DE102007047681B4

DE102007047681B4 - Monolithischer dielektrischer Spiegel

Info

Publication number: DE102007047681B4
Application number: DE102007047681.9A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Kley Ernst-Bernhard; Dipl.-Phys. Brückner Frank; Dr.rer.nat. Clausnitzer Tina
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007047681A1

Abstract

Spiegel mit einer unteren (3), einer mittleren (2) und einer oberen (1) Schicht, die mit parallelen Schichtebenen übereinander angeordnet sind, wobei die mittlere Schicht (2) an die obere Schicht (1) grenzt und die untere Schicht (3) an die mittlere Schicht (2) grenzt, wobei die untere (3) und die obere (1) Schicht ein Grundmaterial aufweisen oder aus diesem bestehen, das für Licht zumindest einer Wellenlänge transparent ist, wobei die mittlere Schicht (2) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (5a, 5b, 5c) aus dem Grundmaterial aufweist, wobei der effektive Brechungsindex der mittleren Schicht (2) kleiner ist als der Brechungsindex des Grundmaterials, und wobei die obere Schicht (1) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (4a, 4b, 4c) aus dem Grundmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steg (5a, 5b, 5c) der mittleren Schicht (2) jeweils parallel zu einem Steg (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine reflektierende Oberfläche, die monolithisch, vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, hergestellt ist. Durch eine periodische Subwellenlängen-Strukturierung kann die Reflektivität gezielt polarisationsselektiv kontrolliert werden. Bei geeigneter Ausgestaltung kann für diese monolithische Oberfläche bei senkrechtem Einfall von elektromagnetischer Strahlung aus der Luft eine Reflektivität von 100% erreicht werden.
In allen Bereichen der modernen experimentellen Optik ist man an hocheffizienten wellenlängen- und polarisationsabhängigen Bauelementen interessiert. Dies umfasst vor allem breitbandige dielektrische Spiegel, schmalbandige Filter, polarisationsabhängige Filter oder Strahlteiler. Insbesondere wellenlängenabhängige dielektrische Spiegel bzw. Filter werden heutzutage durch periodische Vielschichtsysteme realisiert. Diese sind durch eine alternierende Abfolge mindestens zweier dielektrischer Materialen unterschiedlicher Brechzahl gekennzeichnet. Das resultierende Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten ergibt sich dabei aus der Überlagerung aller an den Grenzflächen entstehenden Teilwellen. Die Funktionsweise eines Vielschichtspiegels ist in 1 dargestellt.
Trotz der unumstrittenen Leistungsfähigkeit dieser Technologie ergeben sich für zahlreiche Anwendungen spezielle Nachteile.

1. Zur Realisierung der genannten optischen Systeme mit der gewünschten Performance ist eine hoch entwickelte Beschichtungstechnologie erforderlich, die eine genaue Kontrolle der Schichtdicke und Materialbrechzahlen voraussetzt.
2. Die laserinduzierte Zerstörschwelle der Vielschichtsysteme ist wesentlich durch resonanzbedingte Feldstärkeüberhöhungen in den Grenzflächenbereichen limitiert.
3. Aufgrund der funktionellen Beschichtung des Substrats kommt es zu großflächigen mechanischen Spannungen, die eine Deformation des Substrats nach sich ziehen können und somit zu Wellenfrontfehlern führen. Des Weiteren besitzen die verschiedenen Schichtmaterialien im Allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, welche zu thermischen Spannungen führen können.

Ein alternativer Ansatz zur Realisierung hochreflektierender Oberflächen wurde bereits Mitte der 1980er Jahre beschrieben und beruht auf der resonanten Reflexion einer periodisch strukturierten hochbrechenden wellenleitenden Schicht mit einem Brechungsindex n_H auf einem niedrigbrechenden Substrat mit einem Brechungsindex n_L (G. A. Golubenko, A. S. Svakhin, V. A. Sychugov, A. V. Tishchenko: Total reflection of light from a corrugated surface of a dielectric waveguide, Sov. J. Quantum Electron., Vol. 15 (7), pp. 886–887, 1985). Dabei wird die Periodizität p der Oberflächenstruktur so gewählt, dass in Luft nur die 0. Ordnung, im hochbrechenden Medium jedoch neben der 0. auch mindestens eine höhere Ordnung existiert. Diese höheren Ordnungen (z. B. die beiden ersten Ordnungen im Falle senkrechter Inzidenz) müssen an der Grenzfläche zwischen Wellenleiterschicht und Substrat die Bedingung der Totalreflexion erfüllen, wodurch eine resonante Anregung von Wellenleitermoden in der hochbrechenden Schicht erfolgen kann.
Die drei genannten Bedingungen werden für den Fall senkrechter Inzidenz durch folgende Beziehungen ausgedrückt, wobei λ die Wellenlänge im Vakuum ist.
Bei richtiger Gestaltung der Periodizität, des Oberflächenprofils und der Parameter der wellenleitenden Schicht kann die resonante Anregung und die damit verbundene Auskopplung der Wellenleitermoden zu einer vollständigen destruktiven Überlagerung aller transmittierten Anteile des Lichts und damit zu einer Reflexion von 100% in Luft führen. Aufgrund des resonanten Verhaltens dieser Strukturen ergeben sich zumeist schmalbandige Reflexionspeaks, die sich ideal für Filteranwendungen eignen. Durch gezielte Wahl der Parameter lässt sich aber auch ein breitbandigeres Verhalten realisieren. Die allgemeine Funktionsweise ist schematisch in 2 dargestellt.
Die US 2005/0249447 A1 beschreibt ein Polarisationselement und ein optisches Gerät, welches das Polarisationselement verwendet. Derartige Geräte können beispielsweise ein optisches Bildaufnahmegerät, ein Projektor, ein Bildverarbeitungsgerät oder ein Halbleiterproduktionsgerät sein.
Die US 2006/0092513 A1 beschreibt einen Polarisationsstrahlteiler, der eine Polarisationsaufspaltungsschicht aufweist, die gestapelte, eindimensionale Gitterschichten aufweist. Die Gitterschichten können alternierende Schichten zumindest einer H-Schicht mit einem Brechungsindex n_H für p-polarisiertes Licht und zumindest einer L-Schicht mit einem Brechungsindex n_L für p-polarisiertes Licht enthalten.
