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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auf beliebige optische Materialien anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Silizium erläutert.
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Bei der Verwendung von Silizium als Basismaterial für mikromechanische Bauteile in optischen Anwendungen, z.B. für Mikrospiegel für Projektionsanwendungen, wie aus der
WO 2009/019086 A1 bekannt, spielen das Reflexionsvermögen und das Absorptionsvermögen der Oberfläche eine große Rolle.
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Auf der eigentlichen Spiegelfläche eines Mikrospiegels ist ein hohes Reflexionsvermögen gefordert. Silizium hat für sichtbares Licht bei senkrechtem Einfall einen Reflexionsgrad von nur ca. 35 %. Um den Reflexionsgrad auf derartigen Spiegelflächen auf ein höheres Niveau zu heben, können dünne metallische Schichten, z.B. aus Silber oder Aluminium, aufgebracht werden. Mit Silber erreicht man für sichtbares Licht einen Reflexionsgrad von etwa 95 %. In anderen Bereichen des Bauteils wiederum, d.h. auf allen Siliziumflächen mit Ausnahme der eigentlichen Spiegelfläche, z.B. an den Verankerungen eines Drehspielgels, soll die Oberfläche das Licht möglichst effektiv absorbieren. Licht, das nämlich von diesen Oberflächen reflektiert wird, erzeugt gewöhnlich unerwünschte Reflexe, die im Fall des Mikrospiegels als Artefakte im erzeugten Bild störend erscheinen können und den erreichbaren Kontrast stark mindern können.
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Typischerweise wird zur Erhöhung des Absorptionsgrades eines Substratmaterials in den betreffenden Bereichen eine Antireflexionsschicht auf dessen Oberfläche aufgebracht. Diese besteht aus einer dünnen Schicht eines transparenten Materials, dessen Brechungsindex zwischen dem von Luft und dem des Substratmaterials liegt.
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Ein Problem dieser Art der Oberflächenvergütung besteht darin, dass die Qualität der Oberflächenvergütung sowohl von der Wellenlänge als auch vom Einfallswinkel des Lichtes abhängt. Eine einfache Antireflexionsschicht wirkt also nur für eine Wellenlänge und einen Einfallswinkel optimal. Eine Verbesserung kann durch die Verwendung eines Schichtsystems aus verschiedenen Materialien erreicht werden. Eine optimale Vergütung für einen großen Wellenlängenbereich und für beliebige Einfallswinkel kann dennoch auch so nicht erreicht werden.
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Für die Anwendung des Mikrospiegels in einem Projektionsmodul kommen üblicherweise drei verschiedene Wellenlängen (rotes, grünes und blaues Licht) zum Einsatz. Insbesondere kann das Licht auf die Flächen aus einem großen Winkelspektrum einfallen. Eine absorbierende Schicht als Antireflexionsschicht, die von Wellenlänge und Winkel unabhängig ist, findet man in schwarzem Silizium (black silicon). Dieses schwarze Silizium ist eine Oberflächenmodifikation von Silizium, das bei reaktivem lonenätzen von Silizium mit bestimmten Prozessparametern entsteht, wie z.B. beschrieben in J. Micromech. Microeng. 5 (1995), Seiten 115 bis 120.
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Durch dieses dort beschriebene Ätzverfahren entstehen lange dünne Spitzen aus Silizium, welche mehrere 10 µm lang sein können und welche weniger als 1 µm im Durchmesser aufweisen können. Diese bedecken wie Gras die gesamte Siliziumoberfläche und lassen diese schwarz erscheinen, da sie das Reflexionsvermögen für sichtbares Licht drastisch reduzieren. Die feinen freistehenden Siliziumspitzen können jedoch bei folgenden Prozessschritten leicht zerstört werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Struktur nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mechanisch und thermisch stabile, geschlossene und chemisch inerte Oberfläche, die einen stegartigen bzw. netzartigen Substratbereich neben einem unstrukturierten Substratbereich aufweist.
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Die optischen Eigenschaften dieses stegartigen bzw. netzartigen Substratbereichs sind derart, dass er sichtbares Licht stark absorbiert. Die Absorption ist sowohl unabhängig vom Einfallswinkel des Lichts als auch von dessen Wellenlänge. Die Oberfläche erscheint daher schwarz. In diesen Eigenschaften hebt sich die erfindungsgemäße Struktur von den bisher bekannten Strukturen ab und kombiniert quasi die stabilen Eigenschaften einer bekannten Antireflexionsschicht, z.B. aus Siliziumnitrid, mit den besonderen optischen Eigenschaften von schwarzem Silizium.
