EP1935035A2 - Production of self-organized pin-type nanostructures, and the rather extensive applications thereof - Google Patents

Production of self-organized pin-type nanostructures, and the rather extensive applications thereof

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EP1935035A2
EP1935035A2 EP06794005A EP06794005A EP1935035A2 EP 1935035 A2 EP1935035 A2 EP 1935035A2 EP 06794005 A EP06794005 A EP 06794005A EP 06794005 A EP06794005 A EP 06794005A EP 1935035 A2 EP1935035 A2 EP 1935035A2
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EP
European Patent Office
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silicon
layer
structural elements
nanostructure
structures
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06794005A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Gaebler
Konrad Bach
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X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Original Assignee
X Fab Semiconductor Foundries GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE102005048365.8A external-priority patent/DE102005048365B4/en
Priority claimed from DE102005048363A external-priority patent/DE102005048363A1/en
Priority claimed from DE102005048361A external-priority patent/DE102005048361B4/en
Priority claimed from DE102005048360A external-priority patent/DE102005048360A1/en
Priority claimed from DE102005048362A external-priority patent/DE102005048362A1/en
Application filed by X Fab Semiconductor Foundries GmbH filed Critical X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Publication of EP1935035A2 publication Critical patent/EP1935035A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/02Details
    • H01L31/0236Special surface textures
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00111Tips, pillars, i.e. raised structures
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • HELECTRICITY
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates generally to the production of structured surfaces, and more particularly to the production of needle-like structures having nano-dimensions in the range, for example, below the wavelengths of visible light
  • Structures may be referred to as nanostructures. Your options and technical applications are in the foreground here.
  • silicon is often processed accordingly, which often includes a structuring of the silicon.
  • a mask of photoresist is generally produced, with the help of which the removal is controlled by an etching process.
  • the photoresist In order to produce small structures by means of a resist mask, the photoresist must be exposed with an exposure mask, which has correspondingly small structures. In the range below the usual wavelengths of light that are available for the exposure of the photoresist, this is possible only with increased effort. Often, however, structures having high aspect ratio features are needed, ie, the depth or height of the features is large relative to their lateral dimension.
  • the nanostructure typically has an increased contamination density, that is to say undesired surface impurities, and / or an increased number of crystal defects, if initially crystalline silicon having a low crystal defect density was present. Therefore, these known methods can be used only to a limited extent or with worse results with regard to the overall performance of the component.
  • microstructuring utilizing self-assembly to produce structured silicon surfaces has also been using plasma-enhanced reactive ion techniques, also known as RIE processes, based on SF 6 (sulfur hexafluoride) and oxygen, with metal particles providing micromasking and thus ensured structure formation.
  • RIE processes plasma-enhanced reactive ion techniques, also known as RIE processes, based on SF 6 (sulfur hexafluoride) and oxygen, with metal particles providing micromasking and thus ensured structure formation.
  • a disadvantage of this method is the use of metals in the plasma, which can lead to undesirable contamination of the silicon.
  • the harmful effects of least metal traces in the semiconductor manufacturing process, especially in integrated circuits are known.
  • the overhead of these processes is also detrimental to use in manufacturing processes that require high yield and low process costs.
  • the present invention is based on the object of specifying methods and components, wherein nanostructures can be reliably and inexpensively integrated while at the same time having good machinability and at the same time lead to an improvement in the performance of the components.
  • a method of anti-reflection of photoelectronic devices by self-assembled nanostructures and corresponding devices is disclosed, wherein the generation of suitable
  • an antireflection coating of photoelectronic components such as e.g. Photodiodes, photocells, and the like as part of an integrated circuit or as a discrete component, not or not exclusively in a conventional manner with ⁇ / 4 layers, but alternatively or additionally made by RIE-etched nanostructures having a much better broadband characteristics ,
  • Photosensitive devices in integrated circuits and as discrete components, such as photocells are used to convert light into electrical energy or vice versa.
  • Photodiodes e.g. to convert light signals into electrical signals.
  • High sensitivity is desirable for these photosensitive devices.
  • photodiodes in microelectronics represent an integratable sensor whose area should be as small as possible or which should detect even the smallest amounts of light.
  • Other components such as photocells should have a high efficiency. In all cases it is advantageous to minimize the reflection losses.
  • the conversion of the photons into electrons in the semiconductor material, such as silicon takes place by itself.
  • the charge carriers are drawn off by an electric field, which is formed by a pn junction. For this to happen, however, the photons must first penetrate into the semiconductor, such as the silicon. Due to the large differences in the impedances or the
  • refractive indices of air and the semiconductor material reflect a multiplicity of photons at the interface and do not reach the location of the transformation. This reduces the sensitivity of the photodiode or the efficiency of the photocell.
  • air / semiconductor junction in an integrated photodiode since semiconductor devices are usually protected by a passivation layer. It is often an arrangement of air / SiO 2 / Si or air / SisINU / Si when considering silicon-based devices.
  • the thickness and the material of the intermediate layer is selected so that constructive interference and thus maximum antireflection occurs, as described, for example, in DE-A 103 93 435.
  • the layer thicknesses must be tightly tolerated.
  • the anti-reflection succeeds only for a certain wavelength satisfactorily; one also finds other wavelengths that represent other interference orders for which there is good antireflection, but these are not arbitrary.
  • Silicon is strongly wavelength dependent, but is usually above 3.5. However, such materials for refractive index adjustment are not established in conventional semiconductor technology and are therefore currently not available. 4. The applied layers must have a very low absorption in the wavelength range used
  • the first solution according to the invention indicates a photoelectronic component which has an optically active window for the entry and / or exit of radiation. Furthermore, a nanostructure with statistically distributed structural elements provided on a surface of the optically active window is provided with a
  • the end region and a foot region are formed in the device, wherein the tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more. Furthermore, an aspect ratio of the structural elements (height of the structural elements with respect to the lateral extent at the foot) is on average greater than four.
  • the invention thus provides an associated with little effort and therefore low cost antireflective surface for integrated optoelectronic circuits and discrete photoelectric devices ready, which also eliminates the disadvantages mentioned in point 1 to 4 or at least significantly reduced.
  • the "material mixture" for the light may be considered as a "continuous" mixture, with the proportion of the surrounding medium of the pure window material at the foot of the structural elements increasing with height.
  • the nanostructure may be fabricated in a method compatible with bipolar, CMOS, or BiCMOS integrated or discrete device technology, as described in more detail below.
  • the nanostructure can be used alternatively or in addition to an antireflection coating. It is not more elaborate than this, but has one, over a wide
  • Wavelength range non-wavelength good quality reflective coating In one embodiment, this covers the entire wavelength range of interest for silicon photodiodes.
  • Another advantage of the antireflection coating by the nanostructure described above is their low angle of incidence dependence compared to ⁇ / 4 layers or regular structures.
  • the property is very advantageous that the nanostructure, if it is made of a semiconductor material, such as silicon, a high degree of "freedom from defects" of the used areas can be achieved, ie , in the generation of the structural elements by plasma etching substantially no additional crystal defects are caused.
  • the generated electron-hole pairs find no additional recombination centers and can be further efficiently sucked by the resulting pn junction electric field, so that no sensitive reduction of the sensitivity is caused.
  • the photoelectronic component further has a passivation layer which leaves the optically active window free and forms a boundary with the latter, the structure elements extending substantially to the border.
  • the effective area of the nanostructure can thus be locally precisely defined, whereby, for example, well-established masking methods can be used.
  • the formation of the structural elements takes place essentially also at the boundary region between the passivation layer and the nanostructure, which is to be understood such that the structural elements extend at least up to a distance from the passivation layer which corresponds to half the thickness of the passivation layer. Even with a pronounced step, which can be caused by the passivation layer, a high area coverage of the window is still achieved by the structural elements and thus maintained the high level of anti-reflection at the entrance or exit of radiation.
  • the structural elements are constructed from single-crystalline semiconductor material.
  • the electrical function of the device may remain substantially unaffected by the nanostructure.
  • the nanostructure can also be produced directly in the considered semiconductor material, wherein the composition and the doping can already be determined previously. If required, the nanostructure can also be formed at an early stage of the production process, with subsequent adjustment of certain properties of the semiconductor material, such as doping, composition, etc.
  • the nanostructure can be "preserved" in a suitable material, such as silicon dioxide, so that bake-out processes, implantation, introduction of other types of atoms, for example germanium into one
  • Silicon base semiconductors, etc can be performed with a high degree of compatibility with conventional processes.
  • the nanostructure has a monocrystalline base layer on which the structural elements are arranged.
  • a crystal defect density of the features is substantially equal to the crystal defect density of the base coat.
  • the quality of the semiconductor base material can also be provided in the structural elements.
  • the semiconductor material is silicon.
  • a more efficient self-organized etching process as described in detail below, can be applied directly in a silicon-based device.
  • a silicon layer, crystalline or polycrystalline or amorphous can be applied and then the nanostructure can be efficiently produced by etching. The same can also be achieved in an i5 polysilicon wafer.
  • the structural elements are at least partially constructed of an insulating material.
  • the insulating material may be silicon dioxide, silicon oxynitride or silicon nitride.
  • a height of the structural elements is in the range from 400 nanometers to 1000 nanometers, in particular also beyond 1500 nanometers. With these dimensions in the height direction in combination with the previously specified lateral dimensions, excellent optical antireflection properties result in the visible spectrum and also in the infrared range.
  • the photoelectronic component further has a planarization layer in the optically active window, wherein the structural elements of the nanostructure are embedded in the planarization layer.
  • the leveling layer which may also be referred to as a protective layer, fills in the voids between the acicular structural elements to be protected, for example silicon tips, so that the structural elements are stabilized. For further processing, a closed layer is thus formed. Due to the smooth surface thus produced, mechanical stresses can be intercepted with little risk of destruction of the nanostructure. It is much easier to apply another layer to this smooth surface and to remove it again.
  • the surface-enhancing function of a nanostructure is completely prevented by a dense layer.
  • a porous layer can be used to pass only certain substances to the surface of the nanostructure, e.g. plays a role in chemical sensors.
  • the layer preferably has a low absorption. Reflection losses remain minimal when the refractive index is as close as possible to the refractive index of the surrounding medium, such as air.
  • the refractive index of the material of the flattening layer is 1, 5 or smaller.
  • a second nanostructure is further provided on a second surface of the optically active window. This is advantageous in applications where the optical window is not directly in the base material of the
  • Component is produced, or if recesses are to be covered in the base material through the window.
  • a suitable window can be made on a separate substrate and then transferred to the device.
  • the nanostructure and the second nanostructure are embedded in a protective layer.
  • a sensor device comprising a sensor surface, which is formed by a nanostructure with statistically distributed structural elements, the structural elements having a Have end region and a footer.
  • the tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more.
  • the aspect ratio of the structural elements is on average greater than 4.
  • the surface is significantly increased as a sensor surface, so that a higher sensitivity is achieved. Furthermore, with volatile media, such as gases, the residence time near the sensor surface can be extended. Further, if optical methods of detection are used, the sensor surface can be used at least partially as an optical window, with the advantages described above being achieved in addition to the improved sensor behavior.
  • the nanostructure of the sensor component is formed from an insulating material, such as silicon dioxides or the like.
  • the sensor device further comprises a porous planarization layer for embedding the nanostructure. In this way, a high mechanical stability and also a protection from environmental influences is achieved, 0 wherein the porosity of the filling material still allows contact of the surface with certain substances.
  • optical coating structure for use in optical devices or optical devices.
  • the optical coating structure comprises a base layer and one on the
  • Base layer applied nanostructure with statistically distributed structural elements have an end region and a foot region, wherein the tip of the end region has a lateral extension of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extension of 50 nanometers or more, and o wherein an aspect ratio of the structural elements, ie, the height of the Structural elements and the lateral extent at the foot, the average is greater than 4.
  • the coating structure of the invention can be used in a variety of devices and devices, wherein the absorption behavior and / or the emission behavior can be significantly improved due to the aforementioned
  • optical coating structure can be manufactured separately, for example on silicon surfaces, and can then be installed with suitable carrier materials in the actual application. Further advantageous embodiments of the optical coating structure are also described in claims 19 to 26.
  • the optical coating structure has a conformal metal layer on the structural elements, so that the absorption behavior and / or emission behavior of the nanostructure can be adjusted independently of the base material of the structural elements of the nanostructure.
  • the metal layer of the targeted heat dissipation can be significantly improved, the cooling effect of components, which overall low construction volumes are made possible.
  • an optical device having a liner as a broadband optical absorber is provided, the liner comprising an optical coating structure of the type previously described.
  • a digital projector with digital light processing having an absorption surface comprising an optical coating structure in the manner previously described.
  • apparatus comprising means for wavelength-independent conversion of optical radiation into heat, wherein the means for converting optical radiation to heat comprises an optical coating structure in the manner previously described,
  • an optical element for emitting optical radiation having an exit window comprising an optical coating structure in the manner previously described.
  • the exit window is coupled to a light emitting diode or a LASER.
  • a reflection reference device for determining low reflection values, wherein the device comprises an optical coating structure in the manner described above.
  • a photoelectronic component having a reflection-reducing layer provided in the optically active window region of statistically regularly distributed, crystal defect-poor silicon needles with a height of 400 to 1500 nm and an aspect ratio greater than 4: 1 is provided.
  • the silicon needles lead to an improved performance with respect to the coupling and / or decoupling of radiation in a wide wavelength range, wherein the small amount of crystal defects does not affect the electronic behavior significantly negatively.
  • a height of 400 nm for example, an excellent visible light reflection coating can be obtained, and the efficiency can be increased even more with an increase in the height of the silicon needles.
  • the silicon needles have a tip whose lateral extent is less than 10 nm.
  • the tip of the silicon needles can thus be called “atomic pointed".
  • the foot region of the silicon needles can have a lateral extent of 50 nm or more, which on the one hand results in an advantageous embodiment
  • the photoelectronic device has a passivation layer that exposes and forms a boundary with the active window region, the silicon needles being formed to a distance from the boundary that is less than half the thickness of the passivation layer.
  • an optical window in another aspect of the invention, includes silicon and has broadband IR-to-IR transparency, both Surfaces of the window needle-like structures in nanodimensions with an aspect ratio greater than 4: 1 possess (claim 39).
  • both the entrance surface and the exit surface of the window are provided with a nanostructure, which thus lead to a quasi-continuous change in the refractive index in the propagation direction of the radiation on at least one, preferably both sides and thus significantly reduce reflection losses.
  • the front side is preferred.
  • the needle-like structures with nanodimensions with a SOG layer are protected from mechanical action.
  • the optical window in the final phase of the production and during further processing for example when mounted in a device or a component, effectively protected against mechanical or other environmental influences.
  • the protective material may have hydrogen silsesquioxane (HSQ), resulting in good processing with favorable optical properties, such as low refractive index, low absorption.
  • the needle-like structures with nanodimensions are limited to certain areas of the window by means of conventional masking technology, so that untreated, mechanically stable and easily sealable regions against air, liquids and vacuum remain.
  • the optical window can be used in a very flexible manner in many application situations.
  • the invention relates to a method for adapting the
  • the method includes forming a nanostructure in the surface area of the window by means of a self-assembled plasma etching process for etching a silicon base layer, and setting an aspect ratio of structural elements of the nanostructure generated in the silicon base layer to a value of four or higher depending on an operating wavelength range of the photoelectric component.
  • a self-assembled plasma etching process for the production of nanostructures achieves a high degree of compatibility with many manufacturing processes in the semiconductor industry.
  • suitable means as will be described below, an adaptation of the optical properties to the requirements of the photoelectronic component can be achieved in an efficient manner.
  • the needle-like structural elements are produced by using the working gases oxygen (O 2) and sulfur hexafluoride (SF 6 ) without the use of additional means for targeted mask formation in a single process step, the silicon base layer being deposited during the process maintained at a constant temperature in the range of substantially 27 ° C, in particular in the peripheral region ⁇ 5 degrees Celsius and is operated with a plasma power in the range of about 100 to 300 watts, with higher plasma powers are set at higher process pressures and the ratio of working gas flows in Depending on the geometric system parameters is set so that the oxygen in the reaction point on the silicon base layer shows a self-masking effect, which in the gas flow for SF 6 at 50 to 150 sccm and for O2 at 20 to 200 sccm to achieve is and the process time is only a few minutes.
  • O 2 working gases oxygen
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • a reactive plasma atmosphere with at most two different gas components, ie, with oxygen and a reactive SF ⁇ gas for the etching of silicon is generated by setting process parameters which develop a self-masking effect for producing a nanostructure.
  • the etching takes place here without further working gases and is carried out as a one-step process, ie, after generation of the plasma atmosphere, the silicon surface is exposed to the action of ⁇ tzplasmas without further process steps take place. In particular, no further measures are taken to achieve a targeted micro-masking of the silicon surface.
  • the aspect ratio of the resulting in the plasma atmosphere Needle-like structures set to a value of 4 or greater by controlling the process time.
  • the needle-like structures produced by the method according to the invention have a form suitable for optical applications in the visible light and also in the infrared range, wherein the form of the needle-like structures formed by the self-organized masking of the etching, which in addition to the aspect ratio of greater than 4 also has a "pyramid-like" section, wherein a very tapered needle end is formed, however, at the foot of the "needle-like structure" a relatively flat leaking area is generated.
  • Etch by-products are usually caused, as well as crystal damage, which are found in conventional plasma-assisted processes, significantly reduce or substantially avoid within the measurement accuracy. Thus neither RHEED, CV measurements, TEM or PDS could detect such defects. Even a simple photodiode whose surface was processed by this process showed no peculiarities indicating increased defect densities. Thus, the nanostructure produced can be provided by a single plasma etching step in a quality that does not require further material removal.
  • the structures produced by the method show no edge shading at high edges. It is thus possible, for example, to structure surfaces of a few ⁇ m (microns), even if the surface is surrounded by a 5 ⁇ m high structure.
  • the structuring of the silicon is done by the plasma in the RIE process. These structural elements are greatly deepened by the etching process, resulting in the structures in the nanometer range with enormous aspect ratios.
  • another working gas combination with O 2 is used as a component.
  • carbon fluorides C n F m with n for example 1, 2 or 4, and with m for example 2, 4 or 8
  • oxygen can be used in combination with oxygen as the second gas component.
  • SF ⁇ or the other aforementioned reactive gases are in each case next to oxygen, the second of the two gas components and in this case the actual etching gas, whereas O2 increases the etching rate and causes the self-masking (passivation). It also produces a high selectivity to SiO 2 in the etching behavior, so that an efficient limitation of the silicon surface to be structured by means of a corresponding mask layer is possible.
  • the temperature of the silicon base layer and the ratio of the working gases at the reaction point on the Si surface are appropriately set.
  • an efficient adjustment of the further process parameters, such as the specified flow rates can take place, since the temperature, which typically represents a "sensitive" parameter, is specified in a very precise manner.
  • the process pressure and the plasma power are also suitably matched to one another in order to obtain the desired aspect ratio with simultaneously reduced contamination rate and low crystal defect density.
  • the ratio of the working gases is adjusted so that etching removal and self-masking balance each other.
  • both the structuring in the intended sense, as well as "defect-free" achieved.
  • the absolute parameter values can be adapted efficiently to the proportion of the open silicon surface. If the Si surface is covered to a high surface area by a mask layer, for example oxide or silicon nitride, this can be compensated for by increasing the reactive gas content, for example the SF 6 content, in particular also with an increase in the SF 6 content, at the same time Reduction of the oxygen content and simultaneous increase of the process pressure.
  • a mask layer for example oxide or silicon nitride
  • a protective layer is formed for the nanostructure with a substantially planar surface.
  • Separation methods are used, which in itself allow a highly non-compliant material deposition, such as the spin-coating of low viscosity materials.
  • Other methods include applying a suitable material with a suitable deposition technique followed by leveling with removal of excess material by CMP (chemical mechanical polishing).
  • a spin-on-glass (SOG) adapted in its properties to the requirements of the nanostructure to be passivated is applied in several steps and annealed (baked) after each application until the planar surface is formed (claim 53).
  • SOG layers of hydrogen silsesquioxane (HSQ) can be applied.
  • an additional layer is applied before the plasma etching process, which as a buffer layer has a relation to the silicon base layer with the same process parameters modified etching behavior that forms a self-organized structure with only a relatively low aspect ratio, which in course of the process is reduced.
  • the etching removal of a doped surface layer of the region in the window of an optically active component is reduced, and moreover, the aspect ratio can be easily varied.
  • the loss of etched etching can be reduced. Since the structure generation in the etching step is based on the plasma and thus a physical component of the etching step is responsible for the production, this also acts in other materials such as SiO 2 . Since the plasma-generated structures in the SiO 2 have only a very small height, no nanostructures with a high aspect ratio are formed in it. There is no self-masking effect by another chemical component.
  • the oxide layer is approximately evenly removed, but still receives a plasma-based nanostructure of very low height on the surface.
  • the etching rate for SiO 2 is much lower than that for silicon in the aforementioned RIE etching process. Shortly before the SiO 2 layer has been completely removed, this holey nanostructure and the different etching rate result in rapid or immediate formation of the large aspect ratios in the silicon.
  • the oxide layer is first removed at the locations of the smallest thicknesses, where the etching process begins at a much greater etching rate and forms a hole in the silicon.
  • the entire oxide layer is removed after some time, but it has then already formed a nanostructure with a considerable aspect ratio in the silicon, the tips of the nanostructures are still close to the level of the former SiO2 / Si interface.
  • the process time of the etching step and the thickness and type of the buffer layer can be optimally adapted to each other.
  • the etching step can last just as long until the buffer layer has been completely removed. But no longer, because otherwise more than necessary from the material is removed.
  • the self-assembled nanostructure can be influenced in the aspect ratio and in its position at a distance below the starting surface, since the structure formation by the plasma is dependent on the material used and, depending on the etching rate, the buffer layer more or less long serves as an additional etching mask.
  • the aspect ratio of the structural elements of the nanostructure is adjusted via the thickness of the buffer layer.
  • the optical properties of the nanostructure can be adjusted in a very efficient manner by a very precisely adjustable process parameter, ie, the layer thickness of the buffer layer, so that a greater degree of flexibility can be achieved in the selection of the etching parameters.
  • the buffer layer is a SiO 2 layer, which in one embodiment has a thickness of 20 nm to 100 nm. In other embodiments, other materials may be used which include a
  • an additional silicon layer may be deposited on the base layer and serve as a buffer layer.
  • the buffer layer is not completely removed, so that the resulting structural elements can have material of the buffer layer at their tip, which can lead to an improved resistance of the structural elements.
  • the buffer layer is in the
  • Part of a chemical sensor is provided, wherein in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated gas-permeable porous spin-on glass is applied in several steps and annealed after each application until a smooth surface is formed.
  • the nanostructure can also be used efficiently in sensor applications, since on the one hand a high protective effect is achieved and on the other hand the contact with gases is still possible.
  • a last step an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed again in the last mask process.
  • a pronounced protection is achieved during the finishing of the nanostructure, which thus ensures a high degree of flexibility in the manufacturing process, whereby the non-porous covering layer can be removed without much effort before the last masking and thus structuring.
  • the spin-on glass is liquid pervious, resulting in a broad array of sensor element applications.
  • a method of passivating the surface of a semiconductor device comprising silicon comprises exposing a portion of the surface locally, forming primary acicular structures having high aspect ratios in nanodots.
  • the acicular structures By modifying the acicular structures after their fabrication based on silicon, efficient self-assembled plasma etching processes, such as those described above, can be used, in which case desired material properties of the acicular structures are then adjusted by the modification process. Nevertheless, a variety of different nanostructures can be produced by means of an etching recipe. In one variant, the needle-like structures can thus be provided with an insulating surface.
  • a silicon layer is deposited to provide the surface.
  • any carrier material can be used without substantially affecting the actual process of structuring, wherein the desired material properties can then be further adapted by the modification.
  • modifying the region provided with the primary acicular structures includes thermal oxidation. In another embodiment, modifying the region comprises nitriding the region. In other cases, dopants and / or other types of semiconductors may be applied, such as germanium and the like.
  • the silicon in the primary needle-like structures is substantially completely converted to silicon dioxide.
  • the primary needle-like structures are made by reactive ion etching (RIE) using the working gases oxygen and SF 6 in a single process step without using additional means for targeted mask formation in the structuring process only by adjusting the process parameters so that the oxygen produces a self-masking effect on the silicon-containing surface at the reaction point and self-assembly of the needle-like structures takes place.
  • RIE reactive ion etching
  • 1a is an electron micrograph of a RIE etched silicon surface in section in a region which is partially covered by an oxide layer
  • 1 b is an electron micrograph with obliquely incident electron beam from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the spaces between the needles are visible,
  • Fig. 1c is an electron micrograph in
  • 2b is a photodiode according to the invention coated in a schematic sectional view
  • 2d shows the transmission electron micrograph of a single Si tip of the RIE-treated surface
  • 3a shows a vertical section through a photodiode without protective layer on the nanostructure in a schematic representation
  • FIG. 3b is a vertical section through a photodiode with protective layer on the nanostructure in a schematic representation
  • FIG. 3 c shows a diagram with the values of the reflection before and after the application of the SOG protective layer to a silicon nanostructure
  • FIG. 3b is a vertical section through a photodiode with protective layer on the nanostructure in a schematic representation
  • FIG. 3 c shows a diagram with the values of the reflection before and after the application of the SOG protective layer to a silicon nanostructure
  • FIG. 5 shows a flow of a modification of a silicon nanostructure to a SiO 2 structure according to an illustrative embodiment
  • 6b shows the extremely small and wavelength-independent reflection of the modified silicon surface in detail, wherein very low and wavelength-independent reflection values occur in the visible range and wherein the noise above 800 nm is due to the detector change in the measuring device,
  • Fig. 6c shows the direct absorption measurement by the photothermal
  • Fig. 7 shows the transparency of a sample with unilaterally modified surface, wherein the theory curve neglects the absorption of the silicon.
  • nanostructures With reference to FIGS. 1a to 1c, an exemplary nanostructure and illustrative processes for the production thereof will first be indicated. Similar processes and nanostructures can then also be used in other applications, such as photoelectric components, sensor components, as optical coating structures in optical devices, as optical windows, and the like, as already described above and also described in subsequent embodiments. Further, the nanostructures, such as those prepared by the methods described below, may also be subjected to further protective layer application, surface modification, and the like.
  • needle-like silicon structures are to be understood as "pyramid-like needles" or structural elements that have a tip with lateral dimensions of a few 20 nanometers, wherein the tip increases significantly downwards in its lateral dimension, so that in the lower region of the structures a lateral Dimension of a few tens of nanometers or more, with relatively shallow leakage (against the slope of the many sidewalls of the center region).
  • the silicon base layer 3 is delimited by a mask layer 5, which may be composed of silicon dioxide, silicon nitride or the like, wherein the needle-like silicon structures 4 are formed up to an edge region 5a of the mask layer 5 at a small distance from the edge region 5a.
  • a small distance is to be understood as a distance that is less than half
  • Silicon base layer 3 a part of a silicon wafer 6 inch diameter with a (IOO) surface orientation, which has a p-doping, which results in a resistivity of 10 ohm * cm.
  • the base layer 3 may have any crystal orientation with any predoping.
  • the base layer 3 may be formed substantially of amorphous or polycrystalline silicon.
  • FIG. 1 b shows an enlarged section of the nanostructure 2, wherein the angle of incidence of the probing electron beam has an inclination angle of approximately 17 ° in order to more clearly show the size relationships in the lateral direction and in the height or thickness direction of the pyramid-like structures or structural elements 4 .
  • the silicon structures 4 have a height which is on average about 1000 nm, so that in some embodiments a height is reached that is greater than the wavelengths of the visible light.
  • the height of the structural elements is 400 nm to 1000 nm, in special cases also up to 1500 nm.
  • the height entered as a measure in FIG. 2 is to be converted from 603 nm to the real height. It is also possible to convert the vertical extent by up to 60% for lower pyramid-like needles, which achieve their effects from about 400 nm. This is done by compression of Figure 2 in the height direction to 40% of the height shown.
  • pyramidal structures 4 with a mean height in the range of 400 nm show excellent optical properties in many applications.
  • an excellent antireflection coating in the previously measured visible wavelength range up to the currently measured 3000 nm could be observed.
  • an average maximum height of the silicon structures 4 may also be at substantially about 1000 nm or more.
  • FIGS. 1a and 1b show that the lateral dimension of the silicon structures 4 in a foot region 4b is typically less than 200 nm or less than 100 nm, so that on average an aspect ratio of height to lateral dimension of 4, or even higher is achieved becomes.
  • FIGS. 1a and 1b which are based on a p-doped 6-ZoII (100) Si wafer, a 10 ohm * cm resistance and an area fraction of the oxide mask, ie, the mask layer 5, of greater than 90%. (up to 93%) were prepared in a single-step plasma etching process in a STS320 plant with the following parameters: SFe gas flow: IOO sccm
  • Si slice temperature 27 degrees Celsius
  • Plasma power 10O W
  • Self-adjusting BIAS i.e., DC potential between the plasma atmosphere and the surface to be etched
  • BIAS DC potential between the plasma atmosphere and the surface to be etched
  • the 6 "(inch, inch) disc lay in the RIE STS 320 system on an 8" disc and the plasma can also act next to the 8 "disc.
  • the plasma power can be set in the range of 100 W to 300 W, which corresponds to a power density of about 4 W / cm 2 to 12 W / cm 2 for a 6 inch disk.
