz y un contador de rayos X para el monitoreo de la dosis iónica recibida por la muestra.
Como paso previo, se estudió la velocidad de ataque químico del cristal de niobato de litio frente al impacto de iones de 35Cl a 40 y 70 MeV de energía para controlar el tamaño, profundidad y características de borde del micromaquinado. Los resultados muestran un método eficaz para la fabricación de dispositivos monolíticos en de niobato de litio, que permite nuevas aplicaciones, tales como guías de onda, moduladores de fase, detectores infrarrojos y bio-sensores, así como la posibilidad de fabricar guías de onda y dispositivos ópticos auto-suspendidos.
Los resultados obtenidos de estos estudios utilizando el MiP con las mejoras mencionadas muestran la posibilidad de fabricar guías de ondas por un método novedoso, con características únicas, de pequeñas dimensiones y con una alta eficiencia, gracias a que las paredes laterales de la guía son micro-maquinadas.
Hasta el presente, las guías de onda tipo canal micro-maquinadas, en general, han sido fabricadas en silicio montado sobre estructuras aislantes, utilizando las técnicas de procesamiento similares a las empleadas en el diseño de circuitos integrados. Sin embargo, resulta difícil fabricar este tipo de estructuras en niobato de litio, que también es un material muy importante para la optoelectrónica debido a sus propiedades electro-ópticas. Uno de los retos principales es la dificultad de atacar químicamente al niobato de litio. En este trabajo de tesis, se muestra un nuevo método para la fabricación de guías de onda tipo canal en niobato de litio mediante la combinación de implantación iónica, micromaquinado directo de haces de iones con decenas de MeV de energía, y técnicas selectivas de ataque químico. El método no implica la unión de la oblea mediante pegamento o el corte del cristal mediante haces de iones (crystal ion slicing) y es un método completamente monolítico.
Se estudió por medio de simulaciones electromagnéticas las características de las guías de onda fabricadas por implantación iónica y por el nuevo método aquí presentado. Esta técnica computacional brinda la posibilidad de estudiar las guías de ondas en orden a un diseño óptimo.
Para la concreción del presente trabajo se hizo necesaria la implementación de sucesivas mejoras en la línea del MiP. Se destacan:
1)La instalación y puesta a punto de un nuevo sistema de control de la bobina de barrido,
2)La instalación de un sistema de nano-posicionamiento para el desplazamiento de la muestra en los tres ejes coordenados,
3)La programación y control simultáneos de estos dispositivos junto a un deflector electrostático ultrarrápido para la deflexión del haz y un contador de rayos X para el monitoreo de la dosis iónica recibida por la muestra.
Como paso previo, se estudió la velocidad de ataque químico del cristal de niobato de litio frente al impacto de iones de 35Cl a 40 y 70 MeV de energía para controlar el tamaño, profundidad y características de borde del micromaquinado. Los resultados muestran un método eficaz para la fabricación de dispositivos monolíticos en de niobato de litio, que permite nuevas aplicaciones, tales como guías de onda, moduladores de fase, detectores infrarrojos y bio-sensores, así como la posibilidad de fabricar guías de onda y dispositivos ópticos auto-suspendidos.
Los resultados obtenidos de estos estudios utilizando el MiP con las mejoras mencionadas muestran la posibilidad de fabricar guías de ondas por un método novedoso, con características únicas, de pequeñas dimensiones y con una alta eficiencia, gracias a que las paredes laterales de la guía son micro-maquinadas.
Complete Title
Micro-mechanized of lithium niobate using high energy ion beams with potential optical aplications
Abstract
This thesis includes the study and manufacture of optical circuits using the Heavy-ion Micro Beam (MiP) coupled to the Tandar accelerator of the Constituyentes Atomic Center.
So far, the micro-machined channel-type waveguide, in general, have been fabricated in silicon structures mounted on insulators, using processing techniques similar to those used in the design of integrated circuits. However, it is very difficult to fabricate such structures in lithium niobate, which is also a very important material for optoelectronics because of their electro-optical properties. One of the main challenges is the difficulty of etching the lithium niobate. In this thesis, it is presented a new method for making channel-type waveguides in lithium niobate using a combination of ion implantation, direct micromachining by ion beams with tens of MeV, and selective etching techniques. The method does not involve the binding of the wafer using adhesive or the cutting of glass by ion beam (crystal ion slicing) and is completely monolithic.
Through electromagnetic simulations were studied the characteristics of the waveguides fabricated by ion implantation and the new method presented here. This computational technique offers the possibility to study waveguides in order to optimum design. To perform the present work of thesis was necessary to implement successive improvements in the MiP facility. The most important are:
1)The installation and tune-up of a new control system for the scan coils,
2) The installation of a nano-positioning system to moving the sample in the three coordinates axes,
3) The programming and simultaneous control of these devices with an ultra-fast electrostatic beam switch on demand and an X-ray counter for shape normalization of ion dose received by the sample.
As a preliminary step, was studied the etching rate of lithium niobate crystal after the impact of 35Cl ions at 40 and 70 MeV of energy to control the size, depth and edge characteristics of micromachining. The results of these studies using the MiP with these improvements show the possibility of producing waveguides by a novel method with unique features: small size and high efficiency thanks to the high aspect ratio micro-machined sidewalls of the guides.
The results also show an effective method for the manufacture of monolithic devices in lithium niobate, which enables new applications such as waveguides, phase modulators, infrared detectors and bio-sensors, as well as the possibility of producing optical devices with auto-suspended waveguides.
So far, the micro-machined channel-type waveguide, in general, have been fabricated in silicon structures mounted on insulators, using processing techniques similar to those used in the design of integrated circuits. However, it is very difficult to fabricate such structures in lithium niobate, which is also a very important material for optoelectronics because of their electro-optical properties. One of the main challenges is the difficulty of etching the lithium niobate. In this thesis, it is presented a new method for making channel-type waveguides in lithium niobate using a combination of ion implantation, direct micromachining by ion beams with tens of MeV, and selective etching techniques. The method does not involve the binding of the wafer using adhesive or the cutting of glass by ion beam (crystal ion slicing) and is completely monolithic.
Through electromagnetic simulations were studied the characteristics of the waveguides fabricated by ion implantation and the new method presented here. This computational technique offers the possibility to study waveguides in order to optimum design. To perform the present work of thesis was necessary to implement successive improvements in the MiP facility. The most important are:
1)The installation and tune-up of a new control system for the scan coils,
2) The installation of a nano-positioning system to moving the sample in the three coordinates axes,
3) The programming and simultaneous control of these devices with an ultra-fast electrostatic beam switch on demand and an X-ray counter for shape normalization of ion dose received by the sample.
As a preliminary step, was studied the etching rate of lithium niobate crystal after the impact of 35Cl ions at 40 and 70 MeV of energy to control the size, depth and edge characteristics of micromachining. The results of these studies using the MiP with these improvements show the possibility of producing waveguides by a novel method with unique features: small size and high efficiency thanks to the high aspect ratio micro-machined sidewalls of the guides.
The results also show an effective method for the manufacture of monolithic devices in lithium niobate, which enables new applications such as waveguides, phase modulators, infrared detectors and bio-sensors, as well as the possibility of producing optical devices with auto-suspended waveguides.
volver al listado