Способ изготовления волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо
METHOD FOR MANUFACTURING A FIBRE-OPTIC TEMPERATURE SENSOR BASED ON A FABRY-PÉROT SILICON OPTICAL RESONATOR

Настоящее изобретение относится к способам изготовления устройств измерения температуры оптическими средствами, в частности, к способу изготовления волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо.
Оптический резонатор Фабри - Перо представляет собой среду с двумя плоскопараллельными границами, от которых отражается свет. Оптическое расстояние между двумя отражающими границами равно d ⋅ n, где d - геометрическая длина резонатора, a n - показатель преломления материала резонатора. При нагреве или охлаждении изменяется оптическая длина резонатора в результате температурного расширения и температурной зависимости показателя преломления материала резонатора. Большим коэффициентом температурного расширения и сильной зависимостью показателя преломления от температуры обладают полупроводниковые материалы, в частности кремний, что позволяет создавать компактные датчики с высокой чувствительностью.
Детектирование изменения оптической длины резонатора и, соответственно, температуры осуществляется измерительным оборудованием. Свет доставляется и отводится из резонатора в измерительное оборудование по оптическому волокну. Существуют различные методики, позволяющие детектировать изменения оптической длины резонатора, к примеру, интерферометрия белого света с использованием спектрометра или интерферометра, различные схемы измерения с когерентным излучением, в том числе с несколькими длинами волн.
Известен способ изготовления волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо планарного типа на кремниевой подложке (Zarei S., Mohajerzadeh S., Shahabadi M. Design and fabrication of a fiber-optic deep-etched silicon fabry-perot temperature sensor // 2nd IEEE Int. Conf. Telecommunications and Photonics, 2018. P. 92-96), в котором, после этапов очистки-полировки кремниевой подложки, осаждения на ее поверхность маскирующей пленки из хрома и формирования маскирующего слоя с помощью стандартной фотолитографии, путем чередования циклов пассивации и глубокого реактивного ионного травления формируют планарный резонатор Фабри - Перо и паз для фиксации оптического волокна непосредственно в самой подложке из кремния. Недостатком данного способа является заведомо большой размер датчика ввиду единства конструкции резонатора и подложки, что увеличивает время отклика датчика. Также возникают дополнительные оптические потери в результате неплоскопараллельности отражающих граней резонатора, формируемых в процессе травления.
Отражающими поверхностями резонатора Фабри - Перо могут выступать полированные поверхности самой кремниевой подложки. Так, например, известен способ изготовления волоконно-оптического датчика на базе кремниевого оптического резонатора Фабри-Перо (см. J. Yin; Т. Liu; J. Jiang; К. Liu; S. Wang; Z. Qin; S. Zou Batch-Producible Fiber-Optic Fabry-Perot Sensor for Simultaneous Pressure and Temperature Sensing // IEEE Photon.Tech. Lett., 2014. V. 26, Issue 20. P. 2070-2073) в котором используемый для измерения температуры резонатор Фабри - Перо вырезают из кремниевой подложки механическим образом и крепят перпендикулярно к оптическому волокну. Недостатком данного способа является невозможность изготовления посредством механической обработки резонатора Фабри - Перо миниатюрного размера, что увеличивает время отклика датчика.