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Die Herstellung erfolgt mit Standardverfahren der Mikrostrukturierung und lässt sich z.B. in den üblichen Prozessablauf für die Herstellung von Mikrospiegeln u.a. ohne zusätzlichen Prozessaufwand integrieren. Da die Strukturen in einem ersten Schritt mit Fotolithografie und reaktivem lonenätzen in das Silizium übertragen werden, können in diesem Schritt bereits alle Bereiche definiert werden, die absorbierend sein sollen, und solche, die das Reflexionsvermögen des Substratmaterials, z.B. des Siliziums, bzw. einer oder mehrerer darauf aufgebrachter dünner metallischer Schichten behalten sollen. Besonders die Möglichkeit, im anfänglichen Prozessschritt diese lichtabsorbierenden Bereiche zu strukturieren und anschließend nur mit minimaler Einschränkung weiterprozessieren zu können, ist äußerst vorteilhaft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die netzartige Struktur durch verbundene Stege getrennte Löcher auf. Eine derartige Netzstruktur ist besonders stabil herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die stegartige Struktur durch Stege getrennte Gräben auf. Diese Struktur weist besonders gute Absorptionseigenschaften auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die netzartige Struktur und/oder die stegartige Struktur mit einem ersten lichtdurchlässigen Material aufgefüllt, welches sich im ersten Bereich ganzflächig und im zweiten Bereich bis mindestens zur Oberseite erstreckt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Siliziumsubstrat und das erste lichtdurchlässige Material Siliziumoxid. Diese Materialkombination ist bei mikromechanischen Strukturen äußerst gut erprobt und beherrscht.
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Erfindungsgemäß ist die netzartige Struktur und/oder die stegartige Struktur an der Oberseite und am Boden und optional mit verringerter Schichtdicke auch an den Seitenwänden sowie der erste Bereich ganzflächig mit einer lichtreflektierenden Schicht bedeckt. So lässt sich das Reflexionsvermögen im Spiegelbereich erhöhen, ohne Einfluss auf den absorbierenden Bereich zu haben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die lichtreflektierende Schicht eine Metallschicht. In diesem Fall reicht eine sehr dünne Schicht, z.B. bei Silber oder Aluminium.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die netzartige Struktur und/ oder die stegartige Struktur eine Strukturtiefe im Bereich 30 bis 300 Mikrometer auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die netzartige Struktur und/oder die stegartige Struktur eine Strukturbreite im Bereich 0,5 bis 5 Mikrometer auf.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
- 1a),b) und 2a),b)
schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) und 2a) in Draufsicht und 1b) und 2b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a) bzw. 2a);
- 3a),b) und 4a),b)
schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3a) und 4a) in Draufsicht und 3b) und 4b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 3a) bzw. 2a);
- 5a),b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 5a) in Draufsicht und 5b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 5a); und
- 6a),b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 6a) in Draufsicht und 6b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 6a).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a),b) und 2a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) und 2a) in Draufsicht und 1b) und 2b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a) bzw. 2a).
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In 1a), b) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat mit einer Oberseite O und einer Unterseite U, auf dem eine Ätzmaske M, z.B. aus Siliziumnitrid, als Trenchätzmaske abgeschieden ist. Durch einen an sich bekannten Trenchätzprozess werden in einem Bereich 1b des Siliziumsubstrats Löcher G1, G2, G3 usw. mit dazwischenliegenden Stegbereichen ST1, ST2 usw. durch Vorhandensein von entsprechenden Löchern in der Ätzmaske M geätzt, welche den Bereich 1b zu einem netzartigen Substratbereich aus Silizium strukturieren. Die Ätzmaske M ist im Bereich 1a des Siliziumsubstrats geschlossen, weshalb dort kein Ätzangriff stattfindet und das Substratmaterial unstrukturiert bleibt.
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In einem darauffolgenden Prozessschritt, welcher in 2a),b) illustriert ist, findet dann nach Entfernen der Ätzmaske M eine thermische Oxidation der Oberseite O des Siliziumsubstrats 1 zur Bildung einer Siliziumoxidschicht 2 statt, wobei die Löcher G1, G2, G3 geschlossen werden und sich die Oxidation lateral im Bereich 1b in das Silizium hinein fortsetzt, wodurch sich die Stegbereiche ST1, ST2 verschmälern.
