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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung mikromechanischer
dreidimensionaler (3D) Strukturen mittels mechanischer Vorauslenkung
von zweidimensionalen (2D) Strukturen aus einer Waferebene oder
einer Substratebene und einer anschließenden eventuellen
Fixierung im ausgelenkten Zustand.
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Solche
dreidimensionalen Strukturen werden in der Mikro- und Mikrosystemtechnik
verwendet und beispielsweise zur Erzeugung von elektrostatischen
dreidimensionalen Antriebsstrukturen verwendet. Solche Antriebe
können für viele Mikrosysteme interessant sein,
insbesondere für Mikroscanner zur Bildprojektion. Solche
3D-Strukturen können z. B. genutzt werden, um einen elektrostatischen
Antrieb zu realisieren, der über einen großen
Translations- bzw. Rotationsbereich, Kräfte und Momente
aus einer Waferebene heraus erzeugen kann.
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Verschiedene
Möglichkeiten zur Auslenkung von Strukturen aus einer Waferebene
sind bekannt. Bekannte Verfahren nutzen Materialspannungen eines
Substratmaterials oder einer Substratschichtkombination zur Verwölbung
des Substrats an definierten Stellen. Die Verwölbung kann
dann zum Auskippen oder Verdrehen der Strukturen aus dem Substrat
genutzt werden. Die Materialspannung kann bei Materialpaarungen
intrinsisch sein oder durch einen so genannten Aktor aufgeprägt
werden. Die durch Materialspannung erreichbaren Verkrümmungen
des Substrats sind jedoch gering. Zudem ergibt sich auf dem Substrat
großer Platzbedarf, um die Materialspannung aufzubauen
und signifikante Anstellwinkel der Strukturen gegenüber
dem Substrat zu realisieren. Sie können durch lokales Abdünnen
des Substrats vergrößert werden, was jedoch die
mechanische Belastbarkeit der auszulenkenden Struktur schwächen
kann und zu niederfrequenten Schwingungsmoden führen kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung
einer mikromechanischen Struktur und ein mikromechanisches Bauelement
zu schaffen, die die oben beschriebenen Nachteile bisheriger Lösungen
vermindern oder vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch
1 und durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
mikromechanischen Struktur, mit folgenden Schritten:
Ausbilden
einer auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Struktur in einem
Substrat; und
Anordnen der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen
Struktur in einem Gehäuse derart, dass ein integrierter
Mikromanipulator zwischen dem Gehäuse und der zweidimensionalen
Struktur angeordnet ist, um eine Auslenkung der zweidimensionalen
Struktur aus einer Ebene des Substrats zu bewirken.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung schaffen ein Mikromechanisches Bauelement,
mit einem Gehäuse, einem Substrat, einer zweidimensionalen
Struktur, die in dem Substrat angeordnet ist, und einem Mikromanipulator,
der derart zwischen dem Gehäuse und der zweidimensionalen Struktur
angeordnet ist, dass die zweidimensionale Struktur aus einer Ebene
des Substrats ausgelenkt ist.
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Bei
Ausführungsbeispielen der Erfindung ist gezeigt, dass der
Mikromanipulator als fester Bestandteil der Gehäusung bzw.
des Bauelementepackagings ausgeführt sein kann. Während
der Gehäusung bzw. des Packagings des mikromechanischen Bauelementes
kann mittels des Mikromanipulators die Vorauslenkung bzw. Auslenkung
der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Struktur und somit die Realisierung
einer dreidimensionalen Struktur erfolgen. Nach der Realisierung
der dreidimensionalen Struktur kann der Mikromanipulator im mikromechanischen
Bauelement verbleiben, so dass die dreidimensionale Auslenkung der
Struktur bereits durch die Geometrie, sowie durch den Form- und
Kraftschluss mit dem Mikromanipulator fest definiert sein kann.
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Bei
Krafteinleitung bzw. Momenteinleitung über den Mikromanipulator
kann sich das Bauelement gemäß seiner Lagerung
aus der Waferebene heraus drehen, verkippen oder verschieben. Das ausgelenkte
Bauteil bzw. die dreidimensionale Struktur kann nun fixiert werden.
Eine Fixierung kann formschlüssig, kraftschlüssig
oder materialschlüssig erfolgen. Als formschlüssige
Fixiermethode können beispielsweise mechanische Haken oder
Riegel verwendet werden, die das zweidimensionale Element im ausgelenkten
Zustand blockieren bzw. arretieren. Als stoffschlüssige
Fixiermethode kann beispielsweise Kleben, Bonden, Löten
oder Anlegieren durchgeführt werden. Kraftschlüssig
können die ausgelenkten zweidimensionalen Elemente beispielsweise durch
das Wirken von Adhäsionskräfte, Klemmkräfte und
durch Reibungskräfte befestigt werden. Anschließend
bildet das zweidimensionale Element der strukturierten Waferebene
ein dreidimensionales Element.
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Der
Mikromanipulator kann als mikromechanisch oder präzisionsmechanisch
gefertigte Struktur ausgeführt sein und kann fester Bestandteil
des gehäusten bzw. des gepackagten Bauelementes sein. Dabei
kann sich der Mikromanipulator im dauerhaften Eingriff mit der vorauszulenkenden
zweidimensionalen Struktur befinden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2 eine
Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen eindimensionalen Scannerspiegels
vor der Häusung;
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3 eine
Querschnittsdarstellung eines gehäusten eindimensionalen
Scannerspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Querschnittsdarstellung eines gehäusten Bauelementes mit über
Mikromanipulatorstruktur nach unten ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Querschnittsdarstellung eines gehäusten mikromechanischen
Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Querschnittsdarstellung eines gehäusten mikromechanischen
Bauelementes, welches auf der Oberseite mit einem optischen Deckglas verschlossen
ist;
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7 eine
Querschnittsdarstellung, bei dem das gehäuste mikromechanische
Bauelement auf seiner Oberseite mit einem Deckglas verschlossen ist,
bei dem das optische Fenster gekippt auf dem gehäusten
mikromechanischen Bauelement angeordnet ist;
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8 eine
Querschnittsdarstellung eines als Einzelbauelement auf Chiplevel
gehäusten mikromechanischen Bauelementes gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
Querschnittsdarstellung eines als Einzelbauelement auf Chiplevel
gehäusten mikromechanischen Bauelementes, welches ein optisches Fenster
verkippt zum mikromechanischen Bauelement aufweist;
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10 eine
Querschnittsdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, mit nach oben ausgelenkten bzw. verkippten
zweidimensionalen Strukturen;
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11 eine
Querschnittsdarstellung von nach oben über Mikroaktuatorstrukturen
ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen;
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12 eine
Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit wechselseitig nach oben und nach unten ausgelenkten bzw. verkippten
zweidimensionalen Strukturen;
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13 eine
Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit wechselseitig nach oben und nach unten ausgelenkten bzw. verkippten
zweidimensionalen Strukturen;
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14 eine
Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, mit wechselseitig nach unten und nach
oben ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen, wobei
die Mikromanipulatorstrukturen auf der Rückseite des Bauelementes
angreifen;
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15 eine
Querschnittsdarstellung eines schematischen Ausführungsbeispiels
eines gehäusten Mikrobauelementes mit über Mikromanipulatoren ausgelenkten
zweidimensionalen Strukturen, das selbstjustierende Montagestrukturen
aufweist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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16 eine
Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, welches
mittels Mikromanipulatorstrukturen ausgelenkte zweidimensionale
Strukturen aufweist, wobei die auszulenkenden zweidimensionalen
Strukturen über ein Parallelgelenk gelagert sind und im
ausgelenkten Endzustand verkippt zur Substratebene angeordnet sind;
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17 eine
Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei
dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen ein Parallelgelenk
aufweisen und nach oben verkippt sind, wobei die auslenkenden Mikromanipulatorstrukturen von
der Bauelementrückseite angreifen;
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18 eine
Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei
dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, die ein Parallelgelenk
aufweisen, starr mit einer zur Krafteinleitung dienenden Kontaktfläche
gekoppelt sind, so dass die zweidimensionalen Strukturen im ausgelenkten
Endzustand parallel ausgerichtet sind;
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19 eine
Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei
dem die relevanten zweidimensionalen Strukturen in Analogie zur 18 parallel
zum Ausgangssubstrat ausgelenkt werden, in diesem Fall aber in Richtung
Gehäuseboden;
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20 eine
Querschnittsdarstellung von mehreren auf einer Trägerfolie
oder einem Trägersubstrat geklebten gehäusten
Mikrobauelementen ohne optischen Fensterdecksubstrat mit über
rückseitig angreifenden Mikroaktuatorstrukturen;
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21 eine
Querschnittsdarstellung von gehäusten Mikrobauelementen
mit optischem Fensterdecksubstrat mit von der Bauelementvorderseite
angreifenden Mikroaktuatorstrukturen ausgelenkte zweidimensionale
Strukturen, wobei der Scheibenverbund auf eine Trägerfolie
geklebt ist;
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22 eine
Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung, eines bei der Bauelementgehäusung über entsprechende
Mikroaktuatorstrukturen dauerhaft zum Substrat und zum optischen
Fenstersubstrat verkippt ausgelenkten Mikrobauelementes;
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23 eine
Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen zweidimensionalen
Scannerspiegels für ein Gehäuse oder Packaging
nach 22.