Наиболее близким к предложенному решению является способ изготовления, описанный в статье Liu G., Han М., Hou W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity // Opt. Express, 2015. V. 23, №. 6. P. 7237-7247. Аналогичный способ описан в одном из примеров в патенте US 10520355. В приведенном в статье способе изготавливают волоконно-оптический датчик температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо, имеющего диаметр сопоставимый с диаметром оптического волокна и обеспечивающего за счет этого малые размеры датчика и уменьшение времени отклика датчика. В указанном способе осуществляют приклеивание одной кремниевой подложки с двусторонней полировкой поверх второй кремниевой подложки через слой фоторезиста. Вторую кремниевую подложку используют в качестве удерживающего основания для облегчения изготовления и в качестве опоры и держателя для изготовленных кремниевых резонаторов. Затем на чистую сторону первой подложки наносят слой фоторезиста и формируют их него маску для травления путем стандартной фотолитографии. После этого пластину протравливают до второй подложки с использованием глубокого реактивного ионного травления (в патенте вид травления не уточнен), при этом вертикальные кремниевые резонаторы остаются прикрепленными к удерживающему основанию (второй подложке). Затем каждый готовый резонатор Фабри - Перо отделяют от удерживающего основания и осуществляют его скрепление с оптическим волокном. В патенте крепление резонатора к оптическому волокну производят свариванием в электрической дуге. В статье эту же операцию после юстировки под микроскопом осуществляют путем приклеивания резонатора к оптическому волокну УФ-отверждаемым клеем. Изготовление завершается очисткой спиртом остаточного фоторезиста на свободном конце резонатора. При этом предполагается, что из-за сверхтонкой толщины остаточного фоторезиста между резонатором и волокном спектр отражения кремниевого резонатора не меняется.
Недостатком прототипа является низкая технологичность волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо, которая обусловлена следующими причинами.
Во-первых, при изготовлении резонатора отклонение формы поверхности подложек от плоскости не должно превышать толщину слоя фоторезиста, то есть быть не более 2-3 мкм на всем габарите подложки. Это требует либо дополнительной полировки образцов, либо предварительной отбраковки, что усложняет и удорожает процесс изготовления.
Во-вторых, в процессе склейки подложек фоторезистом необходимо контролировать возможную деформацию подложек в результате неоднородного прижима или наличия температурных градиентов. Также при склейке возможно образование воздушных пузырей между подложками, что приводит к отсутствию слоя фоторезиста, удерживающего резонаторы после травления на удерживающем основании. Отделившиеся резонаторы не могут быть использованы в дальнейшей технологической цепочке изготовления датчика.
В-третьих, процесс травления сопровождается повышением температуры обрабатываемых материалов, а нагрев фоторезиста выше 140-150°С приводит к потере его свойств и существенному затруднению удаления его остатков с резонатора. Жесткие температурные ограничения усложняют процедуру травления, а также увеличивают время травления. При этом фоторезист обладает низкой теплопроводностью, его использование между подложками существенно ухудшает отвод тепла через удерживающее основание при травлении, что также кардинальным образом увеличивает время травления.
В-четвертых, на поверхности кремниевого резонатора после процедуры травления и после снятия его с удерживающего основания частично остается фоторезист, что требует дополнительной процедуры очистки резонатора от фоторезиста.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение технологичности волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо за счет сокращения времени изготовления и упрощения технологических операций.
Технический результат достигается, тем, что в способе изготовления волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо создают маску на верхней стороне полированной кремниевой подложки, закрепленной на удерживающем основании нижней стороной, осуществляют травление кремниевой подложки на всю глубину по маске с получением кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо нужной формы, закрепленных на удерживающем основании, отделяют каждый оптический резонатор Фабри - Перо от удерживающего основания и осуществляют его соединение с оптическим волокном.
Новым является то, что в качестве удерживающего основания используют нанесенный вакуумным осаждением на нижнюю сторону кремниевой подложки слой алюминия.
Новым в частном случае реализации способа по п. 2 формулы является то, что маску выполняют из фоторезиста.
Новым в частном случае реализации способа по п. 3 формулы является то, что маску выполняют из нанесенного вакуумным осаждением слоя алюминия.
Предлагаемый способ поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлен способ изготовления кремниевого резонатора Фабри - Перо в общем случае в соответствии с независимым пунктом формулы: а - нанесение на отполированную кремниевую подложку 1 маски 2 и удерживающего основания 3, б - травление кремниевой подложки 1 на всю глубину по маске 2 с получением кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 нужной формы, закрепленных на удерживающем основании 3, в - отделение каждого из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 от удерживающего основания 3, г - соединение каждого из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 с оптическим волокном 5.
На фиг.2 проиллюстрирован частный случай реализации способа по п. 2 формулы для варианта создания маски 2 из фоторезиста 6.
