DE102010031581A1

DE102010031581A1 - Fabry-Perot-Interferometer und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010031581A1
Application number: DE102010031581A
Authority: DE
Inventors: Takao Kariya-city Iwaki; Hiroyuki Kariya-city Wado
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2011-01-27
Also published as: US20110019202A1; JP2011027780A

Abstract

Ein Fabry-Perot-Interferometer und ein Verfahren zu dessen Herstellung werden bereitgestellt. Das Fabry-Perot-Interferometer umfasst eine erste Spiegelstruktur (30) und eine zweite Spiegelstruktur (70), die durch einen Spalt (AG) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Ein erster Spiegel (M1) und eine erste Elektrode (35) der ersten Spiegelstruktur (30) sind elektrisch voneinander isoliert, oder ein zweiter Spiegel (M2) und eine zweite Elektrode (75) der zweiten Spiegelstruktur (70) sind elektrisch voneinander isoliert. In einem Zustand, in dem zwischen der ersten (35) und zweiten Elektrode (75) eine Spannung angelegt ist, wird ein Abstand (dmi) zwischen dem ersten (M1) und dem zweiten Spiegel (M2) kürzer als ein Abstand (dei) zwischen einem ersten Abschnitt (E1), der die erste Elektrode (35) enthält, und einem zweiten Abschnitt (E2), der die zweite Elektrode (75) enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer, das eine erste Spiegelstruktur und eine zweite Spiegelstruktur umfasst, die in einem vorbestimmten Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass zwischen ihnen ein Spalt gebildet ist, d. h. die durch einen Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fabry-Perot-Interferometers.
Zur Verkleinerung eines Fabry-Perot-Interferometers ist zum Beispiel in der JP-3457373B ( US 5,646,729 B ) und in der JP-2008-134388 A ( US/20080123100 A ) die Verwendung der MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) – Technologie vorgeschlagen worden.
Ein in der JP-3457373 B vorgeschlagenes Fabry-Perot-Interferometer umfasst ein Paar von Mikrospiegeln, die durch einen Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. In jeder Spiegelstruktur ist eine Siliziumdioxidschicht (d. h. eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex) zwischen polykristallinen Siliziumschichten (z. B. einer Schicht mit hohem Brechungsindex) angeordnet. Ein Abschnitt, in dem die Siliziumdioxidschicht zwischen den polykristallinen Siliziumschichten angeordnet ist, wirkt als ein Spiegel mit optischer Mehrschichtstruktur. In der polykristallinen Siliziumschicht jeder Spiegelstruktur ist durch Dotierung mit Fremdatomen eine Elektrode gebildet.
Ein in der JP-2008-134388 A beschriebenes Fabry-Perot-Interferometer umfasst ein Paar von Spiegelstrukturen, die durch einen Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. In jeder Spiegelstruktur ist zwischen Schichten mit hohem Brechungsindex, die aus polykristallinem Silizium oder dergleichen gebildet sind, teilweise eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex wie etwa eine Luftschicht vorgesehen. Um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu gewährleisten, befinden sich die Schichten mit hohem Brechungsindex in jeder Spiegelstruktur teilweise in direktem Kontakt miteinander, um einen Verstärkungsteil zu bilden. Durch den Verstärkungsteil ist die Spiegelstruktur in mehrere Spiegelteile segmentiert, die jeweils die optische Mehrschichtstruktur aufweisen, in der die Luftschicht zwischen den Schichten mit hohem Brechungsindex angeordnet ist. Ferner ist in jeder Spiegelstruktur ein als Elektrode wirkender Verdrahtungsteil so in der Schicht mit hohem Brechungsindex gebildet, dass sich der Verdrahtungsteil in einer Umgebung des Spiegelteils befindet. Der Verdrahtungsteil ist eine zum Beispiel durch Ionenimplantation mit Fremdatomen dotierte Schicht.
Die bekannten Fabry-Perot-Interferometer haben jedoch den folgenden Nachteil.
In den im oben genannten Stand der Technik beschriebenen Fabry-Perot-Interferometern wird eine elektrische Spannung an die Elektroden der Spiegelstrukturen angelegt, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen. Die elektrostatische Kraft verlagert eine Spiegelstruktur, die oberhalb des Luftspalts angeordnet ist, wodurch sich die Größe des Luftspalts ändert, um selektiv für Licht mit Wellenlängen durchlässig zu sein, die durch einen Spiegelabstand dm zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln bestimmt werden.
Die Wellenlänge des transmittierten Lichts ist gegeben als: λ = 2·dm/n (1) wobei n eine ganze Zahl ist, die eine Ordnung des Interferometers angibt. Gemäß Gleichung (1) ist im Falle des primären Lichts (n = 1) die Wellenlänge λ des transmittierten Lichts das Zweifache des Spiegelabstandes dm zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln.
Gemäß dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer wird die elektrostatische Kraft durch die elektrische Spannung erzeugt, die an die Elektroden der Spiegelstrukturen angelegt wird. Die elektrostatische Kraft verlagert eine Struktur (d. h. die Spiegelstruktur) und ändert die Dicke des Spalts. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden wird als Elektrodenabstand de bezeichnet. Der Elektrodenabstand de im Zustand ohne Anlegen einer elektrischen Spannung ist hier mit dei bezeichnet (distance of electrodes initally). In einer Struktur wie der des oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometers gibt es eine Anziehgrenze, die erreicht ist, wenn der Abstand de um 1/3 dei verringert ist. Mit anderen Worten, die Anziehgrenze liegt vor bei de = 2/3 dei. Insbesondere überschreitet die elektrostatische Kraft eine elastische Rückstellkraft und der Einzugseffekt tritt auf, wenn eine Verringerung des Abstandes de zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 1/3 dei überschreitet. Hinsichtlich des Einzugseffekts wird auf die JP-2004-226362A verwiesen.
Die in der JP-3457373 B und der JP-2008-134388 A beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer sind so aufgebaut, dass die polykristalline Siliziumschicht, die als die Schicht mit großen Brechungsindex wirkt, teilweise mit Fremdatomen dotiert ist, wodurch die Elektrode in der polykristallinen Siliziumschicht gebildet ist. Somit ist in jeder Spiegelstruktur dasselbe elektrische Potential in der gesamten Schicht mit dem hohen Brechungsindex vorhanden. Mit anderen Worten, ein Teil der Schicht mit dem hohen Brechungsindex, der nicht mit Fremdatomen dotiert ist und den Spiegel bildet, ist elektrisch mit der Elektrode verbunden. In jeder Spiegelstruktur liegen der Spiegel und die Elektrode auf demselben elektrischen Potential. Dadurch wirkt der Spiegelteil so, als wäre der Spiegel ebenfalls eine Elektrode zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft. Wenn der Spiegelabstand dm zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln in einem Zustand, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist, mit dmi bezeichnet wird, so ist die Anziehgrenze dadurch definiert, dass dort dmi um 1/3 dmi verringert ist. Mit anderen Worten, die Anziehgrenze ist dadurch definiert, dass gilt dm = 2/3 dmi. Aus diesen Überlegungen ist ersichtlich, dass das herkömmliche Fabry-Perot-Interferometer eine Einstellung oder Steuerung des Abstandes dm zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln der Spiegelstrukturen nur in einem Bereich zwischen 2/3 dmi und dmi erlaubt. Dadurch erlaubt das herkömmliche Fabry-Perot-Interferometer eine Einstellung oder Steuerung der Wellenlänge λ des transmittierten Lichts nur in einem Bereich zwischen 4/3 dmi und 2 dmi (im Falle von n = 1).
Angesichts der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fabry-Perot-Interferometer bereitzustellen, das, ohne eine Anziehgrenze zu erreichen, einen Spiegelabstand in einem großen Bereich einstellen oder steuern kann und das für einen breiten Wellenlängen- oder Spektroskopiebereich durchlässig ist. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fabry-Perot-Interferometers bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fabry-Perot-Interferometer eine erste und eine zweite Spiegelstruktur, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei zwischen ihnen ein Spalt gebildet ist. Die erste Spiegelstruktur umfasst einen ersten Spiegel und eine erste Elektrode. Die zweite Spiegelstruktur umfasst einen dem ersten Spiegel gegenüberliegenden und von diesem durch einen Spalt getrennten zweiten Spiegel und eine der ersten Elektrode gegenüberliegende und von dieser durch den Spalt getrennte zweite Elektrode. Die Größe (die Dicke) des Spalts ist durch eine elektrostatische Kraft veränderbar, die durch eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegte elektrische Spannung erzeugt wird. Der Spalt definiert einen Spiegelabstand dm zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel. Der erste und der zweite Spiegel transmittiert selektiv Licht mit Wellenlängen, die durch den Spiegelabstand dm bestimmt werden. Die erste und die zweite Spiegelstruktur haben wenigstens entweder eine erste Konfiguration, in der der erste Spiegel und die erste Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind, oder eine zweite Konfiguration, in der der zweite Spiegel und die zweite Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind. Die erste Spiegelstruktur hat einen ersten Abschnitt, der die erste Elektrode und einen Abschnitt, der mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist, umfasst. Die zweite Spiegelstruktur hat einen zweiten Abschnitt, der die zweite Elektrode und einen Abschnitt, der mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist, umfasst. Der Spalt definiert ferner einen Abschnittsabstand dei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt. Die erste und die zweite Spiegelstruktur sind jeweils so gebildet, dass der Abschnittsabstand dei größer als der Spiegelabstand dmi ist, wobei der Spiegelabstand dmi und der Abschnittsabstand dei der Spiegelabstand dm bzw. der Abschnittsabstand de in einem Zustand sind, in dem keine elektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt ist.
In dem Fabry-Perot-Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung sind der erste Spiegel und die erste Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet und/oder der zweite Spiegel und die zweite Elektrode sind voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet. Somit liegen der erste Spiegel und die erste Elektrode nicht auf demselben Potential, und auch der zweite Spiegel und die zweite Elektrode liegen nicht auf demselben Potential, wenn zur Änderung der Größe des Spalts zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eine elektrische Spannung angelegt ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel wird entweder überhaupt keine oder im Wesentlichen keine elektrostatische Kraft erzeugt. Daher hängt eine Anziehgrenze nicht von dem Spiegelabstand dm, sondern von dem Abschnittsabstand de zwischen dem ersten. und dem zweiten Abschnitt ab. Da in dem Zustand, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist, der Spiegelabstand dmi größer als der Abstandsabschnitt dei ist (dei > dmi), kann das Fabry-Perot-Interferometer den Spiegelabstand dm, ausgehend von dem spannungslosen Zustand, um mehr als 1/3 dmi ändern. Das Fabry-Perot-Interferometer kann, ohne eine Anziehgrenze zu erreichen, den Spiegelabstand de in einem großen Bereich steuern und den Wellenlängenbereich, der transmittiert wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer vergrößern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers die Schritte: Bilden einer ersten Elektrode und wenigstens eines Teils eines ersten Spiegels auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei die erste Elektrode und der erste Spiegel Teile einer ersten Spiegelstruktur sind; Bilden einer Opferschicht auf der ersten Spiegelstruktur; Bilden eines Vertiefungsbereichs auf einer Oberfläche der Opferschicht durch Mustern der Opferschicht, so dass der Vertiefungsbereich auf einer Seite der Opferschicht angeordnet ist, die der Seite der Opferschicht gegenüberliegt, auf der die erste Spiegelstruktur angeordnet ist, wobei der Vertiefungsbereich einem Bereich entspricht, in dem ein zweiter Spiegel gebildet werden soll; Bilden einer zweiten Elektrode und wenigstens eines Teils des zweiten Spiegels auf der Oberfläche der Opferschicht, die den Vertiefungsbereich enthält, wobei die zweite Elektrode und der zweite Spiegel Teile einer zweiten Spiegelstruktur sind; und – nach der Ausbildung der zweiten Spiegelstruktur – Bilden eines Spalts zwischen der ersten und der zweiten Spiegelstruktur durch Ätzen der Opferschicht.
