DE19734650A1 - Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung durch Gasentladung und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung durch Gasentladung und Verfahren zur Herstellung der VorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Emission
elektromagnetischer Strahlung durch Gasentladung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solch einer
Vorrichtung.
Herkömmliche Gasentladungslampen werden in vielen Anwendungsgebieten
eingesetzt. Dabei bestehen die hybrid aufgebauten kleinen stabförmigen
Entladungslampen wie beispielsweise Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruck-
Hg-, Wasserstoff-, Deuteriumlampen oder Blitzlampen, insbesondere Xenon-
Blitzlampen mit einer Frequenz von 1 bis 2 Hz aus einem Quarzglaskolben mit
elektrischen Durchführungen, einer Wolframanode, einem Blendensystem und einer
heizbaren Kathode, die beispielsweise dauerhaft auf 250°C heizbar ist und mit
Oxiden beschichtet ist. Der Quarzglaskolben ist mit einem hochreinen Füllgas,
beispielsweise einem Edelgas, Hg-, H2- oder D2-Gas gefüllt. Auf der Innenseite des
Quarzglaskolbens ist teilweise ein Gettermaterial, beispielsweise Ti, aufgebracht, um
Restgase wie beispielsweise aktive Oxide, H2 oder O2 einzufangen, wodurch die
Gasaufzehrung verringert wird und somit die Lebensdauer der Lampe erhöht wird.
Ferner ist ein elektrisches Steuergerät zum Betreiben der Vorrichtung vorgesehen. Bei
einer ozonfreien Ausführung der Lampe ist ein Borsilikatglasfilter eingebaut, welches
Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 200 nm abschneidet, wodurch die
Erzeugung von Ozon in der Außenluft verhindert wird. Derartige UV-Lampen werden
beispielsweise von der Heraeus Noblelight, Kleinostheim, hergestellt und vertrieben.
Der typische Wellenlängenbereich des emittierten Lichts von solch einer
Gasentladungslampe liegt meist im UVa-, UVb- und UVc-Bereich (190 nm bis 600
nm). Die Lichtleistung beträgt 30 W bis einige 100 W. Typische Kolbenabmessungen
sind 30 mm Durchmesser und mehrere cm Länge. Solche Gasentladungslampen
werden weitverbreitet in Photometern, insbesondere Spektralphotometern, und
Meßgeräten, als Strahlungsnormal, zur Rauchgaskontrolle und in anderen Gebieten,
in denen eine UV-Lichtquelle erforderlich ist, verwendet. Beispielsweise lassen sich
solche UV-Gasentladungslampen zum Nachweis von NOx und SOx verwenden. Die
bekannten Gasentladungslampen haben typische Lebensdauern von mehreren
tausend Stunden.
Da solche Lampen für analytische Zwecke entworfen sind, werden häufig auch
sogenannte Durchscheinversionen eingesetzt. Dabei wird Licht zweier Lampen,
nämlich der Gasentladungslampe und einer zweiten Lampe, die Licht im IR- und
sichtbaren Bereich emittiert, miteinander gekoppelt. Somit ist es möglich, ein
kontinuierliches Spektrum in einem großen Wellenlängenbereich zu emittieren.
In Gasentladungslampen erfolgt die Emission von Strahlung durch Glimmentladung.
Um die Gasentladung zur Erzeugung von UV-Licht zu zünden, wird die Kathode ca.
10 bis 15 Sekunden lang auf ca. 900°C vorgeheizt. Nach dem Zünden liegt die
Betriebstemperatur zwischen 100°C und 300°C. Dabei stellt sich eine
Kolbenbetriebstemperatur von ca. 250°C ein, während die Temperatur des
Lampengehäuses bei ca. 40 bis 50°C liegt. Die Zündung kann ebenfalls durch das
Anlegen einer erhöhten Spannung, die im Bereich von ca. 350 V liegt, erfolgen. Die
Betriebsspannung hingegen liegt bei 85 bis 200 V.
