DE102016217170A1

DE102016217170A1 - Interferometer, Miniaturspektrometer und Verfahren zur Herstellung eines Interferometers

Info

Publication number: DE102016217170A1
Application number: DE102016217170.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Huber; Michael Stumber; Benedikt STEIN; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Interferometer (1), umfassend eine Spiegelmembran (4) und einen Spiegel (3), • wobei die Spiegelmembran (4) von dem Spiegel (3) beabstandet angeordnet ist, • wobei die Spiegelmembran (4) und der Spiegel (3) einen optischen Resonator bilden, wobei die Spiegelmembran (4) mindestens eine Schicht (10) umfasst, welche aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und/ oder Siliziumboronitrid ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer, ein Miniaturspektrometer und ein Verfahren zur Herstellung eines Interferometers
Stand der Technik
In „MEMS and piezo actuator-based Fabry-Perot interferometer technologies and applications at VTT" (Antila et al., Proceedings of SPIE (2010)) ist ein Miniaturspektrometer mit einem stimmbaren MEMS-basierten Fabry-Perot Interferometer beschrieben. Der obere Spiegel ist als eine vorgespannte Membran mittels eines Bragg-Spiegels aus poly-Silizium und Siliziumnitrid ausgebildet.
In „Characterization of Silicon Nitride and Silicon Carbonitride Layers from 1,1,3,3,5,5-Hexamethylcyclotrisilazane Plasmas" (Brooks, Hess, Solid-State science and technology, Vol. 135, No. 12) sind Eigenschaften von Siliziumcarbonitrid beschrieben. Siliziumcarbonitrid Filme weisen eine hohe chemische Inertheit auf. Des Weiteren weisen Siliziumcarbonitrid Filme einen Brechungsindex und eine tensile Spannung auf, die über die Herstellungsbedingungen eingestellt werden können.
Kern und Vorteile der Erfindung
Interferometer können als durchstimmbare Fabry-Pérot Interferometer realisiert werden, bei denen die gewünschte Durchlasswellenlänge über einen Abstand der Spiegelstrukturen eingestellt werden kann. Fabry-Pérot Interferometer umfassen zwei Spiegelstrukturen, welche einen optischen Resonator bilden. Die beiden Spiegelstrukturen, welche meist jeweils eine Dicke im Bereich von ein bis drei Mikrometern (µm) aufweisen, können dabei auf zwei separaten Substraten, welche jeweils eine Dicke im Bereich von mehreren 100 µm aufweisen, hergestellt werden, wobei die Substrate den Spiegelstrukturen mechanische Stabilität verleihen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf einem einzelnen Substrat, beispielsweise einem Siliziumwafer, einen Spiegel, anschließend eine Opferschicht und abschließend eine Spiegelmembran abzuscheiden. Im Bereich der Apertur wird anschließend die Opferschicht entfernt, wodurch die Spiegelmembran über dem Spiegel in einem Abstand, der beispielsweise durch die Dicke der Opferschicht gegeben ist, freigestellt wird. Eine tensile mechanische Spannung der Spiegelmembran sorgt für eine mechanische Stabilität der Spiegelmembran, sodass sich die Membran insbesondere nicht unkontrolliert durchwölbt. Die Spiegelstrukturen bzw. der Spiegel und die Spiegelmembran können beispielsweise jeweils als Bragg-Spiegel (DBR = Distributed Bragg Mirror) ausgeführt sein. Bragg-Spiegel weisen alternierend optisch hoch- und niedrigbrechende dielektrische Schichten auf, wobei die Schichten eine optische Schichtdicke aufweisen, welche einem Viertel einer Wellenlänge, für die der Reflexionskoeffizient des Bragg-Spiegels optimiert ist, entspricht. Die optische Schichtdicke entspricht einer geometrischen Schichtdicke mit dem Brechungsindex der Schicht gewichtet. Die Schichten der Bragg-Spiegel des Interferometers können bevorzugt transparent für Wellenlängen sein, welche beispielsweise im Rahmen einer spektrometrischen Messung verwendet werden. Schichten, welche beispielsweise für Messungen im Nah-Infrarotbereich (NIR) eingesetzt werden, das heißt also für Wellenlängen größer 1100 Nanometer (nm), können beispielsweise aus Silizium als hochbrechendem Material ausgeführt sein, da Silizium einen hohen Brechungsindex von etwa 3,5 aufweist. Silizium ist mit Methoden der Mikromechanik gut bearbeitbar. Als niedrigbrechendes Material kann beispielsweise Siliziumnitrid (SiN) verwendet werden. Siliziumnitrid weist eine starke tensile mechanische Spannung und einen Brechungsindex von etwa 2 auf. Durch Variation der Stöchiometrie von Siliziumnitrid (SiN) können sowohl der Brechungsindex als auch die tensile mechanische Spannung, das heißt der tensile Stress, eingestellt werden. Eine Erhöhung des Siliziumanteils erhöht beispielsweise den Brechungsindex und reduziert die tensile mechanische Spannung der Schicht aus Siliziumnitrid (SiN).