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Bezug
nehmend auf 1 wird mit Hilfe des Flussdiagramms
das Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen mikromechanischen
Bauelementen aus zweidimensionalen Elementen erläutert.
Das Verfahren umfasst das Ausbilden 100 einer auslenkbar
gelagerten zweidimensionalen Struktur in einem Substrat und das
Anordnen 102 der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen
Struktur in einem Gehäuse oder in Teilen einer Gehäusestruktur
(Häusen). Das Gehäuse umfasst einen integrierten
Mikromanipulator, so dass durch eine Kraftwirkung des Mikromanipulators
auf die zweidimensionale Struktur eine Auslenkung der zweidimensionalen
Struktur aus der Substratebene zur Bildung der dreidimensionalen Struktur
durchgeführt wird auf. Der Mikromanipulator kann Teil des
Gehäuses sein, z. B. des Gehäusedeckels, so dass
derselbe beim Aufsetzen des Deckels mit der zweidimensionalen Struktur
in Kontakt kommt und diese auslenkt. Alternativ kann der Mikromanipulator
Teil der zweidimensionalen Struktur sein, do dass z. B. beim Verschließen
des Gehäuses ein Deckel mit dem Mikromanipulator in Kontakt
kommt und eine Auslenkung der zweidimensionalen Struktur bewirkt.
Der Mikromanipulator kann auch ein getrenntes Bauteil sein, das
nach dem Einbringen der zweidimensionalen Struktur in ein Gehäuse
ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet wird, so dass durch
den Mikromanipulator beim Aufsetzen des Deckels die zweidimensionale
Struktur ausgelenkt wird.
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Das
Bilden der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Strukturen in
einem Substrat kann z. B. in einem Wafer erfolgen. Die dreidimensionalen Elemente
bzw. Strukturen werden also zunächst als zweidimensionale
Strukturen mikrotechnisch in der Substratebene erzeugt. Dies ermöglicht
eine gute Fertigbarkeit der Strukturen. Die zweidimensionalen Strukturen
werden so gefertigt, dass sie auslenkbar sind, aber beispielsweise über
dafür vorgesehene Festlager in der Substratebene gehalten
werden. Die Festlager bestimmen den Freiheitsgrad für die
Auslenkung der Strukturen aus der Ebene. Die Strukturen können
an geeigneter Stelle mit mechanischen Kontaktflächen versehen
werden, über die dann mit einer mechanischen Struktur,
wie z. B. einem Dorn, einem Stift, einer Nadel, einer Mesastruktur
oder einer anderen Einrichtungen eine Kraft bzw. ein Moment definiert
in das zweidimensionale Bauelement eingeleitet werden kann. Im Weiteren
werden diese Strukturen als Mikromanipulatoren oder auch Mikroaktuatoren
bezeichnet. Eine Mesastruktur kann eine sich erhebende, plateauähnliche
Halbleiterstruktur sein, deren Umgebung weggeätzt wurde.
Dadurch kann die 2D-Struktur aus der Substratebene vorausgelenkt
werden und damit eine 3D-Struktur entstehen.
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Der
Mikromanipulator kann als fester Bestandteil des Gehäuses,
der Gehäusung bzw. des Bauelementpackages oder mit Teilen
des Gehäuses integriert sein, und so dazu genutzt werden,
beim Häusen oder Gehäusen des mikromechanischen Bauelementes
eine Kraft bzw. ein Moment definiert auf das zweidimensionale Bauelement
auszuüben, um dadurch die zweidimensionale Struktur auszulenken
und damit die dreidimensionale Struktur zu bilden. Nach der Realisierung
der dreidimensionalen Struktur durch den Mikromanipulator, der fester
Bestandteil des Gehäuses sein kann, kann der Mikromanipulator
im dauerhaften Einsatz in dem mikromechanischen Bauteil verbleiben,
so dass die dreidimensionale Auslenkung der Struktur bereits durch die
Geometrie sowie Form- und Kraftschluss mit dem Mikromanipulator
fest definiert ist. Denkbar ist auch, dass die ausgelenkte zweidimensionale
Struktur in der ausgelenkten Position durch andere Hilfsmittel fixiert
wird. Diese Fixierung kann dabei formschlüssig, reibschlüssig
oder materialschlüssig erfolgen.
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Die
Häusung des mikromechanischen Bauelementes kann dabei auf
Waferebene erfolgen und damit die Anzahl der gleichzeitig gehäusten
mikromechanischen Bauelemente erhöht werden oder aber in
Einzelschritten. Es ist auch denkbar, dass die mikromechanischen
Bauteile zuerst vereinzelt werden und anschließend in externe
Gehäuse, beispielsweise aus Metall, Kunststoff, Glas oder
Keramik, eingebaut werden.
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In
dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist eine mikrotechnisch
zweidimensional gefertigte und rotatorisch gelagerte Elektrodenstruktur
auf einem Wafer bzw. einem bereits vereinzelten Chip und die Erzeugung
einer dreidimensionalen Struktur, wie beispielsweise einer dreidimensionalen
Antriebselektrode durch Aufstellen dieser zweidimensionalen Struktur
mit einem dauerhaft mit dem Gehäuse bzw. dem gehäusten
mikrotechnischen Bauelement verbundenen Mikromanipulator während
des Packagingprozesses bzw. des Häusungsprozesses dargestellt.
