Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Fliesslochformen und Gewindefurchen in dünne Bleche und Rohre aus Kupfer und Kupferlegierungen

This thesis in Thermal Flow Drilling and Flowtap in thin metal sheet and pipes of copper and copper alloys had as objectives to know the comportment of copper and copper alloys sheet metal during the Thermal Flow Drill processes with normal tools, to know the best Speed and Feed machine data for the best bushing quality, to known the best Speed for Form Tapping processes and to know the best bush long in pure copper pipes for water solar interchange equipment. Thermal Flow Drilling (TFD) and Form Tapping (FT) is one of the research lines of the Institute of Production and Logistics (IPL) at University of Kassel. At December 1995, a work meeting of IPL, Santa Catarina University, Brazil, Buenos Aires University, Argentine, Tarapacá University (UTA), Chile members and the CEO of Flowdrill B.V. was held in Brazil. The group decided that the Manufacturing Laboratory (ML) of UTA would work with pure copper and brass alloys sheet metal and pure copper pipes in order to develop a water interchange solar heater. The Flowdrill BV Company sent tools to Tarapacá University in 1996. In 1999 IPL and the ML carried out an ALECHILE research project promoted by the DAAD and CONICyT in copper sheet metal and copper pipes and sheet metal a-brass alloys. The normal tools are lobed, conical tungsten carbide tool. When rotated at high speed and pressed with high axial force into sheet metal or thin walled tube generated heat softens the metal and allows the drill to feed forward produce a hole and simultaneously form a bushing from the displacement material. In the market exist many features but in this thesis is used short and longs normal tools of TFD. For reach the objectives it was takes as references four qualities of the frayed end bushing, where the best one is the quality class I. It was used pure copper and a-brass alloys sheet metals, with different thickness. It was used different TFD drills diameter for four thread type, from M-5 to M10. Similar to the Aluminium sheet metals studies it was used the predrilling processes with HSS drills around 30% of the TFD diameter (1,5 – 3,0 mm D). In the next step is used only 2,0 mm thick metal sheet, and 9,2 mm TFD diameter for M-10 thread. For the case of pure commercial copper pipes is used for ¾” inch diameter and 12, 8 mm (3/8”) TFD drill for holes for 3/8” pipes and different normal HSS drills for predrilling processes. The chemical sheet metal characteristics were takes as reference for the material behaviour. The Chilean pure copper have 99,35% of Cu and 0,163% of Zinc and the Chilean a-brass alloys have 75,6% of Cu and 24,0% of Zinc. It is used two German a-brass alloys; Nº1 have 61,6% of Cu, 36,03 % of Zinc and 2,2% of Pb and the German a-brass alloys Nº2 have 63,1% of Cu, 36,7% of Zinc and 0% of Pb. The equipments used were a HAAS CNC milling machine centre, a Kistler dynamometer, PC Pentium II, Acquisition card, TESTPOINT and XAct software, 3D measurement machine, micro hardness, universal test machine, and metallographic microscope. During the test is obtained the feed force and momentum curves that shows the material behaviour with TFD processes. In general it is take three phases. It was possible obtain the best machining data for the different sheet of copper and a-brass alloys thick of Chilean materials and bush quality class I. In the case of a-brass alloys, the chemical components and the TFD processes temperature have big influence. The temperature reach to 400º Celsius during the TFD processes and the a-brass alloys have some percents of Zinc the bush quality is class I. But when the a-brass alloys have some percents of Lead who have 200º C melting point is not possible to obtain a bush, because the Lead gasify and the metallographic net broke. During the TFD processes the recrystallization structures occur around the Copper and a-brass alloy bush, who gives more hardness in these zones. When the threads were produce with Form Tapping processes with Flowtap tools, this hardness amount gives a high limit load of the thread when hey are tested in a special support that was developed for it. For eliminated the predrilling processes with normal HSS drills it was developed a compound tool. With this new tool it was possible obtain the best machining data for quality class I bush. For the copper pipes it is made bush without predrilling and the quality class IV was obtained. When it is was used predrilling processes, quality classes I bush were obtained. Then with different HSS drill diameter were obtained different long bush, where were soldering with four types soldering materials between pipes with 3/8” in a big one as ¾”. Those soldering unions were tested by traction test and all the 3/8” pipes broken, and the soldering zone doesn’t have any problem. Finally were developed different solar water interchange heaters and tested. As conclusions, the present Thesis shows that the Thermal Flow Drilling in thinner metal sheets of cooper and cooper alloys needs a predrilling process for frayed end quality class I bushings, similar to thinner sheets of aluminium bushes. The compound tool developed could obtain quality class I bushings and excludes predrilling processes. The bush recrystalization, product of the friction between the tool and the material, the hardness grows and it is advantageous for the Form Tapping. The methodology developed for commercial copper pipes permits to built water solar interchange heaters.

