DE102010020788A1

DE102010020788A1 - Process for producing a photonic crystal and a three-dimensional photonic crystal

Info

Publication number: DE102010020788A1
Application number: DE201010020788
Authority: DE
Inventors: Dr. Hedler Harry; Jörg Zapf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-11-24
Also published as: WO2011144392A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls, bei dem in einem Substrat (11) Poren (10, 10') erzeugt werden, diese mit zumindest einem von dem Substratmaterial verschiedenen Material gefüllt werden und abschließend das Substratmaterial zumindest teilweise entfernt wird. Die Erfindung betrifft auch einen dreidimensionaler photonischen Kristall mit einer periodisch angeordneten säulenförmigen Struktur (31'), welche zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, wobei die Säulen (32') einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen. Dadurch sind kostengünstige dreidimensionale photonische Kristalle herstellbar, welche z. B. für IR-Gasspektrometer oder Luftgasanalysatoren einsetzbar sind.The invention relates to a method for producing a photonic crystal, in which pores (10, 10 ') are created in a substrate (11), these are filled with at least one material different from the substrate material and finally the substrate material is at least partially removed. The invention also relates to a three-dimensional photonic crystal with a periodically arranged columnar structure (31 '), which consists at least partially of metal or a metal alloy, the columns (32') having a longitudinally changing, in particular periodically changing, diameter. As a result, inexpensive three-dimensional photonic crystals can be produced which, for. B. can be used for IR gas spectrometers or air gas analyzers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls und einen dreidimensionalen photonischen Kristall.The invention relates to a method for producing a photonic crystal and a three-dimensional photonic crystal.

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.Photonic crystals are periodically structured dielectric materials that are the optical analog of semiconductor crystals, enabling the fabrication of integrated photonic circuits. Photonic crystals can be classified according to their dimensionality. Thus one distinguishes one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) photonic crystals depending on the number of spatial directions with periodic refractive index.

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.While one-dimensional and two-dimensional production processes have already been developed with which high-quality photonic crystals can be produced at a reasonable cost and effort, in the field of three-dimensional photonic crystals no widespread commercial use has yet emerged due to the extremely complex and expensive production methods known hitherto.

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.Conventional photonic crystals consist of structured semiconductors, glasses or polymers. From the DE 10 2006 025 100 For example, there is known a method of making a photonic crystal comprised of a high refractive index or metal material which provides a crosslinked air pore polymer structure, applying a homogeneous isotropic thin coating material to the surface of the polymer structure, introducing a high refractive index material , an access to the polymer or the applied coating material is opened and finally the applied layer and the polymeric structure are removed.

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.The invention has for its object to provide a method for producing a photonic crystal, with the help of which can produce high quality, especially three-dimensional photonic crystals with relatively little effort and cost reliably and faithfully from different materials and beyond to use the inventive method to provide three-dimensional photonic crystals having improved optical properties.

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.

This object is achieved by a method for producing a photonic crystal, comprising the following method steps:

a) generating pores in a substrate, in particular a silicon substrate,
b) filling the pores with at least one material different from the substrate material,
c) at least partially removing the substrate material.

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.The pores are advantageously produced by means of a known photoelectrochemical etching process, which allows the production of pores up to an almost "arbitrary" depth. In this case, for example, pores from a substrate or wafer front side to the back with the same geometric structure sizes and high structural fidelity, z. B. pore diameter and distances to adjacent pores, are generated. Photoelectrochemical etching techniques allow the creation of pores in a laterally predominantly periodic arrangement with diameters in the range of a few microns over a length (depth) of several millimeters.

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.For filling the pores, a liquid-filling method is advantageously used. This method is particularly suitable for filling pores of any external shape. Through the applied "liquid injection process" both conductive and non-conductive materials with extremely high aspect ratio can be introduced.

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.For removing the substrate material, an etching method is advantageously used. The removal of the substrate material leads to the formation of a free-standing columnar structure, which can be used by appropriate choice of material and dimensioning of diameters and distances as a photonic crystal.

