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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichtstapeln,
welche in abwechselnder Folge Luftschichten und Schichten aus einem ersten
Halbleitermaterial oder Dielektrikum beinhalten sowie gemäß diesem
Verfahren hergestellte Infrarotfilter.
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Interferenzfilter
beinhalten ein Schichtsystem aus einer alternierenden Folge von
dünnen Schichten
mit unterschiedlichen Brechzahlen, wobei die verwendeten Materialien
im genutzten Spektralbereich praktisch absorptionsfrei sind. Das
Funktionsprinzip von Interferenzfiltern beruht auf der Interferenz
der elektromagnetischen Strahlung an einer Vielzahl von dünnen Schichten
unterschiedlicher Brechzahlen. Die optische Dicke dieser Schichten beträgt meist
ein Viertel einer vorgegebenen Zentralwellenlänge oder ein Vielfaches davon.
Je nach Aufbau des Schichtsystems lassen sich unterschiedliche Filtertypen
wie beispielsweise Spiegel, Kantenfilter, Bandsperrfilter oder Bandpassfilter
realisieren. Je nach Art, Zahl, Dicke und Anordnung der Schichten lassen
sich unterschiedliche spektrale Eigenschaften wie beispielsweise
hohe Transmission bei der Zentralwellenlänge oder hohe Reflexion erzeugen.
Insbesondere ist für
einen hohen Transmissionsgrad bei der Zentralwellenlänge und
hohe Reflexion in den Sperrbereichen ein hoher Brechzahlunterschied
der alternierenden Schichten von Vorteil.
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Als
Materialien zur Herstellung von Interferenzfiltern kommen z.B. Schichtsysteme
bzw. Stapel aus Aluminiumarsenid (AlAs), Aluminiumgalliumarsenid
(AlGaAs) und Galliumarsenid (GaAs) auf GaAs-Substraten in Frage.
Der geringe Brechungszahlunterschied zwischen AlAs bzw. AlGaAs und GaAs
von beispielsweise 0.2 bei mittleren infraroten Wellenlängen erfordert
eine hohe Anzahl von Schichten bzw. Schichtpaaren zur Realisierung
der erforderlichen Güte.
Dies ist prinzipiell möglich,
da AlAs bzw. AlGaAs mechanisch nahezu unverspannt auf GaAs aufgewachsen
werden kann. Durch thermische Oxidation von AlAs bzw. AlGaAs kann
der Brechungszahlunterschied erheblich erhöht werden. Aus Kostengründen sind
Interferenzfilter auf GaAs-Substraten allerdings nicht für eine Herstellung
in hohen Stückzahlen
geeignet.
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Eine
kostengünstige
Alternative beruht beispielsweise auf der Silizium-Technologie mit
Schichtstapeln aus Germanium (Ge) und Silizium (Si) bzw. Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe)
und Silizium unter Ausnutzung der unterschiedlichen Brechungszahlen
von Si und Ge bzw. SiGe und Si. Die Herstellung der Schichtstapel
ist mittels Epitaxie auf kostengünstigen
Silizium-Substraten möglich.
Aufgrund des geringen Brechungszahlunterschieds zwischen Silizium
und Germanium im mittleren infraroten Wellenlängenbereich ist eine hohe Anzahl
von Schichtpaaren bzw. Schichten erforderlich. Problematisch bei
der epitaktischen Herstellung vieler Schichtpaare ist allerdings
die hohe Gitterfehlanpassung zwischen Silizium und Germanium. Darum
ist die maximale Anzahl an Schichtpaaren durch die sich anhäufende Verspannung
begrenzt. Zur Reduktion der Verspannung können Silizium-Substrate mit
einer Pufferschicht aus SiGe verwendet werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schichtstapeln
bzw. Schichtsystemen für
Interferenzfilter (insbesondere für Infrarotfilter), welche in
abwechselnder Folge Luftschichten und Schichten aus einem ersten
Material (insbesondere Siliziumschichten) beinhalten, enthaltend
die Schritte:
- – Erzeugen eines Stapels von
aufeinander angeordneten Schichten, wobei es sich in abwechselnder
Folge um Schichten aus dem ersten Material (z.B. ersten Halbleitermaterial
oder ersten dielektrischen Material) und kombinierte Schichten handelt,
- – wobei
es sich bei den kombinierten Schichten um Schichten handelt, bei
denen ein Teil der Schicht aus einem zweiten Material (z.B. zweiten Halbleitermaterial
oder zweiten dielektrischen Material) und ein Teil der Schicht aus
einem durch einen Ätzprozess
entfernbaren Opfermaterial besteht,
- – Entfernen
des Opfermaterials der kombinierten Schichten.
