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Die Erfindung betrifft ein optisches Filter und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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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.
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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.
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Um auch ohne ein mechanisches Durchstimmen mithilfe der Spiegel eines Filters eine Mehrzahl von Wellenlängen detektieren zu können, sind Filter bekannt, die lateral nebeneinander liegenden Bereiche mit bei unterschiedlichen Wellenlängen liegenden Durchlassbändern aufweisen. Aus den Druckschriften
EP 0 442 738 A2 und
US 5,784,507 A ist es beispielsweise bekannt, ein Fabry-Perot-Filter aus nicht parallelen, sondern unter einem flachen Winkel keilförmig zueinander angeordneten Spiegeln aufzubauen. Aus der Druckschrift
WO 96/06335 A1 ist eine ähnliche Filteranordnung bekannt, bei der der Abstand von gegenüberliegenden Spiegelelementen in lateraler Richtung stufenförmig variiert ist. In den Druckschriften
EP 1 229 355 A1 und
US 6,462,876 B1 sind Filterplatten offenbart, die eine homogene geometrische, aber eine lateral variierende optische Dicke aufweist. Die teilreflektierenden parallelen Oberflächen bilden ebenfalls Fabry-Perot-Filter, die in verschiedenen lateralen Bereichen unterschiedliche Transmissionsbänder aufweisen.
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Ein Filterarray, also eine ein- oder zwei-dimensionale Anordnung von nebeneinander liegenden Filterelementen mit unterschiedlichen Durchlasseigenschaften, ist auch aus der Druckschrift
EP 1 482 288 A1 bekannt. Hier werden ebenfalls die zuvor genannten entweder keilförmigen oder stufenförmig in ihrem Abstand variierenden Filterspiegel eingesetzt.
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Die Druckschrift
WO 95/17690 A1 beschreibt ein zweidimensionales Filterarray, bei dem DBR-Fabry-Perot-Filter nebeneinander angeordnet sind. Da das Filterarray im Zusammenhang mit optischen Anzeigeeinheiten benutzt wird, sind die Filter als RGB-(rot/grün/blau)Filter ausgeführt. Die Druckschrift
EP 1 286 187 A2 beschreibt eine zweidimensionale Filteranordnung, bei der sich zwei im wesentlichen parallele Platten gegenüberstehen, die jeweils eine strukturierte Oberfläche aufweisen, die zu einer lateralen Variation der Wellenlänge der Durchlassbänder in verschiedenen Bereichen des Filterarrays führt.
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Die genannten Filter oder Filterarrays beruhen entweder darauf, dass makroskopisch große Spiegel präzise keilförmig zueinander angeordnet werden, oder sie basieren auf epitaktischen Strukturen, die in unterschiedlichen Bereichen, zum Beispiel durch Maskierung, unterschiedlich aufgewachsen werden. Beides ist in der Herstellung aufwendig.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein kostengünstig und mit geringem Aufwand herstellbares optisches Filterarray der oben beschriebenen Art vorzuschlagen, mit dem eine Mehrzahl von Wellenlängen detektiert werden kann. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters vorgeschlagen werden.
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Zur Lösung dieses technischen Problems dienen erfindungsgemäß die Merkmale der Ansprüche 1 und 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung eines optischen Filterarrays mit zwei DBR-Spiegeln und einer zwischen diesen vorhandenen Kavität, die eine Vielzahl von unterschiedliche dicken und räumlich getrennten Kavitätsabschnitten aufweist, so daß eine Vielzahl von Fabry-Perot-Filterelementen ausgebildet wird. Es umfasst die folgenden Schritte: Eine erster DBR-Spiegel wird auf ein Substrat und nachfolgend eine Schicht aus einem Kavitätsmaterial auf den ersten DBR-Spiegel aufgebracht. Dann wird die Schicht mit Hilfe eines entsprechend geformten Stempels strukturiert, wobei auf einer Oberfläche der Schicht die Kavitätsabschnitte mit unterschiedlicher Dicke ausgebildet werden. Anschließend wird der zweite DBR-Spiegel auf das Kavitätsmaterial mit einer durch die unterschiedlichen Dicken der Kavitätsabschnitte vorgegebenen Strukturierung aufgebracht.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird in vorteilhafter Weise ein optisches Filterarray geschaffen, das wenigstens zwei Filterelemente enthält, die je ein charakteristisches Transmissionsband aufweisen. Aufgrund der Strukturierung mittels dem Stempel ist ein derartiges Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise einfach herstellbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch den Aufbau eines optischen Filters mit zwei DBR-Spiegeln und einer zugehörigen Detektoreinrichtung;
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2 einen schematischen Längsschnitt durch zwei Filterelemente des Filters nach 1, wobei die Spiegelkrümmung eines oberen DBR-Spiegels nicht dargestellt ist;
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3 schematisch mögliche Transmissionsbänder eines Fabry-Perot-Filters für eine vorgewählte geometrische Länge der Kavität;
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4 schematisch und beispielhaft vier mit dem Filter nach 1 erhaltene Transmissionsbänder; und
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5a bis 5c schematisch verschiedene Schritte eines Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines Filterarrays.
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Nach 1 enthält ein optisches Bauelement ein beispielsweise aus Silizium bestehendes Substrat 1 und ein auf diesem angeordnetes, als Ganzes mit dem Bezugszeichen 2 versehenes, grundsätzlich bekanntes 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Sensoraray 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.
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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.
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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 Beispiel 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 Beispiel 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Schließlich zeigt 4 die Transmissionsbänder (Dips) 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.
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Die unterschiedlichen Schichtdicken des Kavitätsmaterials in den Filterelementen 2a bis 2d können zu einer mesaförmigen 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.
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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.
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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 erfindungsgemäße 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 mm 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 Applikation 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Tintenstrahl-Druckverfahren ist möglich.
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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 natürlich 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.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. 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 Anwendungsmöglichkeiten 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.
