EP1935035A2

EP1935035A2 - Herstellung von selbstorganisierten nadelartigen nano-strukturen und ihre recht umfangreichen anwendungen

Info

Publication number: EP1935035A2
Application number: EP06794005A
Authority: EP
Inventors: Daniel Gaebler; Konrad Bach
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-06-25
Also published as: WO2007042521A2; WO2007042521A3; US20090261353A1; US8350209B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen mit einer Nanostruktur (2;4,4a) zur Verbesserung des optischen Verhaltens von Bauelementen und Geräten und/oder zur Verbesserung des Verhaltens von Sensoren durch Vergrößern des aktiven Oberflächenbereichs. Die Nanostruktur (2) wird mittels spezieller RIE-Ätzung hergestellt und kann in ihrer Materialzusammensetzung modifiziert werden und mit geeigneten Deckschichten versehen werden. Der Materialverbrauch der Basisschicht (3) kann durch Vorsehen einer Pufferschicht (406) reduziert werden. Viele Anwendungen werden erläutert.

Description

Selbstorganisierte nadelartige Nano-Strukturen in ihren Anwendungen

Gebiet der Erfindung(en).

Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von strukturierten Oberflächen und insbesondere die Erzeugung von nadelartigen Strukturen mit Nano-Dimensionen im Bereich beispielsweise unterhalb der Wellenlängen sichtbaren Lichts, wobei diese

Strukturen im weiteren als Nanostrukturen bezeichnet werden. Ihre Möglichkeiten und technischen Anwendungen stehen hier im Vordergrund.

Stand der Technik.

Viele elektronische, opto-elektronische, sensorische und mikromechanische Bauelemente weisen als Bestandteil Silizium in dotierter und/oder undotierter, kristalliner und/oder polykristalliner und/oder amorpher Form auf. Um die speziellen bauteilspezifischen Anforderungen zu erfüllen, muss daher Silizium in der Regel entsprechend bearbeitet werden, was häufig eine Strukturierung des Siliziums beinhaltet.

Zur Strukturierung von Silizium wird im Allgemeinen eine Maske aus Fotolack erzeugt, mit deren Hilfe der Abtrag durch ein Ätzverfahren gesteuert wird. Um kleine Strukturen mittels einer Lackmaske zu erzeugen, muss der Fotolack mit einer Belichtungsmaske, die entsprechend kleine Strukturen aufweist, belichtet werden. Im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, die für die Belichtung des Fotolacks verfügbar sind, ist dies nur mit erhöhtem Aufwand möglich. Häufig werden jedoch Strukturen mit Strukturelementen mit großem Aspektverhältnis benötigt, d.h. die Tiefe oder Höhe der Strukturelemente ist im Verhältnis zu ihrer lateralen Abmessung groß. Wenn z.B. auf einer Siliziumoberfläche Einsenkungen und damit auch Erhebungen mit Nanoabmessungen erforderlich sind mit einem Aspektverhältnis von 2, so muss ein lokaler Materialabtrag durchgeführt werden, der zu einer Vertiefung von beispielsweise 200 nm bei einer lateralen Abmessung von 100 nm führt. Bei einem Ätzprozess auf Grundlage einer Fotolackmaske muss diese daher ebenfalls mit einer vergleichbaren lateralen Abmessung hergestellt werden und muss ferner die erforderliche Ätzselektivität aufweisen, um auch das gewünschte Aspektverhältnis während des nachfolgenden Siliziumätzprozesses zu erreichen. Alternativ werden hoch auflösende Masken auch mit Hilfe eines Elektronenstrahles geschrieben (e-beam). Diese Lösungen sind zwar sehr vielseitig aber auch aufwändig und teuer. Daher gibt es immer wieder Anstrengungen, alternative Verfahren zu finden, die ebenfalls die Strukturierung im Nanometerbereich ermöglichen.

Bei vielen konventionellen Verfahren wird jedoch kein großes Aspektverhältnis der Nanostrukturen erreicht, insbesondere wenn auch eine niedrige Defektdichte gewünscht wird. Die Nanostruktur weist im Stand der Technik typischerweise nach der Herstellung eine erhöhte Kontaminationsdichte, also unerwünschte Verunreinigungen an der Oberfläche, und/oder eine erhöhte Anzahl an Kristallfehlern auf, wenn zu Beginn einkristallines Silizium mit geringer Kristallfehlerdichte vorlag. Daher sind diese bekannten Verfahren nur eingeschränkt oder mit schlechteren Ergebnissen im Hinblick auf das Gesamtleistungsverhalten des Bauteils einsetzbar. In einigen dieser konventionellen Verfahren wurden zur Mikrostrukturierung unter Ausnutzung der Selbstorganisation zur Erzeugung von strukturierten Siliziumoberflächen auch plasmagestützte Verfahren mit reaktiven Ionen, was auch als RIE-Verfahren bekannt ist, auf Basis von SF₆ (Schwefelhexafluorid) und Sauerstoff eingesetzt, wobei Metall partikel die Mikromaskierung und damit die Strukturbildung gewährleisteten. (WO 02/13279 A2, US 6091021 , US 6329296).

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Anwendung von Metallen im Plasma, was zu einer unerwünschten Kontamination des Siliziums führen kann. Die schädlichen Einflüsse geringster Metallspuren im Halbleiter-Herstellungsprozess, insbesondere bei integrierten Schaltungen sind bekannt. Zusätzlich zu dem Verschmutzungseffekt der RIE-Anlagen aufgrund der Metallbeimischung ist auch der Mehraufwand dieser Verfahren für einen Einsatz in Fertigungsverfahren, die eine hohe Ausbeute und geringe Verfahrenskosten erfordern, nachteilig zu bewerten.

Aufgrund der verfahrenstechnischen Schwierigkeiten bei der konventionellen Erzeugung von strukturierten Oberflächen und deren weiteren Bearbeitung ist damit auch eine Anwendung von Nanostrukturen in Bauelementen, etwa Sensoren, optoelektronischen Komponenten, und dergleichen in einer kostengünstigen und zuverlässigen Weise bislang wenig verbreitet. Überblick über die Erfindung

Den vorliegenden Erfindungen liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Bauelemente anzugeben, wobei Nanostrukturen zuverlässig und kostengünstig integrierbar bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit sind und zugleich zu einer Leistungsverbesserung der Bauelemente führen.

In einem Aspekt der Erfindung werden ein Verfahren zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente angegeben, wobei das Erzeugen geeigneter

Nanostrukturen auf einem Verfahren beruht, das im Detail auch in einer parallelen PCT Patentanmeldung mit heutigem Anmeldetag und dem Aktenzeichen PCTVE P2006/067248 beschrieben ist. Soweit hier in dieser Anmeldung Zweifel bestehen oder Ergänzungen gefragt sind, ist die genannte PCT heranzuziehen.

Erfindungsgemäß wird eine Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Photodioden, Fotozellen, und dergleichen als Bestandteil einer integrierten Schaltung oder auch als diskretes Bauelement, nicht oder nicht ausschließlich in konventioneller Weise mit λ/4-Schichten, sondern alternativ oder ergänzend durch mittels RIE-Ätzung erzeugten Nanostrukturen vorgenommen, die eine weitaus bessere Breitbandcharakteristik aufweisen.

Fotoempfindlichen Bauelementen in integrierten Schaltungen und als diskrete Bauelemente, etwa Fotozellen, dienen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie oder umgekehrt. Fotodioden z.B. sollen Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Für diese fotoempfindlichen Bauelemente ist eine hohe Sensitivität wünschenswert. Beispielsweise stellen Fotodioden in der Mikroelektronik einen integrierbaren Sensor dar, dessen Fläche möglichst klein sein soll bzw. der auch kleinste Lichtmengen detektieren soll. Andere Bauelemente wie Fotozellen sollen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. In allen Fällen ist es vorteilhaft, die Reflexionsverluste minimal zu gestalten. Prinzipiell erfolgt die Umwandlung der Photonen in Elektronen im Halbleitermaterial, etwa Silizium, selbst. Die Ladungsträger werden durch ein elektrisches Feld, welches durch einen pn-Übergang gebildet wird, abgesaugt. Damit dies geschieht, müssen die Photonen jedoch zuerst in den Halbleiter, etwa das Silizium, eindringen. Durch die großen Unterschiede der Impedanzen bzw. der

Brechungsindizes von Luft und dem Halbleitermaterial, etwa dem Silizium, wird jedoch eine Vielzahl von Photonen an der Grenzfläche reflektiert und gelangt nicht zum Ort der Umwandlung. Dadurch verringert sich die Sensitivität der Fotodiode bzw. die Effizienz der Fotozelle. Nun gibt es in einer integrierten Fotodiode keinen Luft/Halbleiter-Übergang, da Halbleiterbauelemente für gewöhnlich durch eine Passivierungsschicht geschützt werden. Es handelt sich häufig um eine Anordnung Luft/Siθ2/Si oder Luft/SisINU/Si, wenn Silizium-basierte Bauelemente betrachtet werden. Man hat ein Dreischichtsystem mit zwei Grenzflächen. Der Anteil des in den Halbleiter eindringenden Lichtes wird durch Reflexionen an diesen Grenzflächen und deren Interferenzen beeinflusst und hängt von Schichtdicke, dem Material und der Wellenlänge ab. Im günstigsten Fall (konstruktive Interferenz für die Transmission) kann nahezu alles Licht ausgenutzt werden, im ungünstigsten Fall (destruktive Interferenz) verliert man 30% ... 50%, abhängig von der Wellenlänge, nämlich genau soviel wie auch an der blanken Halbleiter/Luft-Grenzfläche reflektiert wird. Konventionell wird die Dicke und das Material der Zwischenschicht so ausgewählt, dass konstruktive Interferenz und damit eine maximale Entspiegelung eintritt, wie dies beispielsweise beschrieben ist in DE-A 103 93 435.

Es bleiben aber folgende Einschränkungen bzw. Nachteile bestehen:

1. Die Schichtdicken müssen eng toleriert sein.

2. Die Entspiegelung gelingt nur für eine bestimmte Wellenlänge befriedigend; man findet auch andere Wellenlängen, die andere Interferenzordnungen darstellen, für die gut entspiegelt wird, diese sind aber nicht frei wählbar.

3. Um die Reflexion in einem breiten Wellenlängenbereich auf nahe Null zu vermindern, versagt eine Entspiegelung durch einfache λ/4-Schichten. Es wären Materialien mit fein abgestuften Brechzahlen zwischen 1 (Luft) und der maximalen entsprechenden Brechzahl des Halbleiters, etwa Silizium, für den angestrebten Wellenlängenbereich notwendig. Beispielsweise ist der Brechungsindex von

Silizium stark wellenlängenabhängig, liegt für gewöhnlich jedoch über 3,5. Derartige Materialien zur Anpassung des Brechungsindex sind aber in der konventionellen Halbleitertechnologie nicht etabliert und somit zur Zeit nicht verfügbar. 4. Die aufgebrachten Schichten müssen im verwendeten Wellenlängenbereich eine sehr geringe Absorption aufweisen

In typischen Anwendungsgebieten für integrierte Fotodioden werden im Allgemeinen keine breitbandigen Lichtquellen eingesetzt, sondern bevorzugt Leucht- bzw. Laserdioden. Diese senden nur mit einer bestimmten Wellenlänge aus und auf diese könnte eine konventionelle λ/4-Antireflexionsschicht abgestimmt werden. Oft sollen aber solche integrierten Fotosensoren in der gleichen Bauform für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden und diese implizieren verschiedene Lichtwellenlängen. Ein Beispiel stellen die Aufnehmer- bzw. Pick Up-Systeme moderner CD/DVD- Kombilaufwerke dar. Diese haben ohne Umbau bei drei unterschiedlichen Wellenlängen (blau, rot, infrarot) optimal zu arbeiten, wobei sich diese Wellenlängen nicht mehr durch verschiedene Ordnungen konstruktiver Interferenzen darstellen lassen. Selbst bei optimaler Anpassung von λ/4-Schichten gelingt mit den gut etablierten Materialien Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid keine gewünschte hohe Transmission. Bei Silizium als Halbleitermaterial und Verwendung von Siliziumdioxid als Zwischenschicht bleibt mindestens ein Reflexionsanteil von 8%. Mit Nitrid ist dieser Anteil im sichtbaren zwar deutlich kleiner, aber für Wellenlängen unterhalb von 400 nm wird die Absorption signifikant und führt ihrerseits zu Lichtverlusten.

Die erste erfindungsgemäße Lösung (Anspruch 1 ) gibt ein fotoelektronisches Bauelement an, das ein optisch aktives Fenster zum Eintritt und/oder Austritt von Strahlung aufweist. Ferner ist eine an einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehene Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einem

Endbereich und einem Fußbereich in dem Bauelement ausgebildet, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist. Des weiteren ist ein Aspektverhältnis der Strukturelemente (Höhe der Strukturelemente bezogen auf die laterale Ausdehnung am Fußbereich) im Mittel größer als vier.

Die Erfindung (Anspruch 1 ) stellt damit eine mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten verbundene antireflektierende Oberfläche für integrierte optoelektronische Schaltkreise und auch diskrete fotoelektrische Bauelemente bereit, wobei außerdem die in Punkt 1 bis 4 genannten Nachteile behoben oder doch zumindest deutlich verringert werden.

Der umschriebenen Nanostruktur mit den "nadelartigen" Strukturen als die im wesentlichen "pyramidenförmigen" Strukturelemente, die einen "atomar spitzen" Endbereich und eine zum Fußbereich hin deutlich breiter werdende laterale

Ausdehnung aufweisen, gelingt eine graduelle Anpassung des Brechungsindex zwischen dem Fenstermaterial und dem umgebenden Medium. Da insbesondere die lateralen Abmessungen am Fußbereich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Bereichs ist, kann die "Materialmischung" für das Licht als eine "kontinuierliche" Mischung betrachtet werden, wobei vom reinen Fenstermaterial am Fuße der Strukturelemente mit zunehmender Höhe der Anteil des umgebenden Mediums, beispielsweise Luft, zunimmt, so dass der Brechungsindex für den interessierenden Wellenlängenbereich quasi-kontinuierlich abnimmt, so dass damit für das Licht im Wesentlichen keine Grenzfläche mit einem unstetigen Sprung des Brechungsindex mehr auftritt. Die Nanostruktur kann in einem Verfahren kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS Technologie für integrierte oder diskrete Bauelemente hergestellt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Nanostruktur kann alternativ oder ergänzend zu einer Antireflexionsbeschichtung angewendet werden. Es ist nicht aufwändiger als diese, weist jedoch eine, über einen weiten

Wellenlängenbereich wellenlängenunabhängige Entspiegelung guter Qualität auf. In einer Ausführungsform wird damit der gesamte für Silizium-Fotodioden interessante Wellenlängenbereich abgedeckt. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung durch die oben beschriebene Nanostruktur ist deren geringe Einfallswinkelabhängigkeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.

