DE102013013239A1

DE102013013239A1 - Adaptiver optischer Filter bzw. spektral einstellbare Lichtquelle

Info

Publication number: DE102013013239A1
Application number: DE102013013239.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Mescheder; Andras Kovacs; Wolfgang Kronast; Bernhard Müller; Alexey Ivanov
Original assignee: HOCHSCHULE FURTWANGEN
Current assignee: HOCHSCHULE FURTWANGEN
Priority date: 2013-12-07
Filing date: 2013-12-07
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-08
Also published as: DE102013013239B4

Abstract

Die Erfindung ermöglicht die Realisierung zeitlich sehr schnell durchstimmbarer Lichtquellen bzw. sehr schnell durchstimmbarer Spektrometer mit den Techniken der Mikrosystemetechnik. Die technische Lösung beruht auf einer speziellen Technologie von optischen Filtern, die aus sogenannten Multilayer-Strukturen bestehen, und deren Integration zu einem Gesamtsystem zur Erreichung einer spektral einstellbaren Lichtquelle. Durch geeignete Wahl der Brechungsindizes der periodischen Layer konnte gezeigt werden, dass mit dieser optischen Plattform die optischen Eigenschaften von solchen Multilayer-Strukturen so gesteuert werden können, dass eine Vielzahl von optischen Spektren gezielt eingestellt werden können, so z. B. schmalbandige Rugate-Filter, bei denen sogenannte Seitenbanden in der Reflexion soweit unterdrückt werden können, dass solche auf Si-Chips erzeugte Multilayer-Strukturen zu nahezu monochromatischem Licht führen (wobei die jeweilige Wellenlänge durch die gewählte Multilayerstruktur festgelegt und zunächst nicht veränderbar ist). Je nach Typ des Spektrums arbeiten die Filter im Reflexions- oder im Transmissionsmode. Im Kern der Erfindung stehen Verfahren, wie aus solchen „passiven” Filterstrukturen durchstimmbare optische Filter entstehen, die um gewünschte zentrale Wellenlängen (MIR-UV) sehr schnell moduliert werden können. Dazu können zwei getrennte Möglichkeiten eingesetzt werden: a) hier werden die Filterstrukturen auf elektrostatisch auslenkbaren Kippspiegel angeordnet. Damit wird nach ersten Systemsimulationen und Messungen eine Verstimmbarkeit der Wellenlängen von ±70–100 nm mit Frequenzen im kHz-Bereich als erreicht. Der Verkippungswinkel wird dabei mit Hilfe von geeignet gewählten Gegenelektroden (der verkippte Spiegel fungiert als variable Elektrode), die ortsfest auf dem Substrat aufgebracht werden, und durch geeignete Aufhängung/Verbindung des Spiegels zum Substrat bestimmt. Die Vermessung des Kippwinkels erfolgt anhand von ebenfalls integrierten Referenzelektroden durch Messung der Kapazitäten (Differenzkapazität), so dass die gescannten Wellenlängen auch elektronisch geregelt werden können. Alternativ kann in einer weiteren Variante die Verkippung des Spiegels durch elektromagnetische Prinzipien erreicht werden, indem auf dem Spiegel mit Methoden der Mikrotechnik eine Dünnschichtspule realisiert wird, die ...

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung ermöglicht die Realisierung zeitlich sehr schnell durchstimmbarer Lichtquellen bzw. sehr schnell durchstimmbarer Spektrometer mit den Techniken der Mikrosystemetechnik. Die technische Lösung beruht auf einer speziellen Technologie von optischen Filtern, die aus sogenannten Multilayerstrukturen bestehen, und deren Integration zu einem Gesamtsystem zur Erreichung einer spektral einstellbaren Lichtquelle. Durch geeignete Wahl der Brechungsindizes der periodischen Layer konnte gezeigt werden, dass mit dieser optischen Plattform die optischen Eigenschaften von solchen Multilayerstrukturen so gesteuert werden können, dass eine Vielzahl von optischen Spektren gezielt eingestellt werden können, so z. B. schmalbandige Rugate-Filter, bei denen sogenannte Seitenbanden in der Reflexion soweit unterdrückt werden können, dass solche auf Si-Chips erzeugte Multilayerstrukturen zu nahezu monochromatischem Licht führen (wobei die jeweilige Wellenlänge durch die gewählte Multilayerstruktur festgelegt und zunächst nicht veränderbar ist). Je nach Typ des Spektrums arbeiten die Filter im Reflexions- oder im Transmissionsmode. Im Kern der Erfindung stehen Verfahren, wie aus solchen „passiven” Filterstrukturen durchstimmbare optische Filter entstehen, die um gewünschte zentrale Wellenlängen (MIR-UV) sehr schnell moduliert werden können. Dazu können zwei getrennte Möglichkeiten eingesetzt werden:

a) Hier werden die Filterstrukturen auf elektrostatisch auslenkbaren Kippspiegel angeordnet. Damit wird nach ersten Systemsimulationen und Messungen eine Verstimmbarkeit der Wellenlängen von ±70–100 nm mit Frequenzen im kHz-Bereich erreicht. Der Verkippungswinkel wird dabei mit Hilfe von geeignet gewählten Gegenelektroden (der verkippte Spiegel fungiert als variable Elektrode), die ortsfest auf dem Substrat aufgebracht werden, und durch geeignete Aufhängung/Verbindung des Spiegels zum Substrat bestimmt. Die Vermessung des Kippwinkels erfolgt anhand von ebenfalls integrierten Referenzelektroden durch Messung der Kapazitäten (Differenzkapazität), so dass die gescannten Wellenlängen auch elektronisch geregelt werden können. Alternativ kann in einer weiteren Variante die Verkippung des Spiegels durch elektromagnetische Prinzipien erreicht werden, indem auf dem Spiegel mit Methoden der Mikrotechnik eine Dünnschichtspule realisiert wird, die mit Strom beaufschlagt wird und die so eine Verkippungskraft in einem extern erzeugt Magnetfeld erzeugt. Die Vermessung der Kippstellung des Spiegels kann auch in diesem Fall kapazitiv erfolgen.
b) Für eine darüber hinausgehende Verstimmung (z. B. Abdeckung des gesamten sichtbaren Spektrums) wird die Wellenlängenverschiebung durch Füllung der die Multilayer-Schichten bildenden porösen Struktur erreicht. Die mit der Befüllung zusammenhängende Kapazitätsänderung der Multilayerstrukturen wird auch in diesem Fall kapazitiv bestimmt, wobei allerdings hier die Elektroden auf dem Chip selbst angeordnet sind.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Anwendung in optischen Verfahren des Chemical Imaging ist die Abstimmbarkeit der Arbeitswellenlänge vom UV (Fluoreszenzanalyse) bis in den MIR-Bereich (5 μm) zur Detektion von CH-Valenzschwingungen sowie die hohe Dynamik, die online-Monitoring ermöglicht. Mit dieser Schlüsselkomponente sind neue Ansätze bei bildgebenden optischen Analyseverfahren, dem sogenannten „Chemical-(Spectral-)Imaging”-möglich.
1 Ausgangslage (Stand der Technik):
Passive optischen Filter, die auf Multilayer-Schichten beruhen, sind bereits seit langem bekannt und in verschiedenen Patenten beschrieben ( US6591035 , US7088884 , DE102008059158 ). Eine verstimmbare Filterwirkung wird im Patent US7002697 beschrieben, bei der thermisch die Abstandsschicht eines Interferometers (Fabry-Perot) so moduliert wird, dass der Transmissionspeak um wenige nm verschoben werden kann. Der Arbeitsbereich der Filter liegt dabei in einem sehr engen Bereich des Transmissionsfenster in der optischen Nachrichtenübertragung (1550 nm). Ein vergleichbarer Ansatz wird in der Veröffentlichung A Porous Silicon Thermally Tunable Optical Filter von Da Song in den Proceedings MO[MS and Miniaturized Systems VII, edited by David L. Dickensheets, Harald Schenk, Proc. of SPIE Vol. 6887, 68870C, (2008) · 0277-786X/08/$18 · doi: 10.1117/12.759165, beschrieben, wobei hier die passiven Filterstrukturen auf porösen Strukturen beruhen und durch einen thermischen Bimorphantrieb zwei Schichten so gegeneinander verschoben werden, dass ein verstimmbares Fabry-Perot-Interferometer entsteht. Die nutzbare Wellenlängenverschiebung ist dabei mehrere 10 nm um einen Arbeitspunkt herum.
Lammel et al stellen in Tunable Optical Filter of Porous Silicon as Key Component for a MEMS Spectrometer (Microelectromechanical Systems, Journal of; Volume: 11, Issue: 6; Date of Publication: Dec 2002; Pages: 815–8289) einen Ansatz vor, bei dem die porösen Multilayerschichten auf ein sehr spezielles Kippelement gebracht werden, das über einen relativ großen Winkelbereich durch eine thermomechanische Bewegung gekippt werden kann. Ebenfalls über ein Kippbewegung wird von Huseyin R. Seren, Sven Holmstrom, N. Pelin Ayerden, Jaibir Sharma, and Hakan Urey ein Ansatz beschrieben, bei dem ein Beugungsgitter das wellenlängendispersive Element bildet, das elektrostatisch verkippt wird, wodurch sich entsprechend die Wellenlänge verschieben läßt (Lamellar-Grating-Based MEMS Fourier Transform Spectrometer, Journal of microelectromechanical systems, Vol. 21, No. 2, April 2012). Auch eine piezoelektrische Verkippung von Beugungsgittern wurde in der Literatur bereits beschrieben (Shih-Jui Chen, Derrick Chi, Joe Lo, Eun Sok Kim, Arrayed, Piezoelectrically-Actuated Mirrors and Gratings for Spectrometer, NSTI-Nanotech 2010, ISBN 978-1-4398-3402-2 Vol. 2, 2010). Durch manuelles Verkippen und damit Änderung des Einfallswinkels eines Lichtstrahls zum Multilayerelement wird in [G. Mattei, A. Marucci, V. A. Yakovlev, and M. Pagannone, Porous Silicon Optical Filters for Application to Laser Technology, Laser Physics, Vol. 8, No. 3, 1998, pp. 755–758] die Peakwellenlänge eines Bragg-Reflektors um 140 nm verschoben. Demgegenüber wird in DE60130363 ein verstellbares Filtersystem beschrieben, bei dem die unterschiedlichen Filtercharakteristiken (Wellenlängen) räumlich verteilt auf einem Filtermaterial vorliegen, das gegenüber einem Lichtstrahl mit einem speziellen Bewegungsmechanismus verschoben werden kann. Die Bewegung kann dabei piezoelektrisch, elektrostatisch, magnetostatisch, elektromagnetisch oder thermisch (Ausdehnungskoeffizient) erfolgen. Die Bewegung wird dabei durch eine geeignete reibschlüssige Verbindung erzeugt.
Die Erfinder sehen im Vergleich zu den vorgenannten Lösungen einen Bedarf an sehr schnellen (bis zu kHz), preiswerten (chipbasierten) Lösungen, mit denen einerseits ein großer Wellenlängenbereich abgedeckt werden kann (aktive Verschiebung der Wellenlänge um ca 100 nm), die Filtercharakteristik ausreichend schmalbandig (10 nm) und der Arbeitspunkt flexibel vom Sichtbaren bis ins Infrarote eingestellt werden kann.
2 Beschreibung/Darstellung der Erfindung:
Das System besteht aus den folgenden wesentlichen Komponenten:

