DE19746089A1

DE19746089A1 - Eine Filterstruktur aufweisendes Bauelement

Info

Publication number: DE19746089A1
Application number: DE19746089A
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-04-29
Also published as: WO1999021033A2; JP2001521177A; WO1999021033A3; EP1036342A2

Description

Die Erfindung betrifft ein eine Filterstruktur aufweisendes Bau element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Stand der Technik stellen passive Applikationen aus porösem Silicium, wie zum Beispiel Interferenzfilter (DE-OS: P 43 19 413.3-33), Wellenleiter (A. Loni et. al., Thin solid films 276 1996, 143-146) oder Sensoren (M. Thust et al., Meas. Sci. Tech nol., 7, 1996, 26-29) aufgrund ihrer Integrationsfähigkeit in die bisher vorhandene Silicium Technologie ein großes Anwen dungspotential dar. Dabei erlauben namentlich Interferenzfilter einen vergleichsweise großen spektralen Verlauf der Reflexion über einen weiten Wellenlängenbereich aufgrund der Möglichkeit der kontinuierlichen Änderung des Brechungsindexes mit der Tiefe einer poröses Silizium enthaltenden Schichtenfolge. Auf diese Weise sind Farbdetektoren mit integrierter Schaltung auf einem Chip vorstellbar. Solche Anwendungen erfordern dabei jedoch Fil ter mit unterschiedlicher spektraler Charakteristik.

Der Einsatz der Photolithographie zur Herstellung strukturierter Bereiche aus porösem Silicium zur Bildung solcher Filter ist be kannt (M. Krüger et al., Thin solid films 276 (1996) 257-260) Dabei kann ein handelsüblicher Photolack oder beispielsweise Si₃N₄ verwendet werden.

Einerseits sind nachteilig bei einer solchen Herstellung mehre re, aufeinanderfolgende Prozeßschritte erforderlich; anderer seits liegt ein weiteres Problem in einer ausreichende Stabili tät der Photolack- bzw. Nitridschicht zum Elektrolyten, der bei der elektrochemischen Herstellung von porösem Silicium einge setzt wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein eine Filterstruktur aufweisendes Bauelement zu schaffen, bei dem eine einfacher kom pakter Aufbau mehrerer Filterstrukturen mit unterschiedlicher Charakteristik erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamt heit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vor teilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen An spruch rückbezogenen Unteransprüchen.

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

Ausführungsbeispiel

Die vorliegende Erfindung ist anhand des in der Fig. 1 darge stellten Ausführungsbeispiel näher erläutert:

Zur Bildung des erfindungsgemäßen, mehrere Filterstrukturen ent haltenden Bauelements nach Fig. 1 sind dazu drei verschiedene Filterstrukturen B1, B2 und B3 aus jeweils mehreren Einzel schichten zur Bildung jeweils einer Interferenzfilterfunktion in einen Siliciumwafer direkt untereinander geätzt. Jede dieser Filterstruktur B1, B2 und B3 hat eine eigene Filtercharakteri stik. Zwischen den Filtern sind noch weitere, zur Trennung der Filterstrukturen vorgesehene Schichten Z1 und Z2 geätzt. Diese Schichten können zum einen bei der Herstellung im Wege der Ät zung als Ätzstopp, andererseits als optischer Stopp für tiefer liegende Schichten eingesetzt werden. Die in der Fig. 1 gezeig te Filterstruktur kann jedoch auch ohne solche Schichten Z1 und Z2 ausgebildet sein.

Desweiteren sind Öffnungen S1 und S2 vorgesehen. Diese Öffnungen S1 und S2 können durch Abbildung periodischer Interferenzfiguren auf die Oberfläche der Filterstrukturen aufgrund eines beleuch tungssensitiven Ätzprozesses gebildet sein. Es ist dabei vor stellbar, beispielsweise die Öffnung S1 durch Abbildung zweier zur Interferenz gebrachter Laserstrahlen auf der Probenoberflä che mit Periodizität P1 der Interferenz sowie die Öffnung S2 durch Abbildung zweier zur Interferenz gebrachter Laserstrahlen auf der Probenoberfläche mit Periodizität P2 der Interferenz durch Photodissolution des porösen Siliciums zu bilden.

