DE102016223917A1 - Interferometer component and method for producing an interferometer component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Interferometerbauelement (200), das eine Substratschicht (204) mit zumindest einer Lichtdurchlasszone (202) zum Lenken von Licht durch die Substratschicht (204) und einen optischen Resonator (212) aus zumindest einem ersten teildurchlässigen Spiegelelement (208) und einem zweiten teildurchlässigen Spiegelelement (210) aufweist, wobei der optische Resonator (212) der Lichtdurchlasszone (202) gegenüberliegend angeordnet ist. Die Lichtdurchlasszone (202) ist zumindest abschnittsweise mit einer Reflexionsschicht (206) zum Reflektieren von in die Lichtdurchlasszone (202) fallendem Licht beschichtet.The invention relates to an interferometer component (200) comprising a substrate layer (204) having at least one light transmission zone (202) for directing light through the substrate layer (204) and an optical resonator (212) comprising at least a first partially transmissive mirror element (208) and a second partially transmissive mirror element (210), wherein the optical resonator (212) of the light transmission zone (202) is arranged opposite. The light transmission zone (202) is at least partially coated with a reflective layer (206) for reflecting light falling into the light transmission zone (202).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
Herkömmliche mikromechanische Fabry-Perot-Interferometer bestehen in der Regel aus zwei Spiegelelementen, die auf einem Substrat über einem Durchgangsloch angeordnet sind.Conventional micromechanical Fabry-Perot interferometers usually consist of two mirror elements, which are arranged on a substrate via a through hole.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Interferometerbauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometerbauelements gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, an interferometer component and a method for producing an interferometer component according to the main claims are presented with the approach presented here. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Es wird ein Interferometerbauelement mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einer Substratschicht mit zumindest einer Lichtdurchlasszone zum Lenken von Licht durch die Substratschicht, wobei die Lichtdurchlasszone zumindest abschnittsweise mit einer Reflexionsschicht zum Reflektieren von in die Lichtdurchlasszone fallendem Licht beschichtet ist; und
- einem optischen Resonator aus zumindest einem ersten teildurchlässigen Spiegelelement und einem zweiten teildurchlässigen Spiegelelement, wobei der optische Resonator der Lichtdurchlasszone gegenüberliegend angeordnet ist.
- a substrate layer having at least one light transmission zone for directing light through the substrate layer, the light transmission zone being coated, at least in sections, with a reflection layer for reflecting light falling into the light transmission zone; and
- an optical resonator comprising at least a first partially transmissive mirror element and a second partially transparent mirror element, wherein the optical resonator is arranged opposite the light transmission zone.
Unter einer Substratschicht kann eine Schicht aus einem lichtdurchlässigen Material verstanden werden. Unter einer Lichtdurchlasszone kann etwa eine Vertiefung, ein Graben oder ein Durchgangsloch in der Substratschicht verstanden werden. Unter einer Reflexionsschicht kann eine zumindest abschnittsweise auf die Lichtdurchlasszone aufgebrachte Verspiegelung, etwa in Form einer Metallschicht oder eines dielektrischen Multilagenstapels, verstanden werden. Unter einem optischen Resonator kann insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer verstanden werden. Unter einem Spiegelelement kann etwa eine Spiegelschicht oder -platte verstanden werden. Die beiden Spiegelelemente können hierbei beispielsweise parallel in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sein. Der Abstand kann mittels einer geeigneten Spiegelaktuierung variierbar sein.A substrate layer may be understood as meaning a layer of a light-transmissive material. A light transmission zone can be understood to mean, for example, a depression, a trench or a through hole in the substrate layer. A reflection layer may be understood to mean an at least partially applied reflection on the light transmission zone, for example in the form of a metal layer or a dielectric multilayer stack. An optical resonator may, in particular, be understood to be a Fabry-Perot interferometer. Under a mirror element can be understood as a mirror layer or plate. The two mirror elements may in this case be arranged, for example, parallel to one another at a specific distance. The distance can be varied by means of a suitable Spiegelaktuierung.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Aufbringen einer reflektiven Schicht auf eine Aussparung in einem Substrat eines optischen Filterbauelements, etwa eines Fabry-Perot-Interferometers, Intensitätsverluste beim Durchtritt des Lichts durch die Aussparung, etwa durch Einkoppeln des Lichts in die Wände der Aussparung, effektiv reduziert werden können. Somit kann sichergestellt werden, dass ein Großteil des einfallenden Lichts in den Akzeptanzraumwinkel des Filterbauelements trifft. Beispielsweise kann das Filterbauelement als mikromechanisches Fabry-Perot-Interferometer mit verspiegelten Kavernenwänden zur Verringerung der Verluste der Lichtintensität beim Durchtritt realisiert sein.The approach presented here is based on the finding that by applying a reflective layer to a recess in a substrate of an optical filter device, such as a Fabry-Perot interferometer, intensity losses in the passage of light through the recess, such as by coupling the light in the walls the recess, can be effectively reduced. Thus, it can be ensured that a majority of the incident light hits the acceptance space angle of the filter component. By way of example, the filter component can be realized as a micromechanical Fabry-Perot interferometer with mirrored cavity walls in order to reduce the losses of light intensity during passage.