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Der
Vorteil besteht darin, dass damit Infrarotfilter auf Halbleitersubstraten
mit einem hohen Brechungsindexunterschied und einer prinzipiell
unbegrenzten Anzahl von Schichtpaaren hergestellt werden können. Aufgrund
des hohen Brechungsindexunterschieds von Luft und Halbleitermaterialien
wie Silizium ist gegenüber
bisher bekannten Infrarotfiltern eine deutlich reduzierte Anzahl
von Schichtpaaren zur Herstellung von Filtern mit definieren Eigenschaften
bzw. definierter Güte
erforderlich.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass
es sich bei dem ersten Material um eine erstes Halbleitermaterial
und bei dem zweiten Material um ein zweites Halbleitermaterial handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial gleich
sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass
es sich bei dem ersten Material um eine erstes dielektrisches Material
und bei dem zweiten Material um ein zweites dielektrisches Material
handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das erste dielektrische Material und das zweite dielektrische
Material gleich sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Entfernen des Opfermaterials durch einen Gasphasenätzprozess
erfolgt. Durch diesen Prozess werden die Halbleiterstrukturen (welche
nicht entfernt werden sollen) unberührt gelassen. Weiter verhindert
man ein Verkleben der stehengebliebenen Halbleiterschichten. Anstelle
des Gasphasenätzprozesses kann
zum Verhindern von Kleben auch ein Nassätzprozess mit superkritischem
Trocknen verwendet werden. Als weitere Alternative kann
- – das
Opfermaterial aus Silizium hergestellt werden,
- – alle
weiteren Materialien, welche stehenbleiben sollen, mit einer dünnen Opferschicht
geschützt werden
und
- – das
Opfer-Silizium in einem ClF3-Ätzprozess entfernt
werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Opfermaterial um Oxid oder um oxidiertes Silizium
handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das oxidierte Silizium durch einen thermischen Oxidationsprozess oder
durch ein Abscheideverfahren gewonnen wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem ersten und/oder zweiten Halbleitermaterial
um Silizium handelt.
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Damit
ist die Möglichkeit
der Herstellung dieser Filter mit der vielerorts bereits vorhandenen
Siliziumtechnologie möglich.
Die Verfahren und Methoden der Fertigung von mikromechanischen Sensoren können damit
auch zur Herstellung von Infrarotfiltern eingesetzt werden. Damit
ist die Herstellung von Infrarotfiltern ohne den Zukauf weiterer
Anlagen möglich.
Weiter wird damit eine kostengünstige
und zugleich stabile und reproduzierbare Integration des Filter
sowie des bei einem Infrarotsensor vorhandenen Thermoelements ermöglicht:
Der Filter-Wafer und der Thermoelement-Wafer können in derselben Prozesskette
erzeugt und verbunden werden. Damit entfallen Positionierungsprobleme,
wie sie beim späteren
Zusammenbau separater Filter und Thermoelemente auftreten.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – nach
dem Erzeugen des Stapels von aufeinander angeordneten Schichten
(bzw. des Schichtsystems aus einer alternierenden Folge dünner Schichten)
und
- – vor
dem Entfernen des Opfermaterials der kombinierten Schichten
- – durch
einen Materialentfernungsprozess wenigstens ein sich durch alle
aufgebrachten Schichten in lateraler Richtung erstreckender Trenchgraben
erzeugt wird,
- – wobei
der Trenchgraben so angeordnet ist, dass im Bereich der kombinierten
Schichten lediglich das zweite Material (also nicht das Opfermaterial) entfernt
wird.
