DE102006039071A1

DE102006039071A1 - Optisches Filter und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102006039071A1
Application number: DE102006039071A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Hillmer
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Opsolution De GmbH
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: DE102006039071B4; CN101627289A

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement mit einem optischen Filter (2) und einer dieser vorzugsweise zugeordneten optoelektronischen Detektoreinrichtung beschrieben. Das Filter (2) weist zwei DBR-Spiegel (3, 4) und wenigstens zwei zwischen diesen räumlich getrennt angeordnete Kavitätsabschnitte (5a bis 5d) auf, die unterschiedliche optische Längen (L1, L2) haben und mit den beiden DBR-Spiegeln (3, 4) je ein Filterelement (2a bis 2d) des Filters (2) bilden, wobei das Filter (2) in einem durch die DBR-Spiegel (3, 4) bestimmten Stopband reflektiert und jedes Filterelement (2a bis 2d) ein vorgewähltes, innerhalb des Stopbandes liegendes Transmissionsband aufweist. Die Detektoreinrichtung weist Fotoelemente (7a bis 7d) auf und dient zur Erkennung und/oder Auswertung der von den Filterelementen (2a bis 2d) durchgelassenen Transmissionsbänder (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Für die Messtechnik, Analytik, Datenspeicherung, Bildspeicherung und Bildverarbeitung sowie ganz allgemein für die optische Tele- und Datenkommunikation werden vielfach optoelektronische, insbesondere als optische Filter ausgebildete Bauelemente benötigt, die auf eine von mehreren benachbarten Wellenlängen abgestimmt werden können. Filter dieser Art bestehen beispielsweise aus sogenannten Fabry-Perot-Filtern, die mindestens zwei durch eine Kavität getrennte DBR-Spiegel aufweisen (DBR = Distributed Bragg Reflector). Derartige Filter sind in einem durch ihre Konstruktion vorgewählten, als Stopband bezeichneten Wellenlängenbereich reflektierend, in einem innerhalb dieses Stopbandes liegenden, schmalen Durchlaßband (= Dip) dagegen transmittierend. Die DBR-Spiegel enthalten zu diesem Zweck wenigstens je eine Schichtenperiode, die aus zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlichen Dicken und/oder Brechungsindizes besteht. Die Zahl der Schichtenperioden ist meistens ganzzahlig, kann aber auch halbzahlig sein, z. B. wenn am Ende eines aus Schichtenperioden gebildeten Stapels nicht alle Schichten der betreffenden Periode zu liegen kommen. Durch die Zahl der Schichtenperioden und den Brechungsindexkontrast können die Breite des Stopbandes und das Reflektivitätsprofil im Stopband und durch die optische Länge der Kavität die Lage des Transmissionsbandes bzw. die Lage von dessen Zentral- oder Hauptwellenlänge gewählt bzw. bestimmt werden. Schließlich ist es bei Fabry-Perot-Filtern möglich, die Hauptwellenlänge des Transmissionsbandes innerhalb des durch das Stopband vorgegebenen Durchstimmbereichs dadurch zu verändern, daß die geometrische und damit auch die optische Länge der Kavität durch Verschiebung der beiden DBR-Spiegel relativ zueinander verändert wird. Das Bauelement kann auf diese Weise auf eine von mehreren Wellenlängen λ1, λ2 ... λn abgestimmt werden.
Optische Bauelemente der beschriebenen Art sind allgemein bekannt (z. B. DE 103 18 767 A1 ). Bekannt ist auch, daß sich bei ihrer Anwendung der Nachteil ergibt, daß eine Durchstimmung des Filters im gesamtem Stopband meistens aus kontruktiven Gründen nicht möglich oder mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils könnten zwar mehrere Filter mit unterschiedlichen Durchstimmbereichen vorgesehen werden, doch wäre dies ebenfalls aufwendig. Abgesehen davon ist es häufig unerwünscht, das Filter durch relative Verschiebung der DBR-Spiegel durchzustimmen, insbesondere wenn es dem Zweck dienen soll, in einer von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung (z. B. Licht) die Intensität bei einer definierten Wellenlänge zu bestimmen bzw. festzustellen, mit welcher Wellenlänge einer Vielzahl von möglichen Wellenlängen die Strahlung momentan von der Strahlungsquelle abgestrahlt wird.
Ausgehend davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein kostengünstig herstellbares optisches Filter der oben beschriebenen Art vorzuschlagen, mit dem eine Mehrzahl von Wellenlängen detektiert werden kann, bei dem aber eine Durchstimmung durch Verschiebung der DBR-Spiegel nicht erforderlich ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters vorgeschlagen werden.
Zur Lösung dieses technischen Problems dienen erfindungsgemäß die Merkmale der Ansprüche 1 und 19.
Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise ein optisches Filter geschaffen, das wenigstens zwei Filterelemente enthält, die je ein charakteristisches Transmissionsband aufweisen. Mit ganz besonderem Vorteil ist das Filter außerdem mit einer zugehörigen, fotoelektronischen Detektoreinrichtung versehen und mit dieser zu einem ein- oder zweistückigen, optoelektronischen Bauelement verbunden. Dadurch sind nicht nur die verschiedenen Filterelemente des Filters, sondern auch die zur Erkennung oder Unterscheidung der Transmissionsbänder bzw. zur spektralen Auswertung der aufgenommenen Strahlung erforderlichen Fotoelemente in einem und demselben Bauelement integriert. Dabei ist es möglich, die charakteristischen Transmissionsbänder und/oder die spektrale Verteilung der aufgenommenen Strahlung durch bloßes Abfragen der Fotoelemente, d. h. ohne mechanisches Durchstimmen des Filters erkennbar zu machen. Mit besonderem Vorteil wird daher ein Bauelement vorgeschlagen, das nicht zur zwei, sondern eine Vielzahl von Filterelementen mit entsprechend vielen unterschiedlichen Transmissionsbändern aufweist. Ein derartiges Bauelement ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vergleichsweise einfachen Mitteln herstellbar, insbesondere wenn die Filterelemente nur durch die Dicke ihrer Kavitätsschicht voneinander unterschieden werden und das Filter unmittelbar auf einem Substrat aufgebaut wird, das z. B. eine in CMOS-Technologie hergestellte Detektoreinrichtung aufweist.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Filters mit zwei DBR-Spiegeln und einer zugehörigen Detektoreinrichtung;
2 einen schematischen Längsschnitt durch zwei Filterelemente des Filters nach 1, wobei die Spiegelkrümmung eines oberen DBR-Spiegels nicht dargestellt ist;
3 schematisch mögliche Transmissionsbänder eines Fabry-Perot-Filters für eine vorgewählte geometrische Länge der Kavität;
4 schematisch und beispielhaft vier mit dem Filter nach 1 erhaltene Transmissionsbänder; und
5a bis 5c und 6a bis 6c schematisch verschiedene Schritte von zwei Ausführungsbeispielen zur Herstellung des mit der Detektoreinrichtung versehenen Bauelements nach 1;
Nach 1 enthält ein erfindungsgemäßes Bauelement ein beispielsweise aus Silizium bestehendes Substrat 1 und ein auf diesem angeordnetes, als Ganzes mit dem Bezugszeichen 2 versehenes, optisches Filter. Das Filter 2 enthält einen auf dem Substrat 1 aufliegenden, ersten DBR-Spiegel 3, einen zweiten DBR-Spiegel 4, der auf einer vom Substrat 1 abgewandten Seite des ersten DBR-Spiegels 3 und mit Abstand von diesem angeordnet ist, und eine zwischen den beiden DBR-Spiegeln 3 und 4 vorgesehene Kavität, die in 1 als Ganzes mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist. Das komplette Bauelement stellt daher einen im wesentlichen aus vier übereinander liegenden Schichten bestehenden Mehrschichtkörper dar. Alle diese Schichten können im wesentlichen über die ganze, z. B. in x-Richtung eines gedachten, kartesischen Koordinatensystems verlaufende Länge und die ganze, z. B. in y-Richtung des gedachten Koordinatensystems verlaufende Breite des Bauelements erstreckt sein. Dabei haben je eine das Substrat 1 bildende Schicht und eine den ersten DBR-Spiegel 3 bildende Zone senkrecht zur xy-Ebene des gedachten Koordinatensystems, d. h. in z-Richtung, durchgehend im wesentlichen dieselbe Dicke.
Wie 1 weiter zeigt, ist auf dem ersten DBR-Spiegel 3 eine Schicht aus einem die Kavität 5 bildenden Material angeordnet. Diese Schicht hat parallel zur z-Richtung eine unterschiedliche Dicke. Insbesondere hat die von der Schicht gebildete Kavität 5 in einem Abschnitt 5a eine vergleichsweise kleine Dicke, in einem Abschnitt 5b eine etwas größere Dicke und in Abschnitten 5c und 5d noch etwas größere Dicken.
Geometrische Längen l₁ bis l₄ der Kavität 5 in diesen Abschnitten 5a bis 5d haben daher sämtlich unterschiedliche Werte. Zwischen den Abschnitten 5a bis 5d befinden sich vorzugsweise Trennbereiche 6, in denen das Kavitätsmaterial z. B. eine vorgewählte, konstante Dicke hat und die die Abschnitte 5a bis 5d der Kavität 5 räumlich voneinander trennen.
Auf der aus dem Kavitätsmaterial gebildeten Schicht befindet sich eine den zweiten DBR-Spiegel 4 bildende Zone. Diese Zone hat in 1 – in z-Richtung betrachtet – überall dieselbe Dicke. Daher haben die Unter- und Oberseiten dieser Zone eine Kontur bzw. Strukturierung, die der in 1 oberen Kontur bzw. Strukturierung der Kavität 5 entspricht. Der in z-Richtung gemessene Abstand der Unter- und Oberseite des DBR-Spiegels 4 ist in 1 im wesentlichen überall derselbe.
Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Kavität 5 enthält das Filter 2 im Ausführungsbeispiel vier Filterelemente 2a bis 2d, wie in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, wobei jedes Filterelement 2a bis 2d aus einem der Abschnitte 5a bis 5d der Kavität 5 und je einem zugehörigen Abschnitt der DBR-Spiegel 3 und 4 gebildet ist. In der Draufsicht, d. h. in der xy-Ebene, haben diese Filterelemente 2a bis 2d bevorzugt eine Kreisform, obwohl sie im Prinzip auch andere Umfangskonturen haben könnten.
Alternativ zur obigen Beschreibung kann das Bauelement weitere Filterelemente aufweisen, die mit den beschriebenen Filterelementen 2a bis 2d identisch sind. So wäre es z. B. möglich, jedes Filterelement 2a bis 2d aus Redundanzgründen zweimal im Bauelement vorzusehen.