Durch das oben beschriebene Verfahren ist es möglich, ein Fabry-Perot-Interferometer herzustellen, in dem der Abschnittsabstand dei größer als der Spiegelabstand dmi ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers die Schritte: Bilden eines konvexen Bereichs auf einer Oberfläche eines Substrats durch Mustern des Substrats, wobei der konvexe Bereich einem Bereich entspricht, in dem ein erster Spiegel gebildet werden soll; Bilden einer ersten Elektrode und wenigstens eines Teils des ersten Spiegels auf der Oberfläche des Substrat, die den konvexen Bereich enthält, wobei die erste Elektrode und der erste Spiegel Teile einer ersten Spiegelstruktur sind; Bilden einer Opferschicht auf der ersten Spiegelstruktur; Ebnen einer Oberfläche der Opferschicht, wobei die zu ebnende Oberfläche auf einer Seite der Opferschicht angeordnet ist, die einer Seite der Opferschicht gegenüberliegt, auf der die ersten Spiegelstruktur angeordnet ist; Bilden einer zweiten Elektrode und wenigstens eines Teils eines zweiten Spiegels auf der geebneten Oberfläche der Opferschicht, wobei die zweite Elektrode und der zweite Spiegel Teile einer zweiten Spiegelstruktur sind; und Bilden – nach der Ausbildung der zweiten Spiegelstruktur – eines Spalts zwischen der ersten und der zweiten Spiegelstruktur durch Ätzen der Opferschicht.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Fabry-Perot-Interferometer herzustellen, in dem der Abschnittsabstand dei größer als der Spiegelabstand dmi ist.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1A eine Schnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Fabry-Perotinterferometers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Ausgangszustand, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist, zeigt;
1B eine Schnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Fabry-Perot-Interferometers in einem Zustand zeigt, in dem eine zweite Spiegelstruktur um eine maximale Verlagerung Δdmax verlagert ist, um eine Anziehgrenze ausgehend von dem in 1A dargestellten Ausgangszustand zu erreichen;
2 eine Kennlinie, die die maximale Verlagerung Δdmax als eine Funktion eines Verhältnisses dei/dmi darstellt;
3 eine Draufsicht, die detaillierter eine Struktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, und zwar betrachtet in einer Richtung von einer zweiten Spiegelstruktur zu einer ersten Spiegelstruktur;
4 eine Schnittansicht entlang einer Linie IV-IV in 3;
5–10 Schnittansichten, die jeweils einen Schritt eines Herstellungsprozesses eines Fabry-Perot-Interferometers zeigen;
11 eine Schnittansicht, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
12 eine Schnittansicht, die schematisch ein Fabry-Perot-Interferometer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 eine Kennlinie, die die Beziehung (11) zwischen dei/dmi und „λmin/λmax” gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 eine Draufsicht, die schematisch ein Fabry-Perot-Interferometer gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 eine Schnittansicht, die schematisch ein Fabry-Perot-Interferometer gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 eine Draufsicht, die schematisch eine erste Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers zeigt;
17 eine Schnittansicht, die schematisch ein Fabry-Perot-Interferometer gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 eine Schnittansicht, die detaillierter eine Struktur des in 17 gezeigten Fabry-Perot-Interferometers zeigt;
19–24 Schnittansichten, die jeweils einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers zeigen;
25 eine Schnittansicht einer Modifikation der fünften Ausführungsform;
26 eine Schnittansicht einer weiteren Modifikation; und
27 eine Schnittansicht noch einer weiteren Modifikation.
Nachfolgend sind die vorteilhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
(Erste Ausführungsform)
Nachfolgend ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1A und 1B beschrieben. 1A und 1B sind Schnittansichten, die jeweils schematisch eine Konfiguration eines Fabry-Perot-Interferometers 100 zeigen. Insbesondere zeigt 1A das Fabry-Perot-Interferometer 100 in einem Ausgangs- oder Anfangszustand, in dem keine elektrische Spannung zwischen einer ersten Elektrode M1 und einer zweiten Elektrode M2 angelegt ist. 1B zeigt das Fabry-Perot-Interferometer 100 in einem Zustand, in dem eine zweite Spiegelstruktur 70 von dem Ausgangszustand bis zu der Anziehgrenze verlagert ist. Die Verlagerung der zweiten Spiegelstruktur 70 bis zu der Anziehgrenze ist hier als maximale Verlagerung Δdmax bezeichnet. Es ist zu beachten, dass in den 1A und 1B zwar der zweite Spiegel M2 dicker als der erste Spiegel M1 dargestellt ist, dass jedoch dieser Dickenunterschied nicht die tatsächlichen Dicken des ersten und des zweiten Spiegels M1, M2 definiert. Der Dickenunterschied zeigt vielmehr lediglich beispielhaft, dass der zweite Spiegel M2 bezüglich der zweiten Elektrode 75 in Richtung einer ersten Spiegelstruktur 30 vorragt und dass in dem Ausgangszustand ein Spiegelabstand dmi zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel M1, M2 kürzer ist als ein Abschnittsabstand dei zwischen einem ersten Abschnitt E1, der eine erste Elektrode 35 enthält, und einem zweiten Abschnitt E2, der die zweite Elektrode 75 enthält (dmi < dei). Ferner zeigen die 1A und 1B lediglich Teile der ersten und der zweiten Spiegelstruktur 30, 70, und zwar Teile, die durch einen Spalt getrennt einander gegenüberliegen. 2 ist eine Kennlinie, die ein Verhältnis Δdmax/dmi zwischen der maximalen Verlagerung Δdmax und dem Ausgangs-Spiegelabstand dmi als Funktion eines Verhältnisses dei/dmi zwischen dem Ausgangs-Abschnittabstand dei und dem Ausgangs-Spiegelabstand dmi zeigt („i” steht hier für das englische „initial”).
Im Folgenden sei aus Gründen einer vereinfachten Darstellung angenommen, dass der Spalt zwischen der ersten 30 und der zweiten Spiegelstruktur 70 ein Luftspalt AG ist. Ferner sei angenommen, dass von den zwei Spiegelstrukturen 30, 70 nur die zweite Spiegelstruktur 70 verlagerbar ist. Eine Richtung, in der die zweite Spiegelstruktur 70 verlagert wird, ist hier als Verlagerungsrichtung bezeichnet, während eine zu der Verlagerungsrichtung senkrechte Richtung als senkrechte Richtung bezeichnet ist.
Wie es in den 1A und 1B gezeigt ist, umfasst das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vorliegenden Ausführungsform die erste 30 und die zweite Spiegelstruktur 70, die durch den Luftspalt AG getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die erste Spiegelstruktur 30 umfasst den ersten Spiegel M1 und die erste Elektrode 35, und die zweite Spiegelstruktur 70 umfasst einen dem ersten Spiegel M1 gegenüberliegend angeordneten und durch den Luftspalt AG von diesem getrennten zweiten Spiegel M2 und eine der ersten Elektrode 35 gegenüberliegend angeordnete und durch den Luftspalt AG von dieser getrennte zweite Elektrode 75. Die erste 35 und zweite Elektrode 75 sind jeweils dotiert. Der erste Spiegel M1, die erste Elektrode 35 bzw. der zweite Spiegel M2 und die zweite Elektrode 75 sind in den durch den Luftspalt AG getrennten und einander gegenüberliegenden Teilen enthalten. Der Luftspalt AG definiert einen Spiegelabstand dm zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2. Die zweite Spiegelstruktur 70 wird durch eine elektrostatische Kraft verlagert, die durch eine zwischen der ersten 35 und der zweiten Elektrode 75 angelegte elektrische Spannung erzeugt wird. Durch die Verlagerung der zweiten Spiegelstruktur 70 wird die Dicke des Spalts AG verändert. Die Kombination aus dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 ist selektiv für ein Licht mit Wellenlängen durchlässig, die durch den Spiegelabstand dm bestimmt werden. In dem Fabry-Perot-Interferometer 100 ist die erste Spiegelstruktur 30 festgelegt bzw. unbeweglich, während die zweite Spiegelstruktur 70 durch Anlagen der elektrischen Spannung relativ zu der ersten Spiegelstruktur 30 beweglich ist.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die erste Spiegelstruktur 30 einen Isolierungs- und Trennungsbereich 36 (im Folgenden kurz „Bereich 36” genannt) zwischen dem ersten Spiegel M1 und der ersten Elektrode 35. Der Bereich 36 isoliert und trennt den ersten Spiegel M1 elektrisch von der ersten Elektrode 35. Im Gegensatz dazu sind der zweite Spiegel M2 und die zweite Elektrode 75 der zweiten Spiegelstruktur 70 elektrisch miteinander verbunden, so dass der zweite Spiegel M2 und die zweite Elektrode 75 auf demselben elektrischen Potential liegen.
Wie es oben beschrieben ist, ist das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 der ersten Spiegelstruktur 30 voneinander getrennt und elektrisch isoliert angeordnet sind. Somit liegen der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 75 nicht auf demselben Potential, wenn zwischen der ersten 35 und der zweiten Elektrode 75 zur Änderung des Luftspalts AG eine elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch wirkt entweder gar keine oder im Wesentlichen keine elektrostatische Kraft zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2. Die Anziehgrenze hängt daher von dem Abschnittsabstand de zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 ab. Der erste Abschnitt E1 ist ein Abschnitt der ersten Spiegelstruktur 30, der die erste Elektrode 35 und einen Abschnitt, der mit der ersten Elektrode 35 elektrisch verbunden ist, umfasst. Der zweite Abschnitt E2 ist ein Abschnitt der zweiten Spiegelstruktur 70, der die zweite Elektrode 75 und einen Abschnitt, der mit der zweiten Elektrode 75 elektrisch verbunden ist, umfasst. In dem in den 1A und 1B gezeigten Fall umfasst der erste Abschnitt E1 nur die erste Elektrode, und der zweite Abschnitt E2 umfasst die zweite Elektrode 75 und den zweiten Spiegel M2.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 befindet sich in seinem Ausgangszustand, wenn zwischen der ersten 35 und der zweiten Elektrode 75 keine elektrische Spannung angelegt ist. Wie es in 1A gezeigt ist, ragt der zweite Spiegel M2 der zweiten Spiegelstruktur 70 gegenüber der zweiten Elektrode 75 in Richtung der ersten Spiegelstruktur 30 in den Luftspalt AG hinein. Somit umfasst die zweite Spiegelstruktur 70 einen Vorsprungteil 78, der durch den zweiten Spiegel M2 gebildet ist. Der Bereich 36 der ersten Spiegelstruktur 30 ist gegenüber von wenigstens einem bestimmten Abschnitt der zweiten Spiegelstruktur 70 außerhalb des Vorsprungteils 78 angeordnet. In dem Fall der 1A und 1B ist der Bereich 36 durch den Luftspalt AG getrennt der zweiten Elektrode 75 gegenüberliegend angeordnet. Insbesondere ist der erste Abschnitt E1 der ersten Spiegelstruktur 30 nicht direkt gegenüber dem Vorsprungteil 78, der durch den zweiten Spiegel M2 gebildet ist, angeordnet. Der erste Abschnitt E1 liegt einem bestimmten Teil (z. B. der zweiten Elektrode 75; vgl. 1A und 1B) der zweiten Spiegelstruktur 70 gegenüber, der nicht der Vorsprungteil 78 ist. Durch die obige Struktur ist im Ausgangszustand der Abschnittsabstand dei zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 größer als der Spiegelabstand dmi zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2, d. h. dei > dmi.
