DE19602584A1 - Miniaturisiertes optisches Dünnschichtspektrometer und dessen Verfahren zur Herstellung - Google Patents
Miniaturisiertes optisches Dünnschichtspektrometer und dessen Verfahren zur HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Konstruktion von
miniaturisierten optischen Transmissionsgittern in
vorzugsweise Siliziumoxinitrid-Dünnschicht-Wellenleiterstrukturen,
die als Mikrospektrometer
für spektroskopische Anwendungen eingesetzt
werden und deren Verfahren zur Herstellung mit
in der Dünnschichttechnologie üblichen
Standardprozessen auf Siliziumsubstraten. Hierbei
werden die periodisch angeordneten, beugenden
Gitterzähne mit einer Gitterkonstanten < 1 µm
(Auflösung von Standardfotolithographie
verfahren) nicht als für spektroskopische
Anwendungen ungeeignete Wellenleiterlast
ausgeführt, sondern das Wellenleitersystem selbst
lateral-stufenförmig strukturiert. Insbesondere
werden dabei durch die spezielle Konstruktion der
in transmittierender Funktion ausgeführten
Wellenleitergitter unter Maßgabe von effizienten
spektralen Beugungseigenschaften die, die
Fertigungsprozesse ursächlich bedingenden
Strukturverrundungen der Gittergeometrie und die
damit einhergehenden Beugungsintensitäts
verluste weitestgehend vermieden (hohe
Effizienz) und somit eine kostengünstige
Gitterfabrikation auf die Grundlage einer
industriellen Fertigung gestellt.
Miniaturisierte optische Gitter in Wellenleitern
für Breitbandspektroskopie werden z.Z. als
Reflektionsgitter in PMMA-, SiO₂, B₂O₂, TiO₂- oder
optischen Glas-Wellenleitern [1-4]
ausgeführt oder aus einem reinen Glaskern UBK 7
angefertigt [5]. Grundlage des Gitterdesigns und
der daraus resultierenden Gitterzahnkonstruktion
(ggf. unter Berücksichtigung fokussierender
Eigenschaften) ist die Wellenlänge, bei der
vorzugsweise in der 1. Ordnung konstruktive
Interferenz hoher Effizienz (gebeugte Intensität
einer bevorzugten Ordnung dividiert durch die
eingestrahlte Intensität je Wellenlängeneinheit)
auftritt (Blazewellenlänge). Effiziente optische
Reflektionsgitter, die für den für die
Umweltanalytik wichtigen sichtbaren
Wellenlängenbereich (300-700 nm) ausgelegt
sind, weisen daher minimale Gittergeometrien
von 100-300 nm bzw. Strukturverrundungs
radien von < 50 nm auf. Diese dafür notwendige
Strukturauflösung der Fertigung wird durch
Interferenzmuster von UV-Lasern und einer damit
verbundenen Fotolackbelichtung auf Glaskörpern
erzielt [2, 5]. In [1] erfolgt die Herstellung
direkt durch hochaufgelöste Belichtung der
PMMA-Wellenleiter mit hocherengetischer und
kollimierter Röntgenstrahlung eines Sychrotrons.
Miniaturisierte optische Transmissions
gitter in dielektrischen Wellenleitern werden z.Z.
als Bragg-Gitter z. B. in DFB-Lasern, für optische
Filter oder für fokussierende optische Elemente
(chirped gratings) eingesetzt [6, 7]. Da sie
einerseits wegen der notwendigen Realisierung
kleiner Gitterkonstanten durch
Interferenzbelichtung von Fotolack nicht mit einer
kostengünstigen Standardfotolithographie
hergestellt werden können, andererseits beim
Einsatz letzteren das spektrale
Dispersionsvermögen (größere Gitterkonstante)
signifikant vermindert wird, stellen Bragg-Gitter
keine Alternative als dispersive optische Elemente
für breitbandige spektroskopische Anwendungen
dar.
Der o.g. Erfindung liegt daher das Design von
miniaturisierten integriert-optischen
Transmissionsgittern in einem monomodigen
Wellenleitersystem zugrunde, die bei einer
Blazewellenlänge von ca. 500 nm (1.