Es wird gezeigt, wie diese zweidimensionalen Strukturen während
der Gehäusung mittels mechanischer Strukturen – den
Mikromanipulatoren oder Mikroaktuatoren – aus einer Ebene
ausgelenkt und dort dauerhaft fixiert werden können. Es
sollte darauf hingewie sen werden, dass die verschiedenen Möglichkeiten
zur Auslenkung und Fixierung der zweidimensionalen Struktur in einer
großen varianten Vielfalt miteinander kombiniert werden
können, weshalb hier nicht alle Möglichkeiten
dargestellt sind. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen
deshalb keine Einschränkung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der mikromechanischen Bauelemente, die einen integrierten
Mikromanipulator aufweisen und mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt werden, dar.
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2 zeigt
die Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen eindimensionalen
Scannerspiegels 11 vor der Gehäusung, bei dem
sich bewegliche 10 und stationäre 12 Antriebs-
bzw. Kammelektroden nach der mikromechanischen Fertigung in derselben Substratebene 14 eines
zweidimensional strukturierten Wafers befinden. Die beweglichen
Antriebeselektroden 10 sind zusammen mit dem Scannerspiegel 15 auf
einer drehbar gelagerten Torsionsachse 20 angebracht. Die
stationären Elektroden 12 sind über Torsionsfedern 16 ebenfalls
um eine Torsionsachse 21 drehbar gelagert. Durch Krafteinleitung
an den Kontaktstellen 18 mittels eines Mikromanipulators lassen
sich die stationären Elektroden 12 aus der Substratebene 14 auslenken
und hierdurch eine dreidimensionale Struktur erzeugen. Die zweidimensionale
Struktur kann beispielsweise in der sogenannten Silicon-On-Insulator
(SOI)-Technik hergestellt werden und über Festlager 19 welche
nach einer Ätzung des Siliziumsubstrates 14 auf
der darunter liegenden Oxidschicht 22 verbleiben gelagert
sein.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand
einer Querschnittsdarstellung eines bereits gehäusten eindimensionalen Scannerspiegels
nach 2 dargestellt. Die Querschnittsdarstellung verläuft
senkrecht zur Torsionsachse 20 des Scannerspiegels. Die
zweidimensionale Struktur wird durch eine mechanische Struktur, dem
Mikromanipulator 24, welcher an den Kontaktstellen 18 (siehe 1)
der verkippbar gelagerten stationären Elekt rodenstruktur 12 angreift,
aus der Waferebene gekippt. Dabei ist die zur dreidimensionalen
Auslenkung genutzte Mikromanipulatorstruktur 24, welche
im Weiteren auch als Aktivierungsstruktur oder Mikroaktuatorstruktur
bezeichnet wird, fest mit dem Bauelementgehäuse 22 verbunden.
Der Mikromanipulator 24 kann mit der Deckelstruktur 26 des Bauelementgehäuses 22 verbunden
sein. Nach einer Justage des optischen Deckglases 26 wird
die stationäre Antriebselektrode 12 durch Herunterdrücken des
flächigen Verbindungssteges 18 der Gegenelektroden 12 ausgelenkt.
Das optische Deckglas 26 kann also neben dem hermetischen
Gehäuseverschluss auch als Träger für
den Mikromanipulator dienen. Die Drehung der stationären
Elektroden 12 erfolgt, bei Krafteinwirkung um die Drehachse
der Torsionsfedern 16.
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Nach
dem Herabdrücken des Deckglases kann dieses fest mit dem
zu gehäusenden Mikrobauelement, direkt oder unmittelbar über
eine Rahmenstruktur 30a, welche als Abstandshalter dient, und
zur Realisierung einer Kavitätsstruktur eingesetzt werden
kann, verbunden werden. Dabei kann die Verbindung zwischen dem mikromechanischen Bauelement 14,
dem Abstandhalter 30, dem Glasdeckel 26 und dem
Bodensubstrat 28 beispielsweise durch Kleben, Waferbonden,
anodischen oder Silizium-Direktbonden, Löten, Anlegieren,
durch Solid Liquid Inter Diffusion (SLID) oder andere formschlüssige
Verbindungen erfolgen. Die Auslenkung der zweidimensionalen Struktur
ist dabei durch die Geometrie, die Anordnung und die Fertigungs-
sowie Justagetoleranzen des Mikromanipulators fest definiert.
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Unter
Häusen oder Gehäusen kann also auch eine Justage
eines Deckglases relativ zu dem Mikrobauelement und z. B. das Herabdrücken
des Deckglases mit dem integrierten Mikromanipulator zum hermetischen
Gehäuseverschluss und zum Auslenken der 2D-Struktur angesehen
werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Gehäuse nicht
hermetisch verschlossen ist und der Mikromanipulator nur mit Teilen
einer Gehäusestruktur, die z. B. eine Rahmenstruktur, eine
De ckelstruktur oder eine Bodenstruktur aufweisen kann, fest verbunden
ist.
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Die
Gehäusung des mikromechanischen Bauelementes, in diesem
Ausführungsbeispiels des Mikrospiegels, sowie die simultane
Vorauslenkung der zweidimensionalen Struktur zur Realisierung von dreidimensionalen
Strukturen kann vorzugsweise im Waferverbund erfolgen, um eine hohe
Parallelität bei der Häusung der Bauelemente zu
erreichen und somit geringere Fertigungskosten zu ermöglichen.
Die bisherigen, sowie alle weiteren Ausführungen gelten aber
in gleicher Weise auch auf die Gehäusung und simultane
Auslenkung eines einzelnen mikromechanischen Bauelementes.
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Es
ist denkbar, dass zur Reduzierung der Belastungen und Vermeidung
von Partikelbildung, die sich bei der Auslenkung der zweidimensionalen Struktur
im direkten mechanischen Kontakt befindlichen Kontaktflächen
mit zusätzlichen verschleißfesten oder duktilen
Materialien beschichtet sind. Dabei können sowohl die Kontaktflächen
der auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, als auch die Mikromanipulatorkontaktflächen
mit zusätzlichen verschleißfreien Materialien
beschichten sein. Bei diesen Materialien kann es sich beispielsweise
um Oxide, Nitride, Siliziumnitrid, Karbidschichten, Diamantschichten
und/oder duktile Schichten, also beispielsweise Metalle wie Gold,
Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel und andere Metalle handeln.
Es können aber auch Polymere, wie Photolack, Polyamide, Teflon
oder andere polymere Materialien handeln.
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Des
Weiteren können die Kontaktflächen der zur Auslenkung
der zweidimensionalen Strukturen eingesetzten Mikromanipulatoren
geometrisch so gestaltet sein, das sie für den zu realisierenden
Auslenkwinkel der auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen eine
maximale und parallel zur ausgelenkten zweidimensionalen Struktur
ausgerichtete Kontaktfläche aufweisen.