Die Erfindung betrifft ein Interferometer, ein Miniaturspektrometer und ein Verfahren zur Herstellung eines Interferometers
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass Eigenschaften einer Spiegelmembran eines Interferometers optimiert werden können, wobei insbesondere optische und mechanische Eigenschaften der Spiegelmembran eingestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Interferometer eine hohe insbesondere mechanische und messtechnische Robustheit aufweist und mit üblichen Methoden der Oberflächenmikromechanik hergestellt werden kann.
Dies wird erreicht mit einem Interferometer, umfassend eine Spiegelmembran und einen Spiegel, wobei die Spiegelmembran von dem Spiegel beabstandet angeordnet ist und wobei die Spiegelmembran und der Spiegel einen optischen Resonator bilden. Das Interferometer zeichnet sich dadurch aus, dass die Spiegelmembran mindestens eine Schicht umfasst, welche aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und/ oder Siliziumboronitrid ausgebildet ist. Ein Vorteil ist, dass die mindestens eine Schicht somit einen niedrigen Brechungsindex aufweist, wodurch ein Brechungsindexkontrast zwischen der niedrigbrechenden Schicht und einem hochbrechenden Medium, beispielsweise Silizium für NIR-Anwendungen, erhöht werden kann. Somit kann eine Anzahl Schichten der Spiegelmembran bei gleichbleibendem Reflexions-Koeffizienten reduziert werden und ein spektraler Wellenlängenbereich, in dem die Spiegelmembran stark reflektiert, vergrößert werden. Somit können vorteilhafterweise Schritte bei einer Herstellung des Interferometers eingespart werden, wodurch das Herstellungsverfahren deutlich vereinfacht werden kann und eine Reduzierung der Herstellungskosten des Interferometers ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid so abgeschieden werden können, dass sie eine leichte tensile Spannung aufweisen, sodass ein Durchhängen oder Wölben der Spiegelmembran reduziert bzw. vermieden werden kann. Ein Vorteil ist, dass somit die spektrale Auflösung des Interferometers erhöht werden kann. Vorteilhafterweise sind Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid chemisch resistent gegenüber Ätzmedien wie beispielsweise Flusssäure (HF), welche beispielsweise bei einer Entfernung von Siliziumdioxid-Opferschichten beim Herstellen des Interferometers verwendet werden können.
In einer Ausführungsform kann die mindestens eine Schicht der Spiegelmembran aus Siliziumnitrid mit einer Beimischung von mindestens 1% Bor und/ oder mindestens 1% Kohlenstoff ausgebildet sein. Ein Vorteil ist, dass die Spiegelmembran durch die Beimischung einen niedrigen Brechungsindex, eine leichte tensile mechanische Spannung und eine hohe Resistenz gegenüber Ätzmedien aufweist, wobei Letzteres eine Degradierung der Spiegelmembran bei der Herstellung reduziert bzw. verhindert. Dies ist insbesondere vorteilhaft gegenüber reinen Siliziumnitrid Schichten.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Interferometer eine Einstelleinheit umfassen, welche dazu eingerichtet ist einen Abstand zwischen der Spiegelmembran und dem Spiegel einzustellen. Ein Vorteil ist, dass somit ein stimmbares Interferometer bereitgestellt werden kann, was beispielsweise bei Spektrometeranwendungen von Vorteil ist, sodass mehrere Wellenlängen unter Verwendung des Interferometers betrachtet werden können.
Ein Miniaturspektrometer, umfassend mindestens eine Lichtquelle, eine Detektionseinheit und das Interferometer kann vorteilhafterweise sehr kompakt ausgeführt werden, da die Spiegelmembran des Interferometers bei gleichem Reflexionskoeffizienten eine geringere Anzahl Schichten als herkömmliche Spiegel aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Vereinfachung der Prozesse bei der Herstellung und eine Reduzierung der Herstellungskosten ermöglicht werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Interferometers zeichnet sich dadurch aus, dass optische und mechanische Eigenschaften der Spiegelmembran des Interferometers durch eine Beimischung von Bor und/ oder Kohlenstoff in die mindestens eine Schicht eingestellt werden können. Ein Vorteil ist, dass zur Herstellung übliche Methoden, wie beispielsweise Ätzschritte zur Entfernung einer Opferschicht, angewandt werden können, ohne Einbußen in der Qualität und der Güte der Spiegelmembran zu erleiden. Weitere Vorteile ergeben sich aus den zuvor genannten Vorteilen des Interferometers.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
1 einen Querschnitt eines Interferometers,
2 einen Querschnitt eines Interferometers vor Entfernen einer Opferschicht,
3 eine Skizze eines Transmissionsspektrum eines Interferometers und eine schematische Darstellung eines Transmissionsverhaltens eines Interferometers,
4 eine Skizze eines Diagramms, welches eine Abhängigkeit eines Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 1300 nm einer Siliziumcarbonitrid-Schicht von einer Abscheidetemperatur zeigt,
5 eine Skizze einer Simulation, welche eine Abhängigkeit der Reflektivität von der Wellenlängen für zwei verschiedene Materialien einer niedrigbrechenden Schicht zeigt,
6 ein Verfahren zur Herstellung eines Interferometers und
7 eine Darstellung eines Miniaturspektrometers und eines Messobjekts.
