-
Die
Erfindung betrifft mikrooptische Elemente mit einem Substrat, Verfahren
zur Herstellung dieser Elemente und deren Verwendung. Dabei weisen die
Substrate an einer optisch wirksamen Oberfläche mindestens eine Höhenstufe
auf. Sie können
um eine Ruhelage, bevorzugt elektrostatisch ausgelenkt werden.
-
Neben
der Erhöhung
der Steifigkeit und Festigkeit gegen eine Verwindung und Durchbiegung können Höhenstufen
auch optische Einflüsse
erreichen. So ist eine Phasenmodulation von reflektierten oder transmittierten
elektromagnetischen Wellen möglich.
Dabei ist ein Einsatz für
optische Gitter, sowie Entspiegelung von Oberflächen durch gitterartige Interferenz-Strukturen möglich.
-
Ein
besonderer Einsatzfall sind Flächenlichtmodulatoren
(spatial light modulator, SLM) in Form von Matrizen, die mit einer
Vielzahl translatorisch oder rotatorisch auslenkbarer reflektierender
Elemente gebildet werden können.
Um bei einer Anwendung derartiger Elemente in der Mikrolithographie, insbesondere
für die
Belichtung von Masken oder Wafern Phasen-Kontrast-Techniken anwenden zu können, ist
es erforderlich einander zugeordnete Auslenkzustände der mikrooptischen Elemente
zu realisieren, für
die einfallende elektromagnetische Strahlung mit gleicher Intensität, jedoch
mit einer um bis zu 180° verschobenen
Phasenlage reflektiert werden kann.
-
Herkömmliche
SLM, bei denen die verkippbaren mikromechanischen Elemente eine
ebene Oberfläche
aufweisen, sind dazu nicht in der Lage. Sie erreichen die maximale
Reflektivität
im Ruhezustand. Gegenüber
der im Ruhezustand reflektierten elektromagnetischen Strahlung um
180° phasenverschobene
Strahlung lässt
sich für
das ausgelenkte Element zwar darstellen, jedoch nur mit einem Bruchteil
der Intensität.
Dadurch kann der Phasenkontrast nur eingeschränkt genutzt werden. Zur Lösung des Problems
wurde daher vorgeschlagen, zwischen den durch die Rotationsachse
getrennten planparallelen reflektierenden Bereichen einen optischen
Gangunterschied von einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 (λ Arbeitswellenlänge) einzuführen, wobei
die Reflektivität
beider Bereiche etwa konstant bleiben soll. In diesem Fall ist die
vom unausgelenkten Element senkrecht reflektierte Intensität minimal
und steigt mit zunehmender Auslenkung auf einen Maximalwert von
etwa der halben einfallenden Intensität an. Für die beiden möglichen
Richtungen der Auslen kung ist dabei wie gefordert die Phasenlage
der reflektierten Strahlung um 180° verschieden.
-
Ein
hierfür
geeignetes mikrooptisches Element und Möglichkeiten zu seiner Herstellung
sind in
WO 2005/057291
A1 beschrieben.
-
Dabei
werden üblicherweise
transparente oder semitransparente Schichten auf ein Substrat aufgebracht
und lithografisch strukturiert, um Höhenstufen beispielsweise zur
Erzielung der erwähnten Gangunterschiede
auszubilden. Eine entsprechende Ausbildung kann mit 10 verdeutlicht
werden. Hier ist ein Substrat 10 mittels Pfosten 11 an
einem Träger 1 gehalten
und kann um eine Rotationsachse verkippt werden. Auf dem Träger 1 sind
Elektroden 3 und 4 für eine elektrostatische Auslenkung
des Substrates 10 vorhanden. Die Höhenstufe ist mit einer zusätzlichen
aus einem vom Substratwerkstoff abweichenden Stoff gebildeten Schicht 10.1 ausgebildet
worden.
-
Bei
den bekannten Lösungen
treten aber Probleme bzgl. der Planarität und einer erhöhten Temperaturabhängigkeit
auf.