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Durch
den Trenchgraben wird der Gasphasenätzprozess erleichtert, indem
Zugangsöffnungen zum
Opfermaterial entstehen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – nach
dem Erzeugen des Stapels von aufeinander angeordneten Schichten
(bzw. des Schichtsystems aus einer alternierenden Folge dünner Schichten)
und
- – vor
dem Entfernen des Opfermaterials der kombinierten Schichten
- – durch
einen Materialentfernungsprozess wenigstens ein sich durch alle
aufgebrachten Schichten in lateraler Richtung erstreckender Trenchgraben
erzeugt wird,
- – wobei
der Trenchgraben so angeordnet ist, dass im Bereich der kombinierten
Schichten lediglich das zweite Material und nicht das Opfermaterial entfernt
wird, und
- – Stempel
stehen bleiben, welche den Stapel aufeinander angeordneter Schichten
(z.B. die Silizum-Filterschichten) tragen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Materialentfernungsprozess um reaktives Ionenätzen mit Ätz- und
Passivierungszyklen handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Stapel von aufeinander angeordneten Schichten ausgehend von
einem Substrat auf einer Oberflächenseite
des Substrats aufgebracht wird, wobei sich die einzelnen Schichten
parallel zu dieser Oberflächenseite
erstrecken und die Stapelrichtung der aufeinandergeordneten Schichten,
senkrecht von der Oberflächenseite weg
erfolgt.
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Durch
die parallele Anordnung der Schichtpaare zum Substrat wird die Einkopplung
von Infrarotstrahlung senkrecht zur Substratebene ermöglicht.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Substrat aus dem ersten Halbleitermaterial besteht. Damit
ist eine einfache Integration des Filters in bestehende Halbleiterstrukturen
möglich.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass Teile der Oberfläche
des Stapels aufeinanderangeordneter Schichten mit einer Metallisierung
ver sehen werden. Damit ist die Möglichkeit
des Durchstimmens der Transmissionswellenlänge mittels Metallkontakten (z.B.
aus Platin) an den Siliziumschichten (bzw. Halbleiterschichten)
möglich.
Damit kann die Feinabstimmung der Transmissionswellenlänge auf
die Absorptionsbande des nachzuweisenden Gases erfolgen. Weiter
können
damit
- – Temperaturfluktuationen
der Transmissionswellenlänge
sowie
- – mögliche fertigungsbedingte
Fluktuationen der Schichtdicken und Materialparameter ausgeglichen
werden. Zudem kann für
Infrarotfilter die Zentralwellenlänge von der Absorptionswellenlänge des
nachzuweisenden Gases wegverschoben werden, wodurch die Referenzmessung
mit einem zusätzlichen
Filter entfallen kann, d.h. es kann eine Modulation der Zentralwellenlänge des Filters
stattfinden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – die
kombinierten Schichten so ausgestaltet sind, dass sie in Draufsicht
die Form eines rechtwinkligen Gitternetzes aufweisen,
- – wobei
die Schichten aus dem zweiten Material die Rolle der Gitterlinien
bzw. des Gitternetzes spielen bzw. ähnlich wie ein Gitternetz ausgebildet
sind und
- – die
Schichten aus dem Opfermaterial die Rolle der zwischen den Gitterlinien
bzw. dem Gitternetz eingeschlossenen Rechteckblöcke spielen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – nach
dem Erzeugen des Stapels von aufeinander angeordneten Schichten
und
- – vor
dem Entfernen des Opfermaterials der kombinierten Schichten
- – durch
einen Materialentfernungsprozess sich in laterale sowie Stapelrichtung
erstreckende, parallele Trenchgräben
erzeugt werden,
wobei die Trenchgräben so angeordnet sind, - – dass
im Bereich der kombinierten Schichten lediglich das zweite Halbleitermaterial,
welches die Rolle der Gitterlinien in einer Richtung spielt, entfernt
wird und
- – dass
die Trenchgräben
in Stapelrichtung des Stapels aufeinander angeordneter Schichten durch
die Filterschichten (insbesondere sämtliche Filterschichten) hindurchgehen
bzw. sich hindurch erstrecken.
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Dabei
bleiben Stempel stehen, welche den Stapel aufeinander angeordneter
Schichten (z.B. die Silizium-Filterschichten) tragen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Infrarotfilter, hergestellt nach
dem beschriebenen Verfahren.
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Durch
die Erfindung können
die erforderlichen Schichtdicken individuell hergestellt und die
erforderlichen Toleranzen eingehalten werden. Zudem ist eine hohe
Integrierbarkeit der erfindungsgemäß hergestellten Infrarotfilter
zu den Thermosensoren gegeben.