Hier ist im Ausgangszustand der Abschnittsabstand dei definiert als ein Minimum von Dicken des Luftspalts AG zwischen dem ersten Abschnitt E1 und dem zweiten Abschnitt E2. In der vorliegenden Ausführungsform sollte zusätzlich zu einem Abstand de1 zwischen der ersten Elektrode 35 (oder dem ersten Abschnitt E1) und der zweiten Elektrode 75 ein Abstand de2 zwischen der ersten Elektrode 35 (oder dem ersten Abschnitt E1) und dem Vorsprungteil 78 (oder dem zweiten Spiegel M2) berücksichtigt werden, da der Bereich 36 nicht in der zweiten Spiegelstruktur 70 mit dem Vorsprungteil 78, sondern in der ersten Spiegelstruktur 30 vorgesehen ist, wie es in 1A gezeigt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform sind der Vorsprungsbetrag des Vorsprungteils 78 (der den zweiten Spiegel M2 enthält) von der zweiten Elektrode 75 und eine Breite in der senkrechten Richtung des Bereichs 36 so eingestellt, dass in dem Ausgangszustand der Abstand de1 der Abstand dei ist, der ein Minimum von Abständen zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 ist. Und in dem Zustand, in dem die elektrische Spannung angelegt ist (so genannter Verlagerungszustand), ist der Abstand de1 auch ein minimaler Abstand von Abständen zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2. Wenn der Abstand de1 zwischen der ersten Elektrode 35 (dem ersten Abschnitt E1) und der zweiten Elektrode 75 auf den Abstand dei eingestellt ist, wie es oben beschrieben ist, stimmen sowohl eine Richtung einer Änderung des Abstandes de als auch eine Richtung einer Änderung des Abstandes dm im Wesentlichen mit der oben definierten Verlagerungsrichtung überein. Somit kann die Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers 100 im Vergleich mit einem Fall, in dem der Abstand dei der Abstand de2 ist, welches ein Abstand in einer bezüglich der Verlagerungsrichtung geneigten Richtung ist, vereinfacht werden.
Wenn das Fabry-Perot-Interferometer 100 von dem Ausgangszustand zu der Anziehgrenze geändert wird, indem der Elektrodenabstand de zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 um Δdmax (= 1/3 dei) geändert wird, wird der Elektrodenabstand de zu einem Abstand dep, der gegeben ist als: dep = 2/3 dei (2)
In dem oben beschriebenen Fall wird der Spiegelabstand dm zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Abstand M2 zu einem Abstand dmp („distance of mirror pulledin”), der gegeben ist als: dmp = dmi – 1/3 dei (3)
Da für das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vorliegenden Ausführungsform die Beziehung dei > dmi genügt, wie es oben beschrieben ist, gilt auch die Beziehung 1/3 dei > 1/3 dmi. Daher kann die zweite Spiegelstruktur 70 um mehr als 1/3 dmi verlagert werden, ohne die Anziehgrenze zu erreichen, wobei dmi („distance of mirror initially”) ein Abstand zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 in dem Zustand ist, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vorliegenden Erfindung kann daher einen Wellenlängenbereich im Vergleich zu einem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer verbreitern.
Für die oben beschriebene maximale Verlagerung Δdmax, welche die Verlagerung zu der Anziehgrenze ist, gilt: Δdmax/dmi = 1/3 dei/dmi (4)
2 ist eine Kennlinie, die die Beziehung (4) zwischen einem Verhältnis Δdmax/dmi und einem Verhältnis dei/dmi darstellt. Wie es in 2 gezeigt ist, gilt Δdmax/dmi = 1 für dei/dmi = 3. In diesem Fall ist es möglich, dass sich der erste M1 und der zweite Spiegel M2 berühren, ohne die Anziehgrenze zu erreichen. Es ist daher vorteilhaft, den Abstand dei zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 so einzustellen, dass gilt: dei = 3 dmi (5)
Wenn die Beziehung (5) erfüllt ist, ist es möglich, dass sich der erste M1 und der zweite Spiegel M2 berühren, ohne die Einzugsgrenze zu erreichen. Es ist daher möglich, das Wellenlängenband weiter zu verbreitern. Für das Primärlicht (n = 1) liegt die Wellenlänge des transmittierten Lichts in einem Bereich zwischen 0 und 2 dmi.
Nachfolgend ist eine Struktur des obigen Fabry-Perot-Interferometers 100 ausführlich beschrieben. 3 ist eine Draufsicht, die die Struktur des Fabry-Perot-Interferometers 100 zeigt, betrachtet in einer Richtung von der zweiten Spiegelstruktur 70 zu der ersten Spiegelstruktur 30. In 3 ist zum besseren Verständnis der Bereich 36 der ersten Spiegelstruktur 30 gestrichelt dargestellt. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 30.
Das nachfolgend beschriebene Fabry-Perot-Interferometer 100 umfasst eine so genannte Luftspiegelstruktur oder einen optischen Mehrschichtspiegel. Einige Teile (z. B. Spiegel) des Fabry-Perot-Interferometers 100 der vorliegenden Ausführungsform können die gleiche Struktur aufweisen wie jene des in der JP-2008-134388 A beschriebenen Fabry-Perot-Interferometers. Daher kann an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung einiger Teile (z. B. die Spiegel M1, M2) verzichtet werden. Es ist zu beachten, dass die Anmelderin der vorliegenden Erfindung und die der JP-2008-134388A identisch sind.
Wie es in 4 gezeigt ist kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 als ein Substrat 10 ein ebenes, rechteckiges Halbleitersubstrat aus einem Siliziumeinkristall verwenden. Das Substrat 10 umfasst einen Absorptionsteil 11 als Teil einer Oberflächenschicht einer Oberfläche davon. Der Absorptionsteil 11 ist dotiert. Der Absorptionsteil 11 ist in der senkrechten Richtung in der Oberflächenschicht mit Ausnahme eines Bereichs zur Spektroskopie (im Folgenden kurz „Spektroskopiebereich” genannt) angeordnet. Der Spektroskopiebereich ist lichtdurchlässig für eine Spektroskopie mit Hilfe des ersten M1 und zweiten Spiegels M2. Durch den Absorptionsteil 11 wird die Lichttransmission außer in dem Spektroskopiebereich unterdrückt. Eine Isolierungsschicht 12 ist auf einer ebenen Oberfläche des Substrats 10 angeordnet. Die Isolierungsschicht 12 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke auf und wirkt als Ätzstopp, wenn der Bereich 36 gebildet wird. Als Isolierungsschicht 12 wird in der vorliegenden Erfindung eine Siliziumnitridschicht 12 verwendet. Die erste Spiegelstruktur 30 ist durch die Isolierungsschicht 12 getrennt auf der einen Oberfläche des Substrats 10 angeordnet.
Die erste Spiegelstruktur 30 ist unbeweglich oder feststehend und umfasst eine untere Schicht 31 mit hohem Brechungsindex (im Folgenden ist der Lesbarkeit halber nach der Einführung einer Schicht die Angabe zum Brechungsindex weggelassen) und eine obere Schicht 32 mit hohem Brechungsindex. Die untere Schicht 31 ist eine Halbleiterdünnschicht, die ein Material mit einem Brechungsindex enthält, der größer als derjenige von Luft ist. Die Halbleiterdünnschicht enthält zum Beispiel wenigstens entweder Silizium oder Germanium. Die untere Schicht 31 erstreckt sich getrennt durch die Isolierungsschicht 12 über die gesamte Oberfläche des Substrats 10. Die obere Schicht 32 ist aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex wie etwa Silizium gebildet, wie es auch die untere Schicht 31 ist. Die obere Schicht 32 erstreckt sich auf der unteren Schicht 31. In einer Ausführungsform ist sowohl die untere Schicht 31 als auch die obere Schicht 32 aus Polysilizium gebildet.
Eine Luftschicht 33 ist zwischen einem Teil der unteren Schicht 31 und einem Teil der oberen Schicht 32 angeordnet. Die Luftschicht 33 und die Teile der Schichten 31, 32 sind mehrschichtig in der Verlagerungsrichtung, wodurch eine optische Mehrschichtstruktur gebildet ist, die als der erste Spiegel M1 wirkt. Der erste Spiegel M1 ist als ein Luftspiegel gebildet, in dem die Luftschicht 33 gebildet ist. Ferner umfasst die erste Spiegelstruktur 30 einen Verbindungsteil C1 (nicht gezeigt; vgl. Verbindungsteil C2 in 3). Der Verbindungsteil C1 ist ein Teil, wo die untere 31 und obere Schicht 32 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsteil C1 unterteilt die erste Spiegelstruktur 30 in mehrere erste Spiegel M1, die über das Verbindungsteil C1 miteinander verbunden sind.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Spiegel M1, M2 und die Verbindungsteile C1, C2 der ersten 30 bzw. zweiten Spiegelstruktur 70 zueinander passend ausgelegt. Der Verbindungsteil C1 ist ein Teil, wo die untere 31 und obere Schicht 32 an einer Stelle zwischen den angrenzenden ersten Spiegeln M1 in Kontakt miteinander sind. Zusätzlich zu dem Verbindungsteil C1 sind die untere 31 und obere Schicht 32 an einer von einem Bildungsbereich des ersten Spiegels M1 (d. h. ein Bereich, in dem erste Spiegel M1 gebildet werden soll; entsprechend für den zweiten Spiegel M2) verschiedenen Stelle miteinander in Kontakt.
Die in 4 gezeigte Bezugszahl 34 bezieht sich auf ein Durchgangsloch 34, das in einem Teil der oberen Schicht 32, über der Luftschicht 33 angeordnet ist. Das Durchgangsloch 34 dient der Bildung der Luftschicht 33 durch Ätzen über das Durchgangsloch 34. In jedem segmentierten ersten Spiegel M1 ist das Durchgangsloch 34 vorgesehen.
Die erste Spiegelstruktur 30 ist eben rechteckig gebildet, um so in ihrer Form derjenigen des Substrats 10 zu entsprechen. Die erste Spiegelstruktur 30 besitzt einen mittleren Bereich und einen den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich. Die oben beschriebenen mehreren ersten Spiegel M1 sind in dem mittleren Bereich der ersten Spiegelstruktur 30 gebildet, ebenso wie die unten beschriebenen zweiten Spiegel M2. Die erste Elektrode 35 ist in dem Umgebungsbereich gebildet, und zwar durch n- oder p-Dotierung von wenigstens der oberen Schicht 32, die im Vergleich zu der unteren Schicht 31 näher an dem Luftspalt AG angeordnet ist. In einer Ausführungsform wird die erste Elektrode 35, die p-leitend ist, durch Implantierung von Bor (B) – Ionen in die aus Polysilizium gebildeten Schichten 31, 32 gebildet. Ein Graben, der als der Bereich 36 wirkt, ist zwischen dem mittleren Bereich und dem Umgebungsbereich der ersten Spiegelstruktur 30 gebildet. Der Bereich 36, der mittlere Bereich und der Umgebungsbereich sind in der senkrechten Richtung angeordnet.
Der Bereich 36 durchdringt Teile der Schichten 31, 32, die in Kontakt miteinander sind. Wie es in 3 durch gestrichelte Linien gezeigt ist, weist der Bereich 36 die Form eines ebenen Kreisrings auf und trennt elektrisch und mechanisch den mittleren Bereich, in dem die ersten Spiegel M1 und der Verbindungsteil C1 gebildet sind, und den Umgebungsbereich, in dem die erste Elektrode 35 gebildet ist. Wenn der Graben als der Bereich 36 verwendet wird, ist es nicht notwendig, eine durch eine elektrostatische Kraft zwischen dem Umgebungsbereich und dem mittleren Bereich bewirkte Verlagerung zu berücksichtigen, da die erste Spiegelstruktur 30 eine unbewegliche Spiegelstruktur ist, die an der Elektrode 10 befestigt ist. In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode 35 im Wesentlichen der gesamte außerhalb des ringförmigen Bereichs 36 in 3 angeordnete Bereich.
