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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Filterschicht auf einen Kristallkörper und eine Sensoreinrichtung.
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Die physikalischen Eigenschaften von Farbzentren, wie etwa Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht hierbei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik ausgenutzt werden. Durch Anregung derartiger NV-Zentren mit sichtbarem Licht im Grün-Bereich und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz beobachtet werden. Diese Fluoreszenz kann mittels einer Sensoreinrichtung erfasst und ausgewertet werden. Als weiteres Beispiel derartiger Farbzentren sei auf Defektzentren in SiC, aber auch auf SiV in Diamant, verwiesen.
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Negativ geladene NV-Zentrum in Diamant können insbesondere zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV Zentren bestehen konkret folgende Vorteile: (i) ultrahohe Empfindlichkeiten, (ii) Vektormagnetometrie (Richtungsbestimmung des Magnetfelds), (iii) hoher dynamischer Messbereich (> 1 Tesla), (iv) Linearität (Zeemaneffekt), (v) keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht. Um einen auf NV Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Spintriplets des Grundzustands optisch detektiert (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu rot-verschobenes Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz.
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Die Lage ist auf Grund des Zeemaneffekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
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NV-Zentren in Diamant besitzen eine derart hohe Magnetfeldempfindlichkeit, dass dies dazu genutzt werden kann um vielfältige bestehende Produkte zu verbessern (z.B. Suchgeräte für elektrische Leitungen in Wänden oder Strommessung von Fahrzeugbatterien) oder auch um neue Produkte zu realisieren, wie zum Beispiel eine kontaktlose Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Ströme bzw. Steuersignale aus dem Gehirn nachweist und auswertet.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Messung von Magnetfeldern über eine kombinierte Anregung derartiger Farbzentren mit sichtbarem Licht und Mikrowellen erwiesen. Insbesondere die hier eingesetzte Anregung mit sichtbarem Licht führt allerdings zu relativ komplexen und groß bauenden Sensoreinrichtungen.
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Die
DE 37 42 878 A1 beschreibt beispielsweise einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung der Effizienz von Sensoreinrichtungen, welche Kristallkörper, insbesondere Diamanten mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere Stickstoff-Fehlstellen, einsetzen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 10.
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Erfindungsgemäß wird gegenüber herkömmlichen Lösungen sowohl die Effektivität der Anregung von Farbzentren sowie der Detektion erzeugter Fluoreszenzstrahlung signifikant verbessert. Es sei betont, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen, welche zu einer Steigerung der Anregungshäufigkeit im Kristallkörper oder zu einer Verbesserung der Detektionsrate des Detektors führen, je für sich oder zusammen unter Bereitstellung synergistischer Effekte zur Ermöglichung miniaturisierter Sensoreinrichtungen realisiert werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch die Aufbringung einer Filterstruktur auf den Kristallkörper kann insbesondere Anregungslicht transmittiert und Fluoreszenzlicht reflektiert werden oder Anregungslicht reflektiert und Fluoreszenzlicht transmittiert werden.
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Die Anordnung einer solchen Filterstruktur zwischen Lichtquelle und Kristallkörper sorgt dafür, dass Anteile des Anregungslichts, welche im Wellenlängenbereich des Fluoreszenzlichtes der Farbzentren liegen, nicht zum Photonensignal im Photodetektor beitragen. Neben der Filterung dieser Anteile des Anregungslichts hat diese Filterstruktur die Funktion, das Fluoreszenzlicht, welches in entgegengesetzter Richtung des Photodetektors emittiert wird, wieder zurück in Richtung des Photodetektors zu reflektieren. Dies erhöht die Fluoreszenzausbeute und damit ebenfalls die Empfindlichkeit des Sensors. Die Fluoreszenzausbeute kann in diesem Fall um bis zu 60% gesteigert werden, was einem Empfindlichkeitsgewinn von 30% entspricht.
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Wird dieser Filter nicht nur an der der Lichtquelle zugewandten Seite, sondern an allen Oberflächen angeordnet, in deren Richtung kein Photodetektor angeordnet ist, kann zusätzliches Fluoreszenzlicht innerhalb des Kristallkörpers gehalten werden, das ansonsten z.B. an den Seitenflächen verloren gehen würde.
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Durch die direkte Aufbringung der Filterstruktur auf den Kristallkörper wird zusätzlich die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung erhöht, da kein zusätzlicher Lichtverlust zwischen Filterstruktur und Kristallkörper auftritt. Des weiteren vermeidet man den ungünstigeren Brechungsindexübergang zwischen Luft und Kristallkörper, an dem ein weiterer Teil des Anregungslichtes und/oder des Fluoreszenzlichtes für die weitere Nutzung verloren gehen kann.
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Die Anordnung einer solchen Filterstruktur zwischen Kristallkörper und Fotodetektor bietet den Vorteil, dass das Anregungslicht aus dem Fluoreszenzsignal gefiltert wird, so dass ausschließlich das Fluoreszenzlicht den Fotodetektor erreicht. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Anregungslicht in entgegengesetzte Richtung rückreflektiert wird und so für weitere Anregungen von Farbzentren genutzt werden kann, was die optische Anregungsdichte der Farbzentren erhöht und die Sensorempfindlichkeit steigert.
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Unter einer wesentlichen Transmission oder Reflexion sei in diesem Zusammenhang ein Grad von mehr als 50%, vorzugsweise mindestens 75%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%, mindestens 95% oder mindestens 99% verstanden.
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Zweckmäßigerweise wird als Lichtquelle ein LED-Chip, insbesondere ein Bare-Die-LED, verwendet. Alternativ kann auch ein Laser verwendet werden. Die Wellenlänge der Lichtquelle sollte idealerweise zwischen 530 nm und 560 nm liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein Amorphisieren mittels einer Vorbehandlung des Kristallkörpers mit einem Sauerstoffplasma und/oder einer mechanischen Beanspruchung wie Mahlen oder Polieren. Die Vorbehandlung mit einem Sauerstoffplasma stellt ein besonders schonendes Verfahren bereit.
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Bevorzugt wird für die Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma ein Plasmaspulen aufweisender induktionsgekoppelter Plasmareaktor verwendet, wobei der Kristallkörper während der Vorbehandlung derart angeordnet wird, dass sich die Plasmaspulen oberhalb des Kristallkörpers befinden, wobei oberhalb des Kristallkörpers ein RF-Sauerstoffplasma mit einer geeigneten Plasmafrequenz, bevorzugt von 10-15 MHz, noch bevorzugter von 13-14 MHz, noch bevorzugter mit den gesetzlich vorgesehenen 13,56 MHz, gezündet wird. Das ICP-Plasma hat den Vorteil, dass gegenüber kapazitiven rF Plasmen oder DC-Plasmen keine Bias-Spannung zwischen substrat und Plasma entsteht. Dadurch wird verhindert, dass Ionen aus dem Plasma auf das Substrat beschleunigt werden und die kristallstruktur des Diamanten schädigen bzw. den Diamant unkontrolliert ätzen und aufrauen können.
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Es ist bevorzugt, dass das Aufbringen der Filterstruktur auf den amorphen Oberflächenbereich mittels CVD-Verfahren oder Sputter-Verfahren oder Elektronenstrahlverdampfen oder Atomic-Layer-Deposition-Verfahren erfolgt. CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren und Elektronenstrahlverdampfen sind bewährte Verfahren. Atomic-Layer-Deposition (ALD) bietet den Vorteil, dass dadurch eine konforme Bedeckung entlang der Diamantoberfläche des in der Regel sehr kleinen Kristallkörpers gewährleistet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Filterstruktur als Bragg-Spiegel ausgebildet, der abwechselnd höher und niedriger brechende Materialschichten aufweist, wobei die Materialschichten jeweils Schichtdicken aufweisen, die einem Viertel der zu reflektierenden Wellenlänge entsprechen. Eine solche Anordnung ermöglicht eine besonders gute Frequenzselektion, zur Einstellung der gewünschten Reflexions- und Transmissionseigenschaften.
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Bevorzugt bestehen die höher brechenden Materialschichten aus Siliziumcarbid (n=2,6), Siliziumnitrid (n=2,2) oder Titannitrid (n=2,4). Da die Anzahl der benötigten Schichtpaare zum Erreichen einer bestimmten Reflexionsgüte vom Brechungsindexunterschied zwischen höher und niedriger brechendem Material abhängt, sind diese Materialien besonders gut geeignet, da sie einen vergleichsweise hohen Brechungsindex im Vergleich zu anderen verfügbaren Materialien aufweisen. Im Falle von amorphem Siliziumcarbid kann die vorhandene Absorption für Wellenlängen unterhalb von 500 nm durch eine Hinzugabe von Sauerstoff verbessert werden um die Transparenz der optischen Filterschichten zu erhöhen. Da gleichzeitig dadurch der Brechungsindex etwas verringert wird, sollte der Sauerstoffgehalt in der Schicht zwischen 2% und 8 % liegen, idealerweise bei 5 %.
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Weiterhin bevorzugt bestehen entsprechend die niedriger brechenden Materialschichten aus SiO2 (n=1,45). Dies ist vorteilhaft, da dieses Material einen im Vergleich zu anderen verfügbaren Materialien vergleichsweise niedrigen Brechungsindex aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist zusätzlich zu der wenigstens einen Filterstruktur ein Filter vorgesehen ist, der für Anregungslicht mit einer Wellenlänge, die zur Fluoreszenzanregung von Fehlstellen des Kristallkörpers geeignet ist, reflektierend ist und für Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge, die bei der Fluoreszenzanregung der Fehlstellen des Kristallkörpers emittiert wird, durchlässig ist, wobei dieser Filter zwischen dem Kristallkörper und dem Photodetektor angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise je nach konkreten Gegebenheiten oder Vorgaben zwischen Lichtquelle und Kristallkörper als auch zwischen Kristallkörper und Fotodetektor die gewünschten Filtereigenschaften erzielbar sind.
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Insbesondere ist zwischen dem Kristallkörper und dem Filter ein zusätzliches Element angeordnet ist, bevorzugt ein Lichtleiter, noch bevorzugter eine Glasfaser. Diese Elemente erlauben verschiedene konstruktionstechnische Anordnungen von Kristallkörper und Filter relativ zueinander.
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Es ist jedoch auch alternativ denkbar, dass der Filter als weitere Filterstruktur auf den Kristallkörper aufgebracht ist. Auf diese Weise weist der Kristallkörper zwei Filterstrukturen auf, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Kristallkörper aufgebracht sind, eine Filterstruktur zwischen der Lichtquelle und dem Kristallkörper, und eine weitere Filterstruktur zwischen dem Kristallkörper und dem Fotodetektor.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen schematisch dargestellt und im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Weise einen Kristallkörper vor der Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seitlichen Querschnittsansicht;
- 2 zeigt in schematischer Weise den Kristallkörper gemäß 1 nach einer Amorphisierung eines Oberflächenbereiches gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seitlichen schematischen Querschnittsansicht;
- 3 zeigt in schematischer Weise den Kristallkörper gemäß 2 nach einer Aufbringung einer Filterstruktur gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seitlichen Querschnittsansicht;
- 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einer seitlichen schematischen Querschnittsansicht.
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Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der 1, 2 und 3 beschrieben.
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Ein Kristallkörper für eine Sensoreinrichtung, an dem eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, ist schematisch in einer Querschnittsansicht in 1 dargestellt und mit 1 bezeichnet.
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In einem ersten Schritt wird ein Oberflächenbereich des Kristallkörpers 1 amorphisiert. Armorphisieren bedeutet, eine Kristallstruktur in eine amorphe Struktur umzuwandeln Die Amorphisierung erfolgt bevorzugt durch eine Substratvorbehandlung mit Sauerstoffplasma. Es ist jedoch auch möglich, eine Amorphisierung durch eine mechanische Bearbeitung des Oberflächenbereiches zu erreichen.
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Der Kristallkörper 1 mit einem derart amorphisierten Oberflächenbereich 10 ist in 2 dargestellt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Filterstruktur 100 auf den amorphisierten Oberflächenbereich 10 aufgebracht. Durch die vorherige Amorphisierung wird die chemische Bindung zwischen dem Oberflächenbereich und der Filterstruktur verbessert. Hierdurch kann eine zuverlässige Haftung der Filterstruktur 100 auf dem Kristallkörper gewährleistet werden. Insbesondere mittel- oder langfristig auftretende Ablösungen der Filterstruktur von dem Kristallkörper können hierdurch wirksam vermieden werden. Die Filterstruktur 100 ist in dieser Ausführungsform als Bragg-Spiegel ausgebildet und weist vier Materialschichten 11, 12, 13, 14 mit jeweils alternierenden Brechungsindizes auf. Eine erste Materialschicht 11 besteht aus Siliziumcarbid, eine zweite Materialschicht 12 besteht aus SiO2, eine dritte Materialschicht 13 besteht wiederum aus Siliziumcarbid und eine vierte Materialschicht besteht wiederum aus SiO2. Es können insgesamt mehr als vier Materialschichten vorliegen. Eine Dicke der jeweiligen Materialschichten beträgt bevorzugt zwischen 100 und 125 nm für die niedrig brechende SiO2 Schicht und zwischen 50 nm und 80 nm für die hochbrechende aSiC Schicht. Auf diese Weise fungiert die Filterstruktur 100 als Shortpass-Filter, der rotes Fluoreszenzlicht 30 reflektiert und grünes Anregungslicht 20 transmittiert. Der Kristallkörper 1 mit der aufgebrachten Filterstruktur 100 ist in 3 dargestellt.
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Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist in 4 dargestellt.
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Die Arbeitsweise der Sensoreinrichtung 100 basiert auf der Anregung von Farbdefekten in einem Kristallkörper. Die Sensoreinrichtung weist als Kristallkörper 1 einen Diamant, der NV Zentren umfasst, auf.
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Die Sensoreinrichtung weist als Lichtquelle 2 bevorzugt einen LED Chip oder einen Laser auf.
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Die Lichtquelle 2 emittiert Anregungslicht im Wellenlängenbereich der optischen Anregung bzw. Initialisierung von NV Zentren in einem Diamanten, also in einem grünen Wellenlängenbereich von 520 bis 600 nm, bevorzugt 550 bis 580 nm. Zwischen dem Kristallkörper 1 und der Lichtquelle 2 ist eine Linse 3 angeordnet.
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Der NV Zentren enthaltende Kristallkörper 1, der beispielsweise als Quader mit Kantenlängen 1mm × 1mm × 0,5mm ausgebildet ist, wird derart angeordnet, dass Anregungslicht 20 aus der Lichtquelle 2 auf den Kristallkörper 1 trifft. Zwischen dem Kristallkörper 1 und der Lichtquelle 2 befindet sich eine Filterstruktur 100, die hier als Bragg-Spiegel ausgebildet ist. Da es sich in dieser Ausführungsform bei dem Kristallkörper 1 um einen Diamanten handelt, ist die Filterstruktur derart ausgebildet, dass sie grünes Anregungslicht 20 transmittiert, während Licht im roten Wellenlängenbereich reflektiert wird. Diese Filterstruktur 100 ist nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Kristallkörper 1 aufgebracht worden.
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Es ist ferner eine Hochfrequenzeinrichtung 4 zum Bestrahlen des Kristallkörpers 1 mit Mikrowellen 40 vorgesehen. Durch gleichzeitige Bestrahlung des Kristallkörpers 1 mit sichtbarem Anregungslicht 20 im grünen Bereich und Mikrowellen 40 ergibt sich, wie eingangs erwähnt, magnetfeldabhängiges Fluoreszenzlicht 30, dessen Erfassung in hochsensitiver Weise Rückschlüsse auf Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes erlaubt. Die Steuerung der Hochfrequenzeinrichtung 4 erfolgt zweckmäßigerweise über eine zentrale Steuer- und Versorgungselektronik.
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Zur Erfassung dieses Fluoreszenzlichtes 30 ist ein Photodetektor 7 vorgesehen.
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Zwischen dem Kristallkörper 1 und dem Photodetektor 7 kann bevorzugt ein Lichtleiter 5 angeordnet sein.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Photodetektor 7 und dem Kristallkörper 1 ein Filter 6 angeordnet, der für das Anregungslicht 20 reflektierend wirkt und für das Fluoreszenzlicht 30 transmittierend wirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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