Die herkömmlichen Gasentladungslampen haben den Nachteil, daß sie im Vergleich
zu der erforderlichen Strahlungsleistung sehr voluminös sind. Insbesondere werden
viele Komponenten in den Einsatzgebieten der Lampen miniaturisiert, während die
geometrischen Abmessungen der UV-Lampen selbst im Verhältnis zu den
miniaturisierten Komponenten zu groß sind. Dabei erfolgt eine geometrische
Miniaturisierung nur durch Anpassen der Geometrien durch Skalierung zu kleineren
Geometrien. Als Faustregel gilt: Ein drittel Lichtleistung → ein drittel Geometrie.
Des weiteren werden zur Herstellung der herkömmlichen Gasentladungslampen die
Komponenten einzeln hergestellt und hybrid aufgebaut. Somit findet keine
Herstellung in Parallelprozessen statt. Der hybride Aufbau der Gasentladungslampen
führt somit zu einem komplizierten und kostenintensiven Herstellungsverfahren.
Ein weiterer Nachteil ist die relativ kurze Lebensdauer der Gasentladungslampen, d. h.
die UV-Strahlungsintensität nimmt exponentiell mit der Betriebsdauer ab.
Weitere Nachteile der herkömmlichen Gasentladungslampen sind, daß die von ihnen
emittierte Strahlung zu hohe optische Leistungen aufweist. Insbesondere sind UV-
Detektoren in den letzten Jahren durch Weiterentwicklungen immer empfindlicher
geworden, so daß für Analysen nicht mehr so hohe Strahlungsintensitäten, wie sie
von 30 W-Lampen erzeugt werden, erforderlich sind. Daher haben die derzeit
verfügbaren und eingesetzten kleinsten UV-Strahlungsquellen zu hohe optische
Leistungen. Ausreichend wären Strahlungsleistungen unter 10 W.
Die zu hohe optische Strahlungsleistung der bekannten Gasentladungslampen ist
dahingehend nachteilig, daß dadurch auch der Energieverbrauch dieser Lampen zu
groß ist, was ihre Verwendung in tragbaren Geräten beispielsweise unter
Batteriebetrieb erschwert. Ferner findet bei zu hoher optischer Leistung auch eine zu
starke Erosion des Elektrodenmaterials statt, was zu einer verkürzten Lebensdauer der
Vorrichtung führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine miniaturisierte
Gasentladungs-Strahlungsquelle zu schaffen, die kostengünstig und einfach
hergestellt werden kann und die verringerte Strahlungsleistungen emittiert. Ferner ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung solch einer Gasentladungs-Strahlungsquelle bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Aufgaben durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird das Verfahren nach
Anspruch 16 bereitgestellt.
Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dadurch ausgezeichnet, daß der
Gasentladungsraum der Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung
durch Gasentladung als Ausnehmung in einem Substrat gebildet ist und seitlich
durch das Substrat begrenzt ist. Dadurch ist die Vorrichtung miniaturisiert, ihr Aufbau
ist stark vereinfacht, und sie kann durch die in der Halbleitertechnologie
typischerweise verwendeten Mikrotechniken und Planartechnologien kostengünstig
hergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gasentladung in dem
Gasentladungsraum dadurch bewirkt, daß eine Spannung zwischen zwei
Halteelektroden angelegt wird und an eine dritte Elektrode ein Zündimpuls angelegt
wird. Während des Betriebs der Vorrichtung kann diese dritte Elektrode dann zum
Heizen der Vorrichtung auf eine erwünschte Betriebstemperatur verwendet werden.
Auch ist es möglich, die dritte Elektrode in eine Heiz- und in eine Zündelektrode
aufzuteilen. An die dritte Elektrode kann während des Betriebs der Vorrichtung auch
eine Gegenspannung angelegt werden.
Alternativ sind jedoch auch andere Mechanismen zum Bewirken der Gasentladung in
dem Gasentladungsraum denkbar, beispielsweise thermische Mechanismen oder
durch Einkoppeln von Mikrowellenenergie.