• Durch eine (passive) Multilayerstruktur (Bild 1) aus porösem Silizium (1a) wird der grobe Wellenlängenbereich je nach Anwendung vom UV bis zum MIR eingestellt. Dabei wird der Brechungsindex der einzelnen Schichten durch deren Porosität bestimmt. Die Porosität wiederum wird durch Prozessparameter (insbesondere Stromdichte) des elektrochemischen Ätzprozesses in gewünschter Weise eingestellt, so dass die spektrale Charakteristik die gewünschte schmalbandige Form mit weitgehend unterdrückten Nebenbanden aufweist. Dies wird durch einen Brechungsindexverlauf eines Rugatefilters mit Anpassung an die Grenzflächen „Luft” (1b) oder anderes Medium oberhalb des Chips und Silizium (1c) erreicht („Indexanpassung”). Der optische Filter kann dabei grundsätzlich als Bragg-, Rugate- oder Fabry-Perot-Filters ausgelegt werden (Bild 2). Die optische Filterfunktion wird durch geeignet gewählte Brechungsindizes in aufeinander folgenden sehr dünnen Schichten (λ/4-, λ/2-Schichten), realisiert. Die dünnen Schichten bestehen dabei aus porösen Siliziumschichten mit periodisch unterschiedlichem Brechungsindex und geeignet eingestellter Dicke (z. B. gemäß Gl. {1} für DBR). Die Herstellung dieser Multilayerschichten erfolgt mit einem einfachen elektrochemischen Verfahren und ist daher trotz der hohen Anforderungen sehr preiswert. Für Anwendungen im UV wird die Bildungsrate der Multilayerstrukturen durch Arbeiten bei tiefen Temperaturen gezielt abgesenkt, um die hier erforderliche höhere absolute Genauigkeit (Einzelschichten < 75 nm) zu erreichen.
• Die spektrale Lage z. B. des Reflexionspeaks eines Bragg-Filters wird durchstimmbar verändert. Dazu wird gemäß Bild 3 das Filterschichtsystem monolithisch in eine miniaturisierte, drehbare Si-Platte (3a) integriert, die über speziell ausgeführte Aufhängungen (3b) mit dem Chiprand bzw. Substrat (3c) verbunden ist und die bevorzugt mit Hilfe von Elektroden (3d) elektrostatisch oder aber elektromagnetisch ausgelenkt werden kann zur schnellen Modulation im kHz-Bereich mit ca. ±70 nm Bandbreite bzw. additiv eine Befüllung der Schichten (langsame Modulation im Sekundenbereich über größeren Wellenlängenbereich) erlaubt (opto-fluidischer Systemansatz). Gemäß Bild 4a werden für die Variation der Wellenlänge durch Befüllung, dem Chip geeignete Flüssigkeiten oder Dämpfe (z. B. Alkohole) zugeführt. Der Chip befindet sich dazu in einer geeigneten, mit Zu- und Abführungen (4a) versehenen Kammer (4b), wobei sowohl der Grad der Befüllung wie der (variable) Brechungsindex der gewählten Flüssigkeit (Mischung verschiedener Alkohole im Bereich Ethanol bis Toluol) zur Variation des Brechungsindex eingesetzt werden kann. Die Befüllung kann grundsätzlich von der Oberfläche, der Rückseite (in diesem Fall werden freitragenden Filterschichten durch Wegätzen der Trägerschicht Si (Substrat) (1c) erzeugt) oder gemäß Bild 4b und Bild 4c über speziell in das Substrat hineingeätzte grabenartige Bereiche (4c) um die Multilayerstruktur herum und damit von den Seiten der typisch nur wenige μm dicken Multilayerstruktur (1a) erfolgen. Bevorzugt wird eine Befüllung von den Seiten und der Rückseite (bei Reflexion) vorgesehen, um einen Einfluss der Flüssigkeit selbst (bzw. Flüssigkeitsfilms auf der Oberfläche) zu vermeiden. Drehvorrichtung des Spiegels (Filters) und fluidische Strukturen wie auch die zugehörigen Elektroden werden mikrotechnisch im gleichen Substrat (Silizium) (1c) ausgebildet. Um oder auch auf der Multilayerstruktur kann eine Heizung (4d) in Dünnschichttechnik vorgesehen werden, um nach Befüllung die Poren auch wieder sehr schnell entleeren zu können bzw. die gewünschte Arbeitstemperatur zur Beeinflussung der Befüllung einstellen zu können.
• Gemäß Bild 5 wird in Kombination mit einer abgestimmten Optik bestehend aus Lichtquelle (5a), abbildenden Optiken (5c), den Drehspiegel mit Multilayerstruktur (1a) als Raumfilter wirkenden Austrittsspalt (5d) und ebenfalls miniaturisiertem, drehbarem Si-Korrekturspiegel (5b) mit dieser Technologie auch eine abstimmbare Lichtquelle für ein scannendes Verfahren der Bildgebung ermöglicht. Der Korrekturspiegel (5b) dient dabei zur Kompensation der Winkeländerung bei Drehen des Filters (1a) im Strahlengang, d. h. die Ansteuerung erfolgt genau synchronisiert durch Wahl des Winkels β passend zum Winkel α (vgl. Bild 5). Der Spiegel (5b) kann dabei mit einer breitbandig gleichmässig reflektierenden Fläche (z. B. aus Aluminium) oder als Multilayerstruktur ausgelegt sein. Im letzteren Fall kann man durch leichte Verschiebung des Reflektionspeaks dieser (passiven, also nicht veränderbaren) Multilayerschicht (5b) gegenüber der kippbaren Multilayerstruktur (1a) z. B. um 5 nm (durch Steuerung der Schichtdicken bei der Herstellung oder geeigneter Befüllung) und durch Faltung zweier schmalbandiger Reflexionsspektren die Bandbreite noch einmal deutlich reduzieren (auf 2–5 nm).
• Zur Optimierung des Füll- und insbesondere Leerungsverhaltens der Multilayerstrukturen werden um die poröse Schicht herum Heizelemente (4d) vorgesehen, über die die Schichten auf Temperaturen erhitzt werden können, bei denen das Füllmedium selbst aus den Nanoporen heraus verdampft (Bild 4b). Gleichzeitig wird die mit der Füllung und Entleerung der Schichten einhergehende Änderung der Impedanz durch geeignete Aufnahmeelektroden (4e) gemessen. Die Elektroden können entweder durch Kammelektroden auf der Oberfläche oder durch flächige Oberflächen im Randbereich der optisch aktiven Oberfläche und auf der Rückseite der Filterschicht vorgesehen werden. Letzteres ist insbesondere für dünne, freitragende Filterschichten, die auch in Transmission betrieben werden können, sinnvoll. Bei Kammelektroden sind die Breiten der Elektroden auf der Oberfläche bevorzugt deutlich kleiner als die genutzte Arbeitswellenlänge zu wählen, was beim heutigen Stand der Lithographie möglich ist. Auf diese Weise wird eine Störung der optischen Eigenschaften der Oberfläche vermieden.
• Die durch die Befüllung eingestellte Arbeitswellenlänge kann durch die Änderung der Impedanz der Multilayerschicht (1a) gemessen werden. Dazu werden Elektroden (4e) auf dem Chip mittels Dünnschichttechnik aufgebracht.