Für den Verlust von Lichtintensität an den Wänden eines mikromechanischen Interferometers existieren im Wesentlichen zwei Mechanismen: zum einen die Transmission von Licht ins Substrat verbunden mit einer Brechung aus dem Akzeptanzraumwinkel des Detektors oder einer Absorption im Substrat, zum anderen die Streuung von Licht an Oberflächenrauigkeiten der Wände von Durchgangslöchern im Substrat.Essentially two mechanisms exist for the loss of light intensity on the walls of a micromechanical interferometer: on the one hand the transmission of light into the substrate associated with a refraction from the acceptance space angle of the detector or an absorption in the substrate, and on the other hand the scattering of light at surface roughnesses of the walls of through holes in the substrate.
Die Transmission von Lichtstrahlen, die auf die Substratwand des Durchgangslochs treffen, lässt sich gemäß dem hier vorgestellten Ansatz durch Aufbringen einer Verspiegelung deutlich verringern. Zur Verspiegelung können entweder separate Schichten abgeschieden werden oder - gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform - die Schichten der Spiegelelemente verwendet werden.The transmission of light rays which strike the substrate wall of the through-hole can be significantly reduced by applying a mirror coating according to the approach presented here. For mirroring, either separate layers can be deposited or, according to a particularly advantageous embodiment, the layers of the mirror elements can be used.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Lichtdurchlasszone durch ein Durchgangsloch gebildet sein. Dadurch kann die Lichtdurchlasszone präzise und mit geringem Aufwand realisiert werden.According to an embodiment, the light transmission zone may be formed by a through hole. As a result, the light transmission zone can be realized precisely and with little effort.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtdurchlasszone eine Mesa-Struktur aufweisen. Die Mesa-Struktur kann zumindest abschnittsweise mit der Reflexionsschicht beschichtet sein. Unter einer Mesa-Struktur kann eine tafelbergförmige Struktur aus zumindest einer Erhebung mit ebener Oberfläche und steilen Flanken verstanden werden. Hierbei kann die Reflexionsschicht zumindest abschnittsweise auf die Flanken der Erhebung aufgebracht sein. Durch diese Ausführungsform kann das Licht kontrolliert und mit geringen Intensitätsverlusten durch die Substratschicht in den optischen Resonator geleitet werden.According to a further embodiment, the light transmission zone may have a mesa structure. The mesa structure may be coated at least in sections with the reflective layer. Under a mesa structure can be understood a Tafelbergförmige structure of at least one survey with a flat surface and steep edges. Here, the reflection layer can be applied at least in sections on the flanks of the survey. By means of this embodiment, the light can be controlled and passed through the substrate layer into the optical resonator with low intensity losses.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Lichtdurchlasszone durch zumindest einen ersten Graben und einen zweiten Graben in der Substratschicht gebildet ist. Dabei können der erste Graben und der zweite Graben eine Lichtdurchlasszone zum Durchlassen von Licht durch die Substratschicht begrenzen. Die Reflexionsschicht kann zumindest abschnittsweise den ersten Graben oder, zusätzlich oder alternativ, den zweiten Graben auskleiden. Unter einem Graben kann eine längliche Vertiefung in der Substratschicht verstanden werden. Auch durch diese Ausführungsform kann mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand sichergestellt werden, dass einfallendes Licht mit möglichst geringen Intensitätsverlusten in den optischen Resonator gelangt. Furthermore, it is advantageous if the light transmission zone is formed by at least one first trench and a second trench in the substrate layer. Here, the first trench and the second trench may define a light transmission zone for transmitting light through the substrate layer. The reflection layer can at least partially line the first trench or, additionally or alternatively, the second trench. Under a trench, an elongated recess in the substrate layer can be understood. Also by this embodiment can be ensured with relatively little manufacturing effort that incident light passes with the least possible loss of intensity in the optical resonator.