Erfolgt die Gasentladung, wie vorstehend beschrieben, durch Anlegen einer
Spannung zwischen zwei Halteelektroden und Anlegen eines Zündimpulses an eine
dritte Elektroden, so können Anode und Kathode (Haltelektroden) durch
mikrosystemtechnisch hergestellte Elektroden als integrierte Komponenten mit
geringem Abstand realisiert sein. Insbesondere können die Halteelektroden auf einer
ersten horizontalen Begrenzung aus beispielsweise einer Isolatorschicht aufgebracht
sein. Diese Isolatorschicht ist vorzugsweise als eine dünne Membran (2 bis 5 µm) aus
einem Siliziumdioxidmaterial realisiert. Solch eine Membran wird zum Herbeiführen
einer Zündung durch Anlegen eines Stroms aufgeheizt. Daher ergibt sich
insbesondere bei einer dünnen Schichtdicke der zusätzliche Vorteil, daß eine
"schnelle" Zündung bewirkt werden kann. Zur Verringerung der Austrittsarbeit der
Elektronen aus den Metallelektroden kann auf der dem Gasentladungsraum
zugewandten Seite der ersten Isolatorschicht eine dritte Schicht, vorzugsweise ein
Oxidschicht, beispielsweise aus einem Erdalkalioxid, vorgesehen sein. Dadurch wird
die Erosion und Verdampfung von Oxid- und Elektrodenmaterial in den
Gasentladungsraum weiter vermindert, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung
erhöht wird.
Zusätzlich kann die geometrische Form der Halteelektroden an die
physikalischen Verhältnisse, beispielsweise an eine zu erzielende Homogenität oder
Flächenleuchtdichte der Strahlung, angepaßt werden. Ein Beispiel für eine
geometrische Anordnung von Anode und Kathode ist in Fig. 2 gezeigt. Ein typischer
Spaltabstand a beträgt dabei 80 bis 100 µm.
Die Elektroden sind über elektrische Leitungen von außen mit einer
Spannungs- bzw. Stromquelle verbunden. Dabei können die elektrischen Leitungen
direkt als Leiterbahnen realisiert sein und durch Planartechnologie integriert
hergestellt werden. Dadurch wird der Aufbau der Vorrichtung weiter vereinfacht, da
keine aufwendigen Stromdurchführungen notwendig sind.
Das Substrat kann ein Silizium-Substrat sein oder aus einem anderen für die Zwecke
der Erfindung geeigneten Material bestehen. Durch Auswahl einer geeigneten
Orientierungsrichtung der kristallographischen Achse kann eine erwünschte Form des
Gasentladungsraums begünstigt werden. Beispielsweise kann das Substrat ein
Silizium (1,0,0)-Substrat sein. Durch einen anisotropen Ätzvorgang mit einem
geeigneten Ätzmittel ist es dabei möglich, einen Gasentladungsraum mit V-förmigen
Wänden (Ätzwinkel 54,7°) zu realisieren. Ist hingegen ein Gasentladungsraum mit
senkrechten Wänden erwünscht, so kann man ein Silizium (1,1,0)- oder (1,1,1)-
Substrat verwenden, da bei Ätzen von solch einem Substrat aufgrund der
ausgewählten Kristallorientierung senkrechte Wände entstehen. Durch Verwendung
eines Gasentladungsraums mit senkrechten Wänden ist es beispielsweise möglich, die
Strahlungsquelle als fokussierten Punktstrahler zu realisieren, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Ein Punktstrahler läßt sich ebenfalls realisieren, indem man die Blendenwirkung eines
Gettermaterials ausnutzt. Beispielsweise kann optional auch ein Teil einer zweiten
horizontalen Begrenzung, wie in Fig. 4 gezeigt, mit dem Gettermaterial beschichtet
sein. Insbesondere kann zu Erzielung eines erwünschten Strahlquerschnitts das
Gettermaterial in einem erwünschten Muster ausgebildet sein. Zusätzlich können
natürlich auch die Seitenwände des Gasentladungsraums zur Erhöhung der
Lebensdauer der Vorrichtung mit dem Gettermaterial beschichtet sein.