Der Bereich 36 ist gegenüberliegend von wenigstens einem Teil (z. B. der zweiten Elektrode 75) der zweiten Spiegelstruktur 70 mit Ausnahme des Vorsprungteils 78 mit dem zweiten Spiegel M2 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung und der Vorsprungteils 78 ist im Ausgangszustand der Abstand dei zwischen dem ersten E1 und dem zweiten Abschnitt E2 größer als der Abstand dmi zwischen dem ersten Spiegel M1 und dem zweiten Spiegel M2. Ferner sind ein Ort und eine Breite des Bereichs 36 in der senkrechten Richtung so ausgelegt, dass der Abstand de1 zwischen dem ersten Abschnitt E1 und der zweiten Elektrode 75 kleiner als der Abstand de2 zwischen dem ersten Abschnitt E1 und dem zweiten Spiegel M2 ist, und der Abstand de1 (der zu dei in dem Ausgangszustand wird) zwischen dem Abschnitt E1 und der zweiten Elektrode 75 ein minimaler Abstand von allen Abständen de zwischen den Abschnitten E1, E2 ist.
In dem in 4 gezeigten Beispiel haben die Schichten 31, 32 in dem Umgebungsbereich der ersten Spiegelstruktur 30 eine Ringform, die angrenzend an den Bereich 36 angeordnet und nicht dotiert sind. Insbesondere umfasst der erste Abschnitt E1 die erste Elektrode 35 und den ringförmigen undotierten Teil in den Schichten 31, 32. Alternativ kann der gesamte Umgebungsbereich, der außerhalb des Bereichs 36 angeordnet ist, die erste Elektrode 35 sein.
Hier ist eine Membran MEM ein Teil der zweiten Spiegelstruktur 70, die innerhalb einer Stütze 50 angeordnet ist. Eine Kontaktstelle 37, die aus Au, Cr oder dergleichen gebildet ist, ist auf der oberen Schicht 32 der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet, und zwar an einer Stelle, wo sie sich nicht durch den Luftspalt AG getrennt der Membran MEM gegenüber befindet. Die Kontaktstelle 37 bildet eine galvanische Verbindung mit der ersten Elektrode 35, die durch entsprechende Dotierung der Schichten 31, 32 gebildet ist.
Die Stütze 50 ist örtlich auf der oberen Schicht 32 der ersten Spiegelstruktur 30 so angeordnet, dass die Stütze 50 oberhalb eines der Membran MEM gegenüberliegenden Teils nicht vorhanden ist. Die Stütze 50 hält die zweite Spiegelstruktur 70 über der ersten Spiegelstruktur 30 und fungiert als Abstandselement zur Erzeugung des Luftspalts AG zwischen der ersten 30 und der zweiten Spiegelstruktur 70. Somit ist eine Dicke der Stütze 50 in der Verlagerungsrichtung wichtig für die Einstellung des Abstandes de1 etc. In einer Ausführungsform berührt die Stütze 50 die Elektroden 35, 75 und weist eine Siliziumoxidschicht auf. Die Stütze 50 definiert einen Hohlraum in ihrer Mitte, der in Übereinstimmung mit der Membran MEM der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist. An einem Ort außerhalb der Membran MEM besitzt die Stütze 50 eine Öffnung 51 zum Bilden und Aufnehmen der Kontaktstelle 37.
Die zweite Spiegelstruktur 70 umfasst einen beweglichen Spiegel, eine untere Schicht 71 mit hohem Brechungsindex und eine obere Schicht 72 mit hohem Brechungsindex. Die untere Schicht 71 ist eine Halbleiterdünnschicht, die ein Material mit einem Brechungsindex, der höher als der von Luft ist, enthält. Die Halbleiterdünnschicht enthält zum Beispiel wenigstens entweder Silizium oder Germanium. Die Schicht 31 ist auf einer Oberfläche der Stütze 50 angeordnet, die den Luftspalt AG überbrückt. Ebenso wie die untere Schicht 71 ist auch die obere Schicht 72 aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex wie etwa Silizium gebildet. Die obere Schicht 72 erstreckt sich über die gesamte untere Schicht 71. In einer Ausführungsform ist sowohl die untere 71 als auch die obere Schicht 72 aus Polysilizium gebildet.
Eine Luftschicht 73 ist zwischen einem Teil der unteren Schicht 71 und einem Teil der oberen Schicht 72 gebildet. Die Luftschicht 73 und die Teile der Schichten 71, 72 bilden eine optische Mehrschichtstruktur, die als der zweite Spiegel M2 wirkt. Ebenso wie der erste Spiegel M1 ist auch der zweite Spiegel M2 als ein Luftspiegel gebildet, in dem die Luftschicht 73 die mittlere Schicht bildet. Wenn zwischen den Elektroden 35, 75 keine elektrische Spannung angelegt ist, ist eine Oberfläche der unteren Schicht 71, die zu dem Luftspalt AG gerichtet ist, im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der oberen Schicht 32, die zu dem Luftspalt AG gerichtet ist.
Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst die zweite Spiegelstruktur 70 den Verbindungsteil C2. Der Verbindungsteil C2 unterteilt die zweite Spiegelstruktur 70 in mehrere zweite Spiegel M2, die über den Verbindungsteil C2 miteinander verbunden sind. Insbesondere ist der Verbindungsteil C2 zwischen benachbarten der zweiten Spiegel M2 angeordnet und ist ein Teil, wo die untere 71 und die obere Schicht 72 miteinander in Kontakt sind. Es ist zu beachten, dass die untere 71 und die obere Schicht 72 außer mit dem Verbindungsteil C2 auch miteinander an einem von dem Bildungsbereich der zweiten Spiegel M2 verschiedenen Bereich in Kontakt sind.
Die in den 3 und 4 gezeigte Bezugszahl 74 bezieht sich auf ein Durchgangsloch 74, das in einem Teil der Schicht 72 über der Luftschicht 73 angeordnet ist. Das Durchgangsloch 74 dient der Bildung der Luftschicht 73 durch Ätzen durch das Durchgangsloch 74. Das Durchgangsloch 34 ist in jedem segmentierten ersten Spiegel M1 angeordnet.
Die zweite Spiegelstruktur 70 umfasst einen mittleren Bereich und einen den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich. Zusammen mit dem Verbindungsteil C2 sind die mehreren zweiten Spiegel M2 in dem mittleren Bereich der zweiten Spiegelstruktur 70 gebildet. Es ist zu beachten, dass die zweite Spiegelstruktur 70 eine ebene, rechteckige Form besitzt, die der Form des Substrats 10 entspricht. Die zweite Elektrode 75 ist in dem Umgebungsbereich der zweiten Spiegelstruktur 70 gebildet. Die zweite Elektrode 75 ist durch p- oder n-Dotierung der Schichten 71, 72 gebildet. Die zweite Elektrode 75 befindet sich in Kontakt mit den undotierten Teilen der Schichten 71, 72. Das heißt, die zweite Elektrode 75 ist sowohl elektrisch als auch mechanisch mit dem zweiten Spiegel M2 verbunden. Die gesamte zweite Spiegelstruktur 70 ist der zweite Abschnitt E2 gebildet, der dasselbe Potential besitzt wie die zweite Elektrode 75. Die Membran MEM ist der mittlere Bereich und ein Teil des Umgebungsbereichs der zweiten Spiegelstruktur 70. Der oben erwähnte Teil des Umgebungsbereichs der zweiten Spiegelstruktur 70 ist ein Teil, der innerhalb der Stütze 50 angeordnet ist, die den Luftspalt AG überbrückt, mit anderen Worten ein Teil, der über dem Luftspalt AG angeordnet ist.
Wie es in 4 gezeigt ist, ragt der Vorsprungteil 78 mit dem zweiten Spiegel M2 und dem Verbindungsteil C2 in den Luftspalt AG, in Richtung der ersten Spiegelstruktur 30. Das heißt, die zweite Spiegelstruktur 70 umfasst den Vorsprungteil 78. Der zweite Spiegel M2 und der Verbindungsteil C2 sind in dem Vorsprungteil 78 gebildet. Die zweite Elektrode 75 ist in einem Teil gebildet, an dem nicht der Vorsprungteil 78 gebildet ist, d. h., die zweite Elektrode 75 ist in einer Umgebung des Vorsprungteils 78 gebildet. Aufgrund des Vorsprungteils 78 und des Bereichs 36 ist der Abstand dei zwischen den Abschnitten E1, E2 größer als der Abstand dmi zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2.
In der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere die erste 30 und die zweite Spiegelstruktur 70 und die Stütze 50 so angeordnet, dass die Beziehung (4) erfüllt ist. Es ist zu beachten, dass der Vorsprung des zweiten Spiegels M2 ausreichend sein kann, wenn ein Teil der unteren Schicht 71, die den zweiten Spiegel M2 bildet, im Vergleich zu der Oberfläche der zweiten Elektrode 75, die zu dem Luftspalt AG gerichtet ist, in der Verlagerungsrichtung nahe an der Oberfläche der zweiten Elektrode 75, die zu dem Luftspalt AG gerichtet ist, angeordnet ist.
In der vorliegenden Erfindung weist eine dem Vorsprungteil 78 gegenüberliegende Oberfläche der zweiten Spiegelstruktur 70, wie es in 3 gezeigt ist, einen Vertiefungsbereich 79 auf, der die Form eines ebenen Kreises hat. Auf einem Boden des Vertiefungsbereichs 79 sind der zweite Spiegel M2 und der Verbindungsteil C2 angeordnet. Zusammen mit dem Bereich 36 sind ein Vorsprungbetrag des Vorsprungteils 78 in der Verlagerungsrichtung und eine Größe des Vorsprungteils 78 in der senkrechten Richtung so eingestellt, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind: Der Abstand de zwischen dem ersten Abschnitt E1 und einer äußeren Oberfläche eines Eckteils zwischen einem Boden und einer Seite des Vorsprungteils 78 ist kein minimaler Abstand von den Abständen de zwischen dem ersten Abschnitt E1 und dem zweiten Abschnitt E2. Und der Abstand dei zwischen dem ersten Abschnitt E1 und dem zweiten Abschnitt E2 hat eine vorbestimmte Beziehung zu dem Abstand dmi zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2.
In dem in 4 gezeigten Beispiel ist die zweite Elektrode 75 der zweiten Spiegelstruktur 70 im Wesentlichen in der gesamten Umgebung des Vorsprungteils 78 angeordnet. Jedoch ist der Bildungsbereich der zweiten Elektrode 75 nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Da die Dotierung die Transparenz verringert, kann die zweite Elektrode 75 in jedem anderen Bereich der zweiten Spiegelstruktur 70 als dem des zweiten Spiegels M2 gebildet sein.
Die in den 3 und 4 gezeigte Bezugszahl 76 bezieht sich auf ein Durchgangsloch 76, das in der Membran MEM an einer Stelle gebildet ist, die nicht zum Bildungsbereich des zweiten Spiegels M2 gehört. Das Durchgangsloch 76 dient der Ausbildung des Luftspalts AG, der Luftschicht 33 und des Bereichs 36 durch Ätzen durch das Durchgangsloch 76. Die in den 3 und 4 gezeigte Bezugszahl 77 bezieht sich auf eine Kontaktstelle 77, die auf der zweiten Elektrode 75 (d. h. der Schicht 72) gebildet und außerhalb der Membran MEM angeordnet ist. Die Kontaktstelle 77 ist aus Au, Cr oder dergleichen hergestellt.
Wenn das Polysilizium für die Schichten 31, 32, 71 und 72 der Spiegelstrukturen 30, 70 verwendet wird, kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 vorzugsweise als ein Wellenlängenselektionsfilter eines Infrarotgassensors verwendet werden, da das Polysilizium für Infrarotstrahlen mit Wellenlängen zwischen etwa 2 μm und 10 μm durchlässig ist. Der genannte Vorteil ergibt sich auch, wenn eine Halbleiterdünnschicht, die wenigstens entweder Silizium oder Germanium enthält, z. B. Polygermanium oder Polysilizium, für die Schichten 31, 32, 71, 72 verwendet wird.
