DE19740096A1 - Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer optischer Komponenten in porösem Silicium sowie solche optische Komponenten enthaltenes Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer optischer Komponenten in porösem Silicium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein solche optische Komponenten enthaltenes Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Als Stand der Technik sind passive Applikationen aus porösem Si­ licium, wie Interferenzfilter, Waveguides oder Sensoren zum Bei­ spiel aus DE-OS 43 19 413.3-33 oder aus "Application of porous silicon technology to optical waveguiding" A. Loni, R.J. Bozeat, M. Krüger, M.G. Berger, R. Arens-Fischer, M. Thönissen, H.F. Arrand and T.M. Benson, Proceedings of the IEE colloguium "Microengineering Applications in Optoelectronics", 27.02.1996, London, (Digest No. 96/39) bekannt. Sie stellen aufgrund ihrer Integrationsfähigkeit in die bisher vorhandene Silicium Techno­ logie ein großes Anwendungspotential dar. Aufgrund dieser Reali­ sierung von grundlegenden optischen Komponenten ist es wün­ schenswert, neben den bekannten Interferenzfiltern auch farbse­ lektive Spiegel, unter Umständen auch Mikrospiegel, Linsen oder Prismen u. a. auf Silicium oder in porösem Silicium herstellen zu können.

Außerdem ist aus DE P 196 38 885.6 und DE P 195 18 371.1 die Herstellung von Interferenz filtern aus porösem Silicium, die be­ leuchtungsunterstützte Strukturierung von PS und die Beeinflus­ sung der Ausbildung der Ätzfront im Substrat durch geeignete Ätzmasken als Stand der Technik bekannt. Dabei beschränkt sich jedoch nachteilig die beleuchtungsunterstützte Strukturierung lediglich auf die Änderung der Mikrostruktur innerhalb einer po­ rösen halbleitenden Schicht um bestimmte optische Eigenschaften innerhalb dieser porösen Schicht einzustellen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer oder mehrerer Komponenten bereit zustellen, bei dem auf einfache Weise solche Komponenten gebildet werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach An­ spruch 11. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsfor­ men oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde erkannt, daß zur Lösung der Aufgabe die Steuerung des Ablöseprozesses mit Hilfe einer unterstützenden Beleuchtung ein Hauptkriterium bildet. Dabei wurde zudem erkannt, daß eine be­ stimmte auf die Form der optischen Komponente(n) abgestimmte Ausbildung der Beleuchtung der Materialoberfläche, insbesondere mittels einer oder mehrerer Graustufenvorlagen unmittelbar zur Ausbildung einer Ätzfront im Material führt, die der Form der optischen Komponente(n) entspricht. Durch anschließende Ätzung kann unmittelbar die optischen Komponente gebildet oder weiter ausgebildet werden. Die Beeinflussung der Ätzfront durch eine gezielte Beleuchtung ermöglicht auf diese Weise eine Steuerung der Ätzung die zur Bildung oder weiteren Ausbildung der Ätz­ struktur führt. Dabei ist es vorstellbar, in vorteilhafter Weise die Beleuchtung während des Ätzprozesses einzusetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer oder mehre­ rer optischer Komponenten, wie zum Beispiel Prismen und/oder Linsen, bei dem in einem porösen halbleitenden Material, insbe­ sondere Silicium oder Silicium/Germanium oder Aluminium oder Germanium, beinhaltet die Beleuchtung der Materialoberfläche mit Hilfe einer Graustufen- oder Buntvorlage, bei der die Hell/Dunkelwerte bzw. die unterschiedlichen Wellenlängen der Farben einer Farbvorlage die Ätzrate der porösen Schicht geän­ dert wird.

Gemäß Patentanspruch 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor­ teilhaft ausgebildet, indem die Oberfläche während oder nach dem Ätzprozeß mit einer Vorlage beleuchtet wird.

Gemäß Patentanspruch 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren da­ durch vorteilhaft ausgebildet, daß der Verlauf der Ätzfront be­ einflußt wird, sodann die poröse Schicht abgelöst wird und Ein­ zelschichten oder Schichtsystemen erneut geätzt werden.

Gemäß Patentanspruch 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor­ teilhaft dadurch ausgeführt, daß die oder wenigstens eine opti­ sche Komponente durch chemisches Ätzen, insbesondere durch Re­ active Ion Etching, gebildet wird.