Das Interferometerbauelement kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Abstandsänderungseinrichtung zum Ändern eines Abstands zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement aufweisen. Unter einer Abstandsänderungseinrichtung kann ein beispielsweise magnetischer oder sonstiger geeigneter Aktor zum Bewegen zumindest eines der beiden Spiegelelemente verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann der Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen präzise eingestellt werden.The interferometer component may according to a further embodiment have a distance changing device for changing a distance between the first mirror element and the second mirror element. A distance changing device can be understood to mean, for example, a magnetic or other suitable actuator for moving at least one of the two mirror elements. By this embodiment, the distance between the two mirror elements can be precisely adjusted.
Die Reflexionsschicht kann je nach Ausführungsform als Metallschicht oder, zusätzlich oder alternativ, als dielektrischer Lagenverbund, auf Multilagenstapel genannt, realisiert sein. Dabei kann die Reflexionsschicht zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie das erste Spiegelelement oder das zweite Spiegelelement oder wie beide Spiegelelemente gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform kann das Interferometerbauelement besonders kostengünstig hergestellt werden.Depending on the embodiment, the reflection layer can be realized as a metal layer or, additionally or alternatively, as a dielectric layer composite called a multilayer stack. In this case, the reflection layer can be made at least partially of the same material as the first mirror element or the second mirror element or as both mirror elements. By this embodiment, the interferometer can be made particularly inexpensive.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Interferometerbauelement zumindest eine weitere Substratschicht mit zumindest einer weiteren Lichtdurchlasszone zum Lenken von Licht durch die weitere Substratschicht aufweisen. Dabei kann die weitere Lichtdurchlasszone zumindest abschnittsweise mit einer weiteren Reflexionsschicht zum Reflektieren von in die weitere Lichtdurchlasszone fallendem Licht beschichtet sein. Der optische Resonator kann der weiteren Lichtdurchlasszone gegenüberliegend zwischen der Substratschicht und der weiteren Substratschicht angeordnet sein. Durch diese Ausführungsform kann die Effizienz des Interferometerbauelements gesteigert werden.According to a further embodiment, the interferometer component may have at least one further substrate layer with at least one further light transmission zone for directing light through the further substrate layer. In this case, the further light transmission zone can be coated at least in sections with a further reflection layer for reflecting light falling into the further light transmission zone. The optical resonator may be arranged opposite to the further light transmission zone between the substrate layer and the further substrate layer. By this embodiment, the efficiency of the interferometer device can be increased.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Interferometerbauelements, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Erzeugen einer Substratschicht mit zumindest einer Lichtdurchlasszone zum Lenken von Licht durch die Substratschicht;
- Beschichten zumindest eines Abschnitts der Lichtdurchlasszone mit einer Reflexionsschicht zum Reflektieren von in die Lichtdurchlasszone fallendem Licht; und
- Bilden eines optischen Resonators aus zumindest einem ersten teildurchlässigen Spiegelelement und einem zweiten teildurchlässigen Spiegelelement, wobei der optische Resonator der Lichtdurchlasszone gegenüberliegend angeordnet wird.
- Forming a substrate layer having at least one light transmission zone for directing light through the substrate layer;
- Coating at least a portion of the light transmission zone with a reflective layer for reflecting light incident in the light transmission zone; and
- Forming an optical resonator of at least a first partially transmissive mirror element and a second partially transparent mirror element, wherein the optical resonator of the light transmission zone is arranged opposite.
Durch dieses Verfahren wird eine schnelle und kostengünstige Herstellung des Interferometerbauelements in großen Stückzahlen ermöglicht.By this method, a fast and inexpensive production of the interferometer component is made possible in large numbers.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Interferometers; -
2 eine schematische Darstellung eines Interferometerbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Darstellung eines Interferometerbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Darstellung eines Interferometerbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Darstellung eines Interferometerbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
6 eine schematische Darstellung einer Substratschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
7 eine schematische Darstellung einer Substratschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
8 eine schematische Darstellung einer Substratschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of an interferometer; -
2 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment; -
3 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment; -
4 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment; -
5 a schematic representation of an interferometer according to an embodiment; -
6 a schematic representation of a substrate layer according to an embodiment; -
7 a schematic representation of a substrate layer according to an embodiment; -
8th a schematic representation of a substrate layer according to an embodiment; -
9 a flowchart of a method according to an embodiment; and -
10 a schematic representation of a device according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention are for the in the various figures illustrated and similar elements used the same or similar reference numerals, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Reflexionsschicht
Eine optionale Abstandsänderungseinrichtung
Die weitere Lichtdurchlasszone
Wie aus der in
Die
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt
Im Schritt
Ein derart hergestelltes Interferometerbauelement bietet den Vorteil einer erhöhten Lichtausbeute beim Lichtdurchtritt durch die Lichtdurchlasszone.An interferometer component produced in this way offers the advantage of an increased light yield when light passes through the light transmission zone.
