Fehllicht in LIGA-Mikrospektrometern [online]

Kurzfassung

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
... mehrÄnderungen 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.

Abstract
"Misguided Light in LIGA-Mikrospectrometers"

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.