Bei dem Substrat 1 handelt es sich vorzugsweise um eine lichtdurchlässige bzw. für die zu detektierende, elektromagnetische Strahlung durchlässige Folie, eine dünne Glasplatte, eine Siliziumscheibe od. dgl., wobei unter "lichtdurchlässig" verstanden wird, daß die Scheibe nicht notwendigerweise klarsichtig sein braucht, um die das Filter 2 passierende Strahlung unbeeinflußt durchzulassen, sondern z. B. auch eine streuende Funktion haben und daher entweder insgesamt als Streuscheibe ausgebildet oder mit die Strahlung streuenden Mitteln versehen sein kann.
Bei einem besonders vorteilhaften und bisher als am besten empfundenen Ausführungsbeispiel ist das Bauelement nach 1 mit einer in das Substrat 1 integrierten, arrayartig ausgebildeten, fotoelektrischen Detektoreinrichtung versehen. Diese enthält vorzugsweise für jedes Filterelement 2a bis 2d je ein Fotoelement 7a bis 7d, z. B. in Form einer Fotodiode. Die Fotoelemente 7a bis 7d sind in 1 in dem Substrat 1 derart angeordnet, daß sie unmittelbar unter denjenigen Abschnitten DBR-Spiegels 3 angeordnet sind, die einem betreffenden Filterelement 2a bis 2d zugeordnet sind. Dem Filterelement 2a ist daher z. B. das Fotoelement 7a so zugeordnet, daß dieses nur die von Filterelement 2a durchgelassene Strahlung aufnehmen kann. Entsprechendes gilt sinngemäß für die Filterelemente 2b bis 2d und die zugehörigen Fotoelemente 7b bis 7d. Aus Redundanz- und anderen Gründen kann es zweckmäßig sein, unter jedem Filterelement 2a bis 2d mindestens je zwei identische Fotoelemente 7a bis 7d so anzuordnen, daß beim Ausfall eines der beiden Fotoelemente das jeweils andere wirksam bleibt, und/oder ausgewählte Fotoelemente 7a bis 7d gleichzeitig unter wenigstens zwei verschiedenen Filterelementen 2a bis 2d anzuordnen, so daß diese ansprechen, wenn das eine und/oder andere Filterelement Strahlung durchläßt. Wie die Fotoelemente 7a bis 7d den einzelnen Filterelementen 2a bis 2d zugeordnet werden, ist an sich beliebig und im wesentlichen davon abhängig, wie die Erkennung und/oder Auswertung der von den Filterelementen 2a bis 2d durchgelassenen, in den Transmissionsbändern liegenden Strahlungen bzw. deren Wellenlängen erfolgen soll.
Das Substrat 1 enthält die strahlungsempfindlichen Fotoelemente 7a bis 7d wahlweise dicht an der Grenzfläche zu den Filterelementen 2a bis 2d, im Volumen oder an seiner vom Filter 2 abgewandten Grenzfläche. Dabei können die Fotoelemente 7a bis 7d aus Fototransistoren, Fotodioden, Fotowiderständen, CCD-Elementen, in CMOS-Technik hergestellen Elementen od. dgl., d. h. aus jedem beliebigen Element bestehen, das zur Detektion von Strahlung im hier beschriebenen Umfang geeignet ist.
Schließlich enthält das Substrat 1 vorzugweise auch eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen in Form von Transistoren und Dioden od. dgl., mittels derer die von den Fotoelementen 7a bis 7d abgegebenen elektrischen Signale verarbeitet werden können. Hierzu wird als Substrat 1 zweckmäßig eine in CMOS Technik od. dgl. hergestellte, auch die Fotoelemente 7a bis 7d enthaltende Platte oder Folie verwendet.
Das Bauelement besteht daher nach 1 insgesamt aus einem optischen Filter 2, das vier Filterelemente 2a bis 2d mit identischen DBR-Spiegel-Abschnitten, aber unterschiedlichen Kavitätsabschnitten 5a bis 5d aufweist, und aus einem eine fotoelektronische Detektoreinrichtung aufweisenden, das Filter 2 tragenden Substrat 1, so daß es in 1 ein einstückig hergestelltes Filter- und Sensorarray bildet. Bei Anwendung eines durchgehend gleichen und daher überall denselben Brechungsindex n aufweisenden Materials für die Kavität 5 haben die Kavitätsabschnitte 5a bis 5d dabei optische Längen L1 = l₁·n, L2 = l₂·n, L3 = l₃·n und L4 = l₄·n, die sich durch ihre geometrischen Längen l₁ bis l₄ voneinander unterscheiden.
Anstelle der vier in 1 dargestellten Filterelemente 2a bis 2d kann das Bauelement auch nur zwei oder drei oder wesentlich mehr als vier Filterelemente 2a bis 2d und zugeordnete Fotoelemente 7a bis 7d aufweisen. Dabei können die z. B. kreisförmigen Filterelemente 2a bis 2d und die zugehörigen Fotoelemente 7a bis 7d zweidimensional und wahlweise in Zeilen und Spalten angeordnet sein, die kartesisch oder polarkoordinatenartig die Zeilen und Spalten eines entsprechenden, gedachten Koordinatensystems bilden (z. B. zur x-Achse parallele Zeilen und zur y-Achse parallele Spalten). Alternativ ist aber auch eine eindimensionale Anordnung in geraden oder gekrümmten Zeilen oder irgendeine andere Anordnung möglich. Außerdem können die Filter- und Fotoelemente 2a bis 2d und 7a bis 7d unabhängig davon, ob sie zeilen- und/oder spaltenweise angeordnet sind, mit einer regelmäßigen oder einer unregelmäßigen Verteilung angeordnet sein.