Ferner ist es möglich, wenn die Luftschichten 33, 73 als die Schichten mit niedrigem Brechungsindex der Spiegel M1, M2 verwendet werden, ein preisgünstiges Fabry-Perot-Interferometer 100 bereitzustellen, das ein Verhältnis nH/nL (z. B. 3,3 oder größer) eines Brechungsindex nH (z. B. 3,45 bei Si bzw. 4 bei Ge) der Schicht mit hohem Brechungsindex zu einem Brechungsindex nL der Schicht mit niedrigem Brechungsindex (1 in Luft) vergrößern und Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 2 μm und 10 μm selektiv transmittieren kann.
Nachfolgend ist ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des in 4 gezeigten Fabry-Perot-Interferometers 100 mit Bezug auf die 5 bis 10 beschrieben.
Zuerst wird ein aus einem Silizium-Einkristall gebildetes Halbleitersubstrat als das Substrat 10 vorbereitet oder bereitgestellt, wie es in 5 gezeigt ist. Durch Dotieren des Substrats 10 z. B. mit Bor (B) wird ein Absorptionsteil 11 in einer Oberflächenschicht einer Oberfläche des Substrats 10 mit Ausnahme eines Spektroskopiebereichs des ersten Spiegels M1 und des zweiten Spiegels M2 gebildet. Danach wird eine Isolierungsschicht 12 wie etwa eine Siliziumnitridschicht gleichmäßig auf der gesamten einen Oberfläche des Substrats 10 abgeschieden. Die Isolierungsschicht 12 wirkt als Ätzstopp bei der Bildung des Grabens, der als der Bereich 36 wirkt.
Eine untere Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und eine Schicht 33a mit niedrigem Brechungsindex werden in dieser Reihenfolge auf der Isolierungsschicht 12 abgeschieden. Die Schicht 31 kann eine Polysiliziumschicht oder dergleichen sein, und die Schicht 33 kann eine Siliziumoxidschicht oder dergleichen sein. Eine Maske (nicht gezeigt), die einen Fotolack oder dergleichen enthält, ist auf einer Oberfläche der Schicht 33a gebildet. Ätzen der Schicht 33a durch die Maske wird zum Beispiel durch anisotropes Trockenätzen wie etwa RIE (Reaktives Ionenätzen) durchgeführt, wodurch die Schicht 33a gemustert wird, wie es in 6 gezeigt ist. Die gemusterte Schicht 33a wird in einem späteren Prozess geätzt, um eine Luftschicht 33 des ersten Spiegels M1 zu bilden. Anschließend wird die Maske entfernt, und eine obere Schicht 32 mit hohem Brechungsindex wird so auf der Schicht 31 gebildet, dass die Schicht 33a bedeckt ist.
Danach wird eine Maske (nicht gezeigt) auf einer Oberfläche der Schicht 32 gebildet. Durch die Maske werden die Schichten 31, 32 durch z. B. anisotropes Trockenätzen wie etwa RIE geätzt, und ein Graben, der als ein Isolierungs- und Trennbereich 36(weiterhin wie oben kurz „Bereich 36” genannt) wirkt, wird an einer vorbestimmten Position gebildet, so dass der Graben die Schichten 31, 32 durchdringt. Ferner wird ein Durchgangsloch 34, das sich bis zu der Schicht 33a erstreckt, in einem Teil der Schicht 32 über der Schicht 33a gebildet. Danach wird die Maske entfernt, und eine weitere Maske wird auf einer Oberfläche der Schicht 32 gebildet. Durch die Maske werden durch Ionenimplantation die Schichten 31, 32 dotiert. Bei dieser Ionenimplantation werden Fremdatome selektiv nur in einen Umgebungsbereich außerhalb des Bereichs 36 implantiert, da die Fremdatome in dem Bildungsbereich des ersten Spiegels M1 für die Lichtabsorption verantwortlich sind. Durch die Ionenimplantation wird eine erste Elektrode 35 gebildet.
Alternativ kann die erste Spiegelstruktur 30 auch derart gebildet werden, dass – nachdem die erste Elektrode 35 gebildet ist – die Schichten 31, 32 geätzt werden, um den Graben zu bilden, der als der Bereich 36 wirkt.
Anschließend, wie es in 7 gezeigt ist, wird die Maske entfernt, und eine Opferschicht 50a wie etwa eine Siliziumdioxidschicht wird abgeschieden und auf einer gesamten Oberfläche der Schicht 32 gebildet. Die Opferschicht 50a wird in dem Durchgangsloch 34 und dem Graben, der als der Bereich 36 wirkt, abgeschieden. Das Material der Opferschicht 50a ist nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt, es muss lediglich elektrisch leitend sein. Es ist jetzt vorteilhaft, wenn die Opferschicht 50a und die Schicht 33a aus dem gleichen Material gebildet sind. Die Opferschicht 50a wird nach der Bildung des Luftspalts AG hauptsächlich eine Stütze 50 sein. Auf diese Weise wird die Opferschicht 50a hergestellt, die eine Dicke besitzt, die gleich dem Abstand zwischen der ersten und zweiten Spiegelstruktur 30, 40 in dem Ausgangszustand ist, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 ist, wie es oben beschrieben ist, so ausgelegt, dass der Spiegelabstand dmi zwischen den Spiegeln M1, M2 von dem Abschnittsabstand des (de1) zwischen den Elektroden 35, 75 in dem Ausgangszustand verschieden und die Beziehung dei > dmi erfüllt ist. Das heißt, im Vergleich zu der zweiten Elektrode 75 ragt der zweite Spiegel M2 der zweiten Spiegelstruktur 70 in Richtung der ersten Spiegelstruktur 30 hervor. Wie es in 8 gezeigt ist, wird hierzu eine Maske (nicht gezeigt) auf einer der ersten Spiegelstruktur 30 gegenüberliegenden Oberfläche der Opferschicht 50a aufgebracht. Durch die Maske wird die Opferschicht 50a zum Beispiel durch anisotropes Trockenätzen wie etwa RIE geätzt. Dadurch wird ein Vertiefungsbereich 52 an einem Ort gebildet, der dem Ort des mittleren Bereichs entspricht, wo der zweite Spiegel M2 gebildet werden soll. Mit anderen Worten, der Vertiefungsbereich 52 wird in einem Bereich gebildet, der dem Ort des Vorsprungteils 78 der zweiten Spiegelstruktur 70 entspricht.
Nachdem der Vertiefungsbereich 52 gebildet ist, wird eine Schicht 71 mit hohem Brechungsindex aus Polysilizium oder dergleichen auf der gesamten Oberfläche der Opferschicht 50a, einschließlich des Vertiefungsbereichs 52, abgeschieden, wie es in 9 gezeigt ist. Anschließend wird eine Schicht 73a mit niedrigem Brechungsindex wie etwa eine Siliziumoxidschicht abgeschieden. Danach wird eine Maske (nicht gezeigt), die einen Fotolack oder dergleichen enthält, auf einer Oberfläche der Schicht 73a aufgebracht. Durch die Maske wird die Schicht 73a geätzt, so dass ein Abschnitt der Schicht 73a für den zweiten Spiegel M2 selektiv übrig bleibt. Insbesondere wird die Schicht 73a so gemustert, dass der zweite Spiegel M2 über einem Boden des Vertiefungsbereichs 52 gebildet wird, wie es oben beschrieben ist. Anschließend – nachdem die Maske entfernt worden ist – wird eine obere Schicht 72 mit hohem Brechungsindex auf der unteren Schicht 71 abgeschieden, um so die gemusterte Schicht 73a abzudecken. Auf diese Weise wird ein Vorsprungteil 78 der zweiten Spiegelstruktur 70 gebildet.
Danach wird eine weitere Maske auf einer Oberfläche der oberen Schicht 72 gebildet. Durch die Maske werden durch Ionenimplantation die Schichten 71, 72 dotiert. Dabei werden die Fremdatome selektiv in andere Teile der zweiten Spiegelstruktur 70 als der Vorsprungteil 78 implantiert. Mit anderen Worten, nur Teile der Schichten 71, 72 oberhalb einer Umgebung des Vertiefungsbereichs 52 der Opferschicht 50a werden dotiert. Durch die Ionenimplantation wird die zweite Elektrode 75 so gebildet, dass die zweite Elektrode 75 im Vergleich zu dem zweiten Spiegel M2 in einem größeren Abstand in der Verlagerungsrichtung zu der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist.
Nach der Ionenimplantation kann eine hintere Oberfläche des Substrats 10, d. h. eine der einen Oberfläche (d. h. der vorderen Oberfläche) gegenüberliegende Oberfläche, geschliffen und poliert werden, wenn dies erforderlich ist. Nachdem die Maske entfernt worden ist, wird eine weitere Maske auf einer Oberfläche der oberen Schicht 72 gebildet, und die Schichten 71, 72 werden durch Ätzen selektiv entfernt. Dadurch wird ein Durchgangsloch 76, das die Schichten 71, 72 durchdringt, gebildet. Ferner wird ein Durchgangsloch 74, das sich bis zur Schicht 73a erstreckt, in einem Teil der oberen Schicht 72 über der Schicht 73a gebildet.
Danach wird ein Teil der Opferschicht 50a, wo der Luftspalt AG gebildet werden soll, durch das Durchgangsloch 76 geätzt, um einen Luftspalt AG zu bilden. Bei diesem Ätzvorgang wird die Opferschicht 50a, die den Bereich 36 ausfüllt, entfernt, wobei die Isolierungsschicht 12 als der Ätzstopp wirkt, und aus dem Bereich 36 wird ein Graben gebildet, der mit dem Luftspalt AG verbunden ist. Ferner werden durch die Durchgangslöcher 34, 74 die Schichten 33a und 73a geätzt und die Schichten 33, 73 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform werden die oben beschriebenen Ätzprozesse in demselben Schritt durchgeführt, und zwar durch Gasphasen- oder Dampfphasenätzung unter Verwendung von Fluorwasserstoff. Durch diesen Ätzprozess werden der Luftspalt AG, die Stütze 50, die Luftschichten 33, 73 und die Spiegel M1, M2 gebildet. Danach wird durch Bilden der Öffnung 51 und der Kontaktstellen 37, 77 das Fabry-Perot-Interferometer 100 wie es in 4 gezeigt ist hergestellt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Graben, der den ersten Spiegel M1 von der ersten Elektrode 35 elektrisch und mechanisch trennt, als ein Beispiel des Bereichs 36 verwendet. Jedoch ist der Bereich 36 zur elektrischen und mechanischen Trennung des ersten Spiegels M1 von der ersten Elektrode 35 nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann, wie es in 11 gezeigt ist, der Bereich 36 ein n-leitender Bereich sein. In diesem Fall sind der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 so ausgelegt, dass sie mechanisch miteinander gekoppelt sind, obwohl der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 elektrisch getrennt sind. Alternativ kann der Bereich 36 ein Graben sein, der mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt ist. 11 zeigt die gegenüber der Variante in 4 modifizierte Variante.
(Zweite Ausführungsform)
Nachfolgend ist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. 12 ist eine Schnittansicht, die schematisch das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der zweiten Ausführungsform schematisch darstellt; 12 entspricht 4.
Zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht folgender struktureller Unterschied. In dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform sind die Schichten 31, 32 des ersten Spiegels M1 elektrisch mit der ersten Elektrode 35 verbunden, und die Schichten 71, 72 des zweiten Spiegels M2 sind von der zweiten Elektrode 75 elektrisch isoliert und getrennt. Die weiteren Strukturen können in beiden Ausführungsformen identisch sein.
Wie es in 12 gezeigt ist, ist die erste Spiegelstruktur 30 wie folgt aufgebaut. Die erste Elektrode 35 ist auch dort angeordnet, wo in der ersten Ausführungsform der Bereich 36 angeordnet ist. Der mittlere Bereich mit dem ersten Spiegel M1, der undotiert ist, und der Umgebungsbereich mit der ersten Elektrode 35 sind benachbart und in Kontakt miteinander angeordnet. Somit sind der mittlere Bereich und der Umgebungsbereich in dem ersten Abschnitt E1 enthalten, welcher ein Abschnitt ist, der die erste Elektrode 35 und einen Abschnitt, der mit der ersten Elektrode 35 verbunden ist, umfasst.
