DE102011111883B4

DE102011111883B4 - CMOS kompatibles Herstellungsverfahren für einen planaren, hyperspektralen optischen Filter

Info

Publication number: DE102011111883B4
Application number: DE102011111883.0A
Authority: DE
Inventors: Damiana Lerose; Daniel Gäbler
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: DE102011111883A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hyperspektralen Fabry-Perot-Filters mit CMOS-kompatiblen Herstellungs-Verfahrensschritten, wobei die Herstellung folgende Verfahrensschritte umfasst – Abscheiden einer ersten Schicht (1) einer ersten Dicke (d1) aus einem hoch-brechenden Material auf eine ebene Oberfläche; – Ergänzung der ersten hoch-brechenden Schicht (1) zu einem unteren Schichtstapel, beginnend mit einer niedrig-brechenden Schicht (2) einer zweiten Dicke (d2) und endend mit einer hoch-brechenden Schicht (1), durch Abscheiden weiterer alternierender Schichten (1, 2); – Abscheidung einer sehr dünnen Ätzstoppschicht (3) aus dem gleichen Material wie die niedrig-brechende Schicht (2), wobei eine Dicke der Ätzstoppschicht (3) viel kleiner ist als die zweite Dicke (d2), um die Filtereigenschaften aufgrund ihrer vernachlässigbaren Dicke nicht nachteilig zu beeinflussen; – Abscheidung einer hoch-brechenden Schicht zur Ausbildung einer Mischschicht (4) aus dem Material der ersten hoch-brechenden Schicht (1), wobei die Dicke der abgeschiedenen, hoch-brechenden Schicht doppelt so groß ist wie die erste Dicke (d1); – Strukturierung der abgeschiedenen Schicht durch einen CMOS-kompatiblen Lithographieschritt, so dass voneinander beabstandete Löcher (5) entstehen, die einen gleichen Durchmesser haben und in einem jeweiligen Bereich (I, II, III) regelmäßig angeordnet sind, wobei je nach Resonanz-Wellenlänge in einem jeweiligen der Bereiche (I, II, III) der abgeschiedenen Schicht die Abstände der Lochmitten zwischen 180nm (benachbarte Löcher berühren sich) bis 340nm variieren, bei gleicher Lochtiefe der Löcher; – sodass mehrere nebeneinander liegende Bereiche (I, II, III) entstehen und von Bereich zu Bereich die Abstände der Löcher (5) entsprechend der zugehörigen Resonanz-Wellenlänge verschieden sind, indem ein Mischverhältnis der Mischschicht (4) in den mehreren Bereichen (I, II, III) durch die Maske des CMOS-kompatiblen Lithographieschritts und die Lochtiefe definiert wird; – Entfernen der Maske; – Abscheiden eines niedrig-brechenden Materials, das dem Material der niedrig-brechenden Schicht (2) entspricht, wodurch die Löcher (5) komplett gefüllt werden und die Mischschicht (4) ausgebildet wird und über der Mischschicht (4) eine weitere niedrig-brechende Schicht (2) ausgebildet wird, mit einer Dicke eines Mehrfachen der zweiten Dicke (d2); ...

Description

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 (1300nm bzw. 1550nm). Dazu kommen in der Regel Wellenleiteranordnungen zum Einsatz, die sich dadurch auszeichnen, dass das Licht parallel zur Oberfläche des Substrates geführt wird, vgl. DE 601 33 603 T2 . Neben dieser Hauptanwendung gibt es kleinere Anwendungsgebiete mit unterschiedlichen Lösungsansätzen auf die hier jedoch nicht umfassend eingegangen werden soll.
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.
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.
EP 1 592 067 A1 beschreibt dem Fachmann ein Herstellungsverfahren eines hyperspektralen Fabry-Perot-Filters, vergleiche dort die 13A bis 13D mit zugehöriger Beschreibung. Auch wenn der Fachmann dort einen Schritt zum Einebnen oder Abdünnen der dickeren Schicht innerhalb der beanspruchten Mischschicht nicht unmittelbar entnehmen kann, auch nicht einen chemisch-mechanischen Polierschritt, so kann er doch aus dem der dortigen 13D einen symmetrischen Aufbau des offenbarten, oben genannten Filters entnehmen. Der Fachmann kann der genannten Schrift aber keine Ätzstoppschicht entnehmen, die unter der Mischschicht angeordnet ist und hinsichtlich ihrer Genauigkeit auch eine bestimmende Wirkung auf die Ausbildung der Mischschicht hat (Bezugszeichen 4). Zwar spricht die US 5,726,805 A von einem "Ätzstopp" in einer niedrig-brechenden Schicht unterhalb des effektivem Mediums, aber die dortige Schichtenfolge ist deutlich von der beanspruchten Schichtenfolge zu unterscheiden. Nachdem die zuerst genannte EP-Schrift keinen Ätzstopp offenbart und die dort niedrig-brechende Schicht unter der Kavität deutlich dicker als die beanspruchte "sehr dünne" Ätzstoppschicht ist, kann der Fachmann die beiden genannten Schriften nicht in ein gemeinsames Blickfeld nehmen.
Keine der genannten Schriften befasst sich explizit mit der Herstellung eines Fabry-Perot-Filters, der in der CMOS-kompatiblen Herstellungstechnik, also in Verbindung mit anderen CMOS-Bauteilen hergestellt wird. Vergleiche dazu die US '805 , dort Abstract sowie Spalten 1 und 2 in Verbindung mit der konkreten Anwendung zur 7B, dort Spalte 10, Zeilen 28 bis 37, auch wenn dort Polysilizium und Siliziumdioxid als Lagen oder Schichten verwendet werden.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, eine Verfahrensweise zu erfinden, mit der ein planarer hyperspektraler optischer Filter CMOS-kompatibel erzeugt werden kann, der folgende Eigenschaften sicherstellt ...