1 zeigt einen Querschnitt eines Interferometers 1. Das Interferometer 1 umfasst einen Spiegel 3, welcher auf einem Substrat 2 angeordnet ist. Der Spiegel 3 kann beispielsweise als Bragg-Spiegel (DBR = Distributed Bragg Mirror) ausgeführt sein. Bragg-Spiegel weisen alternierend optische hochbrechende dielektrische Schichten 11 und niedrigbrechende dielektrische Schichten 10 auf, wobei die Schichten 10, 11 eine optische Schichtdicke aufweisen, welche einem Viertel einer Wellenlänge, für die der Reflexionskoeffizient des Bragg-Spiegels optimiert ist, entspricht. Die optische Schichtdicke entspricht einer geometrischen Schichtdicke mit dem Brechungsindex der Schicht 10, 11 gewichtet. Die Schichten 10, 11 der Bragg-Spiegel des Interferometers 1 können bevorzugt transparent für Wellenlängen sein, welche beispielsweise im Rahmen einer spektrometrischen Messung verwendet werden. Hochbrechende Schichten 11, welche beispielsweise im Rahmen von Messungen im Nah-Infrarotbereich (NIR) eingesetzt werden, das heißt also für Wellenlängen größer 1100 Nanometer (nm), können beispielsweise aus Poly-Silizium (polykristallines Silizium) als hochbrechendes Material ausgeführt sein, da Poly-Silizium einen hohen Brechungsindex von etwa 3,5 aufweist. Schichten aus Poly-Silizium sind mit Standard-Methoden der Mikromechanik gut herstellbar. Niedrigbrechende Schichten weisen beispielsweise einen Brechungsindex kleiner als zwei, insbesondere einen Brechungsindex kleiner als 1,75 auf. Eine Substratoberfläche 2‘, auf welcher der Spiegel 3 angeordnet ist, ist in 1 parallel zur x-y-Ebene angeordnet. Auf einer von der Substratoberfläche 2‘ abgewandten Seite des Substrats 2 kann beispielsweise eine Antireflexschicht angeordnet sein (in 1 nicht dargestellt). Die Schichten 10, 11 des Spiegels 3 in 1 sind jeweils parallel zur Substratoberfläche 2‘ aufeinander gestapelt angeordnet. In 1 umfasst der Spiegel 3 drei Schichten. Auf der Substratoberfläche 2‘ ist eine hochbrechende Schicht 11, beispielsweise aus Poly-Silizium, ausgebildet. Auf einer vom Substrat 2 abgewandten Seite der hochbrechenden Schicht 11 ist die niedrigbrechende Schicht 10 ausgebildet. Auf der niedrigbrechenden Schicht 10 ist eine weitere hochbrechende Schicht 11 angeordnet. Die niedrigbrechende Schicht 10 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid, Siliziumboronitrid oder anderen Materialien, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex der hochbrechenden Schicht 11 ist, ausgebildet sein. Der Spiegel 3 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch mehr als drei Schichten umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der erste Spiegel 3 mindestens eine Metallschicht umfassen. Alternativ oder ergänzend kann auf die an die Substratoberfläche 2‘ angrenzende hochbrechende poly-Siliziumschicht 11 verzichtet werden, da diese einen nahezu identischen Brechungsindex zum Siliziumwafer besitzt. Das Interferometer 1 umfasst des Weiteren eine Spiegelmembran 4. Eine Haltestruktur 6‘ hält die Spiegelmembran 4 auf einer vom Substrat 2 abgewandten Seite des Spiegels 3 in einem Abstand über dem Spiegel 3. Zwischen der Spiegelmembran 4 und dem Spiegel 3 ist somit eine Kavität 9 ausgebildet. Die Spiegelmembran 4 ist über dem Spiegel 3 freigestellt. „Freigestellt“ bedeutet hierbei insbesondere, dass die Spiegelmembran 4 auf beiden Seiten zumindest teilweise an Luft (oder allgemein ein kompressibles Fluid) oder Vakuum angrenzt. Die Spiegelmembran 4 und der Spiegel 3 bilden einen optischen Resonator. Die Spiegelmembran 4 kann beispielsweise als Bragg-Spiegel ausgeführt sein, wie dies in 1 gezeigt ist. Bragg-Spiegel weisen alternierend optische hochbrechende dielektrische Schichten 11 und niedrigbrechende dielektrische Schichten 10 auf, wobei die Schichten 10, 11 eine optische Schichtdicke aufweisen, welche einem Viertel einer Wellenlänge, für die der Reflexionskoeffizient des Bragg-Spiegels optimiert ist, entspricht. Die optische Schichtdicke entspricht einer geometrischen Schichtdicke mit dem Brechungsindex der Schicht 10, 11 gewichtet. Die Schichten 10, 11 der Bragg-Spiegel des Interferometers 1 können bevorzugt transparent für Wellenlängen, welche beispielsweise im Rahmen einer spektrometrischen Messung verwendet werden, sein. Hochbrechende Schichten 11, welche beispielsweise im Rahmen von Messungen im Nah-Infrarotbereich (NIR) eingesetzt werden können beispielsweise aus Poly-Silizium als hochbrechendes Material ausgeführt sein, da Poly-Silizium einen hohen Brechungsindex von etwa 3,5 aufweist. Die Schichten 10, 11 der Spiegelmembran 4 in 1 sind jeweils parallel zur Substratoberfläche 2‘ aufeinander gestapelt angeordnet. In 1 umfasst die Spiegelmembran 4 drei Schichten. Auf einer dem Spiegel 3 zugewandten Seite der Spiegelmembran 4 ist eine hochbrechende Schicht 11, beispielsweise aus Silizium, ausgebildet. Die hochbrechende Schicht 11 ist in 1 mit der Haltestruktur 6‘ verbunden. Auf einer vom Spiegel 3 abgewandten Seite der hochbrechenden Schicht 11 ist die niedrigbrechende Schicht 10 ausgebildet. Die niedrigbrechende Schicht 10 weist beispielsweise einen Brechungsindex kleiner als zwei, insbesondere einen Brechungsindex kleiner als 1,75 auf. Auf der niedrigbrechenden Schicht 10 ist eine weitere hochbrechende Schicht 11 angeordnet. Die Spiegelmembran 4 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch mehr als drei Schichten umfassen. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Schichten sowohl im Spiegel 3 als auch in der Spiegelmembran kann eine Erhöhung einer Reflektivität des Spiegels 3 und/ oder der Spiegelmembran ermöglicht werden. Die Reflektivität bezeichnet ein Verhältnis zwischen einer auf ein Element (hier: Spiegel 3 oder Spiegelmembran 4) einfallenden Strahlungsintensität zu einer von dem Element reflektierten Strahlungsintensität. Die niedrigbrechende Schicht 10 kann aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid oder Siliziumboronitrid ausgebildet sein. Diese Materialien können eine Transparenz für einen großen Wellenlängenbereich aufweisen, beispielsweise im nahinfraroten Bereich und/oder im sichtbaren Bereich. Dadurch können Absorptionsverluste im Spiegel 3 bzw. in der Spiegelmembran 4 reduziert werden. Des Weiteren weisen diese Materialien einen niedrigen Brechungsindex auf, das heißt einen Brechungsindex kleiner als zwei, beispielsweise kleiner als 1,75, auf. Dadurch kann ein Brechzahlkontrast zwischen den hochbrechenden Schichten 11 und den niedrigbrechenden Schichten 10 erhöht werden und somit auch bei einer geringen Anzahl Schichten, beispielsweise drei Schichten 10, 11, wie in 1 gezeigt, eine hohe Reflektivität der Spiegelmembran 4 realisiert werden sowie der spektrale Wellenlängenbereich, in dem die Spiegelmembran 4 stark reflektiert vergrößert werden (siehe auch 5). Eine tensile mechanische Spannung einer Schicht aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid oder Siliziumboronitrid ist beispielsweise in einem Bereich von 100 MPa bis 400 MPa einstellbar, wodurch ein Durchhängen oder eine unkontrollierte Wölbung der Spiegelmembran 4 vermieden werden kann. Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid weisen eine Ätzresistenz gegenüber Ätzmedien wie beispielsweise Flusssäure, welche unter anderem für ein Entfernen von Opferschichten eingesetzt wird, auf. Dadurch kann bei einer Herstellung des Interferometers 1 eine Degradierung der Spiegelmembran 4 reduziert oder vermieden werden. Schichten aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid sind mit herkömmlichen Methoden der Oberflächenmechanik, wie beispielsweise plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition = PECVD) oder Niederdruck-CVD (Low pressure chemical vapor deposition = LPCVD) herstellbar. Ein Verfahren 100 zur Herstellung des Inteferometers 1 ist in 6 gezeigt. Die einstellbare tensile mechanische Spannung und die Ätzresistenz können beispielsweise bei der Herstellung des Interferometers 1 ausgenutzt werden. Aufgrund des niedrigen Brechungsindex und der Transparenz der mindestens einen Schicht der Spiegelmembran 4 eignet sich das Interferometer 1 beispielsweise für spektrometrische Anwendungen und die Verwendung in Miniaturspektrometern. Bei Schichten aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid lassen sich der Brechungsindex und die tensile mechanische Spannung beispielsweise über die Materialkomposition der Schichten und/ oder die Prozessführung bei der Herstellung einstellen. Auch eine der Herstellung nachfolgende thermische Behandlung (sog. Tempern bzw. Annealing) sind möglich.
Umfasst die Spiegelmembran mehr als eine niedrigbrechende Schicht 10, so kann beispielsweise eine erste niedrigbrechende Schicht aus einem ersten Material ausgebildet sein und eine zweite niedrigbrechende Schicht aus einem zweiten Material ausgebildet sein, wobei das erste Material ungleich dem zweiten Material gewählt werden kann und das erste Material und das zweite Material aus den Materialien folgenden Materialien ausgewählt werden: Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid, Siliziumboronitrid. Alternativ oder ergänzend können das erste und das zweite Material aus dem gleichen Material ausgebildet werden, wobei das Material aus den folgenden ausgewählt wird: Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid, Siliziumboronitrid. Die Spiegelmembran 4 kann in einem Ausführungsbeispiel mindestens eine Metallschicht umfassen.