Alternativ können die Öffnungen S1 und S2 durch gezieltes Ät zen, wie zum Beispiel mit als "RIE" bezeichnetem reaktivem Io nenätzen an den betreffenden Stellen hergestellt werden.

Die erfindungsgemäße Filterstruktur nach Fig. 1 kann als Refle xions- und Transmissionsfilter verwendet werden.

Im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen Filterstruktur als Reflexionsfilter trifft zu analysierendes Licht von oben auf die in Fig. 1 dargestellte Struktur und wird sodann das Licht von den verschiedenen Filtern unterschiedlich reflektiert. Im Ober flächenbereich R1 des Siliziumwafers trifft das Licht nacheinan der auf alle drei Filterstrukturen B1, B2 und B3.

Soweit jedoch, wie in der Fig. 1 dargestellt, eine geeignete Zwischenschicht Z1 vorgesehen ist, von der das transmittierte Licht direkt hinter dem ersten Filter absorbiert wird, kann die Schichtstruktur im Bereich R1 so ausgebildet sein, daß selektiv nur die Filterstruktur B1 im optischen Verhalten der erfindungs gemäßen Struktur beträgt. Aufgrund der erfolgten Ätzung des Be reichs S1, das heißt der Entfernung der Schichten B1 und Z1 in diesem Bereich S1, wird das einfallende Licht selektiv nur von der Filterstruktur B2 reflektiert. Vergleichbar erfolgt die Re flektion im Bereich S2 nur von der Schichtstruktur B3. Die Bil dung einer oder mehrerer solcher Zwischenschichten Z1 oder Z2 kann entfallen, wenn eine Reflexionscharakteristik des erfin dungsgemäßen solche Filterstrukturen enthaltenden Bauelements derart gewünscht der Gesamtfilterwirkung ist, die durch mehrere, sich übereinander befindliche Filterstrukturen realisierbar ist.

Die erfindungsgemäße Filterstruktur nach Fig. 1 kann auch Ver wendung finden als Transmissionsfilter. Dazu ist in vorteilhaf ter Weise an der vom Lichteinfall abgewandten Seite der erfin dungsgemäßen Filterstruktur eine einen p/n-Übergang bildende Schichtenfolge vorzusehen. Eine solche erfindungsgemäße ein Farbdetektor realisiert werden. Das am Detektor angelangte Licht setzt sich je nach lateraler Position (R1, S1 oder S2) aus An teilen zusammen, die durch die einzelnen Filter transmittiert werden. Natürlich können weitere Filterschichten hinzugefügt werden. Durch geeignete Subtraktion der erhaltenen, elektrischen Signale können somit die an den einzelnen Filterpositionen er haltenen Signale bestimmt und ausgewertet werden.

Beim in der Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Bauelement wurden Schichtsysteme in die p⁺-Schicht eines pn-Übergangs ge ätzt. Somit sollen benachbarte, spektral sensitive Photodioden mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit hergestellt werden. Die Filter agieren typisch als Reflektionsfilter, d. h. nur die Wellenlänge, für welche sie hergestellt wurden, wird nach oben reflektiert, alle übrigen Wellenlängen tragen zur Re duktion der Verarmungszone bei und ermöglichen somit einen Pho tostromfluß.

