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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlfallenvorrichtung zum Absorbieren von Lichtstrahlung, eine Strahlfallenanordnung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlfallenanordnung.
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Stand der Technik
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Bei der Chromatographie oder bei einer Einzelmolekülspektroskopie ist es erforderlich, Moleküle oder Partikel auf Nanometer- oder Mikrometerskalen zu analysieren, wobei auch sehr schwache Signale erkannt werden müssen. Einerseits wird daher eine leistungsfähige Lichtquelle verwendet, andererseits müssen die Hintergrundsignale durch Reduktion der unerwünschten Rückstrahlung möglichst unterdrückt werden. Bei zu starken Hintergrundsignalen können relevante Signalpulse nicht mehr von dem Hintergrundrauschen zuverlässig unterschieden und erkannt werden.
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Zur Verringerung von Rückstrahlung wird daher auf Strahlfallen zurückgegriffen, welche die Strahlung möglichst vollständig absorbieren. So ist aus der Druckschrift
US 7 971 465 B2 eine Strahlfalle mit einer Vielzahl von doppelkeilförmigen Kammern offenbart, wobei die Oberflächen der Kammern mit absorbierenden schwarzen Materialien beschichtet sind. Ein gewisser Prozentsatz der Strahlung wird von den Materialien absorbiert, während die restliche Strahlung aufgrund der Rauheit der Beschichtungen in einen relativ großen Winkelbereich zurückgestreut wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Strahlfallenvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Strahlfallenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlfallenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Strahlfallenvorrichtung, welche einen durch einen Absorptionsbereich begrenzten Hohlraum aufweist, wobei sich der Hohlraum von einer Öffnung an einem breiteren Ende des Hohlraums zu einem schmaleren Ende des Hohlraums hin verjüngt. Der Absorptionsbereich weist auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite zumindest bereichsweise eine Antireflexbeschichtung auf.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Strahlfallenanordnung mit einer Vielzahl von an einem Substrat angeordneten Strahlfallenvorrichtungen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung mit einer Teststrecke zum Eingeben eines Analyten, mit einer Laservorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Laserlicht in die Teststrecke auszusenden, und mit mindestens einer an einem von der Laservorrichtung entfernten Ende der Teststrecke angeordneten Strahlfallenvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, auftreffendes Laserlicht zu absorbieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlfallenanordnung, wobei ein Siliziumsubstrat bereitgestellt wird, das Siliziumsubstrat zum Erzeugen von Pyramidenstrukturen geätzt wird, und eine Antireflexbeschichtung auf zumindest einem Teilbereich der Pyramidenstrukturen ausgebildet wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Unter einer Antireflexbeschichtung wird eine dünne, teilweise transparente Schicht verstanden, welche auf einem optisch dichteren Substrat angeordnet ist, so dass ein erster Anteil des auftreffenden Lichts an einer vorderen Oberfläche der teilweise transparenten Schicht reflektiert wird, während ein zweiter Anteil des auftreffenden Lichts in die teilweise transparente Schicht eintritt und an einer hinteren Oberfläche der teilweise transparenten Schicht reflektiert wird. In Abhängigkeit von einer Dicke und eines Brechungsindexes der teilweise transparenten Schicht, sowie eines Auftreffwinkels und einer Wellenlänge des Lichts kann es zur destruktiven Interferenz von der an der vorderen Oberfläche reflektierten Strahlung und der an der hinteren Oberfläche reflektierten Strahlung kommen. Zusätzlich kann es zu Mehrfachreflexionen an den jeweiligen Oberflächen kommen, welche ebenfalls zur destruktiven Interferenz beitragen können. Die Antireflexbeschichtung kann auch eine Vielzahl von dünnen, teilweise transparenten Schichten aufweisen.
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Antireflexbeschichtungen sind im Allgemeinen auf Lichtstrahlen angepasst, welche eine vorgegebenen Wellenlänge aufweisen und unter einem vorgegebenen Auftreffwinkel auf die Antireflexbeschichtung fallen. Diese Lichtstrahlen werden durch destruktive Interferenz beinahe vollständig absorbiert. Die erfindungsgemäße Strahlfallenvorrichtung ist jedoch im Wesentlichen unabhängig von einer genauen Frequenz bzw. Wellenlänge oder einem genauen Auftreffwinkel der Lichtstrahlen. Der Lichtstrahl wird im Allgemeinen anfangs unter einem relativ flachen Winkel auf die Strahlfallenvorrichtung auftreffen. Selbst falls die Absorption bei diesem Winkel noch relativ gering ist, so wird doch im Wesentlichen der gesamte Strahl mit einer sehr geringen Rückstreuung reflektiert, da Antireflexbeschichtungen bei flachen Winkeln aufgrund ihrer sehr ebenen Oberflächen mit geringer Rauheit wenig diffuse Streuung hervorrufen. Anders als bei Beschichtungen mit schwarzen Materialien, welche im Allgemeinen eine hohe Rauheit aufweisen, wird die auftreffende Strahlung somit nicht durch diffuse Streuung in den kompletten Raumwinkelbereich zurückgestreut. Dadurch wird der Anteil von Licht, welcher bereits nach einem ersten Auftreffen auf die Strahlfalle wieder aus dieser heraus gestreut wird, reduziert.