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Die
Kontaktfläche der auszulenkenden zweidimensionalen Struktur
kann durch Lagerung der Kraftangriffsfläche des Mikromanipulators
durch zusätzliche Federelemente so gestaltet sein, so dass sich
die Kontaktfläche der ausgelenkten zweidimensionalen Struktur
parallel zur Kontaktfläche des angreifenden Mikromanipulators
selbstständig parallel ausrichten kann. Hierdurch kann
eine größtmögliche Kontaktfläche
zwischen der ausgelenkten zweidimensionalen Struktur und dem angreifenden
Mikromanipulator erreicht werden.
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Weiterhin
kann nach erfolgter Auslenkung der zweidimensionalen Struktur mittels
des Mikromanipulators ihr gemeinsamer Kontakt durch Verwendung von
material- bzw. stoffschlüssigen, z. B. Kleben, Bonden,
Löten, SLID, Anlegieren, oder formschlüssigen,
z. B. mechanischen Verriegeln oder kraftschlüssigen Verbindungen
dauerhaft fixiert werden. Kraftschlüssige Verbindungen
können z. B. durch Adhäsions-, Reibe- oder Klemmkräfte
erzielt werden. Die mittels Mikromanipulatoren auslenkbaren zweidimensionalen
Strukturen können beispielsweise über Torsionslagerungen, über
eine Parallelführung durch entsprechende Gelenke, wie z.
B. ein Viergelenk oder auch der Lagerung über Biegefedern beweglich
gelagert sein.
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In 3 sind
die über die Torsionsachse 20 verkippte bewegliche
Elektrode 10 und die über die beiden Mikromanipulatoren 24 (Angular
Vertical Comb (AVC)-Aktivierungsstrukturen) und über die Torsionsfedern 16 ausgelenkten
stationären Elektroden 12 (AVC-Gegenelektroden)
dargestellt. Die Rahmenstruktur 14 mit dem integrierten
Bauelement ist zwischen der Deckelstruktur 26, einer Rahmenstruktur 30a und
einer Bodensubstratstruktur 28 mit dem dazugehörigen
Abstandshalter 30b angeordnet.
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In 4 ist
ein gehäustes mikromechanisches Bauelement mit über
Mikromanipulatorstrukturen nach unten vorausgelenkten, gekippten
zweidimensionalen Strukturen dargestellt. Dabei sind die Mikromanipulatorstrukturen 24 fest mit
einem optischen Decksubstrat 26 verbunden, welches im relevanten
Wellenlängenbereich einer elektromagnetischen Strahlung,
die mit dem Scannerspiegel 15 wechselwirkt, einen hohen
Transmissionsgrad besitzt. Das Deckglas 26 kann nach der
Gehäusung oder Häusung fest mit dem mikromechanischen
Bauelement verbunden sein. Dabei kann das Deckglas direkt oder indirekt über
einen Rahmen bzw. eine Abstandsstruktur 30a, welche selber
aus mehreren Einzelbestandteilen bestehen kann, verbunden sein. Optional
kann das mikromechanische Bauelement auf seiner Rückseite
mit einem Bodensubstrat 28 und einer Rahmenstruktur 30b fest
verschlossen sein.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines gehäusten mikromechanischem
Bauelementes 9 mit über Mikromanipulatorstrukturen 24 nach
unten vorausgelenkten, gekippten zweidimensionalen Strukturen. Bei
den Strukturen kann es sich wieder beispielsweise um den oben beschriebenen
Scannerspiegel mit den entsprechenden Elektroden 12 und der
entsprechenden Torsionsachse 20 bzw. den Torsionsfedern 16 handeln.
Dabei kann die Mikromanipulatorstruktur 24 fest oder monolithisch
mit einer Trägerstruktur 32 verbunden sein. Die
Trägerstruktur 32 braucht beispielsweise selbst
keine optische Funktion aufweisen und braucht daher auch nicht transparent
sein, aber sie kann im Bereich der optisch wirksamen Fläche
des mikromechanischen Bauelementes 9 eine Apertur 34 zur
ungehinderten optischen Ein- und Auskopplung besitzen. Für
mikromechanische Bauelemente ohne optische Funktion ist keine Apertur 34 in
der Trägerstruktur 32 erforderlich.
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Die
Trägerstruktur ist nach der Gehäusung fest mit
dem mikromechanischen Bauelement verbunden. Dabei ist die Trägerstruktur
direkt oder indirekt über eine Rahmenabstandsstruktur 30a verbunden.
Optional kann das mikromechanische Bauelement wieder auf seiner
Rückseite mit einem Bodensubstrat 28 und der Rahmenstruktur 30b fest
verschlossen sein.
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6 zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel wieder eine Querschnittsdarstellung
eines mikromechanischen Bauelementes 9, das analog zu dem Ausführungsbeispiel
aus 5 aufgebaut ist, wobei das gehäuste mikromechanische
Bauelement 9 auf seiner Oberseite bzw. Vorderseite mit
einem optischen Deckglas 26 verschlossen ist, um einen
hermetischen Bauelementeverschluss und Schutz für das Bauelement
zu ermöglichen. Dabei ist das optische Deckglas 26 parallel
zum mikromechanischen Bauelement ausgerichtet und fest mit der Trägerstruktur 32 der
Mikroaktuatorstrukturen 24 verbunden. Im Bereich des optisch
wirksamen Bereiches des gehäusten Mikrobauelementes besitzt
die Trägerstruktur eine freie Apertur zur ungehinderten
optischen Ein- und Auskopplung.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird in 7 ein analoges Bauelement wie
in 5 dargestellt, jedoch ist das gehäuste
mikromechanische Bauelement 9 auf seiner Oberseite mit
einem optischen Deckglas 36 verschlossen, bei dem das optische
Fenster gekippt zum gehäusten mikromechanischen Bauelement 9, sowie
zur Trägerstruktur 32 ausgerichtet ist. Dabei kann
die Verkippung des optischen Deckglases 36 über
eine entsprechend geformte Fensterfassung 38 erfolgen,
wobei letztere fest mit der Trägerstruktur 32 verbunden
sein kann.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Gezeigt ist ein als Einzelbauelement 40 auf
Chiplevel gehäustes mikromechanisches Bauelement 9 mit
nach unten ausgelenkten, verkippten Elektrodenstrukturen 12. Dabei
ist der mikromechanische Bauelementechip 40 in einer Kavität 41 eines
Gehäuses 42, das beispielsweise aus Keramik, aus
Metall, z. B. ein Metall-CAN-Gehäuse, aus Kunststoff oder
aus Glas besteht, positioniert und fest mit diesem verbunden. Der mikromechanische
Bauelementechip 40 kann z. B. durch Kleben 44,
Bonden oder Löten oder anderen Verbindungsmöglichkeiten
mit dem externen Gehäuse 42 verbunden sein. Mit
dem äußeren Gehäuse kann die Trägerstruktur 32 der
Mikroaktuatorstrukturen 24, beispielsweise über
Kleben, Bonden, Löten oder anderen Verbindungsmöglichkeit,
fest verbunden sein. Dabei ist das Trägersubstrat einschließlich der
Mikromanipulatorstrukturen bzw. Mikroaktuatorstrukturen relativ
zu dem mikromechanischen Bauelement 40 justiert. Die Auslenkung
bzw. Verkippung der zweidimensionalen Strukturen erfolgt dann beim zusammenfügen
von Trägersubstrat 32 und äußerem
Gehäuse 42. Falls es sich um ein optisches Bauelement
handelt, wie in diesem Ausführungsbeispiel, kann im Bereich
der optisch wirksamen Bereiche des Mikrobauelementes die Trägerstruktur
eine freie optische Apertur 34 zur ungehinderten optischen
Ein- und Auskopplung aufweisen. Zum hermetischen Gehäuseverschluss
kann man das Gesamtgehäuse 42 mit einem parallel
zur Trägerstruktur 32 ausgerichteten und fest
mit diesem verbundenen Deckglas 26 verschlossen werden.