2 zeigt beispielhaft Einzelheiten der beiden an der Bildung der Filterelemente 2a und 2d beteiligten Abschnitte der DBR-Spiegel 3 und 4. Beide Abschnitte des DBR- Spiegels 3 weisen im Ausführungsbeispiel dreieinhalb Schichtenperioden 8 auf, wobei jede Periode 8 eine Schicht 8a und eine Schicht 8b enthält. Da sowohl an das Substrat 1 als auch an den Kavitätsabschnitt 5a bzw. 5d jeweils eine Schicht 8a grenzt, sind im Ausführungsbeispiel dreieinhalb Schichtenpaare 8 vorhanden. In entsprechender Weise weisen die beiden in 2 gezeigten Abschnitte des DBR-Spiegels 4 dreieinhalb Schichtenperioden 9 mit Schichten 9a und 9b auf, die zweckmäßig den Schichten 8a, 8b entsprechen, aber auch von diesen abweichend ausgebildet sein können. Die Schichten 8a, 9a und 8b, 9b unterscheiden sich im übrigen in bekannter Weise (vgl. z. B. DE 103 18 767 A1 und die dort angegebenen weiteren Druckschriften) durch ihre Schichtdicke und/oder ihren Brechungsindex, d. h. durch ihre optische Dicke. Dabei können alle Schichten 8a, 9a unter sich gleich oder auch unterschiedlich ausgebildet sein. Dasselbe gilt für die Schichten 8b und 9b. Außerdem werden z. B. die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes der Schichten 8a und 8b (bzw. 9a und 9b), d. h. die Brechungsindexkontraste zweckmäßig so gewählt, daß ein Stopband der gewünschten Breite entsteht. Je größer der anwendungstechnisch nutzbare Gesamtspektralbereich, d. h. die gewünschte Breite des Stopbandes des Filterarrays sein soll, um so größer sollten einerseits die genannten Brechungsindexkontraste sein. Andererseits sollten die Anzahlen der vorhandenen Schichtenperioden 8 bzw. 9 groß genug sein, damit ein hoher Reflexionsgrad und ein möglichst rechteckig ausgebildetes Stopband erhalten werden.
Abgesehen davon ist klar, daß die Absorption der Schichten 8a, 8b und 9a, 9b und der Kavitätsabschnitte 5a bis 5d in den betrachteten Spektralbereichen ausreichend klein sein sollte, insbesondere wenn die Zahl der Schichtenperioden groß gewählt wird, um unter anderem eine möglichst geringe Absorption der Transmissionsbänder zu erhalten.
In manchen Fällen kann es schließlich sinnvoll sein, der dem Substrat 1 nahen Schicht 8a eine andere Dicke als den anderen Schichten des DBR-Spiegels 3 zuzuordnen. Ebenso könnten eine oder mehrere andere Schichten in der Schichtdicke abweichen.
Die Funktion des beschriebenen Filter- und Sensorarrays ergibt sich im wesentlichen aus 1 bis 4. In 2 ist schematisch angedeutet, daß das Filterelement 2a z. B. eine Wellenlänge λ4 reflektiert, eine Wellenlänge λ1 dagegen durchläßt, so daß sie das Fotoelement 7a erreichen kann. Dagegen läßt das Filterelement 2d die Wellenlänge λ4 passieren, so daß sie das Filterelement 7d erreichen kann, während es gleichzeitig die Wellenlänge λ1 nicht durchläßt. Analog zeigt 1 das Durchlaßspektrum des insgesamt vier Filterelemente 2a bis 2d aufweisenden Filterarrays. Demnach kann das Fotoelement 7a nur Strahlung der Wellenlänge λ1, das Fotoelement 7b nur Strahlung der Wellenlänge λ2, das Fotoelement 7c nur Strahlung der Wellenlänge λ3 und das Fotoelement 7d nur Strahlung der Wellenlänge λ4 aufnehmen, wobei die Wellenlängen λ1 bis λ4 z. B. die Hauptwellenlängen (Zentralwellenlängen) der jeweiligen Durchlaßbänder bezeichnen. Das Filterarry kann daher selektiv alle vier Wellenlängen λ1 bis λ4 erfassen.
3 zeigt schematisch, in welcher Weise die Hauptwellenlänge des transmittierten Spektralbereichs durch die geometrische Kavitätslänge l, d. h. die vertikale Schichtdicke des Kavitätsmaterials bestimmt wird. Je nach Zahl der in der Kavität 5 stehenden Wellen wird eine der Moden a, b oder c definiert. Die hier beispielhaft ausgewählte Mode b wird z. B. durch das dargestellte Stopband ausgezeichnet und ausgewählt. Durch die beschriebene Dickenvariation der Kavitätslänge l wird die Wellenlänge der ausgewählten Mode b variiert. Durch Wahl der Spiegeleigenschaften und des dadurch bestimmten Reflexionsspektrums (3 unten rechts) kommt ein ausgewähltes Transmissionsband, hier nur das Transmissionsband b im Stopband zu liegen.
Schließlich zeigt 4 die Transmissionsbänder (Dies) bei den Hauptwellenlängen λ1 bis λ4 innerhalb eines Stopbandes, das sich von etwas oberhalb von 500 nm bis etwas unterhalb von 800 nm ersteckt. In allen vier Spektren ist auf der Ordinate jeweils die Reflektivität aufgetragen. Der Übersichtlichkeit wegen sind dabei die Nullpunkte jeweils längs der Ordinate verschoben.