-
Dabei
kann ein Substrat ohne Beschichtung sicher in planarer Form zur
Verfügung
gestellt werden. Erfolgt dann aber eine Beschichtung, ist und bleibt
der beschichtete Bereich nur dann in gewünschter Form planar, wenn an
der Grenzfläche
zur Beschichtung keine Kräfte
wirken. Dies ist in der Regel aber nicht der Fall, da die Schichtspannungen
in Substrat und Beschichtung nicht gleich sind.
-
Da
weiterhin die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beschichtung
und Träger
nicht identisch sind, werden durch Temperaturänderungen (z. B. verursacht
durch Laserbestrahlung) oder lokale Temperaturgradienten (Verlustwärme von
ggf. in den SLM integrierten Schaltungen) in reflektierenden Elementen
der beschriebenen Art, wie bei einem Bimetall-Streifen, mechanische
Spannungen erzeugt, die zu einer Verbiegung bzw. einer Verschlechterung
der Planarität
führen,
wodurch sich die Abbildungseigenschaften der Elemente drastisch
verschlechtern.
-
Die
unterschiedliche Reflektivität
in beschichteten und unbeschichteten Bereichen kann bei Betrieb
mit extrem kurzen Laserpulsen zu einer lokal unterschiedlichen Erwärmung und
so zu starken mechanischen Spannungen führen. Im Extremfall kann ggf.
sogar eine Delamination der Beschichtung auftreten.
-
Bei
der Herstellung von in Rede stehenden mikrooptischen Elementen ist
es erforderlich eine dauerhafte und temperaturunabhängige Planarität einzuhalten
sowie insbesondere bei optisch wirksamen Oberflächen über deren gesamte Fläche weitere
Parameter zu berücksichtigen.
-
So
ist es bei mikrooptischen Elementen mit phasenschiebenden Eigenschaften
gewünscht,
den oder die Phasensprünge
exakt reproduzierbar und möglichst
homogen einstellen und einhalten zu können. Über die gesamte optisch wirksame
Oberfläche sollte
eine homogene Reflektivität
oder Transparenz eingehalten werden können.
-
Ein
Einsatz sollte auch im Wellenlängenbereich
der DUV-Strahlung (insbesondere bei 248 nm, 193 nm), VUV (157 nm)
und EUV-Strahlung (insbesondere bei 13,4 nm) möglich sein.
-
Bei
der Herstellung sollte auf bekannte und bewährte Technologien zurückgegriffen
werden können.
-
Außerdem ist
aus
EP 1 528 038 A1 ein
beugender Dünnfilm-Piezoelektrischer-Mikrospiegel
bekannt.
-
Die
WO 2005/057291 A1 betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strukturierung von Werkstücken. Die
Vorrichtung weist dabei mindestens eine schwenkbare reflektierende
Oberfläche
auf, mit der eine Phasenschiebung möglich ist.
-
In
EP 1 230 574 B1 ist
ein schwenkbarer räumlicher
Lichtmodulator mit aufgesetztem Scharnier und einem schwenkbaren
Element beschrieben.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, mikrooptische Elemente zur Verfügung zu
stellen, die an optisch wirksamen Oberflächen Höhenstufen aufweisen, dabei
beidseitig der Höhenstufe(n)
eine homogene Reflektivität
einhalten sowie dauerhaft und temperaturunabhängig eine hohe Planarität beibehalten.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit mikrooptischen Elementen, die die Merkmale des Anspruchs
1 aufweisen, gelöst.
Sie können
mit einem Verfahren nach Anspruch 18 hergestellt werden. Vorteilhafte
Verwendungen sind mit Anspruch 25 benannt.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
in untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
-
Die
erfindungsgemäßen mikrooptischen
Elemente mit einem Substrat sind dabei so ausgebildet, dass mindestens
eine Höhenstufe
an einer optisch wirksamen Ober fläche ausgebildet ist.
-
Das
Substrat mit der/den Höhenstufe(n)
ist dabei mit einer Zwischenschicht, die zwischen mindestens zwei
Schichten des Substrats, bevorzugt symmetrisch eingeschlossen ist,
gebildet. Die Schichten sollten jeweils aus einem homogenen Werkstoff
bzw. einem Nanolaminat bestehen.