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Alternativ
dazu kann, wie im Ausführungsbeispiel der 9 gezeigt
ist, das auf Chiplevel als Einzelbauelement 40 gehäuste
mikromechanische Bauelement 9, mit seinen nach unten über
Mikromanipulatorstrukturen 24 ausgelenkten, verkippten Strukturen 12 ein
optisches Fenster 36 verkippt zum mikromechanischen Bauelement 9 aufweisen.
Dabei kann die Verkippung des optischen Fensters 36 über eine
entsprechend geformte Fensterfassung 38 erreicht werden,
wobei letztere fest mit der Trägerstruktur 32 verbunden
sein kann. Es ist z. B. auch denkbar, dass das Trägersubstrat 32 selber
als Fensterfassung dient und hierzu entsprechend dreidimensional
strukturiert ist, z. B. keilförmig, so dass das optische
Fenster 36 zum Mikrobauelement 40 verkippt ist.
Die Herstellung eines derartigen dreidimensionalen Trägersubstrates
kann durch mechanische Mikropräzisionsbearbeitung, Mikroabformung,
Mikrospritzguss oder durch die so genannte LIGA (Lithographie-Galvanik-Abformung)
Technik erfolgen.
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In 10 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
in einer Querschnittsdarstellung durch ein mikromechanisches Bauelement 9,
welches die oben bereits beschriebenen Strukturen aufweist, dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die ausgelenkten,
verkippten zweidimensionalen Strukturen, die z. B. Kammelektroden
eines Scannerspiegels sein können, in Richtung der Deckelstruktur
bzw. des optischen Deckglases 26 ausgelenkt. Hierzu können sich
die zur Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen erforderlichen
Mikroaktuatorstrukturen 24 auf der Rück- bzw.
der Unterseite oder dem Bodensubstrat des mikromechanischen Bauelementes 9 befinden
und damit fest verbunden sein. Das Bodensubstrat 28 kann
relativ zum mikromechanischen Bauelementesubstrat 14 justiert
und fest mit diesem, z. B. durch Kleben, Waferbonden, Löten
oder die SLID-Technik verbunden sein. Dabei kann die Auslenkung
der zweidimensionalen Strukturen mittels der Mikroaktuatorstrukturen 24 beim
Fügen bzw. Häusen oder Gehäusen von Boden- 28 und
Bauelementesubstrat 14 erfolgen. Auf der Oberseite des
mikromechanischen Bauelementes 9 kann sich optional wieder
ein optisches Deckglas 26 befinden, das als Fenster dienen
kann. Der Rahmen bzw. die Rahmenstrukturen 30a, 30b können
als Abstandshalter zum optischen Fenster dienen und über
der optischen wirksamen Fläche des Mikrobauelementes eine
Kavität 41 bilden.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
wobei das mikromechanische Bauelement in Richtung der Bauelementoberseite,
also in Richtung des Deckglases 26, ausgelenkte zweidimensionale
Strukturen aufweist. Die dazu erforderlichen Mikroaktuatorstrukturen
greifen auf der Oberseite der verkippbaren Elektroden 12 an.
Die Mikroaktuatorstrukturen 24 sind dabei fest mit einem
optionalen Trägersubstrat 26 oder direkt mit dem
optischen Deckglas verbunden. Die Verkippung oder Auslenkung der
zweidimensionalen Strukturen in Richtung der Oberseite des mikromechanischen Bauelementes 9 wird
in diesem Beispiel durch die Krafteinwirkung und der Ausübung
eines Drehmoments an der kurzen Seite des angreifenden Hebelarms,
welcher zwischen den Torsionsfedern 16 und dem Ort der
Krafteinwirkung auf die Elektroden 12 ausgebildet ist erzielt.
Das Deckglas 26 bzw. die Trägerstruktur kann wieder über
einen Abstandhalter 30a fest mit dem Mikrobauelementsubstrat 14 verbunden
sein. In dem Ausführungsbeispiel ist nur das Deckglas 26,
ohne optionale Trägerstruktur 32 gezeigt.
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In 12 ist
ein Ausführungsbeispiel mit wechselseitig nach oben und
unten ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen 12 gezeigt. Dabei
kann es sich wieder um die bereits oben erwähnten, verkippbaren,
stationären Kammelektroden 12 des eindimensionalen
Scannerspiegels handeln. Die zur Auslenkung der zweidimensionalen
Struktur verwendeten Mikroaktuatorstrukturen 24 finden
sich dabei sowohl auf der Ober-, als auch auf der Unterseite des
mikromechanischen Bauelementes. Dabei sind die Mikroaktuatorstrukturen 24 entweder
mit dem Bodensubstrat 28 bzw. mit der frontseitigen Trägerstruktur
oder direkt mit dem Fensterglas 26 fest verbunden. Mittels
der Mikroaktuatorstrukturen erfolgt die Auslenkung der zweidimensionalen
Strukturen beim Fügen bzw. Häusen oder Gehäusen
des mikromechanischen Bauelementesubstrats 14 mit dem Boden- 28 und
Deck- bzw. Fenstersubstraten 26 und den betreffenden Rahmenstrukturen 30a und 30b.
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In
dem Ausführungsbeispiel in 13 mit wechselseitig
nach oben und nach unten ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen
Strukturen 12 greifen die Mikroaktuatorstrukturen 24 auf
der Oberseite bzw. Vorderseite der Strukturen 12, also
von der Oberseite des Bauelementes 9 an. Die Mikromanipulatorstrukturen 24 sind
fest mit einem optionalen Trägersubstrat oder direkt mit
dem optischen Deckglas 26 verbunden. Dabei ist das Deckglas
bzw. die Trägerstruktur wieder über einen Abstandstandshalter den
Rahmenstrukturen 30a bzw. 30b fest mit dem Mikrobauelement
verbunden. In dem angeführten Ausführungsbeispiel
ist ebenfalls nur das Deckglas ohne optionale Trägerstruktur
gezeigt.
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Die
Lage der Kontaktflächen 18 der auslenkbaren zweidimensionalen
Strukturen 12 zur Krafteinleitung der Mikromanipulatorstrukturen
ist so angeordnet, dass die Mikroaktoren wechselseitig die zweidimensionalen
Strukturen nach unten bzw. alternierend nach oben auslenken bzw.
verkippen. Ein großer Vorzug des gezeigten Ausführungsbeispiels
besteht in der hohen Robustheit gegenüber lateralen Justagetoleranzen
von Mikroaktuatorstrukturen und auszulenkenden zweidimensionalen
Strukturen, da laterale Justagetoleranzen ebenfalls eine Verkippung der
Strukturen bewirken, so dass die Symmetrie des Bauelementes nicht
gestört wird.
