WO2008037506A1 - Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen in ihren anwendungen - Google Patents

Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen in ihren anwendungen Download PDF

Info

Publication number
WO2008037506A1
WO2008037506A1 PCT/EP2007/053487 EP2007053487W WO2008037506A1 WO 2008037506 A1 WO2008037506 A1 WO 2008037506A1 EP 2007053487 W EP2007053487 W EP 2007053487W WO 2008037506 A1 WO2008037506 A1 WO 2008037506A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
silicon
optical
structural elements
nanostructure
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/053487
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008037506A8 (de
Inventor
Daniel Gaebler
Konrad Bach
Original Assignee
X-Fab Semiconductor Foundries Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by X-Fab Semiconductor Foundries Ag filed Critical X-Fab Semiconductor Foundries Ag
Priority to US12/443,261 priority Critical patent/US8258557B2/en
Priority to DE112007002297T priority patent/DE112007002297A5/de
Publication of WO2008037506A1 publication Critical patent/WO2008037506A1/de
Publication of WO2008037506A8 publication Critical patent/WO2008037506A8/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02363—Special surface textures of the semiconductor body itself, e.g. textured active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/101—Nanooptics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24355—Continuous and nonuniform or irregular surface on layer or component [e.g., roofing, etc.]

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 are 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, cf. WO-A 02/13279, US Pat. No. 6,091,021 and US Pat. No. 6,329,296.
  • RIE processes plasma-enhanced reactive ion techniques
  • 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 integrated reliably and inexpensively with simultaneously 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 wherein the generation of suitable nanostructures is based on a method which will also be described in detail below.
  • structural elements are generated, which have a height of less than 400 nm, thus allowing a very good adjustment of the refractive index between two media and are suitable for use in a variety of optical components, as shown below in the further description and the claims is.
  • the nanostructures are formed in a layer having a thickness of 200 nm to 1500 nm and used as an optical interface wherein light is efficiently coupled out of and / or coupled into an optical component.
  • the light passes through one or more layers, which are provided by the production, without these layers having to be specially structured, since according to the invention the transition from and into these layers can be very low-loss due to the provision of the nanostructures and thus serve the entire layer stack as an interface can.
  • integrated devices may be provided with metallization layers that do not require subsequent reduction in thickness over the optical windows of the optical components and that no limitation on the thickness and number of corresponding layers is necessary. If materials with very different refractive indices are to be used for the individual layers, a further matching layer can be provided between these materials, so that overall a very low-loss coupling to the periphery can take place without the mechanical, electrical and chemical properties of the layer stack in the region of the optical layer Window compared to other component areas are affected.
  • optical components can then take place even over the entire surface of the discs, or it can take place further structuring to apply suitable materials, such as transparent conductive material.
  • suitable materials such as transparent conductive material.
  • Photosensitive components 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, 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.
  • the thickness and the material of the intermediate layer are selected so that constructive interference and thus maximum antireflection occurs, for example according to DE-A 103 93 435.
  • the following limitations or disadvantages remain:
  • the layer thicknesses must be tightly tolerated.
  • Figure 5 also finds other wavelengths representing other interference orders for which there is good antireflection; but these are not freely selectable.
  • the refractive index of silicon is strongly wavelength dependent but is usually greater than 3.5.
  • such materials for refractive index matching are not established in conventional semiconductor technology and are therefore currently not available.
  • the applied layers must have a very low absorption in the wavelength range used.
  • Laser diodes These only emit at a certain wavelength and a conventional ⁇ / 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
  • 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.
  • an on, for example, a surface of the optical active window (claim 105) provided with statistically distributed structural elements having an end portion and a foot portion formed in the device, wherein an average height of the structural elements is smaller than 400 nm.
  • an aspect ratio of the structural elements (height of the structural elements with respect to the lateral extent at the foot region) is on average greater than four.
  • Structural elements which have an "atomically pointed” end region and a lateral extension which becomes significantly wider towards the foot region, wherein two or more tips can also open in a single foot region, succeeds in gradually adjusting the refractive index between the window material and the surrounding medium (claim 23) ).
  • 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 for the light substantially no interface with a discontinuous jump of the refractive index occurs more.
  • 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 no more expensive than this, but has a, over a wide wavelength range wavelength independent anti-reflection good quality. In one embodiment, this covers the entire wavelength range of interest for silicon photodiodes.
  • a further advantage of the antireflection coating by the nanostructure described above is their low angle of incidence dependence compared to ⁇ / 4 layers or regular structures.
  • a profilometer needle of the profilometer exerts a pressure between 0.1 and 10 mg on the sample to be measured (the nano-surface with the pyramidal needles).
  • the profilometer needle is very pointed, but increases in diameter quickly, so that when moving on a sample a 5 ⁇ m deep well with a width of 1 micron can not be resolved exactly in the measurement image.
  • a pressure of typically 5 mg and a movement of the profilometer needle at a rate of up to 100 ⁇ m / sec on the nanostructure no adverse effect on the reflection properties of the nanostructure was observed, as would occur if the pyramidal needle structure were destroyed.
  • the (total) reflection is below 0.7% for a wavelength range between 400 nm and about 800 nm (scattered and direct reflection). In an extended range between 180 nm and 3000 nm, the (total) reflection is below 2%, whereby practically only the scattered reflection contributes. Reflection is a physical property of the nanostructure that is reproducible, measurable, and comparable to another structure.
  • a single etching step it is possible to significantly reduce the number of contamination defects which are usually caused, for example, by etching byproducts, or to substantially avoid crystal damage which can be encountered in conventional plasma-assisted processes or to substantially avoid them within the scope of measurement accuracy.
  • RHEED, CV measurements, TEM or PDS Photothermal Deflection Spectroscopy
  • detect such defects - as a result of the ⁇ tzregimes invention Even a simple photodiode, such as blue light, whose surface was processed by this process, had no peculiarities, which indicate increased defect densities.
  • the fabricated nanostructure can be provided by a single plasma etch step in a quality that does not require further material removal.
  • the property is very advantageous that the nanostructure, if it is made of a semiconductor material, such as silicon, a high degree of "defect-free" of the used areas can be achieved that is, in the generation of the structural elements by plasma etching essentially no additional crystal defects are caused.
  • the generated electron-hole pairs find no additional recombination centers and can still be efficiently sucked by the electric field generated in the pn junction, so that no sensitive reduction of the sensitivity is caused.
  • the photoelectronic component further comprises a passivation layer, which leaves free the optically active window and forms a boundary therewith, wherein the structural elements in the
  • 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 at least reach 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 maintain the high degree 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 are already determined beforehand can. 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 baking processes, implantation, introduction of others
  • Atomsorten for example, germanium in a Siliziumbasiouslyleiter, etc. can be performed with a high degree of compatibility with conventional processes.
  • the nanostructure has a monocrystalline
  • 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 may be deposited in crystalline or polycrystalline or amorphous form, and then the nanostructure may be efficiently etched into it. The same can also be achieved in a polysilicon wafer.
  • the structural elements are at least partially constructed of an insulating material.
  • an electrical passivation can be achieved in cases where influencing the electrical behavior of a component is not desired, or a high degree of resistance to a large number of ambient media is desired.
  • the insulating material may be silicon dioxide, silicon oxynitride or silicon nitride (claim 7).
  • a height of the structural elements is in the range of 300 nanometers to less than 400 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.
  • this protective layer intervenes differently in how the nanostructure works.
  • 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 beneficial in
  • the optical window is not made directly in the base material of the device, or when recesses in the base material are to be covered by 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, wherein the structural elements have an end region and a foot region and an average height of the structure elements is less than 400 nm.
  • the aspect ratio of the structural elements (the height of the structural elements for lateral expansion at the foot) is on average greater than 4.
  • the nanostructure of the sensor device is formed in one embodiment of an insulating material, such as silicon dioxide 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 are achieved, wherein the porosity of the filler 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 The structural elements have an end region and a foot region, wherein an aspect ratio of the structural elements, i. the height of the structural elements and the lateral extent at the foot, is on average greater than 4 and the height is less than 400 nm.
  • the coating structure of the invention can be used in a variety of components and devices, wherein the absorption behavior and / or the emission behavior can be significantly improved due to the aforementioned 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.
  • optical coating structure is also described in claims 19 to 26.
  • the optical coating structure has a conformal metal layer on the structural elements, so that the Absorbance 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, the liner comprising an optical coating structure of the type previously described.
  • a digital light-processing digital projector having an absorption surface comprising an optical coating structure in the manner previously described.
  • an apparatus comprising means for wavelength-independent conversion of optical radiation to 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.
  • 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.
  • a photoelectronic component is provided with a reflection-reducing layer, provided in the optically active window region, of statistically regularly distributed, crystal defect-poor silicon needles with a height of less than 400 nm and an aspect ratio greater than 4: 1.
  • 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 less than 400 nm and in particular of 300 nm and greater and less than 400 nm for example, an excellent reflection coating for visible light can be achieved.
  • 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 portion of the silicon needles may have a lateral extension of 50 nm or more, thereby producing an advantageous "pyramid-like shape" of the needles and, on the other hand, the lateral dimensions at the foot of the needles below the wavelength of visible light.
  • two or more tips can open in a single foot region, so that on average a gentle adaptation of the average amount of material of the structural elements to the base layer takes place and also a gentle transition to the surrounding medium takes place.
  • the pyramid-like needles are not too tight.
  • the gap is at least 20 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 visible 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.
  • 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 which comprises 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 (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 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 silsesquioxanes (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 specific areas of the window by means of a conventional masking technique, so that untreated, mechanically stable and easily sealable areas 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 adjusting the refractive index (claim 43) of an optically active window of a photoelectric device.
  • the method comprises generating a nanostructure in the surface area of the window, in particular in the surface area of the window (claim 108), by means of a self-organized plasma etching process for etching a silicon base layer, and adjusting an aspect ratio of structural elements of the nanostructure that are produced in the silicon base layer, to a value of four or higher depending on an operating wavelength range of the photoelectric device, wherein an average height of the nanostructure is set smaller than 400 nm.
  • the operating wavelength is then the specification of the photoelectric device, thus one of its properties.
  • 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 ° C 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 plant parameters is set so that the oxygen in the reaction point on the silicon base layer shows a self-masking effect, which is in the field of
  • Gas flows can be achieved for SF 6 at 50 to 150 sccm and for O 2 at 20 to 200 sccm and the process time is only a few minutes.
  • a reactive plasma atmosphere with at most two different gas components i. with oxygen and a reactive SF ⁇ gas to etch silicon by adjusting process parameters that exhibit a self-masking effect to create a nanostructure.
  • the etching process takes place without any further working gases and is carried out as a one-step process, that is, after generation of the plasma atmosphere, the silicon surface is exposed to the action of the etching plasma without any further process steps taking place. In particular, no further measures are taken to achieve a targeted micro-masking of the silicon surface.
  • the aspect ratio of the needle-like structures formed in the plasma atmosphere is set to a value of 4 (four) or larger 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 pointed end of the needle is formed, however, at the foot of the "needle-like structure" on average over many needles across a relatively flat leaking area is generated, especially as many structural elements as elements with at least two peaks and a individual foot area are generated.
  • 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.
  • the needle-like structures with low defect rate, ie low crystal defect density and low surface contamination, regardless of the crystallographic orientation of the silicon base surface, resulting in a high degree of flexibility for incorporating the method according to the invention into corresponding manufacturing processes for silicon containing components is provided.
  • 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
  • SF 6 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 O 2 increases the etching rate and causes the self-masking (passivation). It also produces a high selectivity for 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.
  • a efficient setting of the other process parameters, such as the specified flow rates because the temperature, which typically represents a "sensitive" parameter, is specified in a very accurate manner.
  • the process pressure and the plasma power are also suitably matched to one another in order to achieve the desired aspect ratio with simultaneously reduced contamination rate and low crystal defect density.
  • the ratio of the working gases is adjusted so that ⁇ tzabtrag and
  • 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.
  • suitable deposition methods can be used, which in themselves allow a highly non-compliant material deposition, such as the spin-coating of materials with low viscosity.
  • Other methods include applying a suitable material with a suitable deposition technique with subsequent 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 prior to the plasma etching process, which as a buffer layer has an etching behavior that is altered with respect to the silicon base layer with the same process parameters, so that a self-organized structure with only a relatively low aspect ratio is formed.
  • the buffer layer is reduced in thickness during the process, as a thinning.
  • this material removal should be as low as possible.
  • 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
  • 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 etching removal 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 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 buffer layer can be optimally matched 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 achieved in a very efficient way 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.
  • other materials may be used which cause a delay in material removal in the actual silicon base layer.
  • an additional silicon layer may be deposited on the base layer and serve as a buffer layer.
  • Other materials eg SiN, can also be used.
  • 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 improved resistance of the structural elements.
  • the buffer layer is essentially completely removed so that silicon structure elements remain whose height substantially corresponds to the initial height of the silicon base layer.
  • a method for 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 Applied on glass 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.
  • an overlap with a non-porous layer takes place, which is removed again in the last mask process.
  • 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 nano-scale.
  • 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, with desired material properties of the acicular structures then being 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 essentially 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.
  • modifying the region comprises nitriding the region.
  • 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 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.
  • a further invention relates to the manufacture of an optical interface (claims 70 to 104 and 109) which is adapted to reduce radiation losses at junctions between the process disc and adjacent media
  • Optical applications are used, especially in multi-layer metallizations of integrated optics circuits.
  • the optically effective material transitions in integrated optical circuits from the process disk to the adjacent medium are characterized by more or less high radiation losses due to reflection, wherein the adaptation in adjacent layers of different media mostly takes place by means of the ⁇ / 4 method, ie, adjacent layers must be matched to the respective wavelength of the emitted or received light, or it must be inserted a customized intermediate layer.
  • adjacent layers must be matched to the respective wavelength of the emitted or received light, or it must be inserted a customized intermediate layer.
  • This requires in each case a specific layer thickness production adapted to the respective wavelength or the wavelength range, which is associated with technological complexity. Nevertheless, even with this method certain radiation losses can not be avoided.
  • nanostructures produced by an etching process as described above and also below, a broadband and with less radiation losses associated procedure for the radiation transition between the process disk to an adjacent optically different layer or multiple layers, or in the reverse direction of radiation,
  • nanostructure elements with a height range of about 200 to 1500 nm can be used, wherein the respective height can be adapted to the further production conditions and / or the component conditions.
  • a low process time can be an important aspect in the process Production of certain products, and a lower level of the structural elements nevertheless ensures a moderately high efficiency. In other aspects, better efficiency may be required at longer wavelengths, so that a larger average height tends to be used.
  • the layer of nanostructured elements may preferably lie in narrower height ranges of their structural elements, such as the regions above 300 nm and below 400 nm or in the region between 300 nm and 350 nm, this in the middle of the individual heights.
  • the proposed method makes it possible to work in subsequent processing steps with a defined interface between the photo-component and the environment, which always remains the same for a variety of technological constraints and has very good optical properties, such as wavelength independence and lowest optical losses (reflection and absorption). This can save costs and time since the entire optical system does not have to be redesigned for every new integrated optic and for existing systems a simple change of the semiconductor technology, for example to smaller structure sizes, is possible. Furthermore, the proposed method allows a barely or not achievable system integration with previous methods. A plurality of optical elements can be integrated directly on the wafer (claim 109).
  • Beam splitters, polarizers, optical filters, diffraction gratings, waveguides, prisms, lenses, glass fibers, protective glasses, liquid crystals, apertures, photonic crystals, dielectric layers, absorbing layers, LEDs, lasers, attenuators, modulators, fluorescers, conductive electrode materials, and any combinations are readily available thereof (claim 104) are integrated directly on the wafer (claim 77).
  • polarizers optical filters, diffraction gratings, waveguides, prisms, lenses, glass fibers, protective glasses, liquid crystals, apertures, photonic crystals, dielectric layers, absorbing layers, LEDs, lasers, attenuators, modulators, fluorescers, conductive electrode materials, and any combinations are readily available thereof (claim 104) are integrated directly on the wafer (claim 77).
  • FIG. 1a an electron micrograph (SEM) of an RIE etched
  • Silicon surface is in section, in an area that is partially covered by an oxide layer,
  • FIG. 1b is an electron micrograph (SEM) with obliquely incident electron beam showing the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the spaces between the needles;
  • Figure 1c is an electron micrograph (TEM) in high resolution transmission from the tip of a silicon needle
  • FIG. 1d is a vertical alignment of FIG. 1c.
  • FIG. 1 e is an electron micrograph (SEM) of the nanostructure with an average height of less than 400 nm
  • FIG. 1f is an electron micrograph (SEM) with higher resolution
  • FIG. 1 g is a time sequence of electron micrographs (SEM) in which it becomes clear that a self-masking effect becomes effective after only a short time (10 seconds),
  • FIG. 1 h is an electron micrograph (SEM), wherein, by way of example, the height and the lateral dimension of the needles in the foot region are indicated, in which two tips open and the aspect ratio is greater than 4,
  • FIG. 1 i is an electron micrograph (SEM), wherein the height and lateral distances at the foot region of the structures are shown by way of example,
  • Figure 1j shows a transition function (a volume distribution of silicon across the depth of the nanostructure), whereby the gradual transition from silicon to an adjacent medium, e.g. SOG or air, it is clarified
  • Figure 1k shows a nanostructure underlying the count (to obtain the transition function of Figure 1j);
  • Figure 2a shows a conventional photodiode antireflection in a schematic sectional view;
  • Figure 2b is an anti-reflective photodiode in a schematic sectional view, as an example of the invention
  • FIG. 2c is a diagram of the reflections on silicon surfaces which are coated in different ways
  • Figure 2d is the transmission electron micrograph of a single Si tip of the RIE-treated surface.
  • Figure 2e is the spectral sensitivities chart of identically constructed diodes with different passivation layers