Die schmalbandigen optische Filter werden mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses (Anodisierungsprozess von Silizium in HF/Ethanol Elektrolyt) realisiert. Dabei werden poröse Multilayerschichten aus Silizium (1a) mit unterschiedlichen Brechungsindizes durch einfache zeitliche Variation des Ätzstromes erzeugt. Diese Multilayer bilden z. B. einen Bragg-Filter als zunächst passives optisches Element. Bragg-Filter bestehen dabei aus aufeinander folgenden Schichten mit hohen (n_H) und niedrigem (n_L) Brechungsindex und zugehörigen Schichtdicken d_H und d_L, die folgende Bedingung erfüllen müssen: n_H·d_H = λ/4 = n_L·d_L {1}
Das Reflexionsspektrum kann durch Optimierung des Brechungindexverlaufs (Apodisierung und Indexanpassung an die angrenzenden Schichten) noch schmalbandiger gestaltet werden (Rugate-Filter). Mit dieser Methode können derzeit bereits Peakbreiten von ca. 10 nm erreicht werden. Im Vergleich zu dielektrischen Schichten sind die elektrochemisch hergestellten Multilayer flexibler, schneller und billiger zu erzeugen. Ziel der Erfindung ist es, die spektrale Auflösung ohne Gitter und Spalte – und damit bei im Vergleich dazu viel höherer Lichtintensität und besserer Nutzbarkeit für bildgebende Verfahren – auf wenige nm zu reduzieren, um trotz Miniaturisierung und hoher Lichtintensität für die Analytik ausreichende Auflösung zu erzielen. Die Bandbreite des Filters wird bei DBR- oder Rugate-Filtern durch die Anzahl der beteiligten Schichten und durch die Differenz der Brechungsindizes von aufeinanderfolgenden Schichten erzielt: grundsätzlich wird eine kleine Bandbreit durch eine große Schichtzahl erreicht (z. B. > 60), da aber die mögliche Schichtzahlung durch Substratdicke, in der die Multilayerstruktur eingebettet wird, und vor allem durch die innere Spannung der porösen Schicht begrenzt wird sind auch weniger Schichten (z. B. 40) möglich. Auch die Brechungsindexdifferenz muss passend gewählt werden, um die Bandbreite im gewünschten Sinne zu beeinflussen (z. B. Schichten mit n_L = 1.38 und n_H = 1.48). Zur besseren Steuerbarkeit der Porosität und der Dicke der einzelnen Schichten wird die elektrochemische Bearbeitung der Multilayerschichten bevorzugt bei niedrigen Temperaturen (z. B. 275 K) durchgeführt und auch durch gepulste Stromsteuerung erzielt. Rugate-Filter mit sogenannter Apodisierung und Anpassung des Brechungsindex an Deck- und Substratschicht haben im Vergleich zu DBR reduzierte Seitenbanden, erhöhen also ohne weitere Filtermaßnahmen die spektrale Reinheit (Bild 2a).
Alternativ können Fabry-Perot-Schichtfolgen eingesetzt werden (Bild 2b und Bild 2c), bei denen in der Reflexionsbande scharfe Reflexionseinbrüche auftreten. Fabry-Perot-Filter werden aus zwei planparallelen „Spiegeln” und einer zwischenliegenden dielektrische Schicht gebildet. Als „Spiegel” werden Multilayer-Bragg-Reflektoren gewählt, die aus hoch- und niedrigbrechenden, dielektrischen λ/4-Schichten bestehen (s. o.).
Die Dicke der Zwischenschicht kann λ/2 oder λ sein. Im Bereich des scharfen Reflexionseinbruch erhält man im Transmissionsmodus ein Transmissionspeak, falls die Arbeitswellenlänge (spektrale Lage dieses Transmissionspeaks) in einem Wellenlängenbereich liegt, bei dem die Schichten kaum oder nur wenig Licht absorbieren. Für die in diesem Patent erforderliche Anwendung können Fabry-Perot-Filter im Transmissionsmode in das Gesamtsystem integriert werden (freitragende poröse Filter).
Für schnelle Modulierbarkeit der Wellenlänge im kHz Bereich wird die spektrale Lage des Reflexionspeaks dadurch verändert, dass die gewählte Multilayerstruktur monolithisch in der Oberfläche eines z. B. elektrostatisch drehbaren Si-Mikrospiegels (Bild 3, Si-Plattenelement mit Kantenlänge von einigen Millimetern) als MOEMS-Bauelement (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) integriert wird. Für die Veränderung der Wellenlänge durch eine Winkeländerung des Si-Mikrospiegels gilt:
wobei λ₀ die Wellenlänge des durch die Verkippung verschobenen Peaks, λ die Wellenlänge des ursprünglichen Peaks, n_med der Brechungsindex der Luft (oder der Befüllung) und n_eff der effektive Brechungsindex der Multilayerschicht sind. α ist der Einfallswinkel des Lichts auf die optische Multilayerschicht (siehe Bild 5).
Durch Drehung des Si-Mikrospiegels wird die optische Weglänge in den porösen Siliziumschichten gezielt und sehr schnell (ms) verändert. Der Drehbereich des Si-Mikrospiegels muss bis auf ±25° ausgelegt werden und der Brechungsindexverlauf der porösen Siliziumschichten (Apodisierung und Indexanpassung an die angrenzenden Schichten) optimiert werden. Die Neigung des Spiegels ist dabei dadurch begrenzt, dass durch eine nicht gleichartige Änderung der Weglänge des Lichtes in den zwei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex bei Drehung eine Verstimmung der Bedingung z. B. nach Gleichung {1} resultiert, was die spektrale Reinheit des optischen Antwortverhaltens beeinflusst. Die Größe der möglichen Verkippung wird daher von der gewünschten Qualität des Spektrums und durch die aktorische Realisierung begrenzt. Nach Simulationen und auch ersten orientierenden Messungen erreicht man mit der Verkippung alleine eine typische Verschiebung der Wellenlänge von ca. 60 nm, da bei großen Einfallswinkeln unterschiedliche Brechungswinkel in aufeinanderfolgenden Schichten (mit hohem – n_H- und niedrigem – n_L-Brechungsindex) zu einer Veränderung der Gl. {1} in den beiden Schichten bei nicht senkrechtem Lichteinfall führen.
Ein erweiterter, größerer Verstellbereich der Wellenlänge wird additiv durch eine aktive Beeinflussung der Brechzahl der beteiligten Multilayerstrukturen unter Ausnutzung kapillarer Kondensation in den mikroporösen Schichten erfolgen. Allerdings wird in diesem Fall die Zeitauflösung im Vergleich zur mechanischen Verstellung (Kippen) deutlich langsamer sein (angestrebt: < s). Ein besonderer Vorteil der Wellenlängenverschiebung durch Kombination der Verkippung mit der Befüllung ist, dass beide Wirkungen sich verstärken: während durch Verkippung eine Blauverschiebung (Bild 6c) erreicht wird, wird durch Befüllung eine Rotverschiebung (Bild 6d) des Spektrums erreicht. Dadurch erhöht sich insgesamt der durchstimmbare Bereich auf über 100 nm. Erste orientierende Untersuchungen wurden mit einem Aufbau realisiert, bei dem mittels Fasereinkopplung Licht unter unterschiedlichem Eintrittswinkel auf einen feststehenden Multilayer-Chip traf und mit einer weiteren Faser ausgekoppelt wurde (Bild 6a). Damit konnte eine Wellenlängenverschiebung von 60 nm erzielt werden (Bild 6c). Die Wellenlängenverschiebung mittels Befüllung wurde im Rahmen der Arbeiten zur Sensorik bereits gezeigt (Bild 6d).
Integration
Die oben beschriebene Schlüsselkomponente ermöglicht ein sehr klein bauendes Gesamtsystem eines Monochromators oder Spektrometers für die Analytik bei geringen Kosten für Fertigung in großem Nutzen (bei großen Stückzahlen). Diese besteht z. B. aus einer Weißlichtquelle (z. B. Weißlichtdiode), abbildende Optiken und der Auskopplung des im System erzeugten monochromatischen Lichts z. B. mittels Lichtwellenleiter. Neben Weißlichtquellen sind auch LEDs möglich, deren spektrale Breite der aktiven Wellenlängenverschiebung der Filter (z. B. 100 nm) entspricht. Das miniaturisierte Gesamtsystem benötigt auch Ein- und Auskopplung des Lichts und zugehöriger Optik (schematisch in Bild 5 gezeigt).
Aus der Palette von bereits bekannten Lösungen für die Aufhängung sind einige mögliche Bauformen in Bild 3 dargestellt. Die Lösungen selbst sind nicht Teil des Patents (Stand der Technik). Auch bezgl. der erforderlichen Winkelauslenkung von +–25° sind in der Literatur passende Lösungen beschrieben worden für miniaturisierte Spiegel, auf die hier Bezug genommen wird. Die Antriebsprinzipien und Bauformen dieser Kippvorrichtungen sind auch nicht Bestandteil des Patents.
2.3 Anwendungen:
Mit dieser Schlüsselkomponente sind neue Ansätze bei bildgebenden optischen Analyseverfahren, dem sogenannten „Chemical-(Spectral-)Imaging- möglich. Die hier beschriebene Lösung kann dabei sowohl im Spektrometermod oder im Monochromatormod betrieben werden.
Bezugszeichenliste
Bild 1

