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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls und einen dreidimensionalen photonischen Kristall.
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Photonische Kristalle sind periodisch strukturierte dielektrische Materialien, welche das optische Analogon von Halbleiterkristallen darstellen und so die Herstellung integrierter photonischer Schaltkreise ermöglichen. Photonische Kristalle können nach ihrer Dimensionalität klassifiziert werden. So unterscheidet man eindimensionale (1D), zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) photonische Kristalle je nach Anzahl der Raumrichtungen mit periodischem Brechungsindex.
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Während für ein- und zweidimensionale bereits Herstellungsverfahren entwickelt wurden, mit welchen mit vertretbarem Arbeits- und Kostenaufwand qualitativ hochwertige photonische Kristalleerzeugbar sind, hat sich im Bereich der dreidimensionalen photonischen Kristalle aufgrund der äußerst aufwendigen und kostenintensiven bisher bekannten Herstellungsverfahren noch keine breit gefächerte kommerzielle Nutzung ergeben.
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Herkömmliche Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren. Aus der
DE 10 2006 025 100 ist ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls bekannt, der aus einem Material mit hohem Brechungsindex oder Metall besteht, bei dem eine Polymerstruktur mit vernetzten Luftporen bereitgestellt wird, ein homogenes, isotropes dünnes Beschichtungsmaterial auf die Oberfläche der Polymerstruktur aufgebracht wird, ein hochbrechendes Material eingebracht wird, ein Zugang zum Polymer oder zu dem aufgebrachten Beschichtungsmaterial geögffnet wird und abschließend die aufgebrachte Schicht und die polymere Struktur entfernt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls anzugeben, mit dessen Hilfe sich qualitativ hochwertige insbesondere dreidimensionale photonische Kristalle mit vergleichsweise geringem Arbeits- und Kostenaufwand zuverlässig und formgetreu auch aus unterschiedlichen Materialien herstellen lassen und darüber hinaus das erfindungsgemäße Verfahren zu nutzen, um dreidimensionale photonische Kristalle anzugeben, welche verbesserte optische Eigenschaften aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Erzeugen von Poren in einem Substrat, insbesondere einem Silizium-Substrat,
- b) Füllen der Poren mit zumindest einem von dem Substratmaterial verschiedenen Material,
- c) zumindest teilweises Entfernen des Substratmaterials.
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Die Poren werden dabei vorteilhaft mit Hilfe eines an sich bekannten photoelektrochemischen Ätzverfahrens erzeugt, welches die Herstellung von Poren bis zu einer nahezu „beliebigen” Tiefe erlaubt. Dabei können beispielsweise Poren von einer Substrat- oder Wafer-Vorderseite bis auf die Rückseite mit gleichen geometrischen Strukturgrößen und großer Strukturtreue, z. B. hinsichtlich Porendurchmesser und Abstände zu benachbarten Poren, erzeugt werden. Photoelektrochemische Ätzverfahren erlauben die Erzeugung von Poren in lateral vorwiegend periodischer Anordnung mit Durchmessern im Bereich von wenigen Mikrometern über eine Länge (Tiefe) von mehreren Millimetern.
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Für das Füllen der Poren wird vorteilhaft ein Flüssig-Füll-Verfahren eingesetzt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Füllen von Poren mit beliebiger äußerer Form. Durch den dabei angewandten „Flüssig-Einpress-Prozess” können sowohl leitfähige als auch nicht leitfähige Materialien mit extrem hohem Aspektverhältnis eingebracht werden.
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Zum Entfernen des Substratmaterials wird vorteilhaft ein Ätzverfahren eingesetzt. Das Entfernen des Substratmaterials führt zur Entstehung einer frei stehenden säulenförmigen Struktur, welche durch geeignete Materialwahl sowie Dimensionierung von Durchmessern und Abständen als photonischer Kristall genutzt werden kann.