Das Interferometer in 1 umfasst eine Einstelleinheit 5, welche dazu eingerichtet ist einen Abstand zwischen der Spiegelmembran 4 und dem Spiegel 3 einzustellen. In 1 ist beispielhaft eine Einstelleinheit 5 gezeigt, welche eine erste Elektrode 5‘, die auf der Substratoberfläche 2‘ angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 5‘‘, welche auf der Substratoberfläche 2‘ angeordnet ist, umfasst. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 5‘, 5‘‘ auf verschiedenen Seiten des Spiegels 3 angeordnet. Andere Aktuierungsmechanismen, Elektrodenkonfigurationen und/ oder ein Anordnen weiterer Elektroden sind ebenfalls möglich. Die Spiegelmembran 4 weist in 1 Bereiche mit dotierten Silizium auf (nicht dargestellt). Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den dotierten Bereichen und den Elektroden kann der Abstand zwischen dem Spiegel 3 und der Spiegelmembran 4 eingestellt werden. Die angelegte elektrische Spannung ist hierbei ein Maß für den Abstand zwischen dem Spiegel 3 und der Spiegelmembran 4. Alternativ oder ergänzend können weitere Elektroden an der Spiegelmembran 4 angeordnet werden.
2 zeigt das Interferometer 1 aus 1 vor einer Entfernung einer Opferschicht 6. Die Opferschicht 6 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) ausgeführt sein. Bei der Herstellung 100 des Interferometers 1 wird ein Substrat 2 bereitgestellt, auf dessen Oberfläche der Spiegel 3 aufgebracht wird. Auf den Spiegel 3 und auf die freiliegende Substratoberfläche 2‘ wird zumindest teilweise eine Opferschicht 6 aufgebracht. Auf einer vom Substrat 2 abgewandten Seite der Opferschicht 6 wird die Spiegelmembran 4 aufgebracht. In die Spiegelmembran 4 werden Ätzlöcher 7 eingebracht, durch welche die Opferschicht 6 beispielsweise durch einen Ätzprozess entweder in Form einer nasschemischen Ätzung (beispielsweise mit Flusssäure) jedoch bevorzugt als Trockenätzung entfernt werden kann. Es kann eine Strukturierung der Spiegelmembran 4 vorgenommen werden, welche eine Aufhängung 8 der Spiegelmembran, beispielsweise in Form von Federn, realisiert. Wird der Abstand zwischen dem Spiegel 3 und der Spiegelmembran 4 verstellt, so kann die Aufhängung 8 eine parallele Verschiebung der Spiegelmembran 4 ermöglichen, wobei ein ungewolltes Durchbiegen der Spiegelmembran 4 reduziert oder verhindert werden kann. In einem Bereich der Spiegelmembran 4, in dem die Haltestruktur 6‘, welche die Spiegelmembran 4 in einem Abstand zum Spiegel 3 hält, ausgebildet werden soll sind keine Ätzlöcher 7 angeordnet. In diesem Bereich bleibt die Opferschicht auch nach dem Ätzschritt zur Entfernung der Opferschicht 6 erhalten und bildet dann die Haltestruktur 6‘ der Spiegelmembran 4, wie dies in 1 dargestellt ist.
3 zeigt eine Skizze eines Transmissionsspektrum 124 des Interferometers 1, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, für kollimierte Strahlung. Des Weiteren zeigt 3 eine schematische Darstellung eines Transmissionsverhaltens des Interferometers 1. Die schematische Darstellung zeigt das Interferometer 1 in einer vereinfachten Darstellung, wobei beispielhaft Strahlungen aus einem ersten Wellenlängenintervall 120, einem zweiten Wellenlängenintervall 121, einem dritten Wellenlängenintervall 122 und einem dritten Wellenlängenintervall 123 auf das Interferometer auftreffen, wobei die Strahlungen aus den verschiedenen Wellenlängenintervallen 120, 121, 122, 123 durch Pfeile, welche in Richtung Interferometer 1 zeigen, angedeutet sind. Ein weiterer Pfeil, welcher vom Interferometer 1 weg zeigt, bezeichnet Strahlung 120‘, welche vom Interferometer 1 transmittiert wurde. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die transmittierte Strahlung 120‘ der Strahlung aus dem ersten Wellenlängenintervall 120. Die Strahlungen aus den anderen Wellenlängenintervallen 121, 122, 123 wurden nicht transmittiert. Welche Wellenlängen vom Interferometer 1 transmittiert werden, hängt vom Abstand zwischen Spiegelmembran 4 und Spiegel 3 ab. Die schematische Darstellung illustriert somit, dass aus einer breiten spektralen Intensitätsverteilung 120, 121, 122, 123 mittels des Interferometers 1 ein schmalerer Wellenlängenbereich 120‘ transmittiert wird. Ein beispielhaftes Transmissionsspektrum 124 des Interferometers 1 ist in einem Diagramm in 3 skizziert. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge aufgetragen und auf der y-Achse ist die Transmission des Interferometers 1 aufgetragen. Eine Breite 125 des Transmissionspeaks ist ein Maß für die Auflösung des Interferometers 1. Mit abnehmender Breite 125 nimmt die Auflösung des Interferometers 1 zu.