1a: Multilayerschicht aus porösem Si
1b: Luft (über Multilayerschicht oder anderes Medium)
1c: Silizium
1d: SiN
1e: hochdotiertes Silizium
1f: poröses Silizium mit Brechungsindex n_H
1g: poröses Silizium mit Brechungsindex n_L
1h: Weg des Lichts
1i: poröses Silizium mit Schichtticke = λ/4
1j: poröses Silizium mit Schichtticke = λ/2

2a: n_H = 1,57; n_L = 1,38
2b: n_H = 1,51; n_L = 1,38
2c: n_H = 1,48; n_L = 1,38
2d: n_H = 1,9, n_L = 1,27 und d_HH = 157,9 nm
2e: n_H = 1,48, n_L = 1,27 und d_HH = 202,8 nm
2f: Titel der horizontalen Achse: Wellenlänge [nm]
2g: Titel der vertikalen Achse: Reflexionsgrad [%]

3a: Spiegel-Ebene aus Silizium (mit Multilayerschicht)
3b: Drehbalken
3c: Verankerung zum Si Substrat
3d: Gegenelektrode
3e: Aufhängung

4a: Zu- und Abführung für Befüllungsmedium (Gas oder Flüssigkeit)
4b: Kammer
4c: Grabenartiger in das Substrat hinein geätzter Bereich
4d: Heizung
4e: Elektroden (zur Impedanzmessung)
4f: optisches Fenster

5a: Lichtquelle
5b: Korrekturspiegel mit einstellbarem Winkel β
5c: Konvexe Linse
5d: Austrittsspalt