  • FIG. 3 a shows a vertical section through a photodiode without protective layer on the nanostructure in a schematic representation
  • Figure 3b shows a vertical section through a photodiode with protective layer on the nanostructure in a schematic representation
  • FIG. 3c is a graph of reflectance values before and after application of the SOG protective layer to a silicon nanostructure
  • FIG. 4a shows a step sequence of the RIE etching of the Si surface without a buffer layer with increased silicon consumption
  • FIG. 4b shows a step sequence of the RIE etching of the Si surface with buffer layer with minimal Si consumption
  • FIG. 5 shows a flow of a modification of a silicon nanostructure to a SiO 2 structure according to an illustrative embodiment
  • FIG. 6 a shows measurement results of the optical reflection of modified
  • FIG. 6b shows in detail the extremely small and wavelength-independent reflection of the modified silicon surface, 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 meter,
  • Figure 6c shows the direct absorption measurement by the photothermal
  • FIG. 7 shows the transparency of a sample with a surface modified on one side, wherein the theory curve neglects the absorption of the silicon
  • Figure 8 is a sectional view of an integrated device fabricated with an optical interface.
  • FIG. 9a is a diagrammatic representation of FIG. 9a
  • FIG. 9b are two images with measuring lines from FIGS. 1a, 1b, for explanation thereof.
  • nanostructures and illustrative processes for their production are illustrated. Similar processes and nanostructures may then also be used in other applications, e.g. Photoelectric components, sensor components, as optical coating structures in optical devices, as optical windows and the like can be used, as already stated above and also described in subsequent embodiments. Further, the nanostructures, such as those produced by the methods described below, may also be subjected to further protective layer application, surface modification, and the like.
  • FIG. 1 a shows a silicon-containing component 1 with a nanostructure 2, which has a monocrystalline silicon base layer 3, on the needle-like
  • Silicon structures 4 which are alternatively (but synonymously) referred to in this application as structural elements of the nanostructure 2, are formed.
  • needle-like silicon structures are to be understood as “needles” or structural elements which have a tip with lateral dimensions of a few nanometers, the tip being significantly increased in downward direction in its lateral dimension, so that a relatively large lateral in the lower region of the structures Dimension is reached, with relatively shallow leakage (versus the slope of sidewalls of the center region), whereby even two or more peaks may open into a single foot region, which is then significantly wider than the individual peaks.
  • 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 with a small distance from the edge region 5a.
  • the silicon base layer 3 is a part of a 6-inch diameter silicon wafer with a (100) surface orientation that has a p-type surface. Doping, which gives a resistivity of 10 ohms * cm.
  • the base layer 3 may have any desired crystal orientation with any predoping.
  • the base layer 3 may be formed substantially of amorphous or polycrystalline silicon.
  • FIG. 1b 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 structures 4.
  • 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 structures 4.
  • Silicon structures 4 have a height that is on average about 400 nm to 850 nm, so that in some embodiments reaches a height that is greater than the wavelengths of visible light.
  • the height of the structural elements in a respective layer or on a respective planar portion of a larger layer area is on average between 400 nm to 1500 nm. That is, a layer having structures at 400 nm on average or other layers with mean heights of 500 nm or 600 nm or up to 1500 nm, each as a separate layer height.
  • these structures can thus be used very advantageously in connection with integration into a metallization structure in the form of an optical "interface", as described in more detail below.
  • the height entered as a measure in FIG. 1b is to be converted from 603 nm to the real height. Also, the height can be up to 60% (from the real height) for lower Needles sized at about 400 nm in these embodiments to achieve their desired effects. This is done by compression of Figure 1a in the height direction to 40% of the height shown.
  • the heights of the needles in Figure 1 b are the same as those of Figure 1a.
  • the pictures are the same sample, cf. FIGS. 9a, 9b.
  • the pictures were taken directly one after the other.
  • the difference in the dimensions can be explained not only with the tilt angle of 17 °. Once again it shows how difficult it is to make concrete statements in these size ranges.
  • the optical effect is probably due to the fact that for Figure 1a at the lowest point and the highest visible point was measured, whereas for Figure 1 b, only a locally lowest point and only the highest visible breakpoint was used.
  • the needles are a bit higher than this dimension makes believe. If you take a critical look at Figure 1a and set the highest breaking edge as the highest point, the value of the needle height also decreases.
  • Figures 9a, 9b illustrate this in direct comparison.
  • pyramidal structures 4 with a mean height in the range of 400 nm show excellent optical properties in many applications.
  • an excellent antireflection coating was observed in the previously measured wavelength range above 180 nm up to the currently measured 3000 nm.
  • an average height of the nanostructures of less than 400 nm is used, as described below.
  • a height of the silicon structures 4 can also be substantially 1000 nm.
  • FIGS. 1a and 1b show that the lateral dimension of the silicon structures 4 in a foot region 4b at the lower end of one of the nanostructures is typically less than 100 nm, so that on average an aspect ratio of height to lateral dimension of at least 4, usually even higher is reached.
  • FIGS. 1a and 1b which relate to a 6-ZoII (100) Si wafer with p-doping, a 10 ohm * cm resistance and an area fraction of the oxide mask, ie the mask layer 5, of 90% (to substantially 93%) were prepared in a single-step plasma etching process in a STS320 plant with the following parameters: SFe gas flow: IOO sccm
  • Self-adjusting BIAS DC potential between the plasma atmosphere and the surface to be etched: varies by 350 V.
  • the 6 "(inch, inch) disk in the RIE STS 320 system was on an 8" disk in this example so that the plasma can also act next to the 6 "disk and the disk can serve as a source of silicon during the etching process if needed ,
  • 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, SF 6 .
  • 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.
  • Other examples worked with only one 8-inch disk, without an underlying support wafer. There were comparable results.
  • 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.
  • the oxygen gas flow should preferably be increased by 10% to 20%.
  • bias values of the above examples are “peak to peak” for each first value, and the “chamber bias voltage” for the second value of each example.
  • corresponding parameter values for other etching systems and other degrees of coverage of the silicon base layer 3 to be patterned with the needle-like structures can be determined.
  • 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 too high
  • Area fraction is covered by a mask layer, such as oxide or silicon nitride, this can at least be offset by an increase in the reactive gas content, for example, the SF 6 portion, especially when increasing the SF 6 portion, while reducing the oxygen content and simultaneously increasing the process pressure.
  • a mask layer such as 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.
  • needle structures having an average height of less than 400 nm, in particular from 300 nm to less than 400 nm, were generated, more particularly in the range between 300 nm and 350 nm.
  • silicon oxides or silicon nitrides are suitable.
  • Machined disks with similar structures turned completely black and showed a reflectance 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 a representation 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 are therefore smaller 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 small deviation of less than 10 °, so that the structural elements are oriented 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 configuration shown In the base layer, the appearing lattice planes correspond to the (111) planes.
  • FIG. 1e shows an electron micrograph of a section of the structure 2, wherein it is also clear that the individual structural elements 4a also have a relatively well definable mean height over a larger area, which in this exemplary embodiment is less than 400 nm.
  • FIG. 1f shows a part of the receptacle from FIG. 1e enlarged, wherein individual structural elements 4 can also be seen, which have two tips 4a which open in a common foot region 4b, whereby nevertheless an aspect ratio of greater than 4 is achieved.
  • FIG. 1 g shows a sequence of images representing different phases of the etching process.
  • a pronounced self-masking effect already results during the initial phase of the etching, so that in the further course the already existing "structures" are then efficiently driven further into the silicon. This avoids excessive silicon consumption in the further etching process, and this can be further restricted, as will be described in more detail below.
  • FIG. 1 h shows the structure 2 in the embodiment in which the height of the individual structural elements is less than 400 nm.
  • a typical height of 340 nm is indicated, wherein a thickness of the foot region 4b for a double-headed element is 80 nm, so that a corresponding aspect ratio is greater than 4.
  • the aspect ratio is still significantly greater. On average, therefore, the aspect ratio is greater than 4, even if isolated structural elements 4 have a smaller aspect ratio.
  • Corresponding information about the aspect ratio should therefore designate a representative mean value.
  • FIG. 1 i shows typical lateral distances for an embodiment with an average height of less than 400 nm.
  • the lateral distances are in the range from approximately 20 nm to 150 nm, so that an average distance is clearly reached below the wavelength of the visible light, with which in particular Antireflection behavior is improved at shorter wavelengths.
  • FIG. 1j shows a transfer function which indicates the silicon content as a function of the height or depth of the structure 2, in which example a structure having an average height or depth of 900 nm is used.
  • the transition function was determined from a good SEM image of a fracture edge by dividing the image into uniform boxes and assigning either silicon or air to each box, cf. to this illustrative figure 1k. The results thus obtained were fitted with various functions, of which the Bolzmann function gives a very good fit.
  • the curve in FIG. 1j clearly shows, as a "transition function", the gradual increase of the silicon content as it approaches the base layer 3 and the decrease in the silicon content as the height increases, which corresponds to a corresponding increase in the proportion of the surrounding medium.
  • a gentle approach to the respective medium i. pure silicon and SOG in the example shown.
  • an approximately symmetrical shape of the transition curve results, which has an advantageous effect when using the corresponding silicon structures as a template, in particular as a stamping mold, because the "negative image” formed by this silicon mold during embossing, or during production of the embossing master likewise a suitable transition function similar to that shown in Figure 1j.
  • the needle-like 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 portion 4a and the relatively large dimension at the foot 4b the needle-like structure, and the high aspect ratios give a nearly perfect gradient layer.
  • VIS / NIR the light wavelength
  • Refractive index gradually changes 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 allows an impedance matching or refractive index matching, 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.
  • a pre-conditioning i.e. preparation of the surface for obtaining the nanostructures, may be omitted.
  • Self-assembly By means of a standard RIE etching process for silicon, without any additional structuring measure (e-beam, interference lithography, etc.) 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-assembled nanostructures and corresponding components are described, wherein the structures described above, for example the previously described methods and in particular the structures of FIGS. 1e to 1i with a mean height of less than 400 nm, can be applied.
  • the antireflective coating of photoelectronic devices e.g. 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 good wavelength non-wavelength antireflection coating 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. 2 a schematically shows a conventional photoelectric component 200 with a silicon substrate 201, an n-well 202 and corresponding contacts 205. Furthermore, an optical window 203 is provided which is antireflection-coated with an anti-reflection layer 204.
  • Figure 2b shows the photoelectric device 200 according to an embodiment of the present invention.
  • a nanostructure such as the structure 2
  • a broadband antireflection coating is provided in order to achieve a broadband antireflection coating.
  • the self-assembled nanostructures e.g. structure 2, a geometric form 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 provided with> 400 nm at about 1000 nm. But even at medium heights of less than 400 nm, a very good anti-reflection can be observed.
  • the reduction of the reflection on such a surface can be explained by an impedance matching (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.
  • FIG. 2 c shows corresponding reflection curves for various 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 have remained monocrystalline during their production.
  • corresponding network planes can be seen in an upper section of a structural element, as they are also shown in FIG. 1c.
  • 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. 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.
  • 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 O 2 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 they by the application of the RIE method according to the previous method arise.
  • Figures 3a to 3c further embodiments of the invention will now be described, which specify methods for protecting sensitive nanostructures.
  • 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, whereby the 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.
  • 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.
  • 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 usually consists of SiO 2 or SisN 4 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.
  • FIG. 3b shows the component according to an illustrative embodiment.
  • a layer 305 of spin-on-glass (SOG) is therefore applied beforehand by spin-coating, for example hydrogen silsesquioxane (HSQ). Since this substance is liquid when applied, the interstices of the nanostructures are filled free of voids. 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 easily processed using the standard processes of CMOS technology. The application of a lacquer 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 from above 180 nm to 1100 nm, the optical function of the nanostructure 2 is only slightly deteriorated.
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • FIG. 3c shows corresponding measurement results for the reflection of the optical window 303 for situations with an ARC (antireflecting) layer, with bare silicon, each without the structure 2, and for the components 300 according to FIGS. 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%.
  • One embodiment relates to a method for protecting a layer consisting of 4: 1 and larger nanometer-sized acicular silicon tips with a high aspect ratio, with one in several steps
  • Silicon tips which are present in windows of photoelectric devices, applied SOG layers of hydrogen silsesquioxane (HSQ).
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • 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. 4a and 4b further embodiments are described in which the material removal when forming a nanodructure with needle-shaped tips and a high aspect ratio is reduced and thus the manufacturing tolerances and the yield are improved.
  • nanometer structures short nanostructures
  • RIE Reactive Ion Etching
  • FIG. 4 a shows a typical process sequence in individual intermediate stages for producing a previously described nanostructure 2 with a mean height of less than 400 nm, starting from a planar silicon surface 411 a 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 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.
  • the use of the buffer layer 406 is in particular for the use of structural elements with an average height of less than 400 nm, since these can thus be fabricated as a "surface layer" without much consumption of silicon, so that the electronic properties in the region at and below the layer do not change significantly to an unstructured surface.
  • 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, by means appropriate to semiconductor device technology, to provide such a surface relief characterized by acicular structures having large aspect ratios in nano-dimensions, i. in the range below the usual wavelengths of light, with suitable surface material, e.g. thermal SiO 2.
  • suitable surface material e.g. thermal SiO 2.
  • 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 is thereby transferred to the new SiO 2 layer with a slight change, while the Si / SiO 2 interface is heavily leveled with respect 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 nanostructure 2 which can be produced by previously described methods, is 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. Oxidations below 500 degrees Celsius are preferred.
  • 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% (SiO 2 / 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 local is exposed 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 (RIE) using the working gases oxygen and SF 6 in a single process step without the use of additional means for targeted mask formation in structuring process only by adjusting the process parameters so that the oxygen in the reaction point on the silicon wafer shows a self-masking effect and a self-organization of the needle-like structures takes place.
  • RIE reactive ion etching
  • Silicon surfaces with a self-assembled nanostructure produced by an RIE process can excellently serve as absorbers, absorbing nearly all light in the range of 180 to 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 them 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
  • 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.
  • One embodiment relates to self-organized needle-like structures in nano-dimensions with dimensions smaller than the wavelengths of light and having an aspect ratio greater than 4: 1 with a height of less than 400 nm, generated using the working gases oxygen and SF 6 (without the use of additional means for targeted mask formation) during the etching process in a single process step are generated, as already explained, these nanostructures are used in the form of layers as broadband optical absorber for the lining of precision optical equipment.
  • the needle-like structures are used as absorption surface in digital projectors with mirror technology (digital light processing). 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.
  • 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 formed from the metal layer of the targeted heat dissipation.
  • 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 amount, 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 so that no impedance jump occurs between them, but the different impedances continuously merge into each other.
  • 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. For infrared light from 1200 nm, the theoretical values of 70% are well hit.
  • a problem with a two-sided surface modification represents the low mechanical strength of the structures produced, so that the handling of the window is difficult.
  • the surface modification can be limited to certain 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 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).
  • HSQ hydrogen silsesquioxane
  • 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.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a section through a silicon PIN photodiode 800 which occurs as part of an integrated circuit (circuit not shown) of a multi-layer metal technology, wherein in the embodiment shown four metallization levels are shown.
  • the optical component 800 comprises a substrate 801, for example a highly doped p-type substrate, in which suitably formed semiconductor regions are provided.
  • a substrate 801 for example a highly doped p-type substrate, in which suitably formed semiconductor regions are provided.
  • a p-buried layer 802, a p-well 803, and an epitaxial region 815 are provided as the intrinsic region of the diode 800.
  • heavily doped regions 813 are provided for contacting the regions 803.
  • a heavily doped region 813 is formed in the epitaxial region 815 and has a layer with a needle structure 814, the layer having a thickness in the range of 200 to 1500 nm.
  • various areas in the component level are separated by insulation structures 804.
  • a metallization structure is provided to connect the individual devices, eg the diode 800, to other elements and the periphery.
  • four levels of metallization are provided which have a respective isolation layer, ie, layers 805, 806, 807, 808, in which lines and other metal regions are formed, such as corresponding electrodes 810, 811 serving as the anode and cathode, respectively.
  • the insulating layers are made of a suitable material, such as silicon oxide or the like, preferably oxidized (thermally) at temperatures below 500 0 C.
  • a final passivation layer 809 which protects the integrated circuit from environmental influences.
  • the component can be produced according to conventional methods, in which case a further etching step follows, as has already been explained, in which the corresponding needle structure 814 is produced in the surface region of the photodiode 800. This is followed by process steps for applying the respective insulation layer and the corresponding metal regions.
  • the insulating layers are applied as materials with a very similar refractive index (for example SiO 2). In other embodiments, a
  • a further layer can be applied with a nanostructure, if the immediately following layer has a very different refractive index.
  • a nanostructure may be formed in the preceding oxide layer by e.g. a silicon layer is deposited, patterned and then modified, as previously described.
  • the layer thickness of the nanostructure layer 814 can be selected according to the examples of FIG. 1b or according to FIGS. 1 h, 1i. Correspondingly thinner layer thicknesses can be provided, so below 400 nm or in the range between 300 nm and 350 nm.
  • the passivation layer 9 can also be made of a material with a very similar refractive index (for example, again SiO 2), or another nanostructured layer for adjusting the refractive index can be provided in the manner described above.
  • the structure of the insulation layers ie their number, thickness, etc. is negligible. Thus, it does not matter if the chip is in an e.g. 2-layer metallization or in a 6-layer metallization is made.
  • the insulation layers and the passivation layer need not be etched back to apply a defined layer thickness for a ⁇ / 4 layer.
  • Such a re-etching step as described in DE-A 102 396 43, is very complicated for multi-layer technologies. If a photodiode is not operated in air but is coupled directly to glass, there are no transition losses. If, for example, a glass fiber is glued directly onto the SiO 2 passivation or a glass lid of the chip housing is applied directly to the passivation layer, there are only slight transition losses down to the silicon. This property is hardly achievable with a ⁇ / 4-antireflection even for a very small wavelength range.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • one or more "optical elements” are assigned to and attached to an optical component on the substrate.
  • optical elements are beam splitters, polarizers, optical filters, diffraction gratings, waveguides, prisms, lenses, glass fibers, protective glasses, liquid crystals, apertures, photonic crystals, dielectric layers, absorbing layers, LEDs, LASER, attenuators, modulators, fluorescers, conductive electrode materials.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren für die Herstellung und Elemente (Bauteile) mit einer Nanostruktur (2;4,4a) zur Verbesserung des optischen Verhaltens von Bauelementen und Geräten und/oder zur Verbesserung des Verhaltens von Sensoren durch Vergrößern des aktiven Oberflächenbereichs. Die Nanostruktur (2) wird mittels RIE-Ätzung selbst-maskierend hergestellt und kann in ihrer Materialzusammensetzung modifiziert werden und mit geeigneten Deckschichten versehen werden.