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.If pores are produced which have a changing, in particular periodically changing, diameter, which allows the photoelectrochemical etching process used, the result is finally a columnar structure in which the individual columns have a changing column diameter. Such a structure can be used with a suitable choice of material and dimensioning of diameters and distances as a three-dimensional photonic crystal.

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.A further degree of freedom in the choice of material and the associated influence on the optical properties of the photonic crystal to be produced can be achieved by applying a dielectric layer to the columnar substrate structure created by creating the pores after the pores have been produced and before the pores have been filled.

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.The optical properties of the photonic crystal to be produced can also be characterized be specifically influenced that the pores are filled in predefined form with at least two different materials from the substrate material.

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.In order to obtain a carrier layer which carries the column structure and thus the actual photonic crystal, it is possible to remove the substrate material only partially and in this way to obtain a substrate layer which serves as a carrier layer. Alternatively, it is also possible, before removing the substrate material, a carrier layer, for. Example of an oxide such as silicon oxide, applied to a perpendicular to the direction of extension of the pores surface of the substrate, which then serves as the carrier for the photonic crystal after the then possible complete removal of the substrate material. Of course, however, a residual substrate layer can still be obtained in this case, which then serves together with the additionally applied carrier layer as a carrier of the photonic crystal.

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.The object underlying the invention is also achieved by a three-dimensional photonic crystal, with a periodically arranged columnar structure, which consists at least partially of metal or a metal alloy, wherein the columns have a longitudinally changing, in particular periodically changing, diameter. Such a three-dimensional photonic crystal can advantageously be produced by the production method according to the invention.

Vorteilhaft sind die Säulen der säulenartigen Struktur dabei mit einer dielektrischen Schicht überzogen.Advantageously, the columns of the columnar structure are coated with a dielectric layer.

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.According to preferred embodiments of the invention, the columns have a ratio of length to diameter of greater than 100, have a minimum column diameter of 0.5 .mu.m and / or have a diameter of the columns which changes periodically in a ratio greater than 1: 3 that is, the columns have a maximum diameter that is more than three times the minimum diameter of the columns.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Säulen aus mindestens zwei Materialien bestehen, welche eine vordefinierte Struktur haben.A further embodiment of the invention provides that the columns consist of at least two materials which have a predefined structure.

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.As the second material for the columns, metals and / or metal alloys and / or plastics and / or oxides, in particular thermal oxides, and / or nitrides can be used.

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.To a targeted lighting control, z. As regards filtering, waveguiding and / or reflection to achieve in the crystal, the periodically arranged columnar structures and predefined disturbances, such. B. point defects, omitted individual elements or sub-areas included. Disturbances in the form of columns connected to walls are also conceivable.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche in folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from exemplary embodiments, which are explained below with reference to the drawings. Show it:

1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, 1 a flow chart of the manufacturing method according to the invention,

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, 2 FIG. 2 is a schematic sectional view of an intermediate in the production of a two-dimensional photonic crystal according to the present invention after producing constant diameter pores in a substrate; FIG.

3 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren, 3 1 is a schematic sectional view of an intermediate in the production of a two-dimensional photonic crystal according to the invention after the filling of the pores,

4 eine schematische Schnitt-Darstellung des zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials, 4 a schematic sectional view of the two-dimensional photonic crystal after removal of the substrate material,

5 eine schematische perspektivische Darstellung des zweidimensionalen photonischen Kristalls gemäß 4, 5 a schematic perspective view of the two-dimensional photonic crystal according to 4 .

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, 6 3 is a schematic sectional view of an intermediate product according to the invention in the production of a three-dimensional photonic crystal after the production of pores having a periodically changing diameter in a substrate,

7 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren, 7 1 is a schematic sectional view of an intermediate product according to the invention in the production of a three-dimensional photonic crystal after the filling of the pores,

8 eine schematische Schnitt-Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials, 8th a schematic sectional view of the three-dimensional photonic crystal after removal of the substrate material,

9 eine schematische perspektivische Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß 8, 9 a schematic perspective view of the three-dimensional photonic crystal according to 8th .