4 zeigt eine Skizze eines Diagramms, welches eine Abhängigkeit eines Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 1300 nm einer niedrigbrechenden Siliziumcarbonitrid-Schicht 10 von einer Abscheidetemperatur zeigt. Auf der x-Achse ist die Abscheidetemperatur in Grad Celsius aufgetragen und auf der y-Achse ist der Brechungsindex der niedrigbrechenden Schicht 10 bei 1300 nm aufgetragen. Es sind mehrere Messpunkte in das Diagramm eingezeichnet. Ein erster Messpunkt 126 wurde bei einer Abscheidetemperatur von 200 Grad Celsius aufgenommen und ergab einen Brechungsindex von etwa 1,695. Ein zweiter Messpunkt wurde bei einer Abscheidetemperatur von 350 Grad Celsius aufgenommen und ergab einen Brechungsindex von etwa 1,79. Teilweise wurden mehrere Messungen pro Abscheidetemperatur durchgeführt. Es ist erkennbar, dass der Brechungsindex mit steigender Abscheidetemperatur in grober Näherung linear zunimmt. Der Brechungsindex der niedrigbrechenden Schicht 10 ist somit über ein Einstellen der Abscheidetemperatur einstellbar. 4 zeigt, wie der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 1300 nm einer niedrigbrechenden Siliziumcarbonitrid-Schicht 10 mit Prozessparametern von 8 Standardkubikzentimeter (sccm) Monosilan (SiH₄), 10 sccm Ammoniak (NH₃), 50 sccm Methan (CH₄), 500 sccm Argon (Ar), 2000 Millitorr (mTorr) Hintergrundruck und 180 Watt Plasmaleistung über einen Bereich von 1,7 bis 1,82 variiert werden kann. Beispielsweise kann nach der Prozessierung ein thermisches Tempern erfolgen, wodurch die tensile mechanische Spannung der Schicht 10 eingestellt werden kann.
5 zeigt eine Skizze einer Simulation, welche eine Abhängigkeit der Reflektivität von der Wellenlänge einer niedrigbrechenden Schicht 10 für zwei verschiedene Materialien zeigt. Die Spiegelmembran 4 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei hochbrechende Schichten 11 und zwei niedrigbrechende Schichten 10, welche alternierend als Schichtstapel angeordnet sind. Durch die Verwendung von Siliziumcarbonitrid als niedrigbrechende Schicht 10 mit einem Brechungsindex von beispielsweise 1.73 lässt sich unter Verwendung eines Bragg-Spiegels als Spiegelmembran 4 mit einer Schichtenfolge Silizium/Siliziumcarbonitrid /Silizium/ Siliziumcarbonitrid /Silizium eine höhere Reflektivität im nahen Infrarot erreichen, als mit Siliziumnitrid als niedrigbrechende Schicht 10 mit einem Brechungsindex von beispielsweise zwei in einem analogen Bragg-Spiegel als Spiegelmembran 4 mit Silizium/Siliziumnitrid/Silizium/ Siliziumnitrid/Silizium. Die Reflektivität ist in der Skizze der Simulation in 5 gezeigt, wobei eine erste Kurve 128 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die erste Kurve 128 beschreibt einen ersten Fall mit Siliziumcarbonitrid als niedrigbrechende Schichten 10. Eine zweite Kurve 129, welche durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, zeigt den Verlauf der Reflektivität für einen zweiten Fall mit Siliziumnitrid als niedrigbrechende Schichten 10. Es lässt sich die maximal erreichbare Reflektivität von 0.967 bei der Verwendung von Siliziumnitrid auf 0.981 bei der Verwendung von Siliziumcarbonitrid erhöhen und bei der Verwendung von Siliziumcarbonitrid ein breiterer spektraler Bereich mit hoher Reflektivität abdecken als bei der Verwendung von Siliziumnitrid, was vorteilhaft für die Verwendung in einem Interferometer 1 mit hoher spektraler Auflösung und einem breiten spektral durchstimmbaren Transmissionsintervall ist. Ähnliche Simulationsergebnisse ergeben sich für Siliziumborocarbonitrid und Siliziumboronitrid als Material für die niedrigbrechenden Schichten 10 im Vergleich zu Siliziumnitrid, als Material für die niedrigbrechenden Schichten.