6a: Dicke Faser zur Lichtquelle (Weißlicht)
6b: Dünne Faser zum Spektrometer
6c: ohne Ethanol
6d: mit Ethanol
6e: Einfallswinkel 0°
6f: Einfallswinkel 30°
6g: Titel der horizontalen Achse: Einfallswinkel [°]
6h: Titel der vertikalen Achse: Peak-Position [nm]

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6591035 [0003]
US 7088884 [0003]
DE 102008059158 [0003]
US 7002697 [0003]
DE 60130363 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

MS and Miniaturized Systems VII, edited by David L. Dickensheets, Harald Schenk, Proc. of SPIE Vol. 6887, 68870C, (2008) · 0277-786X/08/$18 · doi: 10.1117/12.759165 [0003]
Lammel et al stellen in Tunable Optical Filter of Porous Silicon as Key Component for a MEMS Spectrometer (Microelectromechanical Systems, Journal of; Volume: 11, Issue: 6; Date of Publication: Dec 2002; Pages: 815–8289) [0004]
Lamellar-Grating-Based MEMS Fourier Transform Spectrometer, Journal of microelectromechanical systems, Vol. 21, No. 2, April 2012 [0004]
Shih-Jui Chen, Derrick Chi, Joe Lo, Eun Sok Kim, Arrayed, Piezoelectrically-Actuated Mirrors and Gratings for Spectrometer, NSTI-Nanotech 2010, ISBN 978-1-4398-3402-2 Vol. 2, 2010 [0004]
G. Mattei, A. Marucci, V. A. Yakovlev, and M. Pagannone, Porous Silicon Optical Filters for Application to Laser Technology, Laser Physics, Vol. 8, No. 3, 1998, pp. 755–758 [0004]