Die unterschiedlichen Schichtdicken des Kavitätsmaterials in den Filterelementen 2a bis 2d können zu einer messförmigen Struktur führen, die sich über eine die Trennabschnitte 6 bildende Grundschicht erhebt, wie insbesondere 1 zeigt. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, den Kavitätsabschnitten eine linsenförmige Struktur zu geben, wie in 5 für Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g dargestellt ist. Diese Kavitätsabschnitte 5e bis 5g sind vorzugsweise so gestaltet, daß sich für unterschiedliche Einfallswinkel der Strahlung zumindest innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs 10 gleiche optische Längen ergeben, wie in 5b für den Bereich 10 des Kavitätsabschnitts 5g angedeutet ist. Dadurch ist es möglich, das zu detektierende Licht unter unterschiedlichen Winkeln einzukoppeln, ohne daß sich dadurch Meßfehler ergeben.
Anstatt durch eine Dickenvariation der Kavitätsabschnitte 5a bis 5g kann eine Variation der optischen Länge L auch durch eine Variation des Brechungsindex n herbeigeführt werden. In diesem Fall könnten alle Kavitätsabschnitte 5a bis 5g dieselbe geometrische Dicke aufweisen.
Die Herstellung des beschriebenen optoelektronischen Bauelements wird mit den Mitteln der Mikroelektronik, Optoelektronik, Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik durchgeführt, kann aber auf verschiedene Weise erfolgen. Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren in Verbindung mit den 5a bis 5c anhand eines bisher für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird so vorgegangen, daß zunächst das Design des Filters 2 einschließlich der zugehörigen Filterelemente 2a bis 2d und Kavitätsabschnitte 5a bis 5g festgelegt wird. In Abhängigkeit davon wird, wenn das Bauelement mit einer integrierten Detektoreinrichtung versehen werden soll, das Design eines die Detektoreinrichtung enthaltenden, zum Filter 2 passenden oder an das Filter 2 angepaßten Substrats 1 festgelegt, bei dem es sich z. B. um ein CMOS-Photodioden-Array handelt, das z. B. in Form eines ca. 0,5 nun dicken Siliziumchips oder -wafers vorliegt und in den gewünschten Abständen und in der gewünschten Verteilung mit den Fotoelementen 7 versehen ist. Das danach hergestellte Substrat 1 dient als Ausgangspunkt für die Herstellung des Filterarrays. Bei Bedarf kann das Substrat 1 auf seiner dem Filterarray zugewandten Seite vor dessen Ap plikation geglättet werden, beispielsweise durch Deposition einer geeigneten Schicht oder durch Politur. Alternativ ist es aber auch umgekehrt möglich, zunächst das Design des die Detektoreinrichtung aufweisenden Substrats 1 festzulegen oder, falls auf dem Markt verfügbar, von einem vorhandenen, z. B. gekauften Substrat 1 auszugeben und danach ein daran angepaßtes Design für das Filter 2 festzulegen.
In einem weiteren Schritt erfolgt eine Deposition des DBR-Spiegels 3 auf dem Substrat 1 (5a). Hierzu werden z. B. abwechselnd Schichten 8a aus Siliciumdioxid (SiO₂) und Schichten 8b aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) mit einem PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) auf dem Substrat 1 abgeschieden. Die Dicke der Schichten 8a ist im einfachsten Fall überall dieselbe, und dasselbe gilt für die Schichten 8b, so daß auf dem Substrat 1 Schichtenpaare 8a, 8b entstehen, die den DBR-Spiegel 3 bilden, der auf dem gesamten Substrat 1 durchgehend dieselbe Dicke hat.
Auf die oberste Schicht des DBR-Spiegels 3 wird nun eine Schicht 11 (5a) aus dem Kavitätsmaterial aufgebracht. Da die spätere Strukturierung des Kavitätsmaterials bevorzugt durch ein Nanoprint-Verfahren erfolgen soll, wird als Kavitätsmaterial ein festes, aber thermisch formbares Material wie z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA = Plexiglas) verwendet. Das Kavitätsmaterial wird z. B. durch Aufschleudern analog zur Aufbringung von Photolack, durch Abscheidung oder durch eine Düsenspritztechnik aufgebracht, wobei die Schicht 11 eine durchgehend konstante Dicke erhält.
Im Anschluß daran erfolgt die Strukturierung der Schicht 11 mit Hilfe eines entsprechend strukturierten Stempels 12 (5a), dessen der Schicht 11 zugewandte, prägende Oberfläche 14 als Negativform der in der Schicht 5 herzustellenden Strukturierung ausgebildet wird. Die Strukturierung erfolgt dann dadurch, daß die Schicht 11 z. B. auf 140 °C bis 160 °C erhitzt wird, um das Kavitätsmaterial formbar zu machen, und anschließend der Stempel 12 aufgedrückt wird, um auf der Oberfläche der Schicht 11 die in 5b dargestellten Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g auszubilden. Die Trennabschnitte 6 gemäß 1 entfallen hier. Sie werden hier durch Zonen 15 ersetzt, in denen das Kavitätsmaterial fast die Dicke Null hat. Falls hierbei die Dicke Null gewünscht wird, kann dies z. B. durch einen zusätzlichen, ganzflächig angewandten Plasmaätzprozeß bewirkt werden. Im Anschluß an diese Abformung der Schicht 11 werden die Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g fixiert, indem das Kavitätsmaterial der Abkühlung überlassen und ggf. durch Lichteinstrahlung, vorzugsweise durch UV-Licht, gehärtet wird.