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In 14 ist
ein zur 13 analoges Ausführungsbeispiel
mit wechselseitig in Richtung der Ober- und Unterseite des mikromechanischen
Bauelementes ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen gezeigt.
Dabei greifen die Mikroaktuatorstrukturen 24 auf der Unterseite
des Bauelementes, welches in dem Rahmen 14 realisiert ist
an. Die Mikroaktuatorstrukturen können fest mit dem Bodensubstrat verbunden
sein, welches selbst fest mit dem Mikrobauelement verbunden ist.
In Analogie zur 13 besitzt die gezeigte Ausführungsform
den Vorzug einer hohen Robustheit gegenüber lateralen Justagetoleranzen
von Mikroaktuatorstrukturen und auszulenkenden zweidimensionalen
Strukturen, da auch bei lateralen Justagetoleranzen ausgelenkte
zweidimensionale Strukturen erzeugt werden können, so dass
die Symmetrie des Bauelementes nicht gestört wird.
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In 15 ist
ein schematisches Ausführungsbeispiel eines gehäusten
Mikrobauelementes 9 mit über Mikroaktuatorstrukturen 24 vorausgelenkten zweidimensionalen
Strukturen, bei dem durch selbstjustierende Montagestrukturen 50 eine
Selbstjustierung von auslenkenden Mikroaktuatorstrukturen 24 und
zu verkippenden zweidimensionalen Strukturen 12 zur Reduzierung
von Montagetoleranzen erzielt werden kann. Dabei sind die Selbstzentrierungsstrukturen 50 sowohl
im mikromechanischen Bauelement 40, als auch in dem damit
zu fügenden Trägersubstrat 26, 30a mit
den Mikroaktuatorstrukturen 24 vorhanden.
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16 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen
Bauelementes 9, bei dem während des Bauelementpackagingprozesses mittels
Mikromanipulatorstrukturen zweidimensionale Strukturen ausgelenkt
werden können. Im Gegensatz zu allen bisherig gezeigten
Ausführungsbeispielen, bei denen die auszulenkenden zweidimensionalen
Strukturen mit Hilfe von Torsionsfedern 16 drehbar gelagert
sind, sind die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen in 16 über
ein Parallelgelenk 52 gelagert. Durch Lagerung der auslenkbaren
zweidimensionalen Struktur, wie z. B. den Elektrodenkämmen 12 als
Parallelgelenk, erfolgt bei der Strukturauslenkung mittels der Mikroaktuatorstrukturen 24 eine
Parallelverschiebung der zur Krafteinleitung parallel geführten
Kontaktfläche 18. Bei dem in 16 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die auszulenkende Struktur, z.
B. die stationäre Antriebselektrode 12, starr
mit dem drehbar gelagerten Gestänge des Parallelgelenks 52 gekoppelt,
so dass die relevante zweidimensionale Struktur 12 verkippt
wird. Der absolute Verkippungswinkel der zweidimensionalen Struktur
hängt im Wesentlichen nur von der Höhe der Parallelverschiebung
der Kontaktfläche 18, verursacht durch die Absenkung
der Mikroaktuatorstruktur 24 während des Packagings,
ab. Hingegen spielt die laterale Position der Krafteinleitung innerhalb
der Kontaktfläche 18 keine Rolle, so dass der sich
ergebende Verkippungswinkel der zweidimensionalen Struktur unabhängig
von den sonst kritischen lateralen Justagetoleranzen sind. Dadurch
können für mehrere simultan auszulenkende zweidimensionale
Strukturen identische Verkippungswinkel mit großer Reproduzierbarkeit,
sowie eine bessere Symmetrie des Bauelementes realisiert werden.
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In
dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel
werden die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen 12 beide
nach unten verkippt, wobei die Mikroaktuatorstrukturen 24,
die fest mit dem Fenstersubstrat 26 bzw. einem optionalen
Trägersubstrat verbunden sind, von der Oberseite auf die
Kontaktfläche 18 angreifen und diese definiert
parallel in Richtung des Bodensubstrates 28 verschieben,
so dass die zweidimensionale Struktur, z. B. die stationäre Antriebselektrodenstruktur 12,
symmetrisch verkippt wird.
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In 17 ist
ein zur 16 analoges Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen 12 in
Richtung der Deckelstruktur 26 verkippt werden. Dazu greifen die
auslenkenden Mikromanipulatorstrukturen 24 von der Bauelementrückseite
bzw. dem Bodensubstrat 28 her an und in Folge der Lagerung über
ein Parallelgelenk 52a–c, eine Parallelverschiebung
der Kontaktflächen 18, sowie eine symmetrische
Verkippung der zweidimensionalen Strukturen in Richtung der Deckelstruktur 26 bewirken.
Dabei können die Mikroaktuatorstrukturen 24 fest
mit dem Bodensubstrat 28 verbunden sein.
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18 zeigt
ein weiteres zur 17 ähnliches Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zur 16 ist die auszulenkende zweidimensionale Struktur 12 fest
d. h. starr mit der zur Kraftübertragung dienenden Kontaktfläche 18 gekoppelt.
Hierdurch wird beim Absenken der Mikromanipulatorstrukturen, also
beim Häusen oder Gehäusen, die auszulenkende zweidimensionale
Struktur 12 simultan zur Kontaktfläche 18 parallel
nach oben verschoben, so dass die zweidimensionale Struktur 12 im ausgelenkten
Endzustand in einen über die Geometrie bzw. die Höhe
des Mikromanipulators definierten Abstand parallel ausgerichtet,
oberhalb des Bauelementsubstrats 14 angeordnet ist.
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In 19 ist
in Analogie zur 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines gehäusten mikromechanischen Bauelementes gezeigt,
bei dem die relevanten zweidimensionalen Strukturen 12 parallel zum
Bauelementrahmensubstrat 14 ausgelenkt werden. Im Unterscheid
zur 18 erfolgt die Auslenkung der zweidimensionalen
Strukturen 12 nach unten, bzw. in Richtung des Bodensubstrates 28,
durch die auf der Oberseite der Kontaktflächen 18 angreifenden
Mikroaktuatorstrukturen 24, analog zu 16.
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20 zeigt
die Querschnittsdarstellung zur Vereinzelung von gehäusten
Mikrobauelementen 9, welche kein optisches Fensterdecksubstrat
aufweisen. Die zweidimensionalen ausgelenkten Strukturen 12 werden
durch über die Rückseite, vom Bodensubstrat 28 her
angreifende Mikroaktuatorstrukturen 24 ausgelenkt. In 20 ist
der Zustand nach dem Vereinzeln der Bauelemente im Scheibenverbund
durch Sägen gezeigt. Auf der Bauelementvorderseite befindet
sich eine damit fest verbundene Abstandsrahmenstruktur 30a,
welche beim Vereinzeln z. B. einem Sägen des Wafers auf
eine Trägerfolie 54, dem so genannten Blue Tape
oder ein anderes Hilfsträgersubstrat geklebt wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel von 21 ist wiederum
die Vereinzelung von gehäusten Mikrobauelementen 9 ohne
optischen Fensterdecksubstrat, aber mit über, von der Vorderseite,
also vom Trägersubstrat 32 her, angreifende Mikroaktuatorstrukturen 24 ausgelenkte
zweidimensionalen Strukturen 12 gezeigt. Dargestellt ist
der Zustand nach dem Vereinzeln der Bauelemente im Scheibenverbund
durch Sägen. Auf der Bauelementvorderseite bzw. Oberseite
befinden sich eine damit fest verbundene Abstandsrahmenstruktur 30a,
sowie das damit fest verbundene Trägersubstrat 32 der
Mikroaktuatorstrukturen 24. Beim Vereinzeln, z. B. dem
Wafersägen, kann der Scheibenverbund mit dem vorderseitigen
Trägersubstrat 32 auf eine Trägerfolie 54,
z. B. einem sogenannten „Blue Tape" oder einem anderen
Hilfsträgersubstrat, geklebt werden.