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Die
vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich
selbstverständlich
auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Infrarotfilters
und umgekehrt.
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Zeichnung
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Die
Zeichnung besteht aus den 1 bis 14
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Die 1 bis 10 zeigen
die einzelnen Prozessschritte in Seitenansicht
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Die 11 bis 13 zeigen
ausgewählte Prozessschritte
in Draufsicht.
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14 zeigt
ein rechnerisch ermitteltes Transmissionsspektrum.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung dient der Herstellung von Infrarotfiltern auf Silizium-Substraten,
welche in Infrarotsensoren (z.B. Kohlendioxidsensoren) eingesetzt werden
können.
Dabei bestehen die Infrarotfilter aus Silizium-Luft-Schichtpaaren
auf Silizium-Substraten (oder auch anderen Halbleitermaterialien
für Schichtpaare
und Substrat) mit einem wesentlich höheren Brechungszahlunterschied
als dem bisher kostengünstig
realisierbaren und der prinzipiellen Möglichkeit zur Herstellung einer
unbegrenzten Anzahl von Schichtpaaren. Aufgrund des hohen Brechungszahlunterschieds
von Luft und Silizium ist gegenüber
bisher bekannten Infrarotfiltern eine deutlich reduzierte Anzahl
von Schichtpaaren zur Herstellung von Filtern definierter Güte bzw.
mit definierten Eigenschaften erforderlich.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Infrarotfilter
wird anhand der 1 bis 13 erläutert.
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1 zeigt
ein Silizium-Substrat 1, auf welchem eine Oxidschicht 2 erzeugt
wird. Die Oxidschicht 2 kann beispielsweise durch Abscheiden
von Oxid oder durch die thermische Oxidation von Silizium erhalten
werden.
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In 2 findet
eine Strukturierung der Oxidschicht 2 statt. Dabei ist
zu beachten, dass die in 2 gezeigte Strukturierung sowohl
in der in 2 dargestellten horizontalen
Richtung in der Zeichenebene als auch in der dazu senkrechten, in
die Zeichenebene hineinschauenden Richtung erfolgt. Dadurch wird
das beschriebene Gitternetz vorgegeben.
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Das
bedeutet anschaulich, dass rechteckige Oxidblöcke gebildet werden. Damit
ergibt sich eine Struktur, welche analog zu der in 11 dargestellten
Struktur ist.
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Auf
die strukturierte Oxidschicht wird gemäß 3 eine Siliziumschicht 3 abgeschieden.
Diese füllt
auch die durch die Strukturierung entstandenen Lücken in der Oxidschicht 2 aus.
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Die
in 2 und 3 beschriebenen Prozessschritte
werden anschließend
so häufig
wie gewünscht
wiederholt. Damit erhält
man letztendlich die in 4 gezeigte Struktur mit dem
Substrat 1, den Oxidschichten 2 sowie den nicht
durch Oxidschichten unterbrochenen Siliziumstempeln 4.
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Der
nächste
Prozessschritt ist in den 5 und 6 dargestellt.
Diese beiden Figuren zeigen unterschiedliche Querschnitte durch
die durch den Prozessschritt entstehende Struktur. Die mit z gekennzeichnete
Richtung stellt die Stapelrichtung der Silizium-Oxid-Stapel dar.
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5 zeigt
einen Querschnitt parallel zur x-z-Ebene, 6 zeigt
einen Querschnitt parallel zur y-z-Ebene. Die Siliziumstempel zwischen
den rechteckigen Silizium-Oxid-Schichtstapeln
werden in y-Richtung entfernt, in x-Richtung bleiben sie stehen.
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In 5 sind
die schmalen entstehenden Trenchgräben bzw. Perforationsgräben mit 5 bezeichnet.
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Der
nächste
Prozessschritt ist in den 7 und 8 dargestellt.
Dabei werden die Oxidschichten durch einen Gasphasenätzprozess
entfernt. Zurück
bleibt eine reine Siliziumstruktur. 7 zeigt
einer Querschnitt parallel zur x-z-Ebene, 8 zeigt einen
Querschnitt parallel zur y-z-Ebene. 6 kennzeichnet in 7 die
Trenchgräben
und in 8 die ehemaligen Oxidschichten, 1 kennzeichnet
das Substrat und 3 kennzeichnet die verbleibenden Siliziumschichten.