Description

Selbstorganisierte nadelartige
Nano-Strukturen in ihren Anwendungen
Gebiet der Erfindung(en).
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 diese
Strukturen im Weiteren als Nanostrukturen bezeichnet werden. Ihre Möglichkeiten und technischen Anwendungen stehen hier im Vordergrund.
Stand der Technik.
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.
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.
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, vgl. WO-A 02/13279, US-A 6,091,021 und US-A 6,329,296.
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.
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 Erfindung.
Den vorliegenden Erfindungen liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Bauelemente anzugeben, wobei Nanostrukturen zuverlässig und kostengünstig bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit integrierbar sind und zugleich zu einer Leistungsverbesserung der Bauelemente führen.
In einem Aspekt der Erfindung werden ein Verfahren zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente angegeben, wobei das Erzeugen geeigneter Nanostrukturen auf einem Verfahren beruht, das im Detail auch im folgenden beschrieben wird. Dabei werden Strukturelemente erzeugt, die eine Höhe von kleiner 400 nm aufweisen, die damit eine sehr gute Anpassung des Brechungsindex zwischen zwei Medien ermöglichen und für eine Anwendung in einer Vielzahl von optischen Komponenten geeignet sind, wie dies nachfolgend in der weiteren Beschreibung und den Patentansprüchen aufgezeigt ist. In anderen Aspekten der Erfindung werden die Nanostrukturen in einer Schicht mit der Dicke von 200 nm bis 1500 nm erzeugt und als eine optische Schnittstelle verwendet, wobei Licht effizient von einer optischen Komponente ausgekoppelt und/oder in diese eingekoppelt wird. Das Licht durchläuft dabei eine oder mehrere Schichten, die herstellungsbedingt vorgesehen sind, ohne dass diese Schichten speziell strukturiert werden müssen, da erfindungsgemäß der Übergang von und in diese Schichten aufgrund des Vorsehens der Nanostrukturen sehr verlustarm erfolgen kann und damit der gesamte Schichtstapel als eine Schnittstelle dienen kann. Insbesondere können integrierte Bauelemente mit Metallisierungsschichten versehen werden, die über den optischen Fenstern der optischen Komponenten keine nachträgliche Reduzierung der Dicke erfordern und auch keine Einschränkung hinsichtlich der Dicke und der Anzahl der entsprechenden Schichten notwendig ist. Wenn für die einzelnen Schichten Materialien mit sehr unterschiedlichen Brechungsindizes zu verwenden sind, kann zwischen diesen Materialien eine weitere Anpassschicht vorgesehen werden, sodass insgesamt eine sehr verlustarme Ankopplung zur Peripherie erfolgen kann, ohne dass die mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften des Schichtstapels im Bereich des optischen Fensters im Vergleich zu anderen Bauteilbereichen beeinträchtigt werden. Die Ankopplung weiterer optischer Komponenten, wie dies in den abhängigen Ansprüchen umschrieben ist, kann dann sogar ganzflächig auf den Scheiben erfolgen, oder es kann eine weitere Strukturierung stattfinden, um geeignete Materialien, etwa transparentes leitendes Material aufzubringen. Erfindungsgemäß wird eine Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Fotodioden, 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.
Fotoempfindliche Bauelemente 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. der
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/SiO2/Si oder Luft/Si3lNI4/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 werden die Dicke und das Material der Zwischenschicht so ausgewählt, dass konstruktive Interferenz und damit eine maximale Entspiegelung eintritt, beispielsweise nach DE-A 103 93 435. Es bleiben aber folgende Einschränkungen bzw. Nachteile bestehen:
1 . Die Schichtdicken müssen eng toleriert sein.
2. Die Entspiegelung gelingt nur für eine bestimmte Wellenlänge befriedigend; man
5 findet auch andere Wellenlängen, die andere Interferenzordnungen darstellen, für die gut entspiegelt wird; diese sind aber nicht frei wählbar.
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 lo entsprechenden Brechzahl des Halbleiters, etwa Silizium, für den angestrebten
Wellenlängenbereich notwendig. Beispielsweise ist der Brechungsindex von 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 zurzeit nicht i5 verfügbar.
4. Die aufgebrachten Schichten müssen im verwendeten Wellenlängenbereich eine sehr geringe Absorption aufweisen.
In typischen Anwendungsgebieten für integrierte Fotodioden werden im Allgemeinen
20 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
25 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
30 gelingt es mit den gut etablierten Materialien Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid nicht, eine gewünscht kleine Reflexion zu erhalten. Bei Silizium als Halbleitermaterial und Verwendung von Siliziumdioxid als Zwischenschicht bleibt mindestens ein noch zu hoher 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
35 führt ihrerseits zu Lichtverlusten.
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 beispielsweise einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters (Anspruch 105) vorgesehene Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einem Endbereich und einem Fußbereich in dem Bauelement ausgebildet, wobei eine mittlere Höhe der Strukturelemente kleiner als 400 nm ist. Des Weiteren ist ein Aspektverhältnis der Strukturelemente (Höhe der Strukturelemente bezogen auf die laterale Ausdehnung am Fußbereich) im Mittel größer als vier.
Dieser Aspekt der 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. Ferner können insbesondere in dem angegebenen Bereich für die mittlere Höhe der Strukturelemente diese effizient mit hoher Stabilität und dennoch ausgezeichneten optischen Verhalten über einen weiten Wellenlängenbereich hergestellt werden. Mit 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 laterale Ausdehnung aufweisen, wobei auch zwei oder mehr Spitzen in einem einzelnen Fußbereich münden können, gelingt eine graduelle Anpassung des Brechungsindex zwischen dem Fenstermaterial und dem umgebenden Medium (Anspruch 23). 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, sodass der Brechungsindex für den interessierenden Wellenlängenbereich quasi-kontinuierlich abnimmt, sodass 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 weiten 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. Diese Nadeln mit dem angegebenen Höhenbereich von kleiner 400 nm können erheblichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden, sodass sie direkt als Brechungsindex-Anpassschicht oder Entspiegelungsschicht dienen können, wenn das Silizium auch als Basismaterial dient, oder weitere Schritte erforderlich sind, etwa das Aufbringen eines Passivierungsmaterials, die Verwendung als Nanoschablone für die Herstellung nadelartiger Spitzen in anderen Materialien, Oxidationsprozesse, und dergleichen. Allenfalls werden die Nanostrukturen bei entsprechender Belastung verbogen oder "verschmiert", aber nicht zerstört. Mechanische Beanspruchungen der folgenden Art führen nicht zu einem Zerstören der Nano-Nadelstruktur, sodass damit nachteilige Folgen hinsichtlich der Reflexion der Nanostruktur mit den pyramidenähnlichen Nadeln im Wesentlichen vermieden werden:
gleichmäßiger flächiger Druck senkrecht auf die Nadeln; AFM im Kontaktmode; - Profilometer.
Eine Profilometernadel des Profilometers übt einen Druck zwischen 0,1 und 10 mg auf die zu messende Probe aus (die Nano-Oberfläche mit den pyramidalen Nadeln). Die Profilometernadel ist sehr spitz, nimmt aber in ihrem Durchmesser schnell zu, sodass bei ihrer Bewegung auf einer Messprobe eine 5μm tiefe Vertiefung mit einer Breite von 1 μm nicht mehr exakt im Messbild aufgelöst werden kann. Bei einem Druck von normalerweise 5 mg und einer Bewegung der Profilometernadel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 μm/sec auf der Nanostruktur wurde kein nachteiliger Einfluss auf die Reflexionseigenschaften der Nanostruktur festgestellt, wie er bei einer Zerstörung der pyramidalen Nadelstruktur eintreten würde.
Insgesamt konnte für die entstehende (flächige) Nanostruktur bereits bei einer mittleren Länge oder Höhe der Strukturen von etwa kleiner 400 nm und insbesondere in einem Bereich von kleiner 400 nm bis 300 nm ein sehr günstiges Entspiegelungsverhalten im sichtbaren Bereich und auch bis 3000 nm Wellenlänge oder mehr auf entsprechenden Oberflächen, z.B. auf gekrümmten Oberflächen von beispielsweise Mikrolinsen, etc. nachgewiesen werden (Anspruch 106). Wie nachfolgend beschrieben ist, können auch größere mittlere Höhen hergestellt und verwendet werden, wie dies im Zusammenhang mit den optischen Schnittstellen aufgezeigt ist.
Auch diese Eigenschaft umschreibt indirekt die Strukturen der "pyramidenähnlichen Nadeln". Die (gesamte) Reflexion liegt unter 0,7% für einen Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und etwa 800 nm (gestreute und direkte Reflexion). In einem erweiterten Bereich zwischen 180 nm und 3000 nm liegt die (gesamte) Reflexion unter 2%, wobei praktisch nur die gestreute Reflexion beiträgt. Die Reflexion ist eine physikalische Eigenschaft der Nanostruktur, welche reproduzierbar, messbar und mit einer anderen Struktur vergleichbar ist.
Ohne die Erfindung durch die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, so deuten Untersuchungen darauf hin, dass die effiziente selbstorganisierte Maskierung (als "Selbstmaskierung") durch den Ätzprozess selbst und nicht durch bereits vorhandene oder speziell hinzugefügte Stoffe erreicht wird. Entsprechende Untersuchungen auf Grundlage der Augerelektronenspektroskopie (AES) und der Energiedispersion- Röntgenspektroskopie (EDX) zeigen an, dass die maskierende Wirkung durch SiOx hervorgerufen wird, sodass eine hohe Abschirmwirkung durch das lokal gebildete Siliziumoxid erreicht wird. Dies führt insgesamt zu einem moderat geringen Silizium- Verbrauch während der Erzeugung der nadelartigen Strukturen mit "pyramidenähnlicher Form" bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis und vorhandenem Zwischenraum, sodass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft und effizient in der Halbleiterfertigung mit einem hohen Maße an Prozesskompatibilität in vielen Feldern einsetzbar ist.
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. Insgesamt wird für optische Fenster und auch über eine global gekrümmte Oberfläche hinweg, d.h., der Krümmungsradius ist sehr viel größer als die lateralen Abmessungen der Nanostrukturen, eine hervorragende Homogenität des Reflexionsverhaltens erreicht (Anspruch 106, Anspruch 107).
Ferner gelingt es in einem einzigen Ätzschritt sowohl die Anzahl der Kontaminationsdefekte, die beispielsweise durch Ätznebenprodukte üblicherweise verursacht werden, als auch 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 (Photothermische Deflektions-Spektroskopie), derartige Defekte - in Folge des erfindungsgemäßen Ätzregimes - nachweisen. Auch eine einfache Fotodiode, beispielsweise blauen Lichts, deren Oberfläche mit diesem Prozess bearbeitet wurde, wies keine Besonderheiten auf, welche auf erhöhte Defektdichten hinweisen. Somit kann die hergestellte Nanostruktur durch einen einzelnen Plasmaätzschritt in einer Qualität bereitgestellt werden, die keine weiteren Materialabtragungen erfordert.
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, etwa Silizium, aufgebaut ist, 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, sodass keine empfindliche Verringerung der Sensitivität hervorgerufen wird.
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 heranreichen, 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 das hohe Maß an Entspiegelung beim Eintritt oder Austritt von Strahlung beibehalten.
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, kann beispielsweise die Wirkung der Ladungsträgersammlung beibehalten werden, wobei die Einkopplung der Strahlung deutlich verbessert ist. Ferner kann die Nanostruktur auch direkt in dem betrachteten Halbleitermaterial hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung und die Dotierung bereits zuvor 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, sodass Ausheizprozesse, Implantation, Einführung von anderen
Atomsorten, beispielsweise Germanium in einen Siliziumbasishalbleiter, etc. mit einem hohen Maß an Kompatibilität zu konventionellen Prozessen durchgeführt werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Nanostruktur eine einkristalline
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 bereitgestellt werden.
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 Polysiliziumwafer ist das Genannte zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierenden Material aufgebaut. Dadurch kann eine elektrische Passivierung in Fällen erreicht werden, in denen eine Beeinflussung des elektrischen Verhaltens eines Bauelements nicht gewünscht ist, oder ein hohes Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Vielzahl an Umgebungsmedien gewünscht ist. Beispielsweise kann das isolierende Material Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid sein (Anspruch 7).
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 300 Nanometern bis weniger als 400 Nanometern. 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. Die Einebnungsschicht, die auch als eine Schutzschicht bezeichnet werden kann, füllt die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadeiförmigen Strukturelementen, beispielsweise Siliziumspitzen, auf, sodass 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.
Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in die 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.
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 des 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.
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 und eine mittlere Höhe der Strukturelemente kleiner 400 nm ist. Das Aspektverhältnis der Strukturelemente (die Höhe der Strukturelemente zur lateralen Ausdehnung am Fußbereich) ist im Mittel größer als 4. Durch das Vorsehen der Nanostruktur wird die Oberfläche als Sensorfläche deutlich vergrößert, sodass eine höhere Ansprechempfindlichkeit erreicht wird. Ferner lässt sich bei flüchtigen Medien, etwa Gasen, die Verweildauer in der Nähe der 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.
Die Nanostruktur des Sensorbauelements ist in einer Ausführungsform aus einem isolierenden Material, etwa Siliziumdioxid oder dergleichen, gebildet. In anderen Ausführungsformen weist das Sensorbauelement ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur auf. Auf diese Weise werden eine hohe mechanische Stabilität und auch ein Schutz vor Umgebungseinflüssen erreicht, wobei die Porosität des Füllmaterials dennoch einen Kontakt der Oberfläche mit gewissen Substanzen ermöglicht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Beschichtungsstruktur zur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten bereitgestellt. Die optische Beschichtungsstruktur umfasst eine Basisschicht und eine auf der
Basisschicht aufgebrachte Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen. Die Strukturelemente weisen einen Endbereich und einen Fußbereich auf, wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h. die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist und die Höhe kleiner 400 nm ist.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsstruktur kann in einer Vielzahl von Bauelementen und Geräten eingesetzt werden, wobei sich das Absorptionsverhalten und/oder das Emissionsverhalten deutlich verbessern lässt aufgrund der zuvor genannten 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.
In einer weiteren Ausführungsform weist die optische Beschichtungsstruktur eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen auf, sodass das Absorptionsverhalten und/oder Emissionsverhalten der Nanostruktur unabhängig von dem Basismaterial der Strukturelemente der Nanostruktur eingestellt werden kann. 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 einem weiteren Aspekt wird ein optisches Gerät mit einer Auskleidung als breitbandiger optischer Absorber bereitgestellt, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur der zuvor beschriebenen Art umfasst.
In einem weiteren Aspekt wird ein digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche bereitgestellt, die eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.
