RU2485558C1

RU2485558C1 - Method of obtaining even nano-gaps between surfaces of bodies

Info

Publication number: RU2485558C1
Application number: RU2012102627/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Чесноков; Дмитрий Владимирович Чесноков; Дмитрий Михайлович Никулин
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2013-06-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method can be used in making different optical, optoelectronic, quantum and micromechanical devices in which there is need to obtain a gap with an even and small thickness between electrodes or plates having a large surface area, particularly controlled Fabry-Perot interferometers. The method involves levelling one surface which is equally spaced from a second surface using a sacrificial layer and a flexible film attached to the surface by a layer of hardening medium. The sacrificial layer used is an interlayer of a surface-wetting liquid whose droplets are deposited first in a region of the surface of a first body, or said region is moistened by exposure to vapour of the liquid. A flexible film wetted by said liquid is then applied and the required surface of the second body is applied onto said flexible film through the layer of hardening medium. The liquid is removed by evaporation once the medium hardens. The volume of the deposited liquid droplets can wet the surface only within said region.

EFFECT: simple method of making devices in form of a system of bodies with ultra-small air gaps between their surfaces.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, электронике, к способам изготовления устройств с малыми зазорами между поверхностями деталей или электродов величиной в доли мкм, в т.ч. изготовления оптических устройств и квантовых электронных устройств.The invention relates to optics, electronics, to methods for manufacturing devices with small gaps between the surfaces of parts or electrodes of a fraction of microns, including manufacturing optical devices and quantum electronic devices.

В оптике широко используются устройства, основанные на явлениях интерференции световых потоков, например интерферометры Фабри-Перо, применяемые в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.In optics, devices based on the phenomena of interference of light fluxes are widely used, for example, Fabry-Perot interferometers used in scientific research and technology for spectral analysis and monochromatization of light.

В оптике и микросистемной технике широко используются по крайней мере две технологии получения плоских воздушных промежутков между поверхностями плоских тел с использованием жертвенного (удаляемого) слоя между поверхностями скрепляемых параллельно друг другу пластины и тонкопленочного плоского слоя и с использованием калиброванных прокладок, размещаемых между соединяемыми пластинами локально (например, при изготовлении интерферометров Фабри-Перо). Вариантом последнего метода является технология изготовления на плоской поверхности одной пластины методом ионного травления плоской выемки с глубиной, равной необходимому промежутку, и соединение подготовленной пластины с другой плоской пластиной на «оптическом контакте». Жертвенный слой применяется при создании поверхностных микротопологий с нависающими или отделяемыми от подложки структурными элементами в технологиях микромеханики. Получение промежутка с помощью прокладок - распространенный прием в оптике и механике.At least two technologies are widely used in optics and microsystem technology for producing flat air gaps between the surfaces of flat bodies using a sacrificial (removable) layer between the surfaces of a plate fastened parallel to each other and a thin-film flat layer and using calibrated gaskets placed between the connected plates locally ( for example, in the manufacture of Fabry-Perot interferometers). A variant of the latter method is the technology of manufacturing on a flat surface of one plate by ion etching of a flat recess with a depth equal to the required gap, and the connection of the prepared plate with another flat plate on the "optical contact". The sacrificial layer is used to create surface microtopologies with overhanging or detachable structural elements in micromechanics technologies. Obtaining a gap using gaskets is a common technique in optics and mechanics.

Задача получения воздушного промежутка существенно усложняется при необходимости его выдерживания плоским по всей поверхности пластин с точностью до сотых и менее долей длины волны света, требующейся в оптических устройствах, так как трудоемким является изготовление самих пластин с указанным значением плоскостности.The task of obtaining an air gap is substantially complicated if it is necessary to keep it flat over the entire surface of the plates with an accuracy of hundredths and less than a fraction of the wavelength of light required in optical devices, since it is time-consuming to manufacture the plates themselves with the indicated flatness value.