Bei Betrachtung von 7 könnte der falsche Eindruck gewonnen
werden, dass die Siliziumschichten 3 in der Luft schweben.
Dies ist nicht der Fall, der in 7 dargestellte
Fall stellt lediglich einen Schnitt beim in 8 eingezeichneten
y-Koordinatenwert y = a dar, an dieser Stelle befindet sich kein
Siliziumstempel. Würde
dieser Schnitt beim Siliziumstempel y = b (wie in 8 eingezeichnet) durchgeführt werden,
dann wäre
die Verbindung der Siliziumschichten 3 miteinander durch
die Stempel sichtbar.
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In 9 und 10 ist
der nächste
Prozessschritt dargestellt. 9 zeigt
einen Querschnitt parallel zur x-z-Ebene, 10 zeigt
einen Querschnitt parallel zur y-z-Ebene.
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In 9 werden
die Trenchgräben
durch eine Oxidschicht 8 abgedeckt. Darauf wird eine zur Erzeugung
einer Reflektionsschicht eine Metallschicht 9 aufgebracht.
In 10 werden die Siliziumstempel mit einer Metallisierung 7 versehen,
beispielsweise aus Platin.
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11 zeigt
die Draufsicht auf den Wafer mit einer möglichen Geometrie zum anisotropen Ätzen der
Perforationsgräben.
Dabei kennzeichnet 10 die Silizium-Oxid-Schichtstapel, 4 kennzeichnet
die Siliziumstempel. Neben der eingezeichneten Rechteckstruktur
für die
Silizium-Oxid-Schichtstapel sind selbstverständlich auch anderer Geometrien
(z.B. hexagonale oder runde Strukturen) denkbar.
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12 zeigt
die Draufsicht auf den Wafer nach dem Ätzen der Trenchgräben 5.
Dabei kennzeichnet 10 die Silizium-Oxid-Schichtstapel.
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13 zeigt
die Draufsicht auf den Wafer nach dem Gasphasenätzen sowie der Metallisierung. 11 kennzeichnet
die Silizium-Luft-Stapel, 12 kennzeichnet die Metallisierung.
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14 zeigt
ein berechnetes Transmissions- und Reflektionsspektrum für zwei Schichtpaare, jeweils
bestehend aus Silizium und Luft. Dabei ist in Abszissenrichtung
die Wellenlängenλ des einfallenden
Lichts in μm
angegeben, die Ordinatenrichtung ist der dimensionslose Transmissionskoeffizient
T angegeben
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Die
Schichtpaare wurden für
eine Transmissionswellenlänge
von 4.4G γm
ausgelegt. Der Transmissionskoeffizient T bei λ = 4.4G μm beträgt 0.99. Die Halbwertsbreite
des Transmissionsspektrums beträgt
290 nm. Durch die thermische Ausdehnung des Siliziums kann ein zusätzliches
Durchstimmen der Transmissionswellenlänge erfolgen. Die thermische
Ausdehnung des Siliziums kann beispielsweise durch elektrisches
Heizen über
die in 10 eingezeichneten Platinkontakte 7 beeinflusst
bzw. gesteuert werden.
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Im
folgenden soll noch auf eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung
eingegangen werden, insbesondere auf einen Filter, welcher aus zwei Luft-Silizium-Schichtpaaren
aufgebaut ist.
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Als
beispielhafte und geeignete Ausführungsform
haben sich bei einem aus Luft- und
Siliziumschichten aufgebauten Filter (welcher zur Detektion von
Kohlendioxid mit einer Absorptionsbande bei λ = 4.41 μm eingesetzt wird), die folgenden
Schichtdicken als zweckmäßig erweisen:
Dicke
der Luftschichten: λ =
2.2 μm
Dicke
der Siliziumschichten: λ =
290 nm
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Je
nach den geforderten spektralen Eigenschaften kann die Zahl, Dicke
und Anordnung der Schichten variiert werden.
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Selbstverständlich ist
der Gegenstand der Erfindung durch diese Zahlenwerte in keinerlei
Art und Weise begrenzt.