Die zweite Spiegelstruktur 70 ist wie folgt aufgebaut. Ein Isolierungs-Trennbereich 80 (im Folgenden kurz „Bereich 80” genannt) ist zwischen (i) dem mittleren Bereich, der den Vorsprungteil 78 mit dem zweiten Spiegel M2 umfasst, und (ii) dem Umgebungsbereich mit der zweiten Elektrode 75 gebildet. Der Bereich 80 ist ein Teil der Membran MEM. Der Bereich 80 dient der elektrischen Isolierung und mechanischen Verbindung des zweiten Spiegels M2 von bzw. mit der zweiten Elektrode 75. Dazu, wenn zum Beispiel die zweite Elektrode 75 n-leitend ist, kann eine n-leitende Schicht als der Bereich 80 verwendet werden. Der Bereich 80 ist in der zweiten Spiegelstruktur mit Ausnahme des Vorsprungteils 78 oder in dem Vorsprungteil 78 mit Ausnahme des zweiten Spiegels M2 und des Verbindungsteils C2 gebildet, so dass der zweite Spiegel M2 in dem Vorsprungteil 78 und die zweite Elektrode 75 in Teilen der zweiten Spiegelstruktur 70, jedoch nicht in dem Vorsprungteil 78, gebildet ist. In dem in 12 gezeigten Beispiel ist der Bereich 80 außerhalb des Vorsprungteils 78 gebildet.
Die zweite Spiegelstruktur 70 ist so aufgebaut, dass der zweite Spiegel M2 weiter als die zweite Elektrode 75 vorragt, und der Bereich 80 trennt den zweiten Spiegel M2 und die zweite Elektrode 75 elektrisch voneinander. In dieser Struktur ist es, da die Schichten 71, 72 des Vorsprungteils 78 elektrisch von der zweiten Elektrode 75 getrennt sind, nicht notwendig, den Abstand de zwischen dem Vorsprungteil 78 und dem ersten Abschnitt E1 zu berücksichtigen, ebenso wie in der ersten Ausführungsform. Es ist daher möglich, die Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers 100 zu vereinfachen. Ferner ist es möglich, da es nicht notwendig ist, den Abstand de zu berücksichtigen, die Breite in der senkrechten Richtung des Bereichs 80 im Vergleich zu der Breite des Bereichs 36 zu verringern. Es ist somit möglich, den Fabry-Perot-Interferometer 100 zu verkleinern.
(Dritte Ausführungsform)
Nachfolgend ist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der dritten Ausführungsform und dasjenige der ersten Ausführungsform können im Wesentlichen den gleichen Grundaufbau haben. Der Unterschiede zur ersten Ausführungsform ist wie folgt. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der dritten Ausführungsform ist so ausgelegt, dass es statt der Beziehung (5) die folgende Beziehung erfüllt: dei ≥ 3 dmi (1 – λmin/λmax) (6) wobei λmin und λmax eine minimale Wellenlänge bzw. eine maximale Wellenlänge eines Wellenlängenbereichs von transmittiertem Licht sind. Die Bedeutung der Beziehung (6) ist folgende: In dem Ausgangszustand, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist, hat der Spiegelabstand dm zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 den größten Wert dmi, und die Wellenlänge des transmittierten Lichts ist λmax. Der Abstand dmi und die Wellenlänge λmax sind verknüpft durch: dmi = 1/2 λmax (7)
Wenn die zweite Spiegelstruktur um die maximale Verlagerung Δdmax verlagert ist, so dass die Anziehgrenze erreicht ist, so ist die Wellenlänge des transmittierten Lichts λmin. Der Abstand dmi, die maximale Verlagerung und die Wellenlänge genügen der Beziehung: dmi – Δdmax = 1/2 λmin (8)
Eine hinreichende Bedingung dafür, dass der Wellenlängenbereich des transmittierten Lichts λmin enthält, ist: dmi – Δdmax ≤ 1/2 λmin (9)
Dividiert man (9) durch (7), so ergibt sich: 1 – Δdmax/dmi ≤ λmin/λmax (10)
Unter Verwendung von dmi und dei kann die maximale Verlagerung Δdmax geschrieben werden als: Δdmax/dmi = 1/3 dei/dmi (11)
Aus den Beziehungen (10) und (11) kann die Beziehung (6) abgeleitet werden. Es ist zu beachten, dass die Beziehung (6) eine strukturelle Anforderung ist, damit ein Wellenlängenbereich des selektiv transmittierten Lichts zwischen λmin und λmax liegt.
Auf die oben beschriebene Weise werden eine Struktur und eine Anordnung der ersten 30 und der zweiten Spiegelstruktur 70 der vorliegenden Ausführungsform bestimmt, um der Beziehung (6) zu genügen. Es ist daher möglich, Licht mit einer Wellenlänge zwischen λmin und λmax zu transmittieren.
Setzt man die linke Seite gleich der rechten in der Beziehung (6), so erhält man: dei/dmi = 3 (1 – λmin/λmax) (12)
Die Beziehung (12) ist in 13 dargestellt. Beispielhafte Gase haben die folgenden Absorptionswellenlängen im Infrarotbereich: CO₂: 4, 2 μm, Ethanol: 3,4 μm und Wasserdampf: 2,6 μm.
Das Verhältnis λmin/λmax kann auf 0,62 (= 2.6/4,2) eingestellt werden, damit das Fabry-Perot-Interferometer 100 CO₂, Ethanol und Wasserdampf mit einem Primärlicht (n = 1) detektiert. Daher kann das Fabry-Perot-Interferometer 100, wenn es so konfiguriert ist, dass es der Beziehung dei ≥ 1,1 dmi (13) genügt, CO₂, Ethanol und Wasserdampf unter Verwendung des Primärlichts (n = 1) detektieren und vorzugsweise für ein Alkoholmessgerät oder Alkoholometer (z. B. einen Alkoholatemlufttestsensor) verwendet werden.
Ethanol hat eine weitere Absorptionswellenlänge von 9,5 um.
Wenn die Wellenlänge auf 9,5 μm eingestellt ist, so beträgt das Verhältnis λmin/λmax 0,27 (= 2,6/9,5). Somit kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 so konfiguriert werden, dass es der folgenden Beziehung genügt: dei ≥ 2,2 dmi (14)
Dieses Fabry-Perot-Interferometer 100 kann ferner eine Absorptionswellenlänge von 9,5 μm erfassen. Es ist möglich, CO₂, Ethanol und Wasserdampf unter Verwendung eines Primärlichts (n = 1) genauer zu erfassen.
Die vorliegende Ausführungsform kann auf das Modifikationsbeispiel der ersten oder zweiten Ausführungsform angewendet oder mit dieser kombiniert werden.
(Vierte Ausführungsform)
Nachfolgend ist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 14 (Draufsicht) beschrieben.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der vierten Ausführungsform und dasjenige der ersten Ausführungsform besitzen im Wesentlichen den gleichen Grundaufbau. Ein Unterschied zur ersten Ausführungsform ist folgender. In der vierten Ausführungsform liegen die Schichten 31, 32 des ersten Spiegels M1, der gegenüber der ersten Elektrode 35 elektrisch isoliert ist, auf demselben Potential wie die zweite Elektrode 75 (d. h. der zweite Abschnitt E2) der zweiten Spiegelstruktur 70.
Der genannte Unterschied ist nachfolgend mit Bezug auf eine beispielhafte Struktur beschrieben. In dem Fabry-Perot-Interferometer 100 sind die Schichten 31, 32 des ersten Spiegels M1 mit der zweiten Elektrode 75 oder dem zweiten Abschnitt E2 der zweiten Spiegelstruktur 70 über ein elektrisches Verbindungselement wie etwa eine Verdrahtung elektrisch verbunden. Durch diese Struktur haben der erste Spiegel M1 und die zweite Elektrode 75 (d. h. der zweite Abschnitt E2) dasselbe Potential.
Ferner kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 das folgende Verfahren zum Ansteuern der Membran MEM verwenden. Der Luftspalt AG wird durch die elektrostatische Kraft verändert, die durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, die zwischen den Elektroden 35, 75 angelegt ist, während der Spiegel (z. B. der erste Spiegel M1), der gegenüber der Elektrode (z. B. der ersten Elektrode 35) einer Spiegelstruktur (z. B. der ersten Spiegelstruktur 30) elektrisch isoliert ist, dasselbe Potential wie die Elektrode und der Spiegel (z. B. die zweite Elektrode 75 und der zweite Spiegel M2) der weiteren Spiegelstruktur (z. B. der zweiten Spiegelstruktur 70) hat.
Um die oben beschriebene Konfiguration zu realisieren, kann die erste Spiegelstruktur 30 wie folgt aufgebaut sein. Wie es in 14 gezeigt ist, umfasst die erste Spiegelstruktur 30 einen Erweiterungsteil 38, der mit dem ebenen, kreisförmigen, mittleren Bereich verbunden ist, in dem der erste Spiegel M1 und der Verbindungsteil C1 gebildet sind. Der Erweiterungsteil 38 erstreckt sich in einen Abschnitt, der dem Umgebungsbereich der ersten Ausführungsform entspricht. In dem Erweiterungsteil 38 sind die Schichten 31, 32 in Kontakt mit einander. Eine Kontaktstelle 39 z. B. aus Au oder Cr ist auf einer Oberfläche eines Endteils des Erweiterungsteils 38 gebildet. Eine Dotierungsschicht, die als Verdrahtung (nicht gezeigt) wirkt, ist in dem Erweiterungsteil 38 gebildet. Die Verdrahtung ist mit dem mittleren Bereich, in dem der erste Spiegel M1 und der Verbindungsteil C1 gebildet sind, galvanisch verbunden. Da Dotierungen Licht absorbieren, ist die so erzeugte, auf Fremdatomen basierende Verdrahtung an anderen Stellen als im Bereich des ersten Spiegels M1 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Erweiterungsteile 38 auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Bereichs gebildet.
Ein Graben, der als der Bereich 36 wirkt, umgibt den mittleren Bereich und den Erweiterungsteil 38. Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, ist die Kontaktstelle 39 durch eine Öffnung (nicht gezeigt) der Stütze 50 in gleicher Weise wie in der Beziehung zwischen der Kontaktstelle 37 und der Öffnung 51 der Stütze 50 von außen zugänglich. Eine Verdrahtung oder dergleichen ist mit der Kontaktstelle 39 verbindbar.
In der vorliegenden Erfindung ist der erste Spiegel M1 aufgrund der oben beschriebenen Struktur elektrisch von der ersten Elektrode 35 getrennt. Der zweite Spiegel M2 ist elektrisch mit der zweiten Elektrode 75 verbunden. Der erste Spiegel M1 und die zweite Elektrode 75 haben dasselbe Potential. Daher hat der erste Spiegel M1, wenn die elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode 35 und der zweiten Elektrode 75 angelegt ist, um die Membran MEM der zweiten Spiegelstruktur 70 anzutreiben und zu verlagern, dasselbe Potential wie die zweite Elektrode 75 und somit dasselbe Potential wie der zweite Spiegel M2. Dadurch wird zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 keine elektrostatische Kraft erzeugt. Somit ist es möglich, den spektroskopischen Bereich (das Wellenlängenband) im Vergleich mit einer Struktur, in der der erste Spiegel M1 ein schwebendes Potential besitzt (vgl. erste Ausführungsform) weiter zu verbreitern. Ferner ermöglicht das Fehlen der elektrostatischen Kraft dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 vorteilhafterweise eine leichte Kontrolle bzw. Steuerung und Einstellung des Luftspalts AG auf eine gewünschte Dicke.