10 eine schematische Schnitt-Darstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und 10 a schematic sectional view of a three-dimensional photonic crystal according to another embodiment of the invention and

11a–c eine schematische Draufsicht auch einen erfindungsgemäßen photonischen Kristall mit vordefinierten Störungen. 11a -C is a schematic plan view also a photonic crystal according to the invention with predefined interference.

In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, identical or functionally identical components are each marked with the same reference character.

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.In 1 a flow chart of the method according to the invention for the production of a photonic crystal is shown. In this case, in a first method step S1 pores 10 in a preferably silicon substrate 11 produced, resulting in a first intermediate product 12 in the form of a columnar substrate structure, as shown in FIG 2 is shown. The pores are preferred 10 generated using a photoelectrochemical etching process (Photo Assisted Electrochemical Etch). Photoelectrochemical etching processes are known in principle, so that a detailed explanation is omitted here. By using a photoelectrochemical etching process, pores having a minimum diameter of up to 0.5 μm and a depth (length) of a few millimeters can be produced. There are thus pores can be generated, which have a ratio of depth (length) to diameter, which is greater than 100. So can, as in 2 represented, pores 10 be generated by a front 13 of the substrate 11 up to a back 14 of the substrate 11 run through. The pores 10 are characterized by a high structural fidelity, z. B. in terms of diameter and distance to the neighboring pore, from. Overall, the use of a photoelectrochemical etching process allows the generation of matrix-like structures with very tight tolerances dimensions and pore spacings with extremely low error rate.

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).In an optional second method step S2, a dielectric layer, for. Example in the form of an oxide or nitride layer, preferably a layer of thermal oxide applied (see. 10 ).

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.In a third method step S3, the pores are filled with a different filler material from the substrate material 20 filled, resulting in a second intermediate 12 ' leads, as is in 3 is shown. The pores become advantageous 10 filled by means of a liquid filling process (liquid pore fill). In this method, which is fundamentally known for other fields of application, the preheated first intermediate product is used 12 So the substrate 11 with the introduced pores 10 in a bath with liquid filling material 20 dipped. By increasing the pressure then the filler material 20 in the pores 10 pressed, causing the pores 10 almost independent of volume and shape can be filled safely and with high quality with filling material. Thus, even pores can be reliably filled whose diameter changes periodically in a ratio greater than 1: 3, which is of great importance for the production of three-dimensional photonic crystals described in more detail below. Finally, the substrate 11 as part of the liquid-filling process again taken out of the bath and cooled.

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.For example, metals, metal alloys, transparent or non-transparent plastics, oxides, in particular thermal oxides, or also nitrites can be used as filler. Also filling with more than one filling material in predefined form or structure is possible. Ultimately, the desired optical properties of the photonic crystal to be produced are determined by the specific filling material (s) used and, if appropriate, by the specific structure of the filling.

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.In an optional fourth method step S4 becomes a carrier layer 30 (see. 4 ) in a direction perpendicular to the direction of extension of the pores 10 standing surface of the substrate 11 , in the example shown on the back 14 of the substrate 11 , applied, wherein the carrier layer 30 serves as a carrier for the photonic crystal.

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.In a fifth method step S5, the substrate material is at least partially, for. B. by means of an etching process, and thus removes a periodic columnar structure 31 containing a plurality of individual (filler) columns 32 and which represents the photonic crystal, completed (see. 5 ). Was on the substrate structure, as in 5 shown, a carrier layer 30 applied, the substrate material can also be completely removed. Otherwise, a thin (residual) substrate layer may serve as a support for the photonic crystal. However, the extent of removal of the substrate material is also determined depending on the specific desired optical properties of the photonic crystal to be produced.

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.Become, as in the 2 to 4 represented, pores 10 generated with a constant diameter, it can with the aid of the method according to the invention, a two-dimensional photonic crystal, as in a perspective view in 5 is shown prepared. But there may alternatively be pores 10 ' be produced with changing, preferably periodically changing diameter (see. 6 ). This is achieved by suitable control of the operating point (current, voltage, light) of the photoelectrochemical etching process. After filling the pores with filling material (cf. 7 ) and at least partial removal of the substrate material results in this case, a periodic columnar structure 31 ' , as in section in 8th and in perspective view in 9 is shown. This structure 31 ' includes a variety of individual (filler) columns 32 ' which have a longitudinally changing, in particular periodically changing, diameter and which represent a three-dimensional photonic crystal. Except for creating pores 10 ' However, with variable diameter, the production method for three-dimensional photonic crystals does not differ from the production method of two-dimensional photonic crystals. It is thus created a reliable and procedurally simple and therefore cost-effective production method for three-dimensional photonic crystals.