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Nach der ersten Reflexion trifft das Licht auf einen gegenüberliegenden Bereich des Hohlraums, wobei ein Auftreffwinkel aufgrund der sich verjüngenden Form des Hohlraums immer steiler wird. Nach gegebenenfalls mehreren Reflexionsvorgängen an gegenüberliegenden Bereichen des Hohlraums trifft die Lichtstrahlung schließlich unter einem für die Wellenlänge des Lichts sowie die Dicke und den Brechungsindex der Antireflexbeschichtung optimalen Auftreffwinkel auf die Antireflexbeschichtung, das heißt unter einem Auftreffwinkel, bei welchem die Absorption im Wesentlichen maximal ist. Aufgrund der sehr hohen Absorptionswerte, welche durch Antireflexbeschichtungen erzielt werden können, wird die Lichtstrahlung dadurch beinahe vollständig absorbiert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung weist der Absorptionsbereich zwei keilförmig zueinander geneigte Ebenen auf. Durch die Neigung der Ebenen wird ein unter einem flachen Auftreffwinkel auftreffender Lichtstrahl derart reflektiert, dass der Auftreffwinkel, zumindest zu Beginn, kontinuierlich nach jeder weiteren Reflexion ansteigt und steiler wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung weist eine der Ebenen eine reflektierende Beschichtung auf. So kann vorzugsweise eine Ebene eine reflektierende Beschichtung aufweisen und die andere Ebene die Antireflexbeschichtung aufweisen. Die Strahlfalle ist dadurch kostengünstiger, da die Antireflexbeschichtung nur auf einem Teil der Strahlfallenvorrichtung ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung ist der Absorptionsbereich kegelförmig ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung umfasst die Antireflexbeschichtung Siliziumnitrid.
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Gemäß einer Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung ist die Antireflexbeschichtung auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Strahlfallenvorrichtung weist die Antireflexbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 30 nm und 100 nm auf.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Strahlfallenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Schrägansicht einer Strahlfallenvorrichtung mit einem Absorptionsbereich mit zueinander geneigten Ebenen;
- 3 eine schematische Schrägansicht einer Strahlfallenvorrichtung mit einem kegelförmigen Absorptionsbereich;
- 4 eine schematische Schrägansicht einer Strahlfallenanordnung;
- 5 eine schematische Schrägansicht einer Messvorrichtung mit einer Strahlfallenvorrichtung ;
- 6 eine schematische Querschnittsansicht einer Messvorrichtung mit einer Vielzahl von Strahlfallenvorrichtungen; und
- 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Strahlfallenanordnung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Strahlfallenvorrichtung 1a gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Strahlfallenvorrichtung 1a weist eine Trägereinrichtung 8 auf, wobei an einer Oberfläche der Trägereinrichtung eine Substratschicht 11, vorzugsweise aus Silizium, und auf der Substratschicht 11 eine Antireflexbeschichtung 7 ausgebildet sind. Sowohl die Substratschicht 11 als auch die Antireflexbeschichtung 7 sind vorzugsweise sehr glatt und weisen somit eine geringe Rauheit auf. So umfasst die Substratschicht 11 vorzugsweise einen atomar polierten monokristallinen Siliziumwafer, wobei die Antireflexbeschichtung 7 gleichmäßig auf dem Siliziumwafer ausgebildet ist. Insbesondere können mit einer Antireflexbeschichtung 7 beschichtete Plättchen aus atomar poliertem monokristallinem Silizium in der Trägereinrichtung 8 angeordnet sein.
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Die Trägereinrichtung 8 kann vorzugsweise als Wärmetauschelement zum Abführen von in Wärme umgewandelter absorbierter Lichtleistung ausgebildet sein und etwa aus metallischen Materialien, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, bestehen. Die Substratschicht 11 ist optional, sodass die Antireflexbeschichtung 7 auch direkt auf der Trägereinrichtung 8 ausgebildet sein kann.
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Vorzugsweise weisen die Substratschicht 11 und/oder die Antireflexbeschichtung 7 konstante Dicken auf, welche jeweils beispielsweise zwischen 30 nm und 100 nm liegen können und vorzugsweise 60 nm betragen können. Vorzugsweise besteht die Antireflexbeschichtung aus Siliziumnitrid. Die Antireflexbeschichtung 7 kann auf einer der Trägereinrichtung 8 abgewandten Seite mit weiteren Schutzschichten versehen bzw. beschichtet sein, insbesondere um die elektrostatische Anlagerung von Partikeln zu reduzieren.