In einem weiteren Aspekt wird ein Gerät mit einer Einrichtung zur wellenlängenunabhängigen Umwandlung optischer Strahlung in Wärme bereitgestellt, wobei die Einrichtung zur Umwandlung optischer Strahlung in Wärme eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.
In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster bereitgestellt, 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 einem weiteren Aspekt wird eine Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte bereitgestellt, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.
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 kleiner 400 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 bereitgestellt. 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 kleiner 400 nm und insbesondere von 300 nm und größer und kleiner 400 nm, lässt sich beispielsweise eine ausgezeichnete Entspiegelung für sichtbares Licht erreichen.
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 vorteilhafte "pyramidenähnliche Form" der Nadeln erzeugt wird und andererseits die lateralen Abmessungen am Fuße der Nadeln dennoch unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes bleiben. Dabei können zwei oder mehr Spitzen in einem einzelnen Fußbereich münden, sodass im Mittel eine sanfte Anpassung der mittleren Materialmenge der Strukturelemente zur Basisschicht hin erfolgt und ebenso ein sanfter Übergang zum umgebenden Medium erfolgt. Die pyramidenähnlichen Nadeln stehen nicht zu dicht. Der Zwischenraum ist zumindest 20 nm breit. Auf diese Weise wird eine quasikontinuierliche Materialverteilung für den interessierenden Wellenlängenbereich erzeugt, sodass eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex entlang der Höhenrichtung der Siliziumnadeln erreicht wird. Damit findet für Strahlung im sichtbaren Bereich, 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.
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 einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Fenster bereitgestellt, 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 (Anspruch 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.
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, ergibt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt, sodass 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 einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anpassung des Brechungsindex (Anspruch 43) eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Nanostruktur im Flächenbereich des Fensters, insbesondere im Oberflächenbereich des Fensters (Anspruch 108), mittels eines selbstorganisierten Plasma-Ätzprozesses 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, wobei eine mittlere Höhe der Nanostruktur auf kleiner 400 nm eingestellt wird. Die Betriebswellenlänge ist dann die Spezifikation des fotoelektrischen Bauelements, mithin eine seiner Eigenschaften.
Durch die Anwendung eines selbstorganisierten Plasma-Ätzprozesses 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 beschrieben werden, eine Anpassung der optischen Eigenschaften an die Anforderungen an das fotoelektronische Bauelement in effizienter Weise erreicht werden.
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°C 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.
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 Plasma-Atmosphäre 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 Plasma-Atmosphäre entstehenden nadelartigen Strukturen auf einen Wert von 4 (vier) oder größer durch Steuern der Prozesszeit eingestellt.
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 werden. 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" im Mittel über viele Nadeln hinweg ein relativ flach auslaufender Bereich erzeugt wird, insbesondere da viele Strukturelemente als Elemente mit mindestens zwei Spitzen und einem einzelnen Fußbereich erzeugt werden.
Insgesamt konnte für die entstehende Nanostruktur bei einer mittleren Länge oder Höhe der Strukturen von kleiner 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, sodass 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, sodass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft und effizient in der Halbleiterfertigung mit einem hohen Maße an Prozesskompatibilität eingesetzt werden kann.
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. Ferner gelingt es durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem einzelnen Ätzschritt sowohl die Anzahl der Kontaminationsdefekte, die beispielsweise durch 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 Fotodiode, deren Oberfläche mit diesem Prozess bearbeitet wurde, wies keine Besonderheiten, die auf erhöhte Defektdichten hinweisen, auf. Somit kann die hergestellte Nanostruktur durch einen einzelnen Plasma-Ätzschritt in einer Qualität bereitgestellt werden, die keine weiteren Materialabtragungen erfordert.
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.
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.
Bei Verwendung des Arbeitsgases bestehend aus SF6 und O2 ergeben sich die nadelartigen Strukturen mit geringer Defektrate, also geringer Kristallfehlerdichte und geringer Oberflächenkontamination, unabhängig von der kristallographischen Orientierung der Siliziumbasisoberfläche, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität zur Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechende Herstellungsprozesse für Silizium enthaltende Bauelemente bereitgestellt wird.
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. SF6 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, sodass 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.
Auch der Prozessdruck und die Plasmaleistung werden geeignet aufeinander abgestimmt, um das gewünschte Aspektverhältnis bei gleichzeitig reduzierter Kontaminationsrate und geringer Kristallfehlerdichte zu erhalten.
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.
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.
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, sodass 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.
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 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, sodass 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 einer weiteren Ausführungsform (Anspruch 48 oder Anspruch 65) wird eine zusätzliche Schicht vor dem Plasma-Ätzprozess 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 Pufferschicht wird im Verlauf des Prozesses in ihrer Dicke verringert, als Abdünnung.
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. Beispielsweise wird der Ätzabtrag einer dotierten Oberflächenschicht des Gebietes im Fenster einer optisch aktiven Komponente 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 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.
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.
Die Prozesszeit des Ätzschrittes und die Dicke und Art der Pufferschicht können optimal aneinander 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.
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, sodass sich ein größeres Maß an Flexibilität bei der Auswahl der Ätzparameter erreichen lässt.
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 eine 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, z.B. SiN, können verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen, sodass 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 im Wesentlichen vollständig abgetragen, sodass Siliziumstrukturelemente übrig bleiben, deren Höhe im Wesentlichen der Anfangshöhe der Siliziumbasisschicht entspricht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die nadeiförmigen Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis aufweist und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, bereitgestellt, 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.
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.
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. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nanostruktur mit den nadeiförmigen Strukturelementen sind von den Ansprüchen 56 und 57 erfasst.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Spin-On-Glas flüssigkeitsdurchlässig, sodass sich ein breites Feld an Anwendungen des Sensorelements ergibt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das lokale Freilegen eines Bereichs der Oberfläche, das Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-
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.
Durch die Modifizierung der nadeiförmigen Strukturen nach deren Herstellung auf der Grundlage von Silizium können effiziente selbstorganisierte Plasma-Ätzverfahren, wie sie beispielsweise zuvor beschrieben sind, eingesetzt werden, wobei 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.
In einer Ausführungsform wird eine Siliziumschicht abgeschieden, um die Oberfläche bereitzustellen. Auf diese Weise kann ein beliebiges Trägermaterial verwendet werden, ohne im Wesentlichen den eigentlichen Prozess der Strukturierung zu beeinflussen, wobei die gewünschten Materialeigenschaften dann noch weiter durch die Modifizierung angepasst werden können.
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 einer Ausführungsform wird das Silizium in den primären nadelartigen Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt. 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.
Eine weitere Erfindung betrifft die Herstellung einer optischen Schnittstelle (Ansprüche 70 bis 104 und 109), welche zur Reduzierung von Strahlungsverlusten an Übergängen zwischen der Prozessscheibe und angrenzenden Medien für integrierte
Optikanwendungen dient, insbesondere bei Mehrlagenmetallisierungen von Schaltkreisen der integrierten Optik.
In konventionellen Verfahren sind die optisch wirksamen Materialübergänge bei integrierten optischen Schaltungen von der Prozessscheibe zum angrenzenden Medium mit mehr oder weniger hohen Strahlungsverlusten durch Reflexion gekennzeichnet, wobei die Anpassung bei angrenzenden Schichten andersartiger Medien meistens mittels der λ/4-Methode erfolgt, d.h., angrenzende Schichten müssen auf die jeweilige Wellenlänge des ausgesendeten bzw. empfangenden Lichtes abgestimmt sein, oder es muss eine angepasste Zwischenschicht eingefügt werden. Das bedingt jeweils eine spezifische auf die jeweilige Wellenlänge bzw. den Wellenlängenbereich angepasste Schichtdickenherstellung, die mit technologischem Aufwand verbunden ist. Dennoch sind auch bei dieser Methode bestimmte Strahlungsverluste nicht zu vermeiden.
Durch Anwenden von Nanostrukturen, hergestellt durch einen Ätzprozess, wie er zuvor und auch nachfolgend beschrieben ist, wird eine breitbandige und mit weniger Strahlungsverlusten verbundene Verfahrensweise für den Strahlungsübergang zwischen der Prozessscheibe zu einer angrenzenden optisch verschiedenen Schicht oder mehreren Schichten, bzw. in umgekehrter Strahlungsrichtung, vorteilhaft in die Herstellungstechnologie eingebunden. Dabei können Nanostrukturelemente mit einem Höhenbereich von etwa 200 bis 1500 nm eingesetzt werden, wobei die jeweilige Höhe den weiteren Herstellungsbedingungen und/oder den Bauteilbedingungen angepasst werden kann. So kann eine geringe Prozesszeit ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von bestimmten Produkten sein, und eine geringere Ausprägung der Strukturelemente sorgt dennoch für eine moderat hohe Effizienz. In anderen Aspekten kann eine bessere Effizienz bei längeren Wellenlängen erforderlich sein, sodass tendenziell eine größere mittlere Höhe verwendet werden kann.
Die Schicht aus Nanostrukturelementen kann bevorzugt in engeren Höhenbereichen ihrer Strukturelemente liegen, so die Bereiche oberhalb 300 nm und unter 400 nm oder im Bereich zwischen 300 nm und 350 nm, dieses jeweils im Mittel der einzelnen Höhen.
Es ist somit möglich, verschiedene Dicken der an die Prozessscheibe angrenzenden optisch andersartigen Schicht bzw. Schichten zu verwenden, ohne die optischen Eigenschaften des Systems für einen weiten Wellenlängenbereich zu verändern. Es ergibt sich der Vorteil einer wellenlängenunabhängigen Übergangsanpassung bei beliebiger Schichtdicke des angrenzenden Mediums, bzw. bei Anwendung mehrerer verschiedener Medien des Zwischenmediums.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten mit einer definierten Schnittstelle zwischen Photo-Bauelement und Umwelt zu arbeiten, die auch für unterschiedlichste technologische Randbedingungen immer gleich bleibt und sehr gute optische Eigenschaften aufweist, wie Wellenlängenunabhängigkeit und geringste optische Verluste (Reflexion und Absorption). Damit können Kosten und Zeit gespart werden, da nicht für jede neue integrierte Optik das gesamte optische System neu konzipiert werden muss und für bestehende Systeme ein einfacher Wechsel der Halbleitertechnologie, zum Beispiel zu geringeren Strukturgrößen, möglich ist. Weiterhin ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine mit bisherigen Methoden kaum oder nicht erreichbare Systemintegration. Es können eine Vielzahl von optischen Elementen direkt auf dem Wafer integriert werden (Anspruch 109). Es können problemlos Strahlteiler, Polarisatoren, optische Filter, Beugungsgitter, Wellenleiter, Prismen, Linsen, Glasfasern, Schutzgläser, Flüssigkristalle, Blenden, photonische Kristalle, dielektrische Schichten, absorbierende Schichten, LEDs, LASER, Abschwächer, Modulatoren, Fluoreszenzstoffe, leitende Elektrodenmaterialien und beliebige Kombinationen daraus (Anspruch 104) direkt auf dem Wafer integriert werden (Anspruch 77). Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Figuren beschrieben, in denen
Figur 1a eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) einer RIE-geätzten
Siliziumoberfläche im Schnitt ist, in einem Bereich, der teilweise durch eine Oxidschicht abgedeckt ist,
Figur 1 b eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) ist, mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind,
Figur 1c eine elektronenmikroskopische Aufnahme (TEM) in Durchstrahlung mit hoher Auflösung von der Spitze einer Silizium-Nadel ist,
Figur 1d ist Figur 1 c senkrecht ausgerichtet,
Figur 1e eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) der Nanostruktur mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm ist,
Figur 1f eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) mit höherer Auflösung ist,
Figur 1g eine zeitliche Abfolge von elektronenmikroskopischen Aufnahmen (SEM) ist, in der deutlich wird, dass ein Selbstmaskierungseffekt bereits nach kurzer Zeit (10 Sekunden) wirksam wird,
Figur 1 h eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) ist, wobei beispielhaft die Höhe und die laterale Abmessung der Nadeln im Fußbereich angegeben sind, in welchem zwei Spitzen münden und das Aspektverhältnis größer als 4 ist,
Figur 1 i eine elektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) ist, wobei beispielhaft die Höhe und laterale Abstände am Fußbereich der Strukturen gezeigt sind,
Figur 1j eine Übergangsfunktion (eine Volumenverteilung von Silizium über die Tiefe der Nanostruktur) zeigt, wodurch der graduelle Übergang von Silizium zu einem angrenzenden Medium, z.B. SOG oder Luft, verdeutlicht wird,
Figur 1k eine Nanostruktur zeigt, die der Auszählung (zum Erhalt der Übergangsfunktion nach Figur 1j) zu Grunde lag; Figur 2a eine konventionelle Fotodioden-Entspiegelung in schematischer Schnittdarstellung zeigt;
Figur 2b eine entspiegelte Fotodiode in schematischer Schnittdarstellung ist, als Beispiel der Erfindung;
Figur 2c ein Diagramm der Reflexionen an auf verschiedene Weise entspiegelten Siliziumoberflächen ist,
Figur 2d die transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen Si- Spitze der RIE-behandelten Oberfläche ist,
Figur 2e das Diagramm der spektralen Empfindlichkeiten von gleich aufgebauten Dioden mit unterschiedlichen Passivierungsschichten ist,
Figur 3a einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode ohne Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung zeigt,
Figur 3b einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode mit Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung zeigt,
Figur 3c ein Diagramm mit den Werten der Reflexion vor und nach dem Aufbringen der SOG-Schutzschicht auf eine Silizium-Nanostruktur ist,
Figur 4a eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche ohne Pufferschicht mit erhöhtem Siliziumverbrauch zeigt,