В качестве аналога выбран известный метод изготовления оптических приборов, содержащих зеркальные поверхности с зазором между ними, например приборов с резонаторами Фабри-Перо [Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Учебник - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998].As an analogue, the well-known method of manufacturing optical devices containing mirror surfaces with a gap between them, for example, devices with Fabry-Perot resonators [Akhmanov SA, Nikitin S.Yu. Physical optics. Textbook - M.: Publishing House Mosk. University, 1998].

В соответствии с аналогом, предварительно, методами механической либо другой полировки, готовятся пластины с высокой степенью плоскостности хотя бы одной из поверхностей каждой пластины, методом, например, глубокой полировки; этим поверхностям затем придают зеркальные свойства (нанесением тонких пленок), затем пластины закрепляют друг относительно друга в механизме их перемещения так, чтобы полированные поверхности имели между собой плоский зазор.In accordance with the analogue, preliminarily, using methods of mechanical or other polishing, plates with a high degree of flatness of at least one of the surfaces of each plate are prepared by, for example, deep polishing; these surfaces are then given mirror properties (by applying thin films), then the plates are fixed relative to each other in the mechanism of their movement so that the polished surfaces have a flat gap between them.

Недостатки аналога: сложность способа при обеспечении допустимой неплоскостности зазора между массивными пластинами порядка сотых-десятых долей длины волны излучения; выполнение этого условия требует значительного удорожания процесса изготовления пластин и усложнения конструкции прибора с такими пластинами в целом и его эксплуатации в связи с необходимостью введения в его конструкцию котировочного механизма и проведения процесса юстировки с постоянным контролем взаимного расположения пластин; способ не позволяет получать контролируемые зазоры с размерами порядка межатомных расстояний.The disadvantages of the analogue: the complexity of the method while ensuring acceptable non-flatness of the gap between the massive plates of the order of hundredths to tenths of a wavelength of radiation; the fulfillment of this condition requires a significant increase in the cost of the plate manufacturing process and the complexity of the design of the device with such plates as a whole and its operation in connection with the need to introduce a quotation mechanism into its design and carry out the adjustment process with constant monitoring of the relative position of the plates; the method does not allow to obtain controlled gaps with sizes of the order of interatomic distances.

Прототипом изобретения выбран способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри-Перо [Патент на изобретение РФ №2388025, приоритет от 21 июля 2008 г., Чесноков Д.В., Чесноков В.В., Никулин Д.М., Чесноков А.Е.], заключающийся в том, что на одну пластину интерферометра с зеркальным покрытием наносят жертвенный слой напылением в вакууме, поверх него наносят зеркальное покрытие и прикрепляют вторую прозрачную пластину слоем твердеющего материала, после чего упомянутые пластины закрепляют на держателях и удаляют жертвенный слой испарением, нагревая интерферометр.The prototype of the invention selected a method of manufacturing a tunable light filter with a Fabry-Perot interferometer [Patent for invention of the Russian Federation No. 2388025, priority July 21, 2008, Chesnokov D.V., Chesnokov V.V., Nikulin D.M., Chesnokov A.E. .], which consists in the fact that a sacrificial layer is sprayed on one plate of a mirror-coated interferometer in a vacuum, a mirror coating is applied on top of it and a second transparent plate is attached with a layer of hardening material, after which the said plates are fixed on the holders and the sacrificial layer is removed evaporated by heating the interferometer.

Недостаток прототипа - необходимость в специальной технологической операции нанесения жертвенного слоя и сложность подбора его вещества - слой должен быть легколетучим и одновременно иметь абсолютно гладкую поверхность.The disadvantage of the prototype is the need for a special technological operation of applying the sacrificial layer and the difficulty of selecting its substance - the layer must be volatile and at the same time have an absolutely smooth surface.

Решается задача создания упрощенного способа изготовления устройств в виде системы тел со сверхмалыми воздушными зазорами между их поверхностями.The problem of creating a simplified method of manufacturing devices in the form of a system of bodies with ultra-small air gaps between their surfaces is being solved.