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Die Antireflexbeschichtung 7 bildet einen Absorptionsbereich 2, welcher einen Hohlraum 3 begrenzt und dabei spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse 10 ausgebildet ist. Der Absorptionsbereich 2 verjüngt sich linear von einer Öffnung 4 an einem breiteren Ende 5 des Hohlraums 3 zu einem Endbereich 6 hin. Der Absorptionsbereich 2 läuft somit spitz zum Endbereich 6 hin zu und weist einen Öffnungswinkel 2·γ in einem Intervall zwischen 10 und 120 Grad, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Grad auf.
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Das Absorptionsprinzip der Strahlfallenvorrichtung 1a wird im Folgenden näher erläutert. Licht L aus einer beispielsweise entlang der Symmetrieachse 10 angeordneten Strahlungsquelle 9, insbesondere einer Laserquelle, kann durch die Öffnung 4 in den Hohlraum 3 eintreten und trifft auf den Absorptionsbereich 2. Das von der Lichtquelle 9 ausgesendete Licht L kann in einem gewissen Winkelbereich um die Symmetrieachse 10 herum aufgefächert sein. Wird nun ein Lichtstrahl L unter einem Aussendewinkel α0 ausgesendet, so tritt dieser unter einem ersten Auftreffwinkel α1 auf die Antireflexbeschichtung 7, der zwischen einer Oberfläche der Antireflexbeschichtung 7 und dem Lichtstrahl L gemessen wird und beispielsweise im Bereich zwischen 5 und 60 Grad liegen kann. In Abhängigkeit von der Wellenlänge des zu absorbierenden Lichts L ist die Antireflexbeschichtung 7 vorzugsweise derart gewählt, dass ein optimaler Auftreffwinkel, bei welchem die Absorption maximal wird, größer ist als ein typischer erster Auftreffwinkel, etwa größer als ein vorgegebener Auftreffwinkel, welcher beispielsweise zwischen 5 und 60 Grad liegt.
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Demnach wird der Lichtstrahl L beim ersten Auftreffen beinahe vollständig reflektiert, wobei aufgrund der geringen Rauheit bzw. der ebenen Oberfläche der Antireflexbeschichtung
7 eine Rückstreuung bzw. eine diffuse Reflexion möglichst unterdrückt wird. Der reflektierte Lichtstrahl trifft unter einem zweiten Auftreffwinkel α
2 auf eine gegenüberliegende Seite des Absorptionsbereichs
2 auf die Antireflexbeschichtung
7. Der zweite Auftreffwinkel α
2 ist hierbei betragsmäßig größer als der erste Auftreffwinkel α
1. Im Allgemeinen lässt sich der n-te Auftreffwinkel α
n anhand folgender Formel berechnen:
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Hierbei ist 2·β ein zu dem Öffnungswinkel komplementärer Winkel. Ausgedrückt durch den halben Öffhungswinkel γ gilt für den n-ten Auftreffwinkel α
n folgende Formel:
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Der Betrag der Winkeländerung nach einer Reflexion beträgt somit 2·γ, entspricht also gerade dem Öffhungswinkel des Hohlraums.
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Falls nun angenommen wird, dass die Dicke der Antireflexbeschichtung 7 derart gewählt ist, dass der Lichtstrahl L maximal, das heißt vorzugsweise vollständig absorbiert wird, falls der Lichtstrahl L senkrecht auf die Antireflexbeschichtung 7 fällt, so muss der n-te Auftreffwinkel αn für eine maximale Absorption gleich π/2 - γ sein. Somit ergeben sich optimale erste Auftreffwinkel α0,n = π/2 - γ·(1+2n), wobei n eine natürliche Zahl ist. Im ungünstigsten Fall beträgt der erste Auftreffwinkel demnach α0,n ± γ. Hierbei beginnt der Lichtstrahl nach n Reflexionen wieder aus der Strahlfallenvorrichtung 1a herauszulaufen. Die minimale Abweichung des Auftreffwinkels von dem optimalen Auftreffwinkel von 90° ist in diesem Fall somit gleich dem halben Öffnungswinkel γ. Für einen klein genug gewählten halben Öffhungswinkel γ ist die Absorption der Antireflexbeschichtung 7 in diesem Bereich jedoch immer noch sehr hoch, so dass der Lichtstrahl L beinahe vollständig absorbiert wird.