1. Ein breites Stoppband (mehrere 100nm)
2. Ein 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.

Gelöst wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen als ein Verfahren.
Es ergeben sich die Vorteile, dass das hyperspektrale Filter hergestellt werden kann und das Herstellungsverfahren Schichten von Stoffen verwendet, die Bestandteil der CMOS-Technologie sind, bevorzugt mit der Schichtenfolge nur bestehend aus Silizium und Siliziumoxid oder Silizium und Siliziumnitrid oder Siliziumnitrid und Siliziumoxid (Anspruch 4).
Es wird im einfachsten Fall ein Fabry-Perot-Filter aus einer Schichtfolge von Silizium und Siliziumoxid mit mehreren Perioden gebildet. Die Schichtabfolge weist eine Störung auf (als Kavität), die durch eine Mischschicht aus den genannten Stoffen ausgeformt wird, 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 und Brechungsindex des Ausbreitungsmediums) der Störschicht abhängt, kann ein Transmissionspeak im Stoppband verschoben werden, dies allein durch Einstellen des Mischverhältnisses zwischen den zwei Materialien A und B, z. B. Silizium und Siliziumoxid, und ohne eine Änderung der Mischschichtdicke. Dadurch ist es möglich eine ebene Oberfläche im CMOS-Prozess zu erhalten.
Für die Umsetzung sind die einzelnen Prozessschritte tragend. Insbesondere fordert eine direkte Integration mit einem CMOS-Schaltkreis 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 Schichten aus den Materialien A und B, bevorzugt Silizium- und Siliziumoxidschichten (Anspruch 5) 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 (Anspruch 8).
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.
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 1050nm Wellenlänge zunehmend stärker absorbiert. Je dünner die gesamt-wirksame Siliziumdicke im Filter gestaltet ist, desto geringer ist die Dämpfung der Transmission im Passband.
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 (Anspruch 7).
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 in der Mischschicht allein durch die Maskengestaltung definiert wird und bleibt.
Dazu wird eine dünne Ätzstoppschicht aus bevorzugt Siliziumoxid angewendet. Um nach dem Verfüllen der Löcher der Mischschicht einen ebene Oberfläche zu erhalten, wird die zur Füllung der Löcher verwendete Oxidschicht planarisiert. Dazu wird ein CMP-Schritt benutzt (chemisch-mechanisches Polieren).
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

