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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 (AIGaAs) 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 SiliziumTechnologie 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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Aus der Schrift
DE 698 20 232 T2 ist ein Verfahren zur Bildung eines Luftspalts innerhalb einer Halbleiterstruktur bekannt. Hierbei wird eine einzelne Opferschicht auf ein Substrat aufgebracht und anschließend strukturiert. Die Strukturierung erfolgt dabei derart, dass einzelne Bereiche der Opferschicht voneinander getrennt werden. Anschließend werden diese Bereich vollständig mit einer zweiten Schicht aus Nicht-Opfermaterial bedeckt. Das abgedeckte Opfermaterial wird durch einen thermischen Prozess in gasförmige Zersetzungsprodukte umgewandelt, die durch die zweite Schicht hindurchtreten. Dadurch werden eine oder mehrere einzelne Luftspalten erzeugt.
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Aus der Schrift
US 2004/0027701 A1 ist eine optische Multilagenstruktur bekannt, bei der ebenfalls eine (einzelne) Opferschicht auf einem Substrat zur Erzeugung eines Hohlraums verwendet wird.
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Aus der Schrift
DE 695 11 488 T2 ist ein Infrarotdetektor bekannt, bei dem ein Hohlraum auf einem Substrat mittels einer Opferschichttechnologie hergestellt wird. Zur Verwendung als Infrarotdetektor wird dabei sowohl oberhalb als auch unterhalb vor dem Herausätzen des Opferschichtmaterials ein Spiegel mittels der Aufbringung von Schichten mit gängiger Epitaxieverfahren gebildet.
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Aus der Schrift
WO 98/14804 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement mit einem optischen Interferometer bekannt. Hierbei sind zwischen zwei Spiegeln verschiedene Schichtstrukturen vorgesehen, die einen Zwischenspiegel
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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,
wobei 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 Silizium-Filterschichten) tragen.
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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 definierten 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 es sich bei dem Materialentfernungsprozess um reaktives lonenätzen 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 versehen 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 erfindungsgemaßen 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 Trenchgraben erzeugt werden,
wobei die Trenchgraben 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 Trenchgraben 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
- Die 1 bis 10 zeigen die einzelnen Prozessschritte in Seitenansicht
- Die 11 bis 13 zeigen ausgewählte Prozessschritte in Draufsicht.
- 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 Siliziumstrukur. 7 zeigt einen Querschnitt parallel zur x-z-Ebenc, 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. In 9 werden die Trenchgraben 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 Trenchgraben 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 Wellenlängen λ' 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 4.46 µm ausgelegt. Der Transmissionskoeffizient T bei λ = 4.46 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.