Wie nachfolgend noch eingehender erläutert, ist bei Anwendung der Nanostruktur in Fotodioden oder Fotozellen die Eigenschaft sehr vorteilhaft, dass die Nanostruktur, wenn sie aus einem Halbleitermaterial aufgebaut ist, etwa Silizium, ein hohes Maß an "Defektfreiheit" der genutzten Bereiche erreicht werden kann, d.h., bei der Erzeugung der Strukturelemente durch Plasmaätzung werden im wesentlichen keine zusätzlichen Kristalldefekte hervorgerufen. Damit finden die erzeugten Elektron-Loch-Paare keine zusätzlichen Rekombinationszentren vor und können weiterhin effizient durch das im pn-Übergang entstehende elektrische Feld abgesaugt werden, so dass keine empfindliche Verringerung der Sensitivität hervorgerufen wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das fotoelektronische Bauelement ferner eine Passivierungsschicht auf, die das optisch aktive Fenster frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Strukturelemente sich im Wesentlichen bis zu der Grenze erstrecken. Durch diese Maßnahme kann damit der wirksame Bereich der Nanostruktur lokal präzise definiert werden, wobei beispielsweise gut etablierte Maskierungsverfahren eingesetzt werden können. Die Ausbildung der Strukturelemente erfolgt dabei im Wesentlichen auch am Grenzgebiet zwischen der Passivierungsschicht und der Nanostruktur, was so zu verstehen ist, dass die Strukturelemente zumindest bis zu einem Abstand zu der Passivierungsschicht heran reichen, der der Hälfte der Dicke der Passivierungsschicht entspricht. Auch bei einer ausgeprägten Stufe, die durch die Passivierungsschicht hervorgerufen werden kann, wird dennoch eine hohe Flächenbedeckung des Fensters durch die Strukturelemente erreicht und damit die das hohe Maß an Entspiegelung beim Eintritt oder Austritt von Strahlung beibehalten.

In einer Ausführungsform sind die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut. Auf diese Weise kann die elektrische Funktion des Bauelements im Wesentlichen unbeeinflusst durch die Nanostruktur bleiben. Wie zuvor erwähnt wurde, kann beispielsweise die Wirkung der Ladungsträgersammlung beibehalten werden, wobei die Einkopplung der Strahlung deutlich verbessert ist. Femer kann die Nanostruktur auch direkt in dem betrachteten Halbleitermaterial hergestellt werden, wobei die Zusammensetzung und die Dotierung bereits zuvor 5 festgelegt werden können. Bei Bedarf kann die Nanostruktur auch in einer frühen Phase des Herstellungsprozesses gebildet werden, wobei nachträglich gewisse Eigenschaften des Halbleitermaterials, etwa Dotierung, Zusammensetzung, etc eingestellt werden. Dazu kann die Nanostruktur in einem geeigneten Material "konserviert" werden, etwa Siliziumdioxid, so dass Ausheizprozesse, Implantation, lo Einführung von anderen Atomsorten, beispielsweise Germanium in einen

Siliziumbasishalbleiter, etc mit einem hohen Maß an Kompatibilität zu konventionellen Prozessen durchgeführt werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Nanostruktur eine einkristalline i5 Basisschicht, auf der die Strukturelemente angeordnet sind. Eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente ist im Wesentlichen gleich zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht. Damit kann die Qualität des Halbleiterbasismaterials auch in den Strukturelementen bereit gestellt werden.

20 In einer Ausführungsform ist das Halbleitermaterial Silizium. In diesem Falle lässt sich ein effizienter selbstorganisierter Ätzprozess, wie er nachfolgend detailliert beschrieben ist, direkt in einem siliziumbasierten Bauelement anwenden. In anderen Fällen kann eine Siliziumschicht, kristallin oder polykristallin oder amorph aufgebracht werden und darin die Nanostruktur dann effizient durch Ätzung hergestellt werden. Auch in einem i5 Polysiliziumwafer ist das Genannte zu erreichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut. Dadurch kann eine elektrische Passivierung in Fällen erreicht werden, in denen eine Beeinflussung des elektrischen lo Verhaltens eines Bauelements nicht gewünscht ist, oder ein hohes Maß an

Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Vielzahl an Umgebungsmedien gewünscht ist. Beispielsweise kann das isolierende Material Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumnitrid sein.

s In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometem bis 1000 Nanometern, insbesondere auch darüber hinaus bis 1500 Nanometer. Mit diesen Abmessungen in der Höhenrichtung in Kombination mit den zuvor spezifizierten lateralen Abmessungen ergeben sich ausgezeichnete optische Entspiegelungs-Eigenschaften im sichtbaren Spektrum und auch im Infrarotbereich. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das fotoelektronische Bauelement ferner eine Einebnungsschicht in dem optisch aktiven Fenster auf, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.

Die Einebnungsschicht, die auch als eine Schutzschicht bezeichnet werden kann, füllt die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadeiförmigen Strukturelementen, beispielsweise Siliziumspitzen, auf, so dass die Strukturelemente stabilisiert werden. Zur weiteren Verarbeitung wird somit eine geschlossene Schicht ausgebildet. Aufgrund der so erzeugten glatten Oberfläche können mechanische Beanspruchungen bei geringer Gefahr einer Zerstörung der Nanostruktur abgefangen werden. Auf diese glatte Oberfläche kann sehr viel einfacher eine weitere Schicht aufgebracht und auch wieder entfernt werden.

Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in die

Funktionsweise der Nanostruktur ein. Die oberflächen-vergrößernde Funktion einer Nanostruktur wird durch eine dichte Schicht vollständig unterbunden. Eine poröse Schicht hingegen kann dafür genutzt werden, nur bestimmte Stoffe an die Oberfläche der Nanostruktur durchzulassen, was z.B. bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt. Für alle optischen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Eigenschaften der Reflexion und Transmission oder auch der Streuung sich nur geringfügig verschlechtern oder sogar verbessern. Dazu weist die Schicht vorzugsweise eine geringe Absorption auf. Reflexionsverluste bleiben minimal, wenn der Brechungsindex möglichst nahe an dem Brechungsindex des umgebenden Mediums, etwa Luft, liegt. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Brechungsindex des Materials der Einebnungsschicht 1 ,5 oder kleiner.

In einer weiteren Ausführungsform ist ferner eine zweite Nanostruktur an einer zweiten Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehen. Dies ist vorteilhaft in Anwendungen, wenn das optische Fenster nicht direkt in dem Basismaterial des

Bauelements hergestellt wird, oder wenn Vertiefungen in dem Basismaterial durch das Fenster abzudecken sind. Beispielsweise kann ein geeignetes Fenster auf einem separaten Substrat hergestellt werden und anschließend auf das Bauelement übertragen werden. Vorteilhafterweise sind die Nanostruktur und die zweite Nanostruktur in einer Schutzschicht eingebettet.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensorbauelement bereitgestellt. Das Sensorbauelement umfasst eine Sensoroberfläche, die durch eine Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen gebildet ist, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen. Die Spitze des Endbereichs weist eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr auf. Das Aspektverhältnis der Strukturelemente, (die Höhe der Strukturelemente zur lateralen Ausdehnung am 5 Fußbereich) ist im Mittel größer als 4.

Durch das Vorsehen der Nanostruktur wird die Oberfläche als Sensorfläche deutlich vergrößert, so dass eine höhere Ansprechempfindlichkeit erreicht wird. Ferner lässt sich bei flüchtigen Medien, etwa Gasen, die Verweildauer in der Nähe der lo Sensoroberfläche verlängern. Wenn ferner optische Verfahren zur Detektierung eingesetzt werden, lässt sich die Sensoroberfläche zumindest teilweise auch als ein optisches Fenster einsetzen, wobei die zuvor beschriebenen Vorteile zusätzlich zu dem verbesserten Sensorverhalten erreicht werden.

i5 Die Nanostruktur des Sensorbauelements ist in einer Ausführungsform aus einem isolierendem Material, etwa Siliziumdioxide oder dergleichen gebildet. In anderen Ausführungsformen weist das Sensorbauelement ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur auf. Auf diese Weise wird eine hohe mechanische Stabilität und auch ein Schutz vor Umgebungseinflüssen erreicht, 0 wobei die Porosität des Füllmaterials dennoch einen Kontakt der Oberfläche mit gewissen Substanzen ermöglicht.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Beschichtungsstrukturzur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten bereit gestellt. Die 5 optische Beschichtungsstruktur umfasst eine Basisschicht und eine auf der

Basisschicht aufgebrachte Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen. Die Strukturelemente weisen einen Endbereich und einen Fußbereich auf, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und o wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.

Die erfindungsgemäße Beschichtungsstruktur kann in einer Vielzahl von Bauelementen und Geräten eingesetzt werden, wobei sich das Absorptionsverhalten und/oder das 5 Emissionsverhalten deutlich verbessern lässt aufgrund der zuvor genannten

Eigenschaften der in der Beschichtungsstruktur ausgebildeten Nanostruktur. Die optische Beschichtungsstruktur kann separat hergestellt werden, beispielsweise auf Siliziumflächen und kann dann mit geeigneten Trägermaterialien in der eigentlichen Anwendung installiert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Beschichtungsstruktur sind auch in den Ansprüchen 19 bis 26 umschrieben.

In einer weiteren Ausführungsform weist die optische Beschichtungsstruktur eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen auf, so dass das Absorptionsverhalten und/oder Emissionsverhalten der Nanostruktur unabhängig von dem Basismaterial der Strukturelemente der Nanostruktur eingestellt werden können. In einer Ausführungsform dient die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe. Somit kann durch die verbesserte Emission von Wärmestrahlung, die durch die Nanostruktur und die Metallschicht erreicht wird, beispielsweise die Kühlwirkung von Bauelementen deutlich verbessert werden, wodurch insgesamt geringe Bauvolumina ermöglicht werden.

In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Gerät mit einer Auskleidung als breitbandigem optischen Absorber bereit gestellt, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur der zuvor beschriebenen Art umfasst.

In einem weiteren Aspekt wird ein digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche bereit gestellt, die eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.

In einem weiteren Aspekt wird ein Gerät mit einer Einrichtung zur wellenlängenunabhängigen Umwandlung optischer Strahlung in Wärme bereit gestellt, wobei die Einrichtung zur Umwandlung optischer Strahlung in Wärme eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst,

In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster bereit gestellt, das eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst. In einer Ausführungsform ist das Austrittsfenster mit einer Leuchtdiode oder einem LASER gekoppelt ist.

In einem weiteren Aspekt wird eine Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte bereit gestellt, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur in der zuvor beschriebenen Art umfasst.

In den zuvor beschriebenen Aspekten wird die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Nanostruktur in unterschiedlichen Anwendungen vorteilhaft ausgenutzt, um das Leistungsverhalten vieler optischer Geräte zu verbessern. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein fotoelektronisches Bauelement mit einer im optisch aktiven Fensterbereich vorgesehenen reflexions- mindernden Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, kristalldefektarmen Siliziumnadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 bereit gestellt.

Auch in diesem Falle führen die Siliziumnadeln zu einem verbesserten Leistungsverhalten im Hinblick auf das Ein- und/oder Auskoppeln von Strahlung in einem weiten Wellenlängenbereich, wobei die geringe Menge an Kristalldefekten das elektronische Verhalten nicht nennenswert negativ beeinflusst. Mit einer Höhe von 400 nm lässt sich beispielsweise eine ausgezeichnete Entspiegelung für sichtbares Licht erreichen, wobei die Effizienz mit einer Vergrößerung der Höhe der Siliziumnadeln sogar noch gesteigert werden kann.

Vorteilhaft weisen die Siliziumnadeln eine Spitze auf, deren laterale Ausdehnung weniger als 10 nm beträgt. Die Spitze der Siliziumnadeln kann damit als "atomar spitz" bezeichnet werden. In Verbindung mit diesen geringen Abmessungen der Endbereiche der Siliziumnadeln kann der Fußbereich der Siliziumnadeln eine laterale Ausdehnung von 50 nm oder mehr aufweisen, wodurch einerseits eine vorteilhafte

"pyramidenähnliche Form" der Nadeln erzeugt wird und andererseits die lateralen Abmessungen am Fuße der Nadeln dennoch unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes bleiben. Die pyramidenähnlichen Nadeln stehen nicht zu dicht. Der Zwischenraum ist zumindest 50 nm breit. Auf diese Weise wird eine quasi- kontinuierliche Materialverteilung für den interessierenden Wellenlängenbereich erzeugt, so dass eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex entlang der Höhenrichtung der Siliziumnadeln erreicht wird. Damit findet für Strahlung: irrrsichtbaren Bereich und für Infrarotstrahlung, welche die Nanostruktur in der Höhenrichtung durchläuft, eine stetige Änderung des Brechungsindex statt, ohne dass wesentliche unstetige Grenzflächen angetroffen werden, die zu einer hohen Reflexion führen würden.

In einer Ausführungsform hat das fotoelektronische Bauelement eine Passivierungsschicht, die den aktiven Fensterbereich frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Siliziumnadeln bis zu einem Abstand zu der Grenze ausgebildet sind, der kleiner ist als die halbe Dicke der Passivierungsschicht.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Fenster bereitgestellt, das Silizium aufweist und eine breitbandige Transparenz im IR-Bereich besitzt, wobei beide Oberflächen des Fensters nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen (Anspruch 39).