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22 zeigt
als Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelementes 9 einen
Scannerspiegel 56 ausgebildet in dem Bauelementsubstrat 14.
Das Scannerbauelement 56 ist drehbar über koaxial,
zu den eigentlichen Torsionsfedern 20 angeordnete zusätzliche
Torsionsfedern 58, in einem äußeren stationären
Rahmen 60 gelagert. Beim Packaging bzw. Häusen
erfolgt dann die Verkippung des gesamten mikromechanischen Bauelementes 56 zusammen
mit dem Bauelementsubstrat 14.
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Der
Scannerspiegel Spiegel 56 weist wieder u. a. eine Spiegelplatte 15 und
Torsionsfedern 16 für die Auslenkung der stationären
Elektroden 12, welche eine Kontaktfläche 18 besitzen
auf.
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In 23 ist
das Ausführungsbeispiel eines bei der Bauelementgehäusung über
entsprechende Mikroaktuatorstrukturen 24 dauerhaft ausgelenkten, verkippten
Mikrobauelementesubstrates 56 entsprechend 22 gezeigt.
Dabei wird während des Bauelementverschlusses, also der
Häusung oder Gehäusung das gesamte mikromechanische
Bauelement 56, z. B. ein zweidimensionaler Mikrospiegel zusammen
mit dem Substrat 14, welcher wie oben beschrieben, hierzu
in einem äußeren stationären Rahmen 60 drehbar über
Torsionsfedern 58 gelagert ist, über die Mikroaktuatorstrukturen 24 verkippt.
Die mäanderförmigen Federn 58 weisen
dabei entweder dieselbe Torsionsachse 20 wie die Spiegelplatte 15 des
zweidimensionalen Scanners 56 oder eine hierzu koaxiale
oder verdrehte Torsionsachse auf. Dabei kann der äußere
stationäre Rahmen 60 fest mit dem Bodensubstrat 28 und
einen hierzu parallel ausgerichteten Abstands- und Fenstersubstrat 26 verbunden
sein. Das Mikrobauelementesubstrat 14 mit dem zweidimensionalen
Scannerspiegel 56 kann also verkippt zur Deckelstruktur 26 angeordnet
sein.
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Das
Verfahren zur Erzeugung von 3D-Strukturen kann also auf einem Wafer
so durchgeführt werden, dass dieser im Waferverbund gefertigte,
freigesetzte und über Lager mit dem Wafer verbundene 2D-Strukturen
enthält die zur statischen Verankerung außerhalb
der Waferebene konzipiert sind. Die 2D-Strukturen lassen sich mittels
eines oder mehrerer Mikromanipulatoren aus der Waferebene herausbewegen
und zu 3D-strukturen aufstellen. Die Auslenkung bzw. Verkippung
der 2D-Strukturen zur Realisierung von 3D-Strukturen kann während
des Häusungs- bzw. Packaging-Prozesses des mikromechanischen
Bauelementes erfolgen. Die 2D-Strukturen können nach deren
Auslenkung aus der Waferebene in ihrer Position verankert werden,
wobei die Mikromanipulatoren ständiger Bestandteil des
Bauelementes sind.
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In
Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Mikromanipulator
auch fester Bestandteil der zweidimensionalen Struktur sein. Die
zweidimensionale Struktur kann also selbst den Mikromanipulator
umfassen. Der in der zweidimensionalen Struktur integrierte Mikromanipulator
kann dann ausgelenkt und zwischen dem Gehäuse und der zweidimensionalen
Struktur angeordnet werden, so dass die zweidimensionale Struktur
aus einer Ebene des Substrats ausgelenkt ist.
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Bei
dem mikromechanischen Bauelement mit der zweidimensionalen Struktur
kann es sich beispielsweise um einen Scannerspiegel mit Antriebs bzw.
Kammelektroden handeln, der quasistatisch, resonant oder statisch
auslenkbar ist. Die zweidimensionale Struktur kann im folgenden
auch als mikromechanische Funktionsstruktur bezeichnet sein. Für den
quasistatischen oder resonanten Betrieb des mikromechanischen Bauelements,
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, kann das mikromechanische Bauelement
ferner Mittel zum Bereitstellen einer sich ändernden Spannung
aufweisen. Diese Mittel können Leiterbahnzuführungen,
Kontaktflächen und Schaltkreise umfassen, die dazu geeignet
sind, die entsprechenden Spannungen an die Kammelektroden anzulegen.
Diese Mittel können auch eine Steuervorrichtung umfassen,
durch die im resonanten Fall periodische Spannungen mit einer für
das ordnungsgemäße Betreiben der mikromechanischen
Funktionsstruktur nötigen Frequenz an die Kammelektroden
angelegt werden können. Die Steuervorrichtung kann ferner Mittel
zum Erfassen der Nulldurchgänge der um eine Hauptachse
schwingenden zweidimensionalen mikromechanischen Struktur aufweisen.
Ferner kann das mikromechanische Bauelement als Sensor dienen und die
obigen Mittel zum Detektieren einer Bewegung der mikromechanischen
Funktionsstruktur verwenden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
können anstelle von Torsionsfedern beispielsweise für
die Aufhängung von fixen Kämme eines Scannerspiegels
auch Biegefedern verwendet werden.
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Zusätzliche
Kammelektrodenstrukturen eines Scannerspiegels in einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung können an dem
mikromechanischen Bauelement, beispielsweise der Scannersplatte,
angeordnet sein. Anders als bei den obigen Ausführungsbeispielen
kann die mikromechanische Funktionsstruktur rotatorisch zweidimensional
derart aufgehängt sein, dass die mikromechanische Funktionsstruktur,
z. B. eine Spiegelplatte, in zwei Richtungen abgelenkt werden kann
und translatorisch verschoben werden kann. Ebenso können
bei einer solchen Struktur die Drehsachsen um 90 Grad zueinander
verdreht sein. Die Drehachsen können um einen beliebigen
Winkel zueinander verdreht sein. Als Spezialfall kann z. B. eine
rotatorisch aufgebaute, zweidimensionale Struktur kollineare Achsen
aufweisen, wobei durch die kollinearen Achsen insbesondere ein größerer
Auslenkwinkel erzielt werden kann. Die zweidimensionale, rotatorisch
auslenkbare Struktur kann derart ausgebildet sein, dass eine der
Ablenkungsbewegungen mit einem anderen Wirkungsprinzip erreicht
wird, z. B. mit einem magnetischen, piezoelektrischen, thermischen
oder akustischen Wirkungsprinzip. Dabei können die beiden
Ablenkmöglichkeiten in zwei Dimensionen beide quasistatisch oder
resonant erfolgen oder eine Ablenkung quasistatisch und die andere
Ablenkung resonant erfolgen.