-
Für das Substrat
sollten amorphe Werkstoffe oder solche, die eine nanokristalline
Struktur aufweisen, eingesetzt werden.
-
Dabei
kann die optisch wirksame Oberseite unmittelbar vom Substrat gebildet
sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit
die gesamte Oberseite mit einer geeigneten beispielsweise hochreflektierenden Beschichtung
zu versehen. Eine solche Beschichtung sollte dabei ebenfalls aus
einem homogenen Werkstoff gebildet sein und über die gesamte Fläche eine
konstante Schichtdicke aufweisen, um die Nachteile der aus
WO 2005/057291 A1 bekannten Lösung zu
vermeiden.
-
Die
Schicht kann für
die elektromagnetische Strahlung reflektierend sein. Der die Beschichtung bildende
Stoff sollte einen zumindest nahezu gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
wie das Substrat und einen an dieses angepassten Spannungszustand
aufweisen, zumindest dann, wenn Sie lediglich an der Oberseite aufgebracht
ist.
-
Unterschiede
im Spannungszustand und/oder Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen Substrat bzw. der Beschichtung an seiner Oberseite können weitgehend
kompensiert werden, wenn eine bezüglich Stoff, Spannungszustand
und Schichtdicke gleiche Beschichtung auch an der Unterseite ausgebildet
wird.
-
Die
eine ggf. aber auch mehrere Höhenstufe(n)
ist/sind dabei unmittelbar am Substrat mittels der Zwischenschicht
ausgebildet.
-
Als
Nanolaminat soll hier ein aus mehreren miteinander verbundenen Einzelschichten
bestehender Schichtstapel bezeichnet werden. Ein mit Nanolaminat
ausgebildetes Substrat kann mit mindestens drei einzelnen dünnen Schichten
gebildet sein, die sich in der Art des Stoffes und/oder in anderen Schichteigenschaften
unterscheiden. Bevorzugt kann ein Nanolaminat mit Schichten aus
mindestens zwei unterschiedlichen Stoffen oder Stoffgemischen gebildet
sein. Für
ein als Nanolaminat ausgebildetes Substrat kann dabei vorteilhaft
ein Aufbau aus alternierenden Dünnschichten
verschiedener Stoffe gewählt
werden, der in Richtung der Schichtnormalen gesehen, symmetrisch
zur Mittelebene des Nanolaminats ist.
-
Die
Höhenstufe(n)
sind lokal differenziert jeweils mit einer Zwischenschicht ausgebildet,
die in strukturierter Form auf der ersten substratbildenden Schicht
und vor Ausbildung der zweiten substratbildenden Schicht, ausgebildet
werden soll.
-
Um
einen bereits angesprochenen phasenschiebenden Effekt zu erreichen
kann die mindestens eine Höhenstufe
eine Stufenhöhe
von λ/4
oder einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 der gewählten Arbeitswellenlänge einer
elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Sie kann dann vorteilhaft an
einer Rotationsachse und/oder parallel zu dieser ausgerichtet an
einem um die Rotationsachse verschwenkbaren mikrooptischen Element
angeordnet sein.
-
Die
Stufenhöhe
wird mit der Schichtdicke der Zwischenschicht(en) vorgegeben.
-
Die
beiden substratbildenden Schichten sollten zumindest in Bereichen
mit optisch wirksamer Oberfläche
eine konstante und jeweils gleiche Schichtdicke aufweisen, um symmetrische
Verhältnisse
einhalten zu können.
-
Es
können,
wie bereits angedeutet, mehr als nur zwei Schichten für die Substratbildung
genutzt werden. Dabei sollte jedoch auch ein symmetrischer Aufbau
eingehalten sein, d. h. in Bezug zu einer parallel zur optisch wirksamen
Oberfläche
gelegenen Symmetrieebene in Spiegelmitte sollten jeweils gleiche
Schichten an deren beiden Seiten spiegelsymmetrisch ausgebildet
sein. Eine oder mehrere Zwischenschichten sind dann von beiden Seiten
in gleicher Form von mehreren Schichten oder Nanolaminat eingefasst.