Wie auch bereits zuvor im Zusammenhang mit der optischen Beschichtungsstruktur beschrieben ist, können die optischen Eigenschaften von Geräten und Bauelementen verbessert werden, die einen Strahlungsaustausch mit Infrarotstrahlung erfordern. Dabei sind sowohl Eintrittsfläche als auch Austrittsfläche des Fensters mit einer Nanostruktur versehen, die somit an zumindest einer, bevorzugt beiden Seiten zu einer quasi-kontinuierlichen Änderung des Brechungsindex in Ausbreitungsrichtung der Strahlung führen und damit Reflexionsverluste deutlich reduzieren. Bevorzugt ist die Vorderseite.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) vor mechanischer Einwirkung geschützt. Damit kann das optische Fenster in der Endphase der Herstellung sowie während der weiteren Verarbeitung, beispielsweise bei der Montage in einem Gerät oder einem Bauelement, wirksam vor mechanischen oder auch anderen Umgebungseinflüssen geschützt werden. Beispielsweise kann das Schutzmaterial Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufweisen, wodurch sich eine gute Verarbeitung mit günstigen optischen Eigenschaften, etwa geringer Brechungsindex, geringe Absorption, ergeben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt, so das damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche verbleiben. Auf diese Weise lässt sich das optische Fenster in sehr flexibler Weise in vielen Anwendungssituationen einsetzen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anpassung des

Brechungsindex eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Nanostruktur im Oberflächenbereich des Fensters mittels eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Ätzung einer Siliziumbasisschicht, und das Einstellen eines Aspektverhältnisses von Strukturelementen der Nanostruktur, die in der Siliziumbasisschicht erzeugt werden, auf einen Wert von vier oder höher in Abhängigkeit eines Betriebswellenlängenbereichs des fotoelektrischen Bauelements. Durch die Anwendung eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Herstellung von Nanostrukturen, wie sie bereits auch zuvor beschrieben sind, wird ein hohes Maß an Kompatibilität zu vielen Fertigungsverfahren in der Halbleiterindustrie erreicht. Dabei kann durch Einstellung des Aspektverhältnisses durch geeignete Mittel, wie sie nachfolgend noch beschreiben werden, eine Anpassung der optischen Eigenschaften an die Anforderungen an das fotoelektronische Bauelement in effizienter Weise erreicht werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturelemente (im vorigen Sinn) während des Plasmaätzprozesses durch Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff (O2) und Schwefelhexafluorid (SF₆) ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen Prozessschritt erzeugt, wobei die Siliziumbasisschicht während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von im Wesentlichen 27°C, insbesondere auch im Umfangsbereich ± 5 Grad Celsius gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 bis 300 Watt gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken eingestellt werden und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumbasisschicht eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF₆ bei 50 bis 150 sccm und für O2 bei 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.

Mit dieser Ausführungsform können nadelartige Strukturelemente in der Nanostruktur (im vorigen Sinn) mit großem Aspektverhältnis und mit Nano-Dimensionen auf Siliziumoberflächen hergestellt werden, wobei der Aufwand für die Maskierung vermieden oder reduziert und ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf Kristallbaufehler und chemische Oberflächenverunreinigungen im Vergleich zu konventionellen Verfahren sowie ein hohes Maß an Kompatibilität mit weiteren Herstellungsprozessen erreicht wird. Dazu wird eine reaktive Plasmaatmosphäre mit höchstens zwei unterschiedlichen Gaskomponenten, d.h., mit Sauerstoff und einem reaktiven SFε-Gas zur Ätzung von Silizium durch Einstellen von Prozessparametern erzeugt, die eine selbstmaskierende Wirkung zur Erzeugung einer Nanostruktur entfalten. Der Ätzvorgang findet dabei ohne weitere Arbeitsgase statt und wird als ein einstufiger Prozess ausgeführt, d.h., nach Erzeugung der Plasmaatmosphäre wird die Siliziumoberfläche der Einwirkung des Ätzplasmas ausgesetzt, ohne dass noch weitere Verfahrensschritte stattfinden. Insbesondere werden keine weiteren Maßnahmen getroffen, um eine gezielte Mikromaskierung der Siliziumoberfläche zu erreichen. Ferner wird das Aspektverhältnis der in der Plasmaatmosphäre entstehenden nadelartigen Strukturen auf einen Wert von 4 oder größer durch Steuern der Prozesszeit eingestellt.

Somit kann erfindungsgemäß auf eine Maskierung der Si-Oberfläche, sei es durch Fotolack oder andere Stoffe wie Aluminium, Gold, Titan, Polymere, Wasser, oder etwaige Oberflächenverunreinigungen etc. verzichtet wird. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten nadelartigen Strukturen weisen eine für optische Anwendungszwecke im Bereich des sichtbaren Lichts und auch im Infrarotbereich geeignete Form auf, wobei die durch die selbstorganisierte Maskierung der Ätzung eine Form der nadelartigen Strukturen gebildet wird, welche zusätzlich zu dem Aspektverhältnis von größer 4 auch einen "pyramidenähnlichen" Abschnitt aufweist, wobei ein sehr spitz zulaufendes Nadelende entsteht, dagegen am Fuße der "nadelartigen Struktur" ein relative flach auslaufender Bereich erzeugt wird.

Insgesamt konnte für die entstehende Nanostruktur bei einer mittleren Länge oder Höhe der Strukturen von etwa 400 nm bereits ein sehr günstiges Entspiegelungsverhalten im sichtbaren Bereich und auch bis 3000 nm oder mehr nachgewiesen werden. Ohne die Erfindung durch die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, deuten Untersuchungen der Erfinder darauf hin, dass die effiziente selbstorganisierte Maskierung (Selbstmaskierung) durch den Ätzprozess selbst und nicht durch bereits vorhandene oder speziell hinzugefügte Stoffe erreicht wird. Entsprechende Untersuchungen auf Grundlage der Augerelektronen- Spektroskopie (AES) und der Energiedispersion-Röntgenspektroskopie (EDX) zeigen an, dass die maskierende Wirkung durch SiO_x hervorgerufen wird, so dass eine hohe Abschirmwirkung durch das lokal gebildete Siliziumoxid erreicht wird. Dies führt insgesamt zu einem moderat geringen Siliziumverbrauch während der Erzeugung der nadelartigen Strukturen bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis, so dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft und effizient in der Halbleiterfertigung mit einem hohen Maße an Prozesskompatibilität eingesetzt werden kann.

Es werden keine Defekte zur gezielten Maskenformation ausgenutzt. An die Stelle der gezielten Maskierung vor einem Ätzprozess tritt somit die zuvor beschriebene selbstorganisierte, durch die speziellen Prozessbedingungen hervorgerufene Maskierung während des Ätzprozesses. Durch die Kombination der Selbstmaskierung mit der Ätzung während des RIE-Prozesses wird somit die Erzeugung von selbstorganisierten Pyramidenstrukturen im Nanometerbereich durch das Plasma ermöglicht. Es ist dadurch möglich, eine glatte Siliziumoberfläche in eine statistisch gesehen regelmäßige, quasi geordnete Nadelstruktur im Nanometerbereich, d.h. mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, beispielsweise des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts umzuwandeln.

Ferner gelingt es durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem einzelnen Ätzschritt sowohl die Anzahl der Kontaminationsdefekte, die beispielsweise durch

Ätznebenprodukte üblicherweise verursacht werden, sowie Kristallschäden, die in konventionellen plasmagestützten Verfahren anzutreffen sind, deutlich zu reduzieren oder im Rahmen der Messgenauigkeit im wesentlichen zu vermeiden. So ließen sich weder mit RHEED, CV-Messungen, TEM oder PDS, derartige Defekte nachweisen. Auch eine einfache Photodiode, deren Oberfläche mit diesem Prozess bearbeitet wurde, wies keine Besonderheiten, die auf erhöhte Defektdichten hinweisen, auf. Somit kann die hergestellte Nanostruktur durch einen einzelnen Plasmaätzschritt in einer Qualität bereit gestellt werden, die keine weiteren Materialabtragungen erfordert.

Die mit dem Verfahren erzeugten Strukturen zeigen keine Randabschattung an hohen Kanten. Es ist damit beispielsweise möglich, wenige μm (Mikrometer) große Flächen zu strukturieren, auch wenn die Fläche durch eine 5μm hohe Struktur eingefasst wird.

Die Strukturierung des Siliziums erfolgt durch das Plasma im RIE-Prozess. Diese Strukturelemente werden durch den Ätzprozess stark vertieft, wodurch sich im Ergebnis die Strukturen im Nanometerbereich mit enormen Aspektverhältnissen ergeben.

Bei Verwendung des Arbeitsgases bestehend aus SFε und O2 ergeben sich die nadelartigen Strukturen mit geringer Defektrate, also geringer Kristallfehlerdichte und geringer Oberflächenkontamination, unabhängig von der kristallographischen

Orientierung der Siliziumbasisoberfläche, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität zur Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechende Herstellungsprozesse für Silizium enthaltende Bauelemente bereitgestellt wird.

In anderen Ausführungsformen wird eine andere Arbeitsgaskombination mit O₂ als Bestandteil verwendet. Beispielsweise können Kohlenstofffluoride (C_nF_m mit n beispielsweise 1 , 2 oder 4, und mit m beispielsweise 2, 4 oder 8) in Verbindung mit Sauerstoff als die zweite Gaskomponente eingesetzt werden. SFε oder die anderen zuvor genannten reaktiven Gase sind dabei jeweils neben Sauerstoff die zweite der beiden Gaskomponenten und in diesem Fall das eigentliche Ätzgas, wohingegen O2 die Ätzrate erhöht und die Selbstmaskierung (Passivierung) bewirkt. Auch stellt es eine große Selektivität zu SiO2 im Ätzverhalten her, so das eine effiziente Begrenzung der zu strukturierenden Siliziumoberfläche mittels einer entsprechenden Maskenschicht möglich ist. Die Temperatur der Siliziumbasisschicht und das Verhältnis der Arbeitsgase am Reaktionspunkt auf der Si-Oberfläche werden geeignet eingestellt. Somit kann eine effiziente Einstellung der weiteren Prozessparameter, etwa der spezifizierten Durchflussraten erfolgen, da die Temperatur, die typischerweise einen "sensiblen" Parameter repräsentiert, in sehr genauer Weise vorgegeben ist.

Auch der Prozessdruck und die Plasmaleistung werden geeignet aufeinander abgestimmt, um das gewünschte Aspektverhältnis bei gleichzeitig reduzierter Kontaminationsrate und geringer Kristallfehlerdichte zu erhalten.

Insbesondere wird unter Beibehaltung der Sauerstoffkomponente in der angegebenen Weise das Verhältnis der Arbeitsgase so eingestellt, dass Ätzabtrag und Selbstmaskierung sich die Waage halten. Dadurch wird sowohl die Strukturierung im umschriebenen Sinn, als auch "Defektfreiheit" erreicht.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die absoluten Parameterwerte effizient dem Anteil der offenen Siliziumoberfläche angepasst werden. Wenn die Si-Oberfläche zu einem hohen Flächenanteil von einer Maskenschicht, beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, bedeckt ist, kann dies durch eine Erhöhung des reaktiven Gasanteils, beispielsweise des SF₆ Anteils, ausgeglichen werden, insbesondere auch bei einer Erhöhung des SF₆ Anteils, gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoffanteils und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdruckes.

Es ist durch den zuvor beschriebenen Prozess möglich, in kurzer Zeit mit Hilfe einer einfachen RIE-Anlage mit Parallel-Plattenreaktor Nanometerstrukturen mit hohen, veränderbaren Aspektverhältnissen herzustellen. Dies ist großflächig sowie mit gezielter Anpassung der Prozessparameter auch in kleinsten Bereichen möglich, so dass einzelne Bauelemente, etwa Sensorbereiche, optische aktive Bereiche von optoelektronischen Bauelementen, und dergleichen gezielt mit einer entsprechenden Nanostruktur versehen werden können, ohne dass andere Bauteilgebiete nachteilig beeinflusst werden. Nicht zu strukturierende Bereiche können einfach, z.B. durch eine Oxidmaske, geschützt werden. Ferner kann aufgrund der geringen Kontaminationsrate und der geringen Kristallfehlerdichte eine unmittelbare Weiterverarbeitung nach der Herstellung der Nanostruktur erfolgen, ohne dass aufwendige Vorbereitungs- und/oder Nachbearbeitungsprozesse erforderlich sind.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Schutzschicht für die Nanostruktur mit einer im wesentlichen planen Oberfläche gebildet. Dazu können geeignete Abscheideverfahren angewendet werden, die an sich eine äußerst nicht-konforme Materialabscheidung ermöglichen, etwa das Aufschleudern von Materialien mit geringer Viskosität. Andere Verfahren beinhalten das Aufbringen eines geeigneten Materials mit eine passenden Abscheidetechnik mit anschließender Einebnung unter Abtragung überschüssigen Materials durch CMP (chemisch mechanisches Polieren).

In einer weiteren Ausführungsform wird in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Nanostruktur angepasstes Spin-On-Glas (SOG) aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert (ausgeheizt), bis die plane Oberfläche ausgebildet ist (Anspruch 53). Somit können effiziente nichtkonforme Abscheideverfahren zum Aufbringen von Material mit geringer Viskosität angewendet werden, wobei die anschließende Aushärtung schichtweise stattfindet, so das die gewünschte endgültige Dicke des ausgehärteten Materials in präziser Weise eingestellt werden kann. Z.B. können SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufgebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform (Anspruch 48 oder Anspruch 65) wird eine zusätzliche Schicht vor dem Plasmaätzprozess aufgetragen, die als Pufferschicht ein gegenüber der Siliziumbasisschicht bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich eine selbstorganisierte Struktur mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis ausbildet, die im Verlauf des Prozesses verringert wird.

Damit wird zu einer Verringerung des Siliziumverbrauchs bei der Erzeugung von selbstorganisierten Nanostrukturen im Gebiet der Fensteröffnungen von integrierten Schaltkreisen mit optoelektronischen Komponenten und von diskreten optoelektronischen Bauelementen beigetragen. Besonders zu Beginn des Ätzprozesses erfolgt die Strukturbildung noch recht langsam, dennoch wird auch während dieser Zeit Silizium abgetragen. Erst danach beschleunigt sich das Ausbilden der Nadeln mit entsprechend großem Aspektverhältnis. Der Materialverlust in dieser ersten Ätzphase kann nachteilige Wirkungen haben, wenn es sich beispielsweise um dotierte Gebiete handelt, bei denen die Dotierung mit einem Gradienten von der Oberfläche aus abfällt. Für eine nur vernachlässigbar geringe Beeinflussung der Bauelementedaten sollte dieser Materialabtrag so gering wie möglich ausfallen. Durch Vorsehen der Pufferschicht kann somit zunächst ein Materialabtrag des Siliziums verhindert werden, wobei sich dennoch eine gewisse maskierende Nanostruktur in der Pufferschicht ausbilden kann, die zunehmend - unter Beibehaltung einer gewünschten Ungleichförmigkeit - dann auch zu einem lokal unterschiedlichen Ätzverhalten im Silizium führt, wobei der unerwünschte anfängliche Materialverlust im Silizium gering bleibt.