Wie bereits bei der Beschreibung der Einflussgrößen auf den Filter genannt, ist es vorteilhaft, die Gesamtwirkdicke der Silizium-Filterschichten 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 ist der effektive Brechungsindex der Mischschicht, d ist die 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 Passband-Wellenlänge (die obere Stoppband-Wellenlänge wird nicht mehr erreicht) und die Stoppband-Grenzen verschieben sich zu kleineren Wellenlängen.
Die Filterperioden definieren die Steilheit des Passbandes und die Unterdrückung des Stoppbandes. Mehr Perioden sind aufwändiger in der Herstellung und haben eine größere effektive Dicke der Silizium-Filterschicht zur Folge. Zweieinhalb Filterperioden unterhalb der Mischschicht sowie zwei oberhalb, stellen einen geeigneten Kompromiss in diesem Dilemma dar.
Über die Dicke der Fabry-Perot-Filterschichten wird die Lage des Stoppbandes im Wellenlängen-Spektrum definiert.
Das Mischverhältnis zwischen bspw. 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.
Die Platzierung der Mischschicht im Schichtstapel des Fabry-Perot-Filters erfolgt vorzugsweise zentrisch und mit Rücksichtnahme auf die CMOS-Fertigungs-Randbedingungen so, dass z. B. nach einer Siliziumschicht eine dünne Siliziumoxidschicht als Ätzstopp eingebaut wird und nach dieser, Silizium mit einer Zieldicke der Mischschicht abgeschieden wird. Diese Siliziumschicht wird durch Ätzen unter Anwendung einer Lackmaske strukturiert und die entstandenen Löcher mit bspw. Siliziumoxid aufgefüllt. Die Füllung überfüllt die Löcher und bildet eine unebene Schicht. Diese wird mit CMP eingeebnet und auf eine definierte Dicke gebracht. Daraufhin wird die Schichtfolge zum Aufbau des Fabry-Perot-Filters bspw. 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 0,6µm im Allgemeinen beherrscht.
3. Oxid kann auch sehr kleine Löcher komplett ausfüllen, ohne Fehlstellen zu hinterlassen. Auch dies wird 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.