Die vorliegende Ausführungsform kann auf das Modifikationsbeispiel der ersten bis dritten Ausführungsform angewendet oder mit einer von diesen kombiniert werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Nachfolgend ist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer fünften Ausführungsform mit Bezug auf 15 beschrieben. 16 ist eine Draufsicht, die schematisch die erste Spiegelstruktur 30 des Fabry-Perot-Interferometers 100 zeigt.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der fünften Ausführungsform und dasjenige der ersten Ausführungsform besitzen im Wesentlichen den gleichen Grundaufbau. Der Unterschied bezüglich der ersten Ausführungsform ist folgender. Wie es in den 15 und 16 gezeigt ist, ist in jeder Spiegelstruktur 30, 70 wenigstens ein Teil der Elektrode 35, 75 in dem mittleren Bereich gebildet. Die Spiegel M1, M2 sind in dem den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich gebildet.
16 zeigt die erste Spiegelstruktur 30. Das Bezugszeichen M1a in 16 bezeichnet einen Bildungsbereich des ersten Spiegels M1 mit dem ersten Spiegel M1 und dem Verbindungsteil C1. Der Bildungsbereich M1a und der mittlere Bereich haben gemäß der ersten Ausführungsform im Wesentlichen die gleiche Struktur. Es ist zu beachten, dass der mittlere Bereich der ersten Ausführungsform der Bildungsbereich des ersten Spiegels M1 ist.
Wie es in 16 gezeigt ist, umfasst die erste Spiegelstruktur 30 mit der ebenen, rechteckigen Form den mittleren Bereich mit der ebenen, kreisförmigen Struktur und den den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich. In dem mittleren Bereich ist ein Teil der ersten Elektrode 35 angeordnet. In dem Umgebungsbereich ist der erste Spiegel M1 angeordnet. Die erste Spiegelstruktur 30 umfasst ferner einen Verbindungsteil 40, über den der mittlere Bereich oder die erste Elektrode 35 mit einem äußersten Teil 41, der außerhalb des Bildungsbereichs M1a angeordnet ist, verbunden ist. Eine Kontaktstelle 37 für die erste Elektrode 35 ist auf einer Oberfläche der Schicht 32 des äußersten Teils 41 angeordnet. Der Bildungsbereich M1a ist im Wesentlichen eben und C-förmig. Der Verbindungsteil 40 ist zwischen Enden der C-Form angeordnet. In dem Verbindungsteil 40 und dem äußersten Teil 41 sind die Schichten 31, 32 in Kontakt miteinander und gleich dotiert wie die erste Elektrode 35 des mittleren Bereichs. Das heißt, der mittlere Bereich, der Verbindungsteil 40 und der äußerste Teil 41 wirken als die erste Elektrode 35.
Ferner ist der Bildungsbereich M1a mit dem Erweiterungsteil 38 auf gleiche Weise, wie es in der vierten Ausführungsform der Fall ist, verbunden. Der Erweiterungsteil 38 erstreckt sich in einen Teil, der dem Umgebungsbereich der ersten Ausführungsform entspricht. Eine Kontaktstelle 39 zum Beispiel aus Au oder Cr ist auf einer Oberfläche eines Endteils der oberen Schicht 32, die den Erweiterungsteil 38 bildet, gebildet. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 ist so ausgelegt, dass der erste Spiegel M1 dasselbe elektrische Potential wie die zweite Elektrode 75 der zweiten Spiegelstruktur 70 haben kann. Daher kann der erste Spiegel M1 dasselbe elektrische Potential wie der zweite Spiegel M2 haben.
Der Graben, der als der Bereich 36 wirkt, trennt und isoliert elektrisch und mechanisch den mittleren Bereich, den Verbindungsteil 40 und den äußersten Teil 41, die jeweils als die erste Elektrode 35 wirken, von dem Bildungsbereich M1a und dem Erweiterungsteil 38. Dadurch sind der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet.
Die zweite Spiegelstruktur 70 ist wie folgt aufgebaut. Wenigstens ein Teil der zweiten Elektrode 75 ist in dem mittleren Bereich der zweiten Spiegelstruktur 70 gebildet. Der zweite Spiegel M2 ist in dem den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich gebildet. Insbesondere ist der zweite Spiegel M2 in einem Bildungsbereich (nicht gezeigt) des zweiten Spiegels mit einer im Wesentlichen ebenen C-Form gebildet, so dass er zur Form des ersten Spiegels M1 korrespondiert. In gleicher Weise wie der Verbindungsteil 40 ist die zweite Elektrode 75 elektrisch über einen Verbindungsteil (nicht gezeigt) mit einer entsprechenden Kontaktstelle 77 verbunden. In einer Ausführungsform sind zwei Verbindungsteile auf gegenüberliegenden Seiten des Bildungsbereichs des zweiten Spiegels vorgesehen.
Gemäß dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer 100 sind ein Teil der ersten Elektrode 35 und ein Teil der zweiten Elektrode 75 in dem jeweiligen mittleren Bereich gebildet, der in einem größeren Abstand von der Stütze 50 angeordnet ist als ein Abstand von der Stütze 50 zu dem Umgebungsbereich. Mit anderen Worten, die zweite Elektrode 75 ist in einer Mitte der Membran MEM gebildet. Die Mitte ist ein leicht durchbiegbarer Teil der Membran MEM. Demzufolge ist eine Federkonstante der Membran MEM der zweiten Spiegelstruktur 70 im Vergleich zu der ersten Ausführungsform kleiner. Es ist daher möglich, die angelegte elektrische Spannung zur Einstellung des Luftspalts AG auf eine gewünschte Dicke im Vergleich zu der angelegten elektrischen Spannung der ersten Ausführungsform zu verringern.
Wie es im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ist es leicht, wenn die Spiegel M1, M2 in dem zu der Stütze 50 beanstandeten mittleren Bereich gebildet sind, den ersten M1 und den zweiten Spiegel M2 parallel zueinander zu halten, selbst wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Daher ist es möglich, die Halbwertsbreite (FWHM = Full Width at Half Maximum) der transmittierten Wellenlänge zu verringern und gleichzeitig das Fabry-Perot-Interferometer 100 zu verkleinern.
Ein Verfahren zur Herstellung des Fabry-Perot-Interferometers 100 der vorliegenden Ausführungsform kann im Wesentlichen identisch sein mit demjenigen, das im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Die vorliegende Ausführungsform kann auf die Modifikationsbeispiele der ersten bis dritten Ausführungsform angewendet oder mit einem von diesen kombiniert werden. Ebenso wie die erste Ausführungsform kann die vorliegende Ausführungsform so konstruiert sein, dass der erste Spiegel M1 ein schwebendes elektrisches Potential besitzt.
(Sechste Ausführungsform)
Nachfolgend ist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 einer sechsten Ausführungsform mit Bezug auf 17 beschrieben. Obwohl in 17 der erste Spiegel M1 dicker als der zweite Spiegel M2 dargestellt ist, sind die tatsächlichen Dicken der Spiegel M1, M2 nicht auf die in 17 gezeigte Dickendifferenz begrenzt. Die Dickendifferenz in 17 zeigt nur, dass im Vergleich zu der ersten Elektrode 35 der erste Spiegel M1 weiter in Richtung der zweiten Spiegelstruktur 70 vorragt und die Beziehung dei > dmi erfüllt ist. Von der ersten 30 und der zweiten Spiegelstruktur 70 sind in 17 nur Teile dargestellt, die einander durch den Luftspalt AG getrennt gegenüberliegen.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der sechsten Ausführungsform kann im Wesentlichen den gleichen Grundaufbau besitzen wie die oben beschriebenen Ausführungsformen. Ein Unterschied gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen ist folgender. Wie es in 17 gezeigt ist, ist der Vorsprungteil 42 in der ersten Spiegelstruktur 30 vorgesehen. Der erste Spiegel M1 ist in dem Vorsprungteil 42 angeordnet. Die erste Elektrode 35 ist in der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet, so dass die erste Elektrode 35 nicht in dem Vorsprungteil 42 angeordnet ist.
In dem in 17 gezeigten Beispiel sind der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 durch den Bereich 36 in der ersten Struktur 30 elektrisch voneinander getrennt angeordnet. In der zweiten Spiegelstruktur 70 sind der zweite Spiegel M2 und die zweite Elektrode 75 elektrisch miteinander verbunden. Der zweite Spiegel M2 ist in dem zweiten Abschnitt E2 enthalten, der elektrisch in der zweiten Elektrode 75 enthalten und mit dieser verbunden ist. Da der Bereich 36 in der Spiegelstruktur vorgesehen ist, die den Vorsprungteil 42 enthält, ist es nicht notwendig, einen Abstand (entsprechend dem Abstand de2 in 1) zwischen dem Vorsprungteil 42 und dem zweiten Abschnitt E2 zu berücksichtigen. Daher kann die Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers 100 aus dem gleichen Grund wie in der zweiten Ausführungsform erleichtert sein. Ferner ist es möglich, die Breite in der senkrechten Richtung des Bereichs 36 zu verringern. Dadurch ist es möglich, das Fabry-Perot-Interferometer 100 zu verkleinern.
Nachfolgend ist eine beispielhafte Struktur des Fabry-Perot-Interferometers 100 mit Bezug auf 18 beschrieben, die eine Schnittansicht des in 17 dargestellten Fabry-Perot-Interferometers 100 zeigt. Ebenso wie die Struktur der fünften Ausführungsform umfasst die in 18 gezeigte Struktur folgende Merkmale. Wenigstens ein Teil der Elektrode 35, 75 ist in dem mittleren Bereich jeder Spiegelstruktur 30, 70 angeordnet. Die Spiegel M1, M2 sind in dem den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich angeordnet. Ein Unterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform und der fünften Ausführungsform ist folgender. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Vorsprungteil 42 in der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet. Die nachfolgende Erläuterung ist im Wesentlichen auf diesen Unterschied gerichtet.
Auch in dem Fall des in 18 gezeigten Fabry-Perot-Interferometers 100 wird ein ebenes, rechteckiges Halbleitersubstrat aus einem Siliziumeinkristall als ein Beispiel des Substrats 10 verwendet. Ein konvexer Bereich 10a ist auf einer Oberfläche des Substrats 10 so ausgebildet, dass der Bildungsbereich des Vorsprungteils 42 mit dem ersten Spiegel M1 korrespondiert. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist der konvexe Bereich 10a im Wesentlichen eben C-förmig, wobei er einen mittleren Teil der ersten Elektrode M1 umgibt, ebenso wie der Bereich M1 der fünften Ausführungsform.
Ein dotierter Absorptionsteil 11 ist selektiv in einer Oberflächenschicht der einen Oberfläche des Substrats 10 mit dem konvexen Bereich 10a angeordnet, so dass der Absorptionsteil 11 selektiv in der Oberflächenschicht mit Ausnahme des Bereichs zur Spektroskopie angeordnet ist. Der Spektroskopiebereich ist unterhalb des ersten Spiegels M1 angeordnet. Die Isolierungsschicht 12 ist über der einen Oberfläche des Substrats 10 angeordnet. Die Isolierungsschicht 12 wirkt als ein Ätzstopp bei der Bildung des Bereichs 36. Die erste Spiegelstruktur 30 ist durch die Isolierungsschicht 12 getrennt über der Oberfläche des Substrats 10 angeordnet.
Die erste Spiegelstruktur 30 der vorliegenden Erfindung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die der fünften Ausführungsform. In der ersten Spiegelstruktur 30 mit einer ebenen, rechteckigen Form ist wenigstens ein Teil der ersten Elektrode 35 in dem mittleren Bereich, der eine ebene, kreisförmige Form bildet, und der erste Spiegel M1 ist in dem den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich gebildet. Die erste Elektrode 35 ist durch Implantieren von Fremdatomen in die Schichten 31, 32 gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Luftschicht 33, die als Schicht mit niedrigem Brechungsindex wirkt, zwischen der unteren Schicht 31 und der oberen Schicht 32, über dem konvexen Bereich 10a des Substrats 10 angeordnet. Dadurch ist der erste Spiegel M1 mit einer optischen Mehrschichtstruktur bereitgestellt. In der ersten Spiegelstruktur 30 befindet sich der Vorsprungteil 42, der den ersten Spiegel M1 enthält, über dem konvexen Bereich 10a und ragt in Richtung der zweiten Spiegelstruktur 70. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, hat der Vorsprungteil 42, der den ersten Spiegel M1 enthält, im Wesentlichen eine ebene C-Form, um so dem konvexen Bereich 10a zu entsprechen.