Beispielsweise wird der Ätzabtrag einer dotierten Oberflächenschicht des Gebietes im Fenster einer optisch aktiven Komponenten verringert und darüber hinaus kann das Aspektverhältnis einfach variiert werden. Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht definierter Dicke mit einem anderen Ätzverhalten als das des Siliziums, lässt sich der verlustig gehende Ätzabtrag verringern. Da die Strukturerzeugung im Ätzschritt auf dem Plasma beruht und damit eine physikalische Komponente des Ätzschrittes für die Erzeugung verantwortlich ist, wirkt diese auch in anderen Materialien wie z.B. SiO₂. Da die plasmagenerierten Strukturen im SiO2 nur eine sehr geringe Höhe aufweisen, entstehen in ihr keine Nanostrukturen mit großem Aspektverhältnis. Es gibt dort keinen Selbstmaskierungseffekt durch eine andere chemische Komponente. Somit wird die Oxidschicht annähernd gleichmäßig abgetragen, erhält aber auf der Oberfläche dennoch eine plasmagenerierte Nanostruktur sehr geringer Höhe. Die Ätzrate für SiO2 ist beim genannten RIE- Ätzprozess sehr viel geringer als die für Silizium. Kurz bevor die Siθ₂-Schicht vollständig abgetragen ist, kommt es durch diese löchrig gewordene Nanostruktur und die unterschiedliche Ätzrate zu einem schnellen oder sofortigen Ausbildung der großen Aspektverhältnisse im Silizium. Die Oxidschicht wird an den Stellen der geringsten Dicken zuerst abgetragen, dort setzt nun der Ätzprozess mit einer viel größeren Ätzrate an und bildet ein Loch im Silizium.

Bei Bedarf ist nach einiger Zeit die gesamte Oxidschicht abgetragen, es hat sich aber dann bereits eine Nanostruktur mit einem beachtlichen Aspektverhältnis im Silizium ausgebildet, wobei die Spitzen der Nanostrukturen noch nahezu auf dem Niveau der ehemaligen SiO2/Si-Grenzfläche liegen.

Die Prozesszeit des Ätzschrittes und die Dicke und Art der Pufferschicht können aneinander optimal angepasst werden. Der Ätzschritt kann genau so lange andauern bis die Pufferschicht vollständig entfernt wurde. Jedoch auch nicht länger, da ansonsten mehr als nötig vom Material abgetragen wird.

Durch die Art des Pufferschichtmaterials und durch die Dicke der Pufferschicht kann die selbstorganisierte Nanostruktur im Aspektverhältnis und in ihrer Lage im Abstand unterhalb der Ausgangsoberfläche beeinflusst werden, da die Strukturerzeugung durch das Plasma abhängig vom verwendeten Material ist und je nach Ätzrate die Pufferschicht mehr oder weniger lange als zusätzliche Ätzmaske dient. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Aspektverhältnis der Strukturelemente der Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt. Damit lassen sich die optischen Eigenschaften der Nanostruktur in sehr effizienter Weise durch einen sehr präzise einstellbaren Prozessparameter, d.h., die Schichtdicke der Pufferschicht, einstellen, so dass sich ein größeres Maß an Flexibilität bei der Auswahl der Ätzparameter erreichen lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Pufferschicht eine Siθ₂-Schicht, die in einer Ausführungsform eine Dicke von 20nm bis 100nm hat. In anderen Ausführungsformen können andere Materialien eingesetzt werden, die eine

Verzögerung des Materialabtrags in der eigentlichen Siliziumbasisschicht bewirken. Wenn z.B. ein hohes Maß an Kompatibilität der Pufferschicht und der Siliziumbasisschicht gewünscht ist, kann eine zusätzliche Siliziumschicht auf der Basisschicht aufgebracht werden und als Pufferschicht dienen. Auch andere Materialien, etwa SiN, können verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen, so dass die sich ergebenden Strukturelemente an ihrer Spitze Material der Pufferschicht aufweisen können, was zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit der Strukturelemente führen kann. In anderen Fällen wird die Pufferschicht im

Wesentlichen vollständig abgetragen, so dass Siliziumstrukturelemente übrig bleiben, deren Höhe im Wesentlichen der Anfangshöhe der Siliziumbasisschicht entspricht.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die nadeiförmigen Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis aufweist und

Bestandteil eines chemischen Sensors ist, bereit gestellt, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist.

Damit kann die Nanostruktur effizient auch in Sensoranwendungen eingesetzt werden, da einerseits eine hohe Schutzwirkung erreicht wird und andererseits der Kontakt mit Gasen weiterhin möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird. Auf diese Weise wird während der Endbearbeitung der Nanostruktur ein ausgeprägter Schutz erreicht, der somit ein hohes Maß an Flexibilität im Fertigungsprozess gewährleistet, wobei die nicht poröse Deckschicht ohne großen Aufwand vor der letzten Maskierung und damit Strukturierung entfernt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Nanostruktur mit den nadeiförmigen Strukturelementen sind in den Unteransprüchen 56 und 57 beschrieben.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Spin-On-Glas flüssigkeitsdurchlässig, so dass sich ein breites Feld an Anwendungen des Sensorelements ergibt.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, bereit gestellt. Das Verfahren umfasst das lokale Freilegen eines Bereichs der Oberfläche, Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-

Dimensionen mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der Lichtwellenlängen sichtbaren Lichts mittels eines reaktiven lonen-Ätzprozesses und das Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs, um sekundäre, ebenfalls nadelartige Strukturen zu erzeugen.

Durch die Modifizierung der nadeiförmigen Strukturen nach deren Herstellung auf der Grundlage von Silizium können effiziente selbstorganisierte Plasmaätzverfahren, wie sie beispielsweise zuvor beschreiben sind, eingesetzt werden, wobei dann gewünschte Materialeigenschaften der nadeiförmigen Strukturen dann durch den Modifizierungsprozess eingestellt werden. Damit können mittels eines Ätzrezepts dennoch eine Vielzahl unterschiedlicher Nanostrukturen hergestellt werden. In einer Variante können damit die nadelartigen Strukturen mit einer isolierenden Oberfläche versehen werden.

In einer Ausführungsform wird eine Siliziumschicht abgeschieden, um die Oberfläche bereit zu stellen. Auf diese Weise kann ein beliebiges Trägermaterial verwendet werden, ohne im Wesentlichen der eigentlichen Prozess der Strukturierung zu beeinflussen, wobei die gewünschten Materialeigenschaften dann noch weiter durch die Modifizierung angepasst werden können.

In einer Ausführungsform umfasst Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs ein thermisches Oxidieren. In einer weiteren Ausführungsform umfasst Modifizieren des Bereichs Nitrieren des Bereichs. In anderen Fällen können Dotiermittel und/oder andere Halbleitersorten aufgebracht werden, etwa Germanium und dergleichen.

In einer Ausführungsform wird das Silizium in den primären nadelartigen Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die primären nadelartigen Strukturen durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF₆ in einem einzigen Prozessschritt ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Silizium enthaltenden Oberfläche eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt. Somit können durch einen äußerst effizienten Ätzprozess die primären Strukturen gebildet werden, die dann aufgrund der Defektarmut und der geringen Oberflächenkontamination ohne großen Aufwand der gewünschten Modifizierung unterzogen werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden werden weiter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Figuren beschreiben, in denen:

Fig. 1a eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer RIE- geätzten Siliziumoberfläche im Schnitt in einem Bereich, der teilweise durch eine Oxidschicht abgedeckt ist,

Fig. 1 b eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind,

Fig. 1c eine elektronenmikroskopische Aufnahme in

Durchstrahlung mit hoher Auflösung von der Spitze einer Silizium-Nadel, Fig. 1d ist senkrecht ausgerichtet,

Fig. 2a eine konventionelle Fotodioden-Entspiegelung in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2b eine erfindungsgemäß entspiegelte Fotodiode in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2c ein Diagramm der Reflexionen an auf verschiedene Weise entspiegelten Siliziumoberflächen,

Fig. 2d die transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen Si- Spitze der RIE-behandelten Oberfläche,

Fig. 2e das Diagramm der spektralen Empfindlichkeiten von gleich aufgebauten Dioden mit unterschiedlichen Passivierungsschichten,

Fig. 3a einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode ohne Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung,

Fig. 3b einen vertikalen Schnitt durch eine Fotodiode mit Schutzschicht auf der Nanostruktur in schematischer Darstellung, Fig. 3c ein Diagramm mit den Werten der Reflexion vor und nach dem Aufbringen der SOG-Schutzschicht auf eine Silizium-Nanostruktur,

Fig. 4a eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche ohne Pufferschicht mit erhöhtem Siliziumverbrauch,

Fig. 4b eine Schrittfolge der RIE-Ätzung der Si-Oberfläche mit Pufferschicht mit minimalem Si-Verbrauch,

Fig. 5 einen Ablauf einer Modifizierung einer Siliziumnanostruktur zu einer Siθ₂- Struktur gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt,

Fig. 6a Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten

Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen repräsentieren, wobei die Messergebnisse mittels einer Ulbrichtkugel gewonnen wurden und die Reflexionen der Oberflächen in alle Raumrichtungen beschreiben,

Fig. 6b die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail zeigt, wobei im sichtbaren Bereich sehr niedrige und wellenlängenunabhängige Reflexionswerte auftreten und wobei das Rauschen oberhalb von 800 nm auf den Detektorwechsel im Messgerät zurückzuführen ist,

Fig. 6c die direkte Absorptionsmessung durch die Photothermische

Deflektionsspektroskopie (PDS) einer modifizierten Siliziumoberfläche zeigt, wobei eine Amplitude von "1" 100% Absorption entspricht (0,9 eV = 1350 nm bis 2,2 eV = 560 nm) und

Fig. 7 die Transparenz einer Probe mit einseitig modifizierter Oberfläche zeigt, wobei die Theoriekurve die Absorption des Siliziums vernachlässigt. Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug zu den Figuren 1a bis 1c wird zunächst eine beispielhafte Nanostruktur und anschauliche Prozesse zu deren Herstellung angegeben. Ähnliche Prozesse und 5 Nanostrukturen können sodann auch in anderen Anwendungen, etwa fotoelektrischen Bauelementen, Sensorbauelementen, als optische Beschichtungsstrukturen in optischen Geräten, als optische Fenster und dergleichen Verwendung finden, wie dies auch bereits zuvor dargelegt ist und auch in nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben ist. Ferner können die Nanostrukturen, wie sie beispielsweise durch die lo folgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden, auch weiteren Behandlungen zum Aufbringen von Schutzschichten, der Modifizierung der Oberfläche und dergleichen unterzogen werden.

Fig. 1a zeigt ein Silizium enthaltendes Bauelement 1 mit einer Nanostruktur 2, die eine i5 einkristalline Siliziumbasisschicht 3 aufweist, auf der nadelartige Siliziumstrukturen 4, die in dieser Anmeldung alternativ (aber synonym) auch als Strukturelemente der Nanostruktur 2 bezeichnet werden, ausgebildet sind. In dieser Anmeldung sind nadelartige Siliziumstrukturen als "pyramidenähnliche Nadeln" oder Strukturelemente zu verstehen, die eine Spitze aufweisen mit lateralen Abmessungen von wenigen 20 Nanometern, wobei die Spitze nach unten hin in ihrer lateralen Abmessung deutlich zunimmt, so dass im unteren Bereich der Strukturen eine laterale Abmessung von einigen zehn Nanometern oder mehr erreicht wird, bei relativ seichtem Auslaufen (gegenüber der Steigung der vielen Seitenwände des Mittenbereichs).

25 Die Siliziumbasisschicht 3 ist in dieser Ausführungsform von einer Maskenschicht 5 begrenzt, die aus Siliziumdioxid, Silϊziumnitrid oder dergleichen aufgebaut sein kann, wobei die nadelartigen Siliziumstrukturen 4 bis zu einem Randbereich 5a der Maskenschicht 5 mit geringem Abstand zum Randbereich 5a ausgebildet sind. Dabei ist ein geringer Abstand als eine Strecke zu verstehen, die kleiner ist als die halbe

30 Dicke der Maskenschicht 5. In der gezeigten Ausführungsform ist die

Siliziumbasisschicht 3 ein Teil einer Siliziumscheibe mit 6 Zoll Durchmesser mit einer (IOO)-Oberflächenorientierung, die eine p-Dotierung aufweist, die einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm^*cm ergibt.

)5 Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, kann die Basisschicht 3 jedoch eine beliebige Kristallorientierung mit einer beliebigen Vordotierung aufweisen. In alternativen Beispielen kann die Basisschicht 3 im wesentlichen aus amorphem oder polykristallinem Silizium gebildet sein. Fig. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Nanostruktur 2, wobei der Einfallswinkel des sondierenden Elektronenstrahls einen Neigungswinkel von etwa 17° aufweist, um die Größenverhältnisse in der lateralen Richtung und in der Höhen- bzw. Dickenrichtung der pyramidenartigen Strukturen bzw. Strukturelemente 4 deutlicher zu zeigen. Wie aus den Fig. 1a und 1b zu erkennen ist, weisen die Siliziumstrukturen 4 eine Höhe auf, die im Mittel bei etwa 1000 nm liegt, so dass in einigen Ausführungsformen eine Höhe erreicht wird, die größer ist als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. In anderen Ausführungsformen beträgt die Höhe der Strukturelemente 400nm bis 1000 nm, in Sonderfällen auch bis 1500 nm.

Aufgrund des gekippten Elektronenstrahls von 17° ist die als Maß eingetragene Höhe in Fig. 2 von 603 nm auf die reale Höhe umzurechnen. Auch umgerechnet werden kann die Höhenerstreckung um bis zu 60 % für niedrigere pyramidenähnliche Nadeln, die ab etwa 400 nm ihre Wirkungen erreichen. Dies erfolgt durch Stauchung der Figur 2 in Höhenrichtung auf 40 % der dargestellten Höhe.

Aber auch pyramidenartige Strukturen 4 mit einer mittleren Höhe im Bereich von 400 nm zeigen in vielen Anwendungen ausgezeichnete optische Eigenschaften. So konnte beispielsweise für eine mittlere Höhe von 400 nm eine ausgezeichnete Entspiegelung im bislang gemessenen sichtbaren Wellenlängenbereich bis zu derzeit gemessenen 3000 nm beobachtet werden.

Wie aus Fig. 1a erkennbar ist, kann eine mittlere maximale Höhe der Siliziumstrukturen 4 auch bei im Wesentlichen etwa 1000 nm oder mehr liegen.

Andererseits zeigen die Figuren 1a und 1b, dass die laterale Abmessung der Siliziumstrukturen 4 in einem Fußbereich 4b typischerweise' bei weniger als 200 nm oder unter 100 nm liegt, so dass im Mittel ein Aspektverhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung von 4, oder sogar höher erreicht wird.

Die in Fig. 1a und 1b dargestellten Ergebnisse, die sich auf eine 6-ZoII(IOO) Si-Scheibe mit p-Dotierung, einen 10 Ohm*cm Widerstand und einen Flächenanteil der Oxidmaske, d.h., der Maskenschicht 5, von größer 90% (bis 93%) beziehen, wurden hergestellt in einem Einzelschritt-Plasamätzverfahren in einer Anlage des Typs STS320 mit folgenden Parametern: SFe-Gasfluss: IOO sccm

O2-Gasfluss: 20 sccm

Gasdruck: 70 mTorr

Temperatur der Si-Scheibe: 27 Grad Celsius Plasmaleistung: 10O W

Ätzzeit: 2 min

Sich selbst einstellender BIAS (d.h. Gleichspannungspotential zwischen der Plasmaatmosphäre und der zu ätzenden Oberfläche): variiert um 350 V (stellt sich selbst ein).

Die 6" (Zoll, inch) Scheibe lag in der Anlage RIE STS 320 auf einer 8" Scheibe auf und auch neben der 8" Scheibe kann das Plasma wirken.

Eine Leistungsdichte anzugeben ist nur in erster Näherung in einer Abschätzung möglich. Die Plasmaleistung kann im Bereich von 100 W bis 300 W eingestellt werden, was für eine 6 Zoll Scheibe einer Leistungsdichte von etwa 4 W/cm² bis 12 W/cm² entspricht.

In anderen Ausführungsformen wurden Gasflussraten von 50 bis 150 sccm für das reaktive Gas, also SF₆, C_nF_m oder HCI/BCU vorgesehen. Für Sauerstoff sind Gasdurchflussraten von 20 bis 200 sccm vorgesehen. Ferner wird in einigen Ausführungsformen die Temperatur des Substrats und damit der Basisschicht 3 auf 27 C ±5°C eingestellt.

In alternativen Beispielen wurden vergleichbare Ergebnisse für die nanostrukturierte Oberfläche erzielt. Ausgangsparameter und Prozessparameter werden unten angegeben.

Für einen Flächenanteil von 0,1 % Silizium und 99,9 % Oxidmaske, mit folgenden Parametern

150 sccm SF₆ 20 sccm O₂ 91 mTorr 27 ⁰C

100 Watt

Bias 28 V

4 Minuten Ätzzeit (Prozesszeit) Für 100 % Siliziumfläche, also eine blanke Siliziumscheibe 65 sccm SF₆ 23 sccm O2 50 mTorr 27 ⁰C 100 Watt 10 min bis 20 min Ätzzeit (Prozesszeit).

Für blanke Siliziumscheiben sind auch bis zu 20 min Prozesszeit sinnvoll. Dann wird mit dem Prozess eine extrem hochwertige Entspiegelung der mit den Nadeln nanostrukturierten Oberfläche erhalten.

Aus den obigen Angaben können entsprechende Parameterwerte für andere Ätzanlagen und andere Bedeckungsgrade der mit den pyramidenartigen Strukturen zu strukturierenden Siliziumbasisschicht 3 ermittelt werden. Beispielsweise kann ein geringerer Bedeckungsgrad der Siliziumbasisschicht durch eine niedrigere Gasflussrate des reaktiven Gases berücksichtigt werden.

In weiteren Beispielen, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind, können die absoluten Parameterwerte effizient dem Anteil der offenen (oder freien) Siliziumoberfläche angepasst werden. Wenn die Si-Oberfläche zu einem hohen Flächenanteil von einer Maskenschicht, beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, bedeckt ist, kann dies zumindest durch eine Erhöhung des reaktiven Gasanteils, beispielsweise des SF₆ Anteils, ausgeglichen werden, insbesondere auch bei einer Erhöhung des SF₆ Anteils, gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoffanteils und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdruckes.

Ist keine Maske gegeben, ist der reaktive Gasanteil niedrig, und vice versa.

Mit den obigen Einstellungen ergaben sich generell an den nicht durch die Maskenschicht 5 maskierten Bereichen die Si-Nadeln bzw. Strukturelemente 4 mit einer Höhe von bis zu ca. 1000 nm in statistischer Verteilung.

Als Maskenschicht 5 eignen sich Siliziumoxide oder Siliziumnitride.

Bearbeitete Scheiben mit gleichartigen Strukturen (ohne Oxidmaske) werden völlig schwarz und zeigten eine Reflexion von unter 0,4% für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000 nm bei gleichzeitig hervorragender Homogenität dieser Eigenschaft über den gesamten Wafer (Scheibe). Insbesondere auch in einem in beiden Richtungen sich darüber hinaus erstreckenden Wellenlängenbereich zwischen 180 nm bis 3000 nm Wellenlänge ergaben die Untersuchungen ein noch immer hervorragendes Entspiegelungsverhalten mit Reflexionen unter 2%. Die Reflexionen erfassten hier (praktisch nur) die Reflexionen in alle Raumwinkel.

Ferner sind die durch den plasmagestützten einstufigen Strukturierungsvorgang hervorgerufenen Kristallschäden sowie die Kontamination sehr gering und sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen unterhalb der Nachweisgrenze. Es konnten keine Restsubstanzen nach dem Plasma-Strukturierungsprozess detektiert werden und die Kristallqualität der Siliziumstrukturen ist nahezu identisch zu der Kristallqualität der Siliziumbasisschicht vor dem Ätzprozess.

Fig. 1c zeigt eine Darstellung einer einzelnen Spitze 4a bzw. eines Endbereichs eines Strukturelements 4. Wie deutlich zu erkennen ist, sind die Nadeln an ihrem Endbereich 4a nahezu atomar spitz, d.h., die lateralen Abmessungen des Endbereichs 4a betragen nur wenige Nanometer und sind somit kleiner als 10 Nanometer. In der Darstellung der Fig. 1c ist ferner die Kristallrichtung senkrecht zur Oberfläche der Siliziumbasisschicht 3 eingetragen. Diese Richtung entspricht einer [100] Richtung, da für das gezeigte Ausführungsbeispiel die Oberflächenorientierung eine (100) Orientierung ist. Wie man erkennen kann, erstreckt sich der Endbereich im wesentlichen entlang der [100] Richtung mit nur einer geringen Abweichung von weniger als 10°, so dass die Strukturelemente nahezu senkrecht mit nur wenigen Graden Abweichung zur Oberfläche der Basisschicht 3 ausgerichtet sind. Ferner sind einzelne Netzebenen der einkristallinen Nadel deutlich zu erkennen, ohne dass durch die Ätzung hervorgerufene Kristallfehler erkennbar sind. In der gezeigten Konfiguration der Basisschicht entsprechen die in Erscheinung tretenden Netzebenen den (111 ) Ebenen.

Durch die nach dem Prozess stark zerklüftete Oberfläche der Basisschicht 3 erhöht sich deren Fläche erheblich, wodurch sich die Eigenschaften deutlich ändern. Die vergrößerte Oberfläche bietet eine viel größere Angriffsfläche für sich anlagernde Moleküle und kann damit die beispielsweise Empfindlichkeit von Sensoren erheblich steigern. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass Gase recht lange in der Nanostruktur 2 lokalisiert bleiben.

Im optischen Bereich sind die pyramidenartigen Strukturen 4 dahingehend interessant, dass sie in ihrer lateralen Größe kleiner als die Lichtwellenlänge (VIS/NIR) sind und durch ihre Nadelform, d.h., durch die geringe laterale Abmessung des Endbereichs 4a und die relativ große Abmessung am Fuße 4b der pyramidenartigen Struktur, und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Der Brechungsindex verändert sich graduell vorn Brechungsindex des Siliziums zu dem Brechungsindex des die Nanostruktur 2 umgebenden Mediums, beispielsweise Luft.

s Die Nanostruktur 2 ermöglicht damit eine Impedanzanpassung oder Anpassung des Brechungsindex, die zu einer hervorragenden breitbandigen Reflexionsunterdrückung führt. Weiterhin ist bekannt, dass starke Krümmungen, wie sie die Nadelspitzen 4a besitzen, besonders geeignet für Feldemission sind.

lo Es ergibt sich damit ein breites Feld für die Verwendung der Nanostruktur 4 in vielen Mikrobauelementen und auch in anderen Gebieten, wie Solarzellen, Sensoren und dergleichen, wie dies zuvor bereits beschrieben und nachfolgend noch weiter ausgeführt wird.

s Die Beispiele stellen damit Verfahren und Strukturen bereit, in denen Siliziumstrukturen mit großem und einstellbarem Aspektverhältnis auftreten, wobei aufgrund der (speziellen) Parametereinstellung in dem selbstmaskierenden Plasmaätzprozess in einem einzelnen Ätzschritt eine Kontamination und eine Ausbildung plasmabedingter Kristallfehler gering gehalten wird, so dass bei geringem Aufwand für den einstufigen o Strukturierungsprozess die sich ergebende Struktur unmittelbar weiter verwendet werden kann, ohne dass weitere Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind, wenn nadelartige Siliziumstrukturen in hoher einkristalliner Form erforderlich sind.

Des weiteren sind keine aufwändigen Oberflächenpräparationen oder zusätzliche 5 Maßnahmen zur Erzeugung einer Mikromaskierung erforderlich. Ein pre-conditioning, d.h., eine Vorbereitung der Oberfläche zum Erhalten der Nanostrukturen, kann entfallen:

Mit Hilfe eines RIE-Standardätzverfahrens für Silizium wird ohne jegliche zusätzliche Strukturierungsmaßnahme (e-beam, Interferenzlithographie, o. a.) durch

Selbstorganisation eine Vielzahl von nahezu kristallfehlerfreien, nadeiförmigen Strukturen mit großem Aspektverhältnis und mit Nanodimensionen auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe oder einer anderen Siliziumbasisschicht erzeugt, wodurch unter anderem eine breitbandige Entspiegelung erreichbar ist.

Mit Bezug zu den Figuren 2a bis 2f werden Anwendungen zur Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen durch selbstorganisierte Nanostrukturen und entsprechende Bauelemente beschreiben, wobei die zuvor beschriebenen Strukturen, beispielsweise auch die zuvor beschriebenen Verfahren angewendet werden können. Die Entspiegelung von fotoelektronischen Bauelementen, wie z.B. Photodioden als Bestandteil einer integrierten Schaltung oder auch als diskretes Bauelement, wird hier nicht in konventioneller Weise mit λ/4-Schichten, sondern durch mittels RIE-Ätzung erzeugten Nanostrukturen vorgenommen, die eine weitaus bessere Breitbandcharakteristik aufweisen.

Beispiele sind also fotoempfindliche Bauelemente in integrierten Schaltungen und diskrete Bauelemente, wie Fotozellen. Die mit konventionellen Mitteln erreichten Ergebnisse und die damit verbundenen Schwierigkeiten wurden bereits dargestellt.

Mit geringem Aufwand und damit geringen Kosten realisierbare Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Oberfläche für integrierte optoelektronische Schaltkreise sind möglich, kompatibel zu diskreten und integrierten Bauelementetechnologien, ohne die genannten Nachteile.

Die entsprechenden Verfahren sind unter anderem kompatibel zu einer Bipolar-, CMOS- oder BiCMOS Technologie für integrierte oder diskrete Bauelemente. Es kann alternativ oder ergänzend zu einer Antireflexionsbeschichtung angewendet werden. Es ist nicht aufwändiger als diese, weist jedoch eine wellenlängenunabhängige Entspiegelung guter Qualität über den gesamten für Silizium-Photodioden interessanten Wellenlängenbereich auf. Ein weiterer Vorteil der Entspiegelung ist deren geringe Einfallswinkelabhängikeit im Vergleich zu λ/4-Schichten oder regelmäßigen Strukturen.

Für Fotodioden besonders wichtig ist die Eigenschaft der in dem angegebenen Verfahren erreichten Defektfreiheit der genutzten Bereiche, da die erzeugten Elektron- Loch-Paare ansonsten rekombinieren und nicht durch das elektrische Feld abgesaugt werden können, was eine empfindliche Verringerung der Sensitivität darstellt.

Fig. 2a zeigt schematisch ein konventionelles fotoelektrisches Bauelement 200 mit einem Siliziumsubstrat 201 , einer n-Wanne 202 und entsprechenden Kontakten 205. Ferner ist ein optisches Fenster 203 vorgesehen, das mit einer Antireflexionsschicht 204 entspiegelt ist.

Fig. 2b zeigt das fotoelektrische Bauelement 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist im Bereich des optischen Fensters 203 eine Nanostruktur, etwa die Struktur 2, vorgesehen, um eine breitbandige Entspiegelung zu erreichen. Wie zuvor beschrieben besitzen die selbstorganiserten Nanostrukturen, etwa die Struktur 2, eine der Anwendung als Entspiegelungsschicht angemessene geometrische Form. Die lateralen Abstände sind kleiner als die Wellenlänge im Medium, damit keine Streuverluste auftreten. Die Nanostrukturen (Fig. 1a bis 1c) sind mit > 500 nm (bei etwa 1000 nm) ausreichend hoch. Ab 400 nm ist bereits eine sehr gute Entspiegelung zu beobachten, die sich mit steigender Höhe noch leicht verbessern lässt.