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Werden Poren erzeugt, welche einen sich ändernden, insbesondere periodisch ändernden, Durchmesser aufweisen, was das eingesetzte photoelektrochemische Ätzverfahren zulässt, so entsteht letztendlich eine säulenförmige Struktur, bei welchem die einzelnen Säulen einen sich ändernden Säulendurchmesser aufweisen. Eine derartige Struktur kann bei geeigneter Materialwahl sowie Dimensionierung von Durchmessern und Abständen als dreidimensionaler photonischer Kristall genutzt werden.
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Ein weiterer Freiheitsgrad bei der Materialwahl und der damit verbundenen Beeinflussung der optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls lässt sich dadurch realisieren, dass nach dem Erzeugen der Poren und vor dem Füllen der Poren eine dielektrische Schicht auf die durch Erzeugen der Poren entstandene säulenartige Substratstruktur aufgebracht wird.
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Die optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls können auch dadurch gezielt beeinflusst werden, dass die Poren in vordefinierter Form mit mindestens zwei vom Substratmaterial verschiedenen Materialien gefüllt werden.
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Um eine Trägerschicht zu erhalten, welche die Säulenstruktur und damit den eigentlichen photonischen Kristall trägt, ist es möglich das Substratmaterial nur teilweise zu entfernen und auf diese Weise eine Substratschicht zu erhalten, welche als Trägerschicht dient. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, vor dem Entfernen des Substratmaterials eine Trägerschicht, z. B. aus einem Oxid wie Siliziumoxid, auf eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Poren stehende Oberfläche des Substrats aufzubringen, welche nach dem dann auch möglichen vollständigen Entfernen des Substratmaterials als Träger für den photonischen Kristall dient. Selbstverständlich kann aber auch in diesem Fall dennoch eine Rest-Substratschicht erhalten bleiben, welche dann zusammen mit der zusätzlich aufgebrachten Trägerschicht als Träger des photonischen Kristalls dient.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch einen dreidimensionalen photonischen Kristall, mit einer periodisch angeordneten säulenförmigen Struktur, welche zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, wobei die Säulen einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen. Ein derartiger dreidimensionaler photonischer Kristall kann vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Vorteilhaft sind die Säulen der säulenartigen Struktur dabei mit einer dielektrischen Schicht überzogen.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung haben die Säulen dabei ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer 100, weisen einen minimalen Säulendurchmesser von 0,5 μm auf und/oder weisen einen Durchmesser der Säulen auf, welcher sich periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 ändert, das heißt die Säulen haben einen maximalen Durchmesser, welcher mehr als dreimal so groß ist wird der minimale Durchmesser der Säulen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Säulen aus mindestens zwei Materialien bestehen, welche eine vordefinierte Struktur haben.
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Als zweites Material für die Säulen können Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Kunststoffe und/oder Oxide, insbesondere thermische Oxide, und/oder Nitride verwendet werden.
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Um eine gezielte Lichtsteuerung, z. B. hinsichtlich Filterung, Wellenleitung und/oder Reflektion, im Kristall zu erreichen, können die periodisch angeordneten säulenförmigen Strukturen auch vordefinierte Störungen, wie z. B. Punktdefekte, ausgelassene Einzelelemente oder Teilbereiche, enthalten. Auch Störungen in Form von zu Wänden verbundenen Säulen sind denkbar.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche in folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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2 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Erzeugen von Poren mit konstantem Durchmesser in einem Substrat,
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3 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren,
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4 eine schematische Schnitt-Darstellung des zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials,
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5 eine schematische perspektivische Darstellung des zweidimensionalen photonischen Kristalls gemäß 4,
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6 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Erzeugen von Poren mit sich periodisch veränderndem Durchmesser in einem Substrat,
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7 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren,
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8 eine schematische Schnitt-Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials,
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9 eine schematische perspektivische Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß 8,
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10 eine schematische Schnitt-Darstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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11a–c eine schematische Draufsicht auch einen erfindungsgemäßen photonischen Kristall mit vordefinierten Störungen.