Задача решается тем, что в способе получения равномерного нанозазора между областями поверхностей двух механически скрепляемых тел, включающем выравнивание одной поверхности эквидистантно относительно второй с использованием жертвенного слоя и гибкой пленки, приклеиваемой к поверхности с помощью слоя твердеющей среды, в соответствии с изобретением, в качестве жертвенного слоя используют прослойку смачивающей поверхность жидкости, каплю которой наносят вначале на область поверхности первого тела, или увлажняют эту область экспонированием в парах жидкости, затем накладывают смачиваемую этой жидкостью гибкую пленку, на которую через слой твердеющей среды накладывают необходимой поверхностью второе тело, причем после затвердевания среды жидкость удаляют испарением.The problem is solved in that in the method of obtaining a uniform nano-gap between the surface areas of two mechanically bonded bodies, comprising aligning one surface equidistant to the second using a sacrificial layer and a flexible film glued to the surface using a layer of a hardening medium, in accordance with the invention, as a sacrificial layer use a layer of surface wetting liquid, a drop of which is first applied to the surface area of the first body, or moisten this area exhibit the obtainable vapor liquid is then applied with this fluid wettable, flexible film, which after hardening layer medium applied the necessary surface of the second body, wherein after hardening the liquid medium is removed by evaporation.

Предлагается также, что объем наносимой капли жидкости обеспечивает смачивание поверхностей только в пределах упомянутой области.It is also proposed that the volume of the applied liquid droplet provides wetting of the surfaces only within the mentioned area.

Способ иллюстрируется на фиг.1 на примере получения зазора между зеркальными покрытиями в многолучевом интерферометре Фабри-Перо.The method is illustrated in figure 1 by the example of obtaining a gap between the mirror coatings in a multipath Fabry-Perot interferometer.

На фигуре: 1 и 2 - вторая и первая прозрачные пластины, 3 -зеркальный слой на поверхности второй пластины, 4 - гибкая пленка, 5 - смачивающая жидкость, 6 - мениск на боковой поверхности слоя жидкости, вызванный капиллярными силами в жидкости, 7 - твердеющая среда, 8 - корпус, скрепляющий пластины 1 и 2, как в процессе затвердевания среды 7, так и после удаления слоя жидкости 5, 9 - клей, соединяющий корпус и пластины.In the figure: 1 and 2 - the second and first transparent plates, 3 - mirror layer on the surface of the second plate, 4 - flexible film, 5 - wetting liquid, 6 - meniscus on the side surface of the liquid layer, caused by capillary forces in the liquid, 7 - hardening medium, 8 — the body fastening the plates 1 and 2, both during the solidification of the medium 7, and after removal of the liquid layer 5, 9 — the adhesive connecting the body and the plates.

Последовательность операций при получении зазора между зеркальными покрытиями поверхностей пластин (пластины с зеркальными покрытиями являются телами, упомянутыми в формуле изобретения) следующая. На первую пластину 1 с зеркальным слоем 3 наносят каплю жидкости, смачивающей зеркальные слои, альтернативой может быть увлажнение поверхности парами жидкости, затем укладывают заранее подготовленную гибкую пленку толщиной <1 мкм с зеркальным покрытием с нижней стороны, при этом жидкость смачивает зеркальные покрытия и растекается по ним, образуя капиллярный слой 5 с менисками 6 по краям; размер области с капиллярным слоем определяется объемом наносимой капли; поверх гибкой пленки наносят каплю эпоксидного клея 7 и вторую прозрачную пластину 2. Вторую пластину укладывают так, чтобы области пластин, между которыми необходимо образовать нанозазор, совпадали. На нижней пластине закрепляют клеем 9 цилиндр 8, во внутреннюю полость которого входит верхняя пластина и также закрепляется клеем 9.The sequence of operations when obtaining a gap between the mirror coatings of the surfaces of the plates (plates with mirror coatings are the bodies mentioned in the claims) is as follows. A drop of liquid wetting the mirror layers is applied to the first plate 1 with a mirror layer 3, an alternative is to moisten the surface with liquid vapor, then lay a pre-prepared flexible film with a thickness of <1 μm with a mirror coating on the underside, while the liquid wets the mirror coatings and spreads over him, forming a capillary layer 5 with menisci 6 at the edges; the size of the area with the capillary layer is determined by the volume of the applied drop; a drop of epoxy glue 7 and a second transparent plate 2 are applied over the flexible film. The second plate is laid so that the areas of the plates between which it is necessary to form a nano-gap coincide. On the bottom plate, cylinder 8 is fixed with glue 9, into the inner cavity of which the upper plate enters and is also fixed with glue 9.

Объем наносимой капли жидкости необходимо выбрать таким, чтобы мениск 6, образованный на поверхности жидкости в промежутке между зеркалами, не вышел за пределы границ гибкой пленки. При этом условии слой растекшейся жидкости оказывается под отрицательным давлением (так как вогнутость мениска направлена в сторону воздуха), которое прижимает гибкую пленку к нижней пластине, распластывая пленку по всем неровностям поверхности. Затвердевание клея фиксирует «распластанное» положение гибкой пленки. Для образования воздушного промежутка между зеркальными слоями необходимо удалить жидкость из капиллярного слоя; если требуется величина зазора большей величины, чем обеспечивает капиллярный слой жидкости, можно верхнюю пластину удалить на требуемое расстояние (с помощью цилиндра 8, который может быть изготовлен из пьезокерамики, или за счет удлинения цилиндра при его нагревании). Давление внутри слоя жидкости между смоченными поверхностями относительно давления во внешней среде можно определить в соответствии с уравнением Лапласа-Юнга, как для мениска с цилиндрической симметрией:The volume of the applied liquid drop must be chosen so that the meniscus 6 formed on the surface of the liquid in the gap between the mirrors does not go beyond the boundaries of the flexible film. Under this condition, the spreading fluid layer is under negative pressure (since the meniscus concavity is directed toward air), which presses the flexible film to the bottom plate, spreading the film over all surface irregularities. Glue hardening fixes the “flattened” position of the flexible film. For the formation of an air gap between the mirror layers, it is necessary to remove the liquid from the capillary layer; if a gap value is required that is larger than the capillary layer of the liquid provides, the upper plate can be removed to the required distance (using cylinder 8, which can be made of piezoceramics, or by lengthening the cylinder when it is heated). The pressure inside the liquid layer between wetted surfaces relative to the pressure in the external environment can be determined in accordance with the Laplace-Young equation, as for a meniscus with cylindrical symmetry:

где Δр - разница давлений внутри жидкости и снаружи, σ - поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом, R - радиус закругления поверхности мениска. При полном смачивании R=d/2. Используем воду (σ≈0,073 H/м); при d=0,1 мкм получим для отрицательного давления в капиллярном слое значение Δр=1,46 МПа (14,6 атм), что подтверждает предположение о достаточности капиллярного давления для прижима гибкой пленки.where Δр is the pressure difference inside the liquid and outside, σ is the surface tension of the liquid at the interface with air, R is the radius of the curvature of the meniscus surface. With full wetting, R = d / 2. We use water (σ≈0.073 N / m); for d = 0.1 μm, we obtain for negative pressure in the capillary layer the value Δp = 1.46 MPa (14.6 atm), which confirms the assumption that the capillary pressure is sufficient for pressing the flexible film.

Для получения воздушной среды в капиллярном промежутке жидкость должна быть из него удалена, например, нагреванием и испарением. Процесс удаления может быть быстрым, если выбрать легкокипящую жидкость и удалять ее капиллярный слой нагреванием тел до кипения жидкости. В рассмотренном выше случае получения зазора в системе металл - воздух - металл с помощью капиллярной прослойки жидкости величина зазора может доходить до удвоенной толщины адсорбционного слоя молекул h≈0,5 нм.To obtain air in the capillary gap, the liquid must be removed from it, for example, by heating and evaporation. The removal process can be quick if you select a boiling liquid and remove its capillary layer by heating the bodies to a boiling liquid. In the case of obtaining a gap in the metal – air – metal system considered above using a capillary layer of liquid, the gap size can reach twice the thickness of the adsorption layer of molecules h≈0.5 nm.

