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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hyperspektralen optischen Filters im Aufbau eines Fabry-Perot-Filters, welches voll kompatibel mit der CMOS-Technologie ist. Fabry-Perot-Filter bestehen aus zwei Spiegeln (Bragg-Spiegeln), die eine Kavität (eine Schicht mit einem bestimmten Brechungsindex, der im Allgemein abweicht von den Brechungsindizes der Schichten, aus denen die Bragg-Spiegel bestehen) einschließen. Die Kavität ist für die Wellenlänge des Bauelements bestimmend, die den Filter passiert. Hyperspektrale planare Filter sind seit langer Zeit im Einsatz. Ihr Haupteinsatzgebiet ist für Multiplexing und Demultiplexing in der optischen Datenübertragung über Multimode-Glasfasern im zweiten und dritten optischen Fenster (1300 bzw. 1550 nm). Dazu kommen in der Regel Wellenleiteranordnungen zum Einsatz, die sich dadurch auszeichnen, dass das Licht parallel zur Oberfläche des Substrates geführt wird wie beispielhaft in
DE60133603T2 gezeigt. Neben dieser Hauptanwendung gibt es kleinere Anwendungsgebiete mit unterschiedlichen Lösungsansätzen auf die hier jedoch nicht umfassend eingegangen werden soll.
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Filterlösungen bei denen das Licht senkrecht zur Substratoberfläche einfällt, sind weniger verbreitet und durch verschiedenartige Einschränkungen gekennzeichnet. Um Licht spektral selektiv zu filtern, gibt es zwei grundlegende Ansätze. Einerseits können die nicht erwünschten Wellenlängen durch Absorption gedämpft werden und andererseits können sie durch Reflektion daran gehindert werden, den Filter zu passieren. Die erste Gruppe wird meist durch organische Filtermaterialien realisiert und ist bezüglich Umwelteinflüssen, Alterung und erreichbarer Dämpfung sowie der Durchstimmbarkeit limitiert. Die zweite Gruppe ist im einfachsten Fall durch einen Interferenzfilter repräsentiert und weist im Allgemeinen eine bessere spektrale Selektivität, höhere Dämpfung, niedrigere Transmissionsverluste und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen auf, da sie durch anorganische Materialien aufgebaut werden kann. Auch Kombinationen aus beiden Ansätzen kommen zur Anwendung.
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Die CMOS-Fertigungstechnik steht seit Jahren für niedrige Stückzahlkosten und hohe Integrationsdichten. Filter, die direkt mit einem CMOS-Schaltkreis verbunden, oder sogar direkt in der CMOS-Linie mit gefertigt werden können, sind daher sehr erwünscht.
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Dem Patent liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensweise zu beschreiben, mit der CMOS-kompatibel ein planarer hyperspektraler optischer Filter erzeugt werden kann, der folgende Eigenschaften sicherstellt:
- 1. Breites Stoppband (mehrere 100 nm)
- 2. Durchstimmbares schmalbandiges (< 100 nm) Passband innerhalb des Stoppbandes mit hoher Transmission (> 10%)
- 3. Einflüsse durch nicht vermeidbare Fertigungstoleranzen sollen durch Kalibration des endgültigen Sensors korrigiert werden können
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Gelöst wird die Aufgabe mit in den Ansprüchen 1 und 10 angegebenen Merkmalen.
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Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 weisen die Vorteile auf, dass ein hyperspektraler Filter mit einer Schichtenfolge nur bestehend aus Silizium und Siliziumoxid oder Silizium und Siliziumnitrid oder Siliziumnitrid und Siliziumoxid hergestellt werden kann. Die Herstellungsverfahren von Schichten dieser Stoffe sind Bestandteil der CMOS-Technologie.
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Es wird im einfachsten Fall ein Fabry-Perot-Filter aus einer Schichtfolge von Silizium und Siliziumoxid mit mehreren Perioden gebildet. Die Schichtabfolge weißt eine Störung auf (Kavität), die durch eine Mischschicht aus Silizium und Siliziumoxid ausgeformt ist, wobei das Mischverhältnis durch einen Lithographieschritt definiert wird und somit durch nur eine Maske weitgehend frei definiert werden kann. Da das Passband, das durch die Störung in der sonst regelmäßigen Schichtfolge des Fabry-Perot-Filters erzeugt wird, von der optischen Dicke (Vakuumwellenlänge des Lichtes/Brechungsindex des Ausbreitungsmediums) der Störschicht abhängt, kann der Transmissionspeak im Stoppband allein durch Einstellen des Mischverhältnisses zwischen Silizium und Siliziumoxid, ohne eine Änderung der Mischschichtdicke verschoben werden. Dadurch ist es möglich eine ebene Oberfläche im CMOS-Prozess zu erhalten.
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Für die Umsetzung ist es essentiell, auf die einzelnen Prozessschritte einzugehen. Insbesondere eine direkte Integration mit einem CMOS-Schaltkreis fordert niedrige Prozesstemperaturen, sofern der Filter im Prozessablauf nach dem CMOS-Schaltkreis gefertigt wird. Da der Filter bevorzugt direkt über einer Photodiode oder einem sonstigen optisch empfindlichen Element des CMOS-Schaltkreises angebracht wird, um eine direkte Integration zu ermöglichen, müssen die Abscheidetemperaturen der Silizium- und Siliziumoxidschichten deutlich unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium bleiben, welches üblicherweise für die Verdrahtungsebenen des CMOS-Schaltkreises verwendet wird. Dies bedeutet, dass Abscheidetemperaturen unter 400°C zu wählen sind.
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Die Wahl von Silizium und Siliziumoxid als Filtermaterialien ist vorteilhaft, da sie einen hohen Brechzahlkontrast aufweisen und daher bereits mit wenigen Perioden stark transmissionsunterdrückende Stoppbänder erzeugen, sowie ein breites Stoppband aufspannen.
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Nachteilig wirkt sich die Absorption des Siliziums auf die Filtereigenschaften aus. Die Höhe des Transmissionspeaks ist direkt durch die Absorption der beteiligten Filterschichten beeinflusst. Siliziumoxid ist für einen weiten Wellenlängenbereich quasi verlustfrei, wohingegen Silizium unterhalb von 1050 nm Wellenlänge zunehmend stark absorbiert. Umso dünner die gesamt wirksame Siliziumdicke im Filter gestaltet ist, desto geringer ist die Dämpfung der Transmission im Passband.
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Die Einstellung der Wellenlänge des Passbandes erfolgt durch die optische Dicke der Mischschicht, die als ein effektives Medium betrachtet werden kann, solange die beteiligten Materialien in ihrer optisch wirksamen Ausdehnung (Weite multipliziert mit dem Brechungsindex: w·n) kleiner als die verwendeten Lichtwellenlänge sind. Daraus ergeben sich die Anforderungen an die Strukturierung mittels Lithographie.
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Die Mischung der Materialien erfolgt z. B. durch selektives Ätzen des Siliziums, gefolgt von einer Verfüllung der entstandenen Löcher mit Siliziumoxid. Der Ätzvorgang muss exakt stoppen, damit die Mischung allein durch die Maskengestaltung definiert ist. Dazu wird eine dünne Ätzstoppschicht aus Siliziumoxid angewendet. Um nach dem Verfüllen einen ebene Oberfläche zu erhalten, muss die Oxidschicht planarisiert werden. Dazu wird ein CMP-Schritt (chemisch mechanisches polieren) benutzt.
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Für die Dimensionierung des Filters bestehen folgende wählbare Parameter:
- 1. Mischschichtdicke
- 2. Dicke der Fabry Perot-Filterschichten
- 3. Anzahl der Filterschichtperioden
- 4. Mischverhältnis z. B. zwischen Silizium und Siliziumoxid
- 5. Platzierung der Mischschicht im Schichtstapel des Fabry-Perot-Filters
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Wie bereits bei der Beschreibung der Einflussgrößen auf den Filter genannt, ist es vorteilhaft, die Gesamtwirkdicke der Siliziumfilterschichten so gering wie möglich zu halten, um eine hohe Transmission im Passband zu erzielen. Die Mischschichtdicke ist so dünn wie technologisch beherrschbar zu wählen, muss jedoch als zweite Bedingung so dick gewählt werden, dass das Passband innerhalb des Stoppbandes zu liegen kommt. Die erste Ordnung der Resonanzwellenlänge ist durch Lambda = 4·n·d gegeben (n = effektiver Brechungsindex der Mischschicht, d = physikalische Dicke der Mischschicht). Die zweite Ordnung wird durch die doppelte Mischschichtdicke, die dritte Ordnung durch die dreifache Mischschichtdicke, usw. erreicht. Die Mischschichtdicke kann auch dünner als die erste Ordnung gewählt werden, dadurch verringern sich die Dämpfungsverluste durch Absorption in der Mischschicht. Nachteilig zeigt sich allerdings der verringerte Einstellbereich der Passbandwellenlänge (die obere Stoppbandwellenlänge wird nicht mehr erreicht) und die Stoppbandgrenzen verschieben sich zu kleineren Wellenlängen.
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Die Filterperioden definieren die Steilheit des Passbandes und die Unterdrückung des Stoppbandes. Mehr Perioden sind aufwändiger in der Herstellung und haben eine größere effektive Siliziumfilterschichtdicke zur Folge. Zweieinhalb Filterperioden unterhalb der Mischschicht sowie zwei oberhalb, stellen einen geeigneten Kompromiss in diesem Dilemma dar.
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Über die Dicke der Fabry-Perot-Filterschichten wird die Lage des Stoppbandes im Wellenlängenspektrum definiert.
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Das Mischverhältnis zwischen Silizium und Siliziumoxid in der Mischschicht zusammen mit deren Dicke definiert die spektrale Lage des Passbandes und kann ohne Eingriff in den Abscheideprozess in der CMOS-Fertigung allein anhand der Maskendefinition geändert werden.
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Die Platzierung der Mischschicht im Schichtstapel des Fabry-Perot-Filters erfolgt vorzugsweise zentrisch und mit Rücksichtnahme auf die CMOS-Fertigungsrandbedingungen so, dass z. B. nach einer Siliziumschicht eine dünne Siliziumoxidschicht als Ätzstopp eingebaut wird und nach dieser, Silizium mit der Zieldicke der Mischschicht abgeschieden wird. Diese Siliziumschicht wird durch Ätzen unter Anwendung einer Lackmaske strukturiert und die entstandenen Löcher mit Siliziumoxid aufgefüllt. Die Siliziumoxidfüllung überfüllt die Löcher und bildet eine unebene Schicht. Diese wird mittels CMP eingeebnet und auf eine definierte Dicke gebracht. Daraufhin wird die Schichtfolge zum Aufbau des Fabry-Perot-Filters mit einer Siliziumschicht fortgesetzt. Diese Vorgehensweise bietet eine Reihe von Vorteilen:
- 1. Siliziumstrukturierung wird im CMOS-Prozess mit sehr hoher Genauigkeit beherrscht. Es können damit die kleinsten erreichbaren Löcher einer CMOS-Fertigungslinie umgesetzt werden.
- 2. Oxid-CMP ist ein Standardprozess und wird im Gegensatz zu Silizium-CMP in CMOS Fertigungslinien für Strukturgrößen kleiner 0.6 μm im Allgemeinen beherrscht.
- 3. Oxid kann auch sehr kleine Löcher komplett ausfüllen ohne Fehlstellen zu hinterlassen. Auch dies ist bereits standardmäßig in einer CMOS-Fertigungslinie gut beherrscht.
- 4. Siliziumätzungen können sehr exakt auf einer Siliziumoxidschicht stoppen. Jede Gatepolyätzung hat eben diese Aufgabenstellung. Daher genügt eine sehr dünne Siliziumätzstoppschicht aus Siliziumoxid, welche die Filtereigenschaften aufgrund ihrer vernachlässigbaren Dicke nicht nachteilig beeinflusst.
- 5. Die Dicke der Mischschicht wird allein durch die Abscheidung einer Siliziumschicht bestimmt und ist daher eng toleriert definiert.
- 6. Die Silizumoxidschicht oberhalb der Mischschicht, die in ihrer Dicke durch den CMP-Schritt definiert wird, hat in ihrer Dickeneigenschaft keinen starken Einfluss auf die gesamt Filtereigenschaften.
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Die Transmission im Passband erreicht im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1100 nm etwa 10% bis 30% bei Verwendung eines stärker absorbierenden Siliziums und 60% bis 90% für einkristallines Silizium, wobei die Transmission mit zunehmender Wellenlänge größer wird, wohingegen die Bandpassbreite mit abnehmender Wellenlänge kleiner wird. Die optischen Eigenschaften des verwendeten Silizums in den Filterschichten spielt hier eine gewichtige Rolle. Idealerweiße würde einkristallines Silizium zur Anwendung kommen, das allerdings nicht abgeschieden werden kann und daher nicht in Frage kommt. Es gilt daher besonderes Augenmerk darauf zu legen, Silizium mit möglichst geringer Absorption abzuscheiden.
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Abscheidungen in einer CMOS-Linie sind in der Regel bezüglicher ihrer Dicke nicht extrem eng toleriert. Daher muss davon ausgegangen werden, dass alle Schichtdicken mit einem Fehler von etwa 10% erreicht werden. Das beschriebene Filterdesign ist dahingehend robust, dass dieses Maß an Unbestimmtheit nur bedingt Einfluss auf die Start- und Endwellenlänge des Stoppbandes hat und vor Allem die Abstände der Passbänder sowie deren Filterform nicht maßgeblich davon beeinflusst werden. Es kann also eine Reihe von Filtern mit fortlaufend verschobener Passbandwellenlänge hergestellt werden, die nach Abschluss der Fabrikation hinsichtlich der gewünschten Passbandwellenlänge charakterisiert und ausgewählt werden. Die Verhältnisse verschiedener Filter zueinander bleiben bestehen auch wenn sie in ihrer Absolutwellenlänge von Bauelement zu Bauelement (Wafer zu Wafer, Los zu Los) aufgrund der Schichtdickentoleranz schwanken können.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen
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1 schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Filterstruktur mit alternierenden Schichten aus Silizium (1) und Siliziumoxid (2), eine dünne Siliziumoxidschicht (3), die als Ätzstopp vorgesehen ist, sowie mit der Mischschicht (4) aus Silizium und Siliziumoxid,
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2 schematisch die Draufsicht auf die Anordnung/Verteilung der Materialien in der Mischschicht (4),
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3 die Filtercharakteristik (Transmission über die Wellenlänge) eines Ausführungsbeispiels mit Lochstrukturen in der Mischschicht für unterschiedliche Mischverhältnisse unter Anwendung eines stark absorbierenden Polysiliziums in der Filterstruktur, bei der die sehr feine Änderung der Passbandwellenlänge bei Änderung der Materialverhältnisse gut zu sehen ist,
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4 die Filtercharakteristik des Ausführungsbeispiels mit der Inselstruktur in der Mischschicht für die Extremwerte der Mischverhältnisse unter Anwendung von einkristallinem Silizium in der Filterstruktur. Gut zu sehen ist die signifikante Verringerung der Dämpfung und die daraus resultierende Verringerung der Passbandbreite.
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Befindet sich in der Mischschicht der Kavität (4), 1 z. B. innerhalb der Kreise das Material A, dann besteht der Bereich zwischen den Kreisen aus Material B. Sind die Kreise mit Silizium gefüllt (Material A), dann befindet sich zwischen den Kreisen Siliziumoxid (Material B) oder umgekehrt: d. h. in den Kreisen Silziumoxid (Material B) und zwischen den Kreisen Silizium (Material). In 2 soll der Bereich I die dichteste Packung der kreisförmigen Löcher veranschaulichen, die z. B. mit Siliziumoxid (Material B) gefüllt sind. Das entspricht z. B. 22% Material A, 78% Material B. Der Bereich II mit größeren Abständen der Löcher soll ein Verhältnis von ca. 81% Material A und 19% Material B und der Bereich III mit noch größeren Abständen der Löcher ein Verhältnis von ca. 91% Material A und 9% Material B veranschaulichen. In allen drei Teilbereichen des Layouts ist ein gleich großer Bereich durch Stricheln gekennzeichnet, der die Materialanteile von A und B veranschaulichen hilft.
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Im Folgenden werden zwei konkrete Vorgehensweisen bei der Gestaltung der Filter angegeben, die in einer 0.18 μm CMOS-Technologie hergestellt werden können und die ein durch nur jeweils eine Lithographiemaske frei wählbares Passband, im Wellenlängenbereich zwischen 860 und 1070 bzw. 820 und 1070 nm aufweisen, wobei das Stoppband für jeden Fall zwischen 810 und 1100 nm aufrechterhalten bleibt.
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Im ersten Beispiel wird das Mischverhältnis des effektiven Mediums durch das Atzen von Löchern in der Siliziumschicht definiert:
Auf eine ebene Oberfläche wird eine erste Siliziumschicht der Dicke 80 nm abgeschieden. Darauf wird eine erste Siliziumoxidschicht der Dicke 70 nm abgeschieden. Darauf erneut eine Siliziumschicht der Dicke 80 nm, gefolgt von einer Siliziumoxidschicht der Dicke 70 nm und nochmals eine Siliziumschicht der Dicke 80 nm. Nun folgt eine sehr dünne Siliziumoxidschicht von nur 5 nm. Dann wird eine 150 nm Dicke Siliziumschicht abgeschieden, die mittels einer Lackmaske in unterschiedlichen Bereichen so strukturiert wird, dass Bereiche unterschiedlichen Siliziumanteils stehen bleiben. Dies wird durch Locharrays mit fixem Lochdurchmesser und variablem Lochabstand erreicht. Der Lochdurchmesser entspricht dabei der kleinsten technologisch herstellbaren Strukturgröße, hier also 180 nm.
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Der kleinste realisierbare Abstand wird ebenso durch die verwendete Technologie bestimmt und beträgt in diesem Beispiel ebenso 180 nm (benachbarte Löcher berühren sich). Daraus ergibt sich ein Mischverhältnis von 22% Silizium und 78% Siliziumoxid, woraus sich das Passband auf 860 nm ergibt. Der größte funktionierende Abstand (das Kriterium für ein effektives Medium) muss erhalten bleiben), er beträgt bei einer in x- und y-Richtung symmetrischen Anordnung 340 nm, wodurch sich ein Siliziumoxidanteil von 22% und ein Siliziumanteil von 78% ergeben. Die obere einstellbare Grenze des Passbandes liegt damit bei 1070 nm. Nach dem Entfernen der Lackmaske wird ein gut verfüllendes Oxid so dick abgeschieden, ao dass die Löcher komplett gefüllt sind und sich über der durchbrochenen Siliziumschicht eine dickere Siliziumoxidschicht ausbildet. Als Abscheidevorgabe wird 580 nm gewählt. Die Siliziumoxidschicht wird mittels CMP auf 75 nm abgedünnt, wodurch die Oberfläche wieder eingeebnet ist. Darauf wird erneut eine 80 nm Dicke Siliziumschicht abgeschieden. Darauf eine 70 nm Siliziumoxidschicht und zuletzt noch einmal eine 80 nm Dicke Siliziumschicht. Damit ist der Filter fertig gestellt.
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Im zweiten Beispiel wird das Mischverhältnis des effektiven Mediums durch das Ätzen von inversen Löchern (Inseln) in der Siliziumschicht definiert:
Auf eine ebene Oberfläche wird eine erste Siliziumschicht der Dicke 80 nm abgeschieden. Darauf wird eine erste Siliziumoxidschicht der Dicke 70 nm abgeschieden. Darauf erneut eine Siliziumschicht der Dicke 80 nm, gefolgt von einer Siliziumoxidschicht der Dicke 70 nm und nochmals eine Siliziumschicht der Dicke 80 nm. Nun folgt eine sehr dünne Siliziumoxidschicht von nur 5 nm. Dann wird eine 150 nm Dicke Siliziumschicht abgeschieden, die mittels einer Lackmaske in unterschiedlichen Bereichen so strukturiert wird, dass Bereiche unterschiedlichen Siliziumanteils stehen bleiben. Dies wird durch Inselarrays mit fixem Inseldurchmesser und variablem Inselabstand erreicht. Der Inseldurchmesser entspricht dabei annähernd der kleinsten technologisch herstellbaren Strukturgröße, hier 210 nm.
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Der kleinste realisierbare Abstand wird ebenso durch die verwendete Technologie bestimmt und beträgt in diesem Beispiel ebenso 210 nm. Daraus ergibt sich ein Mischverhältnis von 78% Silizium und 22% Siliziumoxid woraus sich das Passband auf 1070 nm ergibt. Der größte funktionierende Abstand (das Kriterium für ein effektives Medium muss erhalten bleiben) beträgt bei einer in x- und y-Richtung symmetrischen Anordnung 560 nm, wodurch sich ein Siliziumoxidanteil von 89% und ein Siliziumanteil von 11% ergeben. Die untere einstellbare Grenze des Passbandes liegt damit bei 820 nm. Nach dem Entfernen der Lackmaske wird ein gut verfüllendes Oxid so dick abgeschieden, dass die Inselzwischenräume komplett gefüllt werden und sich über der löchrigen Siliziumschicht eine dickere Siliziumoxidschicht befindet. Als Abscheidevorgabe wird 580 nm gewählt. Die Siliziumoxidschicht wird mittels CMP auf 75 nm abgedünnt wodurch die Oberfläche wieder eingeebnet ist. Darauf wird erneut eine 80 nm Dicke Siliziumschicht abgeschieden. Darauf eine 70 nm Siliziumoxidschicht und zu guter Letzt noch einmal eine 80 nm Dicke Siliziumschicht. Damit ist der Filter fertig gestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schicht aus Silizium
- 2
- Schicht aus Siliziumoxid
- 3
- Ätzstoppschicht aus Siliziumoxid
- 4
- Mischschicht der Kavität
- 5
- Löcher in der Schicht 4 (Material 1), gefüllt mit Material der Schicht 2
- 6
- Bereiche gleicher Flächengröße mit unterschiedlichen Schichtenanteilen der Schichten 1 und 28ggf
- I, II, III
- Bereiche der Mischschicht mit unterschiedlichen Anteilen der an der Mischschicht beteiligten Schichten 1 und 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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