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Herstellung des Interferometers 1. Ein erster Schritt bei der Herstellung 100 des Interferometers 1 sieht eine Bereitstellung 102 eines Precusor-Gases vor, wobei bei der Bereitstellung 102 eine Beimischung 102‘ von Bor und/ oder Kohlenstoff beispielsweise zur Einstellung insbesondere der optischen und mechanischen Eigenschaften der niedrigbrechenden Schicht 10 berücksichtigt wird. Ein zweiter Schritt bei der Herstellung 100 des Interferometers 1 sieht ein Abscheiden 103 einer Schicht, beispielsweise der niedrigbrechenden Schicht 10, vor. Optische Eigenschaften, wie beispielsweise der Brechungsindex und mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise die tensile mechanische Spannung der Spiegelmembran 4 des Interferometers 1 können durch die Beimischung 102‘ von Bor und/ oder Kohlenstoff in die niedrigbrechende Schicht 10 eingestellt werden. Die niedrigbrechenden Schichten 10 können mittels chemischer Gasabscheidemethoden, wie beispielsweise LPCVD (Low-Pressure Chemical Vapor Deposition) oder PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), abgeschieden werden. Bei PECVD werden niedrigere Temperaturen für die Abscheidung als mittels LPCVD ermöglicht. Es erfolgt die Bereitstellung 102 eines Precusor-Gases zur Schichtbildung der niedrigbrechenden Schicht 10. Das Precusor-Gas dient zur Schichtbildung der niedrigbrechenden Schicht 10. Die Schichtbildung erfolgt in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen auf der hochbrechenden Schicht 11. Über eine Zusammensetzung des Precusor-Gases kann die chemische Zusammensetzung der niedrigbrechenden Schicht 10 eingestellt werden. Durch die Beimischung 102‘ von Bor und/ oder Kohlenstoff können beispielsweise der Brechungsindex und die tensile mechanische Spannung eingestellt werden. Als Precursor-Gase können beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Gase verwendet werden. Für eine Siliziumbereitstellung eignen sich beispielsweise Silan (SiH₄), Trimethylsilan (SiH(CH₃)₃), welches auch Kohlenstoff zur Verfügung stellt, sodass eine Beimischung 102‘ von Kohlenstoff realisiert ist sowie Hexamethyldisilazane und Trimethylphenylsilan, wobei Hexamethyldisilazan und Trimethylphenylsilan jeweils auch Kohlenstoff und Stickstoff zur Schichtbildung zur Verfügung stellen. Für eine Beimischung 102‘ von Kohlenstoff bei der Schichtbildung eignet sich beispielsweise Methan (CH₄). Für eine Beimischung 102‘ von Bor bei der Schichtbildung eignen sich beispielsweise Diboran (B₂H₆), Borazin (B₆H₆) sowie Borfluorid (BF₃). Für eine Stickstoffbereitstellung eignen sich beispielsweise Ammoniak (NH₃), Distickstoffmonoxid (oder auch Lachgas) (N₂O) sowie Stickstoff (N₂). Weitere Precusor-Gase, welche sich für die Schichtbildung niedrigbrechender Schichten 10 eignen sind Wasserstoff (H₂), Argon (Ar) sowie Helium (He). Beispielsweise kann für die Schichtbildung einer niedrigbrechenden Schicht 10 aus Siliziumcarbonitrid eine Kombination aus Silan (SiH₄), Ammoniak (NH₃), Methan (CH₄) und Argon (Ar) verwendet werden. Niedrigbrechende Schichten 10 aus Siliziumcarbonitrid können über ein breites Intervall von Gasflüssen hergestellt werden, beispielsweise aber nicht ausschließlich durch 4–12 sccm Silan (SiH₄), 10–30 sccm Ammoniak (NH₃), 30–70 sccm Methan (CH₄) und 500–1000 sccm Argon (Ar). Bevorzugt können die Schichten z.B. mit 4 sccm SiH4, 30 sccm NH3, 70 sccm CH4, 500 sccm Ar oder mit 8 sccm SiH4, 10 sccm NH3, 50 sccm CH4, 1000 sccm Ar hergestellt werden. Auch weitere Prozessparameter können über einen weiten Bereich variiert werden, beispielsweise aber nicht ausschließlich, kann ein Hintergrunddruck von 1000–2000 mTorr, eine Plasmaleistung von 110–250 Watt und die Abscheidetemperatur im Bereich von 200–800 °C für die Herstellung einer niedrigbrechende Schichten 10 aus Siliziumcarbonitrid gewählt werden. In einem Ausführungsbeispiel werden die niedrigbrechenden Schichten 10 bei 1000 mTorr, 110 Watt und 350–550 °C abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel kann der niedrigbrechenden Siliziumnitrid-Schicht 10 ein Anteil von mindestens 1% Bor und/oder 1% Kohlenstoff beigemischt werden. Insbesondere kann ein atomarer Siliziumgehalt im Bereich von 20%–45%, ein Kohlenstoffgehalt von 20%–40% und ein Stickstoffgehalt von 20%–50% gewählt werden. Durch die Wahl der vorgenannten Prozessparameter können die optischen Eigenschaften der niedrigbrechenden Schicht 10 eingestellt werden.