На фиг.3 проиллюстрирован частный случай реализации способа по п. 3 формулы для варианта создания маски 2 из нанесенного вакуумным осаждением слоя алюминия 7.
На фиг.4 приведена фотография готового датчика температуры.
На фиг.5 представлены результаты испытаний готового датчика температуры с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии.
Указанные рисунки поясняют изобретение, но не ограничивают его.
Предлагаемый способ в общем случае осуществляют следующим образом.
На верхнюю сторону предварительно отполированной кремниевой подложки 1 наносят маску 2, разграничивающую подлежащие и неподлежащие травлению области кремниевой подложки 1 (см. фиг.1, случай а). При этом на нижнюю сторону кремниевой подложки 1 путем вакуумного осаждения наносят удерживающее основание 3, которое представляет собой достаточно толстый (около 3-10 мкм) слой алюминия. Затем осуществляют травление кремниевой подложки 1 на всю глубину по маске с получением кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 нужной формы, закрепленных на удерживающем основании 3 (см. фиг.1, случай б). Таким образом, толщина кремниевой подложки 1 определяет длину получаемых кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4, а непротравленные отполированные участки на верхней и нижней сторонах кремниевой подложки 1 являются их отражающими границами. После этого отделяют каждый из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 от удерживающего основания 3 (см. фиг.1, случай в) и осуществляют его соединение с оптическим волокном 5 (см. фиг.1, случай г). На фиг.1 внизу также приведен вид изготовленного волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо.
Операции травления кремниевой подложки 1, отделения каждого из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 от удерживающего основания 3 и его соединения с оптическим волокном 5 могут в рамках реализации изобретения быть выполнены различным образом, поэтому описанные далее варианты осуществления данных операций поясняют, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
Используемые виды травления могут быть разными (реактивное ионное травление, плазмохимическое травление и др.) в зависимости от технических возможностей или технологических требований, предъявляемых к процессу травления для используемых материалов. В аналогах и прототипе предпочтение отдано глубокому реактивному ионному травлению. Авторы предлагаемого изобретения сочли для себя более приемлемым использовать анизотропное плазмохимическое травление в индуктивно-связанной плазме, которое позволяет получать высокой степени вертикальности стенки кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4, что, вообще говоря, не исключает возможности использования для реализации предлагаемого способа других видов травления.
Для отделения каждый из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 от удерживающего основания 3 и его транспортировки обычно используют транспортировочное волокно. Оно представляет собой небольшой отрезок оптического волокна со сколотым торцом. На сколотый торец волокна наносят слой клея. Возможно использование различных клеев, однако лучшим является использование клея с ультрафиолетовым отверждением. Его наносят на торец волокна, после чего волокно закрепляют в трехосной микроподвижке и приводят в контакт с торцом одного из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4. Клей облучают ультрафиолетовым излучением, после чего он полимеризуется и обеспечивает соединение, прочности которого достаточно, чтобы отделить один из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 от удерживающего основания 3.
Соединение каждого из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 с оптическим волокном 5 в процессе реализации предложенного изобретения возможно осуществить различным образом: с использованием клеевого соединения, свариванием в электрической дуге, анодным сращиванием. Наиболее технологичным решением, по мнению авторов, является сваривание в электрической дуге. В сварочный аппарат помещают один из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4, приклеенный на торец транспортировочного волокна, и оптическое волокно 5, к которому он будет приварен. Далее осуществляют юстировку одного относительно другого и производят сваривание в электрической дуге с тщательно подобранным режимом. В процессе сваривания не нарушается геометрия каждого из кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 излишним оплавлением, но осуществляется надежное его соединение с оптическое волокном 5, при этом от нагревания при сваривании происходит разрушение клеевого соединения и освобождение датчика от транспортировочного волокна.
Повышение технологичности волоконно-оптического датчика температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо в предложенном изобретении достигается тем, что стоп-слоем для травления и удерживающим основанием 3 для кремниевой подложки 1 и формируемых из нее кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 служит нанесенный вакуумным осаждением на нижнюю сторону кремниевой подложки 1 слой алюминия. Адгезия металла к полупроводнику достаточна для надежного удержания получающихся кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 при манипуляциях с кремниевой подложкой 1, но при этом недостаточна, чтобы препятствовать их отделению от удерживающего основания 3. При этом отделяемые от удерживающего основания 3 торцы кремниевых оптических резонаторов Фабри - Перо 4 не загрязнены фоторезистом, как это происходит в прототипе, поэтому нет необходимости производить процедуру их очистки перед свариванием с оптическим волокном 5. Кроме того, поскольку напыляемый вакуумным методом слой алюминия полностью повторяет поверхность кремниевой подложки 1, существенным образом снижаются требования к качеству ее полировки и отсутствует необходимость контролировать ее возможную деформацию. Также отсутствие необходимости склеивать кремниевую подложку 1 с металлическим удерживающим основанием 3 фоторезистом дает возможность допустить более высокие температуры в процессе травления и обеспечить хороший теплоотвод через удерживающее основание 3, что, в свою очередь, существенным образом ускоряет как процесс травления, так процесс изготовления датчика в целом.
Частные случаи реализации предложенного способа касаются особенностей создания маски 2 на верхней стороне полированной кремниевой подложки 1.
В частном случае реализации предлагаемого способа по п. 2 формулы (см. фиг. 2), как и в прототипе, маску 2 для травления выполняют из фоторезиста 6. Для этого на верхнюю поверхность кремниевой подложки 1 наносят слой фоторезиста 6 и путем стандартной фотолитографии разграничивают подлежащие и неподлежащие травлению области кремниевой подложки 1, формируя маску 2 для травления. При этом неподлежащие травлению области кремниевой подложки 1 остаются покрытыми фоторезистом 6. На фиг.2 внизу приведен также вариант получающейся маски 2. Создание масок для травления подобным образом широко распространено, но, как уже указывалось выше, фоторезист чувствителен к высоким температурам, маски из него недостаточно устойчивы к травлению.
В частном случае реализации предлагаемого способа по п. 3 формулы (см. фиг. 3), маску 2 для травления выполняют из нанесенного вакуумным осаждением слоя алюминия. Для этого сначала на верхнюю поверхность кремниевой подложки 1 наносят слой фоторезиста 6 и путем стандартной фотолитографии разграничивают подлежащие и неподлежащие травлению области кремниевой подложки 1. При этом покрытыми фоторезистом 6 остаются подлежащие травлению области кремниевой подложки 1.
Далее поверх оставшегося фоторезиста 6 на верхнюю поверхность кремниевой подложки 1 наносят вакуумным осаждением слой алюминия 7, который затем путем взрывной фотолитографии вскрывают в тех местах, где под металлом находится фоторезист 6, окончательно формируя маску 2 для травления. Созданная таким образом маска 2 значительно более устойчива к травлению и перегреву и при этом не сильно усложняет процесс изготовления датчика, поскольку слой алюминия 7 наносится в одном технологическом цикле с нанесением удерживающего основания 3.
Авторами был изготовлен волоконно-оптический датчик температуры на базе кремниевого оптического резонатора Фабри - Перо с длиной резонатора 370 мкм. На фиг.4 приведена микрофотография данного датчика около линейки. Резонаторы были изготовлены из стандартной трехдюймовой кремниевой положки, используемой в микроэлектронике. Сваривание кремниевых резонаторов производилось на сварочном аппарате Fujikura FSM-100M.
Работа датчика была испытана с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии. Датчик помещался в печку, которая прогревалась от 50°С с шагом 50°С до температуры 350°С и обратно до начальной температуры. Результаты измерения температуры показаны на фиг.5. Как видно из фиг.5, наблюдается воспроизводимость результатов при нагреве и охлаждении. Среднеквадратическое значение шумовой дорожки, полученное при 20°С, составило 0,02°С. При 50°С и 350°С наблюдаются устойчивые изменения температуры, свидетельствующие о том, что возможности датчика не ограничиваются используемым в эксперименте диапазоном температур.