Gemäß Patentanspruch 5 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem anschließend ein spiegelnder Me­ tallfilm aufgedampft wird. Damit wird die optische Komponente spiegelnd ausgebildet.

Gemäß Patentanspruch 6 wird sehr vorteilhaft das erfindungsge­ mäße Verfahren zwecks Bildung holographischer Informationen in die poröse Struktur, dadurch ausgeführt, indem die Grauwerte bzw. Farben in ein Tiefenprofil übertragen werden und somit die Ätzrate der porösen Struktur in horizontaler und/oder vertikaler Richtung definiert einstellbar ausgebildet wird, so daß das Ablö­ sen des beleuchteten - porösen - Bereichs des halbleitenden Ma­ terials auf die jeweilige Ausbildung der erwünschten Komponente abgestimmt wird.

Gemäß Patentanspruch 7 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgeführt, indem die oder wenigstens eine abgeätzte Struktur mittels anderer Substanzen, insbesondere Flüssigkri­ stalle, zur Bildung einer oder mehrerer elektrisch schaltbarer optischer Komponenten, insbesondere Linsen, aufgefüllt werden.

Gemäß Patentanspruch 11 wird das erfindungsgemäße optische Bau­ element mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einer der Ansprüche 1 bis 10 hergestellter Strukturen ausgebil­ det.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Graustufenvorlage zur Erstellung einer erfindungsgemäße Konvexlinse bzw. Spiegel (Aufsichtsaufnahme, obere Fi­ gur) und daraus resultierende Struktur (Seitenansicht, untere Figur);

Fig. 2 Ätzprofil einer porösen Schicht mit mehreren nebeneinan­ derliegenden Streifen nach dem Ablösen mit NaOH in Sei­ tenansicht zur Bildung mehrerer erfindungsgemäßen Mikro­ spiegel mit unterschiedlichem Krümmungsradius mittels konvexem Profil;

Fig. 3 erfindungsgemäße Fresnell'sche Zonenplatte.

Ausführungsbeispiel

In der Fig. 1 ist eine Graustufenvorlage zur Erstellung einer erfindungsgemäße Konvexlinse bzw. Spiegel (Aufsichtsaufnahme) und daraus resultierende Struktur (Seitenansicht) in halbleiten­ dem Material (Silicium) gezeigt.

In der Fig. 2 ist das Ätzprofil einer porösen Schicht mit meh­ reren nebeneinanderliegenden Streifen nach dem Ablösen mit NaOH gezeigt in Seitenansicht. Durch das konvexe Profil wird eine Herstellung von Mikrospiegeln mit unterschiedlichem Krümmungsra­ dius ermöglicht.

In der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße, Fresnell'sche Zonen­ platte gezeigt. Durch die Herstellung von konzentrischen Kreisen beispielsweise im porösem Silicium mit Hilfe einer Vorlage wie im oberen Bereich der Fig. 3 dargestellt, kann lokal - wie in der Seitenansicht angedeutet - die Reflexion bzw. Transmission verändert werden. Die erfindungsgemäße Zonenplatte wirkt daher als Linse für verschiedene Wellenlängen und kann in vorteilhaf­ ter Weise durch Abstand der Kreise und Beobachtungswinkel den erwünschten Randbedingungen entsprechend bestimmt und gebildet werden kann.

Die Erfindung erlaubt optische Strukturen wie Linsen und Prismen in - porösem - Silicium herzustellen und sich dabei zum einen die Beleuchtungssensitivität des Ätzprozesses, zum anderen die veränderbare Form der vorhandenen Ätzfront nutzbar zu machen. Im einzelnen sind verschiedene, erfindungsgemäße Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Herstellung von optischen Mikrokomponenten unter Verwendung des Beleuchtungseinflusses

Eine Beleuchtung von porösem Silicium während der elektrochemi­ schen Herstellung oder danach verursacht eine Erzeugung von Elektron-Loch Paaren in den ansonsten an freien Ladungsträgern verarmten, schon geätzten Bereichen. Je nach Beleuchtungswellen­ länge und -intensität werden die für den Ätzprozeß notwendige Löcher generiert, so daß die beleuchteten Strukturen verändert werden können.