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Ferner
kann ein mikromechanisches Bauelement, welches eine zweidimensionale
rotatorisch auslenkbar Struktur aufweist, so ausgebildet sein, dass
eine der Ablenkungen mit einem elektrostatischen In-Plane Antrieb
(
EP 11 23 526 ) realisiert
werden kann.
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Die
mikromechanische Funktionsstruktur kann z. B. in einer oder zwei
Dimensionen rotatorisch auslenkbar sein, wobei mindestens eine Auslenkrichtung
mit den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, verkippten
Kammanordnung betrieben wird, und zusätzliche diffraktive
Elemente auf oder in der mikromechanischen Funktionsstruktur und/oder
zusätzliche hoch reflektierende Verspiegelungen aufweist.
Dies können diffraktive optische Elemente (DOE), Gitter,
metallische Verspiegelungen, dielektrische Verspiegelungen, vergütete
metallische Verspiegelungen oder ähnliches sein.
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In
Ausführungsbeispielen können die Kammelektroden
(Kämme) eines Scannerspiegels durch einen oder mehrere
Dorne je nach Design und Strukturierung des mikromechanischen Bauelements
in beliebiger Richtung aus oder unter die Chipebene, welche durch
die Ruhelage der Spiegelplatte und der Rahmenstruktur gegeben ist,
ausgelenkt werden. Die Auslenkung der Kämme kann insbesondere
so erfolgen, dass alle Kämme nach oben, alle nach unten, symmetrisch
zu einer Achse durch die Bauelementmitte oder punktsymmetrisch zur
Bauelementmitte oder komplett asymmetrisch ausgelenkt sind.
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Das
mikromechanische Bauelement kann eine Steuervorrichtung aufweisen
oder von einer Steuervorrichtung angetrieben werden, so dass die erzeugbare
Bewegung der mikromechanischen Funktionsstruktur einer Rampe mit
einem schnellen Rücklauf folgt. Die Steuervorrichtung kann
derart ausgebildet sein, dass durch den elektrostatische Kammantrieb
eine lineare translatorische Bewegung entsteht, welche funktional
durch z (t) = C1 × t beschrieben wird, wobei der genaue
lineare funktionale Zusammenhang zwischen Auslenkung z und Zeit
t durch eine Konstante C1 gegeben ist. In analoger Weise kann der
elektrostatische Kammantrieb derart gesteuert werden, dass sich
eine lineare rotatorische Bewegung mit einer Winkelauslenkung φ(t)
= C2 × t ergibt. Der Auslenkwinkel φ ist also
direkt proportional zu der Auslenkzeit t der rotatorischen Bewegung.
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Die
zweidimensionale Struktur, z. B. also der Scannerspiegel, kann auch
eine der Anwendung angepasste Bewegungsform aufweisen, so dass auf
einem Betrachterschirm eine lineare Bewegung eines von einem Scannerspiegel
abgelenkten Laserspots erfolgt. Die Steuerung für das Anlegen
einer entsprechenden Spannung an die verkippten Elektrodenkämme
der vorliegenden Erfindung kann auch so erfolgen, dass der Hin-
und Rücklauf eines durch den Scannerspiegel abgelenkten
Laserspots unterschiedlich oder gleich schnell erfolgt, wobei die
Umkehrpunkte des Hin- und Rücklaufs auf dem Bildschirm
ausgeblendet werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel können die
verkippten Kammelektroden und die Möglichkeiten zur translatorischen
Bewegung durch eine entsprechende Steuervorrichtung auch für
eine exakte optische Weglängenmodulation in optischen Geräten Verwendung
finden. Die optische Weglängenmodulation kann sowohl translatorisch
als auch rotatorisch erfolgen. Die translatorische Bewegung durch
die verkippte Kammstruktur kann auch zu einer Vergrößerung
der optischen Weglänge eines Apparates verwendet werden.
Die zweidimensionale Struktur kann z. B. auch in einer oder zwei
Dimensionen translatorisch bewegt werden, wobei die Bewegung in
mindestens eine Richtung mit der verkippten Kammanordnung betrieben
wird, wobei zusätzliche diffraktive Elemente in dem mikromechanischen
Bauelement angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich dabei um
DOEs, Gitter, metallische Verspiegelungen, dielektrische Verspiegelungen,
vergütete metallische Verspiegelungen oder andere handeln.
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Das
mikromechanische Bauelement der vorliegenden Erfindung kann für
die optische Weglängenmodulation für konfokale
Mikroskope, für Fourier-Transformspektrometer bzw. zum
Einstellen der Resonatorlänge in Lasern, zur Auswahl bzw.
Variation der Laserwellenlänge verwendet werden. Auch eine
Anordnung eines linearen oder zweidimensionalen Arrays, welches
aus ein oder zweidimensionalen, translatorischen oder rotatorischen
Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist, ist möglich.
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Bei
der mikromechanischen Funktionsstruktur kann es sich um eine Spiegelplatte
handeln, die sowohl an der Vorder- als auch auf der Rückseite
verspiegelt ist.
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Denkbar
sind auch mikromechanische Bauelemente, welche eine Kombination
des vorgestellten Ansatzes mit den verkippten Kammstrukturen mit
anderen Wirkprinzipien realisieren, welche quasistatisch, resonant,
translatorisch oder rotatorisch betrieben werden.
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Die
mikromechanischen Bauelemente können in einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Zuführung
weiterer elektrischer Potentiale Mehrfachfedern aufweisen oder metallische
Leiterbahnen über Federn oder hoch dotierte Bereiche in einem
schwach dotierten Substrat. Bei dem mikromechanischen Bauelement
können Finger eines Elektrodenkammes an einer Torsionsfeder
oder an einem Bauelementebereich angebracht sein, der steifer ist
als eine Torsionsfeder, um die das mikromechanische Bauelement drehbar
ist. Die fixen Kammstrukturen mit ihren Fingern und die beweglichen
Kammstrukturen mit ihren Fingern können in unterschiedlichen
Substrat- oder Rahmenschichten ausgebildet sein. Zudem können
anstelle von Torsionsfedern Biegefedern eingesetzt werden, die Kontaktflächen
bzw. Pads aufweisen, auf die eine Krafteinwirkung zur Auslenkung
der fixen Kämme erfolgen kann bzw., die sich über
ein Viergelenk parallel verschieben lassen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
kann das mikromechanische Bauelement zur Bildprojektion oder zur
Positionierung eines Licht- oder Laserstrahls eingesetzt werden.
Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise zur Ablenkung
oder Positionierung eines Licht- oder Laserstrahls der kontinuierlich oder
gepulst betrieben wird eingesetzt werden.
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Das
mikromechanische Bauelement kann in unterschiedlichen Substraten,
wie z. B. in Silizium-, Gallium Arsenid-, Indium Phosphid-, Gallium
Nitrid-, Silizium Carbid- oder anderen Substraten ausgebildet sein.
Die Aktorschicht kann poly- oder monokristallin sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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