In einem letzten Verfahrenschritt erfolgt die Ausbildung des zweiten DBR-Spiegels 4 (5c). Dieser Spiegel 4 wird in derselben Weise aufgebracht und ausgebildet, wie oben für den ersten DBR-Spiegel beschrieben ist, wobei er trotz überall gleicher Dicke eine durch die Kavitätsabschnitte 5e bis 5g vorgegebene Strukturierung erhält. Dabei ist darauf zu achten, daß bei diesem Schritt die Prozeßtemperatur unterhalb der Wiedererweichungstemperatur der die Kavitäts 5 bildenden Schicht 11 bleibt.
Wie 5c zeigt, wird ein selektives Filterarray mit einer integrierten, fotoelektronischen Detektoreinrichtung in Form eines Sensorarrays erhalten, das im Ausführungsbeispiel drei Fotoelemente 7c, 7f und 7g aufweist, die je einem der Filterelemente 2e bis 2g mit den Kavitätsabschnitten 5e bis 5g zugeordnet sind.
Mit Hilfe der beschriebenen Technik können Filterarrays mit einigen hunderttausend oder wesentlich mehr, für unterschiedliche Wellenlängen durchlässigen Filterelementen hergestellt werden. Da die Breite eines Filterdips bei den bespielhaft dargestellten Wellenlängen λ1 bis λ4 nur ca. 1 nm und die Breite des Stopbandes in 4 ca. 280 nm beträgt, würden im Ausführungsbeispiel durch Variation der Dicke des Kavitätsmaterials Arrays mit ca. 250 bis 300 unterschiedlichen Filterelementen herstellbar sein. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Dickenvariation des Kavitätsmaterials von Filterelement zu Filterelement nur wenige Nanometer betragen braucht. Werden für die DBR-Spiegel 3, 4 Materialien verwendet, deren Brechungsindexkontrast wesentlich größer als der beim System Siliziumdioxid/Siliziumnitrid ist, dann lassen sich Stopbänder mit einer Breite von z. B. 700 nm und infolgedessen Arrays mit weit über 500 Filterelementen herstellen. Die Querschnitte der Filterelemente parallel zur gedachten xy-Ebene betragen dabei z. B. etwa zehn Mikrometer, wenn λ im Bereich des sichtbaren Lichts liegt.
Bei zweidimensionaler Anordung (2D-Array) werden die unterschiedlichen Wellenlängen zweckmäßig mehrfach realisiert, wobei weit mehr als eine Million Pixel entstehen. Durch höhere Spiegelreflektivitäten und größere geometrische Kavitätslängen l können auch wesentlich geringere Halbwertbreiten als 1 nm realisiert werden.
Die Transmissionsbänder der Filterelemente können lückenlos aneinander gereiht werden. Es werden in diesem Fall so viele Filter verwendet, bis der gesamte Spektralbereich abgedeckt ist. Alternativ können die Transmissionsbänder der Filterelemente aber auch überlappend oder mit dazwischen liegenden Lücken spektral verteilt angeordnet werden. Auch Kombinationen dieser drei Fälle sind möglich.
Bei den beschriebenen Abformverfahren für die Kavitätsabschnitte mit Hilfe eines Stempels 12 gemäß 5a können auch zahlreiche andere Kavitätsmaterialien angewendet werden. Insbesondere können auch flüssige, vorzugsweise zähflüssige Kavitätsmaterialien angewendet werden, die nach Durchführung der Prägung mit Licht oder anderswie gehärtet werden. Der Stempel 12 kann dabei jeweils z. B. aus Silizium, wie aus dem MIGA-Verfahren (Mikrostrukturiertes Silizium, Galvanik, Abformung) bekannt ist, aus Metall, wie aus dem LIGA-Verfahren (Lithographie, Galvanik, Abformung) bekannt ist, oder aus Glas bestehen. Weiter kann die Strukturierung dadurch erfolgen, daß das Kavitätsmaterial in den einzelnen Kavitätsabschnitten mit unterschiedlicher Dicke auf dem DBR-Spiegel 3 deponiert wird. Hierzu gibt es zahlreiche Verfahren. Zumindest teilweise sind z. B. eine Deposition unter Zuhilfenahme von Elektronen-, Ionen- und/oder Partikelstrahlung oder von elektromagnetischen Wellen oder mit Plasmaunterstützung anwendbar. Auch das Aufbringen unterschiedlich dicker Schichten mit einem entsprechend abgewandelten Tinteristrahl-Druckverfahren ist möglich.
Anstatt mit Hilfe eines Abform- oder Depositionsverfahrens kann die Strukturierung des Kavitätsmaterials auch mit Hilfe eines abtragenden Verfahrens erfolgen, wie in 6a bis 6c angedeutet ist, indem z. B. eine zunächst aufgebrachte Schicht 16 vorgewählter Dicke (6a) lokal reduziert wird (6b), beispielsweise durch Ätzen oder mit Hilfe von Rastersonden- bzw. Cantileverspitzen. Zumindest bei der Anwendung eines Kavitätsmaterials in Form eines Polymers sollte außerdem beachtet werden, daß eine spätere Abscheidung der Schichten des zweiten DBR-Spiegels 4, z. B. mit einem PECVD-Verfahren aus der Gasphase, bei Temperaturen erfolgt, die unterhalb der Glasübergangstemperatur für das Polymer liegen. Hierdurch wird sichergestellt, daß eine nachträgliche Umwandlung des Polymers in einen z. B. gummiartigen, zähflüssigen Zustand und dadurch eine Beschädigung des Bauelements bzw. eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Kavitätsabschnitte vermieden wird.
