DE102010040768B4

DE102010040768B4 - Spektralzerlegungsvorrichtung und Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102010040768B4
Application number: DE102010040768.2A
Authority: DE
Inventors: Tino Pügner; Dr. Knobbe Jens; Dr. Grüger Heinrich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: US20120236382A1; DE102010040768A1; US8861060B2

Abstract

Spektralzerlegungsvorrichtung miteinem Substratstapel (12) mit einem mikromechanischen Substrat (12a), einem optischen Substrat (12c) und einem Abstandshaltersubstrat (12b),wobei das Abstandshaltersubstrat (12b) zwischen dem mikromechanischen Substrat (12a) und dem optischen Substrat (12c) angeordnet ist und gemeinsam mit diesen einen Strahlengangraum (57) definiert, der als Hohlraum in dem Substratstapel (12) ausgestaltet ist,wobei in dem mikromechanischen Substrat (12a) ein optisches spektral zerlegend wirkendes Funktionselement (34, 40, 104) gebildet ist, und wobei in dem optischen Substrat (12c) eine Optik (30, 32) gebildet ist, sodass sich in dem Strahlengangraum (57) innerhalb des Substratstapels (12) ein gefalteter Strahlengang (14) ausbildet, der sich zwischen einem optischen Eintrittsfenster (16), das in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet ist, dem Funktionselement (34, 40, 104) und einem Austrittsfenster (18) oder einer Detektorzone (20), die ebenfalls in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet sind, erstreckt, wobeidie Spektralzerlegungsvorrichtung zusätzlich ein eintrittsseitiges Bauglied (22) aufweist, das an dem Substratstapel (12) so befestigt ist, dass es das optische Eintrittsfenster (16) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Eintrittsspalt (24) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert, und/oderdie Spektralzerlegungsvorrichtung zusätzlich ein austrittsseitiges Bauglied (50) aufweist, das an dem Substratstapel (12) so befestigt ist, dass es das optische Austrittsfenster (18) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Austrittsspalt (36) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert,wobei das eintrittsseitige Bauglied (22) und/oder das austrittsseitige Bauglied (50) jeweils auf einer Hauptseite (26) des Substratstapels (12) unter Realisierung einer relativen Lageänderung zwischen dem Eintrittsspalt (24) und dem Austrittsspalt (36) justiert, positioniert und fixiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spektralzerlegungsvorrichtungen und deren Herstellung, und zwar insbesondere auf Spektralzerlegungsvorrichtungen, die aus Substratstapeln gefertigt sind.
Im Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei große Gruppen von spektroskopischen Systemen, insbesondere scannende Spektrometer, beschrieben.
Bei der ersten Gruppe handelt es sich um diskret aufgebaute, makroskopische Systeme. Die einzelnen Funktionselemente werden für solche Systeme separat gefertigt und anschließend einzeln montiert. Die Justage und Kalibrierung erfolgt dabei während der Montage durch den Einsatz mehrerer geeigneter Justagevorrichtungen.
Bei der zweiten Gruppe handelt es sich um teilintegrierte, hybrid aufgebaute, miniaturisierte Systeme. Bei solchen Systemen sind, wie in der DE 10 2008 019 600 A1 beschrieben, mehrere Funktionselemente in einem zumeist miniaturisierten Bauteil integriert. Zum Beispiel können Ein- und Austrittsspalt gemeinsam über mikrotechnische Fertigungsverfahren in einem Substrat, welches gleichzeitig Teil des Gehäuses sein kann, integriert sein oder das Gitter und sein Antrieb können als hoch integrierte, mikrotechnologisch hergestellte Einheit vorliegen. Der Aufbau aus multifunktionellen, miniaturisierten optomechanischen Baugruppen ermöglicht eine wesentlich kleinere Bauweise, stellt jedoch deutlich höhere Anforderungen an die Herstellung der integrierten Funktionselemente und schränkt darüber hinaus die Möglichkeiten zur Justage und Kalibrierung ein.
Die im Gegensatz zu den diskret aufgebauten, makroskopischen scannenden Gitterspektrometern stark eingeschränkten Justagemöglichkeiten können sich, verstärkt durch die höheren Anforderungen an die Herstellung und die damit einhergehenden Kosten, nachteilhaft auf eine wirtschaftliche Fertigung auswirken. So gestaltet sich beispielsweise bei den in der DE 10 2008 019 600 A1 beschriebenen Varianten eine Abstandsjustage in der Stapelrichtung der beteiligten Substrate schwierig. Die Abstände der in oder auf den Substraten befindlichen Funktionselemente zueinander werden dann im Wesentlichen durch die Dicken der Substrate und ihre entsprechenden Toleranzen bestimmt. Das Funktionsprinzip der in der DE 10 2008 019 600 A1 beschriebenen Varianten erfordert jedoch im Allgemeinen dann recht enge Dickentoleranzen der beteiligten Substrate.
Weiterhin können bei beiden Gruppen von Spektrometern mit scannendem Gitter verschiedene Systemvarianten mit unterschiedlichen spektralen Charakteristika und Spektralbereichen meist nur durch einen Eingriff in das Systemdesign und den damit verbundenen Änderungen an Funktionselementen erreicht werden. So hängt z. B. der Spektralbereich der in der DE 10 2008 019 600 A1 beschriebenen Varianten u.a. von der lateralen Position des Austrittsspaltes im Substrat ab. Eine Änderung dieser Lage erfordert jedoch mindestens ein modifiziertes Layout für das betreffende Substrat. Eine Vereinheitlichung unterschiedlicher Substratdesigns ist in diesem Fall nicht möglich. Jede Variation im System erzeugt somit zusätzliche Fertigungskosten.
Eine weitere Spektralzerlegungsvorrichtung ist aus der DE 10 2009 021 438 A1 bekannt. Auf einer ersten Seite eines Substrats ist ein Lichterfassungselement mit einer Lichtdurchgangsöffnung und einem Lichterfassungsabschnitt angeordnet. Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats ist eine Linse angeordnet. Auf der dem Substrat entfernten Seite der Linse sind eine Beugungsschicht, eine Reflexionsschicht und ein spektroskopischer Abschnitt vorgesehen. Einfallendes Licht tritt durch die, in dem Lichterfassungselement ausgestaltete, Lichtdurchgangsöffnung hindurch, in die Linse hinein, wird dort an der Reflexionsschicht reflektiert und auf den Lichterfassungsabschnitt im Lichterfassungselement geleitet. In der DE 10 2009 021 438 A1 wird gelehrt, die Lichtdurchgangsöffnung und den Lichterfassungsabschnitt gemeinsam in ein und demselben Bauteil, nämlich in dem Lichterfassungselement, auszugestalten, um zu verhindern, dass die relative Positionsbeziehung zwischen der Lichtdurchgangsöffnung und dem Lichterfassungsabschnitt abweicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spektralzerlegungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Spektralzerlegungsvorrichtung zu schaffen, sodass ein ausgewogeneres Verhältnis zwischen Herstellungsaufwand einerseits und Spektrometergenauigkeit auf der anderen Seite erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 5 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass es zur Erzielung eines ausgewogeneren Verhältnisses zwischen Herstellungsaufwand auf der einen und Spektrometergenauigkeit auf der anderen Seite besser ist, eine Spektralzerlegungsvorrichtung nicht gänzlich in einem Substratstapel zu integrieren, sondern beispielsweise nach Herstellung des Substratstapels im Herstellungsablauf Gelegenheit zu geben, Ungenauigkeiten bei der Substratstapelherstellung dadurch auszugleichen, dass ein Bauglied mit einem geeigneten optischen Funktionselement an einem Fenster, wie z.B. einem Eintritts-, Austritts- oder Zwischenfenster des Substratstapels befestigt wird, um das jeweilige Fenster zumindest teilweise zu bedecken, wobei es sich bei dem optischen Funktionselement um einen Eintrittsspalt oder einen Austrittsspalt handeln kann. Der Substratstapel kann im Waferverbund hergestellt werden und die Herstellungstoleranzen bei dieser Herstellung können gelockert werden, weil die anschließende substratstapel-individuelle Befestigung oder sogar fenster-individuelle Befestigung der Bauglieder die bei der Substratstapel-Herstellung entstandenen Schwankungen ausgleichen kann.
Eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass obiges Ziel alternativ dadurch erzielt werden kann, dass Spektralzerlegungsvorrichtungs-Substratstapel in Teilen hergestellt werden, die zusammen jeweils einen vollständigen Substratstapel ergeben, dass aber dieselben substratstapel-individuell miteinander verbunden werden und nicht im Waferverbund, und dass ein optischer Eintrittsspalt und/oder ein optischer Austrittsspalt in einem Substratstapelteil eines jeweiligen Substratstapels gebildet ist, in dem weder das optisch spektral zerlegend wirkende Funktionselement noch die Optik gebildet ist. Auf diese Weise ist das Ausgleichen von beispielsweise Herstellungsschwankungen der Substratstapelteile sowie vorangegangener Befestigungen derselben bei Befestigung der letzten zwei Teile noch durch laterale Lageänderung der Eintritts- und/oder Austrittspalte relativ zu anderen Funktionselementen möglich, ebenso wie eine eventuelle substratstapel-individuelle Einstellung eines erfassbaren Spektralbereichs der Spektralzerlegungsvorrichtungen.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a ein Raumbild einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b,1c schematische Blockschaltbilder zur Veranschaulichung verschiedener Möglichkeiten zur internen Ausgestaltung der Spektralzerlegungsvorrichtung von 1a;
1d ein Raumbild eines Ausschnitts einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem zu dem Ausführungsbeispiel von 1a alternativen Ausführungsbeispiel;
2a ein Raumbild einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
2b, c schematische Blockschaltbilder zur Veranschaulichung verschiedener Möglichkeit für eine interne Ausgestaltung der Spektralzerlegungsvorrichtung von 2a;
3a ein schematisches Raumschnittbild einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3b,3c schematische Blockschaltbilder zur Veranschaulichung von Möglichkeiten zur internen Ausgestaltung der Spektralzerlegungsvorrichtung von 3a;
4 ein Flussdiagramm zur Herstellung von Spektralzerlegungsvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine Schnittansicht einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine Schnittansicht einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7a,7b Schnittbilder eines Ausführungsbeispiels einer Spektralzerlegungsvorrichtung mit unterschiedlicher Position eines Austrittsblendenbaugliedes zur Veranschaulichung der Möglichkeit der Einstellung des erfassbaren Spektralbereichs der Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8a eine Schnittansicht einer Befestigung eines Bauglieds an einer Öffnung eines Substratstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8b eine Draufsicht auf die Befestigungskonfiguration von 8a mit zur besseren Veranschaulichung weggenommenem Bauglied;
9 eine Schnittansicht einer Befestigung eines Bauglieds an einer Öffnung eines Substratstapels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
10 eine Schnittansicht einer Befestigung eines Bauglieds an einer Öffnung eines Substratstapels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
11a eine Schnittansicht einer Befestigung eines Bauglieds an einer Öffnung eines Substratstapels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
11b eine Draufsicht auf die Konfiguration von 11a;
12 Draufsichten auf unterschiedliche Ausgestaltungen eines Bauglieds in den 8a, 9, 10 und 11a;
13 eine Schnittansicht eines Spektrometers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
14 eine Schnittansicht eines Spektrometers gemäß einem nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel;
15 ein Flussdiagramm zur Herstellung von Spektralzerlegungsvorrichtungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
16 eine Schnittansicht einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel;
17 eine Schnittansicht einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
18 eine Schnittansicht einer Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Bevor im Folgenden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass in diesen Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen werden und dass, soweit nicht auf Unterschiede in den einzelnen Figuren hingewiesen wird, Erläuterungen in anderen Figuren zu diesen Elementen auf die aktuelle Figur übertragbar sein sollen, sodass in der nachfolgenden Beschreibung Wiederholungen vermieden werden.
1a zeigt eine Spektralzerlegungsvorrichtung 10 mit einem Substratstapel 12, d.h. einem Stapel von hier exemplarisch drei Substraten 12a, 12b und 12c, in welchen ein geeignetes optisches spektral zerlegendes Funktionselement und eine Optik (nicht gezeigt in 1a) so gebildet sind, dass sich in dem Substratstapel 12 ein gefalteter Strahlengang 14 ausbildet, der sich zwischen einem optischen Eintrittsfenster 16, das in dem Substratstapel 12 gebildet ist, und einem optischen Austrittsfenster 18 oder einer optischen Detektorzone 20, das bzw. die in dem Substratstapel 12 gebildet ist, erstreckt. Zusätzlich weist die Spektralzerlegungsvorrichtung ein eintrittseitiges Bauglied 22 auf, das an dem Substratstapel 12 so befestigt ist, dass es das Eintrittsfenster 16 zumindest teilweise bedeckt, und das einen Eintrittsspalt 24 der Spektralzerlegungsvorrichtung 10 definiert. Die Optik weist vorzugsweise abbildungsstrahlengang-konvergierende oder -aufweitende Eigenschaften auf, um Eintrittsfenster auf Austrittsfenster abzubilden und zwischendurch beispielsweise Strahlung auf ein optisch spektral zerlegend wirkendes Funktionselement zu parallelisieren, und kann somit auch als Abbildungsoptik bezeichnet werden, wie es in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen auch geschieht.