Die Reduzierung der Reflexion an einer derartigen Oberfläche kann mit einer Impedanzanpassung, d.h., einer Anpassung des Brechungsindex, zwischen den zwei Materialien erklärt werden. Die Strukturen erzeugen einen graduellen Impedanzübergang zwischen den Materialien. Dieser Übergang muss hinreichend breit (hier die Höhe der Strukturen) sein, um entsprechend zu wirken. Der graduelle Übergang funktioniert nach dem Prinzip des effektiven Mediums, wobei zwei Stoffe so miteinander gemischt werden, dass es für die Anwendung als ein Stoff mit gemischten Eigenschaften der beiden Ausgangsmaterialien erscheint. Da die Nanostrukturen Nadelform im oben definierten Sinne aufweisen, entsteht quasi ein kontinuierlicher Übergang von einem zum anderen Medium (hier von Luft zu Silizium). Aus der Elektrotechnik ist bekannt, vgl. Pozar, Microwave Engineering (Second Edition), John Wiley and Sons, New York 1998, dass zumindest an einem Ende des Überganges eine bestimmte nichtlineare Form besonders effektiv ist.

Die hier verwendeten Strukturen weisen solch eine Form auf. Sie sind sehr spitz, laufen aber sehr flach aus, was in einer zuerst geringen, am Ende aber sehr starken Impedanzänderung resultiert.

Fig. 2c zeigt entsprechende Reflexionskurven für verschiedene Bauelemente 200 mit und ohne die Nanostruktur 2.

Die gemessenen Reflexionsspektren bestätigen die drastische Reduzierung der Reflexionsverluste.

Fig. 2d zeigt das Ergebnis kristallografischer Untersuchungen, die zeigen, dass die Nanostrukturen 2 bei ihrer Herstellung einkristallin geblieben sind. In Fig. 2d sind entsprechende Netzebenen zu erkennen in einem oberen Abschnitt eines

Strukturelements, wie sie auch in Fig. 1c gezeigt ist. Es sind keine zusätzlichen Kristallfehler im Bezug auf die Basisschicht 3 zu erkennen, und die Nadel ist im Wesentlichen entlang der [100] Richtung ausgerichtet. Es entstehen also keine zusätzlichen Generations- und Rekombinationszentren. Damit ist die Gefahr von ungewollten Fotostromverlusten bzw. erhöhten Dunkelströmen ausreichend reduziert.

Fig. 2e zeigt spektrale Empfindlichkeits-Messungen an derart erfindungsgemäß entspiegelten Dioden, die die erhöhte Sensitivität in einem großen Wellenlängenbereich bestätigen. Insbesondere entfallen die starken, auf Interferenzen zurückzuführenden Oszillationen, die bei normaler Passivierung integrierter Fotodioden üblich sind.

Eine anschauliche Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Entspiegelung von Silizium-Fotodioden, das sich dadurch auszeichnet, dass im Oberflächenbereich des Diodenfensters kristallfehlerfreie, nadelartige Strukturen in Nanometerdimensionen mit einem Aspektverhältnis von 4 zu 1 und größer mittels eines reaktiven lonenätzprozesses (reactive ion etching) RIE unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SF₆, ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wobei die

Siliziumscheibe während des Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27°C ± 5 Grad Celsius gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100 bis 300 Watt gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse, das in Abhängigkeit von den geometrischen Anlagenparametern vorher empirisch festgestellt wurde, so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF₆: 50 bis 150 sccm und für O2 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Bauelement, beispielsweise das Bauelement 200, im optisch aktiven Fensterbereich eine reflexionsmindernde Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, defektarmen Silizium-Nadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 auf, so wie sie durch die Anwendung des RIE-Verfahrens gemäß dem vorherigen Verfahren entstehen.

Mit Bezug zu den Figuren 3a bis 3c werden nunmehr weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die Verfahren zum Schutz empfindlicher Nanostrukturen angeben.

Extrem feine Strukturen (Nanostrukturen) sind gegenüber mechanischen Kräften nicht sehr robust. Daher ist es für eine Vielzahl von Anwendungen notwendig, sie vor einer mechanischen Zerstörung zu schützen. Dieser Schutz wird durch eine Auffüllsubstanz bis zu einer glatten Oberfläche erreicht. Dazu kann ein Spin-On-Glas (SOG) mit angepassten Eigenschaften benutzt werden.

Schutzschichten für leicht zerkratzbare Oberflächen gibt es schon seit geraumer Zeit. Seien es Hartschichten für Kunststoffglaser oder CDs. Auch für Nanostrukturen gibt es Bemühungen, diese zu schützen, vgl. EP-A 1 215 513.

Im Grunde soll eine Schutzschicht die Zerstörung eines Funktionselementes verhindern, ohne dabei dessen Funktion allzu stark zu beeinträchtigen. Dabei gilt es meist eine Reihe von Randbedingungen mit in Betracht zu ziehen, wodurch sich die

Realisierung einer solchen Schicht verkompliziert. Das gilt insbesondere für den Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen in Nanometerdimensionen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer - kurz als Nanostruktur bezeichnet - besteht, wie sie z.B. mit dem RIE-Verfahren kristallfehlerfrei selbstorganisierend hergestellt werden kann, so wie es bereits zuvor beschrieben wurde.

Die Beispiele stellen ein Verfahren zum Schutz solcher Nanostrukturen bereit, welches einen mechanischen Schutz im Rahmen weiterer Verarbeitungsprozesse von Siliziumscheiben mit solchen Schichten schafft, ohne die besonderen Eigenschaften dieser Schichten, wie Reflexion, Adhäsion von chemischen Stoffen etc. wesentlich zu verändern.

Damit werden die Vorteile erreicht, dass die Schutzschicht die Hohlräume zwischen den zu schützenden nadeiförmigen Siliziumspitzen auffüllt und so die Strukturen stabilisiert werden. Zur weiteren Verarbeitung wird eine geschlossene Schicht ausgebildet.

Aufgrund der so erzeugten glatten Oberfläche können mechanische Beanspruchungen ohne Zerstörung der Nanostruktur abgefangen werden. Auf diese glatte Oberfläche kann sehr viel einfacher eine weitere Schicht aufgebracht und auch wieder entfernt werden.

Je nach verwendetem Material greift diese Schutzschicht unterschiedlich in die Funktionsweise der Nanostruktur ein. Die oberflächenvergrößernde Funktion einer Nanostruktur wird durch eine dichte Schicht vollständig unterbunden. Eine poröse

Schicht hingegen kann dafür genutzt werden, nur bestimmte Stoffe an die Oberfläche der Nanostruktur durchzulassen, was z.B. bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt. Für alle optischen Anwendungen ist es wichtig, dass die Eigenschaften der Reflexion und Transmission oder auch der Streuung sich nur geringfügig verschlechtern oder sogar verbessern. Dazu weist die Schicht vorzugsweise eine geringe Absorption auf. Reflexionsverluste bleiben minimal, wenn der Brechungsindex möglichst gering ist.

Fig. 3a zeigt schematisch ein fotoelektrisches Bauelement 300 mit einem Siliziumsubstrat 301 , einer n-Wanne 302 und entsprechenden Kontakten 305. Ferner ist ein optisches Fenster 303 vorgesehen, das mit einer beschriebenen Nanostruktur 2 entspiegelt ist.

Beispielsweise wird für die Entspiegelung des Bauelements, z. B. einer Photodiode, hergestellt durch einen CMOS-Prozess, in die Oberfläche des Siliziums mit dem RIE- Verfahren in der bereits beschriebenen Weise eine Nanostruktur 2 geätzt. Auf diesen Prozessschritt folgen üblicherweise noch weitere. Unter anderem werden die Bondpads für die Kontaktierung 305 der Bauelemente 300 noch von der die Schaltung passivierenden Schicht befreit. Diese besteht in der Regel aus Siθ₂ oder Si_ßlNU und wird meist durch das CVD-Verfahren aufgebracht. Dieses Verfahren ist mehr oder weniger konform. Spitze Strukturen bleiben dabei erhalten. Es bildet sich keine glatte Oberfläche aus. Zur Beseitigung der Passivierungsschicht werden Lackmaske und Ätzschritt verwendet. Der aufgebrachte Lack lässt sich jedoch nicht problemlos aus der Nanostruktur 2 entfernen; Lackreste schränken deren Funktionalität ein.

Fig. 3b zeigt das Bauelement gemäß einer anschaulichen Ausführungsform.

Zum Schutz der Nanostruktur 2 wird daher vorher eine Schicht 305 aus Spin-On-Glas (SOG) durch Aufschleudern aufgebracht, z.B. Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ). Da diese Substanz beim Aufbringen flüssig ist, werden die Zwischenräume der

Nanostrukturen lunkerfrei ausgefüllt. Ein Temperschritt härtet dieses Glas aus, führt aber auch zu einem gewissen Schwund, so dass vorteilhaft diese Prozedur zu wiederholen ist. Nach wenigen solchen Schritten ist die Nanostruktur komplett eingehüllt und die Oberfläche eben und resistent gegen mechanische Beschädigungen.

Die so geschützte Nanostruktur lässt sich nun ohne Probleme mit den Standardprozessen der CMOS-Technologie weiterbearbeiten. Das Aufbringen einer Lackschicht und deren Entfernung stellt kein Problem dar. Durch den geringen Brechungsindex von 1 ,38 und die geringe Absorption im Wellenlängenbereich von 150 nm oder 180 nm bis 1100 nm ist die optische Funktion der Nanostruktur 2 nur geringfügig verschlechtert.

Fig. 3c zeigt entsprechende Messergebnisse für die Reflexion des optischen Fensters 303 für Situationen mit einer ARC (antireflektierenden) Schicht, mit blanken Silizium, jeweils ohne die Struktur 2, und für die Bauelemente 300 nach Fig. 3a und 3b. Es bleibt bei einer Breitband-Entspiegelung, die mit 3,5 % Reflexion deutlich besser ist als die glatte blanke Siliziumgrenzfläche mit > 30 %.

Eine Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis um 4:1 und größer mit Nanometerdimensionen besteht, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes Spin- On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform werden für Schichten aus nadeiförmigen Siliziumspitzen, die in Fenstern von fotoelektrischen Bauelementen vorhanden sind, SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ) aufgebracht.

Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird.

Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Schicht, die aus nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis besteht und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes flüssigkeitsdurchlässiges poröses Spin-On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte Oberfläche ausgebildet ist, und in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess wieder entfernt wird.

Mit Bezug zu den Figuren 4a und 4b werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen den Materialabtrag beim Ausbilden einer Nanostruktur mit nadeiförmigen Spitzen und großen Aspektverhältnis verringert wird und so die Fertigungstoleranzen und die Ausbeute zu verbessert werden. Die durch zuvor erläuterten RIE-Prozess (Reactive Ion Etching) selbstorganisiert hergestellten "pyramidenähnlichen Nanometerstrukturen" (kurz Nanostrukturen), wie sie bereits zuvor beschrieben sind, benötigen eine gewisse Zeit bis zu ihrer vollständigen Ausbildung. Da der Ätzprozess bereits von Anfang an wirksam ist, entsteht ein teils erheblicher Materialabtrag. Dieser Effekt kann durch eine angepasste Pufferschicht verringert oder ganz unterdrückt werden.

Dadurch werden die Vorteile erreicht, dass der Ätzabtrag der dotierten Oberflächenschichten des Gebietes im Fenster der optisch aktiven Komponenten oder von Sensorelementen verringert wird und darüber hinaus das Aspektverhältnis einfach variiert werden kann.

Fig. 4a zeigt einen typischen Prozessablauf in einzelnen Zwischenstufen zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Nanostruktur 2 (siehe Figuren 1a bis 1c), wobei beginnend von einer planen Siliziumfläche 411a auf einem Siliziumkörper 401 mit zunehmender Ätzdauer die Nanostruktur 2 in einem nicht maskierten Bereich 403 der Siliziumfläche 401a gebildet wird, wobei schließlich eine Materialschicht 405 des anfänglichen Siliziumvolumens 401 "verbraucht" wird.

Fig. 4b zeigt schematisch die Herstellung der Nanostruktur 2 mittels einer Pufferschicht 406, die eine geringere Ätzrate im Vergleich zu Silizium 401 aufweist. Somit wird zunächst eine deutlich weniger ausgeprägte Strukturierung 406a geschaffen, die dann in das Silizium 401 getrieben wird, wobei der Verbrauch des Siliziums 401 deutlich verringert oder sogar verhindert werden kann. Durch die Ätzeigenschaften und die Dicke der Pufferschicht 406 kann somit auch das Aspektverhältnis der Nanostruktur 2 (als 403a) eingestellt werden, wie dies zuvor beschrieben ist. Die Reste der Pufferschicht, als 406a dargestellt, können unter Ausnutzung der Ätzselektivität zwischen der Pufferschicht 406 und dem Silizium 401 entfernt werden, oder können beibehalten werden, wie dies gezeigt ist.

Mit Bezug zu Fig. 5 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen eine Basis-Nanostruktur oder eine Primärstruktur modifiziert wird, um gewünschte Oberflächeneigenschaften zu erhalten.

Durch Freilegen vorhandener oder Aufbringen einer zusätzlichen Siliziumschicht, der anschließenden Strukturierung dieser Schicht mittels eines die Selbstorganisation von nadeiförmigen Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich unterhalb der gebräuchlichen Lichtwellenlängen und mit großem Aspektverhältnis (Nanostrukturen) erzeugenden RIE-Prozesses ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur Maskierung beim Strukturieurungs-prozess in vorgesehenen Bereichen und Modifizieren, beispielsweise thermische Oxidation, dieser strukturierten Schicht wird eine geeignete Oberfläche, z.B. eine Siθ₂-Schicht, mit annähernd gleicher Struktur erzeugt. Diese Schicht hat eine breitbandige Wirkung der Entspiegelung und kann auch in Sensorbauelementen zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch Vergrößerung der Anlagerungsfläche von Atomen und Molekülen beitragen.