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. 10 shows a sectional view of a three-dimensional photonic crystal, in which also the optional second step S2 has been carried out, that is, a dielectric layer 40 , z. Example, in the form of an oxide or nitride layer, preferably a layer of thermal oxide, has been applied to the columnar substrate structure, resulting in that the columnar structure which consists in a three-dimensional photonic crystal according to the invention at least partially made of metal or a metal alloy , from the dielectric layer 40 is covered.

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.Since using the photoelectrochemical etching process, the respective starting point of the pores 10 is determined lithographically, is a particularly good lateral positioning of the pores 10 and thus also the later resulting columns possible, which also does not change during the processing, in particular is not deteriorated. By means of these structural definitions, it is also possible in a simple manner and with great precision to introduce targeted predefined disturbances into the matrix structure of the photonic crystal, which in turn permits targeted light control (filtering, waveguiding, reflection) in the photonic crystal. The disturbances can be z. B. in the form of point defects, omitted individual elements, rows or surfaces, be realized in the form of smaller or larger individual elements or in the form of columns connected to walls. Exemplary are in the 11a to 11c shown some such disorders.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006025100 [0004]

Claims

Process for producing a photonic crystal, comprising the following process steps: a) generating pores ( 10 . 10 ' ) in a substrate ( 11 ), in particular a silicon substrate, b) filling the pores ( 10 . 10 ' with at least one material different from the substrate material, c) at least partial removal of the substrate material.

Method according to claim 1, characterized in that the pores ( 10 . 10 ' ) are produced by means of a photoelectrochemical etching process.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pores ( 10 . 10 ' ) are filled by means of a liquid-filling method.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the substrate material is removed by means of an etching process.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that pores ( 10 ' ), which have a changing, in particular periodically changing, diameter.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the production of the pores ( 10 . 10 ' ) and before filling the pores ( 10 . 10 ' ) a dielectric layer ( 40 ) to one by generating the pores ( 10 . 10 ' ) is applied columnar substrate structure.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pores ( 10 . 10 ' ) are filled in predefined form with at least two different materials from the substrate material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the removal of the substrate material, a carrier layer ( 30 ) in a direction perpendicular to the direction of extension of the pores ( 10 . 10 ' ) standing surface ( 14 ) of the substrate is applied, wherein the carrier layer ( 30 ) serves as a support for the photonic crystal.

Three-dimensional photonic crystal with a periodically arranged columnar structure ( 31 ' ), which consists at least partly of metal or a metal alloy, wherein the columns ( 32 ' ) have a longitudinally changing, in particular periodically changing, diameter.

Three-dimensional photonic crystal according to claim 9, characterized in that the columns ( 32 ' ) with a dielectric layer ( 40 ) are coated.

Three-dimensional photonic crystal according to one of claims 9 or 10, characterized in that the columns ( 32 ' ) have a length to diameter ratio of greater than 100.

Three-dimensional photonic crystal according to one of claims 9 to 11, characterized in that the minimum column diameter is 0.5 mm.

3D photonic crystal according to one of claims 9 to 12, characterized in that the diameter of the columns ( 32 ' ) changes periodically in a ratio greater than 1: 3.

Three-dimensional photonic crystal according to one of Claims 9 to 13, characterized in that the columns ( 32 ' ) consist of at least two materials which have a predefined structure, the second material used in particular metals and / or metal alloys and / or plastics and / or oxides, in particular thermal oxides, and / or nitrides.

Three-dimensional photonic crystal according to one of Claims 9 to 15, characterized in that the periodically arranged columnar structure ( 31 ' ) contains predefined disturbances.