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In 2 ist eine Strahlfallenvorrichtung 1b gemäß einer zweiten Ausführungsform illustriert, wobei der Absorptionsbereich 2 keilförmig ausgebildet ist und eine erste Ebene 2a und eine zweite Ebene 2b aufweist, welche zueinander geneigt sind und sich in einer Schnittachse 13 schneiden. Die erste Ebene 2a ist mit einer reflektierenden Beschichtung 12 beschichtet, während die zweite Ebene 2 mit der Antireflexbeschichtung 7 beschichtet ist.
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In 3 ist eine Strahlfallenvorrichtung 1c gemäß eine dritten Ausführungsform der Erfindung illustriert. Der Absorptionsbereich 2 ist kreiskegelförmig ausgebildet und läuft in einem Endpunkt 14 zusammen.
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Die Form des Absorptionsbereichs 2 ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann der Absorptionsbereich eine beliebige Kegelform aufweisen oder eine Mehrfachkeilstruktur, etwa eine Doppelkeilstruktur aufweisen.
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In 4 ist eine Strahlfallenanordnung 15 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Strahlfallenanordnung 15 weist eine Vielzahl von an einem Substrat bzw. einer Trägereinrichtung 8 angeordneten Strahlfallenvorrichtungen 1a auf, welche der in der 1 illustrierten Ausführungsform entsprechen können. Das Siliziumsubstrat 11 ist wiederum optional. Die Vielzahl von Strahlfallenvorrichtungen 1a können etwa mittels KOH-Ätzen aus einem monokristallinen Siliziumwafer erzeugte Pyramiden umfassen, welche mit einer Antireflexbeschichtung 7 beschichtet sind.
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In 5 ist eine Messvorrichtung 16 illustriert, welche eine Teststrecke 18 zum Eingeben eines Analyten aufweist. Insbesondere kann ein Festkörper oder ein Fluid in die Teststrecke 18 eingeführt oder eingeleitet werden. Die Messvorrichtung 16 weist eine Laservorrichtung 9 auf, welche dazu ausgebildet ist, Laserlicht L in die Teststrecke 18 auszusenden, wobei das Laserlicht L beispielsweise eine Wellenlänge von 500 nm aufweist. Das Laserlicht L wird mittels einer Linseneinrichtung 17 fokussiert bzw. kollimiert und trifft nach dem Durchgang durch die Teststrecke 18, insoweit es nicht von einem in der Teststrecke 18 befindlichen Analyten absorbiert wurde, auf eine an einem von der Laservorrichtung 9 entfernten Ende der Teststrecke 18 angeordnete Strahlfallenvorrichtung 1a. Die Strahlfallenvorrichtung 1a ist dazu ausgebildet, das auftreffende Laserlicht L zu absorbieren. Die Messvorrichtung 16 umfasst vorzugsweise weiter mindestens einen Sensor zum Erfassen von Laserlicht L, welches von einem in die Teststrecke 18 eingegebenen Analyten reflektiert wird.
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Eine Innenwand 19 eines Gehäuses der Messvorrichtung 16 ist vorzugsweise ebenfalls mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet, etwa aus Siliziumnitrid. Die Innenwand 19 kann jedoch auch eine mikrostrukturierte Oberfläche mit invertierten Pyramiden aufweisen und/oder antireflexbeschichtete Siliziumplättchen umfassen.
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Die Messvorrichtung 16 hat eine Länge d von beispielsweise 2 bis 10 mm, vorzugsweise 5 mm, und eine Höhe h von beispielsweise 5 mm. Der halbe Öffnungswinkel y beträgt vorzugsweise 20°. Eine Tiefe x der Strahlfalle 1a zwischen Öffnung 4 und Endbereich 6 beträgt vorzugsweise 1 bis 5 mm.
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In 6 ist eine Messvorrichtung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung abgebildet. Hierbei ist an einem der Laservorrichtung 9 gegenüberliegenden Ende der Teststrecke 18 eine Strahlfallenanordnung 15 mit einer Vielzahl von Strahlfallenvorrichtungen 1a angeordnet.
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In 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Strahlfallenanordnung 15 illustriert.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Siliziumsubstrat 11 bereitgestellt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das Siliziumsubstrat 11 mit Kalilauge KOH geätzt, wobei das Kristallgitter des Siliziums vorzugsweise entlang der Gitterebenen mit den Millerschen Indizes [111] abgetragen wird. Hierdurch werden Pyramidenstrukturen mit scharfen Kanten und einer Höhe von beispielsweise 1 bis 200 µm erzeugt.
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Auf der derart mikrostrukturierten Oberfläche wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 eine Antireflexbeschichtung 7 ausgebildet. Insbesondere kann eine Siliziumnitridschicht von einer Dicke zwischen 30 und 100 nm ausgebildet werden.
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Durch das angegebene Verfahren wird eine Strahlfallenanordnung 15, wie etwa in 4 illustriert, hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7971465 B2 [0003]
- DE 102010036161 B4 [0004]
- US 2012/0001061 A1 [0004]