Wie es in 1a gezeigt ist, weist der Substratstapel 12 drei Substrate 12a, 12b und 12c auf. Die Anzahl der Substrate kann aber auch mehr als drei betragen. Bei dem mittleren Substrat 12b kann es sich beispielsweise um ein reines Abstandshaltersubstrat handeln, das ansonsten keine optischen Funktionselemente aufweist, sondern lediglich der Aneinanderbefestigung und der Definition des Abstands zwischen den angrenzenden Substraten 12a und 12c dient. Insbesondere geht aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen auch noch hervor, dass die Substrate 12a-12c des Stapels 12 so strukturiert sein können, dass in dem Substratstapel 12 ein vergrabener Strahlengangraum gebildet wird, der in 1a jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist und sich beispielsweise an dem optischen Eintrittsfenster 16 und an dem optischen Austrittsfenster 18, falls dasselbe vorhanden ist, nach außen öffnet.
Aufgrund des gestapelten Aufbaus des Substratstapels 12 besitzt die Spektralzerlegungsvorrichtung 10 eine erste Hauptseite 26 und eine zweite Hauptseite 28, die sich entlang der Stapel- bzw. Substratdickerichtung einander gegenüber liegen und in entgegengesetzte Richtungen weisen und durch Seitenflächen miteinander verbunden sind. In 1a ist lediglich exemplarisch der Fall dargestellt worden, dass sich das optische Austrittsfenster 18 und das optische Eintrittsfenster 16 an der gleichen Hauptseite 26 befinden. Es wäre ebenfalls möglich, dass der gefaltete Strahlengang 14 austrittsseitig wieder in die andere Seite abknickt, sodass das optische Austrittsfenster 18 auf der entgegengesetzten Hauptseite 28 angeordnet wäre.
Bevor Bezug nehmend auf die 1b und 1c auf nähere Details eingegangen wird, wie die eigentliche Spektralzerlegungsfunktion in dem Substratstapel 12 realisiert sein könnte, wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem optischen Eintrittsfenster 16 und dem optischen Austrittsfenster 18 nicht notwendigerweise um physische Öffnungen in dem Substratstapel 12 bzw. in dem Fall von 1a in dem Substrat 12a, das auch die Hauptseite 26 bildet, handeln muss, sondern dass es sich bei diesen Fenstern 16, 18 auch um lokal transparente Zonen des Substratstapels 12 handeln könnte, die lateral von Substratstapelzonen umgeben sind, die in Dickerichtung nicht-transparent wirken. Das Substrat 12a könnte beispielsweise aus einem transparenten Material gebildet sein, das aber mit einer nichttransparenten Beschichtung bzw. Schicht versehen ist, die lokal zur Bildung des optischen Eintrittsfensters 16 bzw. optischen Austrittsfensters 18 entfernt ist. Im Folgenden wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass es sich bei den Fenstern um Öffnungen handelt, aber wie gesagt gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele, dass dies anders sein kann.
Obwohl im Folgenden noch konkrete Ausführungsbeispiele dafür geliefert werden, wie der Substratstapel 12 mit dem Bauglied 22 gebildet werden könnte, um eine Spektralzerlegungsvorrichtung zu ergeben, werden im Folgenden anhand der 1b und 1c schematisch verschiedene Möglichkeiten angesprochen. Wie es in 1b gezeigt ist, könnten in dem Substratstapel 12 als Teil der vorerwähnten Optik ein Kollimator 30 und ein optisches fokussierendes Element 32 gebildet sein. Der Kollimator 30 ist beispielsweise ein abbildendes optisches Element, das in Form eines Konkav- und/oder Konvexspiegels gebildet sein kann, wobei aber auch eine refraktive Ausführungsform denkbar wäre. Bei dem optischen fokussierenden Element 32 kann es sich ebenso um Konkavspiegel oder eine Refokussieroptik handeln, wobei wiederum auch eine refraktive Ausführungsform denkbar wäre. Wie es später ebenfalls noch klar werden wird, können die Substrate 12a-c so gebildet sein, dass sich der Strahlengang in einem Hohlraum des Substratstapels ausbildet, der im Folgenden auch als Strahlengangraum bezeichnet werden wird.
1b zeigt die verschiedenen Funktionselemente der Spektralzerlegungsvorrichtung 10 von 1a, die gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Spektralzerlegungsvorrichtung 10 implementiert sein können, in Strahlengangrichtung sequenziell von links nach rechts. Wie es zu erkennen ist, kann sich zwischen dem Kollimator 30 und dem optischen fokussierenden Element 32 ein Element mit spektral variierendem Strahlablenkwinkel befinden, wie z.B. ein dispersives Element, ein Beugungsgitter, ein photonischer Kristall, ein Dispersionsprisma, wobei das Element 34 statisch oder durch einen mikromechanischen Aktuator beweglich in dem Substratstapel 12 integriert sein kann. Das Element 34 kann insbesondere reflektiv oder refraktiv wirken.
Wie es mit der geschweiften Klammer angedeutet ist, können zusätzlich zu dem Kollimator 30, dem Element 34 sowie dem optisch fokussierenden Element 32 noch weitere Elemente in dem Substratstapel 12 integriert sein. Es wäre beispielsweise möglich, dass die optische Austrittsöffnung 18 in dem Substratstapel 12 gebildet ist und gleichzeitig als optische Austrittsblende bzw. Austrittsspalt 36 fungiert, um einen entsprechenden Teil des Spektrums, der durch das Element 34 spektral winkelselektiv „aufgefächert“ wurde, herauszufiltern. Ein Detektor 38 könnte dann von außen an den Substratstapel 12 in Strahlengangrichtung hinter dem Austrittsspalt 36 befestigt sein. Alternativ kann der Detektor 38 Teil des Substratstapels 12 sein. Die örtliche Begrenztheit der detektionsempfindlichen Fläche des Detektors 38 kann die Funktion des Austrittsspalts 36 gleich mit übernehmen, in welchem Fall der Austrittsspalt 36 fehlen kann. Bei dem Detektor 38 kann es sich zudem sowohl um einen Einzeldetektor handeln, d.h. einen Detektor, der pro Abtastung einen Wert über die gesamte Detektionsfläche hinweg bestimmt, oder aber einen Zeilendetektor mit einer Mehrzahl von Einzeldetektoren, die in einer Zeile angeordnet sind. Ebenso könnte es sich bei dem Detektor 38 auch um ein Detektorfeld, d.h. also ein Array von Detektoren bzw. eine Detektormatrix handeln.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in 1c gezeigt. Nach diesem Ausführungsbeispiel sind in dem Substratstapel 12 neben einem Kollimator 30 als Teil der vorerwähnten Abbildungsoptik ein Element mit spektral variierender Transmissions- oder Reflexions-Eigenschaft, nämlich ein Element 40, integriert, welches, wie es in 1c gezeigt ist, in Strahlengangrichtung hinter dem Kollimator 30 angeordnet sein kann. Bei dem Element 40 kann es sich beispielsweise um einen interferometrischen Filter, einen durchstimmbaren, mikromechanischen Filter wie beispielsweise ein Fabry-Perot-Interferometer mit einem mikromechanischen Element für translatorische Bewegungen eines Blättchens, einer Platte oder einer Membran zu einem festen Blättchen, Platte oder Membran zum Ändern der spektralen Transmission handeln. Auch das Element 40 kann reflektiv oder transmissiv wirken. Ein in Strahlengangrichtung hinter dem Element 40 angeordneter Detektor 42 kann, wie es in 1c gezeigt ist, ebenfalls in dem Substratstapel 12 integriert sein oder nicht.
Wie es im Vorhergehenden erwähnt worden ist, können die Elemente 30, 32, 34 und 40 jeweils für sich reflektiv wirkend sein, wodurch ein entsprechender Knick in dem gefalteten Strahlengang 14 entsteht und somit eine Winkelablenkung zwischen den Abschnitten 44 des Strahlengangs an den Funktionselementen 24, 30, 34, 32, 36 bzw. 24, 30, 40 und 42, oder eben auch nicht. Zum Erhalt eines gefalteten Strahlengangs 14 können zusätzlich zu den in 1b und 1c gezeigten Funktionselementen auch noch reflektiv wirkende optische Elemente, wie z.B. Umlenkspiegel, wie z.B. Plan-, Konkav- oder Konvex-Spiegel, angeordnet bzw. in dem Substratstapel 12 integriert sein. Gemäß nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist beispielsweise das spektral zerlegend wirkende optische Funktionselement zusammen mit der optischen Austrittsöffnung 18 bzw. dem optischen Austrittsspalt 36 in einem ersten Substrat 12a gebildet, wohingegen ein kollimierendes refraktives optisches Funktionselement in einem zweiten Substrat 12c gebildet ist.
Wie es noch später Bezug nehmend auf 4 beschrieben wird, ist es bei der Herstellung nun möglich, den Substratstapel 12 mit entspannten Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit herzustellen, denn Abweichungen von der Sollgeometrie aufgrund der größeren Herstellungstoleranzen können bei Befestigung des Baugliedes 22 bzw. bei Justage des optischen Eintrittsspalts 24 relativ zu der Eintrittsöffnung 16 bzw. den anderen Komponenten 30-42 ausgeglichen werden. Beispielsweise können Herstellungsschwankungen in der Dicke der Substrate 12a-12c des Stapels 12 und insbesondere von Abstandshaltersubstraten, wie z.B. dem Substrat 12b, dadurch ausgeglichen werden, dass das Bauglied 22 mit einem einstellbaren Spalt zwischen sich und der Hauptseite 26 fixiert wird, wie es im Folgenden noch Bezug nehmend auf spezielle Ausführungsbeispiele zur Fixierung beschrieben wird. Eine laterale Lage des Eintrittsspaltes 24 kann so eingestellt werden, dass eventuelle laterale relative Lageabweichungen einzelner Substrate zueinander, wie z.B. der Substrate 12a und 12c, ausgeglichen werden können. Der Substratstapel 12 ist damit mit relativ leicht einhaltbaren Herstellungstoleranzen im Waferverbund herstellbar, woraufhin substratstapel-individuell oder sogar öffnungs-individuell das Bauglied 22 justiert und fixiert werden kann. An dieser Stelle sei gleich darauf hingewiesen, dass, wie es auch in den nachfolgenden Figuren noch beschrieben wird, das Vorsehen eines Baugliedes 22 mit einem optischen Spalt auch an einer anderen Öffnung als der optischen Eintrittsöffnung 16 vorgesehen werden kann, wie z.B. der optischen Austrittsöffnung 18 oder einer Zwischenöffnung, wofür im Folgenden noch Beispiele geliefert werden. In diesem Fall könnte das Bauglied öffnungs-individuell oder jedenfalls substratstapel-individuell justiert und befestigt werden.
Wie es soeben beschrieben worden ist, wird bei der Herstellung der Spektralzerlegungsvorrichtung 10 von 1a das Bauglied 22 bei der Befestigung an der Hauptseite 26 geeignet justiert, positioniert und fixiert. Dazu sollte die Hauptseite 26 des Substratstapels 12 einen geeigneten „Rangier“-Abstand für die Fixierung des Baugliedes 22 aufweisen, sodass nämlich das Bauglied 22 in einem geeigneten Bereich während eines Justagevorganges lateral verschoben werden kann, um den Eintrittsspalt 24 zum Ausgleich der Herstellungsschwankungen in seiner lateralen Lage verändern zu können, um erst daraufhin die tatsächliche Fixierung vorzunehmen. In 1a war die Hauptseite 26 exemplarisch als ebene Fläche dargestellt worden, in der lediglich die Eintrittsöffnung 16 und die Austrittsöffnung 18 gebildet waren, wobei beschrieben worden ist, dass eventuell noch weitere Öffnungen in dieser Hauptseite 26 gebildet sein könnten. Für den vorerwähnten Rangierabstand ist es aber nicht notwendig, dass die Hauptseite 26 komplett eben ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie es in 1d angedeutet ist, ist die Hauptseite 26 des Substratstapels 12, in welcher die Eintrittsöffnung 16 gebildet ist, nicht eben. Aber die Hauptseite 26 ist nach dem Ausführungsbeispiel von 1d um die Eintrittsöffnung 16 herum in einem Gebiet eben ausgestaltet, das größer ist als das Bauglied 22, sodass eventuelle Erhöhungen bzw. Vorsprünge in der Hauptseite 26 von dem Bauglied 22 in seiner justierten und fixierten Lage über zumindest einen Spalt 46 beabstandet sind. In dem Fall von 1b bildet dieser ebene Abschnitt exemplarisch den Boden einer Vertiefung in der Hauptseite 26. Es wäre aber ebenfalls möglich, dass die Eintrittsöffnung 16 an einem Vorsprung der Hauptseite 26 gebildet ist, in welchem Fall die laterale Ausdehnung des Vorsprungs um die Eintrittsöffnung 16 herum auch nicht so kritisch wäre. In anderen Worten ausgedrückt, sollte die Hauptseite 26 um die Eintrittsöffnung 16 herum einen ebenen Abschnitt aufweisen, und die Hauptseite 26 sollte so gebildet sein, dass bei einer gedanklichen Lösung der Befestigung des Baugliedes 22 eine translatorische laterale Bewegung desselben zumindest entlang einer lateralen Dimension möglich wäre, entlang der der gefaltete Strahlengang 14 von dem Eintrittsspalt 24 aus gerichtet ist, welche Richtung in 1a mit einem gestrichelten Teil 48 angedeutet ist, und zwar um mehr als 1 µm in beide Richtungen entlang der lateralen Dimension. In 1d bedeutete dies, dass die Spaltabstände x₁ und x₂ größer als 1 µm sein müssten. Für die Abstände y₁ und y₂ könnte das Gleiche gelten.