Claims

Adaptiver optischer Filter bzw. spektral einstellbare Lichtquelle dadurch gekennzeichnet, dass – Multilayerstrukturen aus porösem Silizium verwendet werden, wobei die Multilayer in einem einfachen elektrochemischen Ätzprozess erzeugt und mit einem geeigneten Brechungsindex versehen werden, – die spektrale Antwortfunktion der Multilayerstruktur durch den von der Porosität abhängigen Brechungsindex der einzelnen Schichten und deren Dicke (abhängig von der Anodisierungszeit) eingestellt wird (Reflexionspeak oder Transmissionspeak), – die Herstellbedingungen, insbesondere die Stromdichte, bei der Herstellung zeitlich so gesteuert werden, dass die einzelnen Schichten durch Brechungsindex und Schichtdicke λ/4 oder λ/2-Schichten bilden und die spektrale Antwortfunktion einem Rugate-Filter mit Apodisierung entspricht, so dass die spektrale Breite des Reflexionspeaks ca. unter 10 nm liegt und die Reflexionsseitenbanden weitgehend (weniger als 10% vom Peak) unterdrückt sind, – die Peakwellenlänge durch eine in den Herstellungsablauf und damit in den Chip, auf dem die Multilayerstrukturen ausgebildet werden, mitintegrierte Kippeinrichtung spektral sehr schnell verschoben werden kann. Aufhängung und Antrieb werden dabei so gestaltet, dass die Verkippung bei Frequenzen von typisch 1 kHz erfolgen kann. Für die Verkippung werden bevorzugt elektrostatische oder elektromagnetische Antriebe verwendet (monolithische Integration von optischem und mechanischem Bauelement). Aufhängung sind dabei mikromechanisch so zu gestalten, dass die Resonanz des Kippelements deutlich über der gewünschten Arbeitsfrequenz (z. B. 1 kHz) der Verkippvorrichtung liegt, – zusätzlich zur Kippbewegung eine (langsamere) Wellenlängenverschiebung durch Befüllung mit geeigneten Medien (z. B. Alkohole mit Brechungsindex passend zu den Brechungsindizes der Multilayerstrukturen) erreicht wird. Dadurch ist insbesondere eine Feineinstellung der Arbeitswellenlängen möglich, ohne den Herstellungsablauf der Multilayerstrukturen zu verändern. Damit können für unterschiedliche Arbeitswellenlängen identische Multilayerstrukturen verwendet werden, was aus Kostengründen Vorteile bringt. Hierzu wird der Chip mit den Multilayerstrukturen in eine Kammer gebracht, die mit dem Medium gefüllt werden kann. Die Ein- und Auskopplung von Licht erfolgt dann über ein für den Wellenlängenbereich transparentes optisches Fenster. Zusätzlich können Heizstrukturen vorgesehen werden, mit denen das Füllmedium auf Temperaturen oberhalb des Verdampfungspunktes geheizt werden kann, damit ist eine schnellere Entleerung der Poren möglich. Die Änderung des Füllgrads ist mit einer Impedanzänderung der Multilayerstrukturen verknüpft. Daher kann die Einstellung des Arbeitspunktes über die Impedanzmessung erfolgen. Dazu werden auf der Multilayerstrukturen Kammelektroden vorgesehen. Diese liegen im Randbereich außerhalb der optisch aktiven Oberfläche oder sind so ausgelegt, dass sie optisch nicht stören (Breite der Kammelektroden << Arbeitswellenlänge). Bei freitragenden Filterschichten, wie sie im Transmissionsmode erforderlich sind, kann auch eine flächige Elektrodenanordnung auf der Ober- und Unterseite des Chips erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Filter für den Monochromator-Modus mit geeignetem, breitbandigem Licht bestrahlt werden. Je nach Einsatzgebiet kann diese eine Weisslichtquelle oder auch eine LED mit geeignet großer Bandbreite sein (Bandbreite mindestens so groß wie der aktiv einstellbare Wellenlängenbereich des spektral verschiebbaren Filters, – die Filter im Spektrometermodus mit dem zu analysierenden Licht beschienen werden und durch das Verschieben der Filtercharakteristik das Licht spektral sehr schnell abgerastert werden kann. In diesem Fall wird das Licht, das von einer zu analysierenden Oberfläche abgestrahlt wird, auf einen Detektor mit ausreichend breiter Empfindlichkeit abgebildet. Durch Synchronisierung der Strahlabtastung mit dem Sensorausgangssignal kann dann die Lichtverteilung bestimmt werden, – Synchron mit der Verkippung der Multilayerschicht bezüglich des eintreffenden Lichts eine zweite Spiegelverkippvorrichtung so bewegt wird, dass in Verbindung mit einer geeigneten Optik das Licht immer unter gleichem Winkel und gleicher Richtung austritt, unabhängig von der Stellung des primären Spiegels. Die Oberfläche des 2. Spiegels kann dabei spektral breitbandig reflektieren oder aber eine ähnliche, aber nicht identische spektrale Charakteristik wie der Primärspiegel mit den Multilayerschichten aufweisen. In letzterem Fall wird auch der Sekundärspiegel aus porösen Multilayerschichten ausgebildet. Die spektrale Antwortfunktion (Reflexionsspektrum) kann dann durch den Herstellungsprozess (Wahl der Porosität und daher des Brechungsindizes, Dicke der Schichten) eingestellt werden oder aber durch eine Befüllung des Sekundärspiegels leicht spektral verschoben werden. Durch Faltung der beiden Reflexionsspektren wird eine weitere Reduktion der Bandbreite des ausgekoppelten Lichts auf ca. 2–5 nm erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 in einer Variante dadurch gekennzeichnet, – dass der Chip im Bereich der Multilayerstruktur soweit gedünnt wird von der Rückseite, dass auch ein Betrieb in Transmission möglich ist. Die Dünnung kann dabei bevorzugt dadurch erzielt werden, dass die Multilayerstruktur in einer bereits auf die gewünschte Dicke reduzierte Siliziummembran erzeugt wird oder nach Herstellung der porösen Multilayerstruktur die Ätzparameter auf Elektropolieren umgestellt werden, so dass das unter den Multilayern liegende Si-Substrat abgetragen wird. Die Siliziummembran wird dabei bevorzugt durch einen SOI-Wafer realisiert, wobei die Oxidschicht (BOX) vor Herstellung der Multilayerstrukturen selektiv gegen die die Membran bildende Si-Schicht (device layer) entfernt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1 in einer Variante dadurch gekennzeichnet, – dass von der Oberfläche her um die Multilayerstruktur herum Gräben definiert werden, die bei der Variante der Wellenlängenänderung durch Befüllung ein schnelleres und homogeneres Befüllen und Entleeren der Poren mit dem Füllmedium erlaubt und eine Aufnahme überflüssiger Füllflüssigkeit erlaubt, so dass auf der Oberfläche keine Flüssigkeit entsteht.
Das Verfahren nach Anspruch 1 in einer Variante dadurch gekennzeichnet, dass – von der Rückseite Gräben vorgesehen werden, über die das Füllmedium in die Multilayerstruktur eingebracht werden, so dass die dem Licht zugewandte Oberseite der Multilayerstruktur frei von Tropfen des Füllmediums bleibt, – die Oberflächen bei diesen Herstellungsverfahren einen hydrophoben Charakter haben.
Das Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass – durch parallel angeordnete Filter und Scaneinheiten ein Gesamtsystem entsteht, das in der Verwendung als Spektrometer ein breites Spektrum von ca. 300 nm–3000 nm analysieren kann, indem die einzelnen Filter im Gesamtsystem unterschiedliche Arbeitswellenlängen in dem gewünschten Spektralbereich aufweisen, – bei Verwendung als Monochromator in Verbindung mit einer Lichtquelle parallel angeordnete Filter und Scaneinheiten so aufeinander abgestimmt werden, dass die einzelnen Systeme einen kleinen Wellenlängenbereich von 50–100 nm um eine bestimmte Arbeitswellenlänge abscannen können und die jeweiligen, auf die einzelnen Filter bezogenen Arbeitswellenlängen so gewählt werden, dass der gesamte gewünschte Spektralbereich abgedeckt wird.