Die US 2005/0078372 A1 beschreibt einen Polarisationsstrahlteiler mit einer Strahlteilungsschicht, die eine Struktur hat, in der eine Vielzahl von in einer ersten Richtung parallelen Gittern periodisch in einer zweiten Richtung, orthogonal zur ersten Richtung, angeordnet sind.
Allen bekannten Lösungen resonanter Wellenleiterkopplung ist die Kombination zweier unterschiedlicher Materialien zur Gewährleistung eines Brechzahlkontrastes gemein. Somit kann auch hierbei nicht auf eine Beschichtungstechnologie verzichtet werden. Trotz der Reduzierung auf nur eine zusätzliche Schicht sind eine thermische Fehlanpassung und mechanische Spannungen im Substrat nicht vermeidbar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spiegel anzugeben, der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll der Spiegel kostengünstig und einfach herstellbar sein und nicht anfällig für thermische Fehlanpassung und mechanische Spannungen im Substrat sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Spiegel nach Anspruch 1, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 23 und das Herstellungsverfahren nach Anspruch 30. Vorteilhafte Weiterbildungen des Spiegels sowie der Herstellungsverfahren werden durch die jeweiligen abhängigen Ansprüche gegeben. Ansprüche 33 und 34 geben Verwendungen eines erfindungsgemäßen Spiegels an.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die mechanischen Spannungen, insbesondere durch thermische Fehlanpassung oder thermische Ausdehnung, vermieden werden können, wenn der Spiegel keine aneinandergrenzenden Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweist. Der Erfindung liegt außerdem die Idee zugrunde, Reflexion an Grenzschichten unterschiedlicher Brechungsindizes zu erzielen, indem die unterschiedlichen Brechungsindizes nicht durch unterschiedliche Materialien, sondern durch unterschiedliche Ausgestaltung eines Materials oder durch unterschiedliche Füllfaktoren des Materials in unterschiedlichen Schichten erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist ein Spiegel mit einer unteren, einer mittleren und einer oberen Schicht, die mit parallelen Schichtebenen übereinander angeordnet sind, so dass die Schichten flächig aneinanderliegen und die mittlere Schicht zwischen der oberen und der unteren Schicht liegt. Unter einem Spiegel wird hierbei jede reflektierende Schichtung oder Struktur verstanden, die elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen reflektiert. Die Reflexion muss hierbei nicht 100%ig sein, der Spiegel kann vielmehr auch nur teilweise reflektieren. Eine Reflektivität von annähernd 100% ist jedoch bevorzugt.
Alle drei Schichten weisen das gleiche Grundmaterial auf oder bestehen aus diesem. Das Grundmaterial ist für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen transparent, wobei es vor allem für die Wellenlängen transparent ist, die der Spiegel reflektieren soll.
Erfindungsgemäß ist nun die mittlere Schicht strukturiert und weist also eine Struktur aus dem Grundmaterial auf. Die Strukturierung kann periodisch sein. Erfindungsgemäß ist der effektive Brechungsindex der strukturierten mittleren Schicht kleiner als der Brechungsindex des Grundmaterials. Unter dem Brechungsindex des Grundmaterials wird hierbei die Materialeigenschaft des Grundmaterials verstanden, d. h. jener Brechungsindex, den das unstrukturierte, den Raum vollständig erfüllende Grundmaterial (Füllfaktor f = 1) aufweist. Ein effektiver Brechungsindex ergibt sich durch Kombination mindestens zweier Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die so strukturiert und ineinander geschachtelt sind, dass sie für einfallendes Licht einer fraglichen Wellenlänge wie eine homogene Schicht mit einem bestimmten Brechungsindex wirken. Der effektive Brechungsindex liegt hierbei zwischen dem Materialbrechungsindex des einen Materials und des anderen Materials und wird durch die Anteile der Materialien bestimmt. Im einfachsten Fall ist eines der beiden Materialien das Grundmaterial und das andere Material Luft. Ein effektiver Brechungsindex kann auch dadurch geschaffen werden, dass das Grundmaterial durch leere Zwischenräume strukturiert wird. Auch hier hängt der effektive Brechungsindex vom Volumenfüllfaktor der Struktur ab, d. h. vom Anteil des mit Material gefüllten Raums zum Gesamtraum der Schicht.
Die obere Schicht des erfindungsgemäßen Spiegels kann strukturiert sein, sie kann aber auch unstrukturiert durchgängig zusammenhängend sein. Ist die obere Schicht strukturiert, so weist sie vorteilhafterweise eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen aus dem Grundmaterial auf, die die obere Schicht durch ihre gesamte Tiefe durchsetzen. Licht kann also bereichsweise die obere Schicht durchstrahlen, ohne dabei auf Grundmaterial zu treffen.
Auch die mittlere Schicht ist vorteilhafterweise mit einer Vielzahl von Stegen periodisch strukturiert.
Besonders günstig ist es, wenn die Struktur der mittleren Schicht zur Struktur der oberen Schicht korrespondiert. Besonders bevorzugt ist es, wenn die periodische Struktur der mittleren und/oder der oberen Schicht ein Gitter ist, wobei die Gitterstege der mittleren und der oberen Schicht parallel zueinander verlaufen und besonders vorteilhaft materialschlüssig monolithisch miteinander verbunden und ineinander übergehend ausgestaltet sind.
Die Stege sind im Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu ihrer Längsrichtung vorteilhafterweise rechteckig.
Reflexion von einfallendem Licht wird nun dadurch erreicht, dass die obere und die mittlere Schicht durch ihre unterschiedlichen Füllfaktoren mit Grundmaterial unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen. Dabei muss die obere Schicht nach der oben genannten Ungleichung (2) so gestaltet sein, dass in der oberen, hochbrechenden Wellenleiterschicht noch höhere Beugungsordnungen als die nullter Ordnung propagieren können. In den Ungleichungen (1) bis (3) entspricht n_H dem Materialbrechungsindex des Grundmaterials und n_L dem effektiven Brechungsindex der mittleren Schicht. In Bezug auf Gitter kann man diesen Sachverhalt in Gittermoden ausdrücken, die zu den Beugungsordnungen korrelieren und mit diesen als äquivalent betrachtet werden können. Um eine hohe Reflektivität erreichen zu können, ist es dann vorteilhaft, wenn neben der 0. Gittermode (äquivalent zur 0. Beugungsordnung) auch noch zumindest eine höhere Mode (äquivalent zu den höheren Ordnungen), beispielsweise die erste Ordnung, propagiert. Auch höhere Ordnungen können in der oberen Schicht noch propagieren. In der mittleren Schicht hingegen kann wegen des kleineren Füllfaktors keine höhere Mode als die 0. Fundamentalmode propagieren. Diese Schicht wirkt also ähnlich wie eine massive Schicht geringeren Brechungsindexes, in der nach Ungleichung (1) auch nur die 0. Ordnung ausbreitungsfähig ist. Die obere und die mittlere Schicht werden also so zueinander eingestellt, dass bei der oberen Schicht mit größerem Füllfaktor eine resonante Anregung höherer Moden möglich ist, während im Bereich des niedrigeren Füllfaktors der mittleren Schicht diese evaneszent sind und darum an der Grenzfläche zwischen den beiden Regionen totalreflektiert werden.