Werden die Spiegelschichten zumindest eines der Spiegelelemente der optischen Kavität zur Herstellung der Reflexionsschicht verwendet, so wird der Prozess beispielsweise so geführt, dass zunächst eine Kaverne im Substratwafer angelegt wird. Die Kaverne muss dabei nicht vollständig durch das Substrat gehen. Nachfolgend wird vorteilhaft eine Glättung der Wände der Durchgangslöcher mittels eines isotropen Ätzverfahrens durchgeführt, bevor die Schichten der Spiegelelemente beidseitig abgeschieden werden. Rückseitig werden die Schichten dann auf den horizontalen Flächen mittels eines anisotropen Ätzverfahrens entfernt.If the mirror layers of at least one of the mirror elements of the optical cavity are used to produce the reflection layer, the process is carried out, for example, in such a way that initially a cavity is applied in the substrate wafer. The cavern does not have to go completely through the substrate. Subsequently, a smoothing of the walls of the through holes is advantageously carried out by means of an isotropic etching process before the layers of the mirror elements are deposited on both sides. On the back side, the layers are then removed on the horizontal surfaces by means of an anisotropic etching process.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes nochmals mit anderen Worten zusammengefasst.Below, various embodiments of the approach presented here are summarized again in other words.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das mikromechanische Interferometerbauelement mindestens ein Substrat, zwei durch einen Spalt voneinander beabstandete, übereinander angeordnete Spiegelelemente, mindestens einen Durchgangsbereich durch das Substrat und eine Verspiegelung, die wenigstens teilweise auf den begrenzenden Wänden des Durchgangsbereichs aufgebracht ist.According to one exemplary embodiment, the micromechanical interferometer component comprises at least one substrate, two mirror elements arranged one above the other at a distance from one another, at least one passage region through the substrate and a mirror coating at least partially applied to the delimiting walls of the passage region.
Der Durchgangsbereich ist etwa durch ein Durchgangsloch realisiert. Der Durchgangsbereich ist dann durch die Wände des Durchgangsloches begrenzt, wobei die Reflexionsschicht, nachfolgend auch Verspiegelung genannt, teilweise auf den Wänden des Durchgangsloches aufgebracht ist.The passage area is realized approximately through a through hole. The passage area is then bounded by the walls of the through-hole, the reflective layer, below also called mirror coating, partially applied to the walls of the through hole.
Der Durchgangsbereich ist ein geschlossener Teil des im interessanten Wellenlängenbereich transparenten Substrats. Der Durchgangsbereich kann etwa durch einen Graben begrenzt sein. Der Graben ist entweder vollständig oder teilweise durch das Substrat strukturiert. Dementsprechend ist die Verspiegelung beispielsweise in den Graben um den Durchgangsbereich eingebracht.The passage region is a closed part of the transparent substrate in the interesting wavelength range. The passage area may be limited by a trench. The trench is either completely or partially structured by the substrate. Accordingly, the reflective coating is introduced, for example, into the trench around the passage region.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Durchgangsbereich als ein freigestellter Teil des Substrats realisiert, auch Mesa-Struktur genannt. Der Durchgangsbereich ist dann durch die Seitenwände der Mesa-Struktur begrenzt. Die Verspiegelung ist zumindest teilweise teilweise auf den Wänden der Mesa-Struktur aufgebracht.According to a further embodiment, the passage region is realized as an exempted part of the substrate, also called a mesa structure. The passageway area is then bounded by the sidewalls of the mesa structure. The mirror coating is at least partially applied partially on the walls of the mesa structure.
Die Verspiegelung ist je nach Ausführungsbeispiel als eine Metallschicht oder, zusätzlich oder alternativ, als ein dielektrischer Multilagenstapel realisiert.Depending on the exemplary embodiment, the mirroring is realized as a metal layer or, additionally or alternatively, as a dielectric multilayer stack.
Die Verspiegelung besteht beispielsweise aus denselben Schichtmaterialien oder -dicken wie zumindest eines der Spiegelelemente und kann mit diesen simultan abgeschieden werden.The mirror coating consists for example of the same layer materials or thicknesses as at least one of the mirror elements and can be deposited with these simultaneously.
Die Durchgangsbereichsbegrenzung, d. h. die Durchgangslöcher, Mesa- oder Grabenwände, können nach der Erzeugung geglättet werden, etwa durch Behandlung mit einer isotropen Ätze, durch thermisches Annealen oder durch Oxidation.The passage area boundary, i. H. the through holes, mesa or trench walls can be smoothed after production, such as by treatment with an isotropic etch, by thermal annealing or by oxidation.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
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