Über den Verbindungsteil (nicht gezeigt, vgl. Verbindungsteil 40 in 16) ist der mittlere Bereich, der einen Teil der ersten Elektrode 35 umfasst, mit dem äußersten Teil 41 verbunden, der außerhalb des ersten Spiegels M1 angeordnet ist. Eine Kontaktstelle 37 für die erste Elektrode 35 ist auf einer Oberfläche der oberen Schicht 32 des äußersten Teils 41 ausgebildet. Insbesondere ist der Verbindungsteil zwischen Enden des C-förmigen Teils des Vorsprungteils 42, der den ersten Spiegel M1 enthält, angeordnet. In den Teilen (d. h. dem Verbindungsteil und dem äußersten Teil 41) zum elektrischen Verbinden der ersten Elektrode 35 mit der Kontaktstelle 37, sind die Schichten 31, 32 in Kontakt miteinander und sind gleich dotiert wie der Teil der ersten Elektrode 35 in dem mittleren Bereich. Das heißt, der mittlere Bereich, der Verbindungsteil und der äußerste Teil 41 wirken als die erste Elektrode 35.
Der Graben, der als der Bereich 36 wirkt, trennt elektrisch und mechanisch den mittleren Bereich, den Verbindungsteil und den äußersten Teil 41, in denen jeweils die erste Elektrode 35 gebildet ist, von dem Bereich, in dem die erste Elektrode 35 gebildet ist. Das heißt, der erste Spiegel M1 und die erste Elektrode 35 sind voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet.
Die zweite Spiegelstruktur 70, die durch die Stütze 50 getrennt über der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist, weist im Wesentlichen die gleiche Struktur auf wie diejenige der fünften Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass der Vorsprungteil 78 nicht in der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist. Insbesondere ist die zweite Elektrode 75 durch Dotieren der Schichten 71, 72 in wenigstens dem mittleren Bereich der zweiten Spiegelstruktur 70 in der zweiten Spiegelstruktur 70 gebildet. Der zweite Spiegel M2 ist in dem den mittleren Bereich umgebenden Umgebungsbereich gebildet, und zwar so, dass sie dem ersten Spiegel M1 entspricht. Der zweite Spiegel M2 ist ein Luftspiegel mit einer optischen Mehrschichtstruktur, in der die Luftschicht 73, die als die Schicht mit niedrigem Brechungsindex wirkt, zwischen der unteren 71 und der oberen Schicht 72 angeordnet ist.
Der zweite Spiegel M2 ist in einem Bildungsbereich des zweiten Spiegel gebildet, der im Wesentlichen C-förmig ist, so dass er der Form des ersten Spiegels M1 entspricht. In gleicher Weise wie der oben beschriebene Verbindungsteil 40 ist die zweite Elektrode 75 über ein Verbindungsteil, der zwischen Enden des C-förmigen Bildungsbereichs des zweiten Spiegels angeordnet ist, elektrisch mit einer entsprechenden Kontaktstelle 77 verbunden.
Auch in dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der vorliegenden Erfindung sind ein Teil der ersten Elektrode 35 und ein Teil der zweiten Elektrode 75 in den jeweiligen mittleren Bereichen gebildet, die im Vergleich zu den Umgebungsbereichen von der Stütze 50 entfernt angeordnet sind. Mit anderen Worten, die zweite Elektrode 75 ist in einem mittleren Teil der Membran MEM gebildet, der relativ flexibel ist. Daher ist eine Federkonstante der Membran MEM der zweiten Spiegelstruktur 70 kleiner als diejenige der ersten Ausführungsform. Die elektrische Spannung, die angelegt wird, um den Luftspalt AG auf eine gewünschte Dicke zu verändern, kann im Vergleich zu der Struktur der ersten Ausführungsform verringert werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Fabry-Perot-Interferometers 100 ist nachfolgend beschrieben. Die 19 bis 24 sind Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des in 18 gezeigten Fabry-Perot-Interferometers 100 darstellen, wobei die Schritte in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden.
Zuerst, wie es in 19 gezeigt ist, wird ein Halbleitersubstrat aus einem Siliziumeinkristall als das Substrat 10 bereitgestellt oder vorbereitet. Eine Oberfläche des Substrats 10 wird gemustert, wodurch der konvexe Bereich 10a an einem Teil gebildet wird, wo der Vorsprungteil 42 (der erste Spiegel M1) der ersten Spiegelstruktur 30 gebildet werden soll.
Nach der Bildung des konvexen Bereichs 10a wird ein Absorptionsbereich 11 in einer Oberflächenschicht der einen Oberfläche des Substrats 10 mit Ausnahme eines Bereichs zur Spektroskopie des ersten Spiegels M1 und des zweiten Spiegels M2 durch Dotieren zum Beispiel mit Bor (B) gebildet, wie es in 20 gezeigt ist. Danach wird eine Isolierungsschicht 12 zum Beispiel aus Siliziumnitrid gleichmäßig auf der gesamten einen Oberfläche des Substrats 10 abgeschieden. Eine Schicht 31 mit großem Brechungsindex und eine Schicht 33a mit niedrigem Brechungsindex werden in dieser Reihenfolge auf der Isolierungsschicht 12 abgeschieden. Die Schicht 31 kann eine Polysiliziumschicht und die Schicht 33a eine Siliziumoxidschicht sein.
Danach wird eine Maske (nicht gezeigt), die einen Fotolack oder dergleichen enthält, auf einer Oberfläche der Schicht 33a gebildet. Ein Ätzen der Schicht 33a durch die Maske wird zum Beispiel durch anisotropes Trockenätzen wie etwa RIE durchgeführt, wodurch die Schicht 33a gemustert wird, wie es in 21 gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass in einem späteren Prozess die Schicht 33a geätzt und in eine Luftschicht 33 des ersten Spiegels M1 umgewandelt wird. Danach wird die Maske entfernt, und eine obere Schicht 32 mit hohem Brechungsindex aus Polysilizium wird so auf der Schicht 31 gebildet, dass sie die Schicht 33a bedeckt.
Danach wird eine Maske (nicht gezeigt) auf einer Oberfläche der Schicht 32 gebildet. Durch die Maske werden die Schichten 31, 32 zum Beispiel durch anisotropes Trockenätzen wie etwa RIE geätzt, um dadurch einen Graben, der als ein Isolierungs-Trennungs-Bereich 36 wirkt, an einer vorbestimmten Position zu bilden, so dass der Graben die Schichten 31, 32 durchdringt. Ferner wird ein Durchgangsloch 34, das sich bis zu der Schicht 33a erstreckt, in einem Teil der Schicht 32, über der Schicht 33a gebildet. Danach – nachdem die Maske entfernt worden ist – wird eine weitere Maske auf einer Oberfläche der oberen Schicht 33 gebildet. Durch die Maske werden die Schichten 31, 32 durch Ionenimplantation dotiert. Durch die Ionenimplantation werden eine erste Elektrode 35 (und ein Verbindungsteil und ein äußerster Teil 41) gebildet.
In der oben beschriebenen ersten Spiegelstruktur 30 kann, nachdem die erste Elektrode 35 gebildet worden ist, der Graben, der als der Bereich 36 wirkt, durch Ätzen der Schichten 31, 32 gebildet werden.
Danach wird die Maske entfernt, und eine Opferschicht 50a wie etwa eine Siliziumoxidschicht wird auf einer gesamten Oberfläche der oberen Schicht 32 abgeschieden. Bei der Bildung der Opferschicht 50a wird die Opferschicht 50a auch in dem Durchgangsloch 34 und dem Graben, der als der Bereich 36 wirkt, abgeschieden. Aufgrund des Vorhandenseins des konvexen Bereichs 10a des Substrats 10 wird eine Oberfläche der Opferschicht 50a konkav und konvex, wie es in 21 gezeigt ist. Das Material der Opferschicht 50a unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, es muss lediglich elektrisch isolierend sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn für die Opferschicht 50a und die Schicht 33a das gleiche Material zu verwenden.
Danach, wie es in 22 gezeigt ist, wird die Oberfläche der Opferschicht 50a durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder dergleichen poliert und geebnet. Dieser Prozess bewirkt, dass der Abstand dei zwischen dem ersten Abschnitt E1 und dem zweiten Abschnitt E2 schließlich länger als der Abstand dmi zwischen den Spiegeln ist.
Nachdem die Opferschicht 50a geebnet ist, wird die untere Schicht 71 aus Polysilizium auf der gesamten Oberfläche der Opferschicht 50a abgeschieden, wie es in 23 gezeigt ist. Anschließend wird die Schicht 73a wie etwa die Siliziumoxidschicht abgeschieden. Danach kann eine Maske (nicht gezeigt), die einen Fotolack oder dergleichen enthalten kann, auf einer Oberfläche der Schicht 73a gebildet. Durch die Maske wird die Schicht 73a so geätzt, dass ein Abschnitt der Schicht 73a für den zweiten Spiegel M2 selektiv zurückbleibt. Danach – nachdem die Maske entfernt wurde – wird eine obere Schicht 72 mit hohem Brechungsindex über der unteren Schicht 71 so abgeschieden, dass sie die gemusterte Schicht 73a bedeckt.
Danach wird eine weitere Maske auf einer Oberfläche der oberen Schicht 72 gebildet. Durch die Maske werden die Schichten 71, 72 durch Ionenimplantation dotiert. Durch die Ionenimplantation werden eine zweite Elektrode 75 und der Verbindungsteil etc. gebildet.
Nach der Ionenimplantation kann eine der einen Oberfläche gegenüberliegende hintere Oberfläche des Substrats 10 je nach Notwendigkeit und Bedarf geschliffen und poliert werden. Nachdem die Maske entfernt ist, wird eine weitere Maske auf einer Oberfläche der oberen Schicht 72 gebildet. Die Schichten 71, 72 werden durch Ätzen selektiv entfernt. Dadurch wird ein Durchgangsloch 76, das sich durch die Schichten 71, 72 erstreckt, gebildet. Ferner wird ein Durchgangsloch 74, das sich bis zu der Schicht 73a erstreckt, in einem Teil der oberen Schicht 72, über der Schicht 73a gebildet.
Anschließend, wie es in 24 gezeigt ist, wird ein Teil der Opferschicht 50a, wo der Luftspalt AG gebildet werden soll, durch das Durchgangsloch 76 geätzt, um den Luftspalt AG zu bilden. Die Opferschicht 50, die den Bereich 36 ausfüllt, wird zusammen mit der Isolierungsschicht 12, die als der Ätzstopp wirkt, entfernt, so dass der Bereich 36 ein Graben wird, der mit dem Luftspalt AG verbunden ist. Ferner werden die Schichten 33a und 73a durch die Durchgangslöcher 34 und 74 geätzt, und die Luftschichten 33, 73 werden gebildet. In einer Ausführungsform können die oben beschriebenen Ätzprozesse durch Gasphasen- oder Dampfphasenätzen unter Verwendung von Flusssäure im selben Schritt durchgeführt werden. Demzufolge wird der Luftspalt AG sowie die Stütze 50 gebildet. Ferner werden die Luftschichten 33, 73 sowie die Spiegel M1, M2 gebildet. Abschließend wird durch Bildung der Öffnung 51 und der Kontaktstellen 37, 77 und dergleichen das Fabry-Perot-Interferometer 100, wie es in 18 gezeigt ist, hergestellt.
Wie es oben beschrieben ist, umfasst das Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform die