Prozessierung und Anwendung SiO2basierter Lichtleiter für
die optische UVC-Gassensorik
vorgelegt von
M. Sc.
Philipp Simon Elmlinger
von der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Michael Lehmann
Gutachter: Prof. Dr. Michael Kneissl
Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Theodor Schwarz
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 22. März 2019
Berlin 2019
Kurzzusammenfassung
Die rasante Entwicklung von LEDs mit Emissionswellenlängen im tiefen ultraviolet-
ten Bereich (UVC) ermöglicht die Entwicklung von mobilen, kostengünstigen und
langlebigen optischen Sensoren. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein
Sensor vorgestellt, welcher die Konzentration von gasförmigen Stoffen, wie Stickstoff-
dioxid (NO2) und Schwefeldioxid (SO2) bis in den sub-ppm-Bereich misst. Dabei wird
das von einer oder mehreren LEDs emittierte Licht in einem Lichtwellenleiter (LWL)
gesammelt, gemischt, aufgeteilt und zur konzentrationsabhängigen Absorption gemäß
dem Lambert-Beerschen Gesetz in eine Messzelle geleitet.
Während die grundlegende Funktionsweise dieses Sensorprinzips mit glasfaser-
bzw. linsenbasierten Aufbauten bereits publiziert wurde, wird in dieser Arbeit eine
miniaturisierte Variante untersucht und dabei der Schwerpunkt auf die Simulation,
Konzeption und Herstellung von geeigneten LWL gelegt, welche das Licht effizient
sammeln, teilen und leiten. Dazu werden die Anforderungen an einen solchen LWL-
basierten Sensor in Kapitel 2 zunächst über eine Systemanalyse erarbeitet und insbe-
sondere der Bedarf an mehreren 100-µm-dicken LWL mit hohem Brechungsindexun-
terschied abgeleitet. In der Folge wird ein resultierendes LWL-Konzept auf Basis von
freistehenden UVC-transparenten, amorphen Siliziumdioxid (SiO2) Strukturen vor-
gestellt, welche in ausreichender Dicke aus Wafern strukturiert werden. Anhand von
optischen Simulationen, welche eine im Vergleich zu UVC-Glasfasern 17-mal höhere
Lichteinkopplung von der LED in den LWL sowie um eine Größenordnung geringere
Krümmungsradien zeigen, werden die Vorzüge des vorgestellten LWL demonstriert.
Die Strukturierung der SiO2-LWL wird in Kapitel 3 vorgestellt und dabei zwei
unterschiedliche Strukturierungsverfahren untersucht. Zum einen die photolithogra-
phische Maskierung definierter Bereiche von SiO2-Wafern und darauffolgend nassche-
misches Freiätzen der Strukturen in Flusssäure (HF). Zum anderen die Modifikation
von Schnittlinien durch Bestrahlung mit einem Ultrakurzpulslaser und anschließen-
dem nasschemischen Ätzen der Schnittlinien in Kaliumhydroxid (KOH), auch be-
kannt unter selektivem Laserätzen (SLE). Bei erstgenanntem Prozess zeigt sich, dass
bei der Maskierung der Wafer mit einem Siliziumnitrid Risse entstehen, während bei
Verwendung von polykristallinem Silizium Wellenleiterstrukturen erfolgreich aus 300-
µm-dicken Wafern geätzt werden. Durch eine Reduktion der Abscheidetemperatur
von 625 ◦C auf 485 ◦C kann die Beständigkeit der Maske und damit die Konturtreue
der erzielten Strukturen weiter verbessert werden.
Eine nahezu ideale Konturtreue mit vertikalen Seitenwänden wird durch den SLE-
Prozess erzielt. Allerdings entstehen dabei raue Seitenflächen, welche zu signifikanten
Lichtverlusten und entsprechenden internen Dämpfungswerten von 0,6 dB/mm bis
0,8 dB/mm führen.
II
Zur Reduktion der Seitenwandrauheit werden nachträgliches HF-Ätzen sowie CO2-
Laserpolieren untersucht, wobei entgegen der Erwartung keine Korrelation zwischen
der Transmission durch die rauen Seitenwände und den ermittelten Rauheitswer-
ten beobachtet wird. Durch Simulationen von Seitenwandverlusten an modellierten
rauen Seitenwänden sowie Betrachtung der sowohl vertikalen als auch horizontalen
Anteile unterschiedlicher Oberflächenprofile können Strukturen mit räumlichen Wel-
lenlängen unterhalb von 50 µm als besonders kritisch hinsichtlich der Streuung an
den LWL-Seitenwänden ausgemacht werden. Mit dieser Erkenntnis wird ein entspre-
chender Rauheitswert definiert, die Prozesse zur Reduktion der Seitenwandrauheit
quantifiziert und geeignete Prozessparameter für eine Glättung der rauen Oberflä-
chen identifiziert. Dabei erweist sich die Laserpolitur als geeigneteres Verfahren und
entsprechend polierte LWL weisen signifikant verbesserte interne Dämpfungswerte
von 0,2 dB/mm bis 0,3 dB/mm auf.
Mit den strukturierten und polierten LWL werden schließlich in Kapitel 4 ein
Sensor-Prototyp aufgebaut und Gaskonzentrationen bis unterhalb von 1 ppm de-
tektiert. Dabei werden Standardabweichungen des Sensorsignals von unter 300 ppb
(NO2) bzw. unterhalb von 100 ppb (SO2) ermittelt. Abschließende Messungen an
Gasmischungen zeigen, dass Querempfindlichkeiten des Sensors gegenüber anderen
Gasen aus den Absorptionsspektren abgeleitet werden und durch geschickte Wahl
der LED-Emissionswellenlänge(n) kompensiert werden können.
III
Abstract
The ongoing progress of LEDs with emission wavelengths in the deep ultraviolet
(UVC) region enables the development of mobile, cost-effective, and long-lasting op-
tical sensors. Against this backdrop, the present work presents a sensor measuring
the concentration of gaseous substances such as nitrogen dioxide (NO2) and sulphuric
dioxide (SO2) down to sub-ppm concentrations. The operation principle is based on
the concentration dependent absorption of electromagnetic waves with specific wa-
velengths as described by the Lambert-Beer-Law and a waveguide is used to collect,
guide and split the light emitted from one or several LEDs.
While other groups have already published similar sensor concepts basing on optical
fibers or lens-systems, this work focuses on the simulation, design, and fabrication of
a miniaturized setup exploiting suitable waveguides. For this purpose, chapter 2 deals
with the requirements of such a sensor which are derived from a system analysis. In
particular, the need for several 100-µm-thick waveguides with high refractive index
contrast is carved out. Subsequently, a waveguide concept basing on UVC-transparent
fused silica (SiO2) structures with a sufficient thickness is presented. The functionality
and advantages of this concept are demonstrated by optical simulations which show
that the light-coupling efficiency is 17 times higher and the waveguide bending radius
about an order of magnitude smaller than achieved with UVC-fibers.
Two different fabrication processes of such SiO2-waveguides are described in chap-
ter 3. The first approach consists of photolithographic masking of SiO2-wafers and
subsequently wet etching in hydrofluoric acid (HF). The second one is called selective
laser etching (SLE) and includes the generation of cutting lines by ultrashort-pulsed
laser irradiation followed by wet etching these cutting lines in potassium hydroxi-
de (KOH). Regarding the former approach, a silicon nitride mask leads to wafer
cracks while a polycrystalline silicon mask has been successfully implemented to etch
waveguides out of 300-µm-thick SiO2wafers. Reducing the deposition temperature
from 625 ◦C to 485 ◦C improves the durability of the mask and contour accuracy of
the resulting structures. While due to the isotropic HF etch process only inclined
sidewalls are feasible, almost ideal vertical sidewalls are achieved by using the SLE.
However, at the same time, the resulting sidewalls are rough and lead to significant
transmission losses in the range of 0,6 dB/mm to 0,8 dB/mm.
In order to reduce this sidewall roughness both subsequent HF wet etching and
CO2-laser polishing are experimentally examined. It is striking, that no correlation
between the transmission through the rough sidewalls and measured roughness is
observed. Hence, transmission losses due to rough sidewalls are simulated and both
vertical and horizontal amounts of various modeled surface profiles are taken into
account. Results show, that horizontal spatial wavelengths below 50 µm dominate
IV
sidewalls losses. With this knowledge, a corresponding roughness value is defined to
quantify the analyzed processes and finally suitable process parameters to smooth
the sidewalls are identified. As a result of this, the laser polishment proves to be
the favored process and laser polished waveguides show significantly reduced internal
transmission losses between 0,2 dB/mm and 0,3 dB/mm.
Finally in chapter 4, the structured and polished waveguides are integrated into a
sensor prototype and gas concentrations below 1 ppm are successfully detected. At
the same time standard deviations of the sensor signal of less than 300 ppb (NO2)
and less than 100 ppb (SO2) are determined. Measurements of gas mixtures show
that cross-sensitivities of the sensor can be derived from the respective absorption
spectra of the applied gases and can be compensated by an appropriate selection of
the LED emission wavelengths or calculation.
V
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