WO2011144392A1 - Verfahren zur herstellung eines photonischen kristalls und dreidimensionaler photonischer kristall - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines photonischen kristalls und dreidimensionaler photonischer kristall Download PDF

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WO2011144392A1
WO2011144392A1 PCT/EP2011/055750 EP2011055750W WO2011144392A1 WO 2011144392 A1 WO2011144392 A1 WO 2011144392A1 EP 2011055750 W EP2011055750 W EP 2011055750W WO 2011144392 A1 WO2011144392 A1 WO 2011144392A1
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WO
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photonic crystal
pores
substrate
dimensional photonic
columns
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PCT/EP2011/055750
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Harry Hedler
Jörg ZAPF
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • 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
    • 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
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a photonic crystal and a three-dimensional photonic crystal.
  • Photonic crystals are periodically structured the ⁇ lectric materials, which represent the optical analog of semiconductor crystals and thus enable the production of integrated photonic circuits.
  • Photonic crystals can be classified according to their dimensionality. Thus one distinguishes one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) photonic crystals depending on the number of spatial directions with periodic refractive index.
  • manufacturing information model designed for one and two dimensional already, with which high-quality photonic ⁇ cal crystals can be produced with reasonable effort and cost has been in the area of three ⁇ dimensional photonic crystals because of the extremely complicated and costly preparation processes hitherto known yet no broad commercial groove ⁇ Zung result.
  • Conventional photonic crystals consist of structured semiconductors, glasses or polymers. From DE 10 2006 025 100 a method of producing a photonic crystal is known, which consists of a material with high Bre ⁇ chung index or metal, in which a polymer structural ⁇ structure is provided with interconnected air voids, a homogeneous isotropic thin coating material is applied to the upper ⁇ surface of the polymer structure, a sharkbre ⁇ - term material is introduced, an access to the polymer or to the applied coating material is opened and finally the applied layer and the polymeric structure are removed.
  • the invention has for its object to provide a method for producing a photonic crystal, with the help of which high quality in particular dreidi ⁇ dimensional photonic crystals with comparatively low ⁇ labor and cost can be reliably and faithfully produced from different materials and beyond the use methods of the invention to provide three-dimensional photonic crystals, which have improved optical properties.
  • This object is achieved by a method for the manufacture ⁇ development of a photonic crystal comprising the steps of:
  • pores are advantageously produced by means of a known photo-electrochemical etching method which permits the production of pores up to a nearly "beechi ⁇ gen" depth.
  • pores can, for example, of a substrate or wafer front surface up to the back with the same
  • pore diameters and distances to adjacent pores can be generated by using photoelectrochemical etching techniques to create pores in a laterally predominantly periodic arrangement with diameters of a few microns over a length (depth) of several millimeters.
  • a liquid-filling method is advantageously used. This method is particularly suitable for filling pores of any external shape.
  • the "liquid press-in process" used in this process makes it possible to introduce both conductive and non-conductive materials with an extremely high aspect ratio.
  • an etching method is advantageously used.
  • the removal of the substrate material leads to the formation of a free-standing columnar
  • a further degree of freedom in the choice of material and the associated effect on the optical properties of the produced photonic crystal can be realized in that applied after the generation of the pores and before filling the pores of a dielectric layer on the resultant by generating the pores columnar substrate ⁇ structure becomes.
  • the optical properties of the photonic crystal to be produced can also be specifically influenced by filling the pores in predefined form with at least two different materials from the substrate material.
  • a carrier layer which carries the column structure and thus the actual photonic crystal
  • a Trä ⁇ carrier layer prior to removal of the substrate material, for example of an oxide such as silicon oxide, on an axis perpendicular to the extension direction of the pores of the upper surface to apply the substrate, which after then also possible complete removal of the substrate material serves as a carrier for the photonic crystal.
  • Diver Per ⁇ lich but can also in this case, but a residual retained substrate layer, which is then used along with the additionally applied carrier layer as a carrier of the photonic crystal.