Die jeweiligen einzelnen Schichten sollten dann identische Schichtdicken
aufweisen und aus gleichen Werkstoffen gebildet sein.
-
Um
einen bereits angesprochenen phasenschiebenden Effekt zu erreichen
kann die mindestens eine Höhenstufe
eine Stufenhöhe
von λ/4
oder einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 der gewählten Arbeitswellenlänge einer
elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Sie kann dann vorteilhaft an
einer Rotationsachse und/oder parallel zu dieser ausgerichtet an
einem um die Rotationsachse verschwenkbaren mikrooptischen Element
angeordnet sein.
-
Mit
mehreren parallel zueinander ausgerichteten und in einem geeigneten
Abstand zueinander angeordneten Höhenstufen kann aber auch ein
optisches Gitter zur Verfügung
gestellt werden.
-
Für eine Auslenkung
können
unterhalb des Substrates, also an der einer optisch wirksamen Oberfläche gegenüberliegenden
Seite, Elektroden angeordnet sein, die in geeigneter Form elektrisch angesteuert
werden können,
um eine gewünschte Auslenkung/Verschwenkung
zu erreichen.
-
Das
Substrat des mikrooptischen Elements kann mittels Pfosten mit einem
Träger
verbunden und in einem Abstand zu diesem gehalten sein. Mit den
Pfosten kann das Substrat über
elastisch verformbare Federelemente verbunden sein. Die Federelemente
können
bei einem um eine Rotationsachse verschwenkbaren mikrooptischen
Element als Torsionsfedern ausgeführt sein.
-
Der
Träger
kann bevorzugt ein Siliziumsubstrat in Form eines Wafers mit integrierter CMOS-Schaltung
sein, die wiederum mit den bereits angesprochenen Elektroden elektrisch
kontaktiert ist.
-
Selbstverständlich können eine
Vielzahl von erfindungsgemäßen mikrooptischen
Elementen auch in Form eines Arrays zur Verfügung gestellt werden.
-
Bei
der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass auf einer Oberfläche eines
Trägers
zuerst eine Opferschicht ausgebildet wird. Die Opferschicht sollte
dabei eine homogene Schichtdicke und nur eine geringe Oberflächenrauhigkeit
aufweisen. Sie kann nach ihrer späteren Entfernung den Abstand
des Substrates zur Oberfläche
des Trägers vorgeben.
Opferschicht(en) können
mit amorphem Silizium, Siliziumdioxid, einem Photolack, Polyimid, TixAly, Aluminium,
MoxSiyNz,
TaxSiyNz,
CoxSiyNz,
SixNyOz,
GeOx (mit 0 < x ≤ 1,
0 ≤ y, z < 1) und/oder Molybdän gebildet
werden.
-
Auf
der einen Opferschicht wird dann das Substrat ausgebildet oder dort
aufgebracht. Die Ausbildung des Substrates kann durch Ausbildung
zweier Schichten, mit im Bereich von Höhenstufen eingeschlossener
Zwischenschicht erfolgen. Dies kann durch ein an sich bekanntes
Bedampfen im Vakuum, CVD-Verfahren oder auch durch Sputtern erreicht werden.
-
Das
Substrat kann aus Silizium, Aluminium aber auch einem anderen Werkstoff,
der bei der Arbeitswellenlänge
die gewünschten
optischen Eigenschaften aufweist, beispielsweise auch mit einem Nanolaminat,
gebildet sein. Als hochreflektierender Werkstoff kann beispielsweise
Aluminium eingesetzt werden. Die Zwischenschicht(en) können beispielsweise
mit Siliziumoxid, Molybdän,
Molybdänoxid, Germanium
oder Germaniumoxid ausgebildet werden. Eine Zwischenschicht sollte
möglichst
dem Substrat angepasste Eigenspannungen aufweisen und aus einem
Werkstoff gebildet sein, der selektiv zum Substratwerkstoff strukturierbar
ist. Außerdem
sollte der Werkstoff der Zwischenschicht inert gegenüber den Ätzprozessen
sein, die zur Entfernung der Opferschicht und zur Herstellung der
nachfolgend noch erläuterten
Durchbrechungen eingesetzt werden.