In 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Spektralzerlegungsvorrichtung 10' gezeigt. Es besitzt einen Substratstapel 12 aus wiederum drei Substraten 12a, 12b und 12c, die entlang einer Stapelrichtung gestapelt und miteinander verbunden sind und so strukturiert und hergestellt sind, dass in denselben ein geeignetes spektral zerlegend wirkendes Funktionselement und eine Abbildungsoptik so gebildet sind, dass sich in dem Substratstapel 12 ein gefalteter Strahlengang ausbildet, der sich zwischen einer optischen Eintrittsöffnung 16, die in dem exemplarischen Fall von 2a auch gleich als Eintrittsspalt 24 geformt und in dem Substratstapel 12 gebildet ist, und einer Austrittsöffnung 18, die ebenfalls in dem Substratstapel 12 gebildet ist, erstreckt. Zusätzlich weist die Spektralzerlegungsvorrichtung 10' ein austrittseitiges Bauglied 50 auf, das an dem Substratstapel 12 und dort wiederum exemplarisch an der Hauptseite 26 desselben befestigt ist, sodass es die Austrittsöffnung 18 zumindest teilweise bedeckt und das einen Austrittsspalt 36 der Spektralzerlegungsvorrichtung 10' definiert.
2b zeigt wieder eine Möglichkeit für eine interne Ausgestaltung des Substratstapels 12. Nach dieser Ausgestaltung sind in dem Substratstapel 12 beispielsweise als Teil der vorerwähnten Abbildungsoptik ein Kollimator 30 und ein optisches fokussierendes Element 32 gebildet, zwischen welchen in Strahlengangrichtung ein Element 34 mit spektral variierendem Strahlablenkwinkel angeordnet ist. Wie es in 2a gezeigt ist, kann der Eintrittsspalt 24 in dem Substratstapel 12 gebildet sein, wobei dies allerdings optional ist, wie es im Vorhergehenden Bezug nehmend auf 1a beschrieben worden ist. Der Austrittsspalt 36 folgt in Strahlengangrichtung nach dem optischen fokussierenden Element 32, und im Anschluss an den Austrittsspalt 36 wiederum kann ein Detektor 38 vorgesehen sein, der in 2a allerdings der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Wie es in 2b angedeutet ist, kann der Detektor zum Bauglied 50 gehören, das auch den Austrittsspalt 36 bildet.
Ähnliche Vorteile, wie sie Bezug nehmend auf 1a-d beschrieben worden sind, lassen sich auch nach der Konfiguration von 2a und 2b erzielen, denn Herstellungstoleranzen bei der Herstellung des Substratstapels 12, der beispielsweise im Waferverbund hergestellt wird, können durch die Justage und Positionierung des Baugliedes 50 und damit einhergehend des Austrittsspaltes 36 ausgeglichen werden. Zusätzlich kann, wie es noch im Folgenden beschrieben wird, durch die laterale Positionierung des Austrittsspaltes 36 ein durch die Spektralzerlegungsvorrichtung 10' erfassbarer Spektralbereich eingestellt werden. Beispielsweise wäre der Detektor in Strahlengangsrichtung hinter dem Austrittsspalt 36 so angeordnet, dass der Detektor 38 eine detektionsempfindliche Fläche hätte, die mit dem Austrittsspalt 36 vollständig überlappte.
2c zeigt eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel von 2a, wonach das Bauglied 50 nicht etwa den Austrittsspalt 36 der Spektralzerlegungsvorrichtung 10' definiert, sondern den Detektor 38 trägt, der wie oben Bezug nehmend auf 1b bereits beschrieben, eventuell ein Zeilendetektor sein kann oder aber ein Einzeldetektor, wobei die detektionsempfindlichen Flächen des oder der Einzeldetektoren die Funktion eines Eintrittsspalts gleich mit übernehmen könnten. In diesem Fall ist es durch das Vorsehen des zusätzlichen Baugliedes 50 und dessen Extra-Befestigung an dem Substratstapel 12 ebenso wie im Fall von 2b möglich, einen erfassbaren Spektralbereich der Spektralzerlegungsvorrichtung 10' einzustellen.
Bei beiden Ausführungsbeispielen von 2c und 2b ist es ebenfalls möglich, durch Einstellen einer Entfernung des Baugliedes 50 von der Befestigungsoberfläche um die Austrittsöffnung 18 herum, d.h. der Hauptseite 26, eventuell Herstellungsschwankungen bei der Herstellung des Substratstapels 12 auszugleichen, die von einer Dickeschwankung der Substrate in dem Substratstapel 12 herrühren, um beispielsweise einen Abstand des Strahlengangabschnittes zwischen dem optischen fokussierenden Element 32 und dem Austrittsspalt 36 bzw. dem Detektor 38 einzustellen, wodurch, wie im Vorhergehenden erwähnt, insgesamt das Verhältnis zwischen Herstellungsaufwand auf der einen und Spektrometerpräzision auf der anderen Seite verbessert werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2c sollte eine Projektion eines strahlblockierenden Teils des austrittsseitigen Baugliedes 50 in der Substratdicke-Richtung bzw. Substratstapelrichtung 52 auf den Substratstapel 12 und dem Eintrittsspalt 24 und einem Rand 54 des Substratstapels 12 lateral um einen Abstand 56 beabstandet sein, d.h. durchgehend entlang des Rands 54, damit sich die vorerwähnten lateralen Justagemöglichkeiten des Baugliedes 50 weder zu einer ungewünschten Abdeckung des Eintrittsspalts 24 noch einem unerwünschten Überhang des Baugliedes 50 über den Rand 54 des Substratstapels 12 hinaus ergeben. Der Abstand 56 beträgt beispielsweise 1 µm oder mehr.
Der Abstand entlang des Rands 54 kann auch für die anderen Bauglieder in den anderen Figuren gelten. Bevorzugt ist eine laterale Projektionsfläche bzw. ein Fußabdruck der Bauglieder der Ausführungsbeispiele ohnehin kleiner als 50% der lateralen Flächenausdehnung des Substratstapels.
Im Nachfolgenden werden Implementierungen für das Ausführungsbeispiel von 2b beschrieben, bei dem das Element 34 und die optische Austrittsöffnung 18 in einem ersten Substrat 12a gebildet sind, während ein zweites Substrat 12c ein optisches, fokussierendes Funktionselement 32 aufweist, das reflektiv wirkt und im Strahlengang zwischen dem Element 34 und der Austrittsöffnung 18 angeordnet ist.
In 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Spektralzerlegungsvorrichtung 10" gezeigt. Die Spektralzerlegungsvorrichtung 10" umfasst einen Substratstapel 12 mit hier wiederum drei Substraten 12a, 12b und 12c, die strukturiert sind, um einen vergrabenen Strahlengangraum 14 mit einem Eintrittsfenster 16 bzw. einer Eintrittsöffnung, das bzw. die in dem exemplarischen Fall von 3a einen Eintrittsspalt 24 definiert, und einem Zwischenfenster bzw. einer Zwischenöffnung 58 zu bilden. Zusätzlich umfasst die Spektralzerlegungsvorrichtung 10" ein Bauglied 60 mit einem optischen Funktionselement in Form eines reflektiven Eintrittsspalts (in 3a nicht gezeigt), das an dem Substratstapel 12 bzw. in 3a exemplarisch an der Hauptseite 26, an der die Zwischenöffnung 58 exemplarisch gebildet ist, so befestigt ist, dass es die Zwischenöffnung 58 zumindest teilweise bedeckt und der reflektive Eintrittsspalt über die Zwischenöffnung 58 an den Strahlengangraum 57 angrenzt und sich im Strahlengangraum 57 ein gefalteter Strahlengang 14 ausbildet, der durch eine Abbildungsoptik und ein spektral zerlegend wirkendes Funktionselement definiert wird und sich zwischen dem Eintrittsspalt 24 und einer Austrittsöffnung 18 oder einer optischen Detektorzone 62, die in dem Substratstapel 12 gebildet ist, erstreckt. Der reflektive Eintrittsspalt des Baugliedes 60 ist an einer Knickstelle 64 des gefalteten Strahlenganges 14 angeordnet und kann einen ersten Teil der Abbildungsoptik bilden, während ein zweiter Teil der Abbildungsoptik in dem Substratstapel 12 gebildet ist, oder kann das optische spektral zerlegend wirkende Funktionselement umfassen.
3b und 3c zeigen Möglichkeiten, wie der Strahlengang 14 in dem Substratstapel 12 definiert sein könnte, bzw. welche Funktionselemente auf welche Art und Weise in dem Substratstapel 12 integriert sein könnten. Anhand der Beschreibung dieser Figuren wird deutlich, dass es sich bei dem Funktionselement, das das Bauglied 60 aufweist, um eine reflektive Eintrittsblende bzw. eine Blende oder einen Balken handeln kann, der als reflektiver Eintrittsspalt 68 ausgelegt ist. Um dies zu veranschaulichen, zeigt 3B exemplarisch eine Möglichkeit für die Ausgestaltung der Spektralzerlegungsvorrichtung 10" mit recht vielen Funktionselementen, von denen allerdings einige fehlen können. Gemäß dem Beispiel von 3B wären in dem Substratstapel 12 beispielsweise in Strahlengangrichtung hintereinander eine optische Eintrittsöffnung 16, ein fokussierendes Element 66, ein reflektiver Eintrittsspalt 68, ein reflektives Element 70, ein Kollimator 30, ein reflektives Element 72, ein Element 34 mit spektral variierendem Strahlablenkwinkel, ein reflektives Element 74, ein fokussierendes Element 32, ein reflektiver Austrittsspalt 76, ein abbildendes Element 78, eine optische Austrittsöffnung 18 und optional ein Detektor 38 gebildet. Ein Beispiel, bei denen die Elemente 70, 72, 74, 76 und 78 fehlen, und die Austrittsöffnung 18 einen Austrittsspalt 36 definiert, wird später in 13 vorgestellt. Ebenso wie die Elemente 76 und 78 fehlen können, wobei das abbildende Funktionselement 78 die reflektive Austrittsblende 76 beispielsweise auf den Detektor 38 abbildete, könnte beispielsweise das Element 66 fehlen, wobei beispielsweise das fokussierende Funktionselement 66 ankommende Strahlen auf den reflektiven Eintrittsspalt 68 fokussierte.
Gemäß der Alternative von 3c sind in dem Substratstapel 12 beispielsweise eine optische Eintrittsöffnung 16, ein fokussierendes Element 66, ein reflektiver Eintrittsspalt 68, ein Kollimator 30, ein Element mit spektral variierender Reflektionseigenschaft 40' und optional noch der Detektor 38 gebildet, worunter das optische Funktionselement 80 der reflektive Eintrittsspalt 68 ist.
Noch etwas präziser ausgedrückt, kann das optische Funktionselement 80 der reflektive Eintrittsspalt 68 sein, und eben jenes Element ist dann nicht in dem Substratstapel 12 integriert bzw. gebildet, sondern es wird nach Bildung des Substratstapels 12 in den Strahlengang 14 eingefügt, indem das Bauelement 60 mit dem reflektiven Eintrittsspalt 68 an dem Substratstapel 12 befestigt wird. Herstellungsschwankungen, die bei der Herstellung all der anderen Elemente in dem Substratstapel 12 entstanden sind, können auf diese Weise ausgeglichen werden, ebenso wie es bei den anderen vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall war.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist es möglich, die im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele für eine Spektralzerlegungsvorrichtung durch eine Abfolge von zwei Schritten herzustellen, nämlich einem ersten Schritt der Substratstapel-Herstellung 82, der von einem substratstapel-individuellen Bauglied-Befestigungsschritt 84 gefolgt wird. In dem ersten Schritt 82 wird eine Mehrzahl der Substratstapel 12 hergestellt, was, wie im Vorhergehenden bereits erwähnt, im Waferverbund geschehen kann, sodass viele Substratstapel 12 vieler Spektralzerlegungsvorrichtungen parallel zueinander prozessiert werden können. Alternativ erfolgt die Herstellung derselben aber auch auf Chiplevel, also auch substratstapel-individuell. Die bevorzugte Variante kann von der herzustellenden Stückzahl abhängen. Die Herstellungstoleranzen, wie z.B. in Bezug auf die Substratdicken, aber auch in Bezug auf die laterale Ausrichtung der Substrate zueinander, müssen nicht über Gebühr klein eingestellt werden, denn in dem Schritt 84 wird im Anschluss daran das Bauglied 22, 50 und/oder 60 befestigt, und zwar substratstapel-individuell oder sogar, in dem Fall, dass die Bauglieder 22, 50 und 60 jedes separat für sich vorliegen, öffnungs-individuell für die jeweilige Eintritts-, Zwischen- und/oder Austrittsöffnung 16, 58, 18. In einer Variante wäre es aber auch möglich, dass ein Bauglied das jeweilige optische Funktionselement von zwei oder allen drei der vorerwähnten Bauglieder aufweist. Der Schritt 84 kann zudem pro Bauglied in einen Justage-Schritt und einen eigentlichen Befestigungsschritt zerfallen, worauf im Folgenden noch eingegangen wird. Insbesondere kann der Schritt 84 unter Justage des jeweiligen optischen Funktionselementes des Baugliedes durchgeführt werden, und zwar durch aktive Justage, bei der ein Einfluss der Justage auf den gefalteten Strahlengang an einem Austrittsblenden- oder Detektorzonenort ausgewertet wird, die Ausrichtung also nach Funktion geschieht, oder durch passive Justage, bei der die Justage eine Ausrichtungsregelung gegenüber Kanten und/oder Ecken des Substratstapels umfasst, an dem das Bauglied mit dem optischen Funktionselement befestigt wird.
Bevor in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen noch konkrete Implementierungsmöglichkeiten beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass sowohl im Vorhergehenden als auch im Nachfolgenden die Bauglieder 22, 50 und 60 nicht notwendigerweise plattenförmig ausgebildet sein müssen. Vielmehr wäre es auch möglich, dass dieselben würfel-, quader- oder prismenförmig wären oder dergleichen.
Die Ausführungsbeispiele, die im Folgenden beschrieben werden, realisieren also die oben beschriebenen Möglichkeiten zur Verschiebbarkeit von Funktionselementen oder Bauelementen mit mehreren integrierten Funktionselementen, wie z.B. optische Spalte einer Trägerplatte, und zwar auf unterschiedliche Art und Weise. Wichtig dabei ist, wie im Vorhergehenden beschrieben, die Möglichkeit der relativen Lageänderung von zumindest zwei Funktionselementen zueinander.
5 zeigt eine miniaturisierte scannende Spektralzerlegungsvorrichtung mit einem Substratstapel 12 aus drei Substraten 12a, 12b und 12c. In dem Substrat 12a ist ein Fenster 16 für eintretende elektromagnetische Strahlung gebildet. Es wird von einer Platte 22 bedeckt, die einen optischen Spalt 24 enthält. Das Fenster 16 ist in lateraler Richtung gegenüber des Spalts 24 verbreitert. Das Substrat 12a enthält auch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter 104 als ein Element mit spektral variierendem Strahlablenkwinkel zusammen mit einem in 5 nicht gezeigten Aktuator bzw. Antrieb zur Drehung 105 des Beugungsgitters 104 um eine Achse 106, die senkrecht zum Strahlengang 14 und parallel zur Gitterstruktur des Beugungsgitters 104 verläuft. Anstelle eines Beugungsgitters könnte auch ein Phasengitter verwendet werden. Das Substrat 12a könnte aus einem SOI-Substrat gebildet sein. Wie es in 5 gezeigt ist, kann das Substrat 12a ein Trägersubstrat 110 umfassen, auf dem eine Schicht 112 gebildet ist. Das Fenster 16 erstreckt sich durch das Trägersubstrat 110 sowie die Schicht 112. Das Beugungsgitter 104 ist zusammen mit der Aufhängung 106 in der Schicht 112 gebildet, in dem entsprechende Teile der Schicht 112 entfernt sind, und zur Ermöglichung der Drehung um die Achse bzw. Aufhängung 106 umfasst das Trägersubstrat 110 lateral an entsprechender Stelle eine Öffnung. In dem Substrat 12a ist zudem der Austrittsspalt 36 gebildet. Wie es in 5 gezeigt ist, ist das Substrat 12a mit der die Schicht 112 aufweisenden Seite über das als Abstandshaltersubstrat dienende Substrat 12b an dem Substrat 12c befestigt. Die Befestigung kann mittels Waferbondens durchgeführt werden. Eine der Schicht 112 abgewandte Seite des Substrats 12a bildet somit die Hauptseite 26 der Spektralzerlegungsvorrichtung 100 und die Öffnung des Trägersubstrats 110 an der Stelle des Beugungsgitters 104 kann, wie es in 5 gezeigt ist, mit einer entsprechenden Abdeckung 116 zum Schutz vor äußeren Einflüssen, wie z.B. Staub, abgedeckt sein. Die Platte 22 mit dem Eintrittsspalt 24 deckt das Fenster 16 ab. Wie es in 5 gezeigt ist, existiert genügend Rangierabstand x₂ zwischen der Platte 22 und der Abdeckung 116.
In dem Substrat 12c sind optische Funktionselemente gebildet, nämlich ein reflektiver Kollimator 30 und ein reflektives fokussierendes Element 32. In dem Fall von 5 sind sie beide in Form von Hohlspiegeln in einer dem Substrat 12a zugewandten Seite des Substrats 12c gebildet. Für die reflektive Eigenschaft kann entweder das Material des Substrats 12c selbst reflektierend sein, oder eine reflektierende Beschichtung wird lokal oder global auf der dem Substrat 12a zugewandten Seite des Substrats 12c aufgebracht.
Die durch den Spalt 24 hindurchtretende elektromagnetische Strahlung trifft, wie es in 5 gezeigt ist, auf das reflektive kollimierende Element 30 in dem Substrat 12c, wozu der Strahlengang die Weglänge überbrückt, die durch das zwischen den Substraten 12a und 12c befindliche Abstandshaltersubstrat 12b definiert wird. Nach einer Reflexion an dem reflektiven Element 30 führt der Strahlengang 14 als paralleles Strahlenbündel auf das drehbar gelagerte Beugungsgitter 104, wo die Strahlung spektral aufgespalten wird und nach einer weiteren Reflexion an dem reflektiven Element 32 in winkelmäßig spektral aufgespaltener Weise auf die Schicht 112 trifft, wo wiederum lediglich ein selektiv ausgewählter Teil der Strahlung den Austrittsspalt 36 passieren kann. Wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, können durch Abdecken der vergrößerten Öffnung 16 durch die Platte 22 mit dem optischen Spalt 24 sowohl eine Lageänderung der Spalte 24 und 36 zueinander als auch des Spaltes 24 zum Beugungsgitter 104 realisiert werden.
Die Platte 22, in die der Eintrittsspalt 24 für elektromagnetische Strahlung integriert ist, kann z.B. aus einem Metall, einem Kunststoff, einem Glas- oder Keramikwerkstoff oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Der Eintrittsspalt 24 kann dabei entweder als physische Öffnung, wie in 5 veranschaulicht, also z.B. ein in eine dünne Metallplatte 22 strukturierter Spalt 24 sein, oder durch selektive Beschichtung der Platte 22 entstehen. So kann der Eintrittsspalt 24 beispielsweise aus einer dünnen Glasplatte bestehen, die mit einer für die elektromagnetische Strahlung nicht transparenten Schicht oder einem Schichtstapel versehen ist. Der optische Spalt 24 wird dann lediglich in die Beschichtung strukturiert. Dies bietet den Vorteil, dass aufgrund der durchgängigen Glasplatte das Innere, d.h. der Strahlengangraum 57, der Spektralzerlegungsvorrichtung 100 vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Staub, geschützt werden kann.
Zusätzlich zur Justage oder Kalibrierung durch eine Verschiebung der Spaltplatte 22 und dem darin integrierten Spalt 24 relativ zu den Funktionselementen im Mikromechanik-Substrat 12a könnten durch weitere Platten bzw. Bauglieder, wie im Vorhergehenden Bezug nehmend auf 2a und 3a beschrieben, der Austrittsspalt 36 und/oder das Gitter 104 in Bezug auf das Substrat 12c mit den optischen Funktionselementen 30 und 32 verschoben werden, indem nämlich in dem Substrat 12a entsprechende Öffnungen 58 bzw. 18 vorgesehen würden.
Die Platte 22 mit dem optischen Eintrittsspalt 24 kann nach einer erfolgten JustageProzedur, die Teil des Schrittes 84 ist, mit unterschiedlichen Fügeprozessen dauerhaft mit dem Substrat 12a bzw. der Hauptseite 26 oder einem gemeinsamen Träger verbunden werden. Die Justagevorgänge können dabei passiv, also unter Verwendung geeigneter Passmarken an Substrat und Platte, oder aber aktiv nach einer Inbetriebnahme oder Teil-Inbetriebnahme der Spektralzerlegungsvorrichtung nach Funktion erfolgen. Als Fügeprozesse sind Kleben, Umfüllen, Unterfüllen oder Löten geeignet, wie es auch im Folgenden noch detaillierter beschrieben wird. Es können Ein- oder Mehrkomponenten-Klebstoffsysteme Verwendung finden. Für den ersten Fall kommen beispielsweise Acrylate oder Epoxide, die durch Strahlungsenergie oder thermische Energie oder eine Kombination aus beidem, aushärten, zum Einsatz. Für den zweiten Fall kommen vielfältige Systeme aus Klebstoff und Härter als auch Klebstoff und Aktivator in Frage. Dabei können Klebstoff und Härter oder Aktivator Teil einer Klebstoffmischung sein oder auf den beiden Fügeteilen separat vorliegen, um bei Kontakt die Härtung in Gang zu setzen. Weiterhin können Schmelzklebstoffe oder Cyanatklebstoffe, sogenannte Sekundenkleber, bei eingeschränkter Einsatztemperatur der Fügeverbindung verwendet werden. Die Klebstoffsysteme können gefüllt oder ungefüllt sein. Typische Füllungen beinhalten kleine Glas- oder Kunststoffkugeln. Die Füllstoffe können dabei die Funktion eines Abstandshalters übernehmen. Dieser Fügeprozess wäre ebenfalls Teil des Schrittes 84 von 4.
Die miniaturisierte, scannende Spektralzerlegungsvorrichtung von 6 unterscheidet sich von demjenigen von 5 dadurch, dass nun auch austrittseitig ein vergrößertes Fenster 18 als optische Austrittsöffnung in dem Substrat 12a vorgesehen ist, die wiederum durch eine eigene Platte 50 mit einem Austrittsspalt 36 bedeckt ist, die entsprechend an der Hauptseite 26 befestigt ist, und zwar wiederum unter Einhaltung eines entsprechenden Rangierabstandes x₁ zu der Abdeckung 116. Somit umfasst das Ausführungsbeispiel von 6 zwei vergrößerte Fenster 16 oder 18 für ein- und austretende Strahlung im mikromechanischen Substrat 12a, welches das drehbare Beugungsgitter 104 sowie dessen Antrieb enthält. Durch Abdecken der vergrößerten Fenster 16, 18 mit jeweils einer Spaltplatte 22 und 50, in die jeweils ein Spalt 24 bzw. 36 integriert ist, kann, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben worden ist, eine Lageänderung der Spalte 24, 36 zueinander als auch der Spalte 24, 36 zum Beugungsgitter 104 realisiert werden. Zusätzlich zur Justage oder Kalibrierung durch eine Verschiebung der Spaltplatten 22, 50 und damit den integrierten Spalten 24, 36 zueinander und zum Funktionselement in dem mikromechanischen Substrat 12a, nämlich dem Beugungsgitter 104, können die Spalte 24, 36 und das Gitter 104 in Bezug auf das optische Bauelement bzw. die Abbildungsoptik, die in dem Substrat 12c gebildet ist, verschoben werden. Auf diese Möglichkeit wird später noch im Folgenden Bezug nehmend auf 15 eingegangen.
7a und 7b zeigen verschiedene Varianten eines Ausführungsbeispiels einer Spektralzerlegungsvorrichtung 100', das sich von denjenigen nach 5 oder 6 dadurch unterscheidet, dass der Eintrittsspalt 24 in dem Substrat 12 gebildet ist, während austrittsseitig das vergrößerte Fenster 18 in dem Substrat 12a von der Platte 50 mit dem Austrittsspalt 36 bedeckt wird. Auch die Spektralzerlegungsvorrichtung 100' der 7a und 7b umfasst somit ein mikromechanisches Substrat 12a, welches ein drehbar ausgeführtes Beugungsgitter 104, einen Eintrittsspalt 24 und eine vergrößerte Öffnung 18 aufweist. Ein zweites Substrat 12c, in das zwei Spiegel 30 und 32 integriert sind, ist mittelbar über ein drittes als Abstandshalter fungierendes Substrat 12b mit dem mikromechanischen Substrat 12a verbunden. Durch den Eintrittsspalt 24 tritt elektromagnetische Strahlung in die Spektralzerlegungsvorrichtung 100' ein und trifft auf den ersten Spiegel 30, der die Strahlung kollimiert und auf das Beugungsgitter 104 lenkt. Dort wird die Strahlung spektral aufgespaltet und anschließend von dem zweiten Spiegel 32 in Richtung der Öffnung 18 fokussiert. Die Platte 50, die den Austrittsspalt 36 enthält, ist mit dem Substrat 12a verbunden und deckt die Öffnung 18 ab. Der Spalt 36 wirkt somit als der Austrittsspalt der Anordnung. Am Ort des Fensters 18 entsteht aufgrund des dispersiven Elements 104 ein spektral aufgefächertes Bild des Eintrittsspaltes 24, welches aufgrund der Drehbewegung des Gitters 104 in Aufspaltungsrichtung 118 in einer Hin- und Her-Bewegung 120 den Austrittsspalt 36 überstreicht. Durch Anordnen des Austrittsspaltes 36 wird somit jeweils nur ein geringer Anteil der Spektralzerlegungsvorrichtung herausgeschnitten und so eine spektrale Information gewonnen, wodurch der spektrale Empfindlichkeitsbereich der Spektralzerlegungsvorrichtung 100' eingestellt werden kann. In anderen Worten ausgedrückt, wird der Spektralbereich, definiert durch eine minimale und eine maximale Wellenlänge der Strahlung, der Spektralzerlegungsvorrichtung 100' u.a. von der maximalen Amplitude der Gitterbewegung, hier einer Drehung, bestimmt. Das Beugungsgitter 104 kann nun so ausgeführt werden, dass seine Effizienz eine Aufspaltung der Strahlung mit einem breiteren Spektralbereich zulässt als durch die Drehbewegung des Gitters mit dem Austrittsspalt 36 abgetastet werden kann. Durch die richtige laterale Position der Spaltplatte 50 kann dann ein vorbestimmter Teilbereich der vom Gitter spektral zerlegten Strahlung abgetastet werden.
7b zeigt eine schematische Querschnittdarstellung der gleichen Anordnung wie in 7a, wobei sich hier die Spaltplatte 50 an einer anderen lateralen Position befindet. Damit wird bei gleicher Beugungsgittercharakteristik und Drehbewegung ein zumindest teilweise verschiedener Spektralbereich vom Austrittsspalt 36 während der Scanbewegung hindurchgelassen. Der große Vorteil der separat angeordneten und montierten Spaltplatte 50 liegt hier also neben dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen in der Möglichkeit, eine Variantenvielfalt mit vergleichsweise geringem Aufwand generieren zu können. So können bei geeigneter Ausführung des Beugungsgitters 104 mit ein- und demselben System nur durch eine Änderung der Spaltplattenposition verschiedene Spektrometertypen, die sich in ihrem Spektralbereich unterscheiden, realisiert werden. Auch die Montage selbst erfordert keine Änderungen des Prozesses. Damit können Fertigungskosten deutlich gesenkt werden.
Bei den soeben beschriebenen Ausführungsbeispielen von 5-7b war das optische Funktionselement, das über die entsprechende Platte 22 bzw. 50 justiert und befestigt wurde, jeweils ein Spalt 24, 36. Die Lageänderung der Funktionselemente 24, 36 über das jeweilige Bauglied bzw. die Platte 22, 50 kann im Allgemeinen in sechs Freiheitsgraden, nämlich drei Verschiebungen und drei Rotationen, erfolgen. Nach erfolgter Justage und Kalibrierung, d.h. nachdem die Funktionselemente 24, 36 des entsprechenden Baugliedes bzw. der entsprechenden Platte 22, 50 ausgerichtet sind und/oder eine bestimmte spektrale Charakteristik eingestellt wurde, müssen die Funktionselemente 24, 36, bzw. die Bauglieder 22, 50, in welche die Funktionselemente 24, 36 integriert sind, in ihrer Lage fixiert werden, wobei Justage und Fixierung Teil des Schrittes 84 von 4 sind.
Bei dem in 8a dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Fixierung durch Kleben mit einem schmalen Klebespalt 201 realisiert. In 8a ist stellvertretend die Fixierung des Baugliedes 22 an der Oberfläche 26 zur Abdeckung der Öffnung 16 gezeigt, aber die Ausführungen zu 8a und ebenso die folgenden Ausführungen bezüglich der 8b - 12 gelten natürlich auch für die Bauglieder bzw. Bauelemente 50 und 60 in Bezug auf die Öffnungen 18 und 58. Bei der Justage kann das zu fixierende Bauelement 22 lateral, d.h. in der x- und y-Ebene in zwei Freiheitsgraden verschoben bzw. translatorisch bewegt sowie um die dazu senkrecht stehende z-Achse verdreht werden. Hierzu ist der vorerwähnte Rangierabstand vorgesehen. In anderen Worten ausgedrückt, ist die Hauptseite 26 so geformt, dass in einem aufliegenden oder nahezu auf der Hauptseite 26 aufliegenden Zustand des Baugliedes 22 eine translatorische Bewegung während der Justage um x₁ + x₂ entlang der x-Achse und y₁ + y₂ entlang der y-Achse möglich ist, wie es durch die gestrichelte Linie 202 angezeigt ist, wobei erst dann die translatorische Bewegung, beispielsweise an einen Vorsprung der Hauptseite 26, anstößt, wodurch nach einer Justage und Fixierung, d.h. in dem zusammengebauten Zustand, ebenfalls ein Spalt 203 zu solchen eventuell vorhandenen Vorsprüngen verbliebe. x₁ + x₂ und y₁ + y₂ sind beispielsweise jeweils größer als 2µm.
Zusätzlich ist eine Fixierung der Verschiebung in der senkrecht zu der Bauelementeebene, d.h. der xy-Ebene stehenden Achse, nämlich der z-Achse, in der Größenordnung der Klebstoffspaltdicke möglich. Die Verschiebung senkrecht zur Bauelementebene verlängert oder verkürzt den optischen Weg zum Ausgleich einer entsprechenden Dickevariation von beispielsweise dem Abstandshaltersubstrat 12b. Die Möglichkeit der Justage in diesem Freiheitsgrad ist somit besonders vorteilhaft, da sich auf diese Weise Dicken-Toleranzen der Substrate ausgleichen lassen und der Fokus des Systems, wie z.B. der Fokus der vorerwähnten Abbildungsoptik, und insbesondere des Kollimators und der fokussierenden Optik 32, eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird es verhindert, dass die beteiligten Substrate in ihren Dicken, insbesondere der Abstandshalter, sehr eng toleriert sein müssen.
Während der Justage ist der Kleber beispielsweise noch nicht ausgehärtet. Der Abstand zur Fläche 26 wird beispielsweise durch Änderung eines Anpressdruckes während der Justage geändert. Eine Fixierung wird dann beispielsweise durch Aushärten des Klebers bzw. Haftmittels erzielt. Beispiele für möglich Haftmittel werden im Folgenden noch geliefert.
Die Fixierung des Baugliedes 22 wird bei dem Ausführungsbeispiel von 9 durch Unterfüllung 204 mit einem geeigneten Medium und einer höheren Schichtdicke als beim Kleben realisiert. Dabei kann das jeweilige Bauglied 22 in drei Freiheitsgraden verschoben und/oder um die drei Raumrichtungen verdreht werden. Die Verschiebung senkrecht zur Bauelementebene, d.h. der xy-Ebene, d.h. in z-Richtung, verlängert oder verkürzt den optischen Weg, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde. Justage und Aushärtung können wiederum entkoppelt sein.
Gemäß dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Fixierung des Baugliedes 22 durch Umfüllung bzw. Randklebung 205 mit einem geeigneten Medium realisiert. Dabei kann das zu fixierende Bauglied innerhalb der Bauelementebene, d.h. der xy-Ebene, in zwei Freiheitsgraden verschoben sowie um die dazu senkrecht stehende Achse, d.h. der z-Achse, verdreht werden.
Gemäß 11a und 11b wird die Fixierung des Baugliedes 22 an der Hauptseite 26 bzw. dem Substratstapel 12 dadurch um vier Freiheitsgrade justierbar gemacht, und zwar auch unter Verwendung ansonsten dünnschichtiger Klebeverbindungen, indem zumindest zwei keilförmige Bauteile 206 und 207 verwendet werden. Wie es in 11a und 11b gezeigt ist, können die keilförmigen Bauteile 206, 207 beispielsweise einen keilförmigen Querschnitt besitzen und so aufeinander gefügt werden, dass ihre entgegengesetzten Seiten 208 und 209 parallel oder nahezu parallel zueinander verlaufen. Derart angeordnet werden sie zwischen das zu fixierende Bauglied 22 und die Hauptseite 26 positioniert. Zudem besitzen die Bauteile 206 und 207 in Dickerichtung durchgehend verlaufende Öffnungen 210 und 211, die vorzugsweise länglich in der Richtung sind, in welcher das keilförmige Höhenprofil der Bauteile 206 und 207 die größte Steigung aufweist, was in 11a und 11b exemplarisch der x-Richtung entspricht. Durch die Verschiebung der beiden keilförmigen substratförmigen Bauteile 206 und 207 zueinander kann eine große translatorische Verschiebung des zu fixierenden Baugliedes 22 senkrecht zur Bauelementebene, d.h. der xy-Ebene, entlang der z-Achse, d.h. der Normalenrichtung zur Seite 26, erreicht werden. In 11b ist beispielsweise mit gestrichelten Linien eine solche gegenseitige Verschiebung der Bauelemente 206 und 207 entlang der x-Richtung relativ zueinander angezeigt, die eine Verringerung des Abstandes zwischen den aneinander entgegengesetzten Seiten 208 und 209 bzw. dem Bauglied 22 und der Montageoberfläche bzw. Hauptseite 26 zur Folge hat. Die verbleibenden Freiheitsgrade bei der Justage, nämlich die zwei Verschiebungen des Baugliedes 22 in x- und y-Richtung sowie die Rotation um die z-Achse gestalten sich analog zu den Ausführungsbeispielen der 8 oder 10. In 11b ist die Überlappung der Öffnungen 210 und 211 zu sehen, welche Überlappregion 212 bei Fixierung lateral zu der zu bedeckenden Öffnung 16 ausgerichtet wird, sodass die Überlappregion auch mit der zu bedeckenden Öffnung überlappt. Auf der so definierten Ebene 209 wird das Bauglied 22 in den soeben beschriebenen verbleibenden drei Freiheitsgraden justiert und fixiert. Die Verschiebung entlang der z-Achse durch Gegeneinanderverschieben der beiden Bauteile 206 und 207 verlängert oder verkürzt den optischen Weg, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben worden ist, und das Fügen der Komponenten 22, 206 und 207 kann generell durch Überkleben und/oder Umfüllen durchgeführt werden.
Je nach Fertigungstoleranz und gewünschter Anzahl von Freiheitsgraden bei der Justage oder Kalibrierung können die Vorteile einer der Möglichkeiten gemäß 8-11b genutzt werden. Das Aushärten des Klebstoffes, Unter- oder Umfüllers kann physikalisch oder chemisch, beispielsweise durch Strahlungsenergie oder thermische Energie, je nach verwendetem Medium, erfolgen. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit, mit einem kombinatorischen Aushärtungsmechanismus aus optischem und thermischem Energieeintrag zu härten. Die Bauelemente können so sehr schnell fixiert und die verdeckten Bereiche, sowie die gesamte Verbindung, anschließend ausgehärtet bzw. durchgehärtet werden. Falls das Ausrichten schon vor der Berührung des zweiten Fügepartners mit dem Fügemedium möglich ist, können Kontaktklebstoffe oder Sekundenklebstoffe, deren Vorteil in der unmittelbaren Fixierung der vordefinierten Endlage besteht, eingesetzt werden. Vorteilhaft sind Fügeverfahren, die verzugsarm sind und zu einem definierten Zeitpunkt bzw. in einem definierten Zeitraum zügig fügen.
Bei dem Ausführungsbeispiel können die Keilplatten seitlich, aber vor allem an Stellen der länglichen Öffnungen, die nicht zur Blendenüberlappung beitragen, mit einer Vergussmasse oder Ähnlichem abgedeckt werden, um auf diese Weise das Eindringen von Fremdstrahlung durch solche parasitären Öffnungen zu vermeiden.
12 zeigt der Vollständigkeit halber noch verschiedene Ausführungsformen für ein Bauglied mit einem Spalt, wie z.B. das Bauglied 22 und den Eintrittsspalt 24, wobei die Beispiele natürlich auch für das Bauglied 50 und den Austrittsspalt 36 verwendet werden können. Das Bauglied 22 kann plattenförmig sein, wobei die Platte in Form eines Quadrats, wie in 12 exemplarisch dargestellt, oder aber in jeglicher anderen Form, wie z.B. kreisförmig oder dergleichen, gewählt sein kann.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Spektrometer 100", das einen Substratstapel 12 mit einem mikromechanischen Substrat 12a, einem optischen Substrat 12c, einem Abstandshaltersubstrat 12b zwischen denselben und noch einem zusätzlichen Substrat 12d auf der dem Substrat 12c abgewandten Seite des Substrats 12a aufweist. Anders als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei dem Spektrometer 100" das optische Eintrittsfenster 16 in dem optischen Substrat 12c gebildet. Direkt am Eintrittsfenster angrenzend an den Strahlengangraum 57 befindet sich ein Kollimator 300 zum Bündeln eines parallel eintreffenden Strahlenbündels 301 auf einen reflektiven Eintrittsspalt 68. Ferner umfasst das optische Substrat 12c seitlich daneben einen Kollimator 30 und ein fokussierendes Element 32, die beide als Hohlspiegel ausgebildet sind. In dem mikromechanischen Substrat 12a sind, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen auch, ein drehbar aufgehängtes Beugungsgitter 104 und ein Austrittsspalt 36 gebildet. Das Substrat 12d deckt die der Schicht 112, in dem die Aufhängung sowie das Beugungsgitter 104 gebildet sind, abgewandte Seite des mikromechanischen Substrats 12a ab und trägt zudem aber auch noch einen Sensor 302 zur Erfassung der Drehwinkelstellung des Beugungsgitters 104 sowie einen Detektor 38, der somit an einer Detektorzone 20 des Spektrometers 100" angeordnet ist, und zwar so, dass der Detektor 38 die Strahlung detektiert, die den Austrittsspalt 36 passiert. Wie es in 13 gezeigt ist, kann an den Substratstapel 12 seitlich auch eine Beleuchtungsvorrichtung 303 mit einer Lichtquelle 304 und einer Kondensor-Optik 305 befestigt sein, um mit Beleuchtungsstrahlung 306 ein zu untersuchendes Objekt 307 zu bestrahlen. Bei der Untersuchungsstrahlung 301, die das Eintrittsfenster 16 passiert, kann es sich beispielsweise um Fluoreszenzstrahlung handeln, die von dem Objekt 307 ausgeht. In Strahlengangrichtung des sich in dem Strahlengangraum 57 ausbildenden Strahlenganges 14 des Spektrometers 100" befinden sich die vorerwähnten Funktionselemente in der folgenden Reihenfolge: Kollimator 300, reflektiver Eintrittsspalt 68, Kollimator 30, Beugungsgitter 104, fokussierendes Element 32, Austrittsspalt 36, Detektor 38.
Ähnlich wie in 1d exemplarisch gezeigt, weist nun die Hauptseite 26, d.h. die dem optischen Substrat 12c abgewandte Seite des Substratstapels 12, eine Vertiefung 308 auf, die durch eine entsprechende Öffnung in den Substraten 12b und 12a gebildet wird. In dieser Vertiefung 308 öffnet sich der Strahlengangraum 57 in einer Zwischenöffnung 58, und an dem Boden dieser Vertiefung, der einen ebenen Abschnitt der Hauptseite 26 um die Öffnung 58 herum bildet, ist ein Bauglied 60 mit dem reflektiven Eintrittsspalt 68 justiert und befestigt, um Herstellungstoleranzen bei der Herstellung des Substratstapels 12 auszugleichen, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist.
14 zeigt ein nicht zur Erfindung gehöriges Beispiel für ein Spektrometer. Bei diesem Spektrometer umfasst der Substratstapel 12 exemplarisch fünf Substrate, nämlich in der genannten Reihenfolge aufeinandergestapelt ein optisches Substrat 12c, ein Abstandshaltersubstrat 12b, ein mikromechanisches Substrat 12a, ein Abstandshaltersubstrat 12e und ein mikroelektronisches Substrat 12d. Das Abstandshaltersubstrat 12b ist zwischen dem mikromechanischen Substrat 12a und dem optischen Substrat 12c angeordnet und definiert mit denselben den Strahlengangraum 57. In dem mikromechanischen Substrat 12a ist die Eintrittsblende definiert, in die einfallendes Licht 700 über entsprechende Öffnungen in den darüber befindlichen Substraten 12d und 12e eindringen kann. In dem optischen Substrat 12c sind ein Umlenkspiegel 701 sowie ein Kollimator 30 gebildet. Das mikromechanische Substrat 12a umfasst ferner einen durchstimmbaren mikromechanischen Filter 702 als Beispiel für ein Element mit spektral variierender Transmissionseigenschaft. Zwei optisch transmissive Platten 703 und 704, die Teil des Filters 702 sind, erstrecken sich lateral in dem mikromechanischen Substrat 12a parallel zueinander, wobei eine (704) derselben durch einen Aktuator in eine Schwingung 705 in Dickerichtung versetzbar ist, um den Abstand zwischen den Platten 703 und 704 und damit die Transmissionseigenschaft zeitlich zu variieren. Der Detektor 38 wird von dem Substrat 12b getragen oder ist an bzw. in demselben gebildet, um die durch den Filter 702 transmittierte Strahlung zu erfassen. Der Substratstapel 12 umfasst eine Zwischenöffnung 58, an der sich der Strahlengangraum 57 öffnet bzw. optisch zugänglich ist, und diese Öffnung 58 (bzw. dieses Fenster) wird bedeckt von einem justierten und an der entsprechenden Hauptseite 26 befestigten Bauglied 60 mit einem optischen Funktionselement, nämlich einem Spiegel 706, an der dem Strahlengangraum 57 zugewandten Seite. In Strahlengangrichtung des Strahlenganges 14 befinden sich der Eintrittsspalt 24, der Umlenkspiegel 701, der Umlenkspiegel 706, der Kollimator 30, der Filter 702 und der Detektor 38 in der genannten Reihenfolge hintereinander geschaltet. Wieder ist es möglich, durch Justierung und Befestigung des Baugliedes 60 und damit des Spiegels 706 Schwankungen bei der Herstellung des Substratstapels12 auszugleichen.
Bei den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen war es so, dass ein Substratstapel zunächst hergestellt wurde, wobei bei der Herstellung die Herstellungstoleranzen relativ großzügig gewählt werden konnten, woraufhin eine substratstapel-individuelle Baugliedbefestigung durchgeführt wurde, in welcher ein fehlendes optisches Funktionselement in Form eines Eintrittsspalts 24 und/oder eines Austrittsspalts 36 nachträglich noch verbaut wurde. Gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine Verbesserung der Herstellbarkeit dadurch erzielt, dass der Substratstapel nicht komplett im Waferverbund hergestellt wird, sondern substratstapel-individuell.
15 zeigt die Schritte bei der Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie es gezeigt ist, wird zunächst in einem Schritt 802 eine Substratstapelteile-Herstellung durchgeführt. Bei diesem Herstellungsschritt wird eine Mehrzahl von ansonsten vollständigen Substratstapeln zunächst in Teilen hergestellt, wobei für jeden Substratstapel jeder Teil jeweils eine disjunkte Menge der Substrate des jeweiligen Subsubstratstapels aufweist und sich dieselben zu dem jeweiligen Substratstapel verbinden lassen. Gemäß einer Variante können dabei ein oder mehrere Teile des Substratstapels mit Baugliedern versehen sein, wie es im Vorhergehenden bereits Bezug nehmend auf 6 angedeutet worden war. Dort könnte beispielsweise im Waferverbund bereits der Teil mit den Substraten 12c und 12b hergestellt worden sein, und getrennt davon, vielleicht ebenfalls im Waferverbund, ein Substrat 12a mit dem Element 104 und einem weiteren Substrat mit Spalten 24 und 36. Alle drei Herstellungsschritte wären Teil des Schrittes 802. Das Substrat 12a sowie das zusätzliche Substrat könnten auf Waferebene hergestellt werden. Jedenfalls wird die Herstellung in Schritt 802 so durchgeführt, dass ein optischer Eintrittsspalt 24 und/oder ein optischer Austrittsspalt 36 in einem Substratstapelteil eines jeweiligen Substratstapels gebildet ist, in dem weder das optisch spektral zerlegend wirkende Funktionselement noch die Abbildungsoptik gebildet ist. Auf diese Weise wird nämlich eine zusätzliche Justagemöglichkeit erzielt, was im Folgenden noch Bezug nehmend auf 16 beschrieben wird. Anstelle der Herstellung im Waferverbund wäre aber natürlich auch die Herstellung auf Chiplevel möglich, d.h. in vereinzelter Form bzw. spektralzerlegungsvorrichtungsindividuell.
In einem nachfolgenden Schritt 804 erfolgt dann eine substratstapel-individuelle Substratstapelteile-Verbindung. Das heißt, die Teile, die in Schritt 802 hergestellt worden sind, werden dann miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt, um den schließlichen Substratstapel zu ergeben. Dieser Schritt 804 wird aber nicht im Waferverbund durchgeführt, sondern substratstapel-individuell. Das bedeutet wiederum, dass zumindest eines der miteinander zu verbindenden Substratstapelteile vereinzelt sein muss, wobei das vorzugsweise der zuvor erwähnte zusätzliche Substratstapelteil mit dem Eintritts- und/oder Austrittsspalt 24, 36 ist. Bei dem im Vorhergehenden erwähnten und im Folgenden noch Bezug nehmend auf 16 näher erläuterten Beispiel kann es beispielsweise sein, dass ein Substrat mit Spalten 24 und/oder 36 vereinzelt worden ist. Eine Vereinzelung mehrerer Teile ist natürlich ebenfalls möglich. In diesem Zustand werden die Teile dann miteinander verbunden, sodass es möglich ist, Höheschwankungen bzw. Dickeschwankungen der Substrate der einzelnen Stapel stapelindividuell auszugleichen.
16 zeigt noch ein weiteres, nicht zur Erfindung gehöriges, Beispiel für eine Spektralzerlegungsvorrichtung, die gemäß dem Verfahren von 15 hergestellt worden sein kann. Bei dieser Spektralzerlegungsvorrichtung umfasst der Substratstapel 12 beispielsweise einen ersten Teil aus zwei Substraten, nämlich einem optischen Substrat 12c und einem Abstandshaltersubstrat 12b, wobei in dem optischen Substrat 12c hier exemplarisch ein Kollimator 30 und ein fokussierendes Element 32 als Hohlspiegel ausgebildet sind. Ein weiterer Teil umfasst die Substrate 12a und 12d. Das Substrat 12a ist ein mikromechanisches Substrat und umfasst den bereits aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bekannten drehbar gelagerten Beugungsgitterspiegel 104. Das mikromechanische Substrat 12a ist in dem Schritt 802 bereits zu einem Teil mit dem Substrat 12d verbunden worden, in welchem Letzteren wiederum ein Eintrittsspalt 24 und ein Austrittsspalt 36 gebildet sind. Das mikromechanische Substrat 12a ist dabei so strukturiert, dass es die Eintrittsspalte 24 und 36 nicht verdeckt, und dass es in den Strahlengangraum 57 passt, der bei der anschließenden substratstapel-individuellen Substratstapel -Teileverbindung 804 entsteht, wenn der Substratstapelteil aus den Substraten 12a und 12d mit dem mikromechanischen Substrat 12a, dem optischen Substrat 12c zugewandt, an dem anderen Teil aus den Substraten 12c und 12b befestigt wird.
Bei dem Beispiel von 16 ist die Spektralzerlegungsvorrichtung somit um ein separates mikromechanisches Substrat 12a, welches das drehbare Beugungsgitter 104 sowie dessen Antrieb enthält, erweitert worden. Dieses wird in dem Schritt 102 auf dem Substrat 12d angeordnet, in welches die beiden Spalte 24 und 36 integriert sind, wodurch eine Lageänderung der Spalte 24, 36 relativ zum Beugungsgitter 104 realisiert werden kann. Die Spalte 24, 36 sind dabei zueinander lagefest. Zusätzlich zur Justage oder Kalibrierung durch eine Verschiebung des optischen Substrats 12d können die beiden Spalte 24, 36 und das Gitter 104 in dem Schritt 804 in Bezug auf das optische Substrat 12c, welches die optischen Funktionselemente, wie z. B. die beiden Hohlspiegel 30, 32 enthält, verschoben werden.
In anderen Worten umfasst gemäß 16 ein erster Substratstapelteil das optische Substrat 12c, in welchem eine oder mehrere reflektierende Zonen ausgebildet sind, um einen Kollimator und ein fokussierendes Element zu bilden, und ein zweiter Substratstapelteil weist ein Trägersubstrat 12d auf, das auf einer seiner Hauptseiten ein schwingfähig aufgehängtes Gitter trägt, und in welchem die Eintrittsblende und/oder die Austrittsblende gebildet ist, wobei das anschließende substratstapel-individuelle Verbinden so durchgeführt wird, dass der erste Substratstapelteil mit dem zweiten Substratstapelteil verbunden wird, indem das Trägersubstrat 12d mit dem optischen Substrat 12c verbunden wird, woraufhin sich das schwingfähig aufgehängtes Gitter 104 in einem Strahlengangraum 57 befindet, der von dem ersten und zweiten Substratstapelteil definiert wird
Es sei darauf hingewiesen, dass die Substratstapelstruktur von 16 ohne Weiteres als ein in Schritt 802 hergestellter erfindungsgemäßer Substratstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen kann, wenn anstelle eines oder beider Spalte 24 und 36 in dem Substrat 12d entsprechende Fenster 16 bzw. 18 vorgesehen werden, an denen dann in Schritt 84 jeweils ein Bauglied 22 bzw. 50 befestigt wird. Der Substratstapel bildete somit besagten Strahlengang im Inneren aus, und zwar mit dem mikromechanischen Bauteil umfassend die Elemente 110, 112, 104 im Inneren.
17 und 18 zeigen noch exemplarisch, dass es möglich ist, obige Ausführungsbeispiele, wie z.B. hier exemplarisch das Ausführungsbeispiel von 5, so zu modifizieren, dass die Abbildungsoptik anstelle zweier Vertiefungen in einem Substrat 12c zur Bildung entsprechender Hohlspiegel 30 bzw. 32 nur eine Vertiefung 144 aufweist. Letztere kann beispielsweise über einen einfach zusammenhängenden konvexen Flächenanteil 148 der Vertiefungsoberfläche hinweg, der die Abschnitte 150 und 152 vollständig umfasst, an denen die Strahlen des Strahlenganges reflektiert werden - hier exemplarisch einmal ein Abschnitt 150 für die Strahlen in Strahlengangrichtung vor dem spektral zerlegend wirkenden Element 104, und ein weiterer Abschnitt 152 für die Strahlen in Strahlengangrichtung hinter dem spektral zerlegend wirkenden Element 104 -, kein Vorzeichenwechsel der Gaußschen Krümmung aufweisen. In anderen Worten ausgedrückt, kann der Flächenanteil 148 einen durchgehend konkaven Abschnitt des entsprechenden Substrats 12c definieren. Die Abschnitte 150 und 152 können - wie in 17 und 18 exemplarisch der Fall - nicht überlappend angeordnet sein, aber eine teilweise Überlappung wäre ebenfalls denkbar. Vorzugsweise weist der Flächenanteil 148 in den beiden Abschnitten 150 und 152 eine unterschiedliche Geometrie mit beispielsweise einer unterschiedlichen lateralen Variation der Hauptkrümmungen auf. Im Unterschied zu 17 ist bei dem Beispiel von 18 das Gitter 104 exemplarisch so beschaffen, dass auf das Gitter 104 treffende Strahlen in einem Einfallswinkel zu einer Gitterebene des Gitters 104 treffen, der sich betraglich von einem Ausfallswinkel zu der Gitterebene, in der die reflektierten und interferierenden Strahlen das Gitter 104 verlassen, unterscheidet und sogar im Vorzeichen unterscheidet, sodass der Eintrittsspalt 24 und der Austrittsspalt 36 auf der gleichen Seite relativ zu dem Gitter 104 - hier exemplarisch mit dem Austrittsspalt 36 zwischen dem Eintrittsspalt 24 und dem Gitter 36 - positioniert sind, ebenso wie die Vertiefung 144.
Obige Ausführungsbeispiele sind somit geeignet zur Integration in spektroskopische Instrumente oder Spektralapparate. Spektralapparate und im speziellen Spektrometer werden heutzutage u.a. für vielfältige Analysezwecke eingesetzt. Dabei wird eine zu untersuchende Probe mit elektromagnetischer Strahlung bekannter spektraler Zusammensetzung bestrahlt. Diese Strahlung kann auf unterschiedliche Weise mit den Atomen oder Molekülen der Probe in Wechselwirkung treten, wie z.B. durch Absorption oder Fluoreszenz, wobei ein Beispiel für letztere Analyseform in 13 gezeigt wurde. Die durch die Probe hindurchtretende oder die von ihr ausgehende oder reflektierte Strahlung wird dann von einem der oben beschriebenen Spektrometer bzw. Spektralzerlegungsvorrichtungen in geeigneter Weise in ihre spektralen Anteile zerlegt und von einem Detektor oder einer Matrixanordnung von Detektoren registriert. Aus der so gewonnenen spektralen Information können dann Rückschlüsse z.B. auf die Zusammensetzung der Probe gezogen werden.
Obige Ausführungsbeispiele waren teilweise der Gruppe der scannenden Gitter-Spektrometer zuzuordnen. In diesen Geräten wird die elektromagnetische Strahlung durch einen Eintrittsspalt und einen Kollimatorspiegel auf ein flächig ausgedehntes, drehbar ausgeführtes Beugungsgitter gelenkt. Die vom Gitter spektral aufgespaltete Strahlung wird anschließend von einem weiteren Spiegel auf einen Austrittsspalt fokussiert. Hinter diesem kann ein Detektor zur Messung der elektromagnetischen Strahlung angeordnet werden. Der Austrittsspalt selektiert bei einer bestimmten Auslenkposition des Gitters einen schmalen Wellenlängenbereich des Spektrums heraus, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist. Durch Drehen des Gitters überstreichen die aufgespalteten Anteile des Spektrums den Spalt und werden so nacheinander vom Detektor registriert.
Obige Ausführungsbeispiele stellen somit vorteilhafte Ausführungsvarianten eines miniaturisierten scannenden Gitter-Spektrometers sowie Verfahren zur vereinfachten Justage, Kalibrierung und Montage derselben vor. Die obigen Ausführungsvarianten lösen dabei zwei Aufgaben, die sich bisher bei der Herstellung von Spektrometern nicht lösen ließen. Erstens können nach einer erfolgten Vormontage eines integrierten Spektrometers (gestapelter Aufbau unterschiedlicher Substrate) in einer abschließenden Justageprozedur Fertigungs- und Montagetoleranzen kompensiert werden. Zweitens können nach der erfolgten Vormontage in gewissen Grenzen Wellenlängenbereiche ausgewählt werden sowie eine Kalibrierung der Vorrichtung auf eine gewünschte spektrale Charakteristik erfolgen.
Die vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassten weiterhin geeignete Verfahren, um einen generierten Justagezustand oder eine Spektralauswahl bzw. - Charakteristik nach der Justage oder Kalibrierung durch Fixierung verschiebbarer Funktionselemente oder Baugruppen dauerhaft beizubehalten. Durch die obigen Ausführungsbeispiele können in einem abschließenden Montageprozess Fertigungstoleranzen ausgeglichen und/oder durch einen abschließenden Auswahlprozess eine Variantenvielfalt generiert und der erzeugte Zustand fixiert werden. Die Verlagerung der Justage oder Kalibrierung in einen abschließenden Herstellungsschritt führt grundsätzlich zu einer Reduzierung/Vereinfachung des Justage- oder Kalibrieraufwands. Die Erzeugung einer Variantenvielfalt für die spektrale Vorrichtung kann dann einzig durch Lageänderung einzelner Funktionselemente oder Baugruppen, wie z.B. Ein- oder Austrittsspalte und ohne den Einsatz variantenspezifischer Bauteile erreicht werden.
Die obigen Ausführungsbeispiele überwinden somit die früheren Einschränkungen zur Justage und Kalibrierung bei der Stapelung von Substraten zur Erzeugung einer Spektralzerlegungsvorrichtung, insbesondere auch in Stapelrichtung der Substrate. Sie überwinden den aus dieser Einschränkung folgenden stärkeren Einfluss von Fertigungstoleranzen. Ermöglicht wird dies durch wohldefinierte abschließende Justage- und Montageschritte geeignete optische/mechanische Funktionselemente, wie z.B. Spalte, die nicht notwendigerweise in eines der Substrate integriert sind. Obige Ausführungsbeispiele können damit eine Lockerung von Fertigungstoleranzen zulassen und eine Kostenreduktion erzielen.
Einige der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, dass Funktionselemente oder Baugruppen aus integrierten Funktionselementen, wie z.B. Spalten, relativ zueinander verschiebbar sind, was geeignete Justage- oder Kalibriermöglichkeiten bietet oder vereinfacht.
Durch die relativ zueinander verfügbaren Funktionselemente oder Baugruppen lässt sich in gewissen Grenzen eine Variantenvielfalt für diese Art der Spezialapparate generieren, die bisher meist nur durch den Einsatz variantenspezifischer Bauteile möglich war. Es ergibt sich daher ein weiterer fertigungstechnischer und damit ökonomischer Vorteil. Die Fertigung von Subtypen wird allein durch Änderung im Montageablauf möglich. Die Art und Anzahl der Montageschritte sowie die Funktions- oder Bauelemente können beibehalten werden. Die obigen Ausführungsbeispiele ermöglichen somit zum Teil eine erhöhte Flexibilität gegenüber bisherigen Vorgehensweisen.
Einige der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele für miniaturisierte, integrierte Spektralzerlegungsvorrichtungen auf Basis mikromechanischer Funktionselemente, bei denen es sich teilweise um drehbar gelagerte Beugungsgitter handelte, können beispielsweise in einer Siliziumtechnologie hergestellt werden. Wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, kann das gleiche Substrat, das das mikromechanische Funktionselement enthält, ein oder zwei Fenster aufweisen, die Eintrittsfenster bzw. Austrittsfenster bilden können. Diese Fenster entstehen zeitgleich, also mit den gleichen Prozessschritten mit dem mikromechanischen Funktionselement und sind deshalb ortsfest zu Selbigem. Im Montageprozess werden dann die unterschiedlichen Substrate, aus denen die Spektralzerlegungsvorrichtung aufgebaut ist, aufeinandergesetzt. Zur Vermeidung von Justage- oder Kalibrationsproblemen während des Montageprozesses, welche sich aus den engen Fertigungstoleranzen und reduzierten Freiheitsgraden beim Ausrichten ergeben können, werden die Eintritts- und Austrittsfenster jedoch nicht gleich so eng definiert, dass sie als Blende wirken. Die Öffnungen zur Ein- und/oder Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung, also Ein- und Austrittsspalt, werden mit zusätzlichen mechanischen Funktionselementen separat an oder auf dem mikromechanischen Substrat oder einem gemeinsamen Träger angebracht. Diese zusätzlichen mechanischen Funktionselemente werden erst nach der Montage der anderen Substrate montiert. Dadurch wird eine Montagereihenfolge ermöglicht, bei der die Spalte in vier Freiheitsgraden ausgerichtet werden können, bevor eine endgültige mechanische Fixierung und damit auch eine Lage relativ zu den anderen Funktionselementen erfolgt. Das Befestigen der justierten oder kalibrierten Funktionselemente kann dabei beispielsweise durch Kleben, Umhüllen, Unterfüllen oder Löten erfolgen. Das Mikromechanik-Substrat mit dem drehbaren Beugungsgitter muss dann dementsprechend größere Öffnungen an den Stellen enthalten, an denen die Spalte an- oder aufgesetzt werden. Dadurch entsteht ein größerer Freiraum für die Justage oder Kalibrierung, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist.
Durch Positionierung der Funktionselemente kann auf die Lage einer oder mehrerer Abbildungen innerhalb der Spektralzerlegungsvorrichtung Einfluss genommen werden. Die Lage der Abbildungen bestimmt die auftretenden Winkel am optischen Gitter und damit die spektrale Charakteristik der Spektralzerlegungsvorrichtung. Die Justage oder Kalibrierung erfolgt nicht nur durch relative Verschiebung eines oder mehrerer Funktionselemente, weshalb Art und Anzahl von Bauelementen und Montageschritten unverändert bleiben können.
Zu obigen Ausführungsbeispielen wird noch darauf hingewiesen, dass obige Ausführungsbeispiele auf verschiedene bekannte Spektrometerprinzipien übertragbar sind, wie z.B. solche, die durch den Einsatz mikromechanischer Komponenten realisiert werden, die eine Modulation elektromagnetischer Strahlung ermöglichen, wobei der Modulator die Strahlung bezüglich des Winkelspektrums, der örtlichen Strahlungsverteilung, der Zusammensetzung des Wellenlängen-Spektrums, des Polarisationszustands oder einer Kombination dieser ändern kann. So lassen sich beispielsweise Gitter-Spektrometer nach dem Czerny-Turner-Prinzip, Transformations-Spektrometer, klassische Fourier-Transformations-Spektrometer (Michelson-Interferometer), Hadarmard-Transformations-Spektrometer oder Spektrometer mit durchstimmbarem Filter, beispielsweise mit einem Fabry-Perot-Interferometer oder einem akusto- oder elektrooptischen Modulator oder Flüssigkristallen, realisieren. Des weiteren lässt sich das Spektrometer-Modul, je nach angesetzter Strahlungsquelle oder Beleuchtungsquelle, für Spektroskopie im ultravioletten Wellenlängenbereich (UV), im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS), im nahen infraroten Wellenlängenbereich (NIR) und im infraroten Wellenlängenbereich (IR), sowie zur Raman-Spektroskopie und/oder zur Fluoreszenz-Spektroskopie verwenden.
Ferner werden bei obigen Ausführungsbeispielen Funktionselemente, die in der gleichen Technologie und in oder auf gleichen Substratmaterialien herstellbar sind, vorteilhaft jeweils in oder auf einem jeweiligen Substrat integriert. So waren bei den obigen Ausführungsbeispielen auch auf dem optischen Substrat 12c vorzugsweise - und gegebenenfalls ausschließlich - optische Elemente integriert, wie beispielsweise zur Strahlformung, Strahllenkung, Strahlteilung, Filterung (örtlich, räumlich und/oder spektral) und/oder zur spektralen Aufspaltung von elektromagnetischer Strahlung strukturiert. Auf dem mikromechanischen Substrat 12a sind vorzugsweise - und gegebenenfalls ausschließlich - mikromechanische Elemente oder passive Elemente integriert, wie z.B. Gitter, defraktive optische Elemente oder photonische Kristalle, in entsprechender lithographischer Technologie, wie z.B. in Silizium-Mikromechanik auf einem SOI-Wafer, zur Modulation, Ablenkung und/oder zur spektralen Aufspaltung von elektromagnetischer Strahlung, und Blenden bzw. Aperturen zur örtlichen und/oder räumlichen Filterung. Die Oberflächen sind vorteilhaft mit einer reflektierenden Schicht, wie beispielsweise Aluminium, Silber, Gold und/oder AlMgSi versehen, können aber auch mit einem Schichtstapel versehen sein.
Das oben genannte Abstandshaltersubstrat 12b, das auch als Spacer bezeichnet werden könnte, enthält zumeist, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, Öffnungen, damit sich eine optische Strahlung zwischen dem optischen Substrat und/oder dem mikromechanischen Substrat oder anderen Substraten ausbilden kann. Der Spacer hat damit teilweise auch die Aufgabe, Streulicht und/oder Fremdlicht zu minimieren. Im Strahlengangraum entsteht ein gefalteter Strahlengang, der einen kompakten Aufbau ermöglicht. Das Abstandshaltersubstrat kann so beschaffen sein, dass es elektromagnetische Strahlung mindestens in dem Wellenlängenbereich, für den das System ausgelegt ist, absorbiert, was beispielsweise durch ein Substrat aus absorbierendem Material, durch eine Beschichtung mit einem absorbierenden Material, wie beispielsweise PSK 2000, PSK 1000 oder DARC 300, und/oder durch eine strukturierte Oberfläche mit Kohlenstoff-Nano-Röhrchen, geschehen kann. Das Abstandshaltersubstrat ist sowohl in einer lithographischen Technologie als auch in einer anderen Technologie, wie beispielsweise Kunststoff-Spritzguss, Laserbearbeitung, Fräsen und/oder Bohren herstellbar.
Ganz generell können die Substrate, die im Vorhergehenden erwähnt worden sind, auf unterschiedliche Weise gefertigt werden. Lithographische Verfahren können beispielsweise für das mikromechanische Substrat 12a verwendet werden, sowie, wie gerade erwähnt, für das Abstandshaltersubstrat 12b. Eine Abformtechnologie könnte verwendet werden, um die optisch relevante Innenfläche des optischen Substrats 12c zu definieren. Die Substrate können aus Halbleitermaterial hergestellt sein, Glas, Polymer oder dergleichen. Ähnliches gilt auch für die Bauglieder, die im Vorhergehenden erwähnt worden sind.
Wie in den Figuren gezeigt kann eine Abmessung obiger optischer von einem Bauglied abgedeckter Fenster entlang einer lateralen Dimension, entlang der der gefaltete Strahlengang von dem jeweiligen Fenster bzw. von dem in dem das jeweilige Fenster abdeckenden Bauglied gebildeten optischen Spalt aus gerichtet ist, mindestens das Doppelte einer Abmessung dieses optischen Spalts entlang der lateralen Dimension betragen.