Eine schematische Darstellung eines Miniaturspektrometer 1004 ist in 7 gezeigt. 7 zeigt auch ein Messobjekt 1000. Beispielhaft ist als Messobjekt 1000 in 7 ein Apfel dargestellt. Das Miniaturspektrometer 1004 umfasst mindestens eine Lichtquelle 1003, mit welcher das Messobjekt 1000 beleuchtet werden kann und eine Apertur 1001, durch welche vom Messobjekt 1000 reflektierte, transmittierte, reemittierte und/ oder emittierte Strahlung in das Miniaturspektrometer 1004 auf das Interferometer 1 geführt wird. Des Weiteren umfasst das Miniaturspektrometer 1004 eine Detektionseinheit 1002, welche die vom Interferometer 1 transmittierte Strahlung 120‘ detektiert. Die Detektionseinheit 1002 kann beispielsweise dazu geeignet oder eingerichtet sein, die detektierte Strahlung auszuwerten oder an eine Auswerteeinheit (hier nicht dargestellt) zur Auswertung weiterzugeben. Das Ergebnis der Auswertung kann beispielsweise mittels einer Anzeigevorrichtung (hier nicht dargestellt) angezeigt werden. Die Lichtquelle 1003 kann je nach gewünschtem Wellenlängenbereich beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: LED, LED mit Phosphor und/oder Glühbirnen. Auch andere Lichtquellen 1003 können verwendet werden. Das Interferometer 1 kann beispielsweise gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Der Abstand des Spiegels 3 und der Spiegelmembran 4 kann fest oder verstellbar sein. Der Abstand kann beispielsweise über die Einstelleinheit 5 durchgestimmt, das heißt verstellt werden. Das Verstellen kann beispielsweise elektrostatisch oder piezoelektrisch erfolgen. Die Detektionseinheit 1002 kann als ein Einzeldetektor ausgeführt sein, der je nach verwendetem Wellenlängenbereich, welcher beispielsweise durch die Wahl der Lichtquelle 1003 festgelegt ist, entweder ein Silizium-, Germanium-, Indium-Gallium-Arsenid(InGaAs)-, Extended-InGaAs-Detektor oder ein anderer Einzeldetektor sein kann. In 7 wird das Messobjekt 1000 mittels der Lichtquelle 1003 des Miniaturspektrometers 1004 beleuchtet. Eine schematische Darstellung eines Strahlenverlaufs ist in 7 durch Pfeile ausgehend von der Lichtquelle 1003 Richtung Messobjekt 100 und durch Pfeile ausgehend vom Messobjekt 1000 Richtung Apertur 1001 gezeigt. In der schematischen Darstellung wird beispielhaft Strahlung aus einem ersten Wellenlängenintervall 120, einem zweiten Wellenlängenintervall 121, einem dritten Wellenlängenintervall 122 und einem dritten Wellenlängenintervall 123 von der Lichtquelle 1003 ausgesendet und vom Messobjekt 1000 diffus gestreut und/ oder reflektiert, wobei die Strahlungen aus den verschiedenen Wellenlängenintervallen 120, 121, 122, 123 durch Pfeile, welche in Richtung Messobjekt 1000 bzw. Apertur 1003 zeigen, angedeutet sind. Ein weiterer Pfeil, welcher vom Interferometer 1 weg hin zur Detektionseinheit 1002 zeigt, bezeichnet Strahlung 120‘ beispielsweise aus dem ersten Wellenlängenintervall 120, welche vom Interferometer 1 transmittiert wurde. Diese transmittierte Strahlung 120‘ wird von der Detektionseinheit 1002 detektiert. Daraus können spektrale Informationen über das Messobjekt 1000 gewonnen werden. Das Messobjekt 1000 kann somit auf seine spektrale Zusammensetzung hin untersucht werden. Für vom Messobjekt 1000 kommende kollimierte, auf das Interferometer 1 einfallende Strahlung, welche unter einem Winkel θ gemessen zur Senkrechten auf den Spiegel 3 auf das Interferometer 1 fällt, ist die Zentralwellenlänge der m-ten transmittierten Interferenzordnung durch λ_m = 2dncosθ / m
gegeben, wobei n der Brechungsindex zwischen dem Spiegel 3 und der Spiegelmembran 4 und d der Abstand zwischen Spiegel 3 und Spiegelmembran 4 ist. Für größere θ wandert die Zentralwellenlänge also zu kürzeren Wellenlängen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„MEMS and piezo actuator-based Fabry-Perot interferometer technologies and applications at VTT“ (Antila et al., Proceedings of SPIE (2010)) [0002]
„Characterization of Silicon Nitride and Silicon Carbonitride Layers from 1,1,3,3,5,5-Hexamethylcyclotrisilazane Plasmas“ (Brooks, Hess, Solid-State science and technology, Vol. 135, No. 12) [0003]

Claims

Interferometer (1), umfassend eine Spiegelmembran (4) und einen Spiegel (3), • wobei die Spiegelmembran (4) von dem Spiegel (3) beabstandet angeordnet ist, • wobei die Spiegelmembran (4) und der Spiegel (3) einen optischen Resonator bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelmembran (4) mindestens eine Schicht (10) umfasst, welche aus Siliziumcarbonitrid, Siliziumborocarbonitrid und/ oder Siliziumboronitrid ausgebildet ist.
Interferometer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (10) der Spiegelmembran (4) aus Siliziumnitrid mit einer Beimischung von mindestens 1% Bor und/ oder mindestens 1% Kohlenstoff ausgebildet ist.
Interferometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (1) eine Einstelleinheit (5) umfasst, welche dazu eingerichtet ist einen Abstand zwischen der Spiegelmembran (4) und dem Spiegel (3) einzustellen.
Miniaturspektrometer (1004), umfassend mindestens eine Lichtquelle (1003), eine Detektionseinheit (1002) und ein Interferometer (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (100) zur Herstellung eines Interferometers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass optische und mechanische Eigenschaften der Spiegelmembran (4) des Interferometers (1) durch eine Beimischung (102‘) von Bor und/ oder Kohlenstoff in die mindestens eine Schicht (10) eingestellt werden.