-
Nach
Ausbildung eines Substrats mit teilweise eingeschlossener Zwischenschicht
werden Durchbrechungen ausgebildet, mit deren Hilfe durch Ätzprozesse
eine Entfernung der Opferschicht erfolgen und dadurch das Substrat
freigelegt werden kann.
-
Die
Substrate der erfindungsgemäßen Elemente
sind in erhabenen Bereichen mit ihren Höhenstufen zwar gegenüber abgesenkten
Bereichen unterschiedlich aufgebaut, sind an der Oberfläche aber aus
einem einzigen homogenen Werkstoff gebildet. Somit ist eine homogene
Reflektivität
gegeben. Das Substrat ist dabei symmetrisch ausgebildet, was auf die
erhabenen und die abgesenkten Bereiche zutrifft. Das Substrat ist
dabei im Hinblick auf Werkstoffe und Schichtdicken vorzugsweise
symmetrisch zur Mittelebene der Zwischenschicht ausgebildet, wodurch eine
thermische Kompensation erreicht und eine Änderung der Planarität bei Tempera turschwankungen vermieden
wird. Es kann so eine thermische Kompensation erreicht und dadurch
eine Veränderung der
Planarität
bei Temperaturschwankungen vermieden werden. Bei Einhaltung der
Prozessparameter bei der Ausbildung und Entfernung der Schichten kann
die Eigenspannung in den zu beiden Seiten der Symmetrieebene gelegenen
einander zugeordneten identisch aufgebauten Teilen des Substrates
jeweils auf den gleichen Wert eingestellt werden, so dass wegen
der eingehaltenen Symmetrie keine Deformationen in Folge der für verschiedene
Schichtwerkstoffe unterschiedlichen Eigenspannungen auftreten. Darüber hinaus
wird durch den symmetrischen Aufbau erreicht, dass die Planarität der Elemente
relativ unempfindlich auf leichte Änderungen der Schichteigenschaften,
beispielsweise durch Targetabnutzung bei einer Sputterbeschichtung,
reagiert, da die Änderungen
gleichermaßen
zu beiden Seiten der Symmetrieebene wirken und sich damit kompensieren.
-
Ggf.
vorhandene Gradienten der Eigenspannung in Schichten können die
Symmetrie des Elements brechen, und zu einer schlechteren Planarität führen. Sie
lassen sich aber durch eine angepasste Prozessführung minimieren.
-
Die
Erfindung kann vorteilhaft für
die Direktbelichtung von Wafern, die Herstellung von Masken, Belichtung
von Leiterplatten, die Projektion von Abbildungen, die Modifikation
von Abbildungseigenschaften optischer Systeme, als optisches Gitter
oder Anwendungen in der adaptiven Optik eingesetzt werden.
-
Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
-
Dabei
zeigen:
-
1 bis 9 sukzessive
die Herstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen mikrooptischen
Elementes, als Phasenschieber mit einer Höhenstufe, das um eine Rotationsachse
verschwenkbar ist und
-
10 ein
Beispiel nach dem Stand der Technik.
-
Für die Herstellung
eines Beispiels eines erfindungsgemäßen mikrooptischen Elements
wird ein Träger 1 eingesetzt.
Dieser ist ein Siliziumsubstrat mit einem fest verdrahteten Elektrodenarray
bzw. einer integrierten CMOS-Schaltung. Letztere ist über elektrisch
leitende Verbindungen mit einer Gegenelektrode 3, einer
Substratelektrode 4 und einer Adresselektrode 5 kontaktiert.
Die genannten Verbindungen sind in einer dielektrischen Passivierungsschicht 2,
die aus Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid gebildet ist, eingebettet
(vgl. 1).