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In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines photonischen Kristalls dargestellt. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Poren 10 in einem vorzugsweise aus Silizium bestehenden Substrat 11 erzeugt, was zu einem ersten Zwischenprodukt 12 in Form einer säulenartigen Substratstruktur führt, wie es in 2 dargestellt ist. Bevorzugt werden die Poren 10 dabei mit Hilfe eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens (Photo Assisted Electrochemical Etch) erzeugt. Photoelektrochemische Ätzverfahrens sind grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird. Durch Einsatz eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens lassen sich Poren mit einem minimalen Durchmesser von bis zu 0,5 μm und einer Tiefe (Länge) von einigen Millimetern erzeugen. Es sind damit Poren erzeugbar, welche ein Verhältnis von Tiefe (Länge) zu Durchmesser aufweisen, welches größer als 100 ist. So können auch, wie in 2 dargestellt, Poren 10 erzeugt werden, die von einer Vorderseite 13 des Substrats 11 bis zu einer Rückseite 14 des Substrats 11 durchlaufen. Die Poren 10 zeichnen sich dabei durch eine hohe Strukturtreue, z. B. hinsichtlich Durchmesser und Abstand zur Nachbarpore, aus. Insgesamt erlaubt die Verwendung eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens die Erzeugung von matrixartigen Strukturen mit sehr eng tolerierten Dimensionen und Porenabständen bei äußerst geringer Fehlerquote.
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In einem optionalen zweiten Verfahrensschritt S2 wird auf die säulenartige Substratstruktur eine dielektrische Schicht, z. B. in Form einer Oxid- oder Nitrid-Schicht, vorzugsweise einer Schicht aus thermischem Oxid, aufgebracht (vgl. 10).
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In einem dritten Verfahrensschritt S3 werden die Poren mit einem von dem Substratmaterial verschiedenen Füllmaterial 20 gefüllt, was zu einem zweiten Zwischenprodukt 12' führt, wie es in 3 dargestellt ist. Vorteilhaft werden die Poren 10 mit Hilfe eines Flüssig-Füll-Verfahrens (Liquid Pore Fill) gefüllt. Bei diesem für andere Anwendungsgebiete grundsätzlich bekannten Verfahren, wird das vorgeheizte erste Zwischenprodukt 12, also das Substrat 11 mit den eingebrachten Poren 10, in ein Bad mit flüssigem Füllmaterial 20 getaucht. Durch Druckerhöhung wird anschließend das Füllmaterial 20 in die Poren 10 gedrückt, wodurch die Poren 10 nahezu unabhängig von Volumen und Form sicher und mit hoher Güte mit Füllmaterial gefüllt werden. So können sogar Poren zuverlässig gefüllt werden, deren Durchmesser sich periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 verändert, was für die nachfolgend noch näher beschriebene Herstellung von dreidimensionalen photonischen Kristallen von großer Bedeutung ist. Abschließend wird das Substrat 11 im Rahmen des Flüssig-Füll-Verfahrens wieder aus dem Bad genommen und abgekühlt.
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Als Füllmaterial können beispielsweise Metalle, Metalllegierungen, transparente oder intransparente Kunststoffe, Oxide, insbesondere thermische Oxide, oder auch Nitrite verwendet werden. Auch das Füllen mit mehr als einem Füllmaterial in vordefinierter Form oder Struktur ist möglich. Letztendlich entscheiden die gewünschten optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls über das/die konkret verwendete(n) Füllmaterial(ein) und ggf. die konkrete Struktur der Füllung.
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In einem optionalen vierten Verfahrensschritt S4 wird eine Trägerschicht 30 (vgl. 4) auf eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Poren 10 stehenden Oberfläche des Substrats 11, im dargestellten Beispiel auf die Rückseite 14 des Substrats 11, aufgebracht, wobei die Trägerschicht 30 als Träger für den photonischen Kristall dient.