Technisch besonders einfach herzustellen sind diese beiden Schichten unterschiedlicher Füllfaktoren, wenn die Strukturen der mittleren und der oberen Schicht form- und/oder materialschlüssig parallel zueinander verlaufen und die Ausdehnung der Stege der mittleren Schicht in Richtung parallel zur Ebene dieser Schicht und senkrecht zur Längsrichtung des entsprechenden Stegs kleiner ist als die Ausdehnung der Stege der oberen Schicht in dieser Richtung. Die Stege der mittleren und der oberen Schicht bilden dann also im Querschnitt eine T-ähnliche Struktur. Entscheidend ist hierbei, dass in der oberen Schicht sich neben der 0. Ordnung auch höhere Ordnungen ausbilden können, während sich in der mittleren Schicht nur Gittermoden oder Beugungsordnungen 0. Ordnung ausbilden.
Für eine gute Reflektivität ist es bevorzugt, wenn die periodische Struktur bzw. das Gitter der oberen Schicht eine Periode p hat, für die für eine Wellenlänge λ und einen Brechungsindex des Grundmaterials n_G der effektive Brechungsindex der mittleren Schicht n_eff die Bedingungen p < λ, λ/n_G < p und p < λ/n_eff erfüllt.
Um die Polarisation des reflektierten Lichts beeinflussen zu können, ist es bevorzugt, dass der Spiegel so gestaltet ist, dass seine Reflektivität für eine Polarisationsrichtung frei wählbar ist.
Ist das Gitter oder die Struktur in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich strukturiert, so sind die Reflektivitäten des Spiegels für die Polarisationen in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich einstellbar. So kann zum Beispiel die Gitterperiode in x- und in y-Richtung unterschiedlich sein. Die Gitterstege kreuzen sich dann, so dass das Gitter mit Quadern strukturiert ist, die zueinander parallele Kanten haben, welche in x- und in y-Richtung unterschiedlich lang sind.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der reflektierenden Struktur bzw. des Spiegels können jene Bereiche der oberen und mittleren Schicht mit Material aufgefüllt sein, in denen kein Grundmaterial vorliegt. Das Material muss hierbei so gewählt werden, dass sein Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Grundmaterials und die mittlere und die obere Schicht die oben genannten Bedingungen für die Ausbreitung der Gittermoden erfüllen, so dass an der Grenzschicht zwischen mittlerer und oberer Schicht Totalreflektion stattfindet.
Die untere Schicht ist vorzugsweise vollständig mit Grundmaterial aufgefüllt und hat vor allem die Funktion, die mittlere und die obere Schicht zu tragen. Es ist dann also das Gitter der mittleren Schicht auf der unteren Schicht angeordnet. Es ist vorzugsweise formschlüssig oder materialschlüssig mit der unteren Schicht verbunden. Auf diese Weise kann der gesamte Spiegel mit oberer, mittlerer und unterer Schicht monolithisch aus einem Stück Grundmaterial hergestellt werden. Beschichtungsverfahren sind hierbei nicht notwendig.
Als Grundmaterial kommen verschiedene Materialien in Frage. Beispielsweise kann das Grundmaterial Silizium, Lithiumniobat, Quarz, Germanium, Galliumarsenid und/oder Indiumphosphid aufweisen oder daraus bestehen.
Der Spiegel kann durch die Strukturierung und die Wahl der Materialien so ausgelegt sein, dass er elektromagnetische Strahlungen im infraroten Bereich, im sichtbaren Bereich, im UV-Bereich, im Terahertzbereich und/oder im Mikrowellenbereich reflektiert.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wie er oben beschrieben wurde. In diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt auf ein Substrat eine Photoresistmaske aufgebracht. Diese bildet die herzustellende Struktur der oberen Schicht ab. Hierdurch kann beispielsweise eine periodische Struktur oder ein Gitter in der oberen Schicht geformt werden. Die Photoresistmaske wird vorzugsweise mittels Elektronenstrahl-lithographischer Methoden aufgebracht.
In einem zweiten Schritt wird nun die oberen Schicht durch einen Ätzprozess strukturiert. Hierbei wird in den Bereichen der oberen Schicht geätzt, die nicht von der Photoresistmaske bedeckt sind, so dass sich in der oberen Schicht die durch die Photoresistmaske vorgegebene Struktur bildet. Dieser Ätzprozess ist vorzugsweise ein binär-anisotroper, trockenchemischer Ätzprozess.
In einem dritten Schritt werden nun die Seitenwände der Struktur der oberen Schicht passiviert. Die Seitenwände sind hierbei jene Oberflächen der Struktur der oberen Schicht, die senkrecht oder zumindest nicht parallel zur Ebene der oberen Schicht stehen. Die Passivierung erfolgt vorzugsweise plasmagestützt.
In einem vierten Schritt wird nun die Struktur der oberen Schicht im Bereich der mittleren Schicht so unterätzt, dass die Struktur der oberen Schicht erhalten bleibt. Im Bereich der mittleren Schicht wird hierdurch der Füllfaktor vermindert, zugleich wird jedoch dieser Schritt so ausgeführt, dass ein Teil des Materials im Bereich der mittleren Schicht erhalten bleibt. Die Struktur der mittleren Schicht wird hierbei im wesentlichen entlang der Struktur der oberen Schicht verlaufen. Für diese Strukturierung der mittleren Schicht sind besonders isotrope trockenchemische Ätzprozesse geeignet.
Im Anschluss an den vierten Schritt kann nun die Struktur der mittleren Schicht in einem weiteren Ätzprozess vertieft werden. Die Ausdehnung der mittleren Schicht zwischen oberer und unterer Schicht wird hierdurch vergrößert. Jene Bereiche, die durch die Prozesse des vierten und dieses anschließenden Schrittes unter der ersten Schicht strukturiert sind, bilden dann die mittlere Schicht, während die untere Schicht dort beginnt, wo die Strukturierung der mittleren Schicht nach diesem anschließenden Schritt nach unten hin endet.