  • the object underlying the invention is also achieved by a three-dimensional photonic crystal, with a periodically arranged columnar structure, which consists at least partially of metal or a Metalllegie ⁇ tion, wherein the columns have a longitudinally changing, in particular periodically changing, diameter.
  • a three-dimensional photonic crystal can advantageously be produced by the production method according to the invention.
  • the columns of the columnar structure are coated with a dielectric layer.
  • the columns have a ratio of length to diameter of greater than 100, have a minimum column diameter of 0.5 ⁇ and / or have a diameter of the columns, which periodically in a ratio greater 1: 3 changes, that is, the columns have a maximum
  • Diameter which is more than three times the minimum diameter of the columns.
  • a further embodiment of the invention provides that the columns consist of at least two materials which have a predefined structure.
  • the second material for the columns may include metals and / or metal alloys and / or plastics and / or oxides, in particular thermal oxides and / or nitrides used ⁇ the.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an intermediate in the production according to the invention of a two-dimensional photonic crystal after the production of pores of constant diameter in a substrate
  • FIG. 3 shows a schematic sectional representation of an intermediate in the production according to the invention a two-dimensional photonic crystal after filling the pores
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the two-dimensional photonic crystal according to FIG. 4,
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an intermediate in the manufacture of a three-dimensional photonic crystal according to the invention after the creation of pores having a periodically varying diameter in a substrate,
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration of an intermediate in the production according to the invention of a three-dimensional photonic crystal after the filling of the pores
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of the three-dimensional photonic crystal after removal of the substrate material
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of the three-dimensional photonic crystal according to FIG. 8,
  • FIGS. 1a to 4c also show a schematic top view of a photonic crystal according to the invention with predefined interferences.
  • FIG. 1 shows a flowchart of the method according to the invention for producing a photonic crystal.
  • a first method step S1 pores 10 are produced in a preferably silicon substrate 11, resulting in a first intermediate product 12 in the form of a columnar substrate structure, as shown in FIG.
  • the pores 10 are preferably produced with the aid of a photoelectrochemical etching process (Photo Assisted Electrochemical Etch).
  • Pho ⁇ toelektrochemische etching process are basically known, so that is omitted at this point to a detailed ⁇ lêt explanation.
  • pores 10 By using a photo-electrochemical etching to produce pores can be from a few milli-meters ⁇ with a minimum diameter of up to 0.5 ⁇ and a depth (length). There are thus pores can be generated, which have a ratio of depth (length) to diameter, which is greater than 100.
  • pores 10 are generated, which run from a front side 13 of the substrate 11 to a rear side 14 of the substrate 11 ⁇ .
  • the pores 10 are characterized by a high structural fidelity, eg in terms of diameter and distance to the neighboring pore, from.
  • the use of a photoelectrochemical etching process allows the generation of matrix-like structures with very tight tolerances dimensions and pore spacings with extremely low error rate.
  • S2 is applied to the columnar structure comprises a substrate which ⁇ lectric layer, for example in the form of an oxide or nitride layer, preferably a layer of ther ⁇ mixers oxide applied (see FIG. 10).
  • the Po ⁇ ren be filled with a different filler material from the substrate 20, resulting in a second interim product rule ⁇ 'leads 12, as Darge ⁇ represents in Figure 3.
  • the pores 10 are filled with aid of a liquid-filling process (liquid pore fill).
  • the preheated first intermediate product 12 that is to say the substrate 11 with the introduced pores 10
  • the filler material is pressed into the pores 10 then 20, whereby the pores are nearly 10 inde pendent ⁇ filled by volume and shape safely and with high quality with filler material.
  • pores may even be filled reliably whose diameter periodically in a ratio greater than 1: 3 changed, which is for the greater detail below beschrie ⁇ bene producing three-dimensional photonic crystals is of great importance.
  • filling material for example metals, Me ⁇ talllegleiteren, transparent or non-transparent plastics, oxides, in particular thermal oxides, or nitrites may be used. Also filling with more than one filling material in predefined form or structure is possible. Ultimately, the desired optical properties of the photonic crystal to be produced are divided by the specific filling material (s) used and, if appropriate, the specific structure of the filling.
  • a support layer 30 is brought (see FIG. 4) to a direction perpendicular to the extending direction of the pores 10 surface of the substrate 11, in the illustrated example on the rear side 14 of the substrate 11 on ⁇ , wherein the carrier layer 30 as a carrier for the photonic crystal is used ,
  • the substrate is material at least partially, for example using an etching ⁇ method, is removed and thus a periodic columnar ⁇ shaped structure 31 comprising a plurality of individual (Füllmaterial-) columns 32 and which constitutes the photonic crystal , finished (see Figure 5).
  • a carrier layer 30 has been applied to the substrate structure, as shown in FIG. 5, the substrate material can also be completely removed.
  • An ⁇ otherwise, a thin (residual) substrate layer serve as a support for the photonic crystal. The extent of removal of the substrate material is also in
  • a two-dimensional photonic crystal as shown in a perspective view in FIG. 5, can be produced with the aid of the method according to the invention.
  • pores 10 'with changing, preferably periodically changing diameter can be produced (see Figure 6). This is achieved by suitable control of the operating point (current, voltage, light) of the pho ⁇ toelektrochemischen etching method. After filling the pores with filler material (see FIG. 7) and at least partial removal of the substrate material obtained in this case a periodic columnar ⁇ shaped structure 31 ', as shown in sectional view in Figure 8 and in perspective view in Figure 9.
  • This structure 31 ' comprises a plurality of individual (filler) columns 32' which have a longitudinally varying, in particular periodically changing, diameter and which constitute a three-dimensional photonic crystal.
  • the three-dimensional photonic crystal manufacturing method is not different from the two-dimensional photonic crystal manufacturing method.
  • a reliable and ver ⁇ technically simple and therefore cost-effective production process is also created for three-dimensional photonic crystals.
  • Figure 10 shows a sectional view of a dreidi ⁇ -dimensional photonic crystal in which also the optional second method step S2 is executed, that is, a dielectric layer 40, for example in the form of an oxide or nitride layer, vorzugswei ⁇ se a layer of thermal oxide, was applied to the stakeu ⁇ len shame substrate structure, resulting in that the columnar structure which is at least partially made of metal or a metal alloy in a three-dimensional photonic crystal according to the invention, of the dielectric layer 40 is coated.
  • a dielectric layer 40 for example in the form of an oxide or nitride layer, vorzugswei ⁇ se a layer of thermal oxide
  • Structure definitions can also be easily and with high accuracy to bring targeted predefi ⁇ ned disturbances in the matrix structure of the photonic crystal, which in turn allows a targeted light control (filtering, shafting, Re- tion), in the photonic crystal.
  • the disturbances can be realized, for example, in the form of point defects, omitted individual elements, rows or areas, in the form of smaller or larger individual elements or else in the form of columns connected to walls.
  • some of such disorders are ge shows ⁇ in the fi gures ⁇ IIa to 11c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls, bei dem in einem Substrat (11) Poren (10, 10') erzeugt werden, diese mit zumindest einem von dem Substratmaterial verschiedenen Material gefüllt werden und abschliessend das Substratmaterial zumindest teilweise entfernt wird. Die Erfindung betrifft auch einen dreidimensionalen photonischen Kristall mit einer periodisch angeordneten säulenförmigen Struktur (31'), welche zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, wobei die Säulen (32') einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen. Dadurch sind kostengünstige dreidimensionale photonische Kristalle herstellbar, welche z.B. für IR-Gasspektrometer oder Luftgasanalysatoren einsetzbar sind.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls und dreidimensionaler photonischer Kristall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls und einen dreidimensionalen photonischen Kristall. Photonische Kristalle sind periodisch strukturierte die¬ lektrische Materialien, welche das optische Analogon von Halbleiterkristallen darstellen und so die Herstellung integrierter photonischer Schaltkreise ermöglichen. Photonische Kristalle können nach ihrer Dimensionalität klassifi- ziert werden. So unterscheidet man eindimensionale (1D), zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) photonische Kristalle je nach Anzahl der Raumrichtungen mit periodischem Brechungsindex . Während für ein- und zweidimensionale bereits Herstellungs¬ verfahren entwickelt wurden, mit welchen mit vertretbarem Arbeits- und Kostenaufwand qualitativ hochwertige photoni¬ sche Kristalle erzeugbar sind, hat sich im Bereich der drei¬ dimensionalen photonischen Kristalle aufgrund der äußerst aufwendigen und kostenintensiven bisher bekannten Herstellungsverfahren noch keine breit gefächerte kommerzielle Nut¬ zung ergeben.
Herkömmliche Photonische Kristalle bestehen aus strukturier- ten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren. Aus der DE 10 2006 025 100 ist ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls bekannt, der aus einem Material mit hohem Bre¬ chungsindex oder Metall besteht, bei dem eine Polymerstruk¬ tur mit vernetzten Luftporen bereitgestellt wird, ein homo- genes, isotropes dünnes Beschichtungsmaterial auf die Ober¬ fläche der Polymerstruktur aufgebracht wird, ein hochbre¬ chendes Material eingebracht wird, ein Zugang zum Polymer oder zu dem aufgebrachten Beschichtungsmaterial geögffnet wird und abschließend die aufgebrachte Schicht und die poly- mere Struktur entfernt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls anzugeben, mit dessen Hilfe sich qualitativ hochwertige insbesondere dreidi¬ mensionale photonische Kristalle mit vergleichsweise gerin¬ gem Arbeits- und Kostenaufwand zuverlässig und formgetreu auch aus unterschiedlichen Materialien herstellen lassen und darüber hinaus das erfindungsgemäße Verfahren zu nutzen, um dreidimensionale photonische Kristalle anzugeben, welche verbesserte optische Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines photonischen Kristalls, umfassend die folgenden Verfahrensschritte :
a) Erzeugen von Poren in einem Substrat, insbesondere einem Silizium-Substrat,
b) Füllen der Poren mit zumindest einem von dem Substratma¬ terial verschiedenen Material,
c) zumindest teilweises Entfernen des Substratmaterials.
Die Poren werden dabei vorteilhaft mit Hilfe eines an sich bekannten photoelektrochemischen Ätzverfahrens erzeugt, welches die Herstellung von Poren bis zu einer nahezu „beliebi¬ gen" Tiefe erlaubt. Dabei können beispielsweise Poren von einer Substrat- oder Wafer-Vorderseite bis auf die Rückseite mit gleichen geometrischen Strukturgrößen und großer Struk- turtreue, z.B. hinsichtlich Porendurchmesser und Abstände zu benachbarten Poren, erzeugt werden. Photoelektrochemische Ätzverfa ' hren erlauben die Erzeugung von Poren in lateral vorwiegend periodischer Anordnung mit Durchmessern im be- reich von wenigen Mikrometern über eine Länge (Tiefe) von mehreren Millimetern. Für das Füllen der Poren wird vorteilhaft ein Flüssig-Füll- Verfahren eingesetzt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Füllen von Poren mit beliebiger äußerer Form. Durch den dabei angewandten „Flüssig-Einpress-Prozess" können so- wohl leitfähige als auch nicht leitfähige Materialien mit extrem hohem Aspektverhältnis eingebracht werden.
Zum Entfernen des Substratmaterials wird vorteilhaft ein Ätzverfahren eingesetzt. Das Entfernen des Substratmaterials führt zur Entstehung einer frei stehenden säulenförmigen
Struktur, welche durch geeignete Materialwahl sowie Dimensi¬ onierung von Durchmessern und Abständen als photonischer Kristall genutzt werden kann. Werden Poren erzeugt, welche einen sich ändernden, insbesondere periodisch ändernden, Durchmesser aufweisen, was das eingesetzte photoelektrochemische Ätzverfahren zulässt, so entsteht letztendlich eine säulenförmige Struktur, bei wel¬ chem die einzelnen Säulen einen sich ändernden Säulendurch- messer aufweisen. Eine derartige Struktur kann bei geeigneter Materialwahl sowie Dimensionierung von Durchmessern und Abständen als dreidimensionaler photonischer Kristall genutzt werden. Ein weiterer Freiheitsgrad bei der Materialwahl und der damit verbundenen Beeinflussung der optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls lässt sich dadurch realisieren, dass nach dem Erzeugen der Poren und vor dem Füllen der Poren eine dielektrische Schicht auf die durch Erzeugen der Poren entstandene säulenartige Substrat¬ struktur aufgebracht wird.
Die optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls können auch dadurch gezielt beeinflusst werden, dass die Poren in vordefinierter Form mit mindestens zwei vom Substratmaterial verschiedenen Materialien gefüllt werden . Um eine Trägerschicht zu erhalten, welche die Säulenstruktur und damit den eigentlichen photonischen Kristall trägt, ist es möglich das Substratmaterial nur teilweise zu entfernen und auf diese Weise eine Substratschicht zu erhalten, welche als Trägerschicht dient. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, vor dem Entfernen des Substratmaterials eine Trä¬ gerschicht, z.B. aus einem Oxid wie Siliziumoxid, auf eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Poren stehende Ober- fläche des Substrats aufzubringen, welche nach dem dann auch möglichen vollständigen Entfernen des Substratmaterials als Träger für den photonischen Kristall dient. Selbstverständ¬ lich kann aber auch in diesem Fall dennoch eine Rest- Substratschicht erhalten bleiben, welche dann zusammen mit der zusätzlich aufgebrachten Trägerschicht als Träger des photonischen Kristalls dient.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch einen dreidimensionalen photonischen Kristall, mit einer periodisch angeordneten säulenförmigen Struktur, welche zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegie¬ rung besteht, wobei die Säulen einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen. Ein derartiger dreidimensionaler photoni- scher Kristall kann vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
Vorteilhaft sind die Säulen der säulenartigen Struktur dabei mit einer dielektrischen Schicht überzogen.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung haben die Säulen dabei ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von größer 100, weisen einen minimalen Säulendurchmesser von 0,5 μιη auf und/oder weisen einen Durchmesser der Säulen auf, welcher sich periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 ändert, das heißt die Säulen haben einen maximalen
Durchmesser, welcher mehr als dreimal so groß ist wird der minimale Durchmesser der Säulen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Säulen aus mindestens zwei Materialien bestehen, welche eine vordefinierte Struktur haben.
Als zweites Material für die Säulen können Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Kunststoffe und/oder Oxide, insbesondere thermische Oxide, und/oder Nitride verwendet wer¬ den .
Um eine gezielte Lichtsteuerung, z.B. hinsichtlich Filte- rung, Wellenleitung und/oder Reflektion, im Kristall zu erreichen, können die periodisch angeordneten säulenförmigen Strukturen auch vordefinierte Störungen, wie z.B. Punktdefekte, ausgelassene Einzelelemente oder Teilbereiche, ent¬ halten. Auch Störungen in Form von zu Wänden verbundenen Säulen sind denkbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche in folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
Fig. 2 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwi- schenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Erzeugen von Poren mit konstantem Durchmesser in einem Substrat, Fig. 3 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines zweidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren,
Fig. 4 eine schematische Schnitt-Darstellung des zweidimen- sionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials,
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung des zweidimensionalen photonischen Kristalls gemäß Figur 4,
Fig. 6 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Erzeugen von Poren mit sich periodisch veränderndem Durchmesser in einem Substrat,
Fig. 7 eine schematische Schnitt-Darstellung eines Zwi- schenproduktes bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dreidimensionalen photonischen Kristalls nach dem Füllen der Poren,
Fig. 8 eine schematische Schnitt-Darstellung des dreidimen- sionalen photonischen Kristalls nach dem Entfernen des Substratmaterials,
Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung des dreidimensionalen photonischen Kristalls gemäß Figur 8,
Fig. 10 eine schematische Schnitt-Darstellung eines dreidi¬ mensionalen photonischen Kristalls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und lla-c eine schematische Draufsicht auch einen er findungsgemäßen photonischen Kristall mit vordefi nierten Störungen.
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .
In Figur 1 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines photonischen Kristalls dargestellt. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt Sl Poren 10 in einem vorzugsweise aus Silizium bestehenden Substrat 11 erzeugt, was zu einem ersten Zwischenprodukt 12 in Form einer säulenartigen Substratstruktur führt, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Bevorzugt werden die Poren 10 dabei mit Hilfe eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens (Photo Assisted Electrochemical Etch) erzeugt. Pho¬ toelektrochemische Ätzverfahrens sind grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine detail¬ lierte Erläuterung verzichtet wird. Durch Einsatz eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens lassen sich Poren mit einem minimalen Durchmesser von bis zu 0,5 μιη und einer Tiefe (Länge) von einigen Milli¬ metern erzeugen. Es sind damit Poren erzeugbar, welche ein Verhältnis von Tiefe (Länge) zu Durchmesser aufweisen, welches größer als 100 ist. So können auch, wie in Figur 2 dargestellt, Poren 10 erzeugt werden, die von einer Vorderseite 13 des Substrats 11 bis zu einer Rückseite 14 des Substrats 11 durch¬ laufen. Die Poren 10 zeichnen sich dabei durch eine hohe Strukturtreue, z.B. hinsichtlich Durchmesser und Abstand zur Nachbarpore, aus. Insgesamt erlaubt die Verwendung eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens die Erzeugung von matrixartigen Strukturen mit sehr eng tolerierten Dimensionen und Porenabständen bei äußerst geringer Fehlerquote. In einem optionalen zweiten Verfahrensschritt S2 wird auf die säulenartige Substratstruktur eine die¬ lektrische Schicht, z.B. in Form einer Oxid- oder Nitrid-Schicht, vorzugsweise einer Schicht aus ther¬ mischem Oxid, aufgebracht (vgl. Figur 10) .
In einem dritten Verfahrensschritt S3 werden die Po¬ ren mit einem von dem Substratmaterial verschiedenen Füllmaterial 20 gefüllt, was zu einem zweiten Zwi¬ schenprodukt 12' führt, wie es in Figur 3 darge¬ stellt ist. Vorteilhaft werden die Poren 10 mit Hil¬ fe eines Flüssig-Füll-Verfahrens (Liquid Pore Fill) gefüllt. Bei diesem für andere Anwendungsgebiete grundsätzlich bekannten Verfahren, wird das vorgeheizte erste Zwischenprodukt 12, also das Substrat 11 mit den eingebrachten Poren 10, in ein Bad mit flüssigem Füllmaterial 20 getaucht. Durch Druckerhö¬ hung wird anschließend das Füllmaterial 20 in die Poren 10 gedrückt, wodurch die Poren 10 nahezu unab¬ hängig von Volumen und Form sicher und mit hoher Güte mit Füllmaterial gefüllt werden. So können sogar Poren zuverlässig gefüllt werden, deren Durchmesser sich periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 verändert, was für die nachfolgend noch näher beschrie¬ bene Herstellung von dreidimensionalen photonischen Kristallen von großer Bedeutung ist. Abschließend wird das Substrat 11 im Rahmen des Flüssig-Füll- Verfahrens wieder aus dem Bad genommen und abge¬ kühlt .
Als Füllmaterial können beispielsweise Metalle, Me¬ talllegierungen, transparente oder intransparente Kunststoffe, Oxide, insbesondere thermische Oxide, oder auch Nitrite verwendet werden. Auch das Füllen mit mehr als einem Füllmaterial in vordefinierter Form oder Struktur ist möglich. Letztendlich ent- scheiden die gewünschten optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls über das/die konkret verwendete (n) Füllmaterial (ein) und ggf. die konkrete Struktur der Füllung.
In einem optionalen vierten Verfahrensschritt S4
wird eine Trägerschicht 30 (vgl. Figur 4) auf eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Poren 10 stehenden Oberfläche des Substrats 11, im dargestellten Beispiel auf die Rückseite 14 des Substrats 11, auf¬ gebracht, wobei die Trägerschicht 30 als Träger für den photonischen Kristall dient.
In einem fünften Verfahrensschritt S5 wird das Substrat- material zumindest teilweise, z.B. mit Hilfe eines Ätz¬ verfahrens, entfernt und damit eine periodische säulen¬ förmige Struktur 31, welche ein Vielzahl von einzelnen (Füllmaterial-) Säulen 32 umfasst und welche den photonischen Kristall darstellt, fertig gestellt (vgl. Figur 5) . Wurde auf die Substratstruktur, wie in Figur 5 dargestellt, eine Trägerschicht 30 aufgebracht, so kann das Substratmaterial auch vollständig entfernt werden. An¬ dernfalls kann eine dünne (Rest- ) Substratschicht als Träger für den photonischen Kristall dienen. Der Umfang des Entfernens des Substratmaterials wird aber auch in
Abhängigkeit von den konkret gewünschten optischen Eigenschaften des herzustellenden photonischen Kristalls festgelegt . Werden, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, Po¬ ren 10 mit gleichbleibendem Durchmesser erzeugt, so kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zweidimensionaler photonischer Kristall, wie er in perspektivischer Ansicht in Figur 5 dargestellt ist, hergestellt werden. Es können aber alternativ dazu auch Poren 10' mit sich änderndem, vorzugsweise sich periodisch änderndem Durchmesser erzeugt werden (vgl. Figur 6) . Dies wird durch geeignete Steuerung des Arbeitspunktes (Strom, Spannung, Licht) des pho¬ toelektrochemischen Ätzverfahrens erreicht. Nach dem Füllen der Poren mit Füllmaterial (vgl. Figur 7) und zumindest teilweisem Entfernen des Substratmaterials ergibt sich in diesem Fall eine periodische säulen¬ förmige Struktur 31', wie sie in Schnittdarstellung in Figur 8 und in perspektivischer Ansicht in Figur 9 dargestellt ist. Diese Struktur 31' umfasst ein Vielzahl von einzelnen (Füllmaterial-) Säulen 32', welche einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen und welche einen dreidimensionalen photonischen Kristall darstellen. Mit Ausnahme des Erzeu- gens von Poren 10' mit variablem Durchmesser unterscheidet sich das Herstellungsverfahren für dreidimensionale photonische Kristalle aber nicht von dem Herstellungsverfahren zweidimensionaler photonischer Kristalle. Es wird somit ein zuverlässiges und ver¬ fahrenstechnisch einfaches und damit kostengünstiges Herstellungsverfahren auch für dreidimensionale photonische Kristalle geschaffen.
Figur 10 zeigt eine Schnittdarstellung eines dreidi¬ mensionalen photonischen Kristalls, bei welchem auch der optionale zweite Verfahrensschritt S2 ausgeführt wurde, das heißt eine dielektrische Schicht 40, z.B. in Form einer Oxid- oder Nitrid-Schicht, vorzugswei¬ se einer Schicht aus thermischem Oxid, auf die säu¬ lenartige Substratstruktur aufgebracht wurde, was dazu führt, dass die säulenförmige Struktur, welche bei einem erfindungsgemäßen dreidimensionalen photonischen Kristall zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung besteht, von der dielektrischen Schicht 40 überzogen ist. Da bei Verwendung des photoelektrochemischen Ätzverfahrens der jeweilige Startpunkt der Poren 10 li- tographisch festgelegt wird, ist eine besonders gute laterale Positionierung der Poren 10 und damit auch der später entstehenden Säulen möglich, welche während der Prozessierung auch nicht verändert, insbe¬ sondere nicht verschlechtert wird. Durch diese
Strukturdefinitionen lassen sich auch auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit gezielte vordefi¬ nierte Störungen in die Matrixstruktur des photonischen Kristalls einbringen, was wiederum eine gezielte Lichtsteuerung (Filterung, Wellenleitung, Re- flektion) in dem photonischen Kristall erlaubt. Die Störungen können dabei z.B. in Form von Punktdefekten, ausgelassenen Einzelelementen, Reihen oder Flächen, in Form von kleineren oder größeren Einzelelementen oder auch in Form von zu Wänden verbundenen Säulen realisiert sein. Beispielhaft sind in den Fi¬ guren IIa bis 11c einige derartige Störungen ge¬ zeigt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristalls, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
a) Erzeugen von Poren (10, 10') in einem Substrat (11), ins¬ besondere einem Silizium-Substrat,
b) Füllen der Poren (10, 10') mit zumindest einem von dem Substratmaterial verschiedenen Material,
c) zumindest teilweises Entfernen des Substratmaterials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (10, 10') mit Hilfe eines photoelektrochemi¬ schen Ätzverfahrens erzeugt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (10, 10') mit Hilfe eines Flüssig-Füll-Verfahrens gefüllt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial mit Hilfe eines Ätzverfahrens entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Poren (10') erzeugt werden, welche einen sich ändernden, insbesondere periodisch ändernden, Durchmesser aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der Poren (10, 10') und vor dem Füllen der Poren (10, 10') eine die¬ lektrische Schicht (40) auf eine durch Erzeugen der Poren (10, 10') entstandene säulenartige Substratstruktur aufge¬ bracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (10, 10') in vordefi¬ nierter Form mit mindestens zwei vom Substratmaterial ver¬ schiedenen Materialien gefüllt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Entfernen des Substrat¬ materials eine Trägerschicht (30) auf eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Poren (10, 10') stehende Oberfläche (14) des Substrats aufgebracht wird, wobei die Trägerschicht (30) als Träger für den photonischen Kristall dient.
9. Dreidimensionaler photonischer Kristall mit
einer periodisch angeordneten säulenförmigen Struktur (31'), welche zumindest teilweise aus Metall oder einer Metallle- gierung besteht, wobei die Säulen (32') einen in Längsrichtung sich verändernden, insbesondere periodisch verändernden, Durchmesser aufweisen.
10. Dreidimensionaler photonischer Kristall nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (32') mit einer die¬ lektrischen Schicht (40) überzogen sind.
11. Dreidimensionaler photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (32') ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von größer 100 haben.
12. Dreidimensionaler photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Säulendurchmesser 0,5 mm ist.
13. 3D-Photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Säulen (32') periodisch in einem Verhältnis größer 1:3 ändert.
14. Dreidimensionaler photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (32') aus mindestens zwei Materialien bestehen, welche eine vordefinierte Struk- tur haben, wobei als zweites Material insbesondere Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Kunststoffe und/oder Oxide, insbesondere thermische Oxide, und/oder Nitride die¬ nen .
15. Dreidimensionaler photonischer Kristall nach einem der Ansprüche 9 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die periodisch angeordnete säu¬ lenförmigen Struktur (31') vordefinierte Störungen enthält.
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