  • gas flow rates of 50 to 150 sccm have been provided for the reactive gas, ie SF 6 , C n F m or HCI / BCU.
  • oxygen gas flow rates of 20 to 200 sccm are provided.
  • the temperature of the substrate, and thus the base layer 3 is set at 27 C ⁇ 5 ° C.
  • process time of up to 20 min is also useful. Then the process results in an extremely high-quality antireflective coating of the surface nanostructured with the needles.
  • corresponding parameter values for other etching systems and other degrees of coverage of the silicon base layer 3 to be structured with the pyramidal structures can be determined. For example, a lower degree of coverage of the silicon base layer may be taken into account by a lower gas flow rate of the reactive gas.
  • the absolute parameter values can be efficiently adjusted to the proportion of the open (or free) silicon surface. If the Si surface is covered to a high surface area by a mask layer, for example oxide or silicon nitride, this can be compensated for at least by an increase in the reactive gas fraction, for example the SF 6 fraction, in particular also when the SF 6 fraction is increased. simultaneous reduction of oxygen content and simultaneous increase of process pressure.
  • a mask layer for example oxide or silicon nitride
  • the Si needles or structural elements 4 having a height of up to about 1000 nm were generally randomly distributed at the regions not masked by the mask layer 5.
  • silicon oxides or silicon nitrides are suitable.
  • Machined disks with similar structures become completely black and showed a reflection of less than 0.4% for the wavelength range of 400 nm to 1000 nm, at the same time excellent homogeneity of this property over the entire wafer (disk).
  • the investigations showed a still excellent anti-reflection behavior with reflections below 2%. The reflections recorded here (practically only) the reflections in all solid angles.
  • the crystal damage caused by the plasma-assisted single-stage structuring process and the contamination are very low and are below the detection limit in the exemplary embodiments shown. No residual substances could be detected after the plasma structuring process and the crystal quality of the silicon structures is almost identical to the crystal quality of the silicon base layer before the etching process.
  • FIG. 1c shows an illustration of a single tip 4a or of an end region of a structural element 4.
  • the needles are almost atomically pointed at their end region 4a, ie the lateral dimensions of the end region 4a are only a few nanometers and thus less than 10 nanometers.
  • the crystal direction is also entered perpendicular to the surface of the silicon base layer 3. This direction corresponds to a [100] direction, since for the embodiment shown, the surface orientation is a (100) orientation.
  • the end region extends substantially along the [100] direction with only a slight deviation of less than 10 °, so that the structural elements are aligned almost perpendicularly with only a few degrees deviation from the surface of the base layer 3. Furthermore, individual lattice planes of the monocrystalline needle can be clearly recognized without crystal defects caused by the etching being recognizable. In the base layer configuration shown, the appearing lattice planes correspond to the (111) planes.
  • the pyramidal structures 4 are interesting in that they are smaller than the light wavelength (VIS / NIR) in their lateral size and by their needle shape, ie by the small lateral dimension of the end region 4a and the relatively large dimension at the foot 4b the pyramidal structure, and the high aspect ratios give off an almost perfect gradient layer.
  • the refractive index changes gradually from the refractive index of the silicon to the refractive index of the medium surrounding the nanostructure 2, for example air.
  • the nanostructure 2 thus enables an impedance matching or refractive index adjustment, which leads to an excellent broadband reflection suppression. Furthermore, it is known that strong bends, as they have the needle tips 4a, are particularly suitable for field emission.
  • the examples thus provide methods and structures in which silicon structures with large and adjustable aspect ratio occur, wherein due to the (special) parameter setting in the self-masking plasma etching process in a single etching step contamination and formation plasma-related crystal defects is kept low, so that at low Cost for the single-stage o structuring process, the resulting structure can be used immediately without further post-processing steps are required when needle-like silicon structures in high monocrystalline form are required.
  • a pre-conditioning i.e. preparation of the surface for obtaining the nanostructures, may be omitted:
  • Self-assembly generates a large number of virtually crystal-defect-free, needle-shaped structures with a high aspect ratio and with nanodimensions on the surface of a silicon wafer or another silicon base layer, as a result of which, among other things, a broadband antireflection coating can be achieved.
  • FIGS. 2a to 2f applications for anti-reflection of photoelectronic components by self-organized nanostructures and corresponding components are described, wherein the structures described above, for example also the methods described above, can be used.
  • the anti-reflection of photoelectronic components, such as photodiodes as part of an integrated circuit or as a discrete component is not made in a conventional manner with ⁇ / 4 layers, but by means of RIE-etched nanostructures, which have a much better broadband characteristics.
  • the corresponding methods are compatible with a bipolar, CMOS or BiCMOS technology for integrated or discrete components. It can be used alternatively or in addition to an antireflection coating. It is no more expensive than this, but has a wavelength-independent anti-reflection good quality over the entire wavelength range of interest for silicon photodiodes. Another advantage of the antireflection coating is its low Einfallswinkelabhfitikeit compared to ⁇ / 4 layers or regular structures.
  • Fig. 2a shows schematically a conventional photoelectric device 200 with a silicon substrate 201, an n-well 202 and corresponding contacts 205. Further, an optical window 203 is provided, which is non-reflective with an anti-reflection layer 204.
  • Fig. 2b shows the photoelectric device 200 according to an embodiment of the present invention.
  • a nanostructure such as the structure 2
  • the self-assembled nanostructures such as structure 2
  • the lateral distances are smaller than the wavelength in the medium, so that no scattering losses occur.
  • the nanostructures (FIGS. 1a to 1c) are sufficiently high with> 500 nm (at about 1000 nm). From 400 nm, a very good antireflection coating is already observed, which can be slightly improved with increasing height.
  • the reduction of the reflection on such a surface can be explained by an impedance matching, i.e. an adjustment of the refractive index, between the two materials.
  • the structures create a gradual impedance transition between the materials. This transition must be sufficiently wide (here the height of the structures) to act accordingly.
  • the gradual transition works on the principle of the effective medium, whereby two substances are mixed together so that it appears for use as a substance with mixed properties of the two starting materials. Since the nanostructures have a needle shape in the sense defined above, there is virtually a continuous transition from one medium to another (here from air to silicon). From the electrical engineering is known, cf. Pozar, Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998, that at least at one end of the transition, a particular nonlinear shape is particularly effective.
  • the structures used herein have such a shape. They are very pointed, but run very flat, resulting in a first small, but in the end very strong impedance change.
  • FIG. 2 c shows corresponding reflection curves for different components 200 with and without the nanostructure 2.
  • the measured reflection spectra confirm the drastic reduction of the reflection losses.
  • FIG. 2 d shows the result of crystallographic investigations, which show that the nanostructures 2 remained monocrystalline during their production.
  • Fig. 2d corresponding network levels can be seen in an upper portion of a
  • FIG. 2 e shows spectral sensitivity measurements on diodes which are so non-reflective according to the invention and confirm the increased sensitivity in a large wavelength range. In particular, eliminates the strong, due to interferences oscillations, which are common in normal passivation of integrated photodiodes.
  • silicon wafer is maintained at a constant temperature in the range of 27 ° C ⁇ 5 ° C and is operated with a plasma power in the range of about 100 to 300 watts, requiring higher plasma powers at higher process pressures and the ratio of working gas fluxes in Dependent on the geometric system parameters was previously determined empirically, is set so that the oxygen in the reaction point on the silicon wafer shows a self-masking effect, which can be achieved in the range of gas flows for SF 6 : 50 to 150 sccm and for O2 20 to 200 sccm and the process time is only a few minutes.
  • the component for example, the component 200, in the optically active window region, a reflection-reducing layer of statistically regularly distributed, low-defect silicon needles with a height of 400 to 1500 nm and an aspect ratio greater than 4: 1, as by the application of the RIE method according to the previous method arise.
  • a protective layer to prevent the destruction of a functional element, without affecting its function too strong. It is usually a number of boundary conditions to be taken into consideration, causing the
  • the examples provide a method for protecting such nanostructures which provides mechanical protection in further processing of silicon wafers with such layers without substantially altering the particular properties of these layers, such as reflection, adhesion of chemicals, etc.
  • the protective layer fills up the cavities between the needle-like silicon tips to be protected, thus stabilizing the structures.
  • a closed layer is formed for further processing.
  • this protective layer intervenes differently in how the nanostructure works.
  • the surface-enlarging function of a nanostructure is completely prevented by a dense layer.
  • the layer can be used to pass only certain substances to the surface of the nanostructure, which plays a role in chemical sensors, for example.
  • the layer preferably has a low absorption. Reflection losses remain minimal when the refractive index is as low as possible.
  • FIG. 3 a schematically shows a photoelectric component 300 with a silicon substrate 301, an n-well 302 and corresponding contacts 305. Furthermore, an optical window 303 is provided, which is antireflected with a described nanostructure 2.
  • a photodiode prepared by a CMOS process, etched into the surface of the silicon by the RIE method in the manner already described, a nanostructure 2.
  • This process step is usually followed by others.
  • the bonding pads for the contacting 305 of the components 300 are still freed from the circuit passivating layer.
  • This is usually made of SiO 2 or Si ß lNU and is usually applied by the CVD method. This procedure is more or less compliant. Top structures are preserved. It does not form a smooth surface.
  • resist mask and etching step are used. However, the applied lacquer can not be easily removed from the nanostructure 2; Lackreste limit their functionality.
  • Fig. 3b shows the device according to an illustrative embodiment.
  • a layer 305 of spin-on-glass (SOG) is previously deposited by spin-coating, e.g. Hydrogen silsesquioxane (HSQ). Since this substance is liquid when applied, the spaces between the SOG.
  • HSQ Hydrogen silsesquioxane
  • Nanostructures filled void-free An annealing step hardens this glass, but also leads to a certain shrinkage, so that this procedure is advantageous to repeat. After a few such steps, the nanostructure is completely encased and the surface is even and resistant to mechanical damage.
  • the protected nanostructure can now be further processed without any problems using the standard processes of CMOS technology.
  • the application of a resist layer and its removal is not a problem. Due to the low refractive index of 1.38 and the low absorption in the wavelength range of 150 nm or 180 nm to 1100 nm, the optical function of the nanostructure 2 is only slightly deteriorated.
  • FIG. 3c shows corresponding measurement results for the reflection of the optical window 303 for situations with an ARC (antireflecting) layer, with bare silicon, FIG. each without the structure 2, and for the components 300 of FIG. 3a and 3b. It remains at a broadband anti-reflection, which is significantly better with 3.5% reflection than the smooth bare silicon interface with> 30%.
  • ARC antireflecting
  • One embodiment relates to a method for protecting a layer consisting of 4: 1 and larger with nanometer dimensions of acicular silicon tips with a high aspect ratio, wherein a spin-on-glass adapted in its properties to the requirements of the layer to be passivated is applied in several steps is tempered after each application until a smooth surface is formed.
  • SOG layers of hydrogen silsesquioxane are applied to layers of acicular silicon tips present in windows of photoelectric devices.
  • a further embodiment relates to a method for protecting a layer, which consists of acicular silicon tips with a high aspect ratio and is part of a chemical sensor, wherein applied in several steps in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated gas-permeable porous spin-on glass and is tempered after each application until a smooth surface is formed, and in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed in the last mask process again.
  • Another embodiment relates to a method for protecting a layer which consists of acicular silicon tips with a high aspect ratio and is part of a chemical sensor, wherein applied in several steps in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated liquid-permeable porous spin-on glass and is tempered after each application until a smooth surface is formed, and in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed in the last mask process again.
  • FIGS. 1a to 1c show a typical process sequence in individual intermediate stages for the production of a previously described nanostructure 2 (see FIGS. 1a to 1c), starting from a planar silicon surface 411a on a silicon body 401 with increasing etching time, the nanostructure 2 in an unmasked region 403 of the silicon surface 401a, finally, a material layer 405 of the initial silicon volume 401 is "consumed".
  • FIG. 4 b schematically shows the production of the nanostructure 2 by means of a buffer layer 406, which has a lower etch rate compared to silicon 401.
  • a buffer layer 406 which has a lower etch rate compared to silicon 401.
  • the aspect ratio of the nanostructure 2 (as 403a) can thus also be set, as described above.
  • the remnants of the buffer layer, shown as 406a may be removed using the etch selectivity between the buffer layer 406 and the silicon 401, or may be retained, as shown.
  • this structured layer By exposing existing or applying an additional silicon layer, the subsequent structuring of this layer by means of a self-organization of needle-shaped structures with dimensions in the nanometer range below the usual wavelengths of light and with a high aspect ratio (nanostructures) generating RIE process without the use of additional means for masking the structuring process in intended areas and modifying, for example thermal oxidation, this structured layer is a suitable surface, for example a SiO 2 layer, produced with approximately the same structure.
  • This layer has a broadband effect of the antireflection coating and can also contribute in sensor components to increase the sensitivity by increasing the attachment surface of atoms and molecules.
  • the invention relates to the generation of a passivation layer made of a desired material, such as SiO 2, on photosensitive or light-emitting components as well as on sensor components. These can be monolithically integrated both discretely and with semiconductor circuits.
  • the passivation layer consists on its upper side of structures with needle-shaped tips of a large aspect ratio, and thus has a broadband effect of the anti-reflection in the usual wavelength range.
  • the method of the invention makes it possible with the
  • Semiconductor device technology adequate means such surface relief, characterized by needle-shaped structures with large aspect ratios in nanodimensions, d. H. in the range below the usual wavelengths of light, with suitable surface material, such as thermal SiO 2 to produce.
  • the SiO 2 layer grows in two directions. On the one hand it expands into the silicon and on the other hand the whole structure grows because of the volume increase of the SiO2.
  • the silicon is completely converted into SiO2, at least in the tip region.
  • the surface relief of the silicon becomes less Transfer change to the new SiO 2 layer, while the interface Si / SiO 2 is greatly leveled compared to the original Si surface.
  • modification processes are performed, such as nitriding, where nitrogen is incorporated into the silicon to alter the surface properties. It is also possible to introduce dopants or substances for surface modification or also for material changes that sometimes extend deep into the needles.
  • FIG. 5 illustrates a process sequence.
  • a process sequence In the upper part of Fig. 5 is a
  • Nanostructure 2 which can be produced by previously beschiebe process, formed in a region 503 a of a silicon-based layer 503.
  • the nanostructure 2b is shown after undergoing a modification process, which in this embodiment may include thermal oxidation, plasma oxidation, wet chemical oxidation, and the like.
  • the structures are interesting in that their lateral size is smaller than the wavelength of the light (VIS / NIR) and, due to their shape and the high aspect ratios, give off an almost perfect gradient layer. They thus allow an impedance matching which leads to an excellent broadband reflection suppression, without scattering the light.
  • the invention is also suitable for optical components. It allows the application of a passivation layer without causing the usual reflection losses of 3.5% (SiO2 / air transition).
  • a further embodiment relates to a method for passivating the surface of semiconductor components made of silicon by means of a SiO 2 layer, which has acicular structures with large aspect ratios in nano-dimensions, ie in the range below the usual wavelengths of light, characterized in that the Surface of the silicon is exposed locally and then by means of a reactive ion etching primary needle-like silicon structures are generated with nano-dimensions and this structured silicon surface is then converted by thermal oxidation completely into secondary, also needle-like SiO 2 structures.
  • a further embodiment relates to a method for passivating the surface of silicon semiconductor devices by means of a SiO 2 layer, which has acicular structures with large aspect ratios in nano-dimensions, ie in the range below the usual wavelengths of light, characterized in that a silicon layer on the surface is then deposited and then by means of a reactive ion etching primary needle-like structures in this silicon layer with nanodimensions are generated and this structured silicon layer is then converted by thermal oxidation completely or partially into secondary, also needle-like SiO 2 structures.
  • the necessary primary nanostructures in the silicon by reactive ion etching (reactive ion etching - RIE) using the working gases oxygen and SF ⁇ in a single process step without using additional means for targeted mask formation in structuring process only by adjusting the process parameters so that Oxygen at the reaction point on the silicon wafer shows a Doublemaskiernde effect and takes place a self-organization of the needle-like structures.
  • Silicon surfaces with a self-assembled nanostructure created by an RIE process can serve as an excellent absorber, absorbing nearly all light in the range of 180-1100 nm. Likewise, they are well suited for the radiation delivery. By applying a thin additional layer, the wavelength range of the absorption and emission can be significantly extended.
  • This aspect relates to the use of structured surfaces of silicon crystal bodies which guarantee the highest possible absorption of light for a large wavelength range.
  • the interface properties between two media must be changed so that between They no impedance jump, so no discontinuity of the refractive index occurs, but the different impedances continuously merge into each other.
  • the advantages are achieved that the needle-shaped silicon tips with a high aspect ratio in a statistically homogeneous distribution on the surface form an effective medium, which ensures the continuous transition of the two material properties.
  • an absorption of more than 99% can be achieved in the entire visible range, for the modification of a silicon surface. Even beyond the visible range, such good absorption is achieved.
  • FIG. 6 a shows measurement results of the optical reflection of modified silicon surfaces in comparison to untreated surfaces.
  • FIG. 6b shows the extremely small and wavelength-independent reflection of the modified silicon surface in detail.
  • FIG. 6c shows the direct absorption measurement by photothermal deflection spectroscopy (PDS).
  • the structured silicon surface can be coated, for example, with a thin metal layer.
  • the metal takes over the function of the absorbent material, the surface modification is given by the structure in the silicon.
  • the invention not only acts in one direction, ie from material A to material B, but equally well in the opposite direction, from material B to material A. Thus, it also serves to improve the emission in the affected wavelength range.
  • Such layers may preferably be used in optical devices or components.
  • An example of this is the lining of precision-optical devices or the absorption surface in digital projectors with mirror technology (digital light processing), in which the most complete absorption of the incident light is required in order to achieve the highest possible contrast value.
  • digital light processing digital light processing
  • the invention can also be used as a reflection standard for very low reflection values.
  • Another application is the improved radiation output, as occurs in optical components such as LEDs, or LASER. Due to the metal coating, an emission of heat radiation is possible. This can be used for targeted heat dissipation or for more efficient cooling.
  • An interesting application in this regard is the reduction of a cooling surface of a component by the improved heat dissipation.
  • One embodiment relates to self-organized needle-like structures in nano-dimensions with dimensions smaller than the wavelengths of light and with an aspect ratio greater than 4: 1, which are produced using the working gases oxygen and SFe (without the use of additional means for targeted mask formation) on silicon surfaces. during the etching process in a single process step, as already explained, wherein these nanostructures are used in the form of layers as broadband optical absorbers for the lining of precision optical devices.
  • the needle-like structures are used as absorption surface in digital projectors with mirror technology (digital light processing).
  • the needle-like structures are used for devices in which the optical radiation is converted as completely as possible into heat independent of wavelength.
  • the needle-like structures are for purposes of improved radiation delivery as used in optical devices, e.g. LEDs, or LASER occurs, used.
  • the needle-like structures for reflection standards are used for very low reflectance values.
  • the needle-like structures are coated with a thin metal layer.
  • the metal layer of the targeted heat dissipation is coated with a thin metal layer.
  • the broadband anti-reflection of silicon by a self-assembled nanostructure created by the RIE method, as described above, can be excellently used as an IR (infrared) window. Nearly all light is transmitted in the range above 1100 nm.
  • Silicon can be used as an IR window. At a wavelength of greater than 1000 nm, silicon begins to become transparent and absorbs less and less light. Since the air / silicon interface has a reflection of more than 30% and a window always has two interfaces, an untreated piece of silicon, despite its transparency in the infrared, transmits only about 50% of the incident light quantity, the other half being lost by reflection.
  • the advantages are achieved that the self-assembled nanostructures created by the RIE process form an effective medium that provides for the smooth transition of the two material properties.
  • a transmission of more than 90% can be achieved in the infrared range with the modification of the silicon surfaces.
  • the modified surface fulfills its task by changing the interface properties between the silicon and air or vacuum such that no impedance jump occurs between them, but the different impedances continuously merge into one another.
  • the material is not absorbent for the desired wavelength range.
  • the interfacial modification of silicon serves to suppress reflection and thus improve transmission.
  • the structures form an effective medium, which ensures the continuous transition of the two material properties.
  • a one-sided surface modification already achieves a transmission of about 70%.
  • FIG. 7 shows the transparency of a sample with a surface modified on one side.
  • the theoretical values of 70% are well hit.
  • a problem with a two-sided surface modification is the low mechanical strength of the structures produced, so that the handling of the window is difficult.
  • the surface modification can be limited to specific areas with conventional photoresist masking techniques, so that mechanically stressed areas can be easily separated from optically transparent areas.
  • the disadvantage of difficult handling is eliminated, a stable, possibly also air, liquid or vacuum-tight installation of such a window is readily possible.
  • One embodiment relates to an optical window made of silicon with improved broadband transparency in the IR range, wherein at least one of the two surfaces having the RIE method needle-like structures in nanodimensions with a high aspect ratio greater than 4: 1, using the working gases oxygen and SF ⁇ were generated in a self-organizing manner in a single process step, as explained above.
  • Both surfaces of the window can be provided with the pyramid-like needles.
  • the nanostructures are protected against mechanical destruction by means of an SOG (spin-on-glass) layer.
  • SOG spin-on-glass
  • the protection is hydrogen silsesquioxane (HSQ).
  • the reflection-reducing nanostructuring is limited to certain areas of the window by means of conventional masking technology in order to provide untreated, mechanically stable and easily sealable areas against air, liquids and vacuum.

Abstract

The invention relates to methods and devices comprising a nanostructure (2; 4, 4a) for improving the optical behavior of components and apparatuses and/or improving the behavior of sensors by increasing the active surface area. The nanostructure (2) is produced by means of a special RIE etching process, can be modified regarding the composition of the materials thereof, and can be provided with adequate coatings. The amount of material used for the base layer (3) can be reduced by supplying a buffer layer (406). Many applications are disclosed.

Description

Selbstorganisierte nadelartige Nano-Strukturen in ihren Anwendungen Self-organized needle-like nano-structures in their applications
Gebiet der Erfindung(en).Field of the invention (s).
Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von strukturierten Oberflächen und insbesondere die Erzeugung von nadelartigen Strukturen mit Nano-Dimensionen im Bereich beispielsweise unterhalb der Wellenlängen sichtbaren Lichts, wobei dieseThe invention relates generally to the production of structured surfaces, and more particularly to the production of needle-like structures having nano-dimensions in the range, for example, below the wavelengths of visible light
Strukturen im weiteren als Nanostrukturen bezeichnet werden. Ihre Möglichkeiten und technischen Anwendungen stehen hier im Vordergrund.Structures may be referred to as nanostructures. Your options and technical applications are in the foreground here.
Stand der Technik.State of the art.
Viele elektronische, opto-elektronische, sensorische und mikromechanische Bauelemente weisen als Bestandteil Silizium in dotierter und/oder undotierter, kristalliner und/oder polykristalliner und/oder amorpher Form auf. Um die speziellen bauteilspezifischen Anforderungen zu erfüllen, muss daher Silizium in der Regel entsprechend bearbeitet werden, was häufig eine Strukturierung des Siliziums beinhaltet.Many electronic, opto-electronic, sensory and micromechanical components have silicon as part of doped and / or undoped, crystalline and / or polycrystalline and / or amorphous form. In order to meet the specific component-specific requirements, therefore, silicon must usually be processed accordingly, which often includes a structuring of the silicon.
Zur Strukturierung von Silizium wird im Allgemeinen eine Maske aus Fotolack erzeugt, mit deren Hilfe der Abtrag durch ein Ätzverfahren gesteuert wird. Um kleine Strukturen mittels einer Lackmaske zu erzeugen, muss der Fotolack mit einer Belichtungsmaske, die entsprechend kleine Strukturen aufweist, belichtet werden. Im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, die für die Belichtung des Fotolacks verfügbar sind, ist dies nur mit erhöhtem Aufwand möglich. Häufig werden jedoch Strukturen mit Strukturelementen mit großem Aspektverhältnis benötigt, d.h. die Tiefe oder Höhe der Strukturelemente ist im Verhältnis zu ihrer lateralen Abmessung groß. Wenn z.B. auf einer Siliziumoberfläche Einsenkungen und damit auch Erhebungen mit Nanoabmessungen erforderlich sind mit einem Aspektverhältnis von 2, so muss ein lokaler Materialabtrag durchgeführt werden, der zu einer Vertiefung von beispielsweise 200 nm bei einer lateralen Abmessung von 100 nm führt. Bei einem Ätzprozess auf Grundlage einer Fotolackmaske muss diese daher ebenfalls mit einer vergleichbaren lateralen Abmessung hergestellt werden und muss ferner die erforderliche Ätzselektivität aufweisen, um auch das gewünschte Aspektverhältnis während des nachfolgenden Siliziumätzprozesses zu erreichen. Alternativ werden hoch auflösende Masken auch mit Hilfe eines Elektronenstrahles geschrieben (e-beam). Diese Lösungen sind zwar sehr vielseitig aber auch aufwändig und teuer. Daher gibt es immer wieder Anstrengungen, alternative Verfahren zu finden, die ebenfalls die Strukturierung im Nanometerbereich ermöglichen.For patterning of silicon, a mask of photoresist is generally produced, with the help of which the removal is controlled by an etching process. In order to produce small structures by means of a resist mask, the photoresist must be exposed with an exposure mask, which has correspondingly small structures. In the range below the usual wavelengths of light that are available for the exposure of the photoresist, this is possible only with increased effort. Often, however, structures having high aspect ratio features are needed, ie, the depth or height of the features is large relative to their lateral dimension. If, for example, depressions and thus elevations with nano dimensions are required on a silicon surface with an aspect ratio of 2, then a local removal of material must be carried out, which leads to a depression of, for example, 200 nm with a lateral dimension of 100 nm. In the case of an etching process based on a photoresist mask, therefore, it must likewise be produced with a comparable lateral dimension and must furthermore have the required etching selectivity in order to achieve the desired aspect ratio during the subsequent silicon etching process. Alternatively, high-resolution masks are also written using an electron beam (e-beam). These Although solutions are very versatile, they are also time-consuming and expensive. Therefore, there are always efforts to find alternative methods that also allow structuring in the nanometer range.
Bei vielen konventionellen Verfahren wird jedoch kein großes Aspektverhältnis der Nanostrukturen erreicht, insbesondere wenn auch eine niedrige Defektdichte gewünscht wird. Die Nanostruktur weist im Stand der Technik typischerweise nach der Herstellung eine erhöhte Kontaminationsdichte, also unerwünschte Verunreinigungen an der Oberfläche, und/oder eine erhöhte Anzahl an Kristallfehlern auf, wenn zu Beginn einkristallines Silizium mit geringer Kristallfehlerdichte vorlag. Daher sind diese bekannten Verfahren nur eingeschränkt oder mit schlechteren Ergebnissen im Hinblick auf das Gesamtleistungsverhalten des Bauteils einsetzbar. In einigen dieser konventionellen Verfahren wurden zur Mikrostrukturierung unter Ausnutzung der Selbstorganisation zur Erzeugung von strukturierten Siliziumoberflächen auch plasmagestützte Verfahren mit reaktiven Ionen, was auch als RIE-Verfahren bekannt ist, auf Basis von SF6 (Schwefelhexafluorid) und Sauerstoff eingesetzt, wobei Metall partikel die Mikromaskierung und damit die Strukturbildung gewährleisteten. (WO 02/13279 A2, US 6091021 , US 6329296).In many conventional processes, however, no large aspect ratio of the nanostructures is achieved, especially when a low defect density is desired. In the prior art, the nanostructure typically has an increased contamination density, that is to say undesired surface impurities, and / or an increased number of crystal defects, if initially crystalline silicon having a low crystal defect density was present. Therefore, these known methods can be used only to a limited extent or with worse results with regard to the overall performance of the component. In some of these conventional processes, microstructuring utilizing self-assembly to produce structured silicon surfaces has also been using plasma-enhanced reactive ion techniques, also known as RIE processes, based on SF 6 (sulfur hexafluoride) and oxygen, with metal particles providing micromasking and thus ensured structure formation. (WO 02/13279 A2, US 6091021, US 6329296).
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Anwendung von Metallen im Plasma, was zu einer unerwünschten Kontamination des Siliziums führen kann. Die schädlichen Einflüsse geringster Metallspuren im Halbleiter-Herstellungsprozess, insbesondere bei integrierten Schaltungen sind bekannt. Zusätzlich zu dem Verschmutzungseffekt der RIE-Anlagen aufgrund der Metallbeimischung ist auch der Mehraufwand dieser Verfahren für einen Einsatz in Fertigungsverfahren, die eine hohe Ausbeute und geringe Verfahrenskosten erfordern, nachteilig zu bewerten.A disadvantage of this method is the use of metals in the plasma, which can lead to undesirable contamination of the silicon. The harmful effects of least metal traces in the semiconductor manufacturing process, especially in integrated circuits are known. In addition to the fouling effect of RIE plants due to metal addition, the overhead of these processes is also detrimental to use in manufacturing processes that require high yield and low process costs.