Figur 4b eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche mit Pufferschicht mit minimalem Si-Verbrauch zeigt,
Figur 5 einen Ablauf einer Modifizierung einer Siliziumnanostruktur zu einer SiO2- Struktur gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt,
Figur 6a Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten
Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen repräsentieren, wobei die Messergebnisse mittels einer Ulbrichtkugel gewonnen wurden und die Reflexionen der Oberflächen in alle Raumrichtungen beschreiben,
Figur 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,
Figur 6c die direkte Absorptionsmessung durch die Photothermische
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, die Dicke der Probe betrug 625 μm);
Figur 7 die Transparenz einer Probe mit einseitig modifizierter Oberfläche zeigt, wobei die Theoriekurve die Absorption des Siliziums vernachlässigt,
Figur 8 eine Schnittansicht eines integrierten Bauelements ist, das mit einer optischen Schnittstelle hergestellt ist.
Figur 9a,
Figur 9b zwei Bilder mit Messlinien aus Figuren 1a, 1 b sind, zu deren Erläuterung.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug zu den Figuren 1a bis 1j und 9a, 9b werden zunächst beispielhafte Nanostrukturen und anschauliche Prozesse zu deren Herstellung verdeutlicht. Ähnliche Prozesse und Nanostrukturen können sodann auch in anderen Anwendungen, z.B. fotoelektrischen Bauelementen, Sensorbauelementen, als optische Beschichtungsstrukturen in optischen Geräten, als optische Fenster und dergleichen Verwendung finden, wie dies bereits zuvor dargelegt und auch in nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben ist. Ferner können die Nanostrukturen, wie sie beispielsweise durch die folgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, auch weiteren Behandlungen zum Aufbringen von Schutzschichten, der Modifizierung der Oberfläche und dergleichen unterzogen werden.
Figur 1a zeigt ein Silizium enthaltendes Bauelement 1 mit einer Nanostruktur 2, die eine 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 "Nadeln" oder Strukturelemente zu verstehen, die eine Spitze mit lateralen Abmessungen von wenigen Nanometern aufweisen, wobei die Spitze nach unten hin in ihrer lateralen Abmessung deutlich zunimmt, sodass im unteren Bereich der Strukturen eine relativ große laterale Abmessung erreicht wird, bei relativ seichtem Auslaufen (gegenüber der Steigung von Seitenwänden des Mittenbereichs), wobei sogar zwei oder mehr Spitzen in einem einzelnen Fußbereich münden können, der dann deutlich breiter ist als die einzelnen Spitzen.
Die Siliziumbasisschicht 3 ist in dieser Ausführungsform von einer Maskenschicht 5 begrenzt, die aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid 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 halbe Dicke der Maskenschicht 5. In der gezeigten Ausführungsform ist die 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.
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.
Figur 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 Strukturen bzw. Strukturelemente 4 deutlicher zu zeigen. Wie aus den Figur 1a und 1b zu erkennen ist, weisen in diesen Ausführungsformen die
Siliziumstrukturen 4 eine Höhe auf, die im Mittel bei etwa 400 nm bis 850 nm liegt, sodass in einigen Ausführungsformen eine Höhe erreicht wird, die größer ist als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. In anderen Ausführungsformen beträgt die Höhe der Strukturelemente in einer jeweiligen Schicht oder auf einem jeweiligen flächigen Abschnitt einer größeren Schichtfläche im Mittel zwischen 400 nm bis 1500 nm. D.h., eine Schicht mit Strukturen bei 400 nm im Mittel oder andere Schichten mit mittleren Höhen von 500 nm oder 600 nm oder bis zu 1500 nm, jeweils als eigene Schichthöhe. Diese Strukturen können damit unter anderem sehr vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Integration in eine Metallisierungsstruktur in Form einer optischen "Schnittstelle" eingesetzt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Aufgrund des gekippten Elektronenstrahls von 17° ist die als Maß eingetragene Höhe in Figur 1b von 603 nm auf die reale Höhe umzurechnen. Auch umgerechnet werden kann die Höhenerstreckung um bis zu 60 % (von der realen Höhe) für niedrigere Nadeln, die in diesen Ausführungsbeispielen auf etwa 400 nm ausgelegt sind, um ihre gewünschten Wirkungen erreichen. Dies erfolgt durch Stauchung der Figur 1a in Höhenrichtung auf 40 % der dargestellten Höhe.
Die Höhen der Nadeln in Figur 1 b sind dieselben wie die der Figur 1a. Es handelt sich bei den Bildern um dieselbe Probe, vgl. Figuren 9a, 9b. Die Bilder wurden direkt nacheinander gemacht. Der Unterschied der Maßangaben lässt sich nicht nur mit dem Kippwinkel von 17° erklären. Es zeigt sich einmal mehr wie schwierig es ist, konkrete Angaben in diesen Größenbereichen zu machen. Die optische Wirkung liegt vermutlich darin begründet, dass für Figur 1a am tiefsten Punkt und am höchsten sichtbaren Punkt gemessen wurde, wohingegen für Figur 1 b nur ein lokal tiefster Punkt und nur die höchste sichtbare Bruchstelle verwendet wurde. Die Nadeln sind allerdings etwas höher als diese Bemaßung glauben lässt. Wirft man einen kritischen Blick auf Figur 1a und setzt dort als höchsten Punkt die höchste Bruchkante an, verringert sich auch der Wert der Nadelhöhe. Die Figuren 9a, 9b veranschaulichen das im direkten Vergleich.
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 Wellenlängenbereich oberhalb 180 nm bis zu derzeit gemessenen 3000 nm beobachtet werden. In weiteren Ausführungsformen wird eine mittlere Höhe der Nanostrukturen von kleiner 400 nm eingesetzt, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Wie aus Figur 1a ersichtlich ist, kann eine Höhe der Siliziumstrukturen 4 auch bei im Wesentlichen 1000 nm liegen.
Andererseits zeigen die Figuren 1a und 1b, dass die laterale Abmessung der Siliziumstrukturen 4 in einem Fußbereich 4b am unteren Ende einer der Nanostrukturen typischerweise bei weniger als 100 nm liegt, sodass im Mittel ein Aspektverhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung von zumindest 4, meist sogar höher erreicht wird.
Die in Figur 1a und 1 b 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 90% (bis im Wesentlichen 93%) beziehen, wurden hergestellt in einem Einzelschritt-Plasamätzverfahren in einer Anlage des Typs STS320 mit folgenden Parametern: SFe-Gasfluss: IOO sccm
O2-Gasfluss: 20 sccm
Gasdruck: 70 mTorr
Temperatur der Si-Scheibe: 27°C Plasmaleistung: 10O W
Ätzzeit: 2 min
Sich selbst einstellender BIAS (Gleichspannungspotential zwischen der Plasmaatmosphäre und der zu ätzenden Oberfläche): variiert um 350 V.
Die 6" (Zoll, inch) Scheibe lag in der Anlage RIE STS 320 in diesem Beispiel auf einer 8" Scheibe auf, sodass auch neben der 6" Scheibe das Plasma wirken kann und die Trägerscheibe bei Bedarf als eine Siliziumquelle während des Ätzvorgangs dienen kann.
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.
In anderen Ausführungsformen wurden Gasflussraten von 50 bis 150 sccm für das reaktive Gas, also SF6, 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. Andere Beispiele arbeiteten mit nur einer 8-ZoII Scheibe, ohne einen darunterliegenden Tragwafer. Es stellten sich vergleichbare Ergebnisse ein.
In alternativen Beispielen wurden vergleichbare Ergebnisse für die nanostrukturierte Oberfläche erzielt. Ausgangsparameter und Prozessparameter werden unten angegeben.
Für einen Flächenanteil von 0,1 % Silizium und 99,9 % Oxidmaske, mit folgenden Parametern
150 sccm SF6 20 sccm O2 91 mTorr 27 0C 100 Watt 4 Minuten Ätzzeit (Prozesszeit) Bias 310 V / 28 V
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).
Bias 440 V / 125 V
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. Der Sauerstoff-Gasfluss sollte dabei bevorzugt um 10% bis 20% erhöht werden.
Die Biaswerte der obigen Beispiele sind "peak to peak" für den jeweils ersten Wert, und die "chamber bias voltage" für den jeweils zweiten Wert eines Beispiels.
Aus den obigen Angaben können entsprechende Parameterwerte für andere Ätzanlagen und andere Bedeckungsgrade der mit den nadelartigen Strukturen zu strukturierenden Siliziumbasisschicht 3 ermittelt werden. Beispielsweise kann ein geringerer Bedeckungsgrad der Siliziumbasisschicht durch eine niedrigere Gasflussrate des reaktiven Gases berücksichtigt werden.
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.
Ist keine Maske gegeben, ist der reaktive Gasanteil niedrig, und 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. In anderen Ausführungsbeispielen wurden auf der Grundlage der obigen Prozessparameter und Bedingungen Nadelstrukturen mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm, insbesondere in von 300 nm bis kleiner 400 nm erzeugt, weiter insbesondere im Bereich zwischen 300 nm und 350 nm.
Als Maskenschicht 5 eignen sich Siliziumoxide oder Siliziumnitride.
Bearbeitete Scheiben mit gleichartigen Strukturen (ohne Oxidmaske) wurden 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.
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.
Figur 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 Figur 1c und 1d 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°, sodass 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.
Figur 1e zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts der Struktur 2, wobei auch deutlich wird, dass die einzelnen Strukturelemente 4a auch über einen größeren Bereich eine relativ gut definierbare mittlere Höhe aufweisen, die in diesem Ausführungsbeispiel bei kleiner 400 nm liegt.
Figur 1f zeigt einen Teil der Aufnahme aus Figur 1e stärker vergrößert, wobei auch einzelne Strukturelemente 4 erkennbar sind, die zwei Spitzen 4a besitzen, die in einem gemeinsamen Fußbereich 4b münden, wobei dennoch ein Aspektverhältnis von größer 4 erreicht wird.
Figur 1g zeigt eine Abfolge von Aufnahmen, die unterschiedliche Phasen des Ätzprozesses darstellen. Wie insbesondere in den stark vergrößerten Aufnahmen auf der rechten Seite ersichtlich ist, ergibt sich bereits eine ausgeprägte selbstmaskierende Wirkung während der Anfangsphase der Ätzung, sodass im weiteren Verlauf die bereits vorliegenden "Strukturen" dann effizient weiter in das Silizium hineingetrieben werden. Damit wird ein übermäßiger Siliziumverbrauch beim weiteren Ätzprozess vermieden, wobei dieser noch weiter eingeschränkt werden kann, wie dies noch detaillierter beschrieben wird.
Figur 1 h zeigt die Struktur 2 in der Ausführungsform, in der die Höhe der einzelnen Strukturelemente bei kleiner 400 nm liegt. Dort ist eine typische Höhe von 340 nm angegeben, wobei eine Dicke des Fußbereichs 4b für ein Element mit Doppelspitze bei 80 nm liegt, sodass ein entsprechendes Aspektverhältnis bei größer 4 liegt. Für Strukturelemente ohne Doppelspitze ist das Aspektverhältnis noch deutlich größer. Im Mittel ist somit das Aspektverhältnis größer 4, selbst wenn vereinzelte Strukturelemente 4 ein kleineres Aspektverhältnis aufweisen. Entsprechende Angaben über das Aspektverhältnis sollen also einen repräsentativen Mittelwert bezeichnen.
Figur 1 i zeigt typische laterale Abstände für eine Ausführungsform mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm. Die lateralen Abstände liegen im Bereich von etwa 20 nm bis 150 nm, sodass ein mittlerer Abstand deutlich unter der Wellenlänge des sichtbaren Lichts erreicht wird, womit insbesondere das Entspiegelungsverhalten bei kürzeren Wellenlängen verbessert ist. Figur 1j zeigt eine Übertragungsfunktion, die den Siliziumanteil in Abhängigkeit der Höhe bzw. Tiefe der Struktur 2 angibt, wobei in diesem Beispiel eine Struktur mit einer mittleren Höhe bzw. Tiefe von 900 nm verwendet ist. Die Übergangsfunktion wurde anhand eines guten REM Bildes einer Bruchkante ermittelt, indem das Bild in gleichmäßige Kästchen unterteilt und jedem Kästchen entweder Silizium oder Luft zugeteilt wurde, vgl. dazu die dieses veranschaulichende Figur 1k. Die so ermittelten Ergebnisse wurden mit verschiedenen Funktionen angefittet, wovon die Bolzmannfunktion eine sehr gute Anpassung ergibt.
In Figur 1j ist die so ermittelte Kurve mit den entsprechenden Messwerten (schwarz gepunktet) zu sehen. Da ein Bruch nur eine von zwei Dimensionen darstellt, wurde versucht, das Ganze auf drei Dimensionen zu erweitern. Dabei wurde gemäß einem optischen Modell eine runde Nadelform als geeignet ermittelt, da damit die gemessenen Reflexionswerte nachgebildet werden können.
Die Kurve in Figur 1j zeigt als "Übergangsfunktion" deutlich den graduellen Anstieg des Siliziumanteils bei Annäherung an die Basisschicht 3 sowie die Abnahme des Siliziumanteils mit zunehmender Höhe, wobei dies einer entsprechenden Zunahme des Anteils des umgebenden Mediums entspricht. Dabei wird an den jeweiligen "Endbereichen" der Kurve eine sanfte Annäherung an das jeweilige Medium, d.h. reines Silizium und SOG in dem gezeigten Beispiel, erreicht. Ferner ist erkennbar, dass sich eine näherungsweise symmetrische Form der Übergangskurve ergibt, was sich vorteilhaft bei der Verwendung der entsprechenden Siliziumstrukturen als Vorlage, insbesondere als Prägeform auswirkt, weil das durch diese Siliziumform gebildete "negative Bild" beim Prägen, oder beim Herstellen des Prägemasters ebenfalls eine geeignete Übergangsfunktion ähnlich zu der in Figur 1j gezeigten ergibt.
Es sollte beachtet werden, dass eine ähnliche Übergangsfunktion auch für die Strukturen mit einer mittleren Höhe von weniger als 400 nm erhalten werden. Die x-Achse ist entsprechend zu stauchen.
Oben ist im Beispiel Spin-on-Glas (SOG); unten ist im Beispiel Silizium. Bewegt sich ein Betrachter von dem unteren Medium in das obere Medium (jeweils vertikal außerhalb der Strukturelemente), ändert sich der Brechungsindex der Schicht 2 mit den Nanostrukturelementen 4 nicht stufig oder ruckartig, vielmehr in einem sanften Verlauf von Figur 1j, entsprechend der Veränderung der Volumenanteile Si und SOG.
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.
Im optischen Bereich sind die nadelartigen 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 nadelartigen Struktur, und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Der
Brechungsindex verändert sich graduell vom Brechungsindex des Siliziums zu dem Brechungsindex des die Nanostruktur 2 umgebenden Mediums, beispielsweise Luft.
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.
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.
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 Plasma-Ätzprozess in einem einzelnen Ätzschritt eine Kontamination und eine Ausbildung plasmabedingter Kristallfehler gering gehalten wird, sodass bei geringem Aufwand für den einstufigen 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.
Des Weiteren sind keine aufwändigen Oberflächenpräparationen oder zusätzliche Maßnahmen zur Erzeugung einer Mikromaskierung erforderlich. Ein pre-conditioning, d.h., eine Vorbereitung der Oberfläche zum Erhalten der Nanostrukturen, kann entfallen.
Mit Hilfe eines RIE-Standardätzverfahrens für Silizium wird ohne jegliche zusätzliche Strukturierungsmaßnahme (e-beam, Interferenzlithographie, o. a.) durch 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.
Mit Bezug zu den Figuren 2a bis 2f werden Anwendungen zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente beschrieben, wobei die zuvor beschriebenen Strukturen, beispielsweise auch die zuvor beschriebenen Verfahren und insbesondere die Strukturen der Figur 1e bis 1 i mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm, angewendet werden können.
Die Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Fotodioden 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.
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.
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.
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-Fotodioden interessanten Wellenlängenbereich auf. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung ist deren geringe Einfallswinkelabhängikeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.
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. Figur 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.
Figur 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 selbstorganisierten Nanostrukturen, z.B. 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 (Figuren 1a bis 1c) sind mit > 400 nm bei etwa 1000 nm vorgesehen. Aber bereits bei mittleren Höhen von kleiner 400 nm ist eine sehr gute Entspiegelung zu beobachten.