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Bei der thermischen Oxidation wird das Silizium in Siliziumdioxid umgewandelt, wobei die resultierende Siliziumoxidschicht 2 zu 45 % in das Silizium und zu 55 % aus dem Silizium herauswächst. Bereiche, welche später reflektierend sein sollen oder aufgrund anderer Funktionen keine netzartige Struktur aufweisen dürfen, werden an der Oberfläche oxidiert. Eine Strukturierung der Oberfläche oder z.B. Aufrauhung erfolgt jedoch nicht. Lediglich die Stegbereiche ST1, ST2 im Bereich 1b werden schmaler und die Gräben werden mit Siliziumdioxid gefüllt.
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Die resultierende netzartige Siliziumstruktur im Bereich 1b ist vorliegend durch die Vielzahl von Löchern G1, G2, G3 usw. als Folge des Ätzschrittes vorgegeben, welche beispielsweise in einer dichten bzw. dichtesten Kugelpackung angeordnet sind. Dabei werden die Größe und der Abstand der vorliegend kreisrunden Löcher G1, G2, G3 usw. nach dem Ätzschritt vorzugsweise derart gewählt, dass nach der thermischen Oxidation die in die Siliziumoxidschicht 2 eingebetteten Siliziumstege ST1, ST2 weniger als 1 µm breit sind.
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Nach der Oxidation erscheint die netzartige Siliziumstruktur im Bereich 1b tiefschwarz, da hier das Licht durch Mehrfachreflexion an den Stegbereichen ST1, ST2 eingefangen und schließlich absorbiert wird. Der unstrukturierte Bereich 1a des Substrats erscheint hell, da hier das Licht weiterhin gut an der Oberseite O des Substrats 1 reflektiert wird, wobei das Siliziumoxid an der Oberseite O' eine Reflektivität von nur 4% aufweist und ansonsten transparent für das Licht ist. Optional kann noch eine Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber, im Bereich 1a auf der Oberseite O vorgesehen werden, allerdings nicht im Bereich 1b, der ja absorbierend bzw. niedrig reflektierend bleiben soll.
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Optional kann die Siliziumoxidschicht 2 auch bis zur Oberseite O entfernt werden, z.B. in einem CMP-Schritt. Falls der natürliche Reflexionsgrad von Silizium bei der gewünschten Anwendung zu gering sein sollte, könnte dann optional noch eine Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber, im Bereich 1a auf der Oberseite O vorgesehen werden, allerdings nicht im Bereich 1b, der ja absorbierend bzw. niedrig reflektierend bleiben soll.
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3a),b) und 4a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3a) und 4a) in Draufsicht und 3b) und 4b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 3a) bzw. 4a).
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Der Ausgangszustand der zweiten Ausführungsform gemäß 3a), b) ist der Zustand gemäß 2a), b). Hiernach wird, wie in 3a), b) dargestellt, die Siliziumoxidschicht 2 durch einen Ätzschritt, beispielsweise in Flusssäure, entfernt. Übrig bleibt somit nur die netzartige Siliziumstruktur im Bereich 1b bzw. die ebene Oberseite O des Substrats im Bereich 1a. Da die netzartige Siliziumstruktur im Bereich 1b wabenartig durchgehend verbunden ist, ist sie mechanisch sehr stabil.
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Falls der natürliche Reflexionsgrad von Silizium bei der gewünschten Anwendung zu gering sein sollte, kann auch hier optional, wie in 4a), b) illustriert, eine Metallschicht 5, beispielsweise aus Aluminium oder Silber, ganzflächig über der Struktur gemäß 3a),b) abgeschieden werden, wobei die Dicke der Metallschicht 5 nur einige 10 nm zu betragen braucht.
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Die Metallschicht 5 belegt ganzflächig die horizontalen Bereiche des Substrats 1, also neben der Oberseite O des Bereichs 1a auch die Böden B der verbreiterten Gräben G1, G2, G3. Obwohl die Böden B mit der Metallschicht 5 bedeckt sind, absorbiert der Bereich 1b auch in dieser Ausführungsform das Licht sehr gut, da, wie oben beschreiben, an den Stegbereichen ST1, ST2 usw. eine Mehrfachreflexion auftritt.