Auf der rechten Seite in der Fig. 2 dargestellt wurden zwei Schichtsysteme, die für unterschiedliche Filterfrequenzen opti miert wurden, geätzt. Zum Beispiel wurde in Filter 1 ein Schichtsystem für maximale Reflektion bei 24.000 cm^-1 realisiert. Die dafür notwendigen Ätzparameter waren für das Schichtsystem 30 mA/cm² bzw. 120 mA/cm² für die jeweils darin enthaltenen Ein zelschichten, die Ätzzeiten betrugen 2,003 s bzw. 0,797 s. Der darunterliegende Filter wurde mit den gleichen Stromdichten, aber den Ätzzeiten 2,954 s und 1,148 s geätzt und ist somit für eine maximale Reflexion bei 18.000 cm^-1 ausgelegt. Der Filter mit der höheren Wellenzahl wurde bewußt über den mit der niedri geren geätzt, um Absorptionen im UV-nahen Bereich so gering wie möglich zu halten.

Die linke Photodiode besteht demhingegen nur aus einem Filter für die Wellenlänge bei 18.000 cm^-1, der darüberliegende Filter wurde mit Hilfe der RIE geätzt.

Zwischen dem Rückseiten- und Vorderseitenkontakt kann der ent sprechende Photostrom gemessen werden.

Claims

1. Filterstruktur mit einer Schichtenfolge, die mehreren, aus po rösem Material gebildeten Schichten enthält, dadurch ge kennzeichnet, daß eine weitere Schichtenfolge oder mehrere weiterer, solcher Schichtenfolgen zu der ersten Schichtenfolge innerhalb eines Substrats gebildet und zu der ersten Schichtenfolge in der Tiefe versetzt angeordnet sind.

2. Filterstruktur nach vorhergehendem Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, daß diese weitere Schichtenfolge eine von der ersteren Schichtenfolge verschiedene Filterfunktion ausübt bzw. ausüben.

3. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die weitere Schichtenfol ge oder wenigstens eine der weiteren Schichten folgen durch Ät zung zumindest teilweise freigelegt ausgebildet ist.

4. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch Silicium, Germanium-Aluminium oder Silizium-Germanium als Material für das Substrat.

5. Filterstruktur nach vorhergehendem Anspruch, gekenn zeichnet durch weitere Schichten, insbesondere poröse Einzelschichten, zwischen den Schichtenfolgen.

6. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch einen Bereich oder mehrere Berei che, insbesondere Gräben oder Öffnungen, mit unterschiedlichen und gegenüber dem restlichen Material geänderten optischen Ei genschaften.

7. Filterstruktur nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeich net durch in die jeweilige Schichtenfolge oder in die Ein zelschicht oder an die Grenze zwischen einer der Schichtenfol gen oder Einzelschicht/Schichtenfolge führende Gräben oder Öffnungen.

8. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch mittels Ätzprozesse, insbesondere mittels reactivem Ionenätzen, gebildete Gräben oder Öffnungen.

9. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der oder die Gräben oder die Öffnung oder die Öffnungen durch optische Abbildung einer Struktur auf die Substratoberfläche gebildet sind.

10. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der jeweilige Bereich oder die jeweiligen Bereiche durch einen photosensitiven Ätz prozeß abgelöst sind.

11. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die abgebildete Struktur als Maske (Schattenmaske) oder Interferenzbild ausgebildet ist.

12. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die abgebildete Struktur, insbesondere mit einem Laser oder Elektronenstrahl, direkt auf die Substratoberfläche geschrieben ist.

13. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß an Stelle der Öffnungen die Porosität an einigen Stellen lateral und unterschiedlich tief in den Filterschichten durch eine photosensitiven Nachätzprozeß beeinflußt ausgebildet ist.

14. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Öffnungen bzw. Poro sitätsänderungen im Filter periodisch ausgeführt sind.

15. Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Gräben oder Öffnungen durch ein Material, insbesondere Flüssigkristalle, aufgefüllt sind, welches sich vom Substratmaterial unterscheidet.

16. Bauelement mit wenigstens einer Filterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

17. Bauelement nach vorhergehendem Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht aus mehreren Filtern oberhalb einer p/n Photodiode geätzt wird.