Die Reduzierung der Reflexion an einer derartigen Oberfläche kann mit einer Impedanzanpassung (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.
Die hier verwendeten Strukturen weisen solch eine Form auf. Sie sind sehr spitz, laufen aber im Mittel flach aus, wie dies auch in der Übergangskurve der Figur 1j zu erkennen ist, was in einer zuerst geringen, am Ende aber sehr starken Impedanzänderung resultiert.
Figur 2c zeigt entsprechende Reflexionskurven für verschiedene Bauelemente 200 mit und ohne die Nanostruktur 2. Die gemessenen Reflexionsspektren bestätigen die drastische Reduzierung der Reflexionsverluste.
Figur 2d zeigt das Ergebnis kristallografischer Untersuchungen, die zeigen, dass die Nanostrukturen 2 bei ihrer Herstellung einkristallin geblieben sind. In Figur 2d sind entsprechende Netzebenen in einem oberen Abschnitt eines Strukturelements zu erkennen, wie sie auch in Figur 1c gezeigt sind. 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.
Figur 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.
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 die 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.
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. Mit Bezug auf die Figuren 3a bis 3c werden nunmehr weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die Verfahren zum Schutz empfindlicher Nanostrukturen angeben.
Extrem feine Strukturen (Nanostrukturen) sind gegenüber mechanischen Kräften unter Umständen 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.
Schutzschichten für leicht zerkratzbare Oberflächen gibt es schon seit geraumer Zeit, seien es Hartschichten für Kunststoffgläser oder CDs. Auch für Nanostrukturen gibt es Bemühungen, diese zu schützen, vgl. 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 die 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, wie bereits zuvor beschrieben.
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.
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.
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 von dieser entfernt werden. 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 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 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.
Figur 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.
Beispielsweise wird für die Entspiegelung des Bauelements, z. B. einer Fotodiode, 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 SisN4 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.
Figur 3b zeigt das Bauelement gemäß einer anschaulichen Ausführungsform.
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 der Nanostrukturen lunkerfrei ausgefüllt. Ein Temperschritt härtet dieses Glas aus, führt aber auch zu einem gewissen Schwund, sodass vorteilhaft diese Prozedur zu wiederholen ist. Nach wenigen solchen Schritten ist die Nanostruktur komplett eingehüllt und die Oberfläche eben und resistent gegen mechanische Beschädigungen. Die so geschützte Nanostruktur lässt sich nun problemlos 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 oberhalb 180 nm bis 1100 nm ist die optische Funktion der Nanostruktur 2 nur geringfügig verschlechtert.
Figur 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 Figur 3a und 3b. Es bleibt bei einer Breitband-Entspiegelung, die mit 3,5 % Reflexion deutlich besser ist als die glatte blanke Siliziumgrenzfläche mit > 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.
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.
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.
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.
Mit Bezug zu den Figuren 4a und 4b werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen der 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 den zuvor erläuterten RIE-Prozess (Reactive Ion Etching) selbstorganisiert hergestellten "nadelähnlichen Nanometerstrukturen" (kurz Nanostrukturen), wie sie bereits zuvor beschrieben sind, benötigen eine gewisse Zeit bis zu ihrer vollständigen Ausbildung. Da die Selbstmaskierung zwar von Anfang wirksam, aber noch nicht so ausgeprägt ist (siehe Figur 1g), entsteht ein Materialabtrag, der in manchen Anwendungen nicht toleriert werden kann. Dieser Effekt kann durch eine angepasste Pufferschicht verringert oder ganz unterdrückt werden.
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.
Figur 4a zeigt einen typischen Prozessablauf in einzelnen Zwischenstufen zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Nanostruktur 2 mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm, 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.
Figur 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. Die Verwendung der Pufferschicht 406 ist insbesondere für die Verwendung von Strukturelementen mit einer mittleren Höhe von kleiner 400 nm vorteilhaft, da diese somit als "Oberflächenschicht" ohne größeren Verbrauch an Silizium hergestellt werden können, sodass sich die elektronischen Eigenschaften im Bereich an und unter der Schicht nicht wesentlich zu einer unstrukturierten Oberfläche ändern.
Mit Bezug auf Figur 5 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen eine Basis-Nanostruktur oder eine Primärstruktur modifiziert wird, um gewünschte Oberflächeneigenschaften zu erhalten.
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 Strukturierungs-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.
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.
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, mit den der Halbleiter-Bauelementetechnologie adäquaten Mitteln ein derartiges Oberflächenrelief, gekennzeichnet durch nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen, d.h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, mit geeignetem Oberflächenmaterial, z.B. thermischem SiO2, zu erzeugen.
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. 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.
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/SiO2 gegenüber der ursprünglichen Si-Oberflache stark eingeebnet wird.
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.
Figur 5 veranschaulicht eine Prozessabfolge. Im oberen Teil der Figur 5 ist eine Nanostruktur 2, die durch zuvor beschriebene Verfahren hergestellt werden kann, in einem Bereich 503a einer Siliziumbasisschicht 503 gebildet.
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. Bevorzugt sind Oxidationen unter 500 Grad Celsius.
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.
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.
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 % (Siθ2/Luft Übergang) zu verursachen.
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.
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.
In einer weiteren Ausführungsform werden die notwendigen primären Nanostrukturen im Silizium 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 Siliziumscheibe eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt. 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.
Siliziumoberflächen mit einer durch ein RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostruktur können hervorragend als Absorber dienen, wobei nahezu alles Licht im Bereich von 180 bis 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.
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.
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.
In der Figur 6a sind Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen abgebildet.
Figur 6b zeigt die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail.
Figur 6c zeigt die direkte Absorptionsmessung durch die photothermische Deflektionsspektroskopie (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. 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.
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.
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 mit einer Höhe von kleiner 400 nm, die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF6 (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.
In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen als Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Geräte eingesetzt, bei denen die optische Strahlung wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird.
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 einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Reflexionsstandards für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit einer dünnen Metall Schicht überzogen.
In einer weiteren Ausführungsform dient die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe.
Mit Bezug zu Figur 7 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen IR- Fenster mit hoher Transmission bereitgestellt werden.
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.
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.
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.
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%.
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, sodass die Handhabung des Fensters erschwert wird.
Die Oberflächenmodifizierung kann mit konventionellen Fotolackmaskierungstechniken auf bestimmte Bereiche begrenzt werden, sodass 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.
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.
Auch beide Oberflächen des Fensters können mit den Nadeln versehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Nanostrukturen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) gegen mechanische Zerstörung geschützt.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Schutz aus Hydrogen-Silses-Quioxane (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.
Mit Bezug zu Figur 8 werden nun weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen eine Schicht mit nadelartigen Strukturen, die unter Anwendung der zuvor beschriebenen Verfahren mit einer mittleren Höhe, die im Bereich zwischen 200 nm und 1500 nm liegt, hergestellt wird. Dazu wird zumindest eine Nanostruktur im optischen Fenster einer integrierten Komponente vorgesehen, bevor weitere
Metallisierungsschichten aufgebracht werden, sodass sich die Verluste beim Übergang von den Metallisierungsebenen in das optische Fenster reduzieren lassen, ohne dass wesentliche Einschränkungen an der Metallisierungsebene im Bereich des Fensters vorgenommen werden müssen.
Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Silizium-PIN- Fotodiode 800, die als Bestandteil eines integrierten Schaltkreises (Schaltkreis nicht gezeigt) einer Mehr-Lagen-Metall-Technologie auftritt, wobei in der gezeigten Ausführungsform vier Metallisierungsebenen gezeigt sind.
Das optische Bauelement 800 umfasst ein Substrat 801 , etwa ein hochdotiertes p- Substrat, in welchem geeignet ausgebildete Halbleitergebiete vorgesehen sind. In dem Beispiel einer Fotodiode ist eine p-vergrabene Schicht 802, eine p-Wanne 803 und ein Epitaxiegebiet 815 als intrinsisches Gebiet der Diode 800 vorgesehen. Ferner sind stark p dotierte Gebiete 813 zur Kontaktierung der Gebiete 803 vorgesehen. Ein stark n dotiertes Gebiet 813 ist in dem Epitaxiegebiet 815 ausgebildet und weist eine Schicht mit einer Nadelstruktur 814 auf, wobei die Schicht eine Dicke im Bereich von 200 bis 1500 nm aufweist. Ferner sind in der Bauteilebene diverse Bereiche durch Isolationsstrukturen 804 getrennt.
Über der Bauteilschicht (dem Substrat) 801 in Verbindung mit den anderen Halbleitergebieten ist eine Metallisierungsstruktur vorgesehen, um die einzelnen Bauelemente, z.B. die Diode 800, mit anderen Elementen und der Peripherie zu verbinden. In der gezeigten Ausführungsform sind vier Metallisierungsebenen vorgesehen, die eine jeweilige Isolationsschicht, also Schichten 805, 806, 807, 808 aufweisen, in denen Leitungen und andere Metallgebiete ausgebildet sind, wie etwa entsprechende Elektroden 810, 811 , die als Anode bzw. Kathode dienen. Die Isolationsschichten sind aus einem geeigneten Material, beispielsweise Siliziumoxid oder ähnlichem aufgebaut, bevorzugt oxidiert (thermisch) bei Temperaturen unter 500 0C. Ferner ist eine abschließende Passivierungsschicht 809 vorgesehen, die die Integrierte Schaltung vor Umwelteinflüssen schützt.
Das Bauelement kann gemäß konventionellen Verfahren hergestellt werden, wobei sich dann ein weiterer Ätzschritt anschließt, wie dies auch bereits erläutert ist, in dem im Oberflächenbereich der Fotodiode 800 die entsprechende Nadelstruktur 814 erzeugt wird. Danach folgen Verfahrensschritte zum Aufbringen der jeweiligen Isolationsschicht und der entsprechenden Metallgebiete. In einer Ausführungsform werden die Isolationsschichten als Materialien mit einander sehr ähnlichem Brechungsindex (beispielsweise SiO2) aufgebracht. In anderen Ausführungsformen kann auf eine
Isolationsschicht eine weitere Schicht mit einer Nanostruktur aufgebracht werden, wenn die unmittelbar folgende Schicht einen stark unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Wenn beispielsweise eine Siliziumnitridschicht als nächste Schicht folgen soll, kann in der vorhergehenden Oxidschicht eine Nanostruktur hergestellt werden, indem z.B. eine Siliziumschicht abgeschieden, strukturiert und dann modifiziert wird, wie dies auch zuvor beschrieben ist.
Die Schichtdicke der Nanostrukturschicht 814 kann gemäß den Beispielen der Figur 1b oder gemäß den Figuren 1 h, 1i gewählt werden. Entsprechend dünnere Schichtdicken können vorgesehen sein, so unter 400 nm oder im Bereich zwischen 300 nm und 350 nm.
Die Passivierungsschicht 9 kann ebenfalls aus einem Material mit einem sehr ähnlichen Brechungsindex (beispielsweise wieder Siθ2) hergestellt sein, oder es kann eine weitere Schicht mit Nanostruktur zur Anpassung des Brechungsindex in der zuvor beschriebenen Weise vorgesehen werden.
Eine so aufgebaute Fotodiode einer integrierten Schaltung weist folgende Vorteile auf:
Der Aufbau der Isolationsschichten, also ihre Anzahl, Dicke, etc. wird vernachlässigbar. Damit ist es unerheblich, ob der Chip in einer z.B. 2-Lagen-Metallisierung oder in einer 6-Lagen-Metallisierung gefertigt wird.
Die Isolationsschichten und die Passivierungsschicht müssen nicht zurückgeätzt werden, um eine definierte Schichtdicke für eine λ/4 Schicht aufzubringen. Ein solcher Rückätzschritt, wie in DE-A 102 396 43 beschrieben, wird für Mehrlagentechnologien sehr aufwändig. Wird eine Fotodiode nicht an Luft betrieben sondern direkt an Glas angekoppelt, gibt es keine Übergangsverluste. Wird beispielsweise eine Glasfaser direkt auf die Siθ2 Passivierung aufgeklebt oder ein Glaslid des Chipgehäuses direkt auf die Passivierungsschicht aufgebracht, gibt es nur geringfügige Übergangsverluste bis ins Silizium. Diese Eigenschaft ist mit einer λ/4-Entspiegelung auch für einen sehr kleinen Wellenlängenbereich kaum zu erreichen.
Durch die beliebige Gestaltung der Isolationsschichten kann durch CMP (chemischmechanisches Polieren) eine glatte Glasoberfläche für die gesamte Prozessscheibe erzeugt werden. Dadurch können integrierte Schaltungen mit Fotodioden so weiterverarbeitet werden als wären es Glassubstrate. Es können einfach direkt für die gesamte Prozessscheibe hochwertige dielektrische Schichtsysteme aufgebracht und sogar strukturiert werden. Damit sind Kosteneinsparungen möglich. Mikrolinsen können direkt für die gesamte Prozessscheibe aufgebracht werden. Mikrooptiken können für eine ganze Prozessscheibe montiert werden. Das ist bei gleich bleibenden Bedingungen auch für wechselnde Halbleitertechnologien möglich, also für verschiedene Strukturgrößen, unterschiedliche Metallisierungssysteme und unterschiedliche Fotodioden.
Vor einem Vereinzeln des Substrates, auf dem zuvor die optischen Bauelemente hergestellt wurden, werden eines oder mehrere "optische Elemente" einem optischen Bauelement auf dem Substrat zugeordnet und angebracht. Beispiele jeweils eines dieser optischen Elemente sind Strahlteiler, Polarisatoren, optische Filter, Beugungsgitter, Wellenleiter, Prismen, Linsen, Glasfasern, Schutzgläser, Flüssigkristalle, Blenden, photonische Kristalle, dielektrische Schichten, absorbierende Schichten, LEDs, LASER, Abschwächer, Modulatoren, Fluoreszenzstoffe, leitende Elektrodenmaterialien. Pro Substrat können mehrere verschiedene optische Elemente verwendet werden, wie auch pro optisches Bauteil mehrere verschiedene optische Elemente angeschlossen werden können, oder eben nur ein optisches Element pro einem optischen Bauteil auf dem Substrat angeordnet wird.
* * * **** **** * *