Artificial micro RNA system in Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum is a social amoeba that serves as a model system for RNA interference and related mechanisms. Its position between plants and animals enables evolutionary snapshot of mechanisms and protein machinery involved in investigated subjects. MiRNAs are small regulatory RNAs that are evolutionary conserved and present in animals, plants, viruses and some prokaryotes. They have roles in development, cell growth and differentiation, apoptosis and their miss-regulation is associated with many diseases such as cancer, neurodegenerative disorders and diabetes. Recently, through sequencing of DNA libraries miRNAs have been discovered in D. discoideum. In this work, it has been shown that heterologues miRNA let-7 can be expressed and processed in D. discoideum. Expression of let-7 miRNA in social amoeba resulted in a strong developmental phenotype suggesting an overload of the processing/silencing system or/and endogenous targets. The various effects on prel-7 strain have been observed and characterized, serving as a background for postulation of miRNA roles. An artificial miRNA system has been established and imposed to D. discoideum, showing that miRNAs in Dictyostelium could mediate gene expression on the level of mRNA stability and on the posttranscriptional level. Furthermore, presence of translational inhibition as a type of gene control was shown for the first time in this organism. Due to it new structures representing co-localities of miRNA and target mRNA have been detected. Taken together, this work shows functional artificial miRNA system and postulates roles of endogenous small RNA in social amoeba.

Resource use pattern and agroecosystem functioning in Rawanganga micro-watershed in Garhwal Himalaya, India

Agro-ecological resource use pattern in a traditional hill agricultural watershed in Garhwal Himalaya was analysed along an altitudinal transect. Thirty one food crops were found, although only 0.5% agriculture land is under irrigation in the area. Fifteen different tree species within agroforestry systems were located and their density varied from 30-90 trees/ha. Grain yield, fodder from agroforest trees and crop residue were observed to be highest between 1200 and 1600 m a.s.l. Also the annual energy input- output ratio per hectare was highest between 1200 and 1600 m a.s.l. (1.46). This higher input- output ratio between 1200-1600 m a.s.l. was attributed to the fact that green fodder, obtained from agroforestry trees, was considered as farm produce. The energy budget across altitudinal zones revealed 95% contribution of the farmyard manure and the maximum output was in terms of either crop residue (35%) or fodder (55%) from the agroforestry component. Presently on average 23%, 29% and 41% cattle were dependent on stall feeding in villages located at higher, lower and middle altitudes respectively. Similarly, fuel wood consumption was greatly influenced by altitude and family size. The efficiency and sustainability of the hill agroecosystem can be restored by strengthening of the agroforestry component. The approach will be appreciated by the local communities and will readily find their acceptance and can ensure their effective participation in the programme.

Employment and Income of Workers on Indonesian Oil Palm Plantations: Food Crisis at the Micro Level

The importance of oil palm sector for Indonesia is inevitable as the country currently serves as the world’s largest producer of crude palm oil. This paper focuses on the situation of workers on Indonesian oil palm plantations. It attempts to investigate whether the remarkable development of the sector is followed by employment opportunities and income generation for workers. This question is posed within the theoretical framework on the link between trade liberalisation and labour rights, particularly in a labour-intensive and low-skilled sector. Based on extensive field research in Riau, this paper confirms that despite the rapid development of the oil palm plantation sector in Indonesia, the situations of workers in the sector remain deplorable, particularly their employment status and income. This also attests that trade liberalisation in the sector adversely affects labour rights. The poor working conditions also have ramifications for food security at the micro level.