Die Transmission im Passband erreicht im Wellenlängenbereich zwischen 800nm und 1100nm 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 Siliziums in den Filterschichten spielt hier eine gewichtige Rolle. Idealerweise 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.
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 Absolut-Wellenlänge von Bauelement zu Bauelement (Wafer zu Wafer, Los zu Los) schwanken können, dies aufgrund der Schichtdickentoleranz.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Filterstruktur mit alternierenden Schichten 1 und 2 aus Silizium A und Siliziumoxid B, eine dünne Siliziumoxidschicht 3, die als Ätzstopp vorgesehen ist, sowie mit der Mischschicht 4 aus Silizium und Siliziumoxid, mit unterem gelochten Schichtanteil 4a und oberer Deckschicht 4b nach Verfüllen der Löcher 5.
2 zeigt schematisch die Draufsicht auf die Anordnung/Verteilung der Materialien A und B in der Mischschicht 4.
3 zeigt die Filtercharakteristik (Transmission über der Wellenlänge) eines Ausführungsbeispiels mit Lochstrukturen in der Mischschicht 4 für unterschiedliche Mischverhältnisse unter Anwendung eines stark absorbierenden Polysiliziums in der Filterstruktur, bei der die sehr feine Änderung der Passband-Wellenlänge bei Änderung der Materialverhältnisse gut zu sehen ist.
4 zeigt die Filtercharakteristik eines Ausführungsbeispiels mit einer Inselstruktur in der Mischschicht für die Extremwerte der Mischverhältnisse unter Anwendung von ein-kristallinem Silizium in der Filterstruktur. Gut zu sehen ist die signifikante Verringerung der Dämpfung und die daraus resultierende Verringerung der Passbandbreite.
Befindet sich in der Mischschicht 4 der Kavität nach 1 z.B. innerhalb der Kreise (der Löcher 5) das Material A, dann besteht der Bereich 6 zwischen den Kreisen 5 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 Siliziumoxid (Material B) und zwischen den Kreisen Silizium (Material).
In 2 soll der Bereich I die dichteste Packung der kreisförmigen Löcher 5 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 5 hat ein Verhältnis von ca. 81% Material A und 19% Material B.
Der Bereich III mit noch größeren Abständen der Löcher 5 hat ein Verhältnis von ca. 91% Material A und 9% Material B.
In allen drei Teilbereichen I, II und III des Layouts ist ein gleich großer Bereich 10 quadratisch gekennzeichnet, der die Materialanteile von A und B veranschaulichen hilft.
Im Folgenden werden zwei konkrete Vorgehensweisen bei der Gestaltung der Filter angegeben, die in einer 0,18µm CMOS-Technologie hergestellt werden können und die ein durch nur jeweils eine Lithographiemaske frei wählbares Passband, im Wellenlängenbereich zwischen 860nm und 1070nm bzw. 820nm und 1070nm aufweisen, wobei das Stoppband für jeden Fall zwischen 810nm und 1100nm aufrechterhalten bleibt.
Im ersten Beispiel wird das Mischverhältnis des effektiven Mediums durch das Ätzen von Löchern 5 in der Siliziumschicht definiert
Das geschieht wie folgt ...
Auf eine ebene Oberfläche wird eine erste Siliziumschicht 1 der Dicke d₁ = 80nm abgeschieden. Darauf wird eine erste Siliziumoxidschicht 2 der Dicke d₂ = 70nm abgeschieden. Darauf erneut eine Siliziumschicht 1 der Dicke 80nm, gefolgt von einer Siliziumoxidschicht 2 der Dicke 70nm und nochmals eine Siliziumschicht 1 der Dicke 80 nm. Nun folgt eine sehr dünne Siliziumoxidschicht 3 von nur 5nm.
Dann wird eine 150nm dicke Siliziumschicht abgeschieden, die mittels einer Lackmaske in unterschiedlichen Bereichen so strukturiert wird, dass Bereiche unterschiedlichen Siliziumanteils stehen bleiben. Dies wird durch Locharrays 5 mit fixem Lochdurchmesser und variablem Lochabstand 6 erreicht. Der Lochdurchmesser entspricht dabei der kleinsten technologisch herstellbaren Strukturgröße, hier also 180nm.
Der kleinste realisierbare Abstand wird ebenso durch die verwendete Technologie bestimmt und beträgt in diesem Beispiel ebenso 180nm (benachbarte Löcher berühren sich), vgl. Bereich I. Daraus ergibt sich ein Mischverhältnis von 22% Silizium und 78% Siliziumoxid, woraus sich das Passband zu 860nm ergibt.
Der größte funktionierende Abstand, das Kriterium für ein effektives Medium muss erhalten bleiben, beträgt bei einer in x- und y-Richtung symmetrischen Anordnung 340nm, wodurch sich ein Siliziumoxidanteil von 22% und ein Siliziumanteil von 78% ergibt. Die obere einstellbare Grenze des Passbandes liegt damit bei 1070nm.
Nach dem Entfernen der Lackmaske wird ein gut verfüllendes Oxid so dick abgeschieden, so dass die Löcher 5 in der Mischschicht 4 komplett gefüllt sind und sich über der durchbrochenen Siliziumschicht 4a eine dickere Siliziumoxidschicht 4b ausbildet. Als Abscheidevorgabe wird 580nm gewählt. Die dickere Siliziumoxidschicht 4b wird mittels CMP auf d₄ = 75nm abgedünnt, wodurch die Oberfläche wieder eingeebnet ist. Darauf wird erneut eine 80nm dicke Siliziumschicht 1 abgeschieden. Darauf eine 70nm Siliziumoxidschicht 2 und zuletzt noch einmal eine d₁ = 80nm dicke Siliziumschicht 1. Damit ist der Filter fertig gestellt; 1 zeigt den vertikalen Schnitt.
Im zweiten Beispiel wird das Mischverhältnis des effektiven Mediums durch das Ätzen von inversen Löchern (Inseln) in der Siliziumschicht definiert, wie folgt.
Auf eine ebene Oberfläche wird eine erste Siliziumschicht der Dicke d₁ = 80nm abgeschieden. Darauf wird eine erste Siliziumoxidschicht der Dicke d₂ = 70nm abgeschieden. Darauf erneut eine Siliziumschicht der Dicke 80nm, gefolgt von einer Siliziumoxidschicht der Dicke 70nm und nochmals eine Siliziumschicht der Dicke 80nm. Nun folgt eine sehr dünne Siliziumoxidschicht von nur 5nm. Dann wird eine 150nm 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 210nm.
Der kleinste realisierbare Abstand wird ebenso durch die verwendete Technologie bestimmt und beträgt in diesem Beispiel ebenso 210nm. Daraus ergibt sich ein Mischverhältnis von 78% Silizium und 22% Siliziumoxid woraus sich das Passband auf 1070nm ergibt. Der größte funktionierende Abstand (das Kriterium für ein effektives Medium muss erhalten bleiben) beträgt bei einer in x- und y-Richtung symmetrischen Anordnung 560nm, wodurch sich ein Siliziumoxidanteil von 89% und ein Siliziumanteil von 11% ergeben.
Die untere einstellbare Grenze des Passbandes liegt damit bei 820nm.
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 580nm gewählt.
Die Siliziumoxidschicht wird mittels CMP auf 75nm abgedünnt wodurch die Oberfläche wieder eingeebnet ist.
Darauf wird erneut eine 80nm dicke Siliziumschicht abgeschieden. Darauf eine 70nm Siliziumoxidschicht und zu guter Letzt noch einmal eine 80nm dicke Siliziumschicht. Damit ist der Filter fertig gestellt.
Bezugszeichenliste
Bereiche

I, II, III: Bereiche der Mischschicht 4 mit unterschiedlichen Anteilen der an der Mischschicht beteiligten Materialien der Schichten 1 und 2. Die Löcher 5 in der Schicht 4 (aus Material A der Schicht 1) sind gefüllt mit Material B der Schicht 2.
10: Bereiche gleicher Flächengröße mit unterschiedlichen Schichtenanteilen der Materialien A und B aus den Schichten 1 und 2.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hyperspektralen Fabry-Perot-Filters mit CMOS-kompatiblen Herstellungs-Verfahrensschritten, wobei die Herstellung folgende Verfahrensschritte umfasst – Abscheiden einer ersten Schicht (1) einer ersten Dicke (d₁) aus einem hoch-brechenden Material auf eine ebene Oberfläche; – Ergänzung der ersten hoch-brechenden Schicht (1) zu einem unteren Schichtstapel, beginnend mit einer niedrig-brechenden Schicht (2) einer zweiten Dicke (d₂) und endend mit einer hoch-brechenden Schicht (1), durch Abscheiden weiterer alternierender Schichten (1, 2); – Abscheidung einer sehr dünnen Ätzstoppschicht (3) aus dem gleichen Material wie die niedrig-brechende Schicht (2), wobei eine Dicke der Ätzstoppschicht (3) viel kleiner ist als die zweite Dicke (d₂), um die Filtereigenschaften aufgrund ihrer vernachlässigbaren Dicke nicht nachteilig zu beeinflussen; – Abscheidung einer hoch-brechenden Schicht zur Ausbildung einer Mischschicht (4) aus dem Material der ersten hoch-brechenden Schicht (1), wobei die Dicke der abgeschiedenen, hoch-brechenden Schicht doppelt so groß ist wie die erste Dicke (d₁); – Strukturierung der abgeschiedenen Schicht durch einen CMOS-kompatiblen Lithographieschritt, so dass voneinander beabstandete Löcher (5) entstehen, die einen gleichen Durchmesser haben und in einem jeweiligen Bereich (I, II, III) regelmäßig angeordnet sind, wobei je nach Resonanz-Wellenlänge in einem jeweiligen der Bereiche (I, II, III) der abgeschiedenen Schicht die Abstände der Lochmitten zwischen 180nm (benachbarte Löcher berühren sich) bis 340nm variieren, bei gleicher Lochtiefe der Löcher; – sodass mehrere nebeneinander liegende Bereiche (I, II, III) entstehen und von Bereich zu Bereich die Abstände der Löcher (5) entsprechend der zugehörigen Resonanz-Wellenlänge verschieden sind, indem ein Mischverhältnis der Mischschicht (4) in den mehreren Bereichen (I, II, III) durch die Maske des CMOS-kompatiblen Lithographieschritts und die Lochtiefe definiert wird; – Entfernen der Maske; – Abscheiden eines niedrig-brechenden Materials, das dem Material der niedrig-brechenden Schicht (2) entspricht, wodurch die Löcher (5) komplett gefüllt werden und die Mischschicht (4) ausgebildet wird und über der Mischschicht (4) eine weitere niedrig-brechende Schicht (2) ausgebildet wird, mit einer Dicke eines Mehrfachen der zweiten Dicke (d₂); – Abdünnen und Einebnen einer Oberfläche der weiteren niedrig-brechenden Schicht (2) über chemisch-mechanisches Polieren auf eine dritte Dicke (d₄); – Abscheiden eines Stapels mit alternierenden Schichten (1, 2) aus niedrig-brechendem Material und hoch-brechendem Material; – Abscheiden einer hoch-brechenden Schicht (1) der ersten Dicke (d₁).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der untere und der obere Schichtenstapel jeweils aus einer Anzahl von 3 bis 7 Schichten gebildet werden, wobei die Anzahl der Schichten im oberen und unteren Schichtstapel nicht gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Löcher (5) kreisförmig, quadratisch oder rechteckig strukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hoch-brechenden Schichten (1) aus Silizium und die niedrig-brechenden Schichten (2) aus Siliziumnitrid gebildet werden; oder die hoch-brechenden Schichten (1) aus Silizium und die niedrig-brechenden Schichten (2) aus Siliziumoxid gebildet werden; oder die hoch-brechenden Schichten (1) aus Siliziumnitrid und die niedrig-brechenden Schichten (2) aus Siliziumoxid gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei Abscheidetemperaturen unter 400°C verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die sehr dünne Ätzstoppschicht (3) aus Siliziumoxid ist und 5nm dünn ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strukturierung der abgeschiedenen Schicht im CMOS-kompatiblen Lithographieschritt so erfolgt, dass eine Wellenlänge eines Passbandes durch eine optische Dicke der Mischschicht (4) als ein effektives Medium eingestellt wird und mit solchen beteiligten Materialien, die in ihrer optisch wirksamen Ausdehnung als Weite multipliziert mit dem Brechungsindex (w·n) kleiner als die verwendbare Lichtwellenlänge sind.