Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6885
Fehllicht in LIGA-Mikrospektrometern
A. Last, J. Mohr
Zusammenfassung
Koppelt man monochromatisches Licht in ein
Spektrometer ein, erwartet man für ein ideales Spektrometer in der
Spektralverteilung eine einzige Linie bei der eingekoppelten Wellenlänge.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen tritt jedoch auch an anderen Stellen Licht
auf, das als Fehllicht bezeichnet wird. Der Anteil des Fehllichts im gemessenen
Spektrum bestimmt die technische Einsetzbarkeit von Mikrospektrometern. Um den
kommerziellen Erfolg der LIGAMikrospektrometer in weiteren Anwendungsgebieten
zu gewährleisten, müssen die Systeme bezüglich ihrer optischen Eigenschaften
optimiert und der Fehllichtanteil reduziert werden.
Ziel dieser Arbeit war es, die Ursachen für Fehllicht
in LIGA-Mikrospektrometern zu identifizieren, zu bewerten und daraus
Ansatzpunkte für prozesstechnische Verbesserungen zu erarbeiten. Dazu war es
notwendig, neue Mess- und Auswertemethoden zu entwickeln, die der geringen
Größe und der Bauform der LIGA-Gitterspektrometer gerecht werden.
Aufgrund fotografischer Aufnahmen der Spektrometer
konnten Unzulänglichkeiten im Spektrometerlayout als eine Quelle des Fehllichts
ausgemacht werden. Dieser Anteil konnte durch Änderungen des
Spektrometerlayouts im Bereich der Lichteinkoppelbereichs und des
Lichtauskoppelspiegels deutlich reduziert werden.
Die Auswertung der gemessenen Spektren zeigte, dass
ein Großteil des Fehllichts nicht durch Reflexionen an rauen Oberflächen oder
durch Mehrfachreflexionen auf den Detektor gelangt, sondern durch
Unregelmäßigkeiten im Gitter verursacht wird. Um die Größe und Art der
Abweichungen der Gitterform von der Sollform zu bestimmen, wurden verschiedene
Methoden eingesetzt. Rasterelektronenmikroskopische und
rasterkraftmikroskopische Aufnahmen lieferten Aussagen über die Einhaltung der
Form der einzelnen Gitterzähne. Dabei wurde eine mit der Zahl der
Prozessschritte zunehmende Verrundung der einzelnen Gitterzähne festgestellt.
Eine leichte Zunahme der Oberflächenrauigkeit der Zahnflanken konnte ebenfalls
festgestellt werden. Beides führt jedoch nicht zu dem beobachteten Anstieg des
Fehllichtanteils. Zur präzisen Vermessung der Position einzelner Gitterzähne
wurde ein Elektronenstrahlschreiber mit seinem laserinterferometrisch
kontrollierten Probentisch als Rasterelektronenmikroskop genutzt. Dabei wurden
lokale Abweichungen von der Gittersollform von im Mittel 23 nm bis 32 nm
gemessen, die stark zum Fehllichtaufkommen beitragen. Verschiedene, eigens
angepasste fotografische Aufnahmenmethoden zeigten, dass sowohl die
LIGA-Seitenwände als auch die Gitterstrukturen nichtperiodische und periodische
Strukturabweichungen aufweisen. Mit Hilfe einer fourieroptischen Auswertung
solcher Aufnahmen wurden die Periodenlängen dieser Störungen ermittelt. Die
ermittelten Periodenlängen von etwa 4,3 µm und 500 µm decken sich mit der
maximalen Trapezfeldgröße (einem Parameter im ersten Strukturierungsschritt) und
der Hauptablenkfeldgröße (die Länge, nach welcher der Probentisch bei der
Maskenstrukturierung verschoben wird) des Elektronenstrahlschreibers.
Zur Kompensation des Fehllichtanteils in gemessenen
Spektren wurde im Rahmen dieser Arbeit ein iterativer Algorithmus entwickelt,
der es erlaubt, den Fehllichtanteil rechnerisch weitgehend zu unterdrücken. Der
Algorithmus beruht darauf, dass sich durch Entfaltung der Spektren auf das
eingekoppelte Spektrum zurückschließen lässt.
Um den Fehllichtanteil der Mikrospektrometer weiter
zu senken, ist es notwendig, eine LIGA-Maskentechnik zu entwickeln, die es
erlaubt, die Goldabsorberstrukturen mit einer absoluten lateralen
Positionsgenauigkeit von besser 20 nm auf der Trägermembran zu platzieren.
Misguided Light in LIGA-Mikrospectrometers
Abstract
A
perfect spectrometer is expected to yield a single line only, which is
representative of the wavelength of incoming monochromatic light. Due to
production tolerances, however, light also appears at other points. This light
is referred to as misguided light. The proportion of misguided light in the
spectrum measured determines the technical applicability of microspectrometers.
To ensure commercial success of LIGA microspectrometers in further fields of
application, improved optical properties with a minimum of misguided light are
therefore essential.
The aims of
this dissertation were to identify the sources of misguided light in LIGA
microspectrometers and to implement improvements. To reach this objective, novel
measurement and analysis methods tailored to the small size and to the design
of the LIGA microspectrometers had to be developed.
On the basis
of photographies, deficiencies in the layout of the spectrometers were
identified as a source of misguided light. The corresponding proportion was
clearly reduced by changing the spectrometer layout in the area where the light
is coupled in respectively in the area of the mirror reflecting the light to
the detector.
Evaluation
of the spectra measured revealed that a vast fraction of the misguided light is
not passed to the detector by reflection at rough surfaces or multiple
reflection at side walls, but caused by irregularities of the grating.
Therefore, various methods were employed to determine the extent and
characteristics of grating deviations from the geometrical optimum. A scanning
electron microscope and atomic force microscope were used to determine the
characteristics of the individual teeth of the grating. It was found that
rounding of the teeth increased with each process step. In addition, an
increase of the surface roughness was observed. However, even these
imperfections could not account for all the misguided light. An electron beam
writer with a laser-interferometrically controlled table was used (in its
scanning electron microscope mode) to precisely measure the positions of the
individual grating teeth. Local deviations were found to range from 23 nm to 32
nm on the average. It is now known that such local deviations account for most
of the misguided light. Various photographic exposure techniques (each one
specifically adapted to the microspectrometer) showed periodic and erratic
structural deviations for both the LIGA side walls and the grating. A
fourieroptical analysis of these photographies yielded periods of 4.3 µm and
500 µm, which correspond to the maximum trapezoid field size (a parameter in
the first structuring step) and the size of the main field deflection of the
electron beam writer (the distance the table with the sample is moved stepwise
when structuring the mask), respectively.
To
compensate for misguided light in the measured spectra, an iterative algorithm
was developed, allowing for a suppression of the preponderating part of the
misguided light. Since the properties of the system are known, the algorithm
was based on calculations of the original spectrum by deconvolution of the
measured spectra.
Further
reduction of misguided light requires the development of a LIGA mask technique,
by means of which the absorbing gold structures are placed on the carrier
membrane with an absolute lateral positioning accuracy of < 20 nm.
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