Aufgrund der verfahrenstechnischen Schwierigkeiten bei der konventionellen Erzeugung von strukturierten Oberflächen und deren weiteren Bearbeitung ist damit auch eine Anwendung von Nanostrukturen in Bauelementen, etwa Sensoren, optoelektronischen Komponenten, und dergleichen in einer kostengünstigen und zuverlässigen Weise bislang wenig verbreitet. Überblick über die ErfindungDue to the procedural difficulties in the conventional production of structured surfaces and their further processing, an application of nanostructures in components, such as sensors, optoelectronic components, and the like in a cost-effective and reliable manner is thus also far from widespread. Overview of the invention
Den vorliegenden Erfindungen liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Bauelemente anzugeben, wobei Nanostrukturen zuverlässig und kostengünstig integrierbar bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit sind und zugleich zu einer Leistungsverbesserung der Bauelemente führen.The present invention is based on the object of specifying methods and components, wherein nanostructures can be reliably and inexpensively integrated while at the same time having good machinability and at the same time lead to an improvement in the performance of the components.
In einem Aspekt der Erfindung werden ein Verfahren zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente angegeben, wobei das Erzeugen geeigneterIn one aspect of the invention, a method of anti-reflection of photoelectronic devices by self-assembled nanostructures and corresponding devices is disclosed, wherein the generation of suitable
Nanostrukturen auf einem Verfahren beruht, das im Detail auch in einer parallelen PCT Patentanmeldung mit heutigem Anmeldetag und dem Aktenzeichen PCTVE P2006/067248 beschrieben ist. Soweit hier in dieser Anmeldung Zweifel bestehen oder Ergänzungen gefragt sind, ist die genannte PCT heranzuziehen.Nanostrukturen based on a method that is described in detail in a parallel PCT patent application with today's filing and the file number PCTVE P2006 / 067248. Insofar as there are doubts in this application or additions are required, the said PCT is to be used.
Erfindungsgemäß wird eine Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Photodioden, Fotozellen, und dergleichen als Bestandteil einer integrierten Schaltung oder auch als diskretes Bauelement, nicht oder nicht ausschließlich in konventioneller Weise mit λ/4-Schichten, sondern alternativ oder ergänzend durch mittels RIE-Ätzung erzeugten Nanostrukturen vorgenommen, die eine weitaus bessere Breitbandcharakteristik aufweisen.According to the invention, an antireflection coating of photoelectronic components, such as e.g. Photodiodes, photocells, and the like as part of an integrated circuit or as a discrete component, not or not exclusively in a conventional manner with λ / 4 layers, but alternatively or additionally made by RIE-etched nanostructures having a much better broadband characteristics ,
Fotoempfindlichen Bauelementen in integrierten Schaltungen und als diskrete Bauelemente, etwa Fotozellen, dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie oder umgekehrt. Fotodioden z.B. sollen Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Für diese fotoempfindlichen Bauelemente ist eine hohe Sensitivität wünschenswert. Beispielsweise stellen Fotodioden in der Mikroelektronik einen integrierbaren Sensor dar, dessen Fläche möglichst klein sein soll bzw. der auch kleinste Lichtmengen detektieren soll. Andere Bauelemente wie Fotozellen sollen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. In allen Fällen ist es vorteilhaft, die Reflexionsverluste minimal zu gestalten. Prinzipiell erfolgt die Umwandlung der Photonen in Elektronen im Halbleitermaterial, etwa Silizium, selbst. Die Ladungsträger werden durch ein elektrisches Feld, welches durch einen pn-Übergang gebildet wird, abgesaugt. Damit dies geschieht, müssen die Photonen jedoch zuerst in den Halbleiter, etwa das Silizium, eindringen. Durch die großen Unterschiede der Impedanzen bzw. derPhotosensitive devices in integrated circuits and as discrete components, such as photocells, are used to convert light into electrical energy or vice versa. Photodiodes e.g. to convert light signals into electrical signals. High sensitivity is desirable for these photosensitive devices. For example, photodiodes in microelectronics represent an integratable sensor whose area should be as small as possible or which should detect even the smallest amounts of light. Other components such as photocells should have a high efficiency. In all cases it is advantageous to minimize the reflection losses. In principle, the conversion of the photons into electrons in the semiconductor material, such as silicon, takes place by itself. The charge carriers are drawn off by an electric field, which is formed by a pn junction. For this to happen, however, the photons must first penetrate into the semiconductor, such as the silicon. Due to the large differences in the impedances or the
Brechungsindizes von Luft und dem Halbleitermaterial, etwa dem Silizium, wird jedoch eine Vielzahl von Photonen an der Grenzfläche reflektiert und gelangt nicht zum Ort der Umwandlung. Dadurch verringert sich die Sensitivität der Fotodiode bzw. die Effizienz der Fotozelle. Nun gibt es in einer integrierten Fotodiode keinen Luft/Halbleiter-Übergang, da Halbleiterbauelemente für gewöhnlich durch eine Passivierungsschicht geschützt werden. Es handelt sich häufig um eine Anordnung Luft/Siθ2/Si oder Luft/SisINU/Si, wenn Silizium-basierte Bauelemente betrachtet werden. Man hat ein Dreischichtsystem mit zwei Grenzflächen. Der Anteil des in den Halbleiter eindringenden Lichtes wird durch Reflexionen an diesen Grenzflächen und deren Interferenzen beeinflusst und hängt von Schichtdicke, dem Material und der Wellenlänge ab. Im günstigsten Fall (konstruktive Interferenz für die Transmission) kann nahezu alles Licht ausgenutzt werden, im ungünstigsten Fall (destruktive Interferenz) verliert man 30% ... 50%, abhängig von der Wellenlänge, nämlich genau soviel wie auch an der blanken Halbleiter/Luft-Grenzfläche reflektiert wird. Konventionell wird die Dicke und das Material der Zwischenschicht so ausgewählt, dass konstruktive Interferenz und damit eine maximale Entspiegelung eintritt, wie dies beispielsweise beschrieben ist in DE-A 103 93 435.However, refractive indices of air and the semiconductor material, such as silicon, reflect a multiplicity of photons at the interface and do not reach the location of the transformation. This reduces the sensitivity of the photodiode or the efficiency of the photocell. Now there is no air / semiconductor junction in an integrated photodiode since semiconductor devices are usually protected by a passivation layer. It is often an arrangement of air / SiO 2 / Si or air / SisINU / Si when considering silicon-based devices. One has a three-layer system with two interfaces. The proportion of light entering the semiconductor is influenced by reflections at these interfaces and their interferences and depends on the layer thickness, the material and the wavelength. In the best case (constructive interference for the transmission) almost all light can be exploited, in the worst case (destructive interference) you lose 30% ... 50%, depending on the wavelength, namely just as much as at the bare semiconductor / air Boundary surface is reflected. Conventionally, the thickness and the material of the intermediate layer is selected so that constructive interference and thus maximum antireflection occurs, as described, for example, in DE-A 103 93 435.
Es bleiben aber folgende Einschränkungen bzw. Nachteile bestehen:However, the following limitations or disadvantages remain:
1. Die Schichtdicken müssen eng toleriert sein.1. The layer thicknesses must be tightly tolerated.
2. Die Entspiegelung gelingt nur für eine bestimmte Wellenlänge befriedigend; man findet auch andere Wellenlängen, die andere Interferenzordnungen darstellen, für die gut entspiegelt wird, diese sind aber nicht frei wählbar.2. The anti-reflection succeeds only for a certain wavelength satisfactorily; one also finds other wavelengths that represent other interference orders for which there is good antireflection, but these are not arbitrary.
3. Um die Reflexion in einem breiten Wellenlängenbereich auf nahe Null zu vermindern, versagt eine Entspiegelung durch einfache λ/4-Schichten. Es wären Materialien mit fein abgestuften Brechzahlen zwischen 1 (Luft) und der maximalen entsprechenden Brechzahl des Halbleiters, etwa Silizium, für den angestrebten Wellenlängenbereich notwendig. Beispielsweise ist der Brechungsindex von3. In order to reduce the reflection in a broad wavelength range to near zero, an antireflection by simple λ / 4 layers fails. It would be necessary materials with finely graded refractive indices between 1 (air) and the maximum corresponding refractive index of the semiconductor, such as silicon, for the desired wavelength range. For example, the refractive index of
Silizium stark wellenlängenabhängig, liegt für gewöhnlich jedoch über 3,5. Derartige Materialien zur Anpassung des Brechungsindex sind aber in der konventionellen Halbleitertechnologie nicht etabliert und somit zur Zeit nicht verfügbar. 4. Die aufgebrachten Schichten müssen im verwendeten Wellenlängenbereich eine sehr geringe Absorption aufweisenSilicon is strongly wavelength dependent, but is usually above 3.5. However, such materials for refractive index adjustment are not established in conventional semiconductor technology and are therefore currently not available. 4. The applied layers must have a very low absorption in the wavelength range used
In typischen Anwendungsgebieten für integrierte Fotodioden werden im Allgemeinen keine breitbandigen Lichtquellen eingesetzt, sondern bevorzugt Leucht- bzw. Laserdioden. Diese senden nur mit einer bestimmten Wellenlänge aus und auf diese könnte eine konventionelle λ/4-Antireflexionsschicht abgestimmt werden. Oft sollen aber solche integrierten Fotosensoren in der gleichen Bauform für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden und diese implizieren verschiedene Lichtwellenlängen. Ein Beispiel stellen die Aufnehmer- bzw. Pick Up-Systeme moderner CD/DVD- Kombilaufwerke dar. Diese haben ohne Umbau bei drei unterschiedlichen Wellenlängen (blau, rot, infrarot) optimal zu arbeiten, wobei sich diese Wellenlängen nicht mehr durch verschiedene Ordnungen konstruktiver Interferenzen darstellen lassen. Selbst bei optimaler Anpassung von λ/4-Schichten gelingt mit den gut etablierten Materialien Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid keine gewünschte hohe Transmission. Bei Silizium als Halbleitermaterial und Verwendung von Siliziumdioxid als Zwischenschicht bleibt mindestens ein Reflexionsanteil von 8%. Mit Nitrid ist dieser Anteil im sichtbaren zwar deutlich kleiner, aber für Wellenlängen unterhalb von 400 nm wird die Absorption signifikant und führt ihrerseits zu Lichtverlusten.In typical application fields for integrated photodiodes, generally no broadband light sources are used, but preferably light emitting or laser diodes. These only emit at a certain wavelength and a conventional λ / 4 antireflection layer could be tuned to them. Often, however, such integrated photosensors in the same design for different applications are used and they imply different wavelengths of light. An example is the pick-up or pick-up systems modern CD / DVD combi drives. These have to work optimally without conversion at three different wavelengths (blue, red, infrared), whereby these wavelengths can no longer be represented by different orders of constructive interference. Even with optimum adaptation of λ / 4 layers, the well-established materials silicon dioxide or silicon nitride do not achieve a desired high transmission. With silicon as the semiconductor material and the use of silicon dioxide as the intermediate layer, at least a reflection content of 8% remains. With nitride, this proportion is significantly smaller in the visible, but for wavelengths below 400 nm, the absorption is significant and in turn leads to light losses.
Die erste erfindungsgemäße Lösung (Anspruch 1 ) gibt ein fotoelektronisches Bauelement an, das ein optisch aktives Fenster zum Eintritt und/oder Austritt von Strahlung aufweist. Ferner ist eine an einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehene Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einemThe first solution according to the invention (claim 1) indicates a photoelectronic component which has an optically active window for the entry and / or exit of radiation. Furthermore, a nanostructure with statistically distributed structural elements provided on a surface of the optically active window is provided with a
Endbereich und einem Fußbereich in dem Bauelement ausgebildet, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist. Des weiteren ist ein Aspektverhältnis der Strukturelemente (Höhe der Strukturelemente bezogen auf die laterale Ausdehnung am Fußbereich) im Mittel größer als vier.The end region and a foot region are formed in the device, wherein the tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more. Furthermore, an aspect ratio of the structural elements (height of the structural elements with respect to the lateral extent at the foot) is on average greater than four.
Die Erfindung (Anspruch 1 ) stellt damit eine mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten verbundene antireflektierende Oberfläche für integrierte optoelektronische Schaltkreise und auch diskrete fotoelektrische Bauelemente bereit, wobei außerdem die in Punkt 1 bis 4 genannten Nachteile behoben oder doch zumindest deutlich verringert werden.The invention (claim 1) thus provides an associated with little effort and therefore low cost antireflective surface for integrated optoelectronic circuits and discrete photoelectric devices ready, which also eliminates the disadvantages mentioned in point 1 to 4 or at least significantly reduced.
Der umschriebenen Nanostruktur mit den "nadelartigen" Strukturen als die im wesentlichen "pyramidenförmigen" Strukturelemente, die einen "atomar spitzen" Endbereich und eine zum Fußbereich hin deutlich breiter werdende lateraleThe circumscribed nanostructure with the "needle-like" structures as the essentially "pyramidal" structural elements, the "atomically pointed" end and a much wider towards the foot area lateral
Ausdehnung aufweisen, gelingt eine graduelle Anpassung des Brechungsindex zwischen dem Fenstermaterial und dem umgebenden Medium. Da insbesondere die lateralen Abmessungen am Fußbereich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Bereichs ist, kann die "Materialmischung" für das Licht als eine "kontinuierliche" Mischung betrachtet werden, wobei vom reinen Fenstermaterial am Fuße der Strukturelemente mit zunehmender Höhe der Anteil des umgebenden Mediums, beispielsweise Luft, zunimmt, so dass der Brechungsindex für den interessierenden Wellenlängenbereich quasi-kontinuierlich abnimmt, so dass damit für das Licht im Wesentlichen keine Grenzfläche mit einem unstetigen Sprung des Brechungsindex mehr auftritt. Die Nanostruktur kann in einem Verfahren kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS Technologie für integrierte oder diskrete Bauelemente hergestellt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Nanostruktur kann alternativ oder ergänzend zu einer Antireflexionsbeschichtung angewendet werden. Es ist nicht aufwändiger als diese, weist jedoch eine, über einen weitenHave expansion, succeeds a gradual adjustment of the refractive index between the window material and the surrounding medium. In particular, since the lateral dimensions at the foot region are smaller than the wavelength of the visible region, the "material mixture" for the light may be considered as a "continuous" mixture, with the proportion of the surrounding medium of the pure window material at the foot of the structural elements increasing with height. For example, air increases, so that the refractive index for the wavelength range of interest decreases quasi-continuously, so that thus for the light substantially no interface with a discontinuous jump in the refractive index more occurs. The nanostructure may be fabricated in a method compatible with bipolar, CMOS, or BiCMOS integrated or discrete device technology, as described in more detail below. The nanostructure can be used alternatively or in addition to an antireflection coating. It is not more elaborate than this, but has one, over a wide
Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängige Entspiegelung guter Qualität auf. In einer Ausführungsform wird damit der gesamte für Silizium-Fotodioden interessante Wellenlängenbereich abgedeckt. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung durch die oben beschriebene Nanostruktur ist deren geringe Einfallswinkelabhängigkeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.Wavelength range non-wavelength good quality reflective coating. In one embodiment, this covers the entire wavelength range of interest for silicon photodiodes. Another advantage of the antireflection coating by the nanostructure described above is their low angle of incidence dependence compared to λ / 4 layers or regular structures.
Wie nachfolgend noch eingehender erläutert, ist bei Anwendung der Nanostruktur in Fotodioden oder Fotozellen die Eigenschaft sehr vorteilhaft, dass die Nanostruktur, wenn sie aus einem Halbleitermaterial aufgebaut ist, etwa Silizium, ein hohes Maß an "Defektfreiheit" der genutzten Bereiche erreicht werden kann, d.h., bei der Erzeugung der Strukturelemente durch Plasmaätzung werden im wesentlichen keine zusätzlichen Kristalldefekte hervorgerufen. Damit finden die erzeugten Elektron-Loch-Paare keine zusätzlichen Rekombinationszentren vor und können weiterhin effizient durch das im pn-Übergang entstehende elektrische Feld abgesaugt werden, so dass keine empfindliche Verringerung der Sensitivität hervorgerufen wird.As explained in more detail below, when using the nanostructure in photodiodes or photocells, the property is very advantageous that the nanostructure, if it is made of a semiconductor material, such as silicon, a high degree of "freedom from defects" of the used areas can be achieved, ie , in the generation of the structural elements by plasma etching substantially no additional crystal defects are caused. Thus, the generated electron-hole pairs find no additional recombination centers and can be further efficiently sucked by the resulting pn junction electric field, so that no sensitive reduction of the sensitivity is caused.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das fotoelektronische Bauelement ferner eine Passivierungsschicht auf, die das optisch aktive Fenster frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Strukturelemente sich im Wesentlichen bis zu der Grenze erstrecken. Durch diese Maßnahme kann damit der wirksame Bereich der Nanostruktur lokal präzise definiert werden, wobei beispielsweise gut etablierte Maskierungsverfahren eingesetzt werden können. Die Ausbildung der Strukturelemente erfolgt dabei im Wesentlichen auch am Grenzgebiet zwischen der Passivierungsschicht und der Nanostruktur, was so zu verstehen ist, dass die Strukturelemente zumindest bis zu einem Abstand zu der Passivierungsschicht heran reichen, der der Hälfte der Dicke der Passivierungsschicht entspricht. Auch bei einer ausgeprägten Stufe, die durch die Passivierungsschicht hervorgerufen werden kann, wird dennoch eine hohe Flächenbedeckung des Fensters durch die Strukturelemente erreicht und damit die das hohe Maß an Entspiegelung beim Eintritt oder Austritt von Strahlung beibehalten.In a further advantageous embodiment, the photoelectronic component further has a passivation layer which leaves the optically active window free and forms a boundary with the latter, the structure elements extending substantially to the border. By means of this measure, the effective area of the nanostructure can thus be locally precisely defined, whereby, for example, well-established masking methods can be used. The formation of the structural elements takes place essentially also at the boundary region between the passivation layer and the nanostructure, which is to be understood such that the structural elements extend at least up to a distance from the passivation layer which corresponds to half the thickness of the passivation layer. Even with a pronounced step, which can be caused by the passivation layer, a high area coverage of the window is still achieved by the structural elements and thus maintained the high level of anti-reflection at the entrance or exit of radiation.
In einer Ausführungsform sind die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut. Auf diese Weise kann die elektrische Funktion des Bauelements im Wesentlichen unbeeinflusst durch die Nanostruktur bleiben. Wie zuvor erwähnt wurde, kann beispielsweise die Wirkung der Ladungsträgersammlung beibehalten werden, wobei die Einkopplung der Strahlung deutlich verbessert ist. Femer kann die Nanostruktur auch direkt in dem betrachteten Halbleitermaterial hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung und die Dotierung bereits zuvor 5 festgelegt werden können. Bei Bedarf kann die Nanostruktur auch in einer frühen Phase des Herstellungsprozesses gebildet werden, wobei nachträglich gewisse Eigenschaften des Halbleitermaterials, etwa Dotierung, Zusammensetzung, etc eingestellt werden. Dazu kann die Nanostruktur in einem geeigneten Material "konserviert" werden, etwa Siliziumdioxid, so dass Ausheizprozesse, Implantation, lo Einführung von anderen Atomsorten, beispielsweise Germanium in einenIn one embodiment, the structural elements are constructed from single-crystalline semiconductor material. In this way, the electrical function of the device may remain substantially unaffected by the nanostructure. As before has been mentioned, for example, the effect of the charge carrier collection can be maintained, wherein the coupling of the radiation is significantly improved. Furthermore, the nanostructure can also be produced directly in the considered semiconductor material, wherein the composition and the doping can already be determined previously. If required, the nanostructure can also be formed at an early stage of the production process, with subsequent adjustment of certain properties of the semiconductor material, such as doping, composition, etc. For this purpose, the nanostructure can be "preserved" in a suitable material, such as silicon dioxide, so that bake-out processes, implantation, introduction of other types of atoms, for example germanium into one
Siliziumbasishalbleiter, etc mit einem hohen Maß an Kompatibilität zu konventionellen Prozessen durchgeführt werden können.Silicon base semiconductors, etc can be performed with a high degree of compatibility with conventional processes.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Nanostruktur eine einkristalline i5 Basisschicht, auf der die Strukturelemente angeordnet sind. Eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente ist im Wesentlichen gleich zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht. Damit kann die Qualität des Halbleiterbasismaterials auch in den Strukturelementen bereit gestellt werden.In an advantageous embodiment, the nanostructure has a monocrystalline base layer on which the structural elements are arranged. A crystal defect density of the features is substantially equal to the crystal defect density of the base coat. Thus, the quality of the semiconductor base material can also be provided in the structural elements.
20 In einer Ausführungsform ist das Halbleitermaterial Silizium. In diesem Falle lässt sich ein effizienter selbstorganisierter Ätzprozess, wie er nachfolgend detailliert beschrieben ist, direkt in einem siliziumbasierten Bauelement anwenden. In anderen Fällen kann eine Siliziumschicht, kristallin oder polykristallin oder amorph aufgebracht werden und darin die Nanostruktur dann effizient durch Ätzung hergestellt werden. Auch in einem i5 Polysiliziumwafer ist das Genannte zu erreichen.In one embodiment, the semiconductor material is silicon. In this case, a more efficient self-organized etching process, as described in detail below, can be applied directly in a silicon-based device. In other cases, a silicon layer, crystalline or polycrystalline or amorphous can be applied and then the nanostructure can be efficiently produced by etching. The same can also be achieved in an i5 polysilicon wafer.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut. Dadurch kann eine elektrische Passivierung in Fällen erreicht werden, in denen eine Beeinflussung des elektrischen lo Verhaltens eines Bauelements nicht gewünscht ist, oder ein hohes Maß anIn an advantageous embodiment, the structural elements are at least partially constructed of an insulating material. As a result, an electrical passivation can be achieved in cases in which influencing the electrical behavior of a component is not desired, or a high degree
Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Vielzahl an Umgebungsmedien gewünscht ist. Beispielsweise kann das isolierende Material Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid sein.Resistance to a variety of ambient media is desired. For example, the insulating material may be silicon dioxide, silicon oxynitride or silicon nitride.
s In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometem bis 1000 Nanometern, insbesondere auch darüber hinaus bis 1500 Nanometer. Mit diesen Abmessungen in der Höhenrichtung in Kombination mit den zuvor spezifizierten lateralen Abmessungen ergeben sich ausgezeichnete optische Entspiegelungs-Eigenschaften im sichtbaren Spektrum und auch im Infrarotbereich. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das fotoelektronische Bauelement ferner eine Einebnungsschicht in dem optisch aktiven Fenster auf, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.In an advantageous embodiment, a height of the structural elements is in the range from 400 nanometers to 1000 nanometers, in particular also beyond 1500 nanometers. With these dimensions in the height direction in combination with the previously specified lateral dimensions, excellent optical antireflection properties result in the visible spectrum and also in the infrared range. In a further advantageous embodiment, the photoelectronic component further has a planarization layer in the optically active window, wherein the structural elements of the nanostructure are embedded in the planarization layer.
Die Einebnungsschicht, die auch als eine Schutzschicht bezeichnet werden kann, füllt die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadeiförmigen Strukturelementen, beispielsweise Siliziumspitzen, auf, so dass die Strukturelemente stabilisiert werden. Zur weiteren Verarbeitung wird somit eine geschlossene Schicht ausgebildet. Aufgrund der so erzeugten glatten Oberfläche können mechanische Beanspruchungen bei geringer Gefahr einer Zerstörung der Nanostruktur abgefangen werden. Auf diese glatte Oberfläche kann sehr viel einfacher eine weitere Schicht aufgebracht und auch wieder entfernt werden.The leveling layer, which may also be referred to as a protective layer, fills in the voids between the acicular structural elements to be protected, for example silicon tips, so that the structural elements are stabilized. For further processing, a closed layer is thus formed. Due to the smooth surface thus produced, mechanical stresses can be intercepted with little risk of destruction of the nanostructure. It is much easier to apply another layer to this smooth surface and to remove it again.
Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in dieDepending on the material used this protective layer attacks differently in the
Funktionsweise der Nanostruktur ein. Die oberflächen-vergrößernde Funktion einer Nanostruktur wird durch eine dichte Schicht vollständig unterbunden. Eine poröse Schicht hingegen kann dafür genutzt werden, nur bestimmte Stoffe an die Oberfläche der Nanostruktur durchzulassen, was z.B. bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt. Für alle optischen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Eigenschaften der Reflexion und Transmission oder auch der Streuung sich nur geringfügig verschlechtern oder sogar verbessern. Dazu weist die Schicht vorzugsweise eine geringe Absorption auf. Reflexionsverluste bleiben minimal, wenn der Brechungsindex möglichst nahe an dem Brechungsindex des umgebenden Mediums, etwa Luft, liegt. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Brechungsindex des Materials der Einebnungsschicht 1 ,5 oder kleiner.Functioning of the nanostructure. The surface-enhancing function of a nanostructure is completely prevented by a dense layer. A porous layer, on the other hand, can be used to pass only certain substances to the surface of the nanostructure, e.g. plays a role in chemical sensors. For all optical applications, it is advantageous that the properties of the reflection and transmission or of the scattering only slightly deteriorate or even improve. For this purpose, the layer preferably has a low absorption. Reflection losses remain minimal when the refractive index is as close as possible to the refractive index of the surrounding medium, such as air. For example, in one embodiment, the refractive index of the material of the flattening layer is 1, 5 or smaller.
In einer weiteren Ausführungsform ist ferner eine zweite Nanostruktur an einer zweiten Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehen. Dies ist vorteilhaft in Anwendungen, wenn das optische Fenster nicht direkt in dem Basismaterial desIn a further embodiment, a second nanostructure is further provided on a second surface of the optically active window. This is advantageous in applications where the optical window is not directly in the base material of the
Bauelements hergestellt wird, oder wenn Vertiefungen in dem Basismaterial durch das Fenster abzudecken sind. Beispielsweise kann ein geeignetes Fenster auf einem separaten Substrat hergestellt werden und anschließend auf das Bauelement übertragen werden. Vorteilhafterweise sind die Nanostruktur und die zweite Nanostruktur in einer Schutzschicht eingebettet.Component is produced, or if recesses are to be covered in the base material through the window. For example, a suitable window can be made on a separate substrate and then transferred to the device. Advantageously, the nanostructure and the second nanostructure are embedded in a protective layer.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensorbauelement bereitgestellt. Das Sensorbauelement umfasst eine Sensoroberfläche, die durch eine Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen gebildet ist, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen. Die Spitze des Endbereichs weist eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr auf. Das Aspektverhältnis der Strukturelemente, (die Höhe der Strukturelemente zur lateralen Ausdehnung am 5 Fußbereich) ist im Mittel größer als 4.In a further aspect of the invention, a sensor device is provided. The sensor component comprises a sensor surface, which is formed by a nanostructure with statistically distributed structural elements, the structural elements having a Have end region and a footer. The tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more. The aspect ratio of the structural elements (the height of the structural elements for lateral expansion at the 5-foot area) is on average greater than 4.
Durch das Vorsehen der Nanostruktur wird die Oberfläche als Sensorfläche deutlich vergrößert, so dass eine höhere Ansprechempfindlichkeit erreicht wird. Ferner lässt sich bei flüchtigen Medien, etwa Gasen, die Verweildauer in der Nähe der lo Sensoroberfläche verlängern. Wenn ferner optische Verfahren zur Detektierung eingesetzt werden, lässt sich die Sensoroberfläche zumindest teilweise auch als ein optisches Fenster einsetzen, wobei die zuvor beschriebenen Vorteile zusätzlich zu dem verbesserten Sensorverhalten erreicht werden.By providing the nanostructure, the surface is significantly increased as a sensor surface, so that a higher sensitivity is achieved. Furthermore, with volatile media, such as gases, the residence time near the sensor surface can be extended. Further, if optical methods of detection are used, the sensor surface can be used at least partially as an optical window, with the advantages described above being achieved in addition to the improved sensor behavior.
i5 Die Nanostruktur des Sensorbauelements ist in einer Ausführungsform aus einem isolierendem Material, etwa Siliziumdioxide oder dergleichen gebildet. In anderen Ausführungsformen weist das Sensorbauelement ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur auf. Auf diese Weise wird eine hohe mechanische Stabilität und auch ein Schutz vor Umgebungseinflüssen erreicht, 0 wobei die Porosität des Füllmaterials dennoch einen Kontakt der Oberfläche mit gewissen Substanzen ermöglicht.In one embodiment, the nanostructure of the sensor component is formed from an insulating material, such as silicon dioxides or the like. In other embodiments, the sensor device further comprises a porous planarization layer for embedding the nanostructure. In this way, a high mechanical stability and also a protection from environmental influences is achieved, 0 wherein the porosity of the filling material still allows contact of the surface with certain substances.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Beschichtungsstrukturzur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten bereit gestellt. Die 5 optische Beschichtungsstruktur umfasst eine Basisschicht und eine auf derIn another aspect of the invention, an optical coating structure for use in optical devices or optical devices is provided. The optical coating structure comprises a base layer and one on the
Basisschicht aufgebrachte Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen. Die Strukturelemente weisen einen Endbereich und einen Fußbereich auf, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und o wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.Base layer applied nanostructure with statistically distributed structural elements. The structural elements have an end region and a foot region, wherein the tip of the end region has a lateral extension of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extension of 50 nanometers or more, and o wherein an aspect ratio of the structural elements, ie, the height of the Structural elements and the lateral extent at the foot, the average is greater than 4.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsstruktur kann in einer Vielzahl von Bauelementen und Geräten eingesetzt werden, wobei sich das Absorptionsverhalten und/oder das 5 Emissionsverhalten deutlich verbessern lässt aufgrund der zuvor genanntenThe coating structure of the invention can be used in a variety of devices and devices, wherein the absorption behavior and / or the emission behavior can be significantly improved due to the aforementioned
Eigenschaften der in der Beschichtungsstruktur ausgebildeten Nanostruktur. Die optische Beschichtungsstruktur kann separat hergestellt werden, beispielsweise auf Siliziumflächen und kann dann mit geeigneten Trägermaterialien in der eigentlichen Anwendung installiert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Beschichtungsstruktur sind auch in den Ansprüchen 19 bis 26 umschrieben.Properties of the nanostructure formed in the coating structure. The optical coating structure can be manufactured separately, for example on silicon surfaces, and can then be installed with suitable carrier materials in the actual application. Further advantageous embodiments of the optical coating structure are also described in claims 19 to 26.
