Fabrication of a gap structure for near-field heat transfer

Abstract

Tutkimuksessa kehitettiin kahden vaiheen valmistusprosessi rakorakenteen valmistamiseen, jossa on metallista valmistetut johdot. Tämä rakorakenne on tarkoitettu lähikentän lämmönsiirtymisen mittaamiseen. Valmistus tehtiin pääasiassa 3D-litografialla käyttämällä Nanoscribe Photonic Professional -järjestelmää. Valmistukseen sisältyi myös ALD (Atomic Layer Deposition), metallipäällystys höyrystämällä, lift-off ja ionisuihkujyrsintä. Valmistettu rakenne koostuu kahdesta suorakulmaisesta särmiöstä lähellä toisiaan, jotka muodostavat ripustetun yhdensuuntaisten tasojen geometrian. Särmiöiden päälle tehdyt metalloinnit koostuivat ohuesta kultalangasta, joka voi toimia resistiivisenä lämpömittarina ja lämmittimenä. Valmistusprosessi kehitettiin onnistuneesti ja (1.97 ± 0.05) µm leveä rako saavutettiin. Suurimmat ongelmat valmistuksessa olivat jännitys 3D rakenteissa, joka rajoittaa raon kokoa, ja metalloinneille tarvitun lift-off -prosessin vaikeus. Usein rakenteet hajosivat tai ylimääräistä kultakalvoa jäi rakenteiden päälle. Lisäksi tehtiin mittauksia, jotka osoittivat että valmistetut langat voivat toimia lämmittimenä ja lämpömittarina suuremmissa lämpötiloissa kuin 25 K.

A two-step fabrication process for a gap structure with metal wiring was developed in this study. This gap structure is meant to be used for near field heat transfer measurements. The fabrication was mostly done with 3D-lithography using a Nanoscribe Photonic Professional system. The fabrication also included ALD (Atomic Layer Deposition), metal coating by evaporation, lift-off and ion beam milling. The fabricated structure consists of two cuboids close together which form a suspended parallel plate geometry. The metallizations fabricated on the cuboids consist of a thin gold wire which can work as a resistive thermometer and a heater. The fabrication process was successfully developed and a gap size of (1.97 ± 0.05) µm was reached. The biggest issues with the fabrication were the tension in the 3D structures which limits the gap size and the difficulty of the lift-off process needed for the metallizations. Very often the structures broke or extra gold film was left on the structures. Measurements were also performed, which showed that the fabricated wires can in fact work as a heater and as a thermometer down to a temperature of about 25 K.