Das beschriebene Verfahren lässt sich besonders gut für Silizium als Grundmaterial ausführen.
Erfindungsgemäß ist auch ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wie er oben beschrieben wurde. Hierbei wird zunächst in einem ersten Schritt auf einer unteren Schicht eine Struktur hergestellt, welche die mittlere Schicht bildet, und anschließend wird in einem zweiten Schritt eine Schicht als obere Schicht auf diese Struktur aufgebracht.
Vorzugsweise ist die Struktur der mittleren Schicht, die im ersten Schritt hergestellt wird, ein binäres Oberflächengitter. Dieses kann hergestellt werden, indem mittels Elektronenstrahl-lithographischer Methoden eine Photoresistmaske auf ein Substrat aufgebracht wird und anschließend die Struktur in einem binär-anisotropen, trockenchemischen Ätzprozess geätzt wird. Die obere Schicht kann strukturiert sein, sie kann aber auch geschlossen, durchgängig mit Material gefüllt sein, so dass sie einen Füllfaktor von 1 hat. Besonders geeignet zur Herstellung der oberen Schicht ist ein Wafer-Direct-Bonding (z. B. in G. Kräuter, A. Schumacher, U. Gösele, Low temperature silicon direct bonding for applications in micromechanics: bonding energies for different combinations of oxides, Sensors and Actuators A, Vol. 70, pp. 271–275, 1998 beschrieben). Alternativ kann auch zunächst die mittlere Schicht aus einem flachen Winkel beschichtet und anschließend poliert werden, beispielsweise durch CMP-Polieren. Dies kann so erfolgen, dass die obere Schicht strukturiert ist, oder so, dass sie vollständig und ununterbrochen ist.
Um die Verbindung der Schichten zu festigen, kann der Spiegel anschließend getempert werden.
Während also das zuerst beschriebene Verfahren besonders geeignet ist, wenn der Füllfaktor der oberen Schicht kleiner als 1 ist, so ist das vorstehende Verfahren besonders geeignet, wenn der Füllfaktor der oberen Schicht gleich 1 ist. Unter dem Füllfaktor wird hier das Verhältnis des mit Grundmaterial gefüllten Volumens zu dem Gesamtvolumen der entsprechenden Schicht verstanden.
Während die beiden oben genannten Verfahren besonders geeignet sind, wenn das Grundmaterial Silizium ist, so ist für das Grundmaterial Lithiumniobat das folgende erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft. Bei der Verwendung von Lithiumniobat lässt sich das angestrebte Gitterprofil besonders designgetreu übertragen. Es handelt sich hierbei um eine ionenstrahlgestützte Ätztechnik, wie z. B. in F. Schrempel, T. Gischkat, H. Hartung, E.-B. Kley, W. Wesch, Ion beam enhanced etching of LiNbO₃, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 250, pp. 164–168, 2006 beschrieben. Kristallines Lithiumniobat lässt sich mit herkömmlichen Ätzprozessen nur bedingt strukturieren. Durch eine vorherige Ionenimplantation können jedoch Bereiche des Kristalls gezielt amorphisiert werden. In den so amorphisierten Bereichen kann das Material dann nasschemisch einfach entfernt werden. Eine Kontrolle der Ionenenergie erlaubt dabei auch eine Amorphisierung von Kristallbereichen, die unter der Oberfläche liegen. Hierbei wird die Ionenart und die Ionenenergie so gewählt, dass der enge Bereich der hauptsächlichen Energieabgabe der Ionen an das Substrat in jenen Bereichen der oberen und der mittleren Schicht liegt, die zur Strukturierung von Material befreit werden sollen. In Richtung der Schichtebene, also lateral, kann durch Elektronenstrahl-lithographische Maskierung gesteuert werden, wo Ionen im Material implantiert werden und wo nicht.
In einem ersten Schritt wird im erfindungsgemäßen Verfahren also auf ein Substrat eine Maskierung aufgebracht, welche die Struktur der mittleren Schicht beschreibt. In einem zweiten Schritt werden dann Ionen so auf das Substrat eingestrahlt, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der mittleren Schicht liegt. Anschließend wird in einem dritten Schritt nun die Maskierung entfernt und in einem vierten Schritt auf dem Substrat eine neue Maskierung aufgebracht, welche die Struktur der oberen Schicht beschreibt. Nun werden in einem fünften Schritt erneut Ionen auf das Substrat eingestrahlt, und zwar so, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der oberen Schicht liegt. In einem sechsten Schritt kann anschließend das Material aus den mit Ionen bestrahlten Bereichen des Substrats herausgeätzt werden, wobei als mit Ionen bestrahlt jene Bereiche gelten, in denen das Maximum der Energieabgabe in einem der vorherigen Schritte vorlag, während jene Bereiche, die im Wesentlichen nur von Ionen durchstrahlt wurden, hierbei nicht als bestrahlt gelten sollen.
Der Ätzprozess im sechsten Schritt kann für eine einfache und kostengünstige Herstellung vorteilhafterweise ein nasschemischer Ätzprozess sein.
Vorteile der Erfindung
Mit Hilfe des vorgestellten Ansatzes ist es, wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben, möglich, eine monolithische Oberfläche mit einer Reflektivität von 100% für eine bestimme Wellenlänge bei senkrechtem Einfall aus Luft und Verwendung einer bestimmten Polarisationsrichtung zu erzeugen. Dadurch entfällt die bisher unumgängliche Notwendigkeit der Einbeziehung eines zusätzlichen Materials. Alle in diesem Zusammenhang entstehenden und oben ausführlich beschriebenen Nachteile können so überwunden werden. Für verschiedene Anwendungen, die besondere Anforderungen in dieser Hinsicht aufweisen, bietet die Erfindung eine vielversprechende Alternative. Darüber hinaus bietet die Erfindung zahlreiche interessante Möglichkeiten:

1. Das Prinzip lässt sich auf viele in der Optik interessante Substratmaterialien übertragen. Als Beispiel seien hier neben Silizium Quarz und Lithiumniobat genannt.
2. Daraus folgt auch eine Übertragbarkeit auf andere Wellenlängenbereiche bei Verwendung eines geeigneten transparenten Substrats. So könnten beispielsweise monolithische Oberflächen für die hocheffiziente Reflexion von visuellem Licht, IR-, UV-, Terahertz- oder Mikrowellen realisiert werden.