Da der Gasentladungsraum als Ausnehmung in einem Substrat gebildet ist, ist die
Wärmekapazität der Seitenwände der Vorrichtung erhöht, wodurch die
Abkühlwirkung der Seitenwände vergrößert wird. Ferner ist es aber auch möglich,
eine aktive Kühlung, beispielsweise durch mit einem Kühlmittel durchflossene
Kühlkanäle, an der Vorrichtung anzubringen, um dadurch die Lebensdauer der
Vorrichtung weiter zu erhöhen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wichtig, daß die Betriebstemperatur in
einem nahezu konstanten Bereich gehalten wird, wobei der Absolutwert der
Betriebstemperatur nicht so entscheidend ist. In der herkömmlichen UV-
Gasentladungslampe stellt sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen Gehäuse und
Kolben erst nach ca. 10 bis 15 Minuten ein. Daher ist die erfindungsgemäße
Vorrichtung aufgrund ihrer verminderten Größe vorteilhaft, da dort eine schnellere
Einstellung des thermischen Gleichgewichts zu erwarten ist. Durch Bereitstellung von
aktiven oder passiven Kühlmitteln ist es möglich, die Betriebstemperatur der
erfindungsgemäßen Vorrichtung annähernd konstant zu halten.
Die zweite horizontale Begrenzung ist vorzugsweise aus einem für die emittierte
Strahlung zumindest teilweise transparenten Material aufgebaut, beispielsweise aus
Quarzglas. Für eine ozonfreie Ausführung können auch beispielsweise
Borsilikatglasfenster angebracht werden.
Zusätzlich kann ein optischer Schmalbandfilter, der an die erwünschte
Emissionswellenlänge angepaßt ist, in die zweite horizontale Begrenzung integriert
sein. Zur Einengung des Strahlungsspektrums können noch weitere
Schmalbandinterferenzfilter abgeschieden werden. Insbesondere können mit solch
einem optischen Filter unerwünschte Wellenlängenkomponenten abgeschnitten
werden.
Beispielsweise können Schichten aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Aluminium
durch CVD-Verfahren oder Sputtern als UV-Bandpass-Filter hergestellt werden. Ein
kostengünstiger Schmalbandfilter kann realisiert werden, indem beispielsweise eine
Struktur aus 13 Schichten aus Aluminium, Siliziumdioxid und Siliziumnitrid
abgeschieden wird. Alternativ ist auch eine Fabry-Perot-Struktur Al-SiO2-Al aus fünf
Schichten aus SiO2, Al und Si3N4 denkbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch System zur Emission
elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 12 bereitgestellt.
Solch ein System umfaßt mindestens eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben,
mindestens eine Nachweiseinrichtung zum Nachweisen der von der mindestens einen
Vorrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung und mindestens eine
Regeleinrichtung zur Regelung der an die mindestens eine Vorrichtung angelegten
Spannung entsprechend dem von der mindestens einen Nachweiseinrichtung
ausgegebenen Signal. Somit kann beispielsweise bei einer Abnahme der
Strahlungsleistung der emittierten Strahlung die an die Halteelektroden angelegte
Spannung entsprechend erhöht werden, um die Strahlungsleistung auf einen
erwünschten Wert zu regeln. Dabei erfolgt die Regelung der Spannung in der Weise,
daß der Plasmastrom auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Herkömmlich
liegen typische Plasmaströme in einem Bereich von 200 bis 500 mA.
Es wurde festgestellt, daß die Abnahme der Strahlungsleistung einer
Gasentladungslampe stark von der Wellenlänge der emittierten Strahlung abhängt.
So nimmt bei gleicher Lebensdauer die Strahlungsleistung bei einer Wellenlänge von
230 nm wesentlich stärker ab als die bei einer Wellenlänge von 280 nm.