Im übrigen entspricht das Verfahren nach 6a bis 6c dem Verfahren nach 5a bis 5c, weshalb für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet sind und auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Schließlich ist es möglich, die Kavitätsabschnitte bei gleicher geometrischer Dicke dadurch mit einer unterschiedlichen optischen Länge zu versehen, daß ihr Brechungsindex variiert wird. Eine solche Strukturierung kann z. B. unter Anwendung eines üblichen Implantationsverfahrens oder ortsaufgelösten Bestrahlungsverfahrens erfolgen. Denkbar wäre in diesem Fall auch die Anwendung flüssiger oder gasförmiger, zu einer Schicht konstanter Dicke führenden Kavitätsmaterialien. Bei allen beschriebenen Strukturierungsverfahren für das Kavitätsmaterial ist natürich unabhängig davon, mit welchen Mitteln sie durchgeführt werden, stets die vorher festgelegte Lage der verschiedenen Fotoelemente 7 im Substrat 1 zu beachten, falls dieses mit einer Detektoreinrichtung versehen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere die Zahl der pro Filterarray vorhandenen Filterelemente ist weitgehend frei wählbar und an den gewünschten Wellenlängenbereich anpaßbar, der sich vom UV-Bereich bis in den Mikrowellenbereich erstrecken kann. Weiterhin stellen die angegebenen Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements nur Beispiele dar. Insbesondere wäre es z. B. möglich, das Sensorarray bzw. das Substrat 1 und das Filterarray separat herzustellen und hinterher mit genauer Zentrierung der Fotoelemente 7a bis 7g auf die Filterelemente 2a bis 2g durch Kleben oder sonstwie zu einem einstückigen Bauelement zu verbinden. Weiterhin ist das Filterarray auch ohne das Substrat 1 und in Kombination mit anderen, Licht verarbeitenden Arrays (light processing elements) anwendbar. Denkbar sind dabei auf Wellenleitern basierende, optoelektronisch integrierte Schaltungen, Multiplexer, Demultiplexer, Wellenlängenkonverter, optische Verstärker und ähnliche Bauelemente. Ferner können vorteilhaft auch Fotowiderstände-Arrays, CCD-Arrays, CCD-Chips, Fotodioden-Arrays, Fototransistoren-Arrays u. ä. verwendet werden. Insbesondere sind auch plastische Materialien als Substrat (z. B. Folien, insbesondere biegbare, Folien aus organischen Materialien) anwendbar, wobei alle Arten von elektronischen und optoelektronischen Bauelementen integriert sein können. Auf der Basis organischer Materialien sind ebenfalls alle Bauelemente denkbar, die bisher auf anorganischer Basis realisiert werden. Dabei können die Elemente 1 und 2, aber auch z. B. die DBR-Spiegel 3 und 4 und die Kavitätsschichten 5 einzeln hergestellt und jeweils sowohl kombiniert als auch einzeln verwendet und dazu z. B. als Folien ausgebildet werden, die jeweils gebogen geformt oder einem bestehenden Oberflächenrelief angepaßt sind und je nach Bedarf paßgenau zusammengefügt und miteinander verbunden werden. Dabei erfolgt die Herstellung der einzelnen Teile vorzugsweise in der Größe eines üblichen, z. B. einige hundert Chips bzw. Filter enthaltenden Wafers. Auch die angegebenen Größen der Stopbänder und/oder die Lagen der Transmissionsbänder sind nur beispielhaft angegeben und weitgehend von der Geometrie und dem Material der DBR-Spiegel 3, 4 und der Kavitätsabschnitte abhängig. Insbesondere ist es möglich, das Filter so auszubilden, daß wenigstens ein Filterelement vorhanden ist, das mehr als nur ein im Stopband liegendes Transmissionsband aufweist, indem z. B. seine Kavitätslänge entsprechend bemessen wird. Weiterhin ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Bauelements bzw. des Filter- und Sensorarrays nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt. Weitere Anwen dungsmöglichkeiten bestehen in Sensorchips für Digital- und Spektrometerkameras, als Filter- und Sensorarrays für Analysezwecke, insbesondere bei der qualitativen und quantitativen Analyse der Zusammensetzung von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern (bzw. deren Oberflächen) sowie in der Biotechnologie oder in der Medizintechnik. Dabei detektiert jedes Fotoelement (bzw. jedes Pixel) eine vorwählbare Wellenlänge. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Optisches Filter mit einem für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung durchlässigen Substrat (1), auf dem ein erster DBR-Spiegel (3), ein zweiter DBR-Spiegel (4) und wenigtens zwei zwischen den beiden DBR-Spiegeln (3, 4) räumlich getrennt angeordnete, aus je einem Kavitätsmaterial bestehende Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) angeordnet sind, die unterschiedliche optische Längen (L1, L2) haben und mit den beiden DBR-Spiegeln (3, 4) je ein Filterelement (2a bis 2g) bilden, wobei das Filter (2) in einem durch die DBR-Spiegel (3, 4) bestimmten Stopband reflektiert und wobei jedes Filterelement (2a bis 2g) mindestens ein durch die optische Länge von dessen Kavitätsabschnitt (5a bis 5g) bestimmtes, innerhalb des Stopbandes liegendes, schmales Transmissionsband aufweist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit einer fotoelektronischen, den Filterelementen (2a bis 2g) zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) aufweisenden Detektoreinrichtung zur Erkennung und/oder Auswertung der von den Filterelementen (2a bis 2g) durchgelassenen Transmissionsbänder versehen ist.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit lichtstreuenden Mitteln versehen oder als Ganzes als Streuscheibe ausgebildet ist.
Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (2) eine Vielzahl von Filterelementen (2a bis 2g) aufweist, die mit denselben DBR-Spiegeln (3, 4) gebildet sind und unterschiedliche optische Längen aufweisende Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) enthalten, und daß die Detektoreinrichtung eine Vielzahl von den Filterelementen (2a bis 2g) zugeordneten, zu deren Abtastung bestimmten Fotoelementen (7a bis 7g) enthält.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optischen Längen (L) der Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) durch die Dicken und/oder die Brechungsindizes der Kavitätsmaterialien voneinander unterscheiden.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2s bis 2g) und die Fotoelemente (7a bis 7g) ein einstückig oder mehrstückig hergestelltes Sensor- und Filterarray bilden.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung als CCD- oder CMOS-Schaltung realisiert und die Filterelemente (2a bis 2g) unmittelbar auf der CCD- oder CMOS-Schaltung aufgebaut sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitätsabschnitte (5a bis 5d) mesaförmig ausgebildet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitätsabschnitte (5e bis 5g) linsenförmig ausgebildet sind.
Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitätsabschnitte (5e bis 5g) derart linsenförmig ausgebildet sind, daß sie für unterschiedliche Einfallswinkel gleiche optische Längen (L) aufweisen.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) aus einem thermisch verformbaren Material bestehen.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Dicken der Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) durch Abformen oder Prägen hergestellt sind.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2a bis 2g) und ihnen zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) kartesisch zeilen- und spaltenweise angeordnet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2a bis 2g) und ihnen zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) polarkoor dinatenartig zeilen- und spaltenweise angeordnet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (2a bis 2g) und ihnen zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) in einer linearen oder gekrümmten Zeile angeordnet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter- und Fotoelemente (2a bis 2g; 7a bis 7g) in einer unregelmäßigen, jedoch vorgewählten Verteilung angeordnet sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die DBR-Spiegel (3, 4) aus einer Mehrzahl von Schichtenperioden (8, 9) aufgebaut sind, wobei die in einer Schichtenperiode (8, 9) vorhandenen Schichten (8a, 8b; 9a, 9b) unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen und die Unterschiede der Brechungsindizes zur Herstellung einer vorgewählten Breite des Stopbandes gewählt sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die DBR-Spiegel (3, 4) aus einer Mehrzahl von Schichtenperioden (8, 9) aufgebaut sind und die Zahl der Schichten (8a, 8b; 9a, 9b) zur Herstellung einer gewünschten Breite des Stopbandes gewählt ist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) und/oder das Filter (2) auf der Basis von organischen oder anorganischen Materialien hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Verfahrensschritte enthält: Design des Filters (2) einschließlich der zugehörigen Filterelemente (2a bis 2g) und Kavitätsabschnitte (5a bis 5g); Design eines Substrats (1); Deposition eines ersten DBR-Spiegels (3) auf dem Substrat (1); Deposition einer Schicht (5) eines Kavitätsmaterials auf dem ersten DBR-Spiegel (3); Strukturierung der Dicke der Schicht (5) in Ab hängigkeit vom Design der Filterelemente (2a bis 2g) und Deposition eines zweiten DBR-Spiegels (4) auf der strukturierten Schicht (5).
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein mit einer fotoelektrischen Detektoreinrichtung versehenes Substrat verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Filterelementen (2a bis 2g) zugewandte Oberfläche des Substrats (1) vor dem Aufbringen des ersten DBR-Spiegels (3) geglättet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Schicht (5) durch Abformen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung mit Hilfe eines entsprechend strukturierten Stempels (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung unter Anwendung eines thermisch verformbaren Kavitätsmaterials erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung unter Anwendung eines flüsssigen oder zähflüssigen, durch Licht härtbaren Kavitätsmaterials erfolgt und das Kavitätsmaterial nach der Abformung mit Licht ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung nach einem Nanoprintverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) dadurch strukturiert wird, daß ihr Brechungsindex mit Hilfe eines implantierenden Verfahrens lokal verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) dadurch strukturiert wird, daß sie mit einer vorgewählten Dicke aufgebracht und ihre Dicke dann mit Hilfe eines abtragenden Vefahrens lokal reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion der Dicke der Schicht (5) durch Ätzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) dadurch strukturiert wird, daß sie unterschiedlich dick auf dem ersten DBR-Spiegel (3) deponiert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung unter Zuhilfenahme einer der folgenden Techniken erfolgt: LIGA-Technik, MIGA-Technik, Elektronen-, Ionen- oder Partikelstrahl-Deposition, Deposition unter Zuhilfenahme elektromagnetischer Wellen oder Deposition mit Plasmaunterstützung.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß als Kavitätsmaterial ein Polymer verwendet wird und die Deposition der DBR-Spiegel (3, 4) durch Abscheidung aus einer Gasphase mit Plasmaunterstützung (PECVD) erfolgt, wobei zumindest die Deposition des aus dem Kavitätsmaterial abzuscheidenden DBR-Spiegels (4) bei einer unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Polymers liegenden Temperatur vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Deposition der Schicht (5) mit einem modifizierten Tintenstrahl-Druckverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1), die DBR-Spiegel (3, 4) und die Schicht (5) aus dem Kavitätsmaterial getrennt voneinander hergestellt und dann paßgenau aufeinander gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Substrats (1) und der übrigen Teile in Wafergröße erfolgt.