Ziel der Entwicklung
Eine besonders präzise Wegmessung kann mit optischen Verfahren bewerkstelligt werden. Eine elegante Möglichkeit der Wegmessung gelingt zum Beispiel über die Messung der ortsabhängigen Intensität einer stehenden Welle (Stehende-Wellen-Interferometer). Hierbei wird ein Laserstrahl auf einen am beweglichen Objekt angebrachten Spiegel gelenkt und das reflektierte Licht interferiert mit dem einfallenden Laserlicht. Die Interferenzminima und -maxima verschieben sich im Raum in Abhängigkeit der Position des Messobjekts. Zur Detektion des räumlichen Intensitätsverlaufs wird ein transparenter Detektor mit minimaler Reflektion benötigt. Weiterhin sollte die Dicke des Detektors beziehungsweise der absorbierenden Schicht für eine optimale Performance ein ungeradzahliges Vielfaches vom Viertel der Laserwellenlänge betragen. Im Falle eines Helium-Neon-Lasers sollte die absorbierende Schicht daher ein ungeradzahliges Vielfaches von 42 nm sein. Die zu entwickelnde Technologie soll für die industrielle Anwendung des Prozesses ausgelegt werden. Ein weiteres Entwicklungsziel war, zwei transparente Detektoren übereinander zu fertigen. Mit einem solchen Detektor lässt sich, neben dem Abstand, sehr einfach die Bewegungsrichtung bestimmen. Der Abstand der vertikal angeordneten Detektoren muss dabei im Bereich weniger zehn Nanometer genau eingestellt werden können. Dies lässt sich, bei Verwendung zweier separater Detektoren, mit herkömmlichen Aufbau- und Verbindungstechniken nicht realisieren. Daher wurde im Projekt eine Lösung auf Waferlevel favorisiert.
Vorteile und Lösungen
Es wurden zwei Detektorkonzepte konzipiert, optisch simuliert, gefertigt und charakterisiert.
Konzept I: Detektor auf Basis eines silicon on insulator (SOI) Substrats. Bei diesem Detektortyp wurde die Dicke der absorbierenden Siliziumschicht mittels thermischer Oxidation eingestellt. Um die Transparenz zu gewährleisten, wurde die Silizium-Trägerschicht des SOI-Materials an der optisch aktiven Stelle entfernt. Ergebnis ist eine optisch aktive Membranstruktur mit minimaler Reflektion. Aufgrund der Schichtspannungen kann die Membran sich verformen. Um optimale optische Eigenschaften zu erhalten, sollte die Verformung der Membran möglichst gering sein. Messungen zeigten, dass der gewählte Schichtstapel nach oben gewölbte Membranen hervorbringt. Der Höhenanstieg erfolgt dabei sehr schnell, gefolgt von einem ebenen Plateau. Diese Membranstruktur zeigte im Stehende-Wellen-Interferometer eine gute Performance. Außerdem konnten bei diesem Detektortyp alle elektrischen Zielparameter (Diodenverhalten und Grenzfrequenz) erreicht werden. Konzept II: Tandemdetektor auf Glassubstrat. Bei diesem Detektortyp werden schon im CMOS-Prozess zwei voneinander elektrisch getrennte lichtabsorbierende Schichten auf ein Glassubstrat aufgebracht. Dieser Schichtstapel wird so ausgelegt, dass die Transmission maximal und die Reflektion minimal werden. Die lichtabsorbierende Schicht wird von einer wenige Nanometer dicken polykristallinen Siliziumschicht gebildet. Hier wurden im Rahmen des Projektes geeignete Prozessparameter für die Abscheidung der Schicht gefunden, sowie die technologische Folge der Fertigungsschritte entwickelt. Die prinzipielle Funktionsweise dieser Detektoren konnte nachgewiesen werden, für die Erreichung der gewünschten elektrischen Performance ist jedoch weitere Forschung und Entwicklung nötig. Vorteil dieses Detektorkonzeptes ist die mechanische Stabilität des Aufbaus und die doppelte Diode in sehr gut definiertem Abstand. Die Prozessparameter und die Eigenschaften der polykristallinen Siliziumschicht sind für eine gute Detektorperformance noch weiter zu verbessern.
Zielgruppe und Zielmarkt
Eine naheliegende und wirtschaftlich sehr relevante Anwendung der Technologien ist die Realisierung eines Stehende-Wellen-Interferometers. Zum Einsatz kommen solche optischen Systeme zum Beispiel bei der hochgenauen Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung. Basierend auf den technologischen Grundlagen lassen sich innovative Sensorentwicklungen zur Bestimmung von Parametern wie beispielsweise Temperatur, Vibrationen oder Konzentrationsänderungen ableiten. Unter Einsatz von teiltransparenten Tandem-Fotodioden kann der Aufbau solcher Messysteme drastisch vereinfacht werden, was die Systemkosten signifikant reduzieren wird. Bisher zählen insbesondere Interferometer aufgrund der anspruchsvollen optischen Konfiguration eher zu den hochpreisigen Messsystemen.