Daher kann auf der mindestens einen Nachweiseinrichtung zusätzlich ein UV-Filter
vorgesehen sein, so daß die Nachweiseinrichtung nur einen für die
Anwendungszwecke der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlichen
Wellenlängenbereich nachweist, um somit die Emission dieses spezifischen
Wellenlängenbereichs durch entsprechende Einstellung der an die zugehörigen
Halteelektroden angelegte Spannung zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Array mit einer Vielzahl von
Vorrichtungen wie vorstehend beschrieben bereitgestellt. Dadurch ist es
beispielsweise möglich, eine großflächige Strahlungsquelle bereitzustellen. Zur
Realisierung einer großflächigen Leuchtstofffläche im sichtbaren Bereich kann
zusätzlich die dem Gasentladungsraum abgewandte Seite der zweiten horizontalen
Begrenzung mit einem Leuchtstoffmaterial, gegebenenfalls in jeweils verschiedenen
Farben, beschichtet sein.
Auch solch ein Array kann als ein System mit Nachweiseinrichtung und
Regeleinrichtung ausgeführt sein, und beispielsweise können im Laufe der Zeit
entsprechend dem Signal der Nachweiseinrichtung weitere erfindungsgemäße
Vorrichtungen zugeschaltet werden, um eine zeitlich konstante Emission der
gesamten Vorrichtung zu erzielen.
Die einzelnen Vorrichtungen sind dabei jeweils einzeln ansteuerbar und können
daher einzeln an- und ausgeschaltet werden.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine kompakte Größe aufweist, kann sie in
tragbaren Geräten verwendet werden. Aufgrund ihrer verminderten Größe ist ihre
abgestrahle Leistung und somit der Energieverbrauch verringert, so daß sie auch
durch Batterien betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren und eines
Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Halteelektroden in Draufsicht.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als
fokussierter Punktstrahler.
Fig. 4 zeigt eine weitere mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als fokussierter Punktstrahler.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
Als Beispiel wird in Fig. 1 ein miniaturisierter Deuteriumstrahler als eine erste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Auf einem Silizium(1,0,0)-Wafer 1 wird eine 2 bis 5 µm dicke, aus einem Siliziumoxid
(SiO2) oder Siliziumoxinitrid (SixOyNz) bestehende Isolationsschicht 3 aufgebracht, auf
welcher ein Resistmaterial aufgeschleudert und anschließend zur Ausbildung von
Metallelektroden, Kontaktanschlüssen und Verbindungsleitungen geeignet
strukturiert wird. Anschließend wird eine Metallschicht aus einer 40 nm Cr-
Haftschicht und einer 500 nm Elektrodenschicht aus Pt, W oder Mo aufgebracht.
Mittels Lift-Off-Technik erfolgt die Strukturierung der Halteelektroden 4, 5 und der
Kontaktanschlüsse 10. Danach werden gegebenenfalls die Kontaktanschlüsse durch
ein Resistmaterial abgedeckt. Es ist aber auch möglich, die nun folgenden Schichten
auf den Kontaktanschlüssen abzuscheiden und diese dann anschließend freizulegen.
Darauf folgend wird eine weitere 2 bis 5 µm dicke, aus einem Oxid, beispielsweise
Siliziumdioxid, Aluminiumoxid/Siliziumoxid, Titanoxid oder Tantaloxid, bestehende
Isolationsschicht 6 aufgebracht, auf der anschließend eine weitere Metallelektrode 7
als Heizelektrode strukturiert wird. Die Oberfläche dieser Struktur wird mit einer
Passivierungsschicht 8 aus beispielsweise SiC passiviert. Anschließend erfolgt ein
weiterer Lift-Off-Schritt.
Darauf folgend wird die Rückseite des Wafers teilweise mit Si3N4 maskiert, und Si
wird anisotrop bis zur Oxidschicht 3 unter Ausbildung des Gasentladungsraums 2 mit
den in der Siliziumtechnologie gebräuchlichen Ätzmitteln (KOH, TMAH, EDP,
Trockenätzen, RIE) heruntergeätzt. Anschließend wird eine Oxidschicht 9 aus
beispielsweise MgO, BaO, SrO oder CaO oder auch Schichtenstapel aus diesen
Schichten zur Reduzierung der Elektronenaustrittsarbeit auf der dem
Gasentladungsraum 2 zugewandten Seite der Oxidschicht 3 aufgebracht,
beispielsweise durch Aufdampfen mit Schattenwurf durch eine Schattenmaske. Dann
werden ebenfalls über Schattenwurf durch eine Schattenmaske Gettermaterialien 12,
beispielsweise Ni, abgeschieden.