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Bei dieser Ausführungsform ist es somit möglich, eine Erhöhung des Reflexionsvermögens im Bereich 1a durch die Abscheidung der Metallschicht 5 zu erzielen und gleichzeitig den Bereich 1b mit einem niedrigen Reflexionsgrad zu erhalten, ohne dass eine zusätzliche Strukturierung der Metallschicht 5 z.B. durch Lift-off oder einen späteren Ätzschritt erforderlich ist.
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5a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 5a) in Draufsicht und 5b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 5a).
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Bei der Ausführungsform gemäß 5a),b) ist keine netzartige Siliziumstruktur mit Löchern, sondern eine stegartige Struktur mit Stegen St1', St2' und dazwischenliegenden Gräben G1', G2', G3' usw. im absorbierenden bzw. nicht-reflektierenden Bereich 1b des Siliziumsubstrates 1 vorgesehen, wozu analog wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform eine Ätzmaske M im Zusammenhang mit einem in sich bekannten Trenchätzprozess verwendet wird. Der Prozesszustand gemäß 5a), b) entspricht dem Zustand unmittelbar nach dem Trenchätzprozess.
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Bei dieser dritten Ausführungsform erfolgt der Trenchätzprozess des Bereiches 1b gleichzeitig im Prozessfluss mit dem Freilegen (nicht dargestellter) großer Strukturen, wie z. B. einem Graben, der ein Spiegelelement umgibt. Hierbei wird zweckmäßigerweise beim Trenchätzverfahren einem reaktiven lonenätzverfahren, der ARDE-Effekt ausgenutzt, bei dem die Ätztiefe abhängig von der Größe der zu öffnenden Struktur ist. Bei dem ARDE-Effekt werden Strukturen mit kleinerer Öffnungsfläche weniger tief geätzt als Strukturen mit großer Öffnungsfläche. Beispielweise können gleichzeitig an anderer Stelle große Strukturen mit 250 µm Ätztiefe und der Bereich 1b mit 150 µm Ätztiefe geätzt werden. Wie aus 1b) ersichtlich, verengen sich die Gräben G1', G2', G3' mit zunehmender Ätztiefe.
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Bei dieser dritten Ausführungsform erfolgt im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen nach dem Trenchätzverfahren keine Oxidation. Vielmehr wird der Bereich 1b mit der Stegstruktur lediglich durch den Trenchätzprozess definiert.
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Optional kann bei dieser dritten Ausführungsform die Maske M entfernt werden. Desweiteren kann bei der dritten Ausführungsform analog zur zweiten Ausführungsform optional eine Metallschicht abgeschieden werden, um das Reflexionsvermögen im umstrukturierten Bereich 1a des Siliziumsubstrats 1 zu erhöhen, wobei auch hier das Abscheiden einer derartigen Metallschicht keinen Einfluss auf das Absorptionsvermögen des Bereiches 1b ausübt.
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6a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 6a) in Draufsicht und 6b) in senkrechtem Querschnitt entlang der Linie A-A' in 6a).
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Bei der vierten Ausführungsform gemäß 6a), b) ist ebenfalls eine stegartige Struktur wie bei der dritten Ausführungsform vorgesehen, wobei die Stege mit Bezugszeichen St1" und St2" bezeichnet sind und die dazwischen liegenden Gräben mit Bezugszeichen G1", G2" und G3" usw.
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Im Unterschied zur dritten Ausführungsform wird bei der vierten Ausführungsform der Trenchätzprozess derart eingestellt, dass in den unteren Bereichen der Gräben G1", G2", G3" sogenanntes Siliziumgras (schwarzes Silizium) entsteht, welches den Effekt der Lichtabsorption im Bereich 1b noch verstärkt.
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An Teststrukturen wurden Messungen durchgeführt, welche zeigen, dass bei geeigneter Wahl der stegartigen Struktur ebenso wie bei der netzartigen Struktur ein niedriges Reflexionsvermögen über einen großen Wellenlängenbereich erzielt werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen Silizium als Substratmaterial verwendet wurde, können auch andere Substratmaterialien, wie z.B. Germanium oder andere reflektierende bzw. mit einer Reflexionsschicht beschichtbare Materialien, verwendet werden.
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Auch sind die gezeigten stegartigen bzw. netzartigen Strukturen nur beispielsweise gewählt, und es können beliebige andere Strukturen mit Gräben, bzw. Löchern verwendet werden, um den gleichen Absorptionseffekt neben einer reflektierenden Fläche zu bewirken.