3. Eine hohe Reflektivität der monolithischen Oberflächen ist nicht nur bei Einfall aus Luft, sondern auch bei Verwendung anderer Brechzahlkombinationen möglich. Voraussetzung ist hierbei lediglich der Einfall aus dem optisch dünneren Medium.
4. Bei der Gestaltung der mittleren Schicht ist man selbstverständlich nicht an binäre Gitterstrukturen mit der gleichen Periodizität wie die obere resonante Gitterschicht gebunden. Sollten Herstellungstechnologien dies erlauben, können auch Strukturen mit geringerer Periode und anderem Profil zum Einsatz kommen. Einzig die Propagationsfähigkeit höherer Moden muss durch die Struktur unterbunden sein.
5. Rigorose Rechnungen zeigen, dass die Funktion als resonanter hochreflektierender Wellenleiter auch im Grenzfall eines Füllfaktors der oberen Gitterschicht von f_oben → 1 nicht verloren geht. Dadurch entsteht in der Architektur ein im Substrat vergrabenes Gitter. Somit schließt das funktionelle Element durch eine glatte Oberfläche ab, wodurch eine einfache Reinigung gewährleistet wird. Das untere Gitter erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion, da es einerseits als effektives Medium die Pufferschicht darstellt und andererseits für eine unterseitige Anregung der Wellenleitermoden sorgt.
6. Mit Hilfe der rigorosen Designmöglichkeiten lassen sich basierend auf dem dargestellten Ansatz beliebige Werte der Reflektivität der monolithischen Oberfläche bei Einfall aus beliebiger Richtung realisieren.
7. Aufgrund des polarisationsselektiven Verhaltens kann eine bestimmte Reflexionscharakteristik für eine bestimmte Polarisationsrichtung erzielt werden. Insbesondere kann bei geeigneter Wahl der Gitterparameter für eine bestimmte Polarisationsrichtung die Reflektivität maximiert werden, während diese für die andere Richtung minimiert wird (Polarisationsstrahlteiler).
8. Durch eine zweidimensionale Strukturierung des Substrates können die Reflektivitäten beider Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander gewählt werden. Insbesondere kann durch eine gezielte Wahl der Parameter eine polarisationsunabhängige hocheffiziente Reflexion erzeugt werden.

Im Folgenden soll die erfindungsgemäße reflektierende Struktur sowie die Verfahren zu ihrer Herstellung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die Beispiele sind nicht beschränkend zu verstehen und die in den Beispielen gezeigten Merkmale können auch unter den Ausführungsformen kombiniert werden.
Es zeigt
1 einen Vielschichtspiegel nach dem Stand der Technik,
2 einen periodisch strukturierten Spiegel nach dem Stand der Technik,
3 einen Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 einen erfindungsgemäßen Spiegel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 mögliche Variationen des Gitterprofils ohne Verlust der Funktion,
6 einen Spiegel, der in x- und y-Richtung unterschiedlich strukturiert ist,
7A Reflektivität in Abhängigkeit vom Füllfaktor der oberen Schicht und der Schichtdicke der oberen Schicht,
7B Reflektivitäten in Abhängigkeit von dem Füllfaktor der mittleren Schicht und der Schichtdicke der mittleren Schicht,
8A die Reflektivität eines erfindungsgemäßen Spiegels in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
8B die Reflektivität eines erfindungsgemäßen Spiegels in Abhängigkeit vom Einfallswinkel,
9 ein erstes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für Siliziumsubstrate,
10 ein zweites erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für Siliziumsubstrate und
11 ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für Lithiumniobatsubstrate.
3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Spiegels. Hierbei ist eine obere Schicht 1 über einer mittleren Schicht 2 und über einer unteren Schicht 3 angeordnet. Die mittlere Schicht 2 liegt zwischen der oberen Schicht 1 und der unteren Schicht 3 und die Schichten 1, 2 und 3 grenzen aneinander an und erstrecken sich in parallelen Schichtebenen. Die untere Schicht 3 ist vollständig mit einem Grundmaterial ausgefüllt, das einen Brechungsindex n_G hat. Der Füllfaktor der unteren Schicht ist also f_unten = 1. Die mittlere Schicht 2 und die obere Schicht 1 weisen Füllfaktoren kleiner als 1 auf und sind als Gitter ausgebildet. Das Gitter der oberen Schicht 1 weist hierbei eine Vielzahl von Stegen 4a, 4b und 4c auf, die hier im Querschnitt senkrecht zu ihrer Längsrichtung abgebildet sind. Die Längsrichtung der Stege verläuft also senkrecht zur Zeichenebene. Die mittlere Schicht 2 weist ein entsprechendes Gitter auf, wobei hier die Gitterstege 5a, 5b und 5c im Querschnitt schmaler sind, d. h. eine in Richtung parallel zur Schichtebene und senkrecht zur Längsrichtung der Stege kleinere Ausdehnung aufweisen als die Stege 4a, 4b und 4c der oberen Schicht 1. Hierdurch ergibt sich für die mittlere Schicht ein Füllfaktor f_mittel, der kleiner ist als der Füllfaktor der oberen Schicht f_oben. Im gezeigten Beispiel ist jeder Steg 5a, 5b und 5c der mittleren Schicht ein Steg 4a, 4b bzw. 4c der oberen Schicht 1 zugeordnet, der in der gleichen Längsrichtung verläuft wie der entsprechende Steg der mittleren Schicht 2. Während also das Gitter der mittleren Schicht 2 durch die untere Schicht 3 getragen wird, wird das Gitter der oberen Schicht 1 durch das Gitter der mittleren Schicht 2 getragen. Die Gitterstege der oberen Schicht 1 und der mittleren Schicht 2 bestehen aus dem gleichen Grundmaterial wie die untere Schicht 3.
4 zeigt beispielhaft Abmessungen, die gemäß der in 6A und 6B gezeigten Berechnungen eine nahezu 100%ige Reflektivität bei einer Wellenlänge von λ = 1550 nm und Verwendung TM-polarisierten Lichts (elektrischer Feldstärkevektor schwingt senkrecht zu den Gitterstegen) erzielt. Die Gitterperiode p beträgt hierbei 700 nm, der Füllfaktor der mittleren Schicht beträgt f_mittel = 0,26 und der Füllfaktor der oberen Schicht f_oben beträgt 0,56. Die Dicke der oberen Schicht wurde d = 350 nm und die Dicke der mittleren Schicht wurde mit 430 nm gewählt.