Beugungsordnung) und herstellungsbedingt
signifikant größeren Strukturverrundungsradien
breitbandige, hohe spektrale Effizienzen
aufweisen. Der monolithisch-aufgebaute optische
Wellenleiterkern ermöglicht hierbei ein, durch die
Herstellungsbedingungen vernachlässigbar
limitiertes (Streulichtverhalten) hohes spektrales
Auslösungsvermögen.
Durch den Einsatz von vorzugsweise
Siliziumoxinitridwellenleitern kann der effektive
Brechungsindex der Wellenleiter präzise und
variabel je nach Materialzusammensetzung
eingestellt und dadurch feldangepaßte
Wellenleiterkoppler (hoher Kopplungs
wirkungsgrad) realisiert werden (zwischen
n(SiO₂) = 1.46, n(Si₃N₄) = 2 für λ = 633 nm).
Diese bilden die Grundlage von integriert
optischen Transmissionsgittern, die durch einen
lateral-strukturierten stufenförmig Brechungs
indexübergang gekennzeichnet sind. Die
konstruktive Interferenz ist hierbei durch die
Phasenverschiebung um λ-vielfaches zweier
benachbarter Strahlengänge durch unterschiedlich
optisch dichtes Medium gegeben Abb. 1 [9]. Da
grundsätzlich je nach vertikaler Feldanpassung
jede ausbreitungsfähige Wellenleitermode zur
Beugung beiträgt bzw. angeregt wird, ist mit dem
Einsatz spezieller monomodiger Wellenleiter, die
unterdrückende Anregungseigenschaften
aufweisen, eine hohe spektrale Auflösung
gewährleistet.
Im Fall eines effektiven Brechungs
indexunterschiedes von 0.5, der sich durch den
Übergang eines SiON-Wellenleiters (n = 1.5) in
Luft (n = 1) bzw. eines Si₃N₄- (n = 2) zu SiON-Wellenleiters
(n = 1.5) ergibt, wird konstruktive
Interferenz in der 1. Ordnung bei einer minimalen
Strukturbreite von a = 1 µm erzielt (λBlaze = 500 nm).
Gegenüber Reflektionsgittern gleichem
Wellenleitersystems vergrößert sich damit die
minimale Geometrie der Gitterfacette um einen
Faktor von ca. 4. Somit werden trotz gleicher
herstellungstechnologisch bedingter Gitterzahn
verrundung signifikant höhere
Beugungseffizienzen erzielt. Die Wahl von b = 1
µm und der Gitterbreite von 5 mm erfolgt unter
Maßgabe der spektralen Abbildungseigenschaften
für integriert optische spektroskopische
Anwendungen:
- - geringer Flächenbedarf
- - hohes spektrales Dispersionsvermögen und die damit verbundene hohe spektrale Auflösung
- - Transmission nur einer signifikanten Beugungsordnung (Unterdrückung der 0. transmittierten und Reflektion und Ausblendung von höheren Ordnungen: Vermeidung von Blockungsfiltern, Reduktion von Streulicht)
- - hohe spektrale Effizienz
Die dämpfungs- und insbesondere
streulichtarmen, monomodigen Wellenleiter
ermöglichen Extinktionsmessungen mit hoher
Dynamik (ca. 1000 bei λ = 525 nm, Weißlicht
einer Halogenlampe) und bei gleichzeitig
unterdrücktem mehrmodigen spektralen
Beugungsüberlapp [10].
Mit dieser speziellen Konstruktion wird
insbesondere den Randbedingungen einer
kostengünstigen, reproduzierbaren Herstellung
(Strukturverrundungseigenschaften der
Gittergeometrietiefenübertragung mittels
Dünnschichttechnologie) der lateralen
Gitterzähne des Wellenleiterschichtsystems
Rechnung getragen. Somit wird trotz einer für
Reflektionsgitter unzureichenden Struktur
übertragung bei Gitterzahnverrundung von ca.
300 nm eine spektrale breitbandige Effizienz bei
optischen Dünnschichtspektrometern von ca. 50%
erzielt.
Der Erfindung liegt daher zusätzlich das
Verfahren zur Herstellung von integriert optischen
Transmissionsgittern zugrunde, das, teilweise im
Batchbetrieb, durch wenige in der
Halbleitertechnologie übliche Standardprozeß
schritte kostengünstig realisiert ist. Als
Ausgangsmaterial dienen handelsübliche
Siliziumsubstrate beliebiger Dotierung, auf die
durch nasse thermische Oxidation ein optisches
Superstrat SiO₂ (Dicke: 3 µm) aufgebracht wird.
Sowohl die lichtführende als auch die
Abdeckschicht werden sukzessiv mit LPCVD-Prozessen
bei 930°C abgeschieden. Diesbezüglich
können je nach Volumenstromanteilen der
zugeführten Prozeßgase aus vorzugsweise
(SiCl₂H₂, NH₃, O₂) hochwertige optische
Siliziumoxinitridschichten variablen
Brechungsindexes hergestellt werden, die sich
durch überaus geringe Dämpfungseigenschaften
auszeichnen und ein im Vergleich zu optischem
Glas idealerweise identisches oder verbessertes
Streulichtverhalten aufweisen (Filmdicke ca. 0.6
µm, Abdeckschichtdicke ca. 0.6 µm). Eine
danach auf dem Filmwellenleiterpaket durch
Kathodenzerstäuben abgeschiedene 100 nm dicke
Metallschicht aus vorzugsweise Wolfram oder
Molybdän vereint folgende Vorteile: Sie dient als
widerstandsfähige (geringe Selektivität: Ätzrate
der Maske dividiert durch Ätzrate des zu
strukturierenden Materials) Metallmaske des
SiON-Plasmaätzprozesses in einem vorzugsweise
reinen CHF₃-Plasma zur anisotropen lateralen
Gitterstrukturierung. Letztere gewährleistet
dadurch die senkrechte Übertragung der
Oberflächenmetallmaske zur exakten
Tiefenstrukturierung identischen Gittergeometrie.
Darüberhinaus ist sie im reinen SF₆-Plasma
überaus leicht zu ätzen (hohe Selektivität) und
kombiniert daher in hervorragender Weise die
kritische Strukturübertragung einer nur 200-300
nm dicken Fotolackschicht mit einer, durch den
Trockenätzprozeß gewährleisteten, vernachlässig
baren Unterätzung bzw. hohen
Strukturübertragungsgenauigkeit. Die Wolfram- bzw.
Molybdänschicht reflektiert des weiteren das
UV-Licht des Belichtungsprozesses nach
idealerweise 200-300 nm Weglänge durch den
Fotolack (Kontaktlithographieverfahren), so daß
der optische Weg um ein Vielfaches gegenüber
einer Reflektion an der SiO₂-Si-Grenzfläche
reduziert ist. Diese vorteilhafte Prozeßtechnologie
vermeidet daher weitestgehend die durch die
Beugung an der Fotomaske grundsätzlich
auftretende Fotolackbelichtung unter der Maske
und die damit zusätzlich einhergehenden
Strukturverrundungen.
Die hochschmelzende Wolfram bzw.
Molybdänschicht wird darüberhinaus als
Opferschicht nachfolgender mit LPCVD-Prozessen
abgeschiedener optischer Filme
eingesetzt. Somit lassen sich in den lateral
tiefenstrukturierten Filmwellenleitern
feldangepaßte SiON-Wellenleiterübergänge mit
unterschiedlichem effektiven Brechungsindexes in
einfacher Weise durch "Lift-of"-Technologie
realisieren. Diese Prozeßtechnologie kombiniert
auf hervorragende Weise die für
Transmissionsgitter notwendigen lateral
strukturierten Brechungsindexsprünge mit
klassischen optischen Abbildungssystemen
(dielektrische Spiegel, Linsen), die, integriert in
hochwertigen optischen Wellenleitern, Basis für
optische Mikroanalysesysteme sind.
Die Abb. 1 zeigt den Aufbau eines optischen
Transmissionsgitters in einem SiON-Wellenleitern-Luftübergang.
Abb. 2 zeigt ein mit einem externen Detektor
kombiniertes Mikrospektrometer mit einem
Wellenleiter-Wellenleiterübergang (Abbildungs
optik hier mit einer hyperbolischen Schichtlinse).
[1] Miniaturisiertes Spektrometersystem in
LIGA-Technik, C. Müller, J. Mohr,
Wissenschaftliche Berichte, FZKA 5609,
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH,
Forschung und Technik
[2] Flat-Field spectrograph in SiO₂-Si, P. C. Clemens, R. März, A. Reichelt, H. W. Schneider, IEEE Photonics 1992, Technology Letters, Vol. 4, No. 8, p. 886
[3] Planar Rowland spectrometer for fiber optic wavelength demultiplexing, H. W. Yen, H. R. Friedrich, R. J. Morrison, G. L. Tangonan, Vol. 6, No. 12, p. 639, J. Opt. Soc. Am. A, Dec. 1981
[4] Design and performance of a multiple element slab waveguide spectrograph for multimode fiber optic WDM systems, B. A. Capron, M. W. Beranek, R. W. Huggins, D. G. Koshinz, J. Lightwave Technology, Vol. 11, No. 12, p. 2009, Dec. 1993
[5] MMS Spektralsensoren Carl Zeiss Firmenbroschüre Nov. 1994, Geschäftsbereich Sondertechnik, 73446 Oberkochen
[6] Comparison of the experimental and theoretical diffraction characteristics of transmission gratings on planar dielectric waveguides, J. M. P. Delavaux, W. S. C. Chang, M. G. Moharam, Appl. Opt., Vol. 24, No. 2, Jan. 85
[7] Monolithic integrated microgratings and photodiodes for wavelength demultiplexing, T. Suhara, Y. Handa, H. Nishihara, J. Koyama, Appl. Phys. Lett., 40 (2), Jan. 82
[8] Chirped-grating demultiplexer in dielectric waveguides, A. C. Livanos, A. Katzir, A. Yariv, C. S. Hong, Appl. Phys. Lett., Vol. 30, No. 10, May 77
[9] Electromagnetic study of transmission gratings, M. Neviere, Appl. Opt. Vol. 30, No. 31, p. 4540, Nov. 1991
[10] Optical microspectrometer in SiON-slab waveguides, D. Sander, M. O. Dücker, O. Blume J. Müller, Proc. Spie 2686, OE/LASE, 1996
[2] Flat-Field spectrograph in SiO₂-Si, P. C. Clemens, R. März, A. Reichelt, H. W. Schneider, IEEE Photonics 1992, Technology Letters, Vol. 4, No. 8, p. 886
[3] Planar Rowland spectrometer for fiber optic wavelength demultiplexing, H. W. Yen, H. R. Friedrich, R. J. Morrison, G. L. Tangonan, Vol. 6, No. 12, p. 639, J. Opt. Soc. Am. A, Dec. 1981
[4] Design and performance of a multiple element slab waveguide spectrograph for multimode fiber optic WDM systems, B. A. Capron, M. W. Beranek, R. W. Huggins, D. G. Koshinz, J. Lightwave Technology, Vol. 11, No. 12, p. 2009, Dec. 1993
[5] MMS Spektralsensoren Carl Zeiss Firmenbroschüre Nov. 1994, Geschäftsbereich Sondertechnik, 73446 Oberkochen
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[7] Monolithic integrated microgratings and photodiodes for wavelength demultiplexing, T. Suhara, Y. Handa, H. Nishihara, J. Koyama, Appl. Phys. Lett., 40 (2), Jan. 82
[8] Chirped-grating demultiplexer in dielectric waveguides, A. C. Livanos, A. Katzir, A. Yariv, C. S. Hong, Appl. Phys. Lett., Vol. 30, No. 10, May 77
[9] Electromagnetic study of transmission gratings, M. Neviere, Appl. Opt. Vol. 30, No. 31, p. 4540, Nov. 1991
[10] Optical microspectrometer in SiON-slab waveguides, D. Sander, M. O. Dücker, O. Blume J. Müller, Proc. Spie 2686, OE/LASE, 1996
Claims (16)
1. Konstruktion eines integriert optischen
nichtfokussierenden Transmissionsgitters hoher
spektraler Effizienz und Auflösung in
monomodigen Dünnschicht-Wellenleitersystemen
aus vorzugswiese Siliziumoxinitrid auf
Siliziumsubstraten für spektroskopische
Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich
(350-700 nm).
2. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Dünnschichtwellen
leitersystem zur Erzeugung periodisch
angeordneter stufenförmiger Gitterzähne mit einer
Gesamtlänge < 0.5 mm lateral tiefenstrukturiert
wird (Strukturierung des Wellenleiterkerns).
3. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der effektive
Brechungsindexsprung von 0.35-0.65 durch
einen aus vorzugsweise Siliziumoxinitrid
(variabel einstellbarer effektiver Brechungsindex
des Wellenleiters zwischen 1.46 und 2.0)
ausgeführten Wellenleiter-Luft oder Wellenleiter-
Wellenleiter-Übergang besteht.
4. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch
kennzeichnet, daß die konstruktive Interferenz in
der 1. Beugungsordnung mit Blazewellenlängen
350 nm < λBlaze <600 nm vorliegt.
5. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante d = 1-4
µm beträgt.
6. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als lichtführende Struktur
zwischen einer Wellenlänge von 350 und 700 nm
monomodige Siliziumoxinitridwellenleiter
folgendem Schichtaufbaus verwendet werden
- - optisches Substrat: Dicke: 2.5-3.5 µm Brechungsindex: n = 1.46
- - optischer Film: Dicke: 0.5-0.8 µm Brechungsindex: n = 1.48-1.5
- - optischer Film für Wellenleiter-Wellenleiter-Übergang: Dicke 0.5-0.8 µm Brechungsindex: 1.7-2.0
- - Abdeckschicht: Dicke: 0.5-1 µm Brechungsindex: n = 1.46-1.48, für λ = 500 nm.
7. Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von
integriert optischen Wellenleiter-Transmissions
gittern mit Verfahren der Dünnschichttechnologie
bei denen
- - auf Siliziumsubstraten ein vorzugsweise aus Siliziumoxinitrid bestehendes Wellenleitersystem aufgebracht wird
- - anschließend eine Wolfram- oder Molybdänschicht abgeschieden wird
- - letztere durch eine strukturierte Fotolackschicht trockenchemisch geätzt bzw. selbst strukturiert und anisotrop in das SiON-Wellenleitersystem übertragen wird
- - optional eine siliziumnitridnahe SiON-Wellenleiterstruktur zur Erzeugung abbildender optischer Elemente abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Silizumsubstrate in
beliebiger Dotierung thermisch bei 1000°C, 1013
mbar naß oxidiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die lichtführende und die
Abdeckungsschicht durch einen LPCVD-Prozeß
abgeschieden werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß als LPCVD-Prozeßgase
vorzugsweise SiCl₂H₂, NH₃ und O₂ in
unterschiedlichen Volumenstromanteilen bei 900-1000°C
und einem Prozeßdruck von 5-40 mbar
verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Metallschicht aus
vorzugsweise Wolfram oder Molybdän durch
Kathodenzerstäuben in einer Dicke von 50-300
nm auf das Wellenleitersystem aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fotolithographie im
Vakuumkontaktverfahren mit 150-600 nm
dickem Standardfotolack und elektronenstrahl
geschriebenen Originalfotomasken durchgeführt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wolfram- oder
Molybdänschicht in einem Trockenätzprozeß aus
vorzugsweise einem SF₆-Plasma strukturiert wird,
der restliche Fotolack mit einem O₂-Plasma
entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das SiON-Wellenleitersystem
mit einem überaus
anisotropen CHF₃-Plasma zur Herstellung des
Transmissionsgitters lateral stufenförmig mit
einer Tiefe von 0.5 bis 2.5 µm strukturiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß optional eine weitere SiON-Schicht
auf der Wolfram- oder Molybdänschicht
(-maske) und der herausgeätzten Struktur mittels
eines LPCVD-Prozesses (o.g. Parameter)
abgeschieden wird.
16. Verfahren nach Anspruch 7 und 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die auf der Wolfram- oder
Molybdänschicht abgeschiedene Schicht durch
naßchemisches Unterätzen ("lift-off") zur
Erzeugung abbildender optischer Elemente
entfernt wird.
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