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In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird das Substratmaterial zumindest teilweise, z. B. mit Hilfe eines Ätzverfahrens, entfernt und damit eine periodische säulenförmige Struktur 31, welche ein Vielzahl von einzelnen (Füllmaterial-)Säulen 32 umfasst und welche den photonischen Kristall darstellt, fertig gestellt (vgl. 5). Wurde auf die Substratstruktur, wie in 5 dargestellt, eine Trägerschicht 30 aufgebracht, so kann das Substratmaterial auch vollständig entfernt werden. Andernfalls kann eine dünne (Rest-)Substratschicht als Träger für den photonischen Kristall dienen. Der Umfang des Entfernens des Substratmaterials wird aber auch in Abhängigkeit von den konkret gewünschten optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls festgelegt.
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Werden, wie in den 2 bis 4 dargestellt, Poren 10 mit gleichbleibendem Durchmesser erzeugt, so kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zweidimensionaler photonischer Kristall, wie er in perspektivischer Ansicht in 5 dargestellt ist, hergestellt werden. Es können aber alternativ dazu auch Poren 10' mit sich änderndem, vorzugsweise sich periodisch änderndem Durchmesser erzeugt werden (vgl. 6). Dies wird durch geeignete Steuerung des Arbeitspunktes (Strom, Spannung, Licht) des photoelektrochemischen Ätzverfahrens erreicht. Nach dem Füllen der Poren mit Füllmaterial (vgl. 7) und zumindest teilweisem Entfernen des Substratmaterials ergibt sich in diesem Fall eine periodische säulenförmige Struktur 31', wie sie in Schnittdarstellung in 8 und in perspektivischer Ansicht in 9 dargestellt ist. Diese Struktur 31' umfasst ein Vielzahl von einzelnen (Füllmaterial-)Säulen 32', welche einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen und welche einen dreidimensionalen photonischen Kristall darstellen. Mit Ausnahme des Erzeugens von Poren 10' mit variablem Durchmesser unterscheidet sich das Herstellungsverfahren für dreidimensionale photonische Kristalle aber nicht von dem Herstellungsverfahren zweidimensionaler photonischer Kristalle. Es wird somit ein zuverlässiges und verfahrenstechnisch einfaches und damit kostengünstiges Herstellungsverfahren auch für dreidimensionale Photonische Kristalle geschaffen.
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10 zeigt eine Schnittdarstellung eines dreidimensionalen Photonischen Kristalls, bei welchem auch der optionale zweite Verfahrensschritt S2 ausgeführt wurde, das heißt eine dielektrische Schicht 40, z. B. in Form einer Oxid- oder Nitrid-Schicht, vorzugsweise einer Schicht aus thermischem Oxid, auf die säulenartige Substratstruktur aufgebracht wurde, was dazu führt, dass die säulenförmige Struktur, welche bei einem erfindungsgemäßen dreidimensionalen Photonischen Kristall zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, von der dielektrischen Schicht 40 überzogen ist.
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Da bei Verwendung des photoelektrochemischen Ätzverfahrens der jeweilige Startpunkt der Poren 10 litographisch festgelegt wird, ist eine besonders gute laterale Positionierung der Poren 10 und damit auch der später entstehenden Säulen möglich, welche während der Prozessierung auch nicht verändert, insbesondere nicht verschlechtert wird. Durch diese Strukturdefinitionen lassen sich auch auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit gezielte vordefinierte Störungen in die Matrixstruktur des photonischen Kristalls einbringen, was wiederum eine gezielte Lichtsteuerung (Filterung, Wellenleitung, Reflektion) in dem photonischen Kristall erlaubt. Die Störungen können dabei z. B. in Form von Punktdefekten, ausgelassenen Einzelelementen, Reihen oder Flächen, in Form von kleineren oder größeren Einzelelementen oder auch in Form von zu Wänden verbundenen Säulen realisiert sein. Beispielhaft sind in den 11a bis 11c einige derartige Störungen gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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