Claims

Ansprüche:
1. Fotoelektronisches Bauelement mit
- einem optisch aktiven Fenster zum Eintritt und/oder Austritt von Strahlung;
5 - einer in einem optisch aktiven Fenster vorgesehenen Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einem oberen Endbereich und einem unteren Fußbereich, die im Mittel eine Höhe von weniger als 400 Nanometer aufweisen, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, als Verhältnis der Höhen lo der Strukturelemente zu deren lateralen Ausdehnungen an den
Fußbereichen, im Mittel größer als vier ist.
2. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , das ferner eine Passivierungsschicht aufweist, die das optisch aktive Fenster frei lässt und mit i5 diesem eine Grenze bildet, wobei die Strukturelemente sich im Wesentlichen bis zu der Grenze erstrecken.
3. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.
20
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.
25
5. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.
6. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
30 Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierenden Material aufgebaut sind.
7. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, wobei das isolierende Material Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid ist.
35
8. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Höhe der Strukturelemente im Bereich von mehr als 300 Nanometer und weniger als 400 Nanometer liegt, insbesondere im Bereich unter 350 nm.
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.
5 10. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.
11. Fotoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ferner eine zweite Nanostruktur an einer zweiten Grenzfläche des optisch aktiven lo Fensters vorgesehen ist.
12. Fotoelektrisches Bauelement nach Anspruch 11 , wobei die zweite Nanostruktur in einer Schutzschicht eingebettet ist.
i5
13. Sensorbauelement mit einer Sensoroberfläche, die durch eine Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen gebildet ist, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich und im Mittel eine Höhe von weniger also 400 nm aufweisen, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente - das
20 Verhältnis der Höhe der Strukturelemente zu der lateralen Ausdehnung am
Fußbereich - im Mittel größer als vier ist.
14. Sensorbauelement nach Anspruch 13, wobei die Sensoroberfläche aus einem isolierenden Material gebildet ist.
25
15. Sensorbauelement nach Anspruch 13 oder 14, das ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur aufweist.
16. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die 30 Strukturelemente zumindest teilweise aus Silizium aufgebaut sind.
17. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von mehr als 300 Nanometern und weniger als 400 Nanometern liegt, insbesondere weniger als 350 nm Höhe im Mittel
35 aufweisen.
18. Optische Beschichtungsstruktur zur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten, mit einer Basisschicht und einer auf der Basisschicht aufgebrachten Nanostruktur mit statistisch verteilten 5 Strukturelementen, wobei die Strukturelemente jeweils einen oberen Endbereich und einen unteren Fußbereich und im Mittel eine Höhe von weniger also 400 nm aufweisen, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, jeweils als Verhältnis der Höhe eines Strukturelements und seiner lateralen Ausdehnung im Fußbereich, im Mittel größer als vier ist.
10
19. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.
20. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei die Basisschicht i5 einkristallin ist, und wobei eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente im
Wesentlichen gleich ist zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht.
21 . Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.
20
22. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierenden Material aufgebaut sind, insbesondere das isolierende Material Siliziumdioxid ist.
25 23. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei Fußbereiche (4b) und obere Endbereiche (4a) als Endbereiche der Strukturelemente eine jeweils sanfte Annäherung an das jeweilige Medium außerhalb der Strukturelemente (4), oder oberhalb bzw. unterhalb dieser Strukturelemente erreicht.
30 24. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Höhen der Strukturelemente im Mittel im Bereich von mehr als 300 und weniger als 400 Nanometern liegen, und/oder im Mittel unter 350 nm Höhe aufweisen.
25. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 24, die ferner 35 eine Einebnungsschicht aufweist, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.
26. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 25, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.
27. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen aufgebracht ist.
28. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 27, wobei die Metallschicht der 5 gezielten Wärmeabgabe oder -aufnähme dient.
29. Optisches Gerät mit einer Auskleidung, als breitbandiger optischer Absorber, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.
10
30. Digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche, die eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.
i5 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.
20 32. Optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster, das eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.
33. Optisches Element nach Anspruch 32, wobei das Austrittsfenster mit einer 25 Leuchtdiode oder einem LASER gekoppelt ist.
34. Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.
30
35. Fotoelektronisches Bauelement mit einer in einem optisch aktiven Fensterbereich des Bauelements vorgesehenen reflexions-mindernden Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, kristalldefektarmen Siliziumnadeln mit einer Höhe im Mittel von weniger als 400 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1.
35
36. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 35, wobei die Siliziumnadeln eine Spitze aufweisen, deren laterale Ausdehnung weniger als 10 nm beträgt.
37. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 36, wobei Fußbereiche der Siliziumnadeln einen lateralen Abstand von 20 nm bis 150 nm aufweisen.
38. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 35 bis 37, das eine Passivierungsschicht aufweist, 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 eine Dicke, insbesondere einer halben Dicke der Passivierungsschicht.
39. Optisches Fenster, das Silizium aufweist und eine breitbandige Transparenz im IR-Bereich besitzt, wobei zumindest eine Oberfläche des Fensters nadelartige Strukturen in Nano-Dimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen, wobei eine Höhe der nadelartigen Strukturen im Mittel kleiner als 400 nm ist.
40. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) vor mechanischer Einwirkung geschützt sind.
41. Optisches Fenster nach Anspruch 40, wobei das Schutzmaterial Hydrogen- Silses-Quioxane (HSQ) aufweist.
42. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit
Nano-Dimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt sind und damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche verbleiben.
43. Verfahren zur Anpassung des Brechungsindex eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst:
(a) Erzeugen einer Nanostruktur im Flächenbereich des Fensters mittels eines selbstorganisierten Plasma-Ätzprozesses zur Ätzung einer Siliziumbasisschicht, wobei Strukturelemente der Nanostruktur, die in der
Siliziumbasisschicht erzeugt werden, im Mittel eine Höhe von weniger als 400 nm aufweisen;
(b) Einstellen eines Aspektverhältnisses der Strukturelemente der Nanostruktur auf einen Wert von vier oder höher in Abhängigkeit eines Betriebswellenlängenbereichs des fotoelektrischen Bauelements.
44. Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Strukturelemente als nadelartige Strukturelemente während des Plasma-Ätzprozesses durch Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff (O2) und Schwefelhexafluorid (SF6), ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen
Prozessschritt erzeugt werden, wobei die Siliziumbasisschicht während des 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 geometrischen Anlagenparametern so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumbasisschicht eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF6 zwischen 50 bis 150 sccm - für O2 zwischen 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.
45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, das ferner ein Bilden einer Schutzschicht für die Nanostruktur mit einer im Wesentlichen planen Oberfläche umfasst.
46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei in einem oder 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.
47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses- Quioxane (HSQ) aufgebracht werden.
48. Verfahren für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 47, wobei eine zusätzliche Schicht vor dem Plasma-Ätzprozess aufgetragen wird, die als Pufferschicht ein gegenüber der Siliziumbasisschicht (3) bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich eine
5 selbstorganisierte Struktur mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis ausbildet, welche Pufferschicht im Verlauf des Prozesses dicken-reduziert oder abgedünnt wird.
49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Aspektverhältnis der Strukturelemente lo der Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.
50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, wobei die Pufferschicht eine Siθ2-Schicht ist.
i5 51. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei die Pufferschicht eine Dicke von 20nm bis 100nm hat.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 51 , wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird.
20
53. Verfahren zum Schutz einer Schicht, welche Schicht nadeiförmige Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis und einer Höhe von im Mittel weniger als 400 nm aufweist und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in einem oder mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den
25 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.
54. Verfahren nach Anspruch 53, wobei in einem letzten Schritt eine Überdeckung 30 mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche bei einem späteren
Bearbeitungsschritt wieder entfernt wird.
55. Verfahren nach Anspruch 53 oder 54, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente eine Spitze mit einer lateralen Ausdehnung von weniger als 10 nm aufweisen.
35
56. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente aus einkristallinem Silizium aufgebaut sind.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente Siliziumdioxid aufweisen.
58. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 57, wobei das Spin-On-Glas 5 flüssigkeitsdurchlässig ist.
59. Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, wobei das Verfahren umfasst lokales Freilegen eines Bereichs der Oberfläche, lo Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in
Nano-Dimensionen mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb von Lichtwellenlängen sichtbaren Lichts mit einer mittleren Höhe von weniger als 400nm mittels eines reaktiven lonen-Ätzprozesses und
Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen i5 Bereichs, um sekundäre, ebenfalls nadelartige, eine isolierende Oberfläche aufweisende Strukturen zu erzeugen.
60. Verfahren nach Anspruch 59, wobei eine Siliziumschicht abgeschieden wird, um die Oberfläche bereit zu stellen.
20
61. Verfahren nach Anspruch 59 oder 60, wobei Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs thermisches Oxidieren umfasst.
62. Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 61 , wobei Modifizieren des Bereichs 25 nasschemisches Oxidieren des Bereichs umfasst.
63. Verfahren nach Anspruch 61 , wobei das Silizium in den primären nadelartigen Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt wird.
30 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 Prozessschritt ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der
35 Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Silizium enthaltenden Oberfläche eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt werden.
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 mit
5 einer mittleren Höhe von weniger als 400 nm und mit Aspektverhältnissen größer
4 zu 1 in einem reaktiven lonenätzprozess (reaktive ion etching - RIE) unter Verwendung nur der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt und ohne Anwendung einer zusätzlichen Mikromaskierung bei Beginn des Ätzprozesses, die Prozessparameter unter Verringerung des lo Siliziumverbrauchs bei der Erzeugung der Nanostruktur so eingestellt werden, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskierende 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 i5 sich selbstorganisierte, noch nicht nadelartige Strukturen mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis in der Pufferschicht ausbilden, die im Verlauf des Prozesses zunächst nach Art einer Maskenschicht löchrig wird (406a), und weiterhin nahezu vollständig abgetragen wird, zugunsten der nadelartigen Strukturen (403) im Silizium, welche mit den Nanometerdimensionen und mit dem
20 Aspektverhältnis größer vier zu eins durch die löchrige Maskenschicht (406a) ausgebildet werden.
66. Verfahren nach Anspruch 65, wobei das Aspektverhältnis der Silizium- Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.
25
67. Verfahren nach Anspruch 65 und 66, wobei die Pufferschicht eine Siθ2-Schicht ist.
68. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht eine Dicke von 20 bis 30 lOOnm hat.
69. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird und auf den Spitzen der Nadelstrukturen verbleibt.
35
70. Verfahren zur Herstellung einer optischen Schnittstelle für optische Bauelemente mit den Schritten
Bilden von Nadelstrukturen mit Nanometerdimensionen und mit Aspektverhältnissen größer 4 : 1 in einem optischen Fenster des 5 optischen Bauelements auf der Grundlage eines RIE-Verfahrens in einer Schicht der Dicke zwischen 200 und 1500 nm, insbesondere unter 400 nm oder 350 nm;
Aufbringen mindestens einer Isolationsschicht für die Isolation mindestens einer Metallisierungsebene und lo - Aufbringen einer abschließenden Passivierungsschicht.
71 . Verfahren nach Anspruch 70, wobei mehrere Isolationsschichten für mehrere Metallisierungsebenen mit angepassten Schichtdicken aufgebracht werden und die mehreren Isolationsschichten und die abschließende Passivierungsschicht i5 einen annähernd gleichen Brechungsindex aufweisen.
72. Verfahren nach Anspruch 70, wobei mindestens eine Brechungsindexanpass- Schicht mit Nadelstrukturen mit einer Höhe von 200 bis 1500 nm in oder auf einem durch die eine oder mehreren Isolationsschichten und die abschließende
20 Passivierungsschicht gebildeten Schichtstapel gebildet wird.
73. Verfahren nach Anspruch 72, wobei die Brechungsindexanpass-Schicht gebildet wird durch Aufbringen einer Siliziumschicht auf einer Isolationsschicht, Ätzen der Siliziumschicht zur Erzeugung von Nadelstrukturen in der Siliziumschicht und
25 Modifizieren der Nadelstrukturen, sodass diese aus einem Silizium und Sauerstoff enthaltenden Material aufgebaut sind.
74. Verfahren nach Anspruch 73, wobei das Modifizieren der Nadelstrukturen in der Brechungsindexanpass-Schicht durch einen Oxidationsprozess erfolgt,
30 insbesondere unter 500 0C.
75. Verfahren nach einem der Ansprüche 70 bis 74, wobei die eine Isolationsschicht und/oder die Passivierungsschicht nach dem Aufbringen eingeebnet werden, um eine plane Oberfläche zu erzeugen.
35
76. Verfahren nach Anspruch 75, wobei das Einebnen durch chemisch mechanisches Polieren erfolgt.
77. Verfahren nach einem der Ansprüche 70 bis 76, wobei auf einem Substrat optische Bauelemente hergestellt werden, und das Verfahren ferner umfasst: Anbringen von optischen Elementen an den optischen Bauelementen vor einem Vereinzeln des Substrats, auf dem die optischen Bauelemente hergestellt worden
5 sind.
78. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente zumindest zum Teil Glasfasern sind.
lo 79. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Linsen sind.
80. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente eine oder mehrere dielektrische Schichten sind.
i5 81. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente eine oder mehrere absorbierende Schichten sind.
82. Verfahren nach Anspruch 77 , wobei die optischen Elemente Schutzgläser sind.
20 83. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente optische Filter sind.
84. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente photonische Kristalle sind.
25 85. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Wellenleiter sind.
86. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente fluidische Systeme sind.
30 87. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Polarisatoren sind.
88. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Flüssigkristalle sind.
89. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Prismen sind.
35
90. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente LEDs sind.
91. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente LASER sind.
92. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Blenden oder Beugungsgitter sind.
93. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Strahlteiler sind.
94. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Resonatoren sind.
95. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Abschwächer sind.
96. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Fluoreszenzstoffe sind.
97. Verfahren nach Anspruch 77, wobei die optischen Elemente Modulatoren sind.
98. Verfahren nach einem der Ansprüche 77 bis 97, wobei jeweils ein optisches Element einem optischen Bauteil zugeordnet wird.
99. Verfahren nach einem der Ansprüche 75 oder 76, das ferner umfasst: Aufbringen einer oder mehrerer leitfähiger lichtdurchlässiger Schichten.
100. Verfahren nach Anspruch 99, wobei die eine oder die mehreren leitfähigen und lichtdurchlässigen Schichten ITO beinhalten.
101. Verfahren nach Anspruch 99, wobei die eine oder die mehreren leitfähigen und lichtdurchlässigen Schichten ZnO beinhalten.
102. Verfahren nach Anspruch 75 oder 76, das ferner umfasst: Strukturieren der eingeebneten Oberfläche.
103. Verfahren nach Anspruch 70, wobei die Nadelstrukturen mit Nanometer- Dimensionen als erzeugte Oberflächenstruktur eine breitbandige Entspiegelung bezwecken oder dafür geeignet sind.
104. Verfahren nach Anspruch 77, wobei jeweils einem optischen Bauelement zumindest zwei optische Elemente nach einem der Ansprüche 78 bis 97 zugeordnet sind.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
105. Bauelement nach Anspruch 1 , wobei die Nanostruktur an einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters angebracht ist.
106. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Basisschicht eine (global) gekrümmte Oberfläche aufweist, um die Nanostruktur mit den
Strukturelementen, welche im Mittel eine Höhe von unter 400 nm, aber über 300 nm besitzen, auch gekrümmt verlaufen zu lassen.
107. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 106, wobei die gekrümmte Oberfläche eine Mikrolinse repräsentiert.
108. Verfahren zur Anpassung nach Anspruch 43, wobei die Nanostruktur an einer Oberfläche des Fensters angebracht wird, so dass der Flächenbereich des Fensters der Oberflächenbereich ist oder wird.
109. Optische Schnittstelle, hergestellt oder herstellbar nach einem der Ansprüche 70 bis 103.
* * * **
PCT/EP2007/053487 2006-09-28 2007-04-10 Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen in ihren anwendungen WO2008037506A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/443,261 US8258557B2 (en) 2006-09-28 2007-04-10 Uses of self-organized needle-type nanostructures
DE112007002297T DE112007002297A5 (de) 2006-09-28 2007-04-10 Selbstorganisierte Nadelartige Nano-Strukturen in ihren Anwendungen