Durch die Abbildung von Beleuchtungsbildern (z. B. Graustufen­ bildern) ist es möglich, die porösen Schichten auf der lichtsei­ tigen Oberfläche im Ätzverhalten lateral unterschiedlich zu be­ einflussen. So kann z. B. die Abbildung von Kreisen mit unter­ schiedlichen Graustufen zur Abätzung oder Morphologieänderung eines runden Bereiches im porösen Silicium führen. Bei geeigne­ ter Wahl der Graustufen in der Vorlage entsteht somit eine Linse oder ein Spiegel im porösen Silicium, wie in der Fig. 1 ge­ zeigt. Analog können beispielsweise Prismen oder andere optische Komponenten hergestellt werden. Krümmungsradius und Größe können mit Hilfe der Beleuchtungswellenlänge und der verwendeten Abbil­ dung eingestellt werden.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu genutzt wer­ den, holographische Strukturen im porösen Silicium abzubilden. Durch die Beleuchtung des porösen Siliciums während oder nach dem Ätzprozeß durch geeignete Dias oder Vorlagen können dreidi­ mensionale Strukturen in das poröse Silicium geätzt werden. Die Tiefe der Strukturen kann dabei durch die in der Vorlage verwen­ deten Graustufen bestimmt und eingestellt werden.

Herstellung von optischen Mikrokomponenten unter Ausnutzung der Beeinflußbarkeit der natürlichen Ätzfront poröses Silicium/Bulk

Die Schicht des porösen Siliciums grenzt sich gegenüber dem Substrat ab. Dieser Übergang wird durch die Herstellungsparame­ ter wie Dotierung des Substrates und Stromdichte für die Her­ stellung der porösen Schicht charakterisiert. Einen typischen Verlauf ist in Fig. 2 gezeigt. Ätzt man nun das poröse Silicium z. B. durch NaOH ab, so verbleibt eine den Vorgabeparametern entsprechende, gekrümmte Oberfläche. Diese Oberfläche kann ent­ weder selber als Mikrospiegel (Konkav- oder Konvex-Spiegel je nach Wahl der Herstellungsparameter) oder als Ausgangsmaterial einer weiteren elektrochemischen Atzung dienen. In die gewölbte Oberfläche kann vorteilhaft anschließend zusätzlich ein eine Filterfunktion bildendes Schichtsystem aus porösem Silicium ge­ ätzt werden wie aus dem Stand der Technik bekannt. Auf diese Weise erhält man einen Konkav- bzw. Konvexspiegel, wobei dieser Spiegel die durch das Schichtsystem festgelegte Filtercharakte­ ristik widerspiegelt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer optischer Kompo­ nenten in einem halbleitenden Material, bei dem die Oberfläche des halbleitenden Materials, insbesondere eines Substrats, mit Hilfe einer auf die erwünschte(n) Komponente(n) abgestimmten Graustufen- oder Buntvorlage so beleuchtet wird, daß im Mate­ rial eine die Form der optischen Komponente(n) aufweisende Ätz­ front gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche während oder nach dem Ätzprozeß beleuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die durch Beleuchtung erhaltene poröse Schicht abgelöst wird und Einzelschichten oder Schichtsystemen zwecks Einstellung optischer Eigenschaften des Materials, insbesondere zur Bildung einer Filterfunktion geätzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei che­ misch insbesondere mittels Reactive Ion Etching, geätzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine Ätzfront bildende, freigelegte Materialoberfläche mit ei­ nem Metallfilm beschichtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwecks Bildung holographischer Informationen in die poröse Struktur die Grauwerte bzw. Farben im halbleitenden Material in ein Tiefenprofil übertragen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder wenigstens eine abgeätzte Struktur mittels anderer Sub­ stanzen, insbesondere Flüssigkristalle, zur Bildung einer oder mehrerer elektrisch schaltbarer optischer Komponenten, insbe­ sondere Linsen, aufgefüllt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Prisma, einer Linse oder einer Zonenplatte als die Komponente oder einer der optischen Komponenten.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Silicium oder Silicium/Germanium oder Aluminium oder Germanium als halb­ leitendes Material.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer auf die erwünschte Komponente abgestimmte Hell/Dunkelwerte auf­ weisenden Grauvorlage oder mit einer auf die erwünschte Kompo­ nente abgestimmte, unterschiedliche Wellenlängen enthaltende Farben aufweisenden Farbvorlage.

11. Optisches Bauelement mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellter Strukturen.