Der Abstand zweier Gitterstäbe beträgt in der mittleren Schicht 518 nm und in der oberen Schicht 308 nm. Die Breite eines Gittersteges der mittleren Schicht ist im gezeigten Beispiel 182 nm und in der oberen Schicht 392 nm. Bei senkrechter Inzidenz, d. h. das Licht fällt senkrecht auf die Ebene der oberen Schicht, wird hier eine nahezu 100%ige Reflektivität erreicht. Die Stege der mittleren und der oberen Schicht bestehen im Beispiel aus dem gleichen Material wie die untere Schicht nämlich Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.
Bei der Herstellung muss das in 4 gezeigte Profil nicht exakt hergestellt werden. 5 zeigt mögliche Variationen des Gitterprofils, die die Funktion nicht beeinflussen. Im Zusammenhang mit 6A und 6B wird gezeigt, dass das Design der oberen und der mittleren Schicht Variationen im Füllfaktor und in den Schichtdicken toleriert. Die Stege des Gitters müssen daher nicht unbedingt senkrechte Wände haben, sondern können beliebig anders geformte Wände, wie z. B. im linken und mittleren Teilbild der 5 gezeigt, haben. Auch müssen die Mitten der Gitterstege der mittleren und der oberen Schicht nicht übereinander liegen. Vielmehr ist es, wie im rechten Teilbild der 5 gezeigt, auch möglich, dass die Stege des oberen Gitters gegenüber den Stegen des mittleren Gitters verschoben sind. Die Funktion geht hierdurch nicht verloren.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Spiegel, dessen Reflektivität polarisationsabhängig ist. Die Reflektivität für in x-Richtung polarisiertes Licht unterscheidet sich von jener für in y-Richtung polarisierten Lichts.
Hierzu werden die Gitterstege 4a, 4b, 4c der oberen Schicht 1 durch Quader 20a, 20b, 20c ersetzt. Die Quader haben in x- und y-Richtung unterschiedliche Kantenlängen. Licht einer bestimmten Polarisation wird nur durch jene Kanten beeinflusst, die senkrecht zur Polarisationsebene dieses Lichtes verlaufen. Die Gitterstege 21a, 21b, 21c der mittleren Schicht 2 können entsprechend gestaltet werden, so dass auch der Einfluss der mittleren Schicht 2 polarisationsabhängig ist.
Günstigerweise soll eine monolithische Siliziumoberfläche für eine Wellenlänge von λ = 1550 nm eine 100%-ige Reflektivität bei senkrechtem Einfall aufweisen. Die Brechzahl des Materials beträgt dabei n = 3,5. Für den Grenzfall eines sehr kleinen Füllfaktors des Gitters in der mittleren Schicht (Pufferschicht) (effektive Brechzahl n_eff → 1) ergibt sich aus den Ungleichungen (2) und (3) ein geeigneter Bereich der Periode von 443 nm < p < 1550 nm. Aus diesem Bereich wird beispielhaft eine Gitterperiode von p = 700 nm ausgewählt.
Mit Hilfe rigoroser Simulationsmethoden (M. G. Moharam, T. K. Gaylord, Rigorous coupled wave approach for planar diffraction gratings, J. Opt. Soc. Am., Vol. 71, pp. 881–818, 1981) und der Annahme TM-polarisierten Lichts lassen sich nun die notwendigen Parameter der oberen und unteren Gitterschicht finden. Dazu wurden zunächst gleichzeitig der Füllfaktor f_oben der oberen Gitterschicht in einem Bereich von 0,4 < f_oben < 0,9 und die obere Gitterschichtdicke in einem Bereich von 0 < d < 800 nm variiert. Die sich ergebende Reflektivität ist in 7A dargestellt. Die x-Achse zeigt den Füllfaktor f_oben, die y-Achse die Schichtdicke der oberen Schicht. Der zur Berechnung verwendete Füllfaktor f_mittel der mittleren Gitterschicht wurde auf einen niedrigen Wert von f_mittel = 0,25 festgelegt, um die Existenz höherer propagierender Moden zu verhindern. Die zur Berechnung relativ groß gewählte Dicke der mittleren Pufferschicht von d_eff = 2 μm garantiert dabei eine vollständige Unterdrückung der evaneszenten Transmission der höheren Ordnungen in das Substrat.
Der ideale Designpunkt wurde mit den Parametern f_oben = 0,56 und d = 350 nm identifiziert. Dort ist die Parametertoleranz hinsichtlich der Herstellung am größten. Um die Toleranz der angenommenen Parameter der effektiven Pufferschicht f_mittel und d_eff zu überprüfen, wurden bei festem Design der oberen Schicht (f_oben = 0,56, d = 350 nm) diese in den Bereichen 0 < f_mittel < 0,5 bzw. 0 < d_eff < 2 μm variiert. Dieser Plot ist in 7B dargestellt. Hier zeigt die x-Achse den Füllfaktor f_mittelund die y-Achse die Schichtdicke der mittleren Schicht.
Dabei zeigt sich ebenfalls ein höchst tolerantes Verhalten bezüglich beider variierter Parameter. Wie bereits angedeutet, lässt sich für kleine Füllfaktoren (hier von 0 < f_mittel < 0,35) eine minimale Schichtdicke finden, ab der die Schicht als Pufferschicht agiert, indem sie eine Transmission von Beugungsordnungen in das hochbrechende Substrat unterdrückt und somit hohe Reflektivitäten ermöglicht. Die 7a und 7b zeigen zudem mehrere Bereiche, in denen die Reflektivität tatsächlich 100% erreicht (mit durchgezogener Linie umrandete Bereiche).
Zum Abschluss der Betrachtung des konkreten Anwendungsbeispiels ist sowohl das spektrale als auch das winkelabhängige Verhalten der Reflektivität am gefundenen Designpunkt von Interesse. Dazu wurde zum einen die Wellenlänge in einem Bereich von 1 μm < λ < 2 μm und zum anderen der Einfallswinkel in einem Bereich von 0° < Φ < 90° variiert. Die errechneten Abhängigkeiten sind in den 8A und 8B dargestellt. In 8A ist die Reflektivität auf der y-Achse aufgetragen und die Wellenlänge auf der x-Achse. In 8B ist die Reflektivität auf der y-Achse aufgetragen und auf der x-Achse der Einfallswinkel.
Dabei zeigt sich eine 95%-ige Reflektivität der Oberfläche für einen sehr breiten Wellenlängenbereich von λ = 1550 nm ± 175 nm und einen Winkelbereich von ϕ = 0° ± 23°. Die Reflektivität übersteigt gar einen Wert von 99,99% für den Wellenlängenbereich von 1,48 μm < λ < 1,58 μm und den Winkelbereich von ϕ = 0° ± 4,5°. Dies erscheint für spezielle Anwendungen im Bereich der Wellenlänge 1550 nm höchst geeignet.
9 zeigt das erste erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, welches besonders günstig für Siliziumsubstrate anwendbar ist. Hierbei wird zunächst auf ein Substrat 7 mittels Elektronenstrahl-lithographischer Methoden eine Photoresistmaske 6 aufgebracht (9a). Es wird nun ein anisotroper Ätzprozess ausgeführt und der Resist entfernt, so dass ein Gitterzwischenraum 8 in einer oberen Schicht 1 entsteht (9b). Es werden nun die senkrechten Innenwände 10 der oberen Schicht 1 gezielt passiviert und anschließend in einem isotropen Ätzprozess die obere Schicht 1 unterätzt, so dass sich im Bereich einer mittleren Schicht 2 ein Hohlraum 9 bildet. Die Tiefe dieses Hohlraums 9 und damit die Dicke der mittleren Schicht 2 kann nun durch einen weiteren Ätzprozess weiter erhöht werden. Ein solcher Prozess kann beispielsweise der BOSCH-Prozess sein (F. Laermer, A. Schilp, Robert Bosch GmbH, Method of anisotropically etching silicon, US 5 501 893 A , 1996).
Das Ergebnis dieses Herstellungsverfahrens ist ein Spiegel mit einer oberen Schicht 1, einer mittleren Schicht 2 und einer unteren Schicht 3 (9d). Hierbei wird der gesamte Spiegel durch eine Vielzahl der in 9d gezeigten nebeneinander angeordneten Elemente gebildet. Dieses Verfahren führt zu einer oberen Schicht, deren Füllfaktor kleiner als 1 ist. Der Füllfaktor der mittleren Schicht ist ebenfalls kleiner als 1.
10 zeigt ein alternatives Herstellungsverfahren, welches ebenfalls besonders für Siliziumsubstrate geeignet ist. Hierbei wird zunächst auf einem Substrat 3, später die untere Schicht 3 darstellend, ein binäres Oberflächengitter als mittlere Schicht 2 mit einer Vielzahl von Gitterstegen 5a, 5b und 5c gebildet. Dies kann wie bereits beschrieben durch eine Kombination einer Elektronenstrahl-lithographischen Technologie und trockenchemischen Ätzprozessen erfolgen. Für die Herstellung der oberen Schicht auf diesem Gitter der mittleren Schicht 2 sind nun zwei Alternativen möglich.
Zum einen kann die obere Schicht 1 als durchgehende Schicht mittels Wafer-Direct-Bond auf die mittlere Schicht 2 aufgebracht werden. Hierzu wird ein Wafer als Schicht 1 auf die Stege 5a, 5b und 5c der mittleren Schicht 2 aufgelegt und mit dieser verbunden.
Alternativ kann die obere Schicht 1 durch Beschichtung aus einem flachen Winkel aufgebracht werden. Hierbei lagern sich an den der unteren Schicht 3 abgewandten Kanten der Stege 5a, 5b und 5c der mittleren Schicht 2 Mengen 11a, 11b und 11c des Beschichtungsmaterials ab. Durch die Einstrahlung des Materials 11a, 11b und 11c aus einem flachen Winkel erstrecken sich die Materialablagerungen 11a, 11b und 11c vor allem in Richtung parallel zur Ebene der Schichten 2 und 3. Dadurch ergibt sich eine obere Schicht mit einem Füllfaktor, der größer ist als der Füllfaktor der mittleren Schicht. Bei vollständiger Beschichtung kann die obere Schicht nun CMP-poliert werden, so dass auch hier sich eine geschlossene und ebene obere Schicht 1 ergeben kann.
11 zeigt schließlich das dritte erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, das besonders für Substrate aus Lithiumniobat geeignet ist. Hierbei wird in einem ersten Schritt mittels Elektronenstrahl-lithographischer Verfahren eine Maskierung 12 auf ein Substrat 13 aus Lithiumniobat aufgebracht. Von oben werden nun durch die Öffnungen der Maskierung 12 Ionen auf das Substrat 13 geschossen, deren Energie so gewählt ist, dass die Eindringtiefe ihrer Hauptenergieabgabe in dem Bereich liegt, in welchem im fertigen Spiegel die mittlere Schicht angeordnet sein soll. Der Bereich der späteren oberen Schicht wird hierbei von den Ionen durchlaufen, ohne dass sie dort einen wesentlichen Teil ihrer Energie abgeben. Hierdurch entsteht ein amorphisierter Bereich 14, der von unbehandeltem Substratmaterial vollständig umgeben ist. Die Maskierung 12 kann nun entfernt werden.
Es kann dann eine neue Maskierung 15, ebenfalls durch Elektronenstrahl-lithographische Verfahren, aufgebracht werden, welche die Struktur der oberen Schicht 1 abbildet. Es werden nun wiederum Ionen durch die Maskierung 15 auf das Substrat 13 eingestrahlt, deren Energie nun aber so gewählt ist, dass die Eindringtiefe ihrer Hauptenergieabgabe im Bereich der späteren oberen Schicht 1 liegt. Es entsteht dadurch der amorphisierte Bereich 16. Nach Bestrahlung mit Ionen kann nun die Maske 15 entfernt werden und das amorphisierte Material in einem nasschemischen Ätzprozess herausgelöst werden. Wiederum entsteht ein Spiegel mit den drei Schichten 1, 2 und 3 sowie Gitterstegen der oberen Schicht 4a, 4b und der mittleren Schicht 5a, 5b. Ein Gitter weist dann eine Vielzahl der in 11d gezeigten Elemente nebeneinander auf.

Claims

Spiegel mit einer unteren (3), einer mittleren (2) und einer oberen (1) Schicht, die mit parallelen Schichtebenen übereinander angeordnet sind, wobei die mittlere Schicht (2) an die obere Schicht (1) grenzt und die untere Schicht (3) an die mittlere Schicht (2) grenzt, wobei die untere (3) und die obere (1) Schicht ein Grundmaterial aufweisen oder aus diesem bestehen, das für Licht zumindest einer Wellenlänge transparent ist, wobei die mittlere Schicht (2) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (5a, 5b, 5c) aus dem Grundmaterial aufweist, wobei der effektive Brechungsindex der mittleren Schicht (2) kleiner ist als der Brechungsindex des Grundmaterials, und wobei die obere Schicht (1) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (4a, 4b, 4c) aus dem Grundmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steg (5a, 5b, 5c) der mittleren Schicht (2) jeweils parallel zu einem Steg (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) verläuft.
Spiegel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) die obere Schicht durchsetzen.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (5a, 5b, 5c) der mittleren (2) und/oder die Stege (4a, 4b, 4c) der oberen (1) Schicht so verlaufen, dass die entsprechende Schicht mit Quadern (20a, 20b, 20c, 21a, 21b, 21c) strukturiert ist.
Spiegel nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur der mittleren (2) und/oder der oberen (1) Schicht ein Gitter ist, wobei die Seitenwände der Stege (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c) senkrecht zur Ebene der entsprechenden Schicht stehen und eben sind.
Spiegel nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (5a, 5b, 5c) der mittleren Schicht (2) jeweils einen Steg (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) berühren.
Spiegel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Stege (5a, 5b, 5c) der mittleren Schicht (2) in Richtung parallel zur Ebene der Schicht und senkrecht zu einer Längsrichtung der Stege kleiner ist als die Ausdehnung der Stege (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) in dieser Richtung.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten so ausgebildet sind, dass senkrecht zur Ebene der oberen Schicht (1) auf diese einfallendes Licht der Wellenlänge in der oberen Schicht (1) Gittermoden nullter und höherer Ordnung ausbildet und in der mittleren Schicht (2) nur Gittermoden nullter Ordnung ausbildet.
Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur der oberen Schicht (1) eine Periode p hat, der für die Wellenlänge λ, den Brechungsindex des Grundmaterials n_G und den effektiven Brechungsindex der mittleren Schicht (2) n_eff die Bedingungen p < λ, λ/n_G < p und p < λ/n_eff erfüllt.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel so gestaltet ist, dass seine Reflektivität für eine Polarisationsrichtung frei wählbar ist.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel so gestaltet ist, dass für eine bestimmte Polarisationsrichtung die Reflektivität maximiert ist, während diese für die andere Richtung minimiert ist.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich strukturiert ist, so dass die Reflektivitäten für die Polarisationen in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich einstellbar sind.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jene Bereiche der oberen (1) und/oder mittleren (2) Schicht, die nicht mit Grundmaterial ausgefüllt sind, ein Füllmaterial aufweisen und/oder dass ein Füllmaterial auf jener der mittleren Schicht (2) abgewandten Seite der oberen Schicht (1) angeordnet ist, wobei das Füllmaterial einen Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des Grundmaterials hat.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial ein Dielektrikum ist oder aufweist und/oder Silizium, Lithiumniobat, Quarz, Germanium, Galliumarsenid und/oder Indiumphosphid aufweist oder daraus besteht.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel und die untere (3), mittlere (2) und obere (1) Schicht monolithisch sind.
Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge im Bereich von infrarotem Licht, sichtbarem Licht, UV-Licht, Terahertz-Strahlung und/oder Mikrowellenstrahlung liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wobei ein Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, wobei in einem ersten Schritt auf ein Substrat zunächst eine Photoresistmaske (6) aufgebracht wird, in einem zweiten Schritt die obere Schicht (1) durch einen Ätzprozess strukturiert wird, in einem dritten Schritt die zur Ebene der oberen Schicht senkrechten Seitenwände der Struktur passiviert werden, und in einem vierten Schritt die Struktur der oberen Schicht im Bereich der mittleren Schicht so unterätzt wird, dass die Struktur der oberen Schicht erhalten bleibt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der oberen Schicht eine periodische Struktur und/oder ein Gitter ist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoresistmaske (6) im ersten Schritt mittels elektronenstrahl-lithographischer Methoden aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozess im zweiten Schritt ein binär-anisotroper, trockenchemischer Ätzprozess ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände im dritten Schritt Plasma-gestützt passiviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt die Struktur der oberen Schicht mittels eines isotropen trockenchemischen Ätzprozesses unterätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den vierten Schritt im Bereich der mittleren Schicht ein weiterer Ätzprozess zur Vergrößerung der Schichtdicke der mittleren Schicht durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wobei ein Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt wird, wobei in einem ersten Schritt auf einer unteren (3) Schicht eine Struktur als mittlere (2) Schicht hergestellt wird und im zweiten Schritt eine Schicht als obere Schicht (1) auf die Struktur aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur ein binäres Oberflächengitter ist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Struktur im ersten Schritt zunächst mittels elektronenstrahl-lithographischer Methoden eine Photoresistmaske (6) auf ein Substrat aufgebracht wird und anschließend die Struktur in einem binär-anisotropen, trockenchemischen Ätzprozess erzeugt wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprühe, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt die obere Schicht (1) durch ein Wafer-Direct-Bonding-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (1) hergestellt wird, indem zunächst die der herzustellenden Oberseite zugewandten Flächen der Gitterlamellen beschichtet werden und anschließend die so beschichtete Seite des Spiegels poliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel nach dem zweiten Schritt getempert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Silizium aufweist oder daraus besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wobei ein Spiegel nach einem der Anspruche 1 bis 15 hergestellt wird, wobei in einem ersten Schritt auf ein Substrat eine Maskierung aufgebracht wird, welche die Struktur der mittleren Schicht (2) beschreibt, in einem zweiten Schritt Ionen so auf das Substrat eingestrahlt werden, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der mittleren Schicht liegt, in einem dritten Schritt die Maskierung entfernt wird, in einem vierten Schritt auf das Substrat eine Maskierung aufgebracht wird, welche die Struktur der oberen Schicht beschreibt, in einem fünften Schritt Ionen so auf das Substrat eingestrahlt werden, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der oberen Schicht liegt, und in einem sechsten Schritt die mit Ionen bestrahlten Bereiche des Substrates herausgeätzt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im sechsten Schritt ein nasschemischer Ätzprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Lithiumniobat aufweist oder daraus besteht.
Verwendung eines Spiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als polarisationsabhängiger Filter oder polarisationsabhängiger Strahlteiler.
Verwendung eines Spiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als polarisationsunabhängiger Filter oder polarisationsunabhängiger Strahlteiler.