-
Darauf
wird beispielsweise in CVD-Technologie eine dielektrische Passivierungsschicht 6 aufgebracht
(vgl. 2). Diese wird später beispielsweise durch chemisch-mechanisches
Polieren geglättet und
dabei teilweise abgetragen (vgl. 3). Sie
bildet eine elektrische Isolation zwischen den Elektroden 3, 4 und 5.
Auf Elektroden können
dann Stopper 7 als Schicht abgeschieden und strukturiert
werden. Diese können
einen elektrischen Kurzschluss zwischen Substrat 10 und
Elektroden 3, 4 und 5 bei unbeabsichtigt
auftretenden zu hohen Auslenkungen vermeiden (vgl. 4).
-
Darauf
wird eine erste Opferschicht 8 in CVD- oder Sputtertechnik,
bzw. durch Aufschleudern eines flüs sigen Precursors abgeschieden
(vgl. 5). Diese kann beispielsweise aus amorphem Silizium,
Siliziumoxid oder einem Polymer (z. B. Polyimid) gebildet sein.
Sie gibt den späteren
Abstand zwischen Substrat 10 und den Elektroden 3, 4 und 5 vor
und bestimmt somit auch die Spannungs-Auslenkungskennlinie beim
elektrischen Betrieb mit Auslenkung des mikrooptischen Elements.
-
Bei
dem Beispiel wird nach der Ausbildung von Durchbrechungen 13' in der Opferschicht 8,
die für
eine Ausbildung von Pfosten 11 vorgesehen sind, dann auf
die Opferschicht 8 und in die Durchbrechungen 13' eine erste
substratbildende Schicht 10' abgeschieden.
Diese Schicht 10' sollte
zumindest in Bereichen, die später
eine optisch wirksame Oberfläche bilden,
eine homogene Schichtdicke aufweisen.
-
Auf
die Oberfläche
der ersten substratbildenden Schicht 10' wird dann in strukturierter Form,
also auf Bereichen, an denen Höhenstufen
ausgebildet werden sollen, eine Zwischenschicht 9 durch
eine homogene Abscheidung und nachfolgende Strukturierung ausgebildet.
Die Zwischenschicht 9 wird mit einer Schichtdicke, die
einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 der vorgegebenen Arbeitswellenlänge der
elektromagnetischen Strahlung entspricht, abgeschieden (vgl. 6).
-
Die
Zwischenschicht 9 kann dabei aus Siliziumoxid, Molybdän, Molybdänoxid, Germanium
oder Germaniumoxid gebildet werden.
-
Die
Anordnung und die Dimension mit der Stufenhöhe der Höhenstufe(n) sind zu diesem
Zeitpunkt bereits vorgegeben.
-
Auf
die so strukturierte Oberfläche,
also sowohl auf Bereiche mit Zwischenschicht 9 als auch
auf Oberflächenbereiche
die nur mit erster substratbildender Schicht 10' gebildet sind,
wird eine zweite substratbildende Schicht 10'' ausgebildet,
wie in 7 gezeigt. Diese zweite Schicht 10'' soll dabei zur Einhaltung einer
Symmetrie die gleiche Schichtdicke, wie die erste substratbildende
Schicht 10' aufweisen.
So ist im Bereich der Höhenstufen
die Zwischenschicht 9 symmetrisch im Substratwerkstoff eingeschlossen
und gibt dabei die Stufenhöhe
der Höhenstufe
vor.
-
Es
werden Durchbrechungen 13 durch Substrat 10 und
Zwischenschicht 9 durch Ätzen ausgebildet, was aus 8 hervorgeht.
Dabei sollten Durchbrechungen 13 bevorzugt im Bereich von
Pfosten 11 ausgebildet sein. Mit Pfosten 11 wird
dann das Substrat 10 am Träger 1 über im gezeigten
Querschnitt nicht sichtbare Federelemente gehalten.
-
In
einem isotropen Trockenätzprozess
wird dann die Opferschicht 8 zwischen Substrat 10 und Träger 1 vollständig entfernt
und das Substrat 10 freigelegt, wie dies als fertig hergestelltes
mikrooptisches Element in 9 gezeigt
ist.