In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Erzeugung einer Passivierungsschicht aus einem gewünschten Material, etwa SiO2, auf lichtempfindlichen bzw. Licht aussendenden Bauteilen sowie auch auf Sensorbauelementen. Diese können sowohl diskret als auch mit Halbleiterschaltungen zusammen monolithisch integriert sein. Die Passivierungsschicht besteht auf ihrer Oberseite aus Strukturen mit nadeiförmigen Spitzen eines großen Aspektverhältnisses, und weist dadurch eine breitbandige Wirkung der Entspiegelung im üblichen Wellenlängenbereich auf.

Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, mit den der

Halbleiterbauelementetechnologie adäquaten Mitteln ein derartiges Oberflächenrelief, gekennzeichnet durch nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nanodimensionen, d. h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, mit geeignetem Oberflächenmaterial, etwa thermischem Siθ2, zu erzeugen.

Somit können vorhandene Verfahren der Halbleitertechnologie angewendet werden, es werden keine zusätzlichen Störungen erzeugt und es wird eine Schicht mit breitbandiger Entspiegelung bzw. großer Anlagerungsoberfläche erzielt.

Bei Anwendung einer Modifizierung durch Oxidation diffundiert bei den hohen Temperaturen der thermischen Oxidation der Sauerstoff wegen der Nadelform der einzelnen Spitzen in alle Richtungen in das Siliziumgitter ein. Der Prozess findet überall auf der großen Oberfläche statt. Daher sind Nadelstrukturen besonders schnell durchoxidiert. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und bietet die Möglichkeit, mit relativ geringem Aufwand eine sekundäre Nanostruktur bestehend aus SiO2 zu bilden, die sich auf andere Weise deutlich aufwändiger oder nur eingeschränkt herstellen lässt.

Die Siθ₂-Schicht wächst in zwei Richtungen. Einerseits dehnt sie sich in das Silizium hinein aus und andererseits wächst die Gesamtstruktur wegen der Volumenzunahme des SiO2. Das Silizium wird zumindest im Spitzenbereich vollständig in SiO2 umgewandelt. Das Oberflächenrelief des Siliziums wird dabei unter geringfügiger Veränderung auf die neue Siθ2-Schicht übertragen, während die Grenzfläche Si/Siθ2 gegenüber der ursprünglichen Si-Oberflache stark eingeebnet wird.

In anderen Ausführungsformen werden andere Modifizierungsverfahren durchgeführt, etwa eine Nitrierung, bei der Stickstoff in das Silizium eingelagert wird, um damit die Oberflächeneigenschaften zu ändern. Auch können Dotiermittel oder Stoffe zur Oberflächenmodifizierung oder auch zu einer teilweise bis tief in die Nadeln hineinreichenden Materialänderungen eingebracht werden.

Figur 5 veranschaulicht eine Prozessabfolge. Im oberen Teil der Fig. 5 ist eine

Nanostruktur 2, die durch zuvor beschiebene Verfahren hergestellt werden kann, in einem Bereich 503a einer Siliziumbasisschicht 503 gebildet.

Im unteren Teil der Figur ist die Nanostruktur 2b gezeigt, nachdem sie einen Modifizierungsprozess durchlaufen hat, der in dieser Ausführungsform eine thermische Oxidation, eine Plasmaoxidation, eine nasschemische Oxidation, und dergleichen, beinhalten kann.

Durch die stark zerklüftete Oberfläche erhöht sich deren Fläche erheblich, wodurch sich die Eigenschaften deutlich ändern. Gase bleiben recht lange in der Struktur lokalisiert. Die vergrößerte Oberfläche bietet eine viel größere Angriffsfläche für sich anlagernde Moleküle und kann damit die Empfindlichkeit von Sensoren deutlich steigern.

Im optischen Bereich sind die Strukturen dahingehend interessant, dass sie in ihrer lateralen Größe kleiner als die Lichtwellenlänge (VIS/NIR) sind und durch ihre Form und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Sie ermöglichen damit eine Impedanzanpassung die zu einer hervorragenden breitbandigen Reflexionsunterdrückung führt, ohne dabei das Licht zu streuen.

Da für die meisten Halbleiterbauelemente eine Passivierungsschicht notwendig ist und diese durch Siθ₂ realisiert werden kann, bietet sich die Erfindung gerade auch für optische Bauelemente an. Sie ermöglicht das Aufbringen einer Passivierungsschicht, ohne dabei die üblichen Reflexionsverluste von 3,5 % (SiO2/Luft Übergang) zu verursachen.

Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche von Halbleiterbauelementen aus Silizium mittels einer Siθ₂-Schicht, die nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen, d.h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Siliziums lokal freigelegt wird und anschließend mittels eines reaktiven lonenätzprozesses primäre nadelartigen Siliziumstrukturen mit Nano-Dimensionen erzeugt werden und diese strukturierte Siliziumoberfläche anschließend durch thermische Oxidation vollständig in sekundäre, ebenfalls nadelartige SiO2 Strukturen überführt wird.

Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Passivierung der Oberfläche von Halbleiterbauelementen aus Silizium mittels einer Siθ₂-Schicht, die nadeiförmige Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen, d.h. im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Siliziumschicht auf der Oberfläche abgeschieden wird und anschließend mittels eines reaktiven lonenätzprozesses primäre nadelartigen Strukturen in dieser Siliziumschicht mit Nanodimensionen erzeugt werden und diese strukturierte Siliziumschicht anschließend durch thermische Oxidation vollständig oder teilweise in sekundäre, ebenfalls nadelartige Siθ2 Strukturen überführt wird.

In einer weiteren Ausführungsform werden die notwendigen primären Nanostrukturen im Silizium durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbstmaskiernde Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt.

Mit Bezug zu den Figuren 6a bis 6c werden nun weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, in denen Nanostrukturen auf Siliziumbasis als breitbandige optische Absorber eingesetzt werden.

Siliziumoberflächen mit einer durch ein RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostruktur können hervorragend als Absorber dienen, wobei nahezu alles Licht im Bereich von 180-1100 nm absorbiert wird. Ebenso sind sie gut für die Strahlungsabgabe geeignet. Durch das Aufbringen einer dünnen zusätzlichen Schicht kann der Wellenlängenbereich der Absorption und Emission noch deutlich erweitert werden.

Dieser Aspekt bezieht sich auf die Anwendung von strukturierten Oberflächen von Siliziumkristallkörpern, die eine möglichst hohe Lichtabsorption für einen großen Wellenlängenbereich garantieren. Für diesen Zweck müssen die Grenzflächeneigenschaften zwischen zwei Medien so verändert sein, dass zwischen ihnen kein Impedanzsprung, also keine Unstetigkeit des Brechungsindex, auftritt, sondern die unterschiedlichen Impedanzen stetig ineinander übergehen.

Damit werden die Vorteile erreicht, dass die nadeiförmigen Siliziumspitzen mit großem Aspektverhältnis in statistisch homogener Verteilung auf der Oberfläche ein effektives Medium bilden, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Dadurch kann im gesamten sichtbaren Bereich, für die Modifikation einer Siliziumoberfläche, eine Absorption von über 99% erreicht werden. Sogar über den sichtbaren Bereich hinaus wird eine solch gute Absorption erreicht.

In der Figur 6a sind Messergebnisse der optischen Reflexion von modifizierten Siliziumoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen abgebildet.

Figur 6b zeigt die extrem geringe und wellenlängenunabhängige Reflexion der modifizierten Siliziumoberfläche im Detail.

Figur 6c zeigt die direkte Absorptionsmessung durch die photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS).

Ab einer Wellenlänge von 1100 nm wird Silizium transparent und absorbiert kein Licht mehr. Um auch im Wellenlängenbereich oberhalb von 1100 nm noch als Absorber zu wirken, kann die strukturierte Siliziumoberfläche beispielsweise mit einer dünnen Metallschicht beschichtet werden. Das Metall übernimmt dabei die Funktion des absorbierenden Materials, wobei die Oberflächenmodifikation durch die Struktur im Silizium gegeben ist.

Die Erfindung wirkt nicht nur in eine Richtung, also von Material A nach Material B, sondern genauso gut auch in umgekehrter Richtung, von Material B nach Material A. Damit dient sie ebenso der Verbesserung der Emission im betroffenen Wellenlängenbereich.

Der besondere Vorzug der breitbandig und effizient absorbierenden selbstorganisierten Nanostrukturen auf der Siliziumoberfläche kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft ausgenutzt werden. Solche Schichten können vorzugsweise in optischen Geräten oder Komponenten angewendet werden. Dabei sei beispielhaft die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten genannt oder die Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing), bei denen es auf eine möglichst vollständige Absorption des eingestrahlten Lichtes ankommt, um einen möglichst hohen Kontrastwert zu erzielen. Außerdem ist es für die farblich korrekte Darstellung notwendig, dass die Absorptionseigenschaften über einen großen Wellenlängenbereich konstant sind. Andere Anwendungen ergeben sich überall da, wo sichergestellt werden muss, dass eingestrahltes Licht wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird. Durch die guten breitbandigen Eigenschaften kann die Erfindung auch als Reflexionsstandard für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung ist die verbesserte Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen wie LEDs, oder LASER vorkommt. Durch die Metallbeschichtung ist eine Emission von Wärmestrahlung möglich. Dies kann zur gezielten Wärmeabgabe oder auch für die effizientere Kühlung angewandt werden. Eine interessante Anwendung diesbezüglich ist die Reduzierung einer Kühlfläche eines Bauelementes durch die verbesserte Wärmeabgabe.

Eine Ausführungsform betrifft mit dem RIE-Verfahren auf Siliziumoberflächen erzeugte selbstorganisierte nadelartige Strukturen in Nano-Dimensionen mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlängen und mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 , die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFe (ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation) während des Ätzprozesses in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden, wie bereits erläutert wurde, wobei diese Nanostrukturen in Form von Schichten als breitbandige optische Absorber für die Auskleidung von präzisionsoptischen Geräten eingesetzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen als Absorptionsfläche in digitalen Projektoren mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) eingesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Geräte eingesetzt, bei denen die optische Strahlung wellenlängenunabhängig möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird.

In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen zu Zwecken der verbesserten Strahlungsabgabe, wie sie in optischen Bauelementen, z.B. LEDs, oder LASER vorkommt, eingesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform werden die nadelartigen Strukturen für Reflexionsstandards für sehr geringe Reflexionswerte eingesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform sind die nadelartigen Strukturen mit einer dünnen Metallschicht überzogen. In einer weiteren Ausführungsform dient die Metallschicht der gezielten Wärmeabgabe.

Mit Bezug zu Fig. 7 werden weitere Ausführungsformen beschrieben, in denen IR- Fenster mit hoher Transmission bereit gestellt werden.

Die breitbandige Entspiegelung von Silizium durch eine mit dem RIE-Verfahren erzeugte selbstorganisierte Nanostruktur, wie sie zuvor beschrieben ist, kann hervorragend als IR (infrarot)-Fenster verwendet werden. Dabei wird nahezu alles Licht im Bereich oberhalb von 1100 nm transmittiert.

Silizium kann als IR-Fenster verwendet werden. Bei einer Wellenlänge von größer 1000 nm beginnt Silizium transparent zu werden und absorbiert immer weniger Licht. Da die Grenzfläche Luft/Silizium eine Reflexion von mehr als 30 % aufweist und ein Fenster immer zwei Grenzflächen hat, lässt ein unbehandeltes Stück Silizium trotz seiner Transparenz im Infraroten nur etwa 50 % der eingestrahlten Lichtmenge hindurch, die andere Hälfte geht durch Reflexion verloren.

Durch Bereitstellen eines IR-Fensters auf der Grundlage einer Nanostruktur, wie sie zuvor beschrieben ist, werden die Vorteile erreicht, dass die durch das RIE-Verfahren erzeugten selbstorganisierten Nanostrukturen ein effektives Medium bilden, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Dadurch kann im infraroten Bereich mit der Modifikation der Siliziumoberflächen eine Transmission von über 90% erreicht werden. Die modifizierte Oberfläche erfüllt ihre Aufgabe, indem sie die Grenzflächen-Eigenschaften zwischen dem Silizium und Luft bzw. Vakuum so verändert, dass zwischen ihnen kein Impedanzsprung auftritt, sondern die unterschiedlichen Impedanzen stetig ineinander übergehen. Dabei ist das Material für den gewünschten Wellenlängenbereich nicht absorbierend. Die Grenzflächenmodifikation des Siliziums dient der Reflexionsunterdrückung und somit der verbesserten Transmission.

Wichtig dabei ist die Form der nadeiförmigen Strukturen der Oberfläche. Die Strukturen bilden ein effektives Medium, das für den stetigen Übergang der beiden Materialeigenschaften sorgt. Eine einseitige Oberflächenmodifizierung erreicht bereits eine Transmission von etwa 70%.

In der Figur 7 ist die Transparenz einer Probe mit einseitig modifizierter Oberfläche dargestellt. Für infrarotes Licht ab 1200 nm werden die theoretischen Werte von 70 % gut getroffen. Ein Problem bei einer zweiseitigen Oberflächenmodifizierung stellt die geringe mechanische Belastbarkeit der erzeugten Strukturen dar, so dass die Handhabung des Fensters erschwert wird.

Die Oberflächenmodifizierung kann mit konventionellen Fotolackmaskierungstechniken auf bestimmte Bereiche begrenzt werden, so dass sich mechanisch beanspruchte von optisch transparenten Bereichen einfach separieren lassen. Damit ist der Nachteil der schwierigen Handhabung beseitigt, ein stabiler, gegebenenfalls auch luft-, flüssigkeits- oder vakuumdichter Einbau eines derartigen Fensters ist ohne weiteres möglich.

Eine Ausführungsform betrifft ein optisches Fenster aus Silizium mit verbesserter breitbandiger Transparenz im IR-Bereich, wobei zumindest eine der beiden Oberflächen mit dem RIE-Verfahren nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem großen Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen, die unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt selbstorganisierend erzeugt wurden, wie zuvor erläutert.

Auch beide Oberflächen des Fensters können mit den pyramidenähnlichen Nadeln versehen werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Nanostrukturen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) gegen mechanische Zerstörung geschützt.

In einer weiteren Ausführungsform besteht der Schutz aus Hydrogen-Silses-Quioxane (HSQ).

In einer weiteren Ausführungsform wird die reflexionsmindernde Nanostrukturierung mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte Bereiche des Fensters begrenzt, um damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche bereit zu stellen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Fotoelektronisches Bauelement mit

- einem optisch aktiven Fenster zum Eintritt und/oder Austritt von Strahlung,

- einer an einer Oberfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehenen Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen mit einem Endbereich und einem Fußbereich, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der

Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.

2. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , das ferner eine Passivierungsschicht aufweist, die das optisch aktive Fenster frei lässt und mit diesem eine Grenze bildet, wobei die Strukturelemente sich im Wesentlichen bis zu der Grenze erstrecken.

3. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

4. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei die Nanostruktur eine einkristalline Basisschicht aufweist, auf der die Strukturelemente angeordnet sind, und wobei eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente im Wesentlichen gleich ist zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht.

5. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.

6. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strukturelemente zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut sind.

7. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, wobei das isolierende Material Siliziumdioxid oder Silizid oder Siliziumoxynitrid ist.

8. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1500 Nanometern liegt.

9. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner eine Einebnungsschicht in dem optisch aktiven Fenster aufweist, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.

10. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.

11. Fotoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ferner eine zweite Nanostruktur an einer zweiten Grenzfläche des optisch aktiven Fensters vorgesehen ist.

12. Fotoelektrisches Bauelement nach Anspruch 11 , wobei die zumindest eine Nanostruktur in einer Schutzschicht eingebettet ist, insbesondere auch die zweite Nanostruktur.

13. Sensorbauelement mit: einer Sensoroberfläche, die durch eine Nanostruktur mit statistisch verteilten Strukturelementen gebildet ist, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.

14. Sensorbauelement nach Anspruch 13, wobei die Sensoroberfläche aus einem isolierendem Material gebildet ist.

15. Sensorbauelement nach Anspruch 13 oder 14, das ferner eine poröse Einebnungsschicht zur Einbettung der Nanostruktur aufweist.

16. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Strukturelemente zumindest teilweise aus Silizium aufgebaut sind.

17. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine Höhe der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1500 Nanometern liegt.

18. Optische Beschichtungsstruktur zur Verwendung in optischen Bauelementen oder optischen Geräten, mit einer Basisschicht und einer auf der Basisschicht aufgebrachten Nanostruktur mit statistisch verteilten

Strukturelementen, wobei die Strukturelemente einen Endbereich und einen Fußbereich aufweisen, wobei die Spitze des Endbereichs eine laterale Ausdehnung von weniger als 10 Nanometer aufweist und der Fußbereich eine laterale Ausdehnung von 50 Nanometern oder mehr aufweist, und wobei ein Aspektverhältnis der Strukturelemente, d.h., die Höhe der Strukturelemente und die laterale Ausdehnung am Fußbereich, im Mittel größer als 4 ist.

19. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente aus einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

20. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei die Basisschicht einkristallin ist, und wobei eine Kristallfehlerdichte der Strukturelemente im Wesentlichen gleich ist zu der Kristallfehlerdichte der Basisschicht.

21 . Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 19, wobei das Halbleitermaterial Silizium ist.

22. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 18, wobei die Strukturelemente 5 zumindest teilweise aus einem isolierendem Material aufgebaut sind.

23. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 22, wobei das isolierende Material Siliziumdioxid ist.

lo 24. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Höhen der Strukturelemente im Bereich von 400 Nanometern bis 1000 nm, insbesondere auch bis 1500 Nanometern liegen.

25. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 24, die ferner i5 eine Einebnungsschicht aufweist, wobei die Strukturelemente der Nanostruktur in der Einebnungsschicht eingebettet sind.

26. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 25, wobei das Material der Einebnungsschicht einen Brechungsindex von 1 ,5 oder kleiner aufweist.

20

27. Optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei eine konforme Metallschicht auf den Strukturelementen aufgebracht ist.

28. Optische Beschichtungsstruktur nach Anspruch 27, wobei die Metallschicht der 25 gezielten Wärmeabgabe dient.

29. Optisches Gerät mit einer Auskleidung als breitbandigem optischen Absorber, wobei die Auskleidung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.

30

30. Digitaler Projektor mit Spiegeltechnologie (Digital Light Processing) mit einer Absorptionsfläche, die eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.

35 31. Gerät mit einer Einrichtung zur wellenlängenunabhängigen Umwandlung optischer Strahlung in Wärme, wobei die Einrichtung zur Umwandlung optischer Strahlung in Wärme eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst,

32. Optisches Element zur Abgabe optischer Strahlung mit einem Austrittsfenster, das eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 28 umfasst.

5 33. Optisches Element nach Anspruch 32, wobei das Austrittsfenster mit einer Leuchtdiode oder einem LASER gekoppelt ist.

34. Reflexionsreferenzeinrichtung zur Bestimmung geringer Reflexionswerte, wobei die Einrichtung eine optische Beschichtungsstruktur nach einem der lo Ansprüche 18 bis 28 umfasst.

35. Fotoelektronisches Bauelement mit einer im optisch aktiven Fensterbereich vorgesehenen reflexions-mindernden Schicht aus statistisch regelmäßig verteilten, kristalldefektarmen Siliziumnadeln mit einer Höhe von 400 bis 1500 i5 nm und einem Aspektverhältnis größer 4:1 .

36. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 35, wobei die Siliziumnadeln eine Spitze aufweisen, deren laterale Ausdehnung weniger als 10 nm beträgt.

20 37. Fotoelektronisches Bauelement nach Anspruch 36, wobei ein Fußbereich der Siliziumnadeln eine laterale Ausdehnung von 50 nm oder mehr aufweist.

38. Fotoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 35 bis 37, das eine Passivierungsschicht aufweist, die den aktiven Fensterbereich frei lässt und mit 25 diesem eine Grenze bildet, wobei die Siliziumnadeln bis zu einem Abstand zu der Grenze ausgebildet sind, der kleiner ist als eine Dicke, insbesondere einer halben Dicke der Passivierungsschicht.

39. Optisches Fenster, das Silizium aufweist und eine breitbandige Transparenz im IR-Bereich besitzt, wobei zumindest eine, bevorzugt beide Oberflächen des Fensters nadelartige Strukturen in Nanodimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4:1 besitzen.

5

40. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mit einer SOG-Schicht (Spin-On-Glas) vor mechanischer Einwirkung geschützt sind.

lo 41 . Optisches Fenster nach Anspruch 40, wobei das Schutzmaterial Hydrogen- Silses-Quioxane (HSQ) aufweist.

42. Optisches Fenster nach Anspruch 39, wobei die nadelartigen Strukturen mit Nanodimensionen mittels konventioneller Maskierungstechnik auf bestimmte i5 Bereiche des Fensters begrenzt sind und damit unbehandelte, mechanisch stabile und einfach gegen Luft, Flüssigkeiten und Vakuum abdichtbare Bereiche verbleiben.

43. Verfahren zur Anpassung des Brechungsindex eines optisch aktiven Fensters eines fotoelektrischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst:

(a) Erzeugen einer Nanostruktur im Oberflächenbereich des Fensters mittels eines selbstorganisierten Plasmaätzprozesses zur Ätzung einer s Siliziumbasisschicht;

(b) Einstellen eines Aspektverhältnisses von Strukturelementen der Nanostruktur, die in der Siliziumbasisschicht erzeugt werden, auf einen Wert von vier oder höher in Abhängigkeit eines Betriebswellenlängenbereichs des fotoelektrischen Bauelements.

10

44. Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Strukturelemente als nadelartige Strukturelemente während des Plasmaätzprozesses durch Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff (O₂) und Schwefelhexafluorid (SF₆), ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation in einem einzigen s Prozessschritt erzeugt werden, wobei die Siliziumbasisschicht während des

Prozesses auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 27°C ± 5°C gehalten und mit einer Plasmaleistung im Bereich von etwa 100W bis 300W gearbeitet wird, wobei höhere Plasmaleistungen bei größeren Prozessdrücken notwendig sind und das Verhältnis der Arbeitsgasflüsse in Abhängigkeit von den o geometrischen Anlagenparametem so eingestellt ist, dass der Sauerstoff im

Reaktionspunkt auf der Siliziumbasisschicht eine selbstmaskierende Wirkung zeigt, was im Bereich der Gasflüsse für SF₆:zwischen 50 bis 150 sccm und für O₂:zwischen 20 bis 200 sccm zu erreichen ist und die Prozesszeit nur wenige Minuten beträgt. 5

45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, das ferner ein Bilden einer Schutzschicht für die Nanostruktur mit einer im wesentlichen planen Oberfläche umfasst .

46. Verfahren nach Anspruch 45, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Nanostruktur angepasstes Spin-On-Glas (SOG) aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis die plane Oberfläche ausgebildet ist.

47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei SOG-Schichten aus Hydrogen-Silses- Quioxane (HSQ) aufgebracht werden.

48. Verfahren für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 47, wobei eine zusätzliche Schicht vor dem Plasmaätzprozess aufgetragen wird, die als Pufferschicht ein gegenüber der Siliziumbasisschicht (3) bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich eine

5 selbstorganisierte Struktur mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis ausbildet, die im Verlauf des Prozesses verringert wird.

49. Verfahren nach Anspruch 48, wobei das Aspektverhältnis der Strukturelemente der Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.

10

50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, wobei die Pufferschicht eine SiO₂-Schicht ist.

51. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei die Pufferschicht eine i5 Dicke von 20nm bis 100nm hat.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 51 , wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird.

53. Verfahren zum Schutz einer Schicht, die nadeiförmigen Strukturelemente mit großem Aspektverhältnis aufweist und Bestandteil eines chemischen Sensors ist, wobei in mehreren Schritten ein in seinen Eigenschaften den Anforderungen an die zu passivierende Schicht angepasstes gasdurchlässiges poröses Spin-

5 On-Glas aufgebracht und nach jedem Aufbringen getempert wird, bis eine glatte

Oberfläche ausgebildet ist.

54. Verfahren nach Anspruch 53, wobei in einem letzten Schritt eine Überdeckung mit einer nichtporösen Schicht erfolgt, welche beim letzten Maskenprozess lo wieder entfernt wird.

55. Verfahren nach Anspruch 53 oder 54, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente eine Spitze mit einer lateralen Ausdehnung von weniger als 10 nm aufweisen.

i5 56. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente aus einkristallinem Silizium aufgebaut sind.

57. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 55, wobei die nadeiförmigen Strukturelemente Siliziumdioxid aufweisen.

20

58. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 bis 57, wobei das Spin-On-Glas flüssigkeitsdurchlässig ist.

59. Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, die Silizium aufweist, wobei das Verfahren umfasst:

lokales Freilegen eines Bereichs der Oberfläche,

5

Bilden von primären nadeiförmigen Strukturen mit großen Aspektverhältnissen in Nano-Dimensionen mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der Lichtwellenlängen sichtbaren Lichts mittels eines reaktiven lonenätzprozesses und

10

Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs, um sekundäre, ebenfalls nadelartige, eine isolierende Oberfläche aufweisende Strukturen zu erzeugen.

i5

60. Verfahren nach Anspruch 59, wobei eine Siliziumschicht abgeschieden wird, um die Oberfläche bereit zu stellen.

61. Verfahren nach Anspruch 59 oder 60, wobei Modifizieren des mit den primären nadeiförmigen Strukturen versehenen Bereichs thermisches Oxidieren umfasst.

20

62. Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 61 , wobei Modifizieren des Bereichs Nitrieren des Bereichs umfasst.

63. Verfahren nach Anspruch 61 , wobei das Silizium in den primären nadelartigen 25 Strukturen im Wesentlichen vollständig in Siliziumdioxid umgewandelt wird.

64. Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 63, wobei die primären nadelartigen Strukturen durch reaktives lonenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Arbeitsgase Sauerstoff und SFε in einem einzigen Prozessschritt

30 ohne Anwendung zusätzlicher Mittel zur gezielten Maskenformation beim

Strukturierungsprozess nur durch Einstellung der Prozessparameter so, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Silizium enthaltenden Oberfläche eine selbstmaskierende Wirkung zeigt und eine Selbstorganisation der nadelartigen Strukturen stattfindet, erzeugt werden.

35

65. Verfahren zur Erzeugung von selbstorganisierten Nanostrukturen im Gebiet einer Fensteröffnung eines integrierten Schaltkreises mit optoelektronischer Komponente oder bei einem diskreten optoelektronischen Bauelement, wobei zur Herstellung von nadelartigen Siliziumstrukturen mit Nanometer-Dimensionen und

5 mit Aspektverhältnissen größer 4 : 1 in einem reaktiven lonenätzprozess (reaktive ion etching - RIE) unter Verwendung nur der Arbeitsgase Sauerstoff und SF₆ in einem einzigen Prozessschritt und ohne Anwendung einer zusätzlichen Mikromaskierung bei Beginn des Ätzprozesses, die Prozessparameter unter Verringerung des Siliziumverbrauchs bei der Erzeugung der Nanostruktur so lo eingestellt werden, dass der Sauerstoff im Reaktionspunkt auf der Siliziumscheibe eine selbst-maskiernde Wirkung hat und wobei vor dem Ätzprozess eine zusätzliche Schicht (406) aufgetragen wird, die als Pufferschicht ein gegenüber dem Silizium bei gleichen Prozessparametern dahingehend verändertes Ätzverhalten hat, dass sich selbstorganisierte, noch nicht nadelartige Strukturen i5 mit nur verhältnismäßig geringem Aspektverhältnis in der Pufferschicht ausbilden, die im Verlauf des Prozesses zunächst nach Art einer Maskenschicht löchrig werden (406a), und weiterhin nahezu vollständig abgetragen wird, zugunsten der nadelartigen Strukturen (403) im Silizium, welche mit den Nanometerdimensionen und mit dem Aspektverhältnis größer vier zu eins durch die löchrige

20 Maskenschicht (406a) ausgebildet werden wobei diese Maskenschicht zumindest nahezu vollständig abgetragen wird.

66. Verfahren nach Anspruch 65, wobei das Aspektverhältnis der Silizium- Nanostruktur über die Dicke der Pufferschicht eingestellt wird.

25

67. Verfahren nach Anspruch 65 und 66, wobei die Pufferschicht eine Siθ₂-Schicht ist.

68. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht eine Dicke von 20 bis 30 100nm hat.

69. Verfahren nach Anspruch 65, wobei die Pufferschicht nicht vollständig abgetragen wird und auf den Spitzen der Nadelstrukturen verbleibt.

35

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