In einer weiteren Ausführungsform weist die optische Beschichtungsstruktur eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen auf, so dass das Absorptionsverhalten und/oder Emissionsverhalten der Nanostruktur unabhängig von dem Basismaterial der Strukturelemente der Nanostruktur eingestellt werden können. In einer Ausführungsform dient die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe. Somit kann durch die verbesserte Emission von Wärmestrahlung, die durch die Nanostruktur und die Metallschicht erreicht wird, beispielsweise die Kühlwirkung von Bauelementen deutlich verbessert werden, wodurch insgesamt geringe Bauvolumina ermöglicht werden.In a further embodiment, the optical coating structure has a conformal metal layer on the structural elements, so that the absorption behavior and / or emission behavior of the nanostructure can be adjusted independently of the base material of the structural elements of the nanostructure. In one embodiment, the metal layer of the targeted heat dissipation. Thus, the improved emission of heat radiation achieved by the nanostructure and the metal layer, for example, can be significantly improved, the cooling effect of components, which overall low construction volumes are made possible.
In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Gerät mit einer Auskleidung als breitbandigem optischen Absorber bereit gestellt, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur der zuvor beschriebenen Art umfasst.In another aspect, an optical device having a liner as a broadband optical absorber is provided, the liner comprising an optical coating structure of the type previously described.
In einem weiteren Aspekt wird ein digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche bereit gestellt, die eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.In a further aspect, there is provided a digital projector with digital light processing having an absorption surface comprising an optical coating structure in the manner previously described.
In einem weiteren Aspekt wird ein Gerät mit einer Einrichtung zur wellenlängenunabhängigen Umwandlung optischer Strahlung in Wärme bereit gestellt, wobei die Einrichtung zur Umwandlung optischer Strahlung in Wärme eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst,In a further aspect, there is provided apparatus comprising means for wavelength-independent conversion of optical radiation into heat, wherein the means for converting optical radiation to heat comprises an optical coating structure in the manner previously described,
In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster bereit gestellt, das eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst. In einer Ausführungsform ist das Austrittsfenster mit einer Leuchtdiode oder einem LASER gekoppelt ist.In another aspect, there is provided an optical element for emitting optical radiation having an exit window comprising an optical coating structure in the manner previously described. In one embodiment, the exit window is coupled to a light emitting diode or a LASER.
In einem weiteren Aspekt wird eine Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte bereit gestellt, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.In a further aspect, a reflection reference device is provided for determining low reflection values, wherein the device comprises an optical coating structure in the manner described above.
In den zuvor beschriebenen Aspekten wird die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Nanostruktur in unterschiedlichen Anwendungen vorteilhaft ausgenutzt, um das Leistungsverhalten vieler optischer Geräte zu verbessern. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein fotoelektronisches Bauelement mit einer im optisch aktiven Fensterbereich vorgesehenen reflexions- mindernden Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, kristalldefektarmen Siliziumnadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 bereit gestellt.In the aspects described above, the versatility of the nanostructure according to the invention in different applications is advantageously exploited in order to improve the performance of many optical devices. In a further aspect of the present invention, a photoelectronic component having a reflection-reducing layer provided in the optically active window region of statistically regularly distributed, crystal defect-poor silicon needles with a height of 400 to 1500 nm and an aspect ratio greater than 4: 1 is provided.
Auch in diesem Falle führen die Siliziumnadeln zu einem verbesserten Leistungsverhalten im Hinblick auf das Ein- und/oder Auskoppeln von Strahlung in einem weiten Wellenlängenbereich, wobei die geringe Menge an Kristalldefekten das elektronische Verhalten nicht nennenswert negativ beeinflusst. Mit einer Höhe von 400 nm lässt sich beispielsweise eine ausgezeichnete Entspiegelung für sichtbares Licht erreichen, wobei die Effizienz mit einer Vergrößerung der Höhe der Siliziumnadeln sogar noch gesteigert werden kann.Also in this case, the silicon needles lead to an improved performance with respect to the coupling and / or decoupling of radiation in a wide wavelength range, wherein the small amount of crystal defects does not affect the electronic behavior significantly negatively. With a height of 400 nm, for example, an excellent visible light reflection coating can be obtained, and the efficiency can be increased even more with an increase in the height of the silicon needles.
Vorteilhaft weisen die Siliziumnadeln eine Spitze auf, deren laterale Ausdehnung weniger als 10 nm beträgt. Die Spitze der Siliziumnadeln kann damit als "atomar spitz" bezeichnet werden. In Verbindung mit diesen geringen Abmessungen der Endbereiche der Siliziumnadeln kann der Fußbereich der Siliziumnadeln eine laterale Ausdehnung von 50 nm oder mehr aufweisen, wodurch einerseits eine vorteilhafteAdvantageously, the silicon needles have a tip whose lateral extent is less than 10 nm. The tip of the silicon needles can thus be called "atomic pointed". In conjunction with these small dimensions of the end regions of the silicon needles, the foot region of the silicon needles can have a lateral extent of 50 nm or more, which on the one hand results in an advantageous embodiment
"pyramidenähnliche Form" der Nadeln erzeugt wird und andererseits die lateralen Abmessungen am Fuße der Nadeln dennoch unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes bleiben. Die pyramidenähnlichen Nadeln stehen nicht zu dicht. Der Zwischenraum ist zumindest 50 nm breit. Auf diese Weise wird eine quasi- kontinuierliche Materialverteilung für den interessierenden Wellenlängenbereich erzeugt, so dass eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex entlang der Höhenrichtung der Siliziumnadeln erreicht wird. Damit findet für Strahlung: irrrsichtbaren Bereich und für Infrarotstrahlung, welche die Nanostruktur in der Höhenrichtung durchläuft, eine stetige Änderung des Brechungsindex statt, ohne dass wesentliche unstetige Grenzflächen angetroffen werden, die zu einer hohen Reflexion führen würden."pyramid-like shape" of the needles is generated and on the other hand, the lateral dimensions at the foot of the needles still remain below the wavelength of visible light. The pyramid-like needles are not too tight. The gap is at least 50 nm wide. In this way, a quasi-continuous material distribution is generated for the wavelength range of interest, so that a continuous change in the refractive index along the height direction of the silicon needles is achieved. Thus, for radiation: irrrorvisible area and for infrared radiation passing through the nanostructure in the height direction, there is a steady change in refractive index without encountering substantial discontinuous interfaces that would result in high reflectivity.
In einer Ausführungsform hat das fotoelektronische Bauelement eine Passivierungsschicht, die den aktiven Fensterbereich frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Siliziumnadeln bis zu einem Abstand zu der Grenze ausgebildet sind, der kleiner ist als die halbe Dicke der Passivierungsschicht.In one embodiment, the photoelectronic device has a passivation layer that exposes and forms a boundary with the active window region, the silicon needles being formed to a distance from the boundary that is less than half the thickness of the passivation layer.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Fenster bereitgestellt, das Silizium aufweist und eine breitbandige Transparenz im IR-Bereich besitzt, wobei beide Oberflächen des Fensters nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen (Anspruch 39).In another aspect of the invention, an optical window is provided that includes silicon and has broadband IR-to-IR transparency, both Surfaces of the window needle-like structures in nanodimensions with an aspect ratio greater than 4: 1 possess (claim 39).
Wie auch bereits zuvor im Zusammenhang mit der optischen Beschichtungsstruktur beschrieben ist, können die optischen Eigenschaften von Geräten und Bauelementen verbessert werden, die einen Strahlungsaustausch mit Infrarotstrahlung erfordern. Dabei sind sowohl Eintrittsfläche als auch Austrittsfläche des Fensters mit einer Nanostruktur versehen, die somit an zumindest einer, bevorzugt beiden Seiten zu einer quasi-kontinuierlichen Änderung des Brechungsindex in Ausbreitungsrichtung der Strahlung führen und damit Reflexionsverluste deutlich reduzieren. Bevorzugt ist die Vorderseite.As previously described in the context of the optical coating structure, the optical properties of devices and devices requiring radiation exchange with infrared radiation can be improved. In this case, both the entrance surface and the exit surface of the window are provided with a nanostructure, which thus lead to a quasi-continuous change in the refractive index in the propagation direction of the radiation on at least one, preferably both sides and thus significantly reduce reflection losses. The front side is preferred.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) vor mechanischer Einwirkung geschützt. Damit kann das optische Fenster in der Endphase der Herstellung sowie während der weiteren Verarbeitung, beispielsweise bei der Montage in einem Gerät oder einem Bauelement, wirksam vor mechanischen oder auch anderen Umgebungseinflüssen geschützt werden. Beispielsweise kann das Schutzmaterial Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufweisen, wodurch sich eine gute Verarbeitung mit günstigen optischen Eigenschaften, etwa geringer Brechungsindex, geringe Absorption, ergeben.In an advantageous embodiment, the needle-like structures with nanodimensions with a SOG layer (spin-on-glass) are protected from mechanical action. Thus, the optical window in the final phase of the production and during further processing, for example when mounted in a device or a component, effectively protected against mechanical or other environmental influences. For example, the protective material may have hydrogen silsesquioxane (HSQ), resulting in good processing with favorable optical properties, such as low refractive index, low absorption.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt, so das damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche verbleiben. Auf diese Weise lässt sich das optische Fenster in sehr flexibler Weise in vielen Anwendungssituationen einsetzen.In an advantageous embodiment, the needle-like structures with nanodimensions are limited to certain areas of the window by means of conventional masking technology, so that untreated, mechanically stable and easily sealable regions against air, liquids and vacuum remain. In this way, the optical window can be used in a very flexible manner in many application situations.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anpassung desIn a further aspect, the invention relates to a method for adapting the
Brechungsindex eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Nanostruktur im Oberflächenbereich des Fensters mittels eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Ätzung einer Siliziumbasisschicht, und das Einstellen eines Aspektverhältnisses von Strukturelementen der Nanostruktur, die in der Siliziumbasisschicht erzeugt werden, auf einen Wert von vier oder höher in Abhängigkeit eines Betriebswellenlängenbereichs des fotoelektrischen Bauelements. Durch die Anwendung eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Herstellung von Nanostrukturen, wie sie bereits auch zuvor beschrieben sind, wird ein hohes Maß an Kompatibilität zu vielen Fertigungsverfahren in der Halbleiterindustrie erreicht. Dabei kann durch Einstellung des Aspektverhältnisses durch geeignete Mittel, wie sie nachfolgend noch beschreiben werden, eine Anpassung der optischen Eigenschaften an die Anforderungen an das fotoelektronische Bauelement in effizienter Weise erreicht werden.Refractive index of an optically active window of a photoelectric device. The method includes forming a nanostructure in the surface area of the window by means of a self-assembled plasma etching process for etching a silicon base layer, and setting an aspect ratio of structural elements of the nanostructure generated in the silicon base layer to a value of four or higher depending on an operating wavelength range of the photoelectric component. The use of a self-assembled plasma etching process for the production of nanostructures, as already described above, achieves a high degree of compatibility with many manufacturing processes in the semiconductor industry. In this case, by adjusting the aspect ratio by suitable means, as will be described below, an adaptation of the optical properties to the requirements of the photoelectronic component can be achieved in an efficient manner.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturelemente (im vorigen Sinn) während des Plasmaätzprozesses durch Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff (O2) und Schwefelhexafluorid (SF6) ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen Prozessschritt erzeugt, wobei die Siliziumbasisschicht während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von im Wesentlichen 27°C, insbesondere auch im Umfangsbereich ± 5 Grad Celsius gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 bis 300 Watt gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken eingestellt werden und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumbasisschicht eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF6 bei 50 bis 150 sccm und für O2 bei 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.In an advantageous embodiment, during the plasma etching process, the needle-like structural elements are produced by using the working gases oxygen (O 2) and sulfur hexafluoride (SF 6 ) without the use of additional means for targeted mask formation in a single process step, the silicon base layer being deposited during the process maintained at a constant temperature in the range of substantially 27 ° C, in particular in the peripheral region ± 5 degrees Celsius and is operated with a plasma power in the range of about 100 to 300 watts, with higher plasma powers are set at higher process pressures and the ratio of working gas flows in Depending on the geometric system parameters is set so that the oxygen in the reaction point on the silicon base layer shows a self-masking effect, which in the gas flow for SF 6 at 50 to 150 sccm and for O2 at 20 to 200 sccm to achieve is and the process time is only a few minutes.
Mit dieser Ausführungsform können nadelartige Strukturelemente in der Nanostruktur (im vorigen Sinn) mit großem Aspektverhältnis und mit Nano-Dimensionen auf Siliziumoberflächen hergestellt werden, wobei der Aufwand für die Maskierung vermieden oder reduziert und ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf Kristallbaufehler und chemische Oberflächenverunreinigungen im Vergleich zu konventionellen Verfahren sowie ein hohes Maß an Kompatibilität mit weiteren Herstellungsprozessen erreicht wird. Dazu wird eine reaktive Plasmaatmosphäre mit höchstens zwei unterschiedlichen Gaskomponenten, d.h., mit Sauerstoff und einem reaktiven SFε-Gas zur Ätzung von Silizium durch Einstellen von Prozessparametern erzeugt, die eine selbstmaskierende Wirkung zur Erzeugung einer Nanostruktur entfalten. Der Ätzvorgang findet dabei ohne weitere Arbeitsgase statt und wird als ein einstufiger Prozess ausgeführt, d.h., nach Erzeugung der Plasmaatmosphäre wird die Siliziumoberfläche der Einwirkung des Ätzplasmas ausgesetzt, ohne dass noch weitere Verfahrensschritte stattfinden. Insbesondere werden keine weiteren Maßnahmen getroffen, um eine gezielte Mikromaskierung der Siliziumoberfläche zu erreichen. Ferner wird das Aspektverhältnis der in der Plasmaatmosphäre entstehenden nadelartigen Strukturen auf einen Wert von 4 oder größer durch Steuern der Prozesszeit eingestellt.With this embodiment, needle-like structural elements in the nanostructure (in the above sense) with high aspect ratio and nano-dimensions on silicon surfaces can be produced, avoiding or reducing the masking effort and improved behavior with regard to crystal defects and surface chemical contaminants conventional methods and a high degree of compatibility with other manufacturing processes is achieved. For this purpose, a reactive plasma atmosphere with at most two different gas components, ie, with oxygen and a reactive SFε gas for the etching of silicon is generated by setting process parameters which develop a self-masking effect for producing a nanostructure. The etching takes place here without further working gases and is carried out as a one-step process, ie, after generation of the plasma atmosphere, the silicon surface is exposed to the action of Ätzplasmas without further process steps take place. In particular, no further measures are taken to achieve a targeted micro-masking of the silicon surface. Furthermore, the aspect ratio of the resulting in the plasma atmosphere Needle-like structures set to a value of 4 or greater by controlling the process time.
Somit kann erfindungsgemäß auf eine Maskierung der Si-Oberfläche, sei es durch Fotolack oder andere Stoffe wie Aluminium, Gold, Titan, Polymere, Wasser, oder etwaige Oberflächenverunreinigungen etc. verzichtet wird. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten nadelartigen Strukturen weisen eine für optische Anwendungszwecke im Bereich des sichtbaren Lichts und auch im Infrarotbereich geeignete Form auf, wobei die durch die selbstorganisierte Maskierung der Ätzung eine Form der nadelartigen Strukturen gebildet wird, welche zusätzlich zu dem Aspektverhältnis von größer 4 auch einen "pyramidenähnlichen" Abschnitt aufweist, wobei ein sehr spitz zulaufendes Nadelende entsteht, dagegen am Fuße der "nadelartigen Struktur" ein relative flach auslaufender Bereich erzeugt wird.Thus, according to the invention, masking of the Si surface, whether by photoresist or other substances such as aluminum, gold, titanium, polymers, water, or any surface contaminants, etc., is dispensed with. The needle-like structures produced by the method according to the invention have a form suitable for optical applications in the visible light and also in the infrared range, wherein the form of the needle-like structures formed by the self-organized masking of the etching, which in addition to the aspect ratio of greater than 4 also has a "pyramid-like" section, wherein a very tapered needle end is formed, however, at the foot of the "needle-like structure" a relatively flat leaking area is generated.
Insgesamt konnte für die entstehende Nanostruktur bei einer mittleren Länge oder Höhe der Strukturen von etwa 400 nm bereits ein sehr günstiges Entspiegelungsverhalten im sichtbaren Bereich und auch bis 3000 nm oder mehr nachgewiesen werden. Ohne die Erfindung durch die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, deuten Untersuchungen der Erfinder darauf hin, dass die effiziente selbstorganisierte Maskierung (Selbstmaskierung) durch den Ätzprozess selbst und nicht durch bereits vorhandene oder speziell hinzugefügte Stoffe erreicht wird. Entsprechende Untersuchungen auf Grundlage der Augerelektronen- Spektroskopie (AES) und der Energiedispersion-Röntgenspektroskopie (EDX) zeigen an, dass die maskierende Wirkung durch SiOx hervorgerufen wird, so dass eine hohe Abschirmwirkung durch das lokal gebildete Siliziumoxid erreicht wird. Dies führt insgesamt zu einem moderat geringen Siliziumverbrauch während der Erzeugung der nadelartigen Strukturen bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis, so dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft und effizient in der Halbleiterfertigung mit einem hohen Maße an Prozesskompatibilität eingesetzt werden kann.Overall, a very favorable antireflection behavior in the visible range and also up to 3000 nm or more could already be detected for the resulting nanostructure with an average length or height of the structures of about 400 nm. Without intending to limit the invention by the following discussion, investigations by the inventors indicate that efficient self-organized masking (self-masking) is achieved by the etching process itself rather than by pre-existing or specially added materials. Corresponding investigations on the basis of Auger electron spectroscopy (AES) and energy dispersion X-ray spectroscopy (EDX) indicate that the masking effect is caused by SiO x , so that a high shielding effect is achieved by the locally formed silicon oxide. Overall, this leads to a moderately low silicon consumption during the production of the needle-like structures with a simultaneously high aspect ratio, so that the method according to the invention can advantageously and efficiently be used in semiconductor production with a high degree of process compatibility.
Es werden keine Defekte zur gezielten Maskenformation ausgenutzt. An die Stelle der gezielten Maskierung vor einem Ätzprozess tritt somit die zuvor beschriebene selbstorganisierte, durch die speziellen Prozessbedingungen hervorgerufene Maskierung während des Ätzprozesses. Durch die Kombination der Selbstmaskierung mit der Ätzung während des RIE-Prozesses wird somit die Erzeugung von selbstorganisierten Pyramidenstrukturen im Nanometerbereich durch das Plasma ermöglicht. Es ist dadurch möglich, eine glatte Siliziumoberfläche in eine statistisch gesehen regelmäßige, quasi geordnete Nadelstruktur im Nanometerbereich, d.h. mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, beispielsweise des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts umzuwandeln.No defects for targeted mask formation are exploited. In place of the targeted masking before an etching process thus occurs the previously described self-organized, caused by the special process conditions masking during the etching process. The combination of the self-masking with the etching during the RIE process thus enables the generation of self-organized pyramid structures in the nanometer range by the plasma. It is thus possible, a smooth silicon surface in a statistically regular, quasi-ordered needle structure in the nanometer range, ie with lateral dimensions in the range below the usual wavelengths of light, for example, to convert the wavelength range of visible light.
Ferner gelingt es durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem einzelnen Ätzschritt sowohl die Anzahl der Kontaminationsdefekte, die beispielsweise durchFurthermore, it is possible by the inventive method in a single etching step, both the number of contamination defects, for example, by
Ätznebenprodukte üblicherweise verursacht werden, sowie Kristallschäden, die in konventionellen plasmagestützten Verfahren anzutreffen sind, deutlich zu reduzieren oder im Rahmen der Messgenauigkeit im wesentlichen zu vermeiden. So ließen sich weder mit RHEED, CV-Messungen, TEM oder PDS, derartige Defekte nachweisen. Auch eine einfache Photodiode, deren Oberfläche mit diesem Prozess bearbeitet wurde, wies keine Besonderheiten, die auf erhöhte Defektdichten hinweisen, auf. Somit kann die hergestellte Nanostruktur durch einen einzelnen Plasmaätzschritt in einer Qualität bereit gestellt werden, die keine weiteren Materialabtragungen erfordert.Etch by-products are usually caused, as well as crystal damage, which are found in conventional plasma-assisted processes, significantly reduce or substantially avoid within the measurement accuracy. Thus neither RHEED, CV measurements, TEM or PDS could detect such defects. Even a simple photodiode whose surface was processed by this process showed no peculiarities indicating increased defect densities. Thus, the nanostructure produced can be provided by a single plasma etching step in a quality that does not require further material removal.
Die mit dem Verfahren erzeugten Strukturen zeigen keine Randabschattung an hohen Kanten. Es ist damit beispielsweise möglich, wenige μm (Mikrometer) große Flächen zu strukturieren, auch wenn die Fläche durch eine 5μm hohe Struktur eingefasst wird.The structures produced by the method show no edge shading at high edges. It is thus possible, for example, to structure surfaces of a few μm (microns), even if the surface is surrounded by a 5 μm high structure.
Die Strukturierung des Siliziums erfolgt durch das Plasma im RIE-Prozess. Diese Strukturelemente werden durch den Ätzprozess stark vertieft, wodurch sich im Ergebnis die Strukturen im Nanometerbereich mit enormen Aspektverhältnissen ergeben.The structuring of the silicon is done by the plasma in the RIE process. These structural elements are greatly deepened by the etching process, resulting in the structures in the nanometer range with enormous aspect ratios.
Bei Verwendung des Arbeitsgases bestehend aus SFε und O2 ergeben sich die nadelartigen Strukturen mit geringer Defektrate, also geringer Kristallfehlerdichte und geringer Oberflächenkontamination, unabhängig von der kristallographischenWhen using the working gas consisting of SFε and O2, the needle-like structures with low defect rate, so low crystal defect density and low surface contamination, regardless of the crystallographic
Orientierung der Siliziumbasisoberfläche, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität zur Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechende Herstellungsprozesse für Silizium enthaltende Bauelemente bereitgestellt wird.Orientation of the silicon base surface, whereby a high degree of flexibility for the integration of the method according to the invention is provided in corresponding manufacturing processes for silicon-containing components.
In anderen Ausführungsformen wird eine andere Arbeitsgaskombination mit O2 als Bestandteil verwendet. Beispielsweise können Kohlenstofffluoride (CnFm mit n beispielsweise 1 , 2 oder 4, und mit m beispielsweise 2, 4 oder 8) in Verbindung mit Sauerstoff als die zweite Gaskomponente eingesetzt werden. SFε oder die anderen zuvor genannten reaktiven Gase sind dabei jeweils neben Sauerstoff die zweite der beiden Gaskomponenten und in diesem Fall das eigentliche Ätzgas, wohingegen O2 die Ätzrate erhöht und die Selbstmaskierung (Passivierung) bewirkt. Auch stellt es eine große Selektivität zu SiO2 im Ätzverhalten her, so das eine effiziente Begrenzung der zu strukturierenden Siliziumoberfläche mittels einer entsprechenden Maskenschicht möglich ist. Die Temperatur der Siliziumbasisschicht und das Verhältnis der Arbeitsgase am Reaktionspunkt auf der Si-Oberfläche werden geeignet eingestellt. Somit kann eine effiziente Einstellung der weiteren Prozessparameter, etwa der spezifizierten Durchflussraten erfolgen, da die Temperatur, die typischerweise einen "sensiblen" Parameter repräsentiert, in sehr genauer Weise vorgegeben ist.In other embodiments, another working gas combination with O 2 is used as a component. For example, carbon fluorides (C n F m with n for example 1, 2 or 4, and with m for example 2, 4 or 8) can be used in combination with oxygen as the second gas component. SFε or the other aforementioned reactive gases are in each case next to oxygen, the second of the two gas components and in this case the actual etching gas, whereas O2 increases the etching rate and causes the self-masking (passivation). It also produces a high selectivity to SiO 2 in the etching behavior, so that an efficient limitation of the silicon surface to be structured by means of a corresponding mask layer is possible. The temperature of the silicon base layer and the ratio of the working gases at the reaction point on the Si surface are appropriately set. Thus, an efficient adjustment of the further process parameters, such as the specified flow rates can take place, since the temperature, which typically represents a "sensitive" parameter, is specified in a very precise manner.
Auch der Prozessdruck und die Plasmaleistung werden geeignet aufeinander abgestimmt, um das gewünschte Aspektverhältnis bei gleichzeitig reduzierter Kontaminationsrate und geringer Kristallfehlerdichte zu erhalten.The process pressure and the plasma power are also suitably matched to one another in order to obtain the desired aspect ratio with simultaneously reduced contamination rate and low crystal defect density.
Insbesondere wird unter Beibehaltung der Sauerstoffkomponente in der angegebenen Weise das Verhältnis der Arbeitsgase so eingestellt, dass Ätzabtrag und Selbstmaskierung sich die Waage halten. Dadurch wird sowohl die Strukturierung im umschriebenen Sinn, als auch "Defektfreiheit" erreicht.In particular, while maintaining the oxygen component in the manner indicated, the ratio of the working gases is adjusted so that etching removal and self-masking balance each other. As a result, both the structuring in the intended sense, as well as "defect-free" achieved.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können die absoluten Parameterwerte effizient dem Anteil der offenen Siliziumoberfläche angepasst werden. Wenn die Si-Oberfläche zu einem hohen Flächenanteil von einer Maskenschicht, beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, bedeckt ist, kann dies durch eine Erhöhung des reaktiven Gasanteils, beispielsweise des SF6 Anteils, ausgeglichen werden, insbesondere auch bei einer Erhöhung des SF6 Anteils, gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoffanteils und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdruckes.In the method according to the invention, the absolute parameter values can be adapted efficiently to the proportion of the open silicon surface. If the Si surface is covered to a high surface area by a mask layer, for example oxide or silicon nitride, this can be compensated for by increasing the reactive gas content, for example the SF 6 content, in particular also with an increase in the SF 6 content, at the same time Reduction of the oxygen content and simultaneous increase of the process pressure.
Es ist durch den zuvor beschriebenen Prozess möglich, in kurzer Zeit mit Hilfe einer einfachen RIE-Anlage mit Parallel-Plattenreaktor Nanometerstrukturen mit hohen, veränderbaren Aspektverhältnissen herzustellen. Dies ist großflächig sowie mit gezielter Anpassung der Prozessparameter auch in kleinsten Bereichen möglich, so dass einzelne Bauelemente, etwa Sensorbereiche, optische aktive Bereiche von optoelektronischen Bauelementen, und dergleichen gezielt mit einer entsprechenden Nanostruktur versehen werden können, ohne dass andere Bauteilgebiete nachteilig beeinflusst werden. Nicht zu strukturierende Bereiche können einfach, z.B. durch eine Oxidmaske, geschützt werden. Ferner kann aufgrund der geringen Kontaminationsrate und der geringen Kristallfehlerdichte eine unmittelbare Weiterverarbeitung nach der Herstellung der Nanostruktur erfolgen, ohne dass aufwendige Vorbereitungs- und/oder Nachbearbeitungsprozesse erforderlich sind.It is possible by the process described above to produce nanometer structures with high, variable aspect ratios in a short time using a simple RIE system with parallel plate reactor. This is possible over a large area as well as with targeted adaptation of the process parameters even in the smallest areas, so that individual components, such as sensor areas, optically active areas of optoelectronic components, and the like can be specifically provided with a corresponding nanostructure, without adversely affecting other component areas. Unstructured areas may be simply, e.g. protected by an oxide mask. Furthermore, due to the low contamination rate and the low crystal defect density, an immediate further processing after the production of the nanostructure can take place without requiring complicated preparation and / or post-processing processes.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Schutzschicht für die Nanostruktur mit einer im wesentlichen planen Oberfläche gebildet. Dazu können geeignete Abscheideverfahren angewendet werden, die an sich eine äußerst nicht-konforme Materialabscheidung ermöglichen, etwa das Aufschleudern von Materialien mit geringer Viskosität. Andere Verfahren beinhalten das Aufbringen eines geeigneten Materials mit eine passenden Abscheidetechnik mit anschließender Einebnung unter Abtragung überschüssigen Materials durch CMP (chemisch mechanisches Polieren).In a further embodiment, a protective layer is formed for the nanostructure with a substantially planar surface. This can be appropriate Separation methods are used, which in itself allow a highly non-compliant material deposition, such as the spin-coating of low viscosity materials. Other methods include applying a suitable material with a suitable deposition technique followed by leveling with removal of excess material by CMP (chemical mechanical polishing).