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006046131.2A DE102006046131B4 (de) 2006-09-28 2006-09-28 Verfahren zur Herstellung einer optischen Schnittstelle für integrierte Optikanwendungen
DE102006046131.2 2006-09-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2008037506A1 true WO2008037506A1 (de) 2008-04-03
WO2008037506A8 WO2008037506A8 (de) 2009-05-14

Family

ID=38157959

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/053487 WO2008037506A1 (de) 2006-09-28 2007-04-10 Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen in ihren anwendungen

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8258557B2 (de)
DE (2) DE102006046131B4 (de)
WO (1) WO2008037506A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100035022A1 (en) * 2008-08-06 2010-02-11 Jer-Liang Andrew Yeh Substrate with High Fracture Strength
EP2241909A3 (de) * 2009-04-09 2011-03-09 General Electric Company Nanostrukturierte Antireflexionsbeschichtungen und zugehörige Verfahren und Vorrichtungen
WO2015193082A1 (de) * 2014-06-18 2015-12-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum herstellen einer nanostruktur in einem transparenten substrat
WO2016034187A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 Danmarks Tekniske Universitet A photodetector for use in spatially resolved spectroscopy applications
EP3115334A1 (de) * 2008-12-30 2017-01-11 3M Innovative Properties Company Verfahren zur herstellung nanostrukturierter oberflächen mittels einer mikrostrukturierten oberfläche und einer nanostrukturierte maske
US9705017B2 (en) 2013-09-27 2017-07-11 Danmarks Tekniske Universitet Nanostructured silicon based solar cells and methods to produce nanostructured silicon based solar cells

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100853097B1 (ko) * 2006-12-22 2008-08-19 동부일렉트로닉스 주식회사 반도체 소자의 제조방법
CN102714137B (zh) * 2009-10-16 2015-09-30 康奈尔大学 包括纳米线结构的方法和装置
WO2012032162A1 (de) * 2010-09-09 2012-03-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Verfahren zur reduzierung der grenzflächenreflexion einer glasoberfläche
DE102011003454A1 (de) * 2011-02-01 2012-08-02 Siemens Aktiengesellschaft Strahlungsdirektkonverter, Strahlungsdetektor, medizintechnisches Gerät und Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsdirektkonverters
JP6044010B2 (ja) * 2012-07-31 2016-12-14 エルジー・ケム・リミテッド 有機電子素子用基板
US9213155B2 (en) * 2013-12-26 2015-12-15 Futurewei Technologies, Inc. Light steering for silicon photonic devices
EP2947698A1 (de) * 2014-05-22 2015-11-25 ams AG Photonische Halbleitervorrichtung zur verbesserten Verbreitung von Strahlung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitervorrichtung
DE102015104820B4 (de) 2015-03-27 2023-05-17 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Herstellung eines opto-elektronischen Halbleiterbauelements
TWI642755B (zh) 2016-02-12 2018-12-01 Materion Corporation 藉由使用表面奈米結構來強化光泵磷光體的輸出
US10269990B2 (en) 2016-12-13 2019-04-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device with nanostructures and methods of forming the same
DE102017120499A1 (de) * 2017-05-29 2018-11-29 Friedrich-Schiller-Universität Jena Strahlungsdetektierendes Halbleiterbauelement
WO2019083729A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 Trustees Of Boston University ENHANCED THERMAL TRANSPORT THROUGH INTERFACES
WO2019170357A1 (en) 2018-03-06 2019-09-12 Asml Holding N.V. Anti-reflection optical substrates and methods of manufacture
GB2575039B (en) * 2018-06-25 2022-07-27 X Fab Semiconductor Foundries Gmbh Anti-reflective layers in semiconductor devices
US10872921B2 (en) * 2018-08-30 2020-12-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor and method for fabricating the image sensor
CN109192818A (zh) * 2018-09-08 2019-01-11 佛山皖和新能源科技有限公司 一种均匀化学腐蚀制备多晶硅绒面的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10022660A1 (de) * 2000-04-28 2001-11-08 Infineon Technologies Ag Optischer Sensor
US6329296B1 (en) * 2000-08-09 2001-12-11 Sandia Corporation Metal catalyst technique for texturing silicon solar cells
EP1215513A1 (de) * 2000-12-14 2002-06-19 Canon Kabushiki Kaisha Element mit feinperiodischer Struktur, optisches Teil, optisches System und optisches Gerät mit diesem Element
DE10239643B3 (de) * 2002-08-29 2004-06-17 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Verfahren zur Passivierung von CMOS- oder BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen
DE10352423B3 (de) * 2003-11-10 2005-01-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Verminderung der Reflexion an Halbleiteroberflächen
DE102004003340A1 (de) * 2004-01-22 2005-08-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Flächensubstrat mit einer Makro- und Mikrostrukturen aufweisenden Substratoberfläche sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flächensubstrates
DE102004036469A1 (de) * 2004-07-28 2006-02-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kameramodul, hierauf basierendes Array und Verfahren zu dessen Herstellung
WO2007042521A2 (de) * 2005-10-10 2007-04-19 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Herstellung von selbstorganisierten nadelartigen nano-strukturen und ihre recht umfangreichen anwendungen

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8923994D0 (en) * 1989-10-25 1989-12-13 Smiths Industries Plc Optical transducers
US5717519A (en) 1995-07-13 1998-02-10 Yokogawa Electric Corporation Confocal microscope
EP0970397B1 (de) 1996-03-27 2005-06-29 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Optischer demultiplexer mit einem beugungsgitter
US6091021A (en) 1996-11-01 2000-07-18 Sandia Corporation Silicon cells made by self-aligned selective-emitter plasma-etchback process
US5949188A (en) 1996-12-18 1999-09-07 Hage Gmbh & Co. Kg Electroluminescent display device with continuous base electrode
EP1412782A4 (de) * 2000-11-03 2006-02-15 Mems Optical Inc Antireflexionsstrukturen
DE60200670T2 (de) 2001-03-30 2005-08-18 Jsr Corp. Laminat mit einem Nadelähnlichen antimonhaltigen Zinnoxid und Antireflexionsfilm mit diesem
WO2004021452A2 (de) 2002-08-29 2004-03-11 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Integrierte fotoempfindliche strukturen und passivierungsverfahren
EP1447860A1 (de) * 2003-02-17 2004-08-18 Rijksuniversiteit Groningen Photodiode aus organischem Material
US7453109B2 (en) 2004-09-03 2008-11-18 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging system
DE102006013670A1 (de) * 2006-03-24 2007-09-27 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Breitbandig entspiegelte optische Bauteile mit gekrümmten Oberflächen

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10022660A1 (de) * 2000-04-28 2001-11-08 Infineon Technologies Ag Optischer Sensor
US6329296B1 (en) * 2000-08-09 2001-12-11 Sandia Corporation Metal catalyst technique for texturing silicon solar cells
EP1215513A1 (de) * 2000-12-14 2002-06-19 Canon Kabushiki Kaisha Element mit feinperiodischer Struktur, optisches Teil, optisches System und optisches Gerät mit diesem Element
DE10239643B3 (de) * 2002-08-29 2004-06-17 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Verfahren zur Passivierung von CMOS- oder BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen
DE10352423B3 (de) * 2003-11-10 2005-01-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Verminderung der Reflexion an Halbleiteroberflächen
DE102004003340A1 (de) * 2004-01-22 2005-08-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Flächensubstrat mit einer Makro- und Mikrostrukturen aufweisenden Substratoberfläche sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flächensubstrates
DE102004036469A1 (de) * 2004-07-28 2006-02-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kameramodul, hierauf basierendes Array und Verfahren zu dessen Herstellung
WO2007042521A2 (de) * 2005-10-10 2007-04-19 X-Fab Semiconductor Foundries Ag Herstellung von selbstorganisierten nadelartigen nano-strukturen und ihre recht umfangreichen anwendungen

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ERLER K ET AL COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES: "PREPARATION OF RIE TEXTURED SILICON SURFACES AND APPLICATION TO TYPICAL SOLAR CELL PROCESSING", 17TH. E.C. PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE. MUNICH, GERMANY, OCT. 22 - 26, 2001, PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, MUNICH : WIP-RENEWABLE ENERGIES, DE, vol. VOL. 2 OF 3. CONF. 17, 22 October 2001 (2001-10-22), pages 1451 - 1454, XP001139719, ISBN: 3-936338-08-6 *
SALEEM H. ZAIDI ET AL.: "Characterization of Random Reactive Ion Etched-Textured Silicon Solar Cells", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. 48, no. 6, June 2001 (2001-06-01), pages 1200 - 1206, XP011017665 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100035022A1 (en) * 2008-08-06 2010-02-11 Jer-Liang Andrew Yeh Substrate with High Fracture Strength
US9797069B2 (en) * 2008-08-06 2017-10-24 National Tsing Hua University Substrate with high fracture strength
EP3115334A1 (de) * 2008-12-30 2017-01-11 3M Innovative Properties Company Verfahren zur herstellung nanostrukturierter oberflächen mittels einer mikrostrukturierten oberfläche und einer nanostrukturierte maske
EP2241909A3 (de) * 2009-04-09 2011-03-09 General Electric Company Nanostrukturierte Antireflexionsbeschichtungen und zugehörige Verfahren und Vorrichtungen
US9705017B2 (en) 2013-09-27 2017-07-11 Danmarks Tekniske Universitet Nanostructured silicon based solar cells and methods to produce nanostructured silicon based solar cells
WO2015193082A1 (de) * 2014-06-18 2015-12-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum herstellen einer nanostruktur in einem transparenten substrat
CN106415328A (zh) * 2014-06-18 2017-02-15 罗伯特·博世有限公司 用于在透明衬底中制造纳米结构的方法
CN106415328B (zh) * 2014-06-18 2019-12-20 罗伯特·博世有限公司 用于在透明衬底中制造纳米结构的方法
US10663624B2 (en) 2014-06-18 2020-05-26 Robert Bosch Gmbh Method for creating a nanostructure in a transparent substrate
WO2016034187A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 Danmarks Tekniske Universitet A photodetector for use in spatially resolved spectroscopy applications

Also Published As

Publication number Publication date
DE112007002297A5 (de) 2009-10-15
WO2008037506A8 (de) 2009-05-14
DE102006046131B4 (de) 2020-06-25
US20100117108A1 (en) 2010-05-13
US8258557B2 (en) 2012-09-04
DE102006046131A1 (de) 2008-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008037506A1 (de) Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen in ihren anwendungen
EP1935035A2 (de) Herstellung von selbstorganisierten nadelartigen nano-strukturen und ihre recht umfangreichen anwendungen
DE60129499T2 (de) Mikrolinse und Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
DE3300131C2 (de) Integriertes optisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE112015000383T5 (de) Anti Reflexionsschicht für Rückseiten beleuchteten Sensor
EP1999498A1 (de) Breitbanding entspiegelte optische bauteile mit gekruemmten oberflaechen und deren herstellung
DE102007051752B4 (de) Licht blockierende Schichtenfolge und Verfahren zu deren Herstellung
DE202011003479U1 (de) Strukturierte Siliziumschicht für ein optoelektronisches Bauelement und optoelektronisches Bauelement
DE102010030903A1 (de) Light guide array for an image sensor
WO2018039690A1 (de) Optoelektronischer infrarotsensor
WO2007042520A2 (de) Selbstorganisierte nadelartige nano-strukturen und ihre herstellung auf silizium
EP3036772B1 (de) Photozelle, insbesondere solarzelle sowie verfahren zum herstellen einer photozelle
DE102010004690B4 (de) Verfahren zur Strukturierung eines dielektrischen Materials in einem Halbleiterbauelement
WO2012032162A1 (de) Verfahren zur reduzierung der grenzflächenreflexion einer glasoberfläche
WO2021151594A1 (de) Halbleitervorrichtung und halbleitereinrichtung sowie verfahren zur herstellung solcher
DE102012105457B3 (de) Schichtsystem für eine transparente Elektrode und Verfahren zu dessen Herstellung
EP4097765A1 (de) Verfahren zur herstellung einer elektro-optischen einrichtung und elektro-optische einrichtung
JP2018530793A (ja) 共振ナノ／マイクロ粒子を利用した光学検出器及びフィルタ
DE60210587T2 (de) Herstellungsverfahren für optische vorrichtungen und verbesserungen
DE112016000832B4 (de) Verfahren zur Strukturierung einer Nitridschicht, optoelektronisches Bauelement und Ätzverfahren zum Ätzen von Schichten
DE102005048365B4 (de) Verfahren der Entspiegelung einer integrierten Silizium-Fotodiode durch selbstorganisierte Nanostrukturen und fotoempfindliches Bauelement
DE102020104351B4 (de) Integrierter-schaltkreis-fotodetektor
WO1996030951A1 (en) Light emitters and detectors
US7170096B2 (en) Antimonide-based optical devices
DE102016107877B4 (de) Lichtdurchlässiger Träger für einen halbleitenden Dünnschichtaufbau sowie Verfahren zur Herstellung und Anwendung des lichtdurchlässigen Trägers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07727955

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120070022973

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112007002297

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20091015

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07727955

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12443261

Country of ref document: US