Рассмотрим примеры реализации изобретения.Consider examples of implementation of the invention.

Для получения между двумя стеклянными пластинами плоского зазора толщиной менее 1 мкм проведем их предварительную подготовку, которая заключается в механической полировке как минимум одной из сторон у каждой пластины с требованиями по плоскостности не хуже N=5 (5 колец Ньютона), ΔN=1. Далее нанесем на такую поверхность пластины через маску полупрозрачный зеркальный слой из алюминия методом вакуумного напыления. Подготовим в такой же вакуумной камере гибкую пленку с напыленным слоем алюминия. В атмосферных условиях увлажним алюминиевый слой на пластине, наложим гибкую пленку слоем металлизации на слой алюминия на пластине и убедимся в распластывании гибкой пленки по пластине. В качестве твердеющей среды можно нанести каплю эпоксидного клея или твердеющего вида оптических клеев; наложим сверху вторую прозрачную пластину. После затвердевания клея или даже не дождавшись затвердевания, вкладываем полученный пакет в корпус, смазанный клеем. После затвердевания клея получившуюся конструкцию можно пометить в вакуум для удаления капиллярного слоя или нагреть до температуры кипения (в случае воды - до 100°С). Таким образом будут получены зеркала резонатора Фабри-Перо, величина зазора между которыми имеет одинаковое значение во всех точках их поверхности, пригодные для использования в качестве оптических фильтров. Рассмотренные примеры реализации изобретения и анализ обоснованности предложенных решений показывают полезность и новизну решений, их выполнимость и достижимость заявленных целей.To obtain a flat gap between two glass plates with a thickness of less than 1 μm, we will carry out their preliminary preparation, which consists in mechanically polishing at least one of the sides of each plate with flatness requirements no worse than N = 5 (5 Newton rings), ΔN = 1. Next, we apply a translucent mirror layer of aluminum by vacuum evaporation onto a plate surface through a mask. Prepare a flexible film with a sprayed layer of aluminum in the same vacuum chamber. In atmospheric conditions, we moisten the aluminum layer on the plate, apply a flexible film with a metallization layer on the aluminum layer on the plate, and make sure that the flexible film spreads over the plate. As a hardening medium, a drop of epoxy glue or a hardening type of optical glue can be applied; put on top a second transparent plate. After the hardening of the glue or even without waiting for the hardening, we put the resulting package into the case, lubricated with glue. After the adhesive has hardened, the resulting structure can be marked in vacuum to remove the capillary layer or heated to boiling point (in the case of water, up to 100 ° C). In this way, Fabry-Perot cavity mirrors will be obtained, the gap between which has the same value at all points on their surface, suitable for use as optical filters. The considered examples of the invention and the analysis of the validity of the proposed solutions show the usefulness and novelty of the solutions, their feasibility and attainability of the stated goals.

Малая достижимая величина зазора и его большая площадь могут позволить использовать способ при создании квантовых устройств, использующих эффекты туннелирования электронов через вакуумные промежутки.The small achievable gap size and its large area may allow the method to be used to create quantum devices using the effects of electron tunneling through vacuum gaps.

Промышленное применение способ может найти при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных, квантовых и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности управляемых интерферометров Фабри-Перо.The method can be used industrially in the manufacture of various optical, optoelectronic, quantum, and micromechanical devices in which it is necessary to obtain a gap of equal and small thickness between electrodes or plates having large surface areas, in particular controlled Fabry-Perot interferometers.

Claims

1. A method of obtaining a uniform nano-gap between the surface areas of two mechanically bonded bodies, comprising aligning one surface equidistant to the second using a sacrificial layer and a flexible film glued to the surface using a layer of a hardening medium, characterized in that a layer wetting the surface is used as a sacrificial layer liquid, a drop of which is first applied to the surface area of the first body, or moisturize this area by exposing in liquid vapor, then adyvayut wetted with this liquid, flexible film, which after hardening layer medium applied the necessary surface of the second body, wherein after hardening the liquid medium is removed by evaporation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the volume of the applied liquid droplet provides wetting of the surfaces only within the mentioned area.