Die somit hergestellte Komponente wird in eine Bondkammer gebracht. Unter der
Atmosphäre des hoch reinen Füllgases beispielsweise aus Edelgas, Hg, H2 oder D2 wird
das Substrat mit einem Quarzglas 11 durch Bonden bei gleichzeitigem Anlegen einer
Spannung (anodisches Bonden) oder erhöhter Temperatur oder Löten bei 560°C
gasdicht verschlossen.
Die Kontaktlöcher werden freigelegt und eventuell mit einer bondbaren Schicht
versehen. Kontaktdrähte können auch angeschweißt werden. Anschließend wird die
erfindungsgemäße Vorrichtung in ein äußeres Gehäuse montiert und mit äußeren
Verbindungsleitungen verbunden. Die Kontaktstellen werden zum Schutz vor
Korrosion vergossen.
Durch Anlegen einer geeigneten Spannung, beispielsweise 220 bis 350 V, zwischen
den Elektroden 4 und 5 sowie einer geeigneten Zündspannung an die Heizelektrode
7 wird die Entladung in der Gasentladungskammer gezündet. Durch Anlegen eines
geeigneten Stroms an die Heizelektrode kann eine erwünschte Betriebstemperatur
der Vorrichtung aufrecht erhalten werden. Alternativ sind aber auch andere
Entladungsmechanismen, beispielsweise eine thermische Entladung wie vorstehend
beschrieben denkbar.
Die hier aufgeführten einzelnen Prozeßschritte sind nur als Beispiel gegeben. Generell
sind alle in der Dünnschichttechnologie üblicherweise verwendeten Prozeßschritte für
die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet. Auch ist es zur
Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile möglich, die Reihenfolge der hier
aufgeführten Prozeßschritte gegebenenfalls umzukehren.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein mit einer Isolationsschicht 3, Halteelektroden 4, 5, Kontaktanschlüssen 10, einer
Isolationsschicht 6, einer weiteren Metallelektrode 7 und einer Passivierungsschicht 8,
die wie in der Beschreibung der ersten Ausführungsform beschrieben aufgebracht
und strukturiert sind, versehenes Siliziumsubstrat wird, wie ebenfalls vorstehend
beschrieben, rückseitig anisotrop geätzt und gegebenenfalls mit einem
Gettermaterial beschichtet. Statt dem darauffolgenden Schritt zum Verbinden des
Siliziumsubstrats mit einem Quarzglas, das gegebenenfalls einen oder mehrere
Interferenzfilter und/oder eine Gettermaterialbeschichtung enthält, in einer
Atmosphäre des einzufüllenden Gases wird das Siliziumsubstrat in ein Gehäuse,
beispielsweise ein TO-Gehäuse, das aus einer Metallegierung besteht, montiert und
elektrisch kontaktiert. Anschließend wird unter der Atmosphäre des einzufüllenden
Gases ein Metalldeckel, der dieses Quarzglas enthält, oder solch ein Quarzglas ohne
Metalldeckel mit dem Gehäuse verschweißt, so daß das Gehäuse, das das
Siliziumsubstrat enthält, mit dem Gas gefüllt ist, in dem eine Gasentladung während
des Betriebs stattfindet.
Alternativ kann gemäß einer dritten Ausführungsform, das Siliziumsubstrat auch wie
in Fig. 6 gezeigt mit der ebenen Fläche nach oben in dem Gehäuse angeordnet sein.
Dazu wird die Schichtenfolge der einzelnen Schichten derart ausgewählt, daß auf
dem Siliziumsubstrat zunächst Metallelektroden 7a zum Heizen, eine Isolatorschicht
8, eine Metallelektrode 7b zum Zünden der Entladung, eine weitere Isolatorschicht,
schließlich die Haltelektroden 4 und 5, dann die aus beispielsweise SiO2 bestehende
Isolatorschicht 3 und schließlich die Schicht zur Verringerung der Austrittsarbeit
aufgebracht sind. Die elektrische Kontaktierung der Vorrichtung erfolgt jeweils
seitlich. Das Quarzglas oder ein Metalldeckel, der solch ein Quarzglas enthält, wird
schließlich unter eine Atmosphäre aus dem Gas, mit dem die Vorrichtung zu füllen
ist, mit dem Gehäuse verschweißt. Der Quarzdeckel kann zusätzlich teilweise mit
einem Gettermaterial beschichtet sein.
Je nach geometrischer Anordnung des Siliziumsubstrats in dem Gehäuse ist es
möglich, die Abstrahlungsgeometrie zu beeinflussen.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung durch Gasentladung mit
- - einem mit einem Gas gefüllten Gasentladungsraum und
- - Einrichtungen zum Bewirken einer Gasentladung in dem Gasentladungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasentladungsraum als Ausnehmung in einem Substrat gebildet ist und seitlich durch das Substrat begrenzt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein
Edelgas, Hg, H2 oder D2 ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Substrat ein Silizium-Substrat ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine erste horizontale Begrenzung des Gasentladungsraums
aus einer ersten Isolatorschicht gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Bewirken einer Gasentladung in dem
Gasentladungsraum
- - mindestens eine Anode,
- - mindestens eine Kathode und
- - elektrische Leitungen für die mindestens eine Anode und die mindestens eine Kathode umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter gekennzeichnet durch eine auf der von
dem Gasentladungsraum der ersten Isolatorschicht aufgebrachte erste und zweite
Metallelektrode, die als Anode und Kathode ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter gekennzeichnet durch eine zweite
Isolatorschicht, die auf der ersten Isolatorschicht mit den Metallelektroden
aufgebracht ist, sowie eine dritte Metallelektrode als eine Heizelektrode.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, weiter gekennzeichnet durch eine dritte
Schicht zur Verringerung der Austrittsarbeit von Elektronen, die auf der dem
Gasentladungsraum zugewandten Seite der ersten Isolatorschicht aufgebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine zweite horizontale Begrenzung des Gasentladungsraums
aus einem für die emittierte Strahlung zumindest teilweise transparenten Material
aufgebaut ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet
durch ein Gettermaterial, das auf mindestens einer Seitenfläche und/oder einem Teil
der zweiten horizontalen Begrenzung des Gasentladungsraums aufgebracht ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite horizontale Begrenzung aus Quarzglas besteht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiter gekennzeichnet durch
einen UV-Filter, der auf der zweiten horizontalen Begrenzung aufgebracht ist.
13. Array mit einer Vielzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. System zur Emission elektromagnetischer Strahlung mit
- - mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
- - mindestens einer Nachweiseinrichtung zum Nachweisen der von der mindestens einen Vorrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung und
- - mindestens einer Regeleinrichtung zur Regelung der an die mindestens eine Vorrichtung angelegten Spannung entsprechend dem von der mindestens einen Nachweiseinrichtung ausgegebenen Signal.
15. System nach Anspruch 14, weiter gekennzeichnet durch mindestens einen UV-
Filter, der auf der mindestens einen Nachweiseinrichtung aufgebracht ist, zum
wellenlängenselektiven Nachweis der von der mindestens einen Vorrichtung
emittierten elektromagnetischen Strahlung.
16. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
gekennzeichnet durch die Schritte zum
- - Bereitstellen des Substrats,
- - Aufbringen einer ersten Isolatorschicht auf einer ersten Substratoberfläche,
- - teilweises Aufbringen einer Metallschicht zur Ausbildung der ersten und zweiten Metallelektrode,
- - Bereitstellen von elektrischen Kontakten für die erste und zweite Metallelektrode,
- - Aufbringen einer Passivierungsschicht auf der Metallschicht,
- - teilweises Ätzen des Substrats bis zur ersten Isolatorschicht unter Ausbildung des Gasentladungsraums, und
- - Aufbringen der zweiten horizontalen Begrenzung in einer Atmosphäre des Gases, so daß der Gasentladungsraum mit dem Gas gefüllt wird und gasdicht verschlossen wird.
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