Claims

Spektralzerlegungsvorrichtung mit einem Substratstapel (12) mit einem mikromechanischen Substrat (12a), einem optischen Substrat (12c) und einem Abstandshaltersubstrat (12b), wobei das Abstandshaltersubstrat (12b) zwischen dem mikromechanischen Substrat (12a) und dem optischen Substrat (12c) angeordnet ist und gemeinsam mit diesen einen Strahlengangraum (57) definiert, der als Hohlraum in dem Substratstapel (12) ausgestaltet ist, wobei in dem mikromechanischen Substrat (12a) ein optisches spektral zerlegend wirkendes Funktionselement (34, 40, 104) gebildet ist, und wobei in dem optischen Substrat (12c) eine Optik (30, 32) gebildet ist, sodass sich in dem Strahlengangraum (57) innerhalb des Substratstapels (12) ein gefalteter Strahlengang (14) ausbildet, der sich zwischen einem optischen Eintrittsfenster (16), das in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet ist, dem Funktionselement (34, 40, 104) und einem Austrittsfenster (18) oder einer Detektorzone (20), die ebenfalls in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet sind, erstreckt, wobei die Spektralzerlegungsvorrichtung zusätzlich ein eintrittsseitiges Bauglied (22) aufweist, das an dem Substratstapel (12) so befestigt ist, dass es das optische Eintrittsfenster (16) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Eintrittsspalt (24) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert, und/oder die Spektralzerlegungsvorrichtung zusätzlich ein austrittsseitiges Bauglied (50) aufweist, das an dem Substratstapel (12) so befestigt ist, dass es das optische Austrittsfenster (18) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Austrittsspalt (36) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert, wobei das eintrittsseitige Bauglied (22) und/oder das austrittsseitige Bauglied (50) jeweils auf einer Hauptseite (26) des Substratstapels (12) unter Realisierung einer relativen Lageänderung zwischen dem Eintrittsspalt (24) und dem Austrittsspalt (36) justiert, positioniert und fixiert ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Substrat (12c) ein kollimierendes reflektives Funktionselement (30) aufweist, das von der Optik (30, 32) umfasst ist, und in dem gefalteten Strahlengang (14) zwischen dem optischen Eintrittsfenster (16) und dem optischen spektral zerlegend wirkenden Funktionselement (34, 40, 104) angeordnet ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das austrittsseitige Bauglied (50) einen Detektor (38) aufweist, der ausgebildet ist, um sich durch das optische Austrittsfenster (18) entlang des gefalteten Strahlenganges (14) ausbreitende elektromagnetische Strahlung zu erfassen, wobei eine Projektion (56) eines strahlblockierenden Teils des austrittsseitigen Bauglieds (50) entlang einer Schichtdickerichtung (52) auf den Substratstapel (12) von dem optischen Eintrittsfenster (16) und einem Rand (54) des Substratstapels (12) lateral beabstandet ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei das optische Substrat (12c) ein fokussierendes reflektives Funktionselement (32) aufweist, das von der Optik (30, 32) umfasst ist, und in dem gefalteten Strahlengang (14) zwischen dem optischen spektral zerlegend wirkenden Funktionselement (34, 40, 104) und dem optischen Austrittsfenster (18) angeordnet ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung mit einem Substratstapel (12) aus strukturierten Substraten (12a, 12b, 12c) mit einem mikromechanischen Substrat (12a), einem optischen Substrat (12c) und einem dazwischen angeordneten Abstandshaltersubstrat (12b), in denen ein vergrabener Strahlengangraum (57) mit einem optischen Eintrittsfenster (16), einem spektral zerlegend wirkenden Funktionselement (104, 704, 705), und einem, in Strahlengangrichtung gesehen, dazwischen angeordneten optischen Zwischenfenster (58) definiert ist; wobei der Strahlengangraum (57) als Hohlraum in dem Substratstapel (12) ausgestaltet ist, und einem Bauglied (60) mit einem reflektiven Eintrittsspalt (68), das an dem Substratstapel (12) so befestigt ist, und das optische Zwischenfenster (58) so zumindest teilweise bedeckt, dass der reflektive Eintrittsspalt (68) über das optische Zwischenfenster (58) an den vergrabenen Strahlengangraum (57) angrenzt und sich im vergrabenen Strahlengangraum (57) ein gefalteter Strahlengang (14) ausbildet, der durch eine Optik und das, in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildete, optisch spektral zerlegend wirkende Funktionselement (104, 704, 705) definiert wird und sich zwischen dem optischen Eintrittsfenster (16) und einem optischen Austrittsfenster (18) oder einer Detektorzone (20), das bzw. die in dem Substratstapel (12) gebildet ist, erstreckt, wobei der reflektive Eintrittsspalt (68) an einer Knickstelle (64) des gefalteten Strahlengangs (14) angeordnet ist und einen ersten Teil der Optik bildet, während ein zweiter Teil der Optik in dem Substratstapel (12) gebildet ist, oder das optische spektral zerlegend wirkende Funktionselement (104, 704, 705) umfasst, wobei der Substratstapel (12) ein zusätzliches Substrat (12d) aufweist, das auf der dem optischen Substrat (12c) abgewandten Seite des mikromechanischen Substrats (12a) angeordnet ist, wobei in dem zusätzlichen Substrat (12d) und in dem mikromechanischen Substrat (12a) eine Vertiefung (308) gebildet ist, und wobei an dem Boden dieser Vertiefung (308), der einen ebenen Abschnitt einer Hauptseite (26) um die Zwischenöffnung (58) herum bildet, das Bauglied (60) mit dem reflektiven Eintrittsspalt (68) unter Realisierung einer relativen Lageänderung zwischen dem reflektiven Eintrittsspalt (68) und einem Austrittsspalt (36) der Spektralzerlegungsvorrichtung justiert und befestigt ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptseite (26) so gebildet ist, dass bei Lösung der Befestigung eine translatorische laterale Bewegung zumindest entlang einer lateralen Dimension (48), entlang der der gefaltete Strahlengang (14) von dem durch das Bauglied (22, 50, 60) zumindest teilweise bedeckten Fenster aus gerichtet ist, entlang des ebenen Abschnitts um mehr als 1 µm hin und her möglich wäre.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bauglied (22, 50, 60) über zumindest zwei aufeinander gestapelte Bauteile (206, 207) mit keilförmigem Höhenprofil an dem Substratstapel (12) befestigt ist, wobei die Bauteile (206, 207) sich in einer Substratstapel-Richtung erstreckende und in einer Projektion entlang dieser Richtung in einem Überlappbereich miteinander und mit dem durch das Bauglied zumindest teilweise bedeckten Fenster überlappende Fensteröffnungen (210, 211) aufweisen.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Abmessung des optischen Eintrittsfensters (16) des Substratstapels (12) entlang einer lateralen Dimension, entlang der der gefaltete Strahlengang (14) von der optischen Eintrittsblende (24) aus gerichtet ist, mindestens das Doppelte einer Abmessung der optischen Eintrittsblende (24) entlang der lateralen Dimension beträgt.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bauglied (22, 50, 60) mittels eines chemisch, physikalisch oder reaktiv abbindenden Haftmittels an dem Substratstapel (12) befestigt ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei dem das Haftmittel ein durch Strahlungsenergie oder thermische Energie oder eine Kombination aus beidem aushärtbarer Klebstoff, ein System aus einem Klebstoff und einem Härter oder ein System aus einem Klebstoff und einem Aktivator oder eine Kombination derselben ist.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das Haftmittel mit Füllstoffen gefüllt ist, die als Abstandshalter fungieren.
Spektralzerlegungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische spektral zerlegend wirkende Funktionselement ein schwingfähig aufgehängtes Gitter (104) aufweist, dass derart in dem gefalteten Strahlengang angeordnet ist, dass die Optik eine Strahlparallelisierung von dem Eintrittsfenster (16) aus auf das schwingfähig aufgehängte Gitter (104) und eine Strahlfokussierung von dem schwingfähig aufgehängten Gitter (104) auf das Austrittsfenster (18) bewirkt und ein spektral aufgefächertes Eintrittsblendenbild in einer Hin- und Herbewegung einen Austrittsblenden- oder Detektorzonenort an dem Austrittsfenster (18) überstreicht.
Verfahren zum Herstellen einer Spektralzerlegungsvorrichtung mit den folgenden Schritten: Herstellen (82) eines Substratstapels (12) mit einem mikromechanischen Substrat (12a), einem optischen Substrat (12c) und einem Abstandshaltersubstrat (12b), wobei das Abstandshaltersubstrat (12b) zwischen dem mikromechanischen Substrat (12a) und dem optischen Substrat (12c) angeordnet wird und gemeinsam mit diesen einen Strahlengangraum (57) definiert, der als Hohlraum in dem Substratstapel (12) ausgestaltet ist, wobei in dem mikromechanischen Substrat (12a) ein optisches spektral zerlegend wirkendes Funktionselement (34, 40, 104) gebildet ist, und wobei in dem optischen Substrat (12c) eine Optik (30, 32) gebildet ist, sodass sich in dem Strahlengangraum (57) innerhalb des Substratstapels (12) ein gefalteter Strahlengang (14) ausbildet, der sich zwischen einem optischen Eintrittsfenster (16), das in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet ist, dem Funktionselement (34, 40, 104) und einem Austrittsfenster (18) oder einer Detektorzone (20), die ebenfalls in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildet sind, erstreckt, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: Befestigen (84) eines zusätzlichen eintrittsseitigen Bauglieds (22) an dem Substratstapel (12), sodass es das optische Eintrittsfenster (16) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Eintrittsspalt (24) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert, und/oder Befestigen (84) eines zusätzlichen austrittsseitigen Bauglieds (50) an dem Substratstapel (12), sodass es das optische Austrittsfenster (18) zumindest teilweise bedeckt, und das einen Austrittsspalt (36) der Spektralzerlegungsvorrichtung definiert, wobei das eintrittsseitige Bauglied (22) und/oder das austrittsseitige Bauglied (50) jeweils auf einer Hauptseite (26) des Substratstapels (12) justiert, positioniert und fixiert wird/werden, und wobei der Schritt (84) des Befestigens der zusätzlichen Bauglieder (22, 50) zeitlich auf den Schritt (82) des Herstellens des Substratstapels (12) folgend, und unter Realisierung einer relativen Lageänderung zwischen dem Eintrittsspalt (24) und dem Austrittsspalt (36), durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Spektralzerlegungsvorrichtung mit den folgenden Schritten: Herstellen (82) eines Substratstapels (12) aus strukturierten Substraten (12a, 12b, 12c) mit einem mikromechanischen Substrat (12a), einem optischen Substrat (12c) und einem dazwischen angeordneten Abstandshaltersubstrat (12b), in denen ein vergrabener Strahlengangraum (57) mit einem optischen Eintrittsfenster (16), einem spektral zerlegend wirkenden Funktionselement (104, 704, 705), und einem, in Strahlengangrichtung gesehen, dazwischen angeordneten optischen Zwischenfenster (58) definiert ist, wobei der Strahlengangraum (57) als Hohlraum in dem Substratstapel (12) ausgestaltet ist, und Befestigen (84) eines Bauglieds (60) mit einem reflektiven Eintrittsspalt (68) an dem Substratstapel (12), sodass das Bauglied (60) das optische Zwischenfenster (58) zumindest teilweise bedeckt und der reflektive Eintrittsspalt (68) über das optische Zwischenfenster (58) an den vergrabenen Strahlengangraum (57) angrenzt, sodass sich im vergrabenen Strahlengangraum (57) ein gefalteter Strahlengang (14) ausbildet, der durch eine Optik und das, in dem mikromechanischen Substrat (12a) gebildete, optisch spektral zerlegend wirkende Funktionselement (104, 704, 705) definiert wird, und der sich zwischen dem optischen Eintrittsfenster (16) und einem optischen Austrittsfenster (18) oder einer Detektorzone (20), das bzw. die in dem Substratstapel (12) gebildet ist bzw. sind, erstreckt, wobei der reflektive Eintrittsspalt (68) an einer Knickstelle (64) des gefalteten Strahlengangs (14) angeordnet wird und einen ersten Teil der Optik bildet, während ein zweiter Teil der Optik in dem Substratstapel (12) gebildet wird, oder das optische spektral zerlegend wirkende Funktionselement umfasst, wobei der Substratstapel (12) ein zusätzliches Substrat (12d) aufweist, das auf der dem optischen Substrat (12c) abgewandten Seite des mikromechanischen Substrats (12a) angeordnet wird, und wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer Vertiefung (308) in dem zusätzlichen Substrat (12d) und in dem mikromechanischen Substrat (12a), und Justieren und Befestigen (84) des Bauglieds (60) mit dem reflektiven Eintrittsspalt (68) an dem Boden dieser Vertiefung (308), der einen ebenen Abschnitt einer Hauptseite (26) um die Zwischenöffnung (58) herum bildet, wobei der Schritt (84) des Befestigens des zusätzlichen Bauglieds (60) zeitlich auf den Schritt (82) des Herstellens des Substratstapels (12) folgend, und unter Realisierung einer relativen Lageänderung zwischen dem reflektiven Eintrittsspalt (68) und einem Austrittsspalt (36) der Spektralzerlegungsvorrichtung, durchgeführt wird.