In einer weiteren Ausführungsform wird in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Nanostruktur angepasstes Spin-On-Glas (SOG) aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert (ausgeheizt), bis die plane Oberfläche ausgebildet ist (Anspruch 53). Somit können effiziente nichtkonforme Abscheideverfahren zum Aufbringen von Material mit geringer Viskosität angewendet werden, wobei die anschließende Aushärtung schichtweise stattfindet, so das die gewünschte endgültige Dicke des ausgehärteten Materials in präziser Weise eingestellt werden kann. Z.B. können SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufgebracht werden.In a further embodiment, a spin-on-glass (SOG) adapted in its properties to the requirements of the nanostructure to be passivated is applied in several steps and annealed (baked) after each application until the planar surface is formed (claim 53). Thus, efficient non-compliant deposition techniques can be used to apply low viscosity material, with subsequent curing occurring in layers, so that the desired final thickness of the cured material can be precisely adjusted. For example, For example, SOG layers of hydrogen silsesquioxane (HSQ) can be applied.
In einer weiteren Ausführungsform (Anspruch 48 oder Anspruch 65) wird eine zusätzliche Schicht vor dem Plasmaätzprozess aufgetragen, die als Pufferschicht ein gegenüber der Siliziumbasisschicht bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich eine selbstorganisierte Struktur mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis ausbildet, die im Verlauf des Prozesses verringert wird.In a further embodiment (claim 48 or claim 65), an additional layer is applied before the plasma etching process, which as a buffer layer has a relation to the silicon base layer with the same process parameters modified etching behavior that forms a self-organized structure with only a relatively low aspect ratio, which in course of the process is reduced.
Damit wird zu einer Verringerung des Siliziumverbrauchs bei der Erzeugung von selbstorganisierten Nanostrukturen im Gebiet der Fensteröffnungen von integrierten Schaltkreisen mit optoelektronischen Komponenten und von diskreten optoelektronischen Bauelementen beigetragen. Besonders zu Beginn des Ätzprozesses erfolgt die Strukturbildung noch recht langsam, dennoch wird auch während dieser Zeit Silizium abgetragen. Erst danach beschleunigt sich das Ausbilden der Nadeln mit entsprechend großem Aspektverhältnis. Der Materialverlust in dieser ersten Ätzphase kann nachteilige Wirkungen haben, wenn es sich beispielsweise um dotierte Gebiete handelt, bei denen die Dotierung mit einem Gradienten von der Oberfläche aus abfällt. Für eine nur vernachlässigbar geringe Beeinflussung der Bauelementedaten sollte dieser Materialabtrag so gering wie möglich ausfallen. Durch Vorsehen der Pufferschicht kann somit zunächst ein Materialabtrag des Siliziums verhindert werden, wobei sich dennoch eine gewisse maskierende Nanostruktur in der Pufferschicht ausbilden kann, die zunehmend - unter Beibehaltung einer gewünschten Ungleichförmigkeit - dann auch zu einem lokal unterschiedlichen Ätzverhalten im Silizium führt, wobei der unerwünschte anfängliche Materialverlust im Silizium gering bleibt.This contributes to a reduction of silicon consumption in the generation of self-assembled nanostructures in the field of window openings of integrated circuits with optoelectronic components and of discrete optoelectronic components. Especially at the beginning of the etching process, the structure formation is still quite slow, but even during this time silicon is removed. Only then accelerates the formation of the needles with a correspondingly large aspect ratio. The loss of material in this first etching phase can have detrimental effects, for example, when it comes to doped regions in which the doping drops with a gradient from the surface. For a negligible influence on the device data, this material removal should be as low as possible. By providing the buffer layer, material removal of the silicon can thus be initially prevented, although a certain masking nanostructure can nevertheless be formed in the buffer layer, which then, while maintaining a desired nonuniformity, then also leads to a locally different etching behavior in the buffer layer Silicon leads, with the unwanted initial loss of material in the silicon remains low.
Beispielsweise wird der Ätzabtrag einer dotierten Oberflächenschicht des Gebietes im Fenster einer optisch aktiven Komponenten verringert und darüber hinaus kann das Aspektverhältnis einfach variiert werden. Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht definierter Dicke mit einem anderen Ätzverhalten als das des Siliziums, lässt sich der verlustig gehende Ätzabtrag verringern. Da die Strukturerzeugung im Ätzschritt auf dem Plasma beruht und damit eine physikalische Komponente des Ätzschrittes für die Erzeugung verantwortlich ist, wirkt diese auch in anderen Materialien wie z.B. SiO2. Da die plasmagenerierten Strukturen im SiO2 nur eine sehr geringe Höhe aufweisen, entstehen in ihr keine Nanostrukturen mit großem Aspektverhältnis. Es gibt dort keinen Selbstmaskierungseffekt durch eine andere chemische Komponente. Somit wird die Oxidschicht annähernd gleichmäßig abgetragen, erhält aber auf der Oberfläche dennoch eine plasmagenerierte Nanostruktur sehr geringer Höhe. Die Ätzrate für SiO2 ist beim genannten RIE- Ätzprozess sehr viel geringer als die für Silizium. Kurz bevor die Siθ2-Schicht vollständig abgetragen ist, kommt es durch diese löchrig gewordene Nanostruktur und die unterschiedliche Ätzrate zu einem schnellen oder sofortigen Ausbildung der großen Aspektverhältnisse im Silizium. Die Oxidschicht wird an den Stellen der geringsten Dicken zuerst abgetragen, dort setzt nun der Ätzprozess mit einer viel größeren Ätzrate an und bildet ein Loch im Silizium.For example, the etching removal of a doped surface layer of the region in the window of an optically active component is reduced, and moreover, the aspect ratio can be easily varied. By applying an additional layer of defined thickness with a different etching behavior than that of silicon, the loss of etched etching can be reduced. Since the structure generation in the etching step is based on the plasma and thus a physical component of the etching step is responsible for the production, this also acts in other materials such as SiO 2 . Since the plasma-generated structures in the SiO 2 have only a very small height, no nanostructures with a high aspect ratio are formed in it. There is no self-masking effect by another chemical component. Thus, the oxide layer is approximately evenly removed, but still receives a plasma-based nanostructure of very low height on the surface. The etching rate for SiO 2 is much lower than that for silicon in the aforementioned RIE etching process. Shortly before the SiO 2 layer has been completely removed, this holey nanostructure and the different etching rate result in rapid or immediate formation of the large aspect ratios in the silicon. The oxide layer is first removed at the locations of the smallest thicknesses, where the etching process begins at a much greater etching rate and forms a hole in the silicon.
Bei Bedarf ist nach einiger Zeit die gesamte Oxidschicht abgetragen, es hat sich aber dann bereits eine Nanostruktur mit einem beachtlichen Aspektverhältnis im Silizium ausgebildet, wobei die Spitzen der Nanostrukturen noch nahezu auf dem Niveau der ehemaligen SiO2/Si-Grenzfläche liegen.If necessary, the entire oxide layer is removed after some time, but it has then already formed a nanostructure with a considerable aspect ratio in the silicon, the tips of the nanostructures are still close to the level of the former SiO2 / Si interface.
Die Prozesszeit des Ätzschrittes und die Dicke und Art der Pufferschicht können aneinander optimal angepasst werden. Der Ätzschritt kann genau so lange andauern bis die Pufferschicht vollständig entfernt wurde. Jedoch auch nicht länger, da ansonsten mehr als nötig vom Material abgetragen wird.The process time of the etching step and the thickness and type of the buffer layer can be optimally adapted to each other. The etching step can last just as long until the buffer layer has been completely removed. But no longer, because otherwise more than necessary from the material is removed.
Durch die Art des Pufferschichtmaterials und durch die Dicke der Pufferschicht kann die selbstorganisierte Nanostruktur im Aspektverhältnis und in ihrer Lage im Abstand unterhalb der Ausgangsoberfläche beeinflusst werden, da die Strukturerzeugung durch das Plasma abhängig vom verwendeten Material ist und je nach Ätzrate die Pufferschicht mehr oder weniger lange als zusätzliche Ätzmaske dient. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Aspektverhältnis der Strukturelemente der Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt. Damit lassen sich die optischen Eigenschaften der Nanostruktur in sehr effizienter Weise durch einen sehr präzise einstellbaren Prozessparameter, d.h., die Schichtdicke der Pufferschicht, einstellen, so dass sich ein größeres Maß an Flexibilität bei der Auswahl der Ätzparameter erreichen lässt.Due to the nature of the buffer layer material and the thickness of the buffer layer, the self-assembled nanostructure can be influenced in the aspect ratio and in its position at a distance below the starting surface, since the structure formation by the plasma is dependent on the material used and, depending on the etching rate, the buffer layer more or less long serves as an additional etching mask. In an advantageous embodiment, the aspect ratio of the structural elements of the nanostructure is adjusted via the thickness of the buffer layer. Thus, the optical properties of the nanostructure can be adjusted in a very efficient manner by a very precisely adjustable process parameter, ie, the layer thickness of the buffer layer, so that a greater degree of flexibility can be achieved in the selection of the etching parameters.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Pufferschicht eine Siθ2-Schicht, die in einer Ausführungsform eine Dicke von 20nm bis 100nm hat. In anderen Ausführungsformen können andere Materialien eingesetzt werden, die eineIn a further advantageous embodiment, the buffer layer is a SiO 2 layer, which in one embodiment has a thickness of 20 nm to 100 nm. In other embodiments, other materials may be used which include a
Verzögerung des Materialabtrags in der eigentlichen Siliziumbasisschicht bewirken. Wenn z.B. ein hohes Maß an Kompatibilität der Pufferschicht und der Siliziumbasisschicht gewünscht ist, kann eine zusätzliche Siliziumschicht auf der Basisschicht aufgebracht werden und als Pufferschicht dienen. Auch andere Materialien, etwa SiN, können verwendet werden.To cause delay of material removal in the actual silicon base layer. If e.g. a high level of compatibility of the buffer layer and the silicon base layer is desired, an additional silicon layer may be deposited on the base layer and serve as a buffer layer. Other materials, such as SiN, can also be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen, so dass die sich ergebenden Strukturelemente an ihrer Spitze Material der Pufferschicht aufweisen können, was zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit der Strukturelemente führen kann. In anderen Fällen wird die Pufferschicht imIn an advantageous embodiment, the buffer layer is not completely removed, so that the resulting structural elements can have material of the buffer layer at their tip, which can lead to an improved resistance of the structural elements. In other cases, the buffer layer is in the
Wesentlichen vollständig abgetragen, so dass Siliziumstrukturelemente übrig bleiben, deren Höhe im Wesentlichen der Anfangshöhe der Siliziumbasisschicht entspricht.Substantially completely removed, so that silicon structural elements remain, the height of which substantially corresponds to the initial height of the silicon base layer.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die nadeiförmigen Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis aufweist undIn another aspect of the invention, there is provided a method of protecting a layer having high aspect ratio acicular structural elements, and
Bestandteil eines chemischen Sensors ist, bereit gestellt, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist.Part of a chemical sensor is provided, wherein in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated gas-permeable porous spin-on glass is applied in several steps and annealed after each application until a smooth surface is formed.
Damit kann die Nanostruktur effizient auch in Sensoranwendungen eingesetzt werden, da einerseits eine hohe Schutzwirkung erreicht wird und andererseits der Kontakt mit Gasen weiterhin möglich ist.Thus, the nanostructure can also be used efficiently in sensor applications, since on the one hand a high protective effect is achieved and on the other hand the contact with gases is still possible.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird. Auf diese Weise wird während der Endbearbeitung der Nanostruktur ein ausgeprägter Schutz erreicht, der somit ein hohes Maß an Flexibilität im Fertigungsprozess gewährleistet, wobei die nicht poröse Deckschicht ohne großen Aufwand vor der letzten Maskierung und damit Strukturierung entfernt werden kann.In an advantageous embodiment, in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed again in the last mask process. In this way, a pronounced protection is achieved during the finishing of the nanostructure, which thus ensures a high degree of flexibility in the manufacturing process, whereby the non-porous covering layer can be removed without much effort before the last masking and thus structuring.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nanostruktur mit den nadeiförmigen Strukturelementen sind in den Unteransprüchen 56 und 57 beschrieben.Further advantageous embodiments of the nanostructure with the needle-shaped structural elements are described in subclaims 56 and 57.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Spin-On-Glas flüssigkeitsdurchlässig, so dass sich ein breites Feld an Anwendungen des Sensorelements ergibt.In another embodiment, the spin-on glass is liquid pervious, resulting in a broad array of sensor element applications.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, bereit gestellt. Das Verfahren umfasst das lokale Freilegen eines Bereichs der Oberfläche, Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-In another aspect of the invention, a method of passivating the surface of a semiconductor device comprising silicon is provided. The method comprises exposing a portion of the surface locally, forming primary acicular structures having high aspect ratios in nanodots.
Dimensionen mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der Lichtwellenlängen sichtbaren Lichts mittels eines reaktiven lonen-Ätzprozesses und das Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs, um sekundäre, ebenfalls nadelartige Strukturen zu erzeugen.Dimensions with lateral dimensions in the range below the wavelengths of visible light by means of a reactive ion etching process and modifying the area provided with the primary needle-shaped structures to produce secondary, also needle-like structures.
Durch die Modifizierung der nadeiförmigen Strukturen nach deren Herstellung auf der Grundlage von Silizium können effiziente selbstorganisierte Plasmaätzverfahren, wie sie beispielsweise zuvor beschreiben sind, eingesetzt werden, wobei dann gewünschte Materialeigenschaften der nadeiförmigen Strukturen dann durch den Modifizierungsprozess eingestellt werden. Damit können mittels eines Ätzrezepts dennoch eine Vielzahl unterschiedlicher Nanostrukturen hergestellt werden. In einer Variante können damit die nadelartigen Strukturen mit einer isolierenden Oberfläche versehen werden.By modifying the acicular structures after their fabrication based on silicon, efficient self-assembled plasma etching processes, such as those described above, can be used, in which case desired material properties of the acicular structures are then adjusted by the modification process. Nevertheless, a variety of different nanostructures can be produced by means of an etching recipe. In one variant, the needle-like structures can thus be provided with an insulating surface.
In einer Ausführungsform wird eine Siliziumschicht abgeschieden, um die Oberfläche bereit zu stellen. Auf diese Weise kann ein beliebiges Trägermaterial verwendet werden, ohne im Wesentlichen der eigentlichen Prozess der Strukturierung zu beeinflussen, wobei die gewünschten Materialeigenschaften dann noch weiter durch die Modifizierung angepasst werden können.In one embodiment, a silicon layer is deposited to provide the surface. In this way, any carrier material can be used without substantially affecting the actual process of structuring, wherein the desired material properties can then be further adapted by the modification.
In einer Ausführungsform umfasst Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs ein thermisches Oxidieren. In einer weiteren Ausführungsform umfasst Modifizieren des Bereichs Nitrieren des Bereichs. In anderen Fällen können Dotiermittel und/oder andere Halbleitersorten aufgebracht werden, etwa Germanium und dergleichen.In one embodiment, modifying the region provided with the primary acicular structures includes thermal oxidation. In another embodiment, modifying the region comprises nitriding the region. In other cases, dopants and / or other types of semiconductors may be applied, such as germanium and the like.
In einer Ausführungsform wird das Silizium in den primären nadelartigen Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt.In one embodiment, the silicon in the primary needle-like structures is substantially completely converted to silicon dioxide.
In einer weiteren Ausführungsform werden die primären nadelartigen Strukturen durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6 in einem einzigen Prozessschritt ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Silizium enthaltenden Oberfläche eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt. Somit können durch einen äußerst effizienten Ätzprozess die primären Strukturen gebildet werden, die dann aufgrund der Defektarmut und der geringen Oberflächenkontamination ohne großen Aufwand der gewünschten Modifizierung unterzogen werden können. In a further embodiment, the primary needle-like structures are made by reactive ion etching (RIE) using the working gases oxygen and SF 6 in a single process step without using additional means for targeted mask formation in the structuring process only by adjusting the process parameters so that the oxygen produces a self-masking effect on the silicon-containing surface at the reaction point and self-assembly of the needle-like structures takes place. Thus, by a highly efficient etching process, the primary structures can be formed, which can then be subjected to the desired modification due to the low defect and the low surface contamination without much effort.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im folgenden werden weiter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Figuren beschreiben, in denen:Embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1a eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer RIE- geätzten Siliziumoberfläche im Schnitt in einem Bereich, der teilweise durch eine Oxidschicht abgedeckt ist,1a is an electron micrograph of a RIE etched silicon surface in section in a region which is partially covered by an oxide layer,
Fig. 1 b eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind,1 b is an electron micrograph with obliquely incident electron beam from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the spaces between the needles are visible,
Fig. 1c eine elektronenmikroskopische Aufnahme inFig. 1c is an electron micrograph in
Durchstrahlung mit hoher Auflösung von der Spitze einer Silizium-Nadel, Fig. 1d ist senkrecht ausgerichtet,High-resolution radiation from the tip of a silicon needle, Fig. 1d is oriented vertically,
Fig. 2a eine konventionelle Fotodioden-Entspiegelung in schematischer Schnittdarstellung,2a shows a conventional photodiode antireflection in a schematic sectional view,
Fig. 2b eine erfindungsgemäß entspiegelte Fotodiode in schematischer Schnittdarstellung,2b is a photodiode according to the invention coated in a schematic sectional view,
Fig. 2c ein Diagramm der Reflexionen an auf verschiedene Weise entspiegelten Siliziumoberflächen,2c shows a diagram of the reflections on silicon surfaces which are coated in different ways,
Fig. 2d die transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen Si- Spitze der RIE-behandelten Oberfläche,2d shows the transmission electron micrograph of a single Si tip of the RIE-treated surface,
Fig. 2e das Diagramm der spektralen Empfindlichkeiten von gleich aufgebauten Dioden mit unterschiedlichen Passivierungsschichten,2e the diagram of the spectral sensitivities of identically constructed diodes with different passivation layers,
Fig. 3a einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode ohne Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung,3a shows a vertical section through a photodiode without protective layer on the nanostructure in a schematic representation,
Fig. 3b einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode mit Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung, Fig. 3c ein Diagramm mit den Werten der Reflexion vor und nach dem Aufbringen der SOG-Schutzschicht auf eine Silizium-Nanostruktur,3b is a vertical section through a photodiode with protective layer on the nanostructure in a schematic representation, FIG. 3 c shows a diagram with the values of the reflection before and after the application of the SOG protective layer to a silicon nanostructure, FIG.
Fig. 4a eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche ohne Pufferschicht mit erhöhtem Siliziumverbrauch,4a shows a sequence of steps of the RIE etching of the Si surface without a buffer layer with increased silicon consumption,
Fig. 4b eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche mit Pufferschicht mit minimalem Si-Verbrauch,4b shows a sequence of steps of the RIE etching of the Si surface with buffer layer with minimal Si consumption,
Fig. 5 einen Ablauf einer Modifizierung einer Siliziumnanostruktur zu einer Siθ2- Struktur gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt,5 shows a flow of a modification of a silicon nanostructure to a SiO 2 structure according to an illustrative embodiment,
Fig. 6a Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten6a shows measurement results of the optical reflection of modified
Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen repräsentieren, wobei die Messergebnisse mittels einer Ulbrichtkugel gewonnen wurden und die Reflexionen der Oberflächen in alle Raumrichtungen beschreiben,Represent silicon surfaces compared to untreated surfaces, wherein the measurement results were obtained by means of an integrating sphere and describe the reflections of the surfaces in all spatial directions,
Fig. 6b die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail zeigt, wobei im sichtbaren Bereich sehr niedrige und wellenlängenunabhängige Reflexionswerte auftreten und wobei das Rauschen oberhalb von 800 nm auf den Detektorwechsel im Messgerät zurückzuführen ist,6b shows the extremely small and wavelength-independent reflection of the modified silicon surface in detail, wherein very low and wavelength-independent reflection values occur in the visible range and wherein the noise above 800 nm is due to the detector change in the measuring device,
Fig. 6c die direkte Absorptionsmessung durch die PhotothermischeFig. 6c shows the direct absorption measurement by the photothermal
Deflektionsspektroskopie (PDS) einer modifizierten Siliziumoberfläche zeigt, wobei eine Amplitude von "1" 100% Absorption entspricht (0,9 eV = 1350 nm bis 2,2 eV = 560 nm) undDeflection Spectroscopy (PDS) of a modified silicon surface, wherein an amplitude of "1" corresponds to 100% absorption (0.9 eV = 1350 nm to 2.2 eV = 560 nm) and
Fig. 7 die Transparenz einer Probe mit einseitig modifizierter Oberfläche zeigt, wobei die Theoriekurve die Absorption des Siliziums vernachlässigt. Detaillierte BeschreibungFig. 7 shows the transparency of a sample with unilaterally modified surface, wherein the theory curve neglects the absorption of the silicon. Detailed description
Mit Bezug zu den Figuren 1a bis 1c wird zunächst eine beispielhafte Nanostruktur und anschauliche Prozesse zu deren Herstellung angegeben. Ähnliche Prozesse und 5 Nanostrukturen können sodann auch in anderen Anwendungen, etwa fotoelektrischen Bauelementen, Sensorbauelementen, als optische Beschichtungsstrukturen in optischen Geräten, als optische Fenster und dergleichen Verwendung finden, wie dies auch bereits zuvor dargelegt ist und auch in nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben ist. Ferner können die Nanostrukturen, wie sie beispielsweise durch die lo folgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, auch weiteren Behandlungen zum Aufbringen von Schutzschichten, der Modifizierung der Oberfläche und dergleichen unterzogen werden.With reference to FIGS. 1a to 1c, an exemplary nanostructure and illustrative processes for the production thereof will first be indicated. Similar processes and nanostructures can then also be used in other applications, such as photoelectric components, sensor components, as optical coating structures in optical devices, as optical windows, and the like, as already described above and also described in subsequent embodiments. Further, the nanostructures, such as those prepared by the methods described below, may also be subjected to further protective layer application, surface modification, and the like.
Fig. 1a zeigt ein Silizium enthaltendes Bauelement 1 mit einer Nanostruktur 2, die eine i5 einkristalline Siliziumbasisschicht 3 aufweist, auf der nadelartige Siliziumstrukturen 4, die in dieser Anmeldung alternativ (aber synonym) auch als Strukturelemente der Nanostruktur 2 bezeichnet werden, ausgebildet sind. In dieser Anmeldung sind nadelartige Siliziumstrukturen als "pyramidenähnliche Nadeln" oder Strukturelemente zu verstehen, die eine Spitze aufweisen mit lateralen Abmessungen von wenigen 20 Nanometern, wobei die Spitze nach unten hin in ihrer lateralen Abmessung deutlich zunimmt, so dass im unteren Bereich der Strukturen eine laterale Abmessung von einigen zehn Nanometern oder mehr erreicht wird, bei relativ seichtem Auslaufen (gegenüber der Steigung der vielen Seitenwände des Mittenbereichs).1a shows a silicon-containing component 1 with a nanostructure 2, which has an i5 monocrystalline silicon base layer 3, on which needle-like silicon structures 4, which are alternatively (but synonymously) referred to as structural elements of the nanostructure 2 in this application, are formed. In this application needle-like silicon structures are to be understood as "pyramid-like needles" or structural elements that have a tip with lateral dimensions of a few 20 nanometers, wherein the tip increases significantly downwards in its lateral dimension, so that in the lower region of the structures a lateral Dimension of a few tens of nanometers or more, with relatively shallow leakage (against the slope of the many sidewalls of the center region).
25 Die Siliziumbasisschicht 3 ist in dieser Ausführungsform von einer Maskenschicht 5 begrenzt, die aus Siliziumdioxid, Silϊziumnitrid oder dergleichen aufgebaut sein kann, wobei die nadelartigen Siliziumstrukturen 4 bis zu einem Randbereich 5a der Maskenschicht 5 mit geringem Abstand zum Randbereich 5a ausgebildet sind. Dabei ist ein geringer Abstand als eine Strecke zu verstehen, die kleiner ist als die halbeIn this embodiment, the silicon base layer 3 is delimited by a mask layer 5, which may be composed of silicon dioxide, silicon nitride or the like, wherein the needle-like silicon structures 4 are formed up to an edge region 5a of the mask layer 5 at a small distance from the edge region 5a. Here, a small distance is to be understood as a distance that is less than half
30 Dicke der Maskenschicht 5. In der gezeigten Ausführungsform ist dieThickness of the mask layer 5. In the embodiment shown, the
Siliziumbasisschicht 3 ein Teil einer Siliziumscheibe mit 6 Zoll Durchmesser mit einer (IOO)-Oberflächenorientierung, die eine p-Dotierung aufweist, die einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm*cm ergibt.Silicon base layer 3, a part of a silicon wafer 6 inch diameter with a (IOO) surface orientation, which has a p-doping, which results in a resistivity of 10 ohm * cm.
)5 Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, kann die Basisschicht 3 jedoch eine beliebige Kristallorientierung mit einer beliebigen Vordotierung aufweisen. In alternativen Beispielen kann die Basisschicht 3 im wesentlichen aus amorphem oder polykristallinem Silizium gebildet sein. Fig. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Nanostruktur 2, wobei der Einfallswinkel des sondierenden Elektronenstrahls einen Neigungswinkel von etwa 17° aufweist, um die Größenverhältnisse in der lateralen Richtung und in der Höhen- bzw. Dickenrichtung der pyramidenartigen Strukturen bzw. Strukturelemente 4 deutlicher zu zeigen. Wie aus den Fig. 1a und 1b zu erkennen ist, weisen die Siliziumstrukturen 4 eine Höhe auf, die im Mittel bei etwa 1000 nm liegt, so dass in einigen Ausführungsformen eine Höhe erreicht wird, die größer ist als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. In anderen Ausführungsformen beträgt die Höhe der Strukturelemente 400nm bis 1000 nm, in Sonderfällen auch bis 1500 nm.However, as previously stated, the base layer 3 may have any crystal orientation with any predoping. In alternative examples, the base layer 3 may be formed substantially of amorphous or polycrystalline silicon. FIG. 1 b shows an enlarged section of the nanostructure 2, wherein the angle of incidence of the probing electron beam has an inclination angle of approximately 17 ° in order to more clearly show the size relationships in the lateral direction and in the height or thickness direction of the pyramid-like structures or structural elements 4 , As can be seen from FIGS. 1a and 1b, the silicon structures 4 have a height which is on average about 1000 nm, so that in some embodiments a height is reached that is greater than the wavelengths of the visible light. In other embodiments, the height of the structural elements is 400 nm to 1000 nm, in special cases also up to 1500 nm.
Aufgrund des gekippten Elektronenstrahls von 17° ist die als Maß eingetragene Höhe in Fig. 2 von 603 nm auf die reale Höhe umzurechnen. Auch umgerechnet werden kann die Höhenerstreckung um bis zu 60 % für niedrigere pyramidenähnliche Nadeln, die ab etwa 400 nm ihre Wirkungen erreichen. Dies erfolgt durch Stauchung der Figur 2 in Höhenrichtung auf 40 % der dargestellten Höhe.Due to the tilted electron beam of 17 °, the height entered as a measure in FIG. 2 is to be converted from 603 nm to the real height. It is also possible to convert the vertical extent by up to 60% for lower pyramid-like needles, which achieve their effects from about 400 nm. This is done by compression of Figure 2 in the height direction to 40% of the height shown.
Aber auch pyramidenartige Strukturen 4 mit einer mittleren Höhe im Bereich von 400 nm zeigen in vielen Anwendungen ausgezeichnete optische Eigenschaften. So konnte beispielsweise für eine mittlere Höhe von 400 nm eine ausgezeichnete Entspiegelung im bislang gemessenen sichtbaren Wellenlängenbereich bis zu derzeit gemessenen 3000 nm beobachtet werden.But also pyramidal structures 4 with a mean height in the range of 400 nm show excellent optical properties in many applications. Thus, for example, for an average height of 400 nm, an excellent antireflection coating in the previously measured visible wavelength range up to the currently measured 3000 nm could be observed.
Wie aus Fig. 1a erkennbar ist, kann eine mittlere maximale Höhe der Siliziumstrukturen 4 auch bei im Wesentlichen etwa 1000 nm oder mehr liegen.As can be seen from FIG. 1 a, an average maximum height of the silicon structures 4 may also be at substantially about 1000 nm or more.
Andererseits zeigen die Figuren 1a und 1b, dass die laterale Abmessung der Siliziumstrukturen 4 in einem Fußbereich 4b typischerweise' bei weniger als 200 nm oder unter 100 nm liegt, so dass im Mittel ein Aspektverhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung von 4, oder sogar höher erreicht wird.On the other hand, FIGS. 1a and 1b show that the lateral dimension of the silicon structures 4 in a foot region 4b is typically less than 200 nm or less than 100 nm, so that on average an aspect ratio of height to lateral dimension of 4, or even higher is achieved becomes.
Die in Fig. 1a und 1b dargestellten Ergebnisse, die sich auf eine 6-ZoII(IOO) Si-Scheibe mit p-Dotierung, einen 10 Ohm*cm Widerstand und einen Flächenanteil der Oxidmaske, d.h., der Maskenschicht 5, von größer 90% (bis 93%) beziehen, wurden hergestellt in einem Einzelschritt-Plasamätzverfahren in einer Anlage des Typs STS320 mit folgenden Parametern: SFe-Gasfluss: IOO sccmThe results shown in FIGS. 1a and 1b, which are based on a p-doped 6-ZoII (100) Si wafer, a 10 ohm * cm resistance and an area fraction of the oxide mask, ie, the mask layer 5, of greater than 90%. (up to 93%) were prepared in a single-step plasma etching process in a STS320 plant with the following parameters: SFe gas flow: IOO sccm
O2-Gasfluss: 20 sccmO2 gas flow: 20 sccm
Gasdruck: 70 mTorrGas pressure: 70 mTorr
Temperatur der Si-Scheibe: 27 Grad Celsius Plasmaleistung: 10O WSi slice temperature: 27 degrees Celsius Plasma power: 10O W
Ätzzeit: 2 minEtching time: 2 min
Sich selbst einstellender BIAS (d.h. Gleichspannungspotential zwischen der Plasmaatmosphäre und der zu ätzenden Oberfläche): variiert um 350 V (stellt sich selbst ein).Self-adjusting BIAS (i.e., DC potential between the plasma atmosphere and the surface to be etched): varies by 350 V (self-adjusts).
Die 6" (Zoll, inch) Scheibe lag in der Anlage RIE STS 320 auf einer 8" Scheibe auf und auch neben der 8" Scheibe kann das Plasma wirken.The 6 "(inch, inch) disc lay in the RIE STS 320 system on an 8" disc and the plasma can also act next to the 8 "disc.
Eine Leistungsdichte anzugeben ist nur in erster Näherung in einer Abschätzung möglich. Die Plasmaleistung kann im Bereich von 100 W bis 300 W eingestellt werden, was für eine 6 Zoll Scheibe einer Leistungsdichte von etwa 4 W/cm2 bis 12 W/cm2 entspricht.Specifying a power density is only possible in a first approximation in an estimation. The plasma power can be set in the range of 100 W to 300 W, which corresponds to a power density of about 4 W / cm 2 to 12 W / cm 2 for a 6 inch disk.
In anderen Ausführungsformen wurden Gasflussraten von 50 bis 150 sccm für das reaktive Gas, also SF6, CnFm oder HCI/BCU vorgesehen. Für Sauerstoff sind Gasdurchflussraten von 20 bis 200 sccm vorgesehen. Ferner wird in einigen Ausführungsformen die Temperatur des Substrats und damit der Basisschicht 3 auf 27 C ±5°C eingestellt.In other embodiments, gas flow rates of 50 to 150 sccm have been provided for the reactive gas, ie SF 6 , C n F m or HCI / BCU. For oxygen gas flow rates of 20 to 200 sccm are provided. Further, in some embodiments, the temperature of the substrate, and thus the base layer 3, is set at 27 C ± 5 ° C.
In alternativen Beispielen wurden vergleichbare Ergebnisse für die nanostrukturierte Oberfläche erzielt. Ausgangsparameter und Prozessparameter werden unten angegeben.In alternative examples, comparable results were obtained for the nanostructured surface. Output parameters and process parameters are given below.
Für einen Flächenanteil von 0,1 % Silizium und 99,9 % Oxidmaske, mit folgenden ParameternFor an area fraction of 0.1% silicon and 99.9% oxide mask, with the following parameters
150 sccm SF6 20 sccm O2 91 mTorr 27 0C150 sccm SF 6 20 sccm O 2 91 mTorr 27 0 C
100 Watt100 watts
Bias 28 VBias 28 V
4 Minuten Ätzzeit (Prozesszeit) Für 100 % Siliziumfläche, also eine blanke Siliziumscheibe 65 sccm SF6 23 sccm O2 50 mTorr 27 0C 100 Watt 10 min bis 20 min Ätzzeit (Prozesszeit).4 minutes etching time (process time) For 100% silicon area, ie a bare silicon wafer 65 sccm SF 6 23 sccm O2 50 mTorr 27 0 C 100 watts 10 min to 20 min etching time (process time).
Für blanke Siliziumscheiben sind auch bis zu 20 min Prozesszeit sinnvoll. Dann wird mit dem Prozess eine extrem hochwertige Entspiegelung der mit den Nadeln nanostrukturierten Oberfläche erhalten.For bare silicon wafers, process time of up to 20 min is also useful. Then the process results in an extremely high-quality antireflective coating of the surface nanostructured with the needles.
Aus den obigen Angaben können entsprechende Parameterwerte für andere Ätzanlagen und andere Bedeckungsgrade der mit den pyramidenartigen Strukturen zu strukturierenden Siliziumbasisschicht 3 ermittelt werden. Beispielsweise kann ein geringerer Bedeckungsgrad der Siliziumbasisschicht durch eine niedrigere Gasflussrate des reaktiven Gases berücksichtigt werden.From the above indications, corresponding parameter values for other etching systems and other degrees of coverage of the silicon base layer 3 to be structured with the pyramidal structures can be determined. For example, a lower degree of coverage of the silicon base layer may be taken into account by a lower gas flow rate of the reactive gas.
In weiteren Beispielen, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind, können die absoluten Parameterwerte effizient dem Anteil der offenen (oder freien) Siliziumoberfläche angepasst werden. Wenn die Si-Oberfläche zu einem hohen Flächenanteil von einer Maskenschicht, beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, bedeckt ist, kann dies zumindest durch eine Erhöhung des reaktiven Gasanteils, beispielsweise des SF6 Anteils, ausgeglichen werden, insbesondere auch bei einer Erhöhung des SF6 Anteils, gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoffanteils und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdruckes.In further examples, which are not detailed here, the absolute parameter values can be efficiently adjusted to the proportion of the open (or free) silicon surface. If the Si surface is covered to a high surface area by a mask layer, for example oxide or silicon nitride, this can be compensated for at least by an increase in the reactive gas fraction, for example the SF 6 fraction, in particular also when the SF 6 fraction is increased. simultaneous reduction of oxygen content and simultaneous increase of process pressure.
Ist keine Maske gegeben, ist der reaktive Gasanteil niedrig, und vice versa.If no mask is given, the reactive gas content is low, and vice versa.
Mit den obigen Einstellungen ergaben sich generell an den nicht durch die Maskenschicht 5 maskierten Bereichen die Si-Nadeln bzw. Strukturelemente 4 mit einer Höhe von bis zu ca. 1000 nm in statistischer Verteilung.With the above settings, the Si needles or structural elements 4 having a height of up to about 1000 nm were generally randomly distributed at the regions not masked by the mask layer 5.
Als Maskenschicht 5 eignen sich Siliziumoxide oder Siliziumnitride.As mask layer 5, silicon oxides or silicon nitrides are suitable.
Bearbeitete Scheiben mit gleichartigen Strukturen (ohne Oxidmaske) werden völlig schwarz und zeigten eine Reflexion von unter 0,4% für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000 nm bei gleichzeitig hervorragender Homogenität dieser Eigenschaft über den gesamten Wafer (Scheibe). Insbesondere auch in einem in beiden Richtungen sich darüber hinaus erstreckenden Wellenlängenbereich zwischen 180 nm bis 3000 nm Wellenlänge ergaben die Untersuchungen ein noch immer hervorragendes Entspiegelungsverhalten mit Reflexionen unter 2%. Die Reflexionen erfassten hier (praktisch nur) die Reflexionen in alle Raumwinkel.Machined disks with similar structures (without oxide mask) become completely black and showed a reflection of less than 0.4% for the wavelength range of 400 nm to 1000 nm, at the same time excellent homogeneity of this property over the entire wafer (disk). In particular, in a wavelength range extending in both directions beyond 180 nm to 3000 nm wavelength, the investigations showed a still excellent anti-reflection behavior with reflections below 2%. The reflections recorded here (practically only) the reflections in all solid angles.
Ferner sind die durch den plasmagestützten einstufigen Strukturierungsvorgang hervorgerufenen Kristallschäden sowie die Kontamination sehr gering und sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen unterhalb der Nachweisgrenze. Es konnten keine Restsubstanzen nach dem Plasma-Strukturierungsprozess detektiert werden und die Kristallqualität der Siliziumstrukturen ist nahezu identisch zu der Kristallqualität der Siliziumbasisschicht vor dem Ätzprozess.Furthermore, the crystal damage caused by the plasma-assisted single-stage structuring process and the contamination are very low and are below the detection limit in the exemplary embodiments shown. No residual substances could be detected after the plasma structuring process and the crystal quality of the silicon structures is almost identical to the crystal quality of the silicon base layer before the etching process.
Fig. 1c zeigt eine Darstellung einer einzelnen Spitze 4a bzw. eines Endbereichs eines Strukturelements 4. Wie deutlich zu erkennen ist, sind die Nadeln an ihrem Endbereich 4a nahezu atomar spitz, d.h., die lateralen Abmessungen des Endbereichs 4a betragen nur wenige Nanometer und sind somit kleiner als 10 Nanometer. In der Darstellung der Fig. 1c ist ferner die Kristallrichtung senkrecht zur Oberfläche der Siliziumbasisschicht 3 eingetragen. Diese Richtung entspricht einer [100] Richtung, da für das gezeigte Ausführungsbeispiel die Oberflächenorientierung eine (100) Orientierung ist. Wie man erkennen kann, erstreckt sich der Endbereich im wesentlichen entlang der [100] Richtung mit nur einer geringen Abweichung von weniger als 10°, so dass die Strukturelemente nahezu senkrecht mit nur wenigen Graden Abweichung zur Oberfläche der Basisschicht 3 ausgerichtet sind. Ferner sind einzelne Netzebenen der einkristallinen Nadel deutlich zu erkennen, ohne dass durch die Ätzung hervorgerufene Kristallfehler erkennbar sind. In der gezeigten Konfiguration der Basisschicht entsprechen die in Erscheinung tretenden Netzebenen den (111 ) Ebenen.1c shows an illustration of a single tip 4a or of an end region of a structural element 4. As can be clearly seen, the needles are almost atomically pointed at their end region 4a, ie the lateral dimensions of the end region 4a are only a few nanometers and thus less than 10 nanometers. In the illustration of FIG. 1 c, the crystal direction is also entered perpendicular to the surface of the silicon base layer 3. This direction corresponds to a [100] direction, since for the embodiment shown, the surface orientation is a (100) orientation. As can be seen, the end region extends substantially along the [100] direction with only a slight deviation of less than 10 °, so that the structural elements are aligned almost perpendicularly with only a few degrees deviation from the surface of the base layer 3. Furthermore, individual lattice planes of the monocrystalline needle can be clearly recognized without crystal defects caused by the etching being recognizable. In the base layer configuration shown, the appearing lattice planes correspond to the (111) planes.
Durch die nach dem Prozess stark zerklüftete Oberfläche der Basisschicht 3 erhöht sich deren Fläche erheblich, wodurch sich die Eigenschaften deutlich ändern. Die vergrößerte Oberfläche bietet eine viel größere Angriffsfläche für sich anlagernde Moleküle und kann damit die beispielsweise Empfindlichkeit von Sensoren erheblich steigern. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass Gase recht lange in der Nanostruktur 2 lokalisiert bleiben.Due to the highly fissured after the process surface of the base layer 3 whose surface increases significantly, causing the properties change significantly. The enlarged surface offers a much larger attack surface for attaching molecules and can thus significantly increase the sensitivity of sensors, for example. For example, it has been found that gases remain localized in the nanostructure 2 for quite a long time.
Im optischen Bereich sind die pyramidenartigen Strukturen 4 dahingehend interessant, dass sie in ihrer lateralen Größe kleiner als die Lichtwellenlänge (VIS/NIR) sind und durch ihre Nadelform, d.h., durch die geringe laterale Abmessung des Endbereichs 4a und die relativ große Abmessung am Fuße 4b der pyramidenartigen Struktur, und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Der Brechungsindex verändert sich graduell vorn Brechungsindex des Siliziums zu dem Brechungsindex des die Nanostruktur 2 umgebenden Mediums, beispielsweise Luft.In the optical region, the pyramidal structures 4 are interesting in that they are smaller than the light wavelength (VIS / NIR) in their lateral size and by their needle shape, ie by the small lateral dimension of the end region 4a and the relatively large dimension at the foot 4b the pyramidal structure, and the high aspect ratios give off an almost perfect gradient layer. The refractive index changes gradually from the refractive index of the silicon to the refractive index of the medium surrounding the nanostructure 2, for example air.
s Die Nanostruktur 2 ermöglicht damit eine Impedanzanpassung oder Anpassung des Brechungsindex, die zu einer hervorragenden breitbandigen Reflexionsunterdrückung führt. Weiterhin ist bekannt, dass starke Krümmungen, wie sie die Nadelspitzen 4a besitzen, besonders geeignet für Feldemission sind.s The nanostructure 2 thus enables an impedance matching or refractive index adjustment, which leads to an excellent broadband reflection suppression. Furthermore, it is known that strong bends, as they have the needle tips 4a, are particularly suitable for field emission.
lo Es ergibt sich damit ein breites Feld für die Verwendung der Nanostruktur 4 in vielen Mikrobauelementen und auch in anderen Gebieten, wie Solarzellen, Sensoren und dergleichen, wie dies zuvor bereits beschrieben und nachfolgend noch weiter ausgeführt wird.This results in a broad field for the use of the nanostructure 4 in many microcomponents and also in other fields, such as solar cells, sensors and the like, as already described above and further explained below.
s Die Beispiele stellen damit Verfahren und Strukturen bereit, in denen Siliziumstrukturen mit großem und einstellbarem Aspektverhältnis auftreten, wobei aufgrund der (speziellen) Parametereinstellung in dem selbstmaskierenden Plasmaätzprozess in einem einzelnen Ätzschritt eine Kontamination und eine Ausbildung plasmabedingter Kristallfehler gering gehalten wird, so dass bei geringem Aufwand für den einstufigen o Strukturierungsprozess die sich ergebende Struktur unmittelbar weiter verwendet werden kann, ohne dass weitere Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind, wenn nadelartige Siliziumstrukturen in hoher einkristalliner Form erforderlich sind.s The examples thus provide methods and structures in which silicon structures with large and adjustable aspect ratio occur, wherein due to the (special) parameter setting in the self-masking plasma etching process in a single etching step contamination and formation plasma-related crystal defects is kept low, so that at low Cost for the single-stage o structuring process, the resulting structure can be used immediately without further post-processing steps are required when needle-like silicon structures in high monocrystalline form are required.
Des weiteren sind keine aufwändigen Oberflächenpräparationen oder zusätzliche 5 Maßnahmen zur Erzeugung einer Mikromaskierung erforderlich. Ein pre-conditioning, d.h., eine Vorbereitung der Oberfläche zum Erhalten der Nanostrukturen, kann entfallen:Furthermore, no elaborate surface preparations or additional measures to produce a micro-masking are required. A pre-conditioning, i.e. preparation of the surface for obtaining the nanostructures, may be omitted:
Mit Hilfe eines RIE-Standardätzverfahrens für Silizium wird ohne jegliche zusätzliche Strukturierungsmaßnahme (e-beam, Interferenzlithographie, o. a.) durchWith the aid of a standard RIE etching process for silicon, without any additional structuring measure (e-beam, interference lithography, or the like)
Selbstorganisation eine Vielzahl von nahezu kristallfehlerfreien, nadeiförmigen Strukturen mit großem Aspektverhältnis und mit Nanodimensionen auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe oder einer anderen Siliziumbasisschicht erzeugt, wodurch unter anderem eine breitbandige Entspiegelung erreichbar ist.Self-assembly generates a large number of virtually crystal-defect-free, needle-shaped structures with a high aspect ratio and with nanodimensions on the surface of a silicon wafer or another silicon base layer, as a result of which, among other things, a broadband antireflection coating can be achieved.
Mit Bezug zu den Figuren 2a bis 2f werden Anwendungen zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente beschreiben, wobei die zuvor beschriebenen Strukturen, beispielsweise auch die zuvor beschriebenen Verfahren angewendet werden können. Die Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Photodioden als Bestandteil einer integrierten Schaltung oder auch als diskretes Bauelement, wird hier nicht in konventioneller Weise mit λ/4-Schichten, sondern durch mittels RIE-Ätzung erzeugten Nanostrukturen vorgenommen, die eine weitaus bessere Breitbandcharakteristik aufweisen.With reference to FIGS. 2a to 2f, applications for anti-reflection of photoelectronic components by self-organized nanostructures and corresponding components are described, wherein the structures described above, for example also the methods described above, can be used. The anti-reflection of photoelectronic components, such as photodiodes as part of an integrated circuit or as a discrete component is not made in a conventional manner with λ / 4 layers, but by means of RIE-etched nanostructures, which have a much better broadband characteristics.
Beispiele sind also fotoempfindliche Bauelemente in integrierten Schaltungen und diskrete Bauelemente, wie Fotozellen. Die mit konventionellen Mitteln erreichten Ergebnisse und die damit verbundenen Schwierigkeiten wurden bereits dargestellt.Examples are thus photosensitive components in integrated circuits and discrete components, such as photocells. The results achieved by conventional means and the difficulties involved have already been presented.
Mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbare Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche für integrierte optoelektronische Schaltkreise sind möglich, kompatibel zu diskreten und integrierten Bauelementetechnologien, ohne die genannten Nachteile.Realizable methods for producing an antireflecting surface for integrated optoelectronic circuits with little effort and therefore low costs are possible, compatible with discrete and integrated component technologies, without the mentioned disadvantages.
Die entsprechenden Verfahren sind unter anderem kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS Technologie für integrierte oder diskrete Bauelemente. Es kann alternativ oder ergänzend zu einer Antireflexionsbeschichtung angewendet werden. Es ist nicht aufwändiger als diese, weist jedoch eine wellenlängenunabhängige Entspiegelung guter Qualität über den gesamten für Silizium-Photodioden interessanten Wellenlängenbereich auf. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung ist deren geringe Einfallswinkelabhängikeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.Among other things, the corresponding methods are compatible with a bipolar, CMOS or BiCMOS technology for integrated or discrete components. It can be used alternatively or in addition to an antireflection coating. It is no more expensive than this, but has a wavelength-independent anti-reflection good quality over the entire wavelength range of interest for silicon photodiodes. Another advantage of the antireflection coating is its low Einfallswinkelabhängikeit compared to λ / 4 layers or regular structures.
Für Fotodioden besonders wichtig ist die Eigenschaft der in dem angegebenen Verfahren erreichten Defektfreiheit der genutzten Bereiche, da die erzeugten Elektron- Loch-Paare ansonsten rekombinieren und nicht durch das elektrische Feld abgesaugt werden können, was eine empfindliche Verringerung der Sensitivität darstellt.Particularly important for photodiodes is the property of the defect-free ranges achieved in the stated method, since the electron-hole pairs generated otherwise recombine and can not be sucked by the electric field, which represents a sensitive reduction in sensitivity.
Fig. 2a zeigt schematisch ein konventionelles fotoelektrisches Bauelement 200 mit einem Siliziumsubstrat 201 , einer n-Wanne 202 und entsprechenden Kontakten 205. Ferner ist ein optisches Fenster 203 vorgesehen, das mit einer Antireflexionsschicht 204 entspiegelt ist.Fig. 2a shows schematically a conventional photoelectric device 200 with a silicon substrate 201, an n-well 202 and corresponding contacts 205. Further, an optical window 203 is provided, which is non-reflective with an anti-reflection layer 204.
Fig. 2b zeigt das fotoelektrische Bauelement 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist im Bereich des optischen Fensters 203 eine Nanostruktur, etwa die Struktur 2, vorgesehen, um eine breitbandige Entspiegelung zu erreichen. Wie zuvor beschrieben besitzen die selbstorganiserten Nanostrukturen, etwa die Struktur 2, eine der Anwendung als Entspiegelungsschicht angemessene geometrische Form. Die lateralen Abstände sind kleiner als die Wellenlänge im Medium, damit keine Streuverluste auftreten. Die Nanostrukturen (Fig. 1a bis 1c) sind mit > 500 nm (bei etwa 1000 nm) ausreichend hoch. Ab 400 nm ist bereits eine sehr gute Entspiegelung zu beobachten, die sich mit steigender Höhe noch leicht verbessern lässt.Fig. 2b shows the photoelectric device 200 according to an embodiment of the present invention. Here, in the region of the optical window 203, a nanostructure, such as the structure 2, is provided in order to achieve a broadband antireflection coating. As described above, the self-assembled nanostructures, such as structure 2, have a geometric shape suitable for use as an antireflection coating. The lateral distances are smaller than the wavelength in the medium, so that no scattering losses occur. The nanostructures (FIGS. 1a to 1c) are sufficiently high with> 500 nm (at about 1000 nm). From 400 nm, a very good antireflection coating is already observed, which can be slightly improved with increasing height.
Die Reduzierung der Reflexion an einer derartigen Oberfläche kann mit einer Impedanzanpassung, d.h., einer Anpassung des Brechungsindex, zwischen den zwei Materialien erklärt werden. Die Strukturen erzeugen einen graduellen Impedanzübergang zwischen den Materialien. Dieser Übergang muss hinreichend breit (hier die Höhe der Strukturen) sein, um entsprechend zu wirken. Der graduelle Übergang funktioniert nach dem Prinzip des effektiven Mediums, wobei zwei Stoffe so miteinander gemischt werden, dass es für die Anwendung als ein Stoff mit gemischten Eigenschaften der beiden Ausgangsmaterialien erscheint. Da die Nanostrukturen Nadelform im oben definierten Sinne aufweisen, entsteht quasi ein kontinuierlicher Übergang von einem zum anderen Medium (hier von Luft zu Silizium). Aus der Elektrotechnik ist bekannt, vgl. Pozar, Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998, dass zumindest an einem Ende des Überganges eine bestimmte nichtlineare Form besonders effektiv ist.The reduction of the reflection on such a surface can be explained by an impedance matching, i.e. an adjustment of the refractive index, between the two materials. The structures create a gradual impedance transition between the materials. This transition must be sufficiently wide (here the height of the structures) to act accordingly. The gradual transition works on the principle of the effective medium, whereby two substances are mixed together so that it appears for use as a substance with mixed properties of the two starting materials. Since the nanostructures have a needle shape in the sense defined above, there is virtually a continuous transition from one medium to another (here from air to silicon). From the electrical engineering is known, cf. Pozar, Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998, that at least at one end of the transition, a particular nonlinear shape is particularly effective.
Die hier verwendeten Strukturen weisen solch eine Form auf. Sie sind sehr spitz, laufen aber sehr flach aus, was in einer zuerst geringen, am Ende aber sehr starken Impedanzänderung resultiert.The structures used herein have such a shape. They are very pointed, but run very flat, resulting in a first small, but in the end very strong impedance change.
Fig. 2c zeigt entsprechende Reflexionskurven für verschiedene Bauelemente 200 mit und ohne die Nanostruktur 2.FIG. 2 c shows corresponding reflection curves for different components 200 with and without the nanostructure 2.
Die gemessenen Reflexionsspektren bestätigen die drastische Reduzierung der Reflexionsverluste.The measured reflection spectra confirm the drastic reduction of the reflection losses.
Fig. 2d zeigt das Ergebnis kristallografischer Untersuchungen, die zeigen, dass die Nanostrukturen 2 bei ihrer Herstellung einkristallin geblieben sind. In Fig. 2d sind entsprechende Netzebenen zu erkennen in einem oberen Abschnitt einesFIG. 2 d shows the result of crystallographic investigations, which show that the nanostructures 2 remained monocrystalline during their production. In Fig. 2d corresponding network levels can be seen in an upper portion of a
Strukturelements, wie sie auch in Fig. 1c gezeigt ist. Es sind keine zusätzlichen Kristallfehler im Bezug auf die Basisschicht 3 zu erkennen, und die Nadel ist im Wesentlichen entlang der [100] Richtung ausgerichtet. Es entstehen also keine zusätzlichen Generations- und Rekombinationszentren. Damit ist die Gefahr von ungewollten Fotostromverlusten bzw. erhöhten Dunkelströmen ausreichend reduziert.Structural element, as shown in Fig. 1c. There are no additional crystal defects with respect to the base layer 3, and the needle is oriented substantially along the [100] direction. So there are no additional generation and recombination centers. Thus, the risk of unwanted photocurrent losses or increased dark currents is sufficiently reduced.
Fig. 2e zeigt spektrale Empfindlichkeits-Messungen an derart erfindungsgemäß entspiegelten Dioden, die die erhöhte Sensitivität in einem großen Wellenlängenbereich bestätigen. Insbesondere entfallen die starken, auf Interferenzen zurückzuführenden Oszillationen, die bei normaler Passivierung integrierter Fotodioden üblich sind.FIG. 2 e shows spectral sensitivity measurements on diodes which are so non-reflective according to the invention and confirm the increased sensitivity in a large wavelength range. In particular, eliminates the strong, due to interferences oscillations, which are common in normal passivation of integrated photodiodes.
Eine anschauliche Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Entspiegelung von Silizium-Fotodioden, das sich dadurch auszeichnet, dass im Oberflächenbereich des Diodenfensters kristallfehlerfreie, nadelartige Strukturen in Nanometerdimensionen mit einem Aspektverhältnis von 4 zu 1 und größer mittels eines reaktiven lonenätzprozesses (reactive ion etching) RIE unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6, ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wobei dieOne illustrative embodiment relates to a process for the antireflection of silicon photodiodes, which is characterized in that in the surface region of the diode window crystal defect-free, needle-like structures in nanometer dimensions with an aspect ratio of 4 to 1 and greater by means of a reactive ion etching (RIE) using the working gases oxygen and SF 6 are generated without the use of additional means for targeted mask formation in a single process step, the
Siliziumscheibe während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27°C ± 5 Grad Celsius gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 bis 300 Watt gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse, das in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern vorher empirisch festgestellt wurde, so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF6: 50 bis 150 sccm und für O2 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.During the process, silicon wafer is maintained at a constant temperature in the range of 27 ° C ± 5 ° C and is operated with a plasma power in the range of about 100 to 300 watts, requiring higher plasma powers at higher process pressures and the ratio of working gas fluxes in Dependent on the geometric system parameters was previously determined empirically, is set so that the oxygen in the reaction point on the silicon wafer shows a self-masking effect, which can be achieved in the range of gas flows for SF 6 : 50 to 150 sccm and for O2 20 to 200 sccm and the process time is only a few minutes.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Bauelement, beispielsweise das Bauelement 200, im optisch aktiven Fensterbereich eine reflexionsmindernde Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, defektarmen Silizium-Nadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 auf, so wie sie durch die Anwendung des RIE-Verfahrens gemäß dem vorherigen Verfahren entstehen.In a further embodiment, the component, for example, the component 200, in the optically active window region, a reflection-reducing layer of statistically regularly distributed, low-defect silicon needles with a height of 400 to 1500 nm and an aspect ratio greater than 4: 1, as by the application of the RIE method according to the previous method arise.
Mit Bezug zu den Figuren 3a bis 3c werden nunmehr weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die Verfahren zum Schutz empfindlicher Nanostrukturen angeben.With reference to Figures 3a to 3c, further embodiments of the invention will now be described which specify methods for protecting sensitive nanostructures.
Extrem feine Strukturen (Nanostrukturen) sind gegenüber mechanischen Kräften nicht sehr robust. Daher ist es für eine Vielzahl von Anwendungen notwendig, sie vor einer mechanischen Zerstörung zu schützen. Dieser Schutz wird durch eine Auffüllsubstanz bis zu einer glatten Oberfläche erreicht. Dazu kann ein Spin-On-Glas (SOG) mit angepassten Eigenschaften benutzt werden.Extremely fine structures (nanostructures) are not very robust to mechanical forces. Therefore, it is necessary for a variety of applications to protect them from mechanical damage. This protection is provided by a filling substance reached to a smooth surface. For this purpose, a spin-on-glass (SOG) with adapted properties can be used.
Schutzschichten für leicht zerkratzbare Oberflächen gibt es schon seit geraumer Zeit. Seien es Hartschichten für Kunststoffglaser oder CDs. Auch für Nanostrukturen gibt es Bemühungen, diese zu schützen, vgl. EP-A 1 215 513.Protective coatings for easily scratchable surfaces have been around for some time. Be it hard coatings for plastic glass or CDs. There are also efforts to protect nanostructures, cf. EP-A 1 215 513.
Im Grunde soll eine Schutzschicht die Zerstörung eines Funktionselementes verhindern, ohne dabei dessen Funktion allzu stark zu beeinträchtigen. Dabei gilt es meist eine Reihe von Randbedingungen mit in Betracht zu ziehen, wodurch sich dieBasically, a protective layer to prevent the destruction of a functional element, without affecting its function too strong. It is usually a number of boundary conditions to be taken into consideration, causing the
Realisierung einer solchen Schicht verkompliziert. Das gilt insbesondere für den Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen in Nanometerdimensionen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer - kurz als Nanostruktur bezeichnet - besteht, wie sie z.B. mit dem RIE-Verfahren kristallfehlerfrei selbstorganisierend hergestellt werden kann, so wie es bereits zuvor beschrieben wurde.Realization of such a layer complicates. This is especially true for the protection of a layer consisting of acicular silicon tips in nanometer dimensions with a high aspect ratio of 4: 1 and larger - referred to as nanostructure for short - as e.g. can be prepared by the RIE process crystal-free self-organizing, as already described above.
Die Beispiele stellen ein Verfahren zum Schutz solcher Nanostrukturen bereit, welches einen mechanischen Schutz im Rahmen weiterer Verarbeitungsprozesse von Siliziumscheiben mit solchen Schichten schafft, ohne die besonderen Eigenschaften dieser Schichten, wie Reflexion, Adhäsion von chemischen Stoffen etc. wesentlich zu verändern.The examples provide a method for protecting such nanostructures which provides mechanical protection in further processing of silicon wafers with such layers without substantially altering the particular properties of these layers, such as reflection, adhesion of chemicals, etc.
Damit werden die Vorteile erreicht, dass die Schutzschicht die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadeiförmigen Siliziumspitzen auffüllt und so die Strukturen stabilisiert werden. Zur weiteren Verarbeitung wird eine geschlossene Schicht ausgebildet.This achieves the advantages that the protective layer fills up the cavities between the needle-like silicon tips to be protected, thus stabilizing the structures. For further processing, a closed layer is formed.
Aufgrund der so erzeugten glatten Oberfläche können mechanische Beanspruchungen ohne Zerstörung der Nanostruktur abgefangen werden. Auf diese glatte Oberfläche kann sehr viel einfacher eine weitere Schicht aufgebracht und auch wieder entfernt werden.Due to the smooth surface produced in this way, mechanical stresses can be absorbed without destroying the nanostructure. It is much easier to apply another layer to this smooth surface and to remove it again.
Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in die Funktionsweise der Nanostruktur ein. Die oberflächenvergrößernde Funktion einer Nanostruktur wird durch eine dichte Schicht vollständig unterbunden. Eine poröseDepending on the material used, this protective layer intervenes differently in how the nanostructure works. The surface-enlarging function of a nanostructure is completely prevented by a dense layer. A porous one
Schicht hingegen kann dafür genutzt werden, nur bestimmte Stoffe an die Oberfläche der Nanostruktur durchzulassen, was z.B. bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt. Für alle optischen Anwendungen ist es wichtig, dass die Eigenschaften der Reflexion und Transmission oder auch der Streuung sich nur geringfügig verschlechtern oder sogar verbessern. Dazu weist die Schicht vorzugsweise eine geringe Absorption auf. Reflexionsverluste bleiben minimal, wenn der Brechungsindex möglichst gering ist.Layer, on the other hand, can be used to pass only certain substances to the surface of the nanostructure, which plays a role in chemical sensors, for example. For all optical applications, it is important that the properties of the reflection and transmission or the scattering worsen only slightly or even improve. For this purpose, the layer preferably has a low absorption. Reflection losses remain minimal when the refractive index is as low as possible.
Fig. 3a zeigt schematisch ein fotoelektrisches Bauelement 300 mit einem Siliziumsubstrat 301 , einer n-Wanne 302 und entsprechenden Kontakten 305. Ferner ist ein optisches Fenster 303 vorgesehen, das mit einer beschriebenen Nanostruktur 2 entspiegelt ist.FIG. 3 a schematically shows a photoelectric component 300 with a silicon substrate 301, an n-well 302 and corresponding contacts 305. Furthermore, an optical window 303 is provided, which is antireflected with a described nanostructure 2.
Beispielsweise wird für die Entspiegelung des Bauelements, z. B. einer Photodiode, hergestellt durch einen CMOS-Prozess, in die Oberfläche des Siliziums mit dem RIE- Verfahren in der bereits beschriebenen Weise eine Nanostruktur 2 geätzt. Auf diesen Prozessschritt folgen üblicherweise noch weitere. Unter anderem werden die Bondpads für die Kontaktierung 305 der Bauelemente 300 noch von der die Schaltung passivierenden Schicht befreit. Diese besteht in der Regel aus Siθ2 oder SißlNU und wird meist durch das CVD-Verfahren aufgebracht. Dieses Verfahren ist mehr oder weniger konform. Spitze Strukturen bleiben dabei erhalten. Es bildet sich keine glatte Oberfläche aus. Zur Beseitigung der Passivierungsschicht werden Lackmaske und Ätzschritt verwendet. Der aufgebrachte Lack lässt sich jedoch nicht problemlos aus der Nanostruktur 2 entfernen; Lackreste schränken deren Funktionalität ein.For example, for the anti-reflection of the device, for. B. a photodiode, prepared by a CMOS process, etched into the surface of the silicon by the RIE method in the manner already described, a nanostructure 2. This process step is usually followed by others. Among other things, the bonding pads for the contacting 305 of the components 300 are still freed from the circuit passivating layer. This is usually made of SiO 2 or Si ß lNU and is usually applied by the CVD method. This procedure is more or less compliant. Top structures are preserved. It does not form a smooth surface. To remove the passivation layer, resist mask and etching step are used. However, the applied lacquer can not be easily removed from the nanostructure 2; Lackreste limit their functionality.
Fig. 3b zeigt das Bauelement gemäß einer anschaulichen Ausführungsform.Fig. 3b shows the device according to an illustrative embodiment.
Zum Schutz der Nanostruktur 2 wird daher vorher eine Schicht 305 aus Spin-On-Glas (SOG) durch Aufschleudern aufgebracht, z.B. Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ). Da diese Substanz beim Aufbringen flüssig ist, werden die Zwischenräume derTo protect the nanostructure 2, therefore, a layer 305 of spin-on-glass (SOG) is previously deposited by spin-coating, e.g. Hydrogen silsesquioxane (HSQ). Since this substance is liquid when applied, the spaces between the
Nanostrukturen lunkerfrei ausgefüllt. Ein Temperschritt härtet dieses Glas aus, führt aber auch zu einem gewissen Schwund, so dass vorteilhaft diese Prozedur zu wiederholen ist. Nach wenigen solchen Schritten ist die Nanostruktur komplett eingehüllt und die Oberfläche eben und resistent gegen mechanische Beschädigungen.Nanostructures filled void-free. An annealing step hardens this glass, but also leads to a certain shrinkage, so that this procedure is advantageous to repeat. After a few such steps, the nanostructure is completely encased and the surface is even and resistant to mechanical damage.
Die so geschützte Nanostruktur lässt sich nun ohne Probleme mit den Standardprozessen der CMOS-Technologie weiterbearbeiten. Das Aufbringen einer Lackschicht und deren Entfernung stellt kein Problem dar. Durch den geringen Brechungsindex von 1 ,38 und die geringe Absorption im Wellenlängenbereich von 150 nm oder 180 nm bis 1100 nm ist die optische Funktion der Nanostruktur 2 nur geringfügig verschlechtert.The protected nanostructure can now be further processed without any problems using the standard processes of CMOS technology. The application of a resist layer and its removal is not a problem. Due to the low refractive index of 1.38 and the low absorption in the wavelength range of 150 nm or 180 nm to 1100 nm, the optical function of the nanostructure 2 is only slightly deteriorated.
Fig. 3c zeigt entsprechende Messergebnisse für die Reflexion des optischen Fensters 303 für Situationen mit einer ARC (antireflektierenden) Schicht, mit blanken Silizium, jeweils ohne die Struktur 2, und für die Bauelemente 300 nach Fig. 3a und 3b. Es bleibt bei einer Breitband-Entspiegelung, die mit 3,5 % Reflexion deutlich besser ist als die glatte blanke Siliziumgrenzfläche mit > 30 %.FIG. 3c shows corresponding measurement results for the reflection of the optical window 303 for situations with an ARC (antireflecting) layer, with bare silicon, FIG. each without the structure 2, and for the components 300 of FIG. 3a and 3b. It remains at a broadband anti-reflection, which is significantly better with 3.5% reflection than the smooth bare silicon interface with> 30%.
Eine Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer mit Nanometerdimensionen besteht, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes Spin- On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist.One embodiment relates to a method for protecting a layer consisting of 4: 1 and larger with nanometer dimensions of acicular silicon tips with a high aspect ratio, wherein a spin-on-glass adapted in its properties to the requirements of the layer to be passivated is applied in several steps is tempered after each application until a smooth surface is formed.
In einer weiteren Ausführungsform werden für Schichten aus nadeiförmigen Siliziumspitzen, die in Fenstern von fotoelektrischen Bauelementen vorhanden sind, SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufgebracht.In another embodiment, SOG layers of hydrogen silsesquioxane (HSQ) are applied to layers of acicular silicon tips present in windows of photoelectric devices.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird.A further embodiment relates to a method for protecting a layer, which consists of acicular silicon tips with a high aspect ratio and is part of a chemical sensor, wherein applied in several steps in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated gas-permeable porous spin-on glass and is tempered after each application until a smooth surface is formed, and in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed in the last mask process again.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes flüssigkeitsdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird.Another embodiment relates to a method for protecting a layer which consists of acicular silicon tips with a high aspect ratio and is part of a chemical sensor, wherein applied in several steps in its properties adapted to the requirements of the layer to be passivated liquid-permeable porous spin-on glass and is tempered after each application until a smooth surface is formed, and in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed in the last mask process again.
Mit Bezug zu den Figuren 4a und 4b werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen den Materialabtrag beim Ausbilden einer Nanostruktur mit nadeiförmigen Spitzen und großen Aspektverhältnis verringert wird und so die Fertigungstoleranzen und die Ausbeute zu verbessert werden. Die durch zuvor erläuterten RIE-Prozess (Reactive Ion Etching) selbstorganisiert hergestellten "pyramidenähnlichen Nanometerstrukturen" (kurz Nanostrukturen), wie sie bereits zuvor beschrieben sind, benötigen eine gewisse Zeit bis zu ihrer vollständigen Ausbildung. Da der Ätzprozess bereits von Anfang an wirksam ist, entsteht ein teils erheblicher Materialabtrag. Dieser Effekt kann durch eine angepasste Pufferschicht verringert oder ganz unterdrückt werden.With reference to Figures 4a and 4b, further embodiments are described in which material removal during formation of a nanostructure with acicular tips and high aspect ratio is reduced, thus improving manufacturing tolerances and yield. The "pyramid-like nanometer structures" (short nanostructures) self-organized by the previously explained RIE (Reactive Ion Etching) process, as described above, take some time to complete their formation. Since the etching process is already effective from the beginning, there is a considerable amount of material removal. This effect can be reduced or completely suppressed by an adapted buffer layer.
Dadurch werden die Vorteile erreicht, dass der Ätzabtrag der dotierten Oberflächenschichten des Gebietes im Fenster der optisch aktiven Komponenten oder von Sensorelementen verringert wird und darüber hinaus das Aspektverhältnis einfach variiert werden kann.This achieves the advantages that the etching removal of the doped surface layers of the region in the window of the optically active components or of sensor elements is reduced and, moreover, the aspect ratio can easily be varied.
Fig. 4a zeigt einen typischen Prozessablauf in einzelnen Zwischenstufen zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Nanostruktur 2 (siehe Figuren 1a bis 1c), wobei beginnend von einer planen Siliziumfläche 411a auf einem Siliziumkörper 401 mit zunehmender Ätzdauer die Nanostruktur 2 in einem nicht maskierten Bereich 403 der Siliziumfläche 401a gebildet wird, wobei schließlich eine Materialschicht 405 des anfänglichen Siliziumvolumens 401 "verbraucht" wird.4a shows a typical process sequence in individual intermediate stages for the production of a previously described nanostructure 2 (see FIGS. 1a to 1c), starting from a planar silicon surface 411a on a silicon body 401 with increasing etching time, the nanostructure 2 in an unmasked region 403 of the silicon surface 401a, finally, a material layer 405 of the initial silicon volume 401 is "consumed".
Fig. 4b zeigt schematisch die Herstellung der Nanostruktur 2 mittels einer Pufferschicht 406, die eine geringere Ätzrate im Vergleich zu Silizium 401 aufweist. Somit wird zunächst eine deutlich weniger ausgeprägte Strukturierung 406a geschaffen, die dann in das Silizium 401 getrieben wird, wobei der Verbrauch des Siliziums 401 deutlich verringert oder sogar verhindert werden kann. Durch die Ätzeigenschaften und die Dicke der Pufferschicht 406 kann somit auch das Aspektverhältnis der Nanostruktur 2 (als 403a) eingestellt werden, wie dies zuvor beschrieben ist. Die Reste der Pufferschicht, als 406a dargestellt, können unter Ausnutzung der Ätzselektivität zwischen der Pufferschicht 406 und dem Silizium 401 entfernt werden, oder können beibehalten werden, wie dies gezeigt ist.FIG. 4 b schematically shows the production of the nanostructure 2 by means of a buffer layer 406, which has a lower etch rate compared to silicon 401. Thus, initially a much less pronounced structuring 406a is created, which is then driven into the silicon 401, wherein the consumption of the silicon 401 can be significantly reduced or even prevented. As a result of the etching properties and the thickness of the buffer layer 406, the aspect ratio of the nanostructure 2 (as 403a) can thus also be set, as described above. The remnants of the buffer layer, shown as 406a, may be removed using the etch selectivity between the buffer layer 406 and the silicon 401, or may be retained, as shown.
Mit Bezug zu Fig. 5 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen eine Basis-Nanostruktur oder eine Primärstruktur modifiziert wird, um gewünschte Oberflächeneigenschaften zu erhalten.With reference to FIG. 5, further embodiments are described in which a base nanostructure or a primary structure is modified to obtain desired surface properties.
Durch Freilegen vorhandener oder Aufbringen einer zusätzlichen Siliziumschicht, der anschließenden Strukturierung dieser Schicht mittels eines die Selbstorganisation von nadeiförmigen Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unterhalb der gebräuchlichen Lichtwellenlängen und mit großem Aspektverhältnis (Nanostrukturen) erzeugenden RIE-Prozesses ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur Maskierung beim Strukturieurungs-prozess in vorgesehenen Bereichen und Modifizieren, beispielsweise thermische Oxidation, dieser strukturierten Schicht wird eine geeignete Oberfläche, z.B. eine Siθ2-Schicht, mit annähernd gleicher Struktur erzeugt. Diese Schicht hat eine breitbandige Wirkung der Entspiegelung und kann auch in Sensorbauelementen zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch Vergrößerung der Anlagerungsfläche von Atomen und Molekülen beitragen.By exposing existing or applying an additional silicon layer, the subsequent structuring of this layer by means of a self-organization of needle-shaped structures with dimensions in the nanometer range below the usual wavelengths of light and with a high aspect ratio (nanostructures) generating RIE process without the use of additional means for masking the structuring process in intended areas and modifying, for example thermal oxidation, this structured layer is a suitable surface, for example a SiO 2 layer, produced with approximately the same structure. This layer has a broadband effect of the antireflection coating and can also contribute in sensor components to increase the sensitivity by increasing the attachment surface of atoms and molecules.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Erzeugung einer Passivierungsschicht aus einem gewünschten Material, etwa SiO2, auf lichtempfindlichen bzw. Licht aussendenden Bauteilen sowie auch auf Sensorbauelementen. Diese können sowohl diskret als auch mit Halbleiterschaltungen zusammen monolithisch integriert sein. Die Passivierungsschicht besteht auf ihrer Oberseite aus Strukturen mit nadeiförmigen Spitzen eines großen Aspektverhältnisses, und weist dadurch eine breitbandige Wirkung der Entspiegelung im üblichen Wellenlängenbereich auf.In a further embodiment, the invention relates to the generation of a passivation layer made of a desired material, such as SiO 2, on photosensitive or light-emitting components as well as on sensor components. These can be monolithically integrated both discretely and with semiconductor circuits. The passivation layer consists on its upper side of structures with needle-shaped tips of a large aspect ratio, and thus has a broadband effect of the anti-reflection in the usual wavelength range.
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, mit den derThe method of the invention makes it possible with the
Halbleiterbauelementetechnologie adäquaten Mitteln ein derartiges Oberflächenrelief, gekennzeichnet durch nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nanodimensionen, d. h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, mit geeignetem Oberflächenmaterial, etwa thermischem Siθ2, zu erzeugen.Semiconductor device technology adequate means such surface relief, characterized by needle-shaped structures with large aspect ratios in nanodimensions, d. H. in the range below the usual wavelengths of light, with suitable surface material, such as thermal SiO 2 to produce.
Somit können vorhandene Verfahren der Halbleitertechnologie angewendet werden, es werden keine zusätzlichen Störungen erzeugt und es wird eine Schicht mit breitbandiger Entspiegelung bzw. großer Anlagerungsoberfläche erzielt.Thus, existing methods of semiconductor technology can be applied, no additional interference is generated and a layer with broadband antireflection or large deposition surface is achieved.
Bei Anwendung einer Modifizierung durch Oxidation diffundiert bei den hohen Temperaturen der thermischen Oxidation der Sauerstoff wegen der Nadelform der einzelnen Spitzen in alle Richtungen in das Siliziumgitter ein. Der Prozess findet überall auf der großen Oberfläche statt. Daher sind Nadelstrukturen besonders schnell durchoxidiert. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und bietet die Möglichkeit, mit relativ geringem Aufwand eine sekundäre Nanostruktur bestehend aus SiO2 zu bilden, die sich auf andere Weise deutlich aufwändiger oder nur eingeschränkt herstellen lässt.When oxidation modification is used, at the high temperatures of thermal oxidation, oxygen diffuses in all directions into the silicon lattice because of the needle shape of the individual tips. The process takes place everywhere on the large surface. Therefore, needle structures are oxidized particularly quickly. The method is simple to use and offers the possibility of forming a secondary nanostructure consisting of SiO 2 with relatively little effort, which can be produced in a significantly more complicated or restricted manner in other ways.
Die Siθ2-Schicht wächst in zwei Richtungen. Einerseits dehnt sie sich in das Silizium hinein aus und andererseits wächst die Gesamtstruktur wegen der Volumenzunahme des SiO2. Das Silizium wird zumindest im Spitzenbereich vollständig in SiO2 umgewandelt. Das Oberflächenrelief des Siliziums wird dabei unter geringfügiger Veränderung auf die neue Siθ2-Schicht übertragen, während die Grenzfläche Si/Siθ2 gegenüber der ursprünglichen Si-Oberflache stark eingeebnet wird.The SiO 2 layer grows in two directions. On the one hand it expands into the silicon and on the other hand the whole structure grows because of the volume increase of the SiO2. The silicon is completely converted into SiO2, at least in the tip region. The surface relief of the silicon becomes less Transfer change to the new SiO 2 layer, while the interface Si / SiO 2 is greatly leveled compared to the original Si surface.
In anderen Ausführungsformen werden andere Modifizierungsverfahren durchgeführt, etwa eine Nitrierung, bei der Stickstoff in das Silizium eingelagert wird, um damit die Oberflächeneigenschaften zu ändern. Auch können Dotiermittel oder Stoffe zur Oberflächenmodifizierung oder auch zu einer teilweise bis tief in die Nadeln hineinreichenden Materialänderungen eingebracht werden.In other embodiments, other modification processes are performed, such as nitriding, where nitrogen is incorporated into the silicon to alter the surface properties. It is also possible to introduce dopants or substances for surface modification or also for material changes that sometimes extend deep into the needles.
Figur 5 veranschaulicht eine Prozessabfolge. Im oberen Teil der Fig. 5 ist eineFIG. 5 illustrates a process sequence. In the upper part of Fig. 5 is a
Nanostruktur 2, die durch zuvor beschiebene Verfahren hergestellt werden kann, in einem Bereich 503a einer Siliziumbasisschicht 503 gebildet.Nanostructure 2, which can be produced by previously beschiebe process, formed in a region 503 a of a silicon-based layer 503.
Im unteren Teil der Figur ist die Nanostruktur 2b gezeigt, nachdem sie einen Modifizierungsprozess durchlaufen hat, der in dieser Ausführungsform eine thermische Oxidation, eine Plasmaoxidation, eine nasschemische Oxidation, und dergleichen, beinhalten kann.In the lower part of the figure, the nanostructure 2b is shown after undergoing a modification process, which in this embodiment may include thermal oxidation, plasma oxidation, wet chemical oxidation, and the like.
Durch die stark zerklüftete Oberfläche erhöht sich deren Fläche erheblich, wodurch sich die Eigenschaften deutlich ändern. Gase bleiben recht lange in der Struktur lokalisiert. Die vergrößerte Oberfläche bietet eine viel größere Angriffsfläche für sich anlagernde Moleküle und kann damit die Empfindlichkeit von Sensoren deutlich steigern.Due to the strongly fissured surface, their surface increases considerably, which significantly changes their properties. Gases stay localized in the structure for a long time. The increased surface area provides a much larger attack surface for attaching molecules and can thus significantly increase the sensitivity of sensors.
Im optischen Bereich sind die Strukturen dahingehend interessant, dass sie in ihrer lateralen Größe kleiner als die Lichtwellenlänge (VIS/NIR) sind und durch ihre Form und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Sie ermöglichen damit eine Impedanzanpassung die zu einer hervorragenden breitbandigen Reflexionsunterdrückung führt, ohne dabei das Licht zu streuen.In the optical domain, the structures are interesting in that their lateral size is smaller than the wavelength of the light (VIS / NIR) and, due to their shape and the high aspect ratios, give off an almost perfect gradient layer. They thus allow an impedance matching which leads to an excellent broadband reflection suppression, without scattering the light.
Da für die meisten Halbleiterbauelemente eine Passivierungsschicht notwendig ist und diese durch Siθ2 realisiert werden kann, bietet sich die Erfindung gerade auch für optische Bauelemente an. Sie ermöglicht das Aufbringen einer Passivierungsschicht, ohne dabei die üblichen Reflexionsverluste von 3,5 % (SiO2/Luft Übergang) zu verursachen.Since a passivation layer is necessary for most semiconductor components and this can be realized by SiO 2 , the invention is also suitable for optical components. It allows the application of a passivation layer without causing the usual reflection losses of 3.5% (SiO2 / air transition).
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche von Halbleiterbauelementen aus Silizium mittels einer Siθ2-Schicht, die nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen, d.h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Siliziums lokal freigelegt wird und anschließend mittels eines reaktiven lonenätzprozesses primäre nadelartigen Siliziumstrukturen mit Nano-Dimensionen erzeugt werden und diese strukturierte Siliziumoberfläche anschließend durch thermische Oxidation vollständig in sekundäre, ebenfalls nadelartige SiO2 Strukturen überführt wird.A further embodiment relates to a method for passivating the surface of semiconductor components made of silicon by means of a SiO 2 layer, which has acicular structures with large aspect ratios in nano-dimensions, ie in the range below the usual wavelengths of light, characterized in that the Surface of the silicon is exposed locally and then by means of a reactive ion etching primary needle-like silicon structures are generated with nano-dimensions and this structured silicon surface is then converted by thermal oxidation completely into secondary, also needle-like SiO 2 structures.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche von Halbleiterbauelementen aus Silizium mittels einer Siθ2-Schicht, die nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen, d.h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Siliziumschicht auf der Oberfläche abgeschieden wird und anschließend mittels eines reaktiven lonenätzprozesses primäre nadelartigen Strukturen in dieser Siliziumschicht mit Nanodimensionen erzeugt werden und diese strukturierte Siliziumschicht anschließend durch thermische Oxidation vollständig oder teilweise in sekundäre, ebenfalls nadelartige Siθ2 Strukturen überführt wird.A further embodiment relates to a method for passivating the surface of silicon semiconductor devices by means of a SiO 2 layer, which has acicular structures with large aspect ratios in nano-dimensions, ie in the range below the usual wavelengths of light, characterized in that a silicon layer on the surface is then deposited and then by means of a reactive ion etching primary needle-like structures in this silicon layer with nanodimensions are generated and this structured silicon layer is then converted by thermal oxidation completely or partially into secondary, also needle-like SiO 2 structures.
In einer weiteren Ausführungsform werden die notwendigen primären Nanostrukturen im Silizium durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskiernde Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt.In a further embodiment, the necessary primary nanostructures in the silicon by reactive ion etching (reactive ion etching - RIE) using the working gases oxygen and SFε in a single process step without using additional means for targeted mask formation in structuring process only by adjusting the process parameters so that Oxygen at the reaction point on the silicon wafer shows a Selbstmaskiernde effect and takes place a self-organization of the needle-like structures.
Mit Bezug zu den Figuren 6a bis 6c werden nun weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, in denen Nanostrukturen auf Siliziumbasis als breitbandige optische Absorber eingesetzt werden.With reference to FIGS. 6a to 6c, further embodiments of the invention will now be described in which silicon-based nanostructures are used as broadband optical absorbers.
Siliziumoberflächen mit einer durch ein RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostruktur können hervorragend als Absorber dienen, wobei nahezu alles Licht im Bereich von 180-1100 nm absorbiert wird. Ebenso sind sie gut für die Strahlungsabgabe geeignet. Durch das Aufbringen einer dünnen zusätzlichen Schicht kann der Wellenlängenbereich der Absorption und Emission noch deutlich erweitert werden.Silicon surfaces with a self-assembled nanostructure created by an RIE process can serve as an excellent absorber, absorbing nearly all light in the range of 180-1100 nm. Likewise, they are well suited for the radiation delivery. By applying a thin additional layer, the wavelength range of the absorption and emission can be significantly extended.
Dieser Aspekt bezieht sich auf die Anwendung von strukturierten Oberflächen von Siliziumkristallkörpern, die eine möglichst hohe Lichtabsorption für einen großen Wellenlängenbereich garantieren. Für diesen Zweck müssen die Grenzflächeneigenschaften zwischen zwei Medien so verändert sein, dass zwischen ihnen kein Impedanzsprung, also keine Unstetigkeit des Brechungsindex, auftritt, sondern die unterschiedlichen Impedanzen stetig ineinander übergehen.This aspect relates to the use of structured surfaces of silicon crystal bodies which guarantee the highest possible absorption of light for a large wavelength range. For this purpose, the interface properties between two media must be changed so that between They no impedance jump, so no discontinuity of the refractive index occurs, but the different impedances continuously merge into each other.
Damit werden die Vorteile erreicht, dass die nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis in statistisch homogener Verteilung auf der Oberfläche ein effektives Medium bilden, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Dadurch kann im gesamten sichtbaren Bereich, für die Modifikation einer Siliziumoberfläche, eine Absorption von über 99% erreicht werden. Sogar über den sichtbaren Bereich hinaus wird eine solch gute Absorption erreicht.Thus, the advantages are achieved that the needle-shaped silicon tips with a high aspect ratio in a statistically homogeneous distribution on the surface form an effective medium, which ensures the continuous transition of the two material properties. As a result, an absorption of more than 99% can be achieved in the entire visible range, for the modification of a silicon surface. Even beyond the visible range, such good absorption is achieved.
In der Figur 6a sind Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen abgebildet.FIG. 6 a shows measurement results of the optical reflection of modified silicon surfaces in comparison to untreated surfaces.
Figur 6b zeigt die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail.FIG. 6b shows the extremely small and wavelength-independent reflection of the modified silicon surface in detail.
Figur 6c zeigt die direkte Absorptionsmessung durch die photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS).FIG. 6c shows the direct absorption measurement by photothermal deflection spectroscopy (PDS).
Ab einer Wellenlänge von 1100 nm wird Silizium transparent und absorbiert kein Licht mehr. Um auch im Wellenlängenbereich oberhalb von 1100 nm noch als Absorber zu wirken, kann die strukturierte Siliziumoberfläche beispielsweise mit einer dünnen Metallschicht beschichtet werden. Das Metall übernimmt dabei die Funktion des absorbierenden Materials, wobei die Oberflächenmodifikation durch die Struktur im Silizium gegeben ist.From a wavelength of 1100 nm, silicon becomes transparent and no longer absorbs any light. In order to still act as an absorber in the wavelength range above 1100 nm, the structured silicon surface can be coated, for example, with a thin metal layer. The metal takes over the function of the absorbent material, the surface modification is given by the structure in the silicon.
Die Erfindung wirkt nicht nur in eine Richtung, also von Material A nach Material B, sondern genauso gut auch in umgekehrter Richtung, von Material B nach Material A. Damit dient sie ebenso der Verbesserung der Emission im betroffenen Wellenlängenbereich.The invention not only acts in one direction, ie from material A to material B, but equally well in the opposite direction, from material B to material A. Thus, it also serves to improve the emission in the affected wavelength range.
Der besondere Vorzug der breitbandig und effizient absorbierenden selbstorganisierten Nanostrukturen auf der Siliziumoberfläche kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft ausgenutzt werden. Solche Schichten können vorzugsweise in optischen Geräten oder Komponenten angewendet werden. Dabei sei beispielhaft die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten genannt oder die Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing), bei denen es auf eine möglichst vollständige Absorption des eingestrahlten Lichtes ankommt, um einen möglichst hohen Kontrastwert zu erzielen. Außerdem ist es für die farblich korrekte Darstellung notwendig, dass die Absorptionseigenschaften über einen großen Wellenlängenbereich konstant sind. Andere Anwendungen ergeben sich überall da, wo sichergestellt werden muss, dass eingestrahltes Licht wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird. Durch die guten breitbandigen Eigenschaften kann die Erfindung auch als Reflexionsstandard für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung ist die verbesserte Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen wie LEDs, oder LASER vorkommt. Durch die Metallbeschichtung ist eine Emission von Wärmestrahlung möglich. Dies kann zur gezielten Wärmeabgabe oder auch für die effizientere Kühlung angewandt werden. Eine interessante Anwendung diesbezüglich ist die Reduzierung einer Kühlfläche eines Bauelementes durch die verbesserte Wärmeabgabe.The particular advantage of broadband and efficiently absorbing self-assembled nanostructures on the silicon surface can be advantageously exploited in many applications. Such layers may preferably be used in optical devices or components. An example of this is the lining of precision-optical devices or the absorption surface in digital projectors with mirror technology (digital light processing), in which the most complete absorption of the incident light is required in order to achieve the highest possible contrast value. Besides, it is for the color correct Representation necessary that the absorption properties over a large wavelength range are constant. Other applications arise everywhere, where it must be ensured that incident light wavelength-independent as completely as possible is converted into heat. Due to the good broadband properties, the invention can also be used as a reflection standard for very low reflection values. Another application is the improved radiation output, as occurs in optical components such as LEDs, or LASER. Due to the metal coating, an emission of heat radiation is possible. This can be used for targeted heat dissipation or for more efficient cooling. An interesting application in this regard is the reduction of a cooling surface of a component by the improved heat dissipation.
Eine Ausführungsform betrifft mit dem RIE-Verfahren auf Siliziumoberflächen erzeugte selbstorganisierte nadelartige Strukturen in Nano-Dimensionen mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlängen und mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 , die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFe (ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation) während des Ätzprozesses in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wie bereits erläutert wurde, wobei diese Nanostrukturen in Form von Schichten als breitbandige optische Absorber für die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten eingesetzt werden.One embodiment relates to self-organized needle-like structures in nano-dimensions with dimensions smaller than the wavelengths of light and with an aspect ratio greater than 4: 1, which are produced using the working gases oxygen and SFe (without the use of additional means for targeted mask formation) on silicon surfaces. during the etching process in a single process step, as already explained, wherein these nanostructures are used in the form of layers as broadband optical absorbers for the lining of precision optical devices.
In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen als Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) eingesetzt.In a further embodiment, the needle-like structures are used as absorption surface in digital projectors with mirror technology (digital light processing).
In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Geräte eingesetzt, bei denen die optische Strahlung wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird.In a further embodiment, the needle-like structures are used for devices in which the optical radiation is converted as completely as possible into heat independent of wavelength.
In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen zu Zwecken der verbesserten Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen, z.B. LEDs, oder LASER vorkommt, eingesetzt.In a further embodiment, the needle-like structures are for purposes of improved radiation delivery as used in optical devices, e.g. LEDs, or LASER occurs, used.
In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Reflexionsstandards für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt.In another embodiment, the needle-like structures for reflection standards are used for very low reflectance values.
In einer weiteren Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit einer dünnen Metallschicht überzogen. In einer weiteren Ausführungsform dient die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe.In another embodiment, the needle-like structures are coated with a thin metal layer. In a further embodiment, the metal layer of the targeted heat dissipation.
Mit Bezug zu Fig. 7 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen IR- Fenster mit hoher Transmission bereit gestellt werden.With reference to FIG. 7, further embodiments are described in which IR windows with high transmission are provided.
Die breitbandige Entspiegelung von Silizium durch eine mit dem RIE-Verfahren erzeugte selbstorganisierte Nanostruktur, wie sie zuvor beschrieben ist, kann hervorragend als IR (infrarot)-Fenster verwendet werden. Dabei wird nahezu alles Licht im Bereich oberhalb von 1100 nm transmittiert.The broadband anti-reflection of silicon by a self-assembled nanostructure created by the RIE method, as described above, can be excellently used as an IR (infrared) window. Nearly all light is transmitted in the range above 1100 nm.
Silizium kann als IR-Fenster verwendet werden. Bei einer Wellenlänge von größer 1000 nm beginnt Silizium transparent zu werden und absorbiert immer weniger Licht. Da die Grenzfläche Luft/Silizium eine Reflexion von mehr als 30 % aufweist und ein Fenster immer zwei Grenzflächen hat, lässt ein unbehandeltes Stück Silizium trotz seiner Transparenz im Infraroten nur etwa 50 % der eingestrahlten Lichtmenge hindurch, die andere Hälfte geht durch Reflexion verloren.Silicon can be used as an IR window. At a wavelength of greater than 1000 nm, silicon begins to become transparent and absorbs less and less light. Since the air / silicon interface has a reflection of more than 30% and a window always has two interfaces, an untreated piece of silicon, despite its transparency in the infrared, transmits only about 50% of the incident light quantity, the other half being lost by reflection.
Durch Bereitstellen eines IR-Fensters auf der Grundlage einer Nanostruktur, wie sie zuvor beschrieben ist, werden die Vorteile erreicht, dass die durch das RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostrukturen ein effektives Medium bilden, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Dadurch kann im infraroten Bereich mit der Modifikation der Siliziumoberflächen eine Transmission von über 90% erreicht werden. Die modifizierte Oberfläche erfüllt ihre Aufgabe, indem sie die Grenzflächen-Eigenschaften zwischen dem Silizium und Luft bzw. Vakuum so verändert, dass zwischen ihnen kein Impedanzsprung auftritt, sondern die unterschiedlichen Impedanzen stetig ineinander übergehen. Dabei ist das Material für den gewünschten Wellenlängenbereich nicht absorbierend. Die Grenzflächenmodifikation des Siliziums dient der Reflexionsunterdrückung und somit der verbesserten Transmission.By providing a nanostructure-based IR window as described above, the advantages are achieved that the self-assembled nanostructures created by the RIE process form an effective medium that provides for the smooth transition of the two material properties. As a result, a transmission of more than 90% can be achieved in the infrared range with the modification of the silicon surfaces. The modified surface fulfills its task by changing the interface properties between the silicon and air or vacuum such that no impedance jump occurs between them, but the different impedances continuously merge into one another. The material is not absorbent for the desired wavelength range. The interfacial modification of silicon serves to suppress reflection and thus improve transmission.
Wichtig dabei ist die Form der nadeiförmigen Strukturen der Oberfläche. Die Strukturen bilden ein effektives Medium, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Eine einseitige Oberflächenmodifizierung erreicht bereits eine Transmission von etwa 70%.Important here is the shape of the needle-shaped structures of the surface. The structures form an effective medium, which ensures the continuous transition of the two material properties. A one-sided surface modification already achieves a transmission of about 70%.
In der Figur 7 ist die Transparenz einer Probe mit einseitig modifizierter Oberfläche dargestellt. Für infrarotes Licht ab 1200 nm werden die theoretischen Werte von 70 % gut getroffen. Ein Problem bei einer zweiseitigen Oberflächenmodifizierung stellt die geringe mechanische Belastbarkeit der erzeugten Strukturen dar, so dass die Handhabung des Fensters erschwert wird.FIG. 7 shows the transparency of a sample with a surface modified on one side. For infrared light from 1200 nm, the theoretical values of 70% are well hit. A problem with a two-sided surface modification is the low mechanical strength of the structures produced, so that the handling of the window is difficult.
Die Oberflächenmodifizierung kann mit konventionellen Fotolackmaskierungstechniken auf bestimmte Bereiche begrenzt werden, so dass sich mechanisch beanspruchte von optisch transparenten Bereichen einfach separieren lassen. Damit ist der Nachteil der schwierigen Handhabung beseitigt, ein stabiler, gegebenenfalls auch luft-, flüssigkeits- oder vakuumdichter Einbau eines derartigen Fensters ist ohne weiteres möglich.The surface modification can be limited to specific areas with conventional photoresist masking techniques, so that mechanically stressed areas can be easily separated from optically transparent areas. Thus, the disadvantage of difficult handling is eliminated, a stable, possibly also air, liquid or vacuum-tight installation of such a window is readily possible.
Eine Ausführungsform betrifft ein optisches Fenster aus Silizium mit verbesserter breitbandiger Transparenz im IR-Bereich, wobei zumindest eine der beiden Oberflächen mit dem RIE-Verfahren nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem großen Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen, die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt selbstorganisierend erzeugt wurden, wie zuvor erläutert.One embodiment relates to an optical window made of silicon with improved broadband transparency in the IR range, wherein at least one of the two surfaces having the RIE method needle-like structures in nanodimensions with a high aspect ratio greater than 4: 1, using the working gases oxygen and SFε were generated in a self-organizing manner in a single process step, as explained above.
Auch beide Oberflächen des Fensters können mit den pyramidenähnlichen Nadeln versehen werden.Both surfaces of the window can be provided with the pyramid-like needles.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Nanostrukturen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) gegen mechanische Zerstörung geschützt.In a further embodiment, the nanostructures are protected against mechanical destruction by means of an SOG (spin-on-glass) layer.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Schutz aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ).In another embodiment, the protection is hydrogen silsesquioxane (HSQ).
In einer weiteren Ausführungsform wird die reflexionsmindernde Nanostrukturierung mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt, um damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche bereit zu stellen.In a further embodiment, the reflection-reducing nanostructuring is limited to certain areas of the window by means of conventional masking technology in order to provide untreated, mechanically stable and easily sealable areas against air, liquids and vacuum.
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Claims

Patentansprüche: claims:
1. Fotoelektronisches Bauelement mit1. Photoelectronic component with
- einem optisch aktiven Fenster zum Eintritt und/oder Austritt von Strahlung,an optically active window for entry and / or exit of radiation,
- einer an einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehenen Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einem Endbereich und einem Fußbereich, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und dera nanostructure, provided on a surface of the optically active window, with randomly distributed structural elements having an end area and a foot area, the tip of the end area having a lateral extent of less than 10 nanometers, and
Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.Foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more, and wherein an aspect ratio of the structural elements, that is, the height of the structural elements and the lateral extent at the foot, is on average greater than 4.
2. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , das ferner eine Passivierungsschicht aufweist, die das optisch aktive Fenster frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Strukturelemente sich im Wesentlichen bis zu der Grenze erstrecken.2. A photoelectronic device according to claim 1, further comprising a passivation layer which leaves the optically active window and forms a boundary therewith, wherein the structural elements extend substantially to the limit.
3. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.3. Photoelectronic component according to claim 1 or 2, wherein the structural elements are constructed of single-crystalline semiconductor material.
4. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei die Nanostruktur eine einkristalline Basisschicht aufweist, auf der die Strukturelemente angeordnet sind, und wobei eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente im Wesentlichen gleich ist zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht.4. The photoelectronic component according to claim 3, wherein the nanostructure comprises a monocrystalline base layer on which the structural elements are arranged, and wherein a crystal defect density of the structural elements is substantially equal to the crystal defect density of the base layer.
5. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.5. The photoelectronic component according to claim 3, wherein the semiconductor material is silicon.
6. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut sind.6. Photoelectronic component according to claim 1 or 2, wherein the structural elements are at least partially constructed of an insulating material.
7. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, wobei das isolierende Material Siliziumdioxid oder Silizid oder Siliziumoxynitrid ist. 7. The photoelectronic component according to claim 6, wherein the insulating material is silicon dioxide or silicide or silicon oxynitride.
8. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1500 Nanometern liegt.8. The photoelectronic component according to one of claims 1 to 7, wherein a height of the structural elements in the range of 400 nanometers to 1500 nanometers.
9. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner eine Einebnungsschicht in dem optisch aktiven Fenster aufweist, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.9. The photoelectronic component according to claim 1, further comprising a planarization layer in the optically active window, wherein the structural elements of the nanostructure are embedded in the planarization layer.
10. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.10. The photoelectronic component according to claim 9, wherein the material of the planarization layer has a refractive index of 1, 5 or smaller.
11. Fotoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ferner eine zweite Nanostruktur an einer zweiten Grenzfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehen ist.11. A photoelectric device according to any one of claims 1 to 10, further comprising a second nanostructure at a second interface of the optically active window.
12. Fotoelektrisches Bauelement nach Anspruch 11 , wobei die zumindest eine Nanostruktur in einer Schutzschicht eingebettet ist, insbesondere auch die zweite Nanostruktur. 12. The photoelectric component according to claim 11, wherein the at least one nanostructure is embedded in a protective layer, in particular also the second nanostructure.
13. Sensorbauelement mit: einer Sensoroberfläche, die durch eine Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen gebildet ist, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.13. A sensor device comprising: a sensor surface formed by a nanostructure having randomly distributed structural elements, wherein the structural elements have an end region and a foot region, wherein the tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more, and wherein an aspect ratio of the structural elements, that is, the height of the structural elements and the lateral extent at the foot, is on average greater than 4.
14. Sensorbauelement nach Anspruch 13, wobei die Sensoroberfläche aus einem isolierendem Material gebildet ist.14. Sensor device according to claim 13, wherein the sensor surface is formed of an insulating material.
15. Sensorbauelement nach Anspruch 13 oder 14, das ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur aufweist.15. Sensor device according to claim 13 or 14, further comprising a porous planarization layer for embedding the nanostructure.
16. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Strukturelemente zumindest teilweise aus Silizium aufgebaut sind.16. Sensor component according to one of claims 13 to 15, wherein the structural elements are at least partially constructed of silicon.
17. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1500 Nanometern liegt.17. Sensor device according to one of claims 13 to 16, wherein a height of the structural elements in the range of 400 nanometers to 1500 nanometers.
18. Optische Beschichtungsstruktur zur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten, mit einer Basisschicht und einer auf der Basisschicht aufgebrachten Nanostruktur mit statistisch verteilten18. Optical coating structure for use in optical devices or optical devices, comprising a base layer and a randomly distributed nanostructure applied to the base layer
Strukturelementen, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.Structural elements, wherein the structural elements have an end region and a foot region, wherein the tip of the end region has a lateral extent of less than 10 nanometers and the foot region has a lateral extent of 50 nanometers or more, and wherein an aspect ratio of the structural elements, ie, the height the structural elements and the lateral extent at the foot area, on average greater than 4.
19. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.19. An optical coating structure according to claim 18, wherein the structural elements are constructed of single crystal semiconductor material.
20. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei die Basisschicht einkristallin ist, und wobei eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente im Wesentlichen gleich ist zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht. The optical coating structure according to claim 19, wherein the base layer is single crystalline, and wherein a crystal defect density of the structural elements is substantially equal to the crystal defect density of the base layer.
21 . Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.21. The optical coating structure of claim 19, wherein the semiconductor material is silicon.
22. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente 5 zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut sind.22. An optical coating structure according to claim 18, wherein the structural elements 5 are at least partially constructed of an insulating material.
23. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 22, wobei das isolierende Material Siliziumdioxid ist.The optical coating structure of claim 22, wherein the insulating material is silicon dioxide.
lo 24. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Höhen der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1000 nm, insbesondere auch bis 1500 Nanometern liegen.lo 24. An optical coating structure according to any one of claims 18 to 23, wherein the heights of the structural elements in the range of 400 nanometers to 1000 nm, in particular up to 1500 nanometers.
25. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 24, die ferner i5 eine Einebnungsschicht aufweist, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.The optical coating structure according to any one of claims 18 to 24, further comprising i5 a planarization layer, wherein the structural elements of the nanostructure are embedded in the planarization layer.
26. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 25, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.26. The optical coating structure according to claim 25, wherein the material of the leveling layer has a refractive index of 1, 5 or smaller.
2020
27. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen aufgebracht ist.27. An optical coating structure according to any one of claims 18 to 26, wherein a conformal metal layer is deposited on the structural elements.
28. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 27, wobei die Metallschicht der 25 gezielten Wärmeabgabe dient.28. An optical coating structure according to claim 27, wherein the metal layer of the 25 serves targeted heat release.
29. Optisches Gerät mit einer Auskleidung als breitbandigem optischen Absorber, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.29. An optical device having a liner as a broadband optical absorber, the liner comprising an optical coating structure according to any one of claims 18 to 28.
3030
30. Digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche, die eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.30. Digital projector with mirroring technology (digital light processing) having an absorption surface comprising an optical coating structure according to any one of claims 18 to 28.
35 31. Gerät mit einer Einrichtung zur wellenlängenunabhängigen Umwandlung optischer Strahlung in Wärme, wobei die Einrichtung zur Umwandlung optischer Strahlung in Wärme eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst, 31. Apparatus comprising means for wavelength-independent conversion of optical radiation into heat, wherein the means for converting optical radiation to heat comprises an optical coating structure according to any one of claims 18 to 28,
32. Optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster, das eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.32. An optical element for emitting optical radiation with an exit window, which comprises an optical coating structure according to one of claims 18 to 28.
5 33. Optisches Element nach Anspruch 32, wobei das Austrittsfenster mit einer Leuchtdiode oder einem LASER gekoppelt ist.33. The optical element of claim 32, wherein the exit window is coupled to a light emitting diode or a laser.
34. Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der lo Ansprüche 18 bis 28 umfasst.34. Reflection reference device for determining low reflectance values, wherein the device comprises an optical coating structure according to one of lo claims 18 to 28.
35. Fotoelektronisches Bauelement mit einer im optisch aktiven Fensterbereich vorgesehenen reflexions-mindernden Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, kristalldefektarmen Siliziumnadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 i5 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 .35. Photoelectronic component having a reflection-reducing layer provided in the optically active window region of statistically regularly distributed, crystal defect-poor silicon needles with a height of 400 to 1500 i5 nm and an aspect ratio greater than 4: 1.
36. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 35, wobei die Siliziumnadeln eine Spitze aufweisen, deren laterale Ausdehnung weniger als 10 nm beträgt.36. The photoelectronic component according to claim 35, wherein the silicon needles have a tip whose lateral extent is less than 10 nm.
20 37. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 36, wobei ein Fußbereich der Siliziumnadeln eine laterale Ausdehnung von 50 nm oder mehr aufweist.37. The photoelectronic component according to claim 36, wherein a foot region of the silicon needles has a lateral extent of 50 nm or more.
38. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 35 bis 37, das eine Passivierungsschicht aufweist, die den aktiven Fensterbereich frei lässt und mit 25 diesem eine Grenze bildet, wobei die Siliziumnadeln bis zu einem Abstand zu der Grenze ausgebildet sind, der kleiner ist als eine Dicke, insbesondere einer halben Dicke der Passivierungsschicht. 38. A photoelectronic device according to any one of claims 35 to 37, which has a passivation layer which leaves free the active window area and forms a boundary therewith, wherein the silicon needles are formed to a distance to the boundary, which is smaller than a thickness , in particular a half thickness of the passivation layer.
39. Optisches Fenster, das Silizium aufweist und eine breitbandige Transparenz im IR-Bereich besitzt, wobei zumindest eine, bevorzugt beide Oberflächen des Fensters nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen.39. An optical window, which has silicon and has a broadband transparency in the IR range, wherein at least one, preferably both surfaces of the window have needle-like structures in nanodimensions with an aspect ratio greater than 4: 1.
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40. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) vor mechanischer Einwirkung geschützt sind.40. An optical window according to claim 39, wherein the needle-like structures are protected with nanodimensions with an SOG (spin-on-glass) layer from mechanical action.
lo 41 . Optisches Fenster nach Anspruch 40, wobei das Schutzmaterial Hydrogen- Silses-Quioxane (HSQ) aufweist.lo 41. An optical window according to claim 40, wherein the protective material comprises hydrogen silsesquioxane (HSQ).
42. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte i5 Bereiche des Fensters begrenzt sind und damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche verbleiben. 42. The optical window according to claim 39, wherein the needle-like structures with nanodimensions are delimited by means of conventional masking technology to specific areas of the window and thus remain untreated, mechanically stable and easily sealable areas against air, liquids and vacuum.
43. Verfahren zur Anpassung des Brechungsindex eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst:43. A method of adjusting the refractive index of an optically active window of a photoelectric device, the method comprising:
(a) Erzeugen einer Nanostruktur im Oberflächenbereich des Fensters mittels eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Ätzung einer s Siliziumbasisschicht;(a) generating a nanostructure in the surface region of the window by means of a self-organized plasma etching process for etching a silicon base layer;
(b) Einstellen eines Aspektverhältnisses von Strukturelementen der Nanostruktur, die in der Siliziumbasisschicht erzeugt werden, auf einen Wert von vier oder höher in Abhängigkeit eines Betriebswellenlängenbereichs des fotoelektrischen Bauelements.(b) setting an aspect ratio of structural elements of the nanostructure generated in the silicon base layer to a value of four or higher depending on an operating wavelength range of the photoelectric device.
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44. Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Strukturelemente als nadelartige Strukturelemente während des Plasmaätzprozesses durch Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff (O2) und Schwefelhexafluorid (SF6), ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen s Prozessschritt erzeugt werden, wobei die Siliziumbasisschicht während des44. The method according to claim 43, wherein the structural elements are produced as needle-like structural elements during the plasma etching process by using the working gases oxygen (O 2 ) and sulfur hexafluoride (SF 6 ) without the use of additional means for targeted mask formation in a single process step, wherein the silicon base layer during the
Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27°C ± 5°C gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100W bis 300W gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den o geometrischen Anlagenparametem so eingestellt ist, dass der Sauerstoff imHeld at a constant temperature in the range of 27 ° C ± 5 ° C and working with a plasma power in the range of about 100W to 300W, with higher plasma power at higher process pressures are necessary and the ratio of working gas flows depending on the o geometric Anlagenparametem is set so that the oxygen in the
Reaktionspunkt auf der Siliziumbasisschicht eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF6:zwischen 50 bis 150 sccm und für O2:zwischen 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt. 5Reaction point on the silicon base layer shows a self-masking effect, which can be achieved in the range of gas flows for SF 6 : between 50 to 150 sccm and for O 2 : between 20 to 200 sccm and the process time is only a few minutes. 5
45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, das ferner ein Bilden einer Schutzschicht für die Nanostruktur mit einer im wesentlichen planen Oberfläche umfasst .45. The method of claim 43 or 44, further comprising forming a protective layer for the nanostructure having a substantially planar surface.
46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Nanostruktur angepasstes Spin-On-Glas (SOG) aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis die plane Oberfläche ausgebildet ist.46. Method according to claim 45, wherein in several steps a spin-on-glass (SOG) adapted in its properties to the requirements of the nanostructure to be passivated is applied and annealed after each application until the planar surface is formed.
47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses- Quioxane (HSQ) aufgebracht werden. 47. The method of claim 46, wherein SOG layers of hydrogen silsesquioxanes (HSQ) are applied.
48. Verfahren für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 47, wobei eine zusätzliche Schicht vor dem Plasmaätzprozess aufgetragen wird, die als Pufferschicht ein gegenüber der Siliziumbasisschicht (3) bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich eine48. A method for a method according to any one of claims 43 to 47, wherein an additional layer is applied prior to the plasma etching, which as a buffer layer has a relation to the silicon base layer (3) with the same process parameters in such a changed etching behavior that a
5 selbstorganisierte Struktur mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis ausbildet, die im Verlauf des Prozesses verringert wird.5 forms a self-organized structure with only a relatively low aspect ratio, which is reduced in the course of the process.
49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Aspektverhältnis der Strukturelemente der Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.49. The method of claim 48, wherein the aspect ratio of the structural elements of the nanostructure is adjusted across the thickness of the buffer layer.
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50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, wobei die Pufferschicht eine SiO2-Schicht ist.50. The method of claim 48 or 49, wherein the buffer layer is a SiO 2 layer.
51. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei die Pufferschicht eine i5 Dicke von 20nm bis 100nm hat.51. A method according to any one of claims 48 to 50, wherein the buffer layer has a thickness of from 20nm to 100nm.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 51 , wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird. 52. The method according to any one of claims 48 to 51, wherein the buffer layer is not completely removed.
53. Verfahren zum Schutz einer Schicht, die nadeiförmigen Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis aufweist und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-53. Method of protecting a layer having high aspect ratio acicular structural elements and forming part of a chemical sensor, wherein in several steps a gas permeable porous spin adapted in its properties to the requirements of the layer to be passivated
5 On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatteApplied on-glass and annealed after each application until a smooth
Oberfläche ausgebildet ist.Surface is formed.
54. Verfahren nach Anspruch 53, wobei in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess lo wieder entfernt wird.54. The method of claim 53, wherein in a last step, an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed in the last mask process lo again.
55. Verfahren nach Anspruch 53 oder 54, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente eine Spitze mit einer lateralen Ausdehnung von weniger als 10 nm aufweisen.55. The method of claim 53 or 54, wherein the needle-shaped structural elements have a tip with a lateral extent of less than 10 nm.
i5 56. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente aus einkristallinem Silizium aufgebaut sind.i5 56. The method according to any one of claims 53 to 55, wherein the needle-shaped structural elements are constructed of monocrystalline silicon.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente Siliziumdioxid aufweisen.57. The method according to any one of claims 53 to 55, wherein the needle-shaped structural elements comprise silicon dioxide.
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58. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 57, wobei das Spin-On-Glas flüssigkeitsdurchlässig ist. 58. The method of any one of claims 53 to 57, wherein the spin-on glass is liquid pervious.
59. Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, wobei das Verfahren umfasst:59. A method of passivating the surface of a semiconductor device comprising silicon, the method comprising:
lokales Freilegen eines Bereichs der Oberfläche,local exposure of a portion of the surface,
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Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der Lichtwellenlängen sichtbaren Lichts mittels eines reaktiven lonenätzprozesses undForming primary needle-shaped structures with large aspect ratios in nano dimensions with lateral dimensions in the range below the wavelengths of visible light by means of a reactive ion etching process and
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Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs, um sekundäre, ebenfalls nadelartige, eine isolierende Oberfläche aufweisende Strukturen zu erzeugen.Modifying the region provided with the primary acicular structures to produce secondary, also needle-like, insulative surface structures.
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60. Verfahren nach Anspruch 59, wobei eine Siliziumschicht abgeschieden wird, um die Oberfläche bereit zu stellen.60. The method of claim 59, wherein a silicon layer is deposited to provide the surface.
61. Verfahren nach Anspruch 59 oder 60, wobei Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs thermisches Oxidieren umfasst.61. The method of claim 59 or 60, wherein modifying the region provided with the primary acicular structures comprises thermal oxidation.
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62. Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 61 , wobei Modifizieren des Bereichs Nitrieren des Bereichs umfasst.62. The method of claim 59, wherein modifying the region comprises nitriding the region.
63. Verfahren nach Anspruch 61 , wobei das Silizium in den primären nadelartigen 25 Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt wird.63. The method of claim 61, wherein the silicon in the primary needle-like structures is substantially completely converted to silica.
64. Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 63, wobei die primären nadelartigen Strukturen durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt64. The method according to any one of claims 59 to 63, wherein the primary needle-like structures by reactive ion etching (reactive ion etching - RIE) using the working gases oxygen and SFε in a single process step
30 ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim30 without the use of additional means for targeted mask formation
Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Silizium enthaltenden Oberfläche eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt werden.Structuring process only by adjusting the process parameters so that the oxygen in the reaction point on the silicon-containing surface shows a self-masking effect and a self-organization of the needle-like structures takes place, can be generated.
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65. Verfahren zur Erzeugung von selbstorganisierten Nanostrukturen im Gebiet einer Fensteröffnung eines integrierten Schaltkreises mit optoelektronischer Komponente oder bei einem diskreten optoelektronischen Bauelement, wobei zur Herstellung von nadelartigen Siliziumstrukturen mit Nanometer-Dimensionen und65. A method for producing self-assembled nanostructures in the region of a window opening of an integrated circuit with optoelectronic component or a discrete optoelectronic component, wherein for the production of needle-like silicon structures with nanometer dimensions and
5 mit Aspektverhältnissen größer 4 : 1 in einem reaktiven lonenätzprozess (reaktive ion etching - RIE) unter Verwendung nur der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6 in einem einzigen Prozessschritt und ohne Anwendung einer zusätzlichen Mikromaskierung bei Beginn des Ätzprozesses, die Prozessparameter unter Verringerung des Siliziumverbrauchs bei der Erzeugung der Nanostruktur so lo eingestellt werden, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbst-maskiernde Wirkung hat und wobei vor dem Ätzprozess eine zusätzliche Schicht (406) aufgetragen wird, die als Pufferschicht ein gegenüber dem Silizium bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich selbstorganisierte, noch nicht nadelartige Strukturen i5 mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis in der Pufferschicht ausbilden, die im Verlauf des Prozesses zunächst nach Art einer Maskenschicht löchrig werden (406a), und weiterhin nahezu vollständig abgetragen wird, zugunsten der nadelartigen Strukturen (403) im Silizium, welche mit den Nanometerdimensionen und mit dem Aspektverhältnis größer vier zu eins durch die löchrige5 with aspect ratios greater than 4: 1 in a reactive ion etching (RIE) process using only the working gases oxygen and SF 6 in a single process step and without the use of additional micro-masking at the beginning of the etch process, the process parameters reducing silicon consumption in the process Generation of the nanostructure so lo be set so that the oxygen in the reaction point on the silicon wafer has a self-masking effect and wherein prior to the etching process, an additional layer (406) is applied, which has as a buffer layer compared to the silicon at the same process parameters so far changed etching behavior in that self-organized, not yet needle-like structures i5 form in the buffer layer with only a relatively low aspect ratio, which initially become holey in the course of the process in the manner of a mask layer (406a), and continue to be almost completely removed Rd, in favor of the needle-like structures (403) in the silicon, which with the nanometer dimensions and with the aspect ratio greater than four to one through the holey
20 Maskenschicht (406a) ausgebildet werden wobei diese Maskenschicht zumindest nahezu vollständig abgetragen wird.20 mask layer (406a) are formed, wherein this mask layer is at least almost completely removed.
66. Verfahren nach Anspruch 65, wobei das Aspektverhältnis der Silizium- Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.66. The method of claim 65, wherein the aspect ratio of the silicon nanostructure is adjusted across the thickness of the buffer layer.
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67. Verfahren nach Anspruch 65 und 66, wobei die Pufferschicht eine Siθ2-Schicht ist.67. The method of claim 65 and 66, wherein the buffer layer is a SiO 2 layer.
68. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht eine Dicke von 20 bis 30 100nm hat.68. The method of claim 65, wherein the buffer layer has a thickness of 20 to 30 100nm.
69. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird und auf den Spitzen der Nadelstrukturen verbleibt.69. The method of claim 65, wherein the buffer layer is not completely removed and remains on the tips of the needle structures.
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