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Fehllicht in LIGA-Mikrospektrometern [online]

Last, Arndt; Mohr, Jürgen

Abstract: 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 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. 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.


Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)
Publikationstyp Hochschulschrift
Jahr 2003
Sprache Englisch
Identifikator URN: urn:nbn:de:swb:90-AAA34020031
KITopen ID: 3402003
Erscheinungsvermerk Karlsruhe 2003. (Wissenschaftliche Berichte. FZKA. 6885.) Fak. f. Maschinenbau, Diss. v. 12.12.2002 von Arndt Last.
Abschlussart Dissertation
Fakultät Fakultät für Maschinenbau (MACH)
Institut Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)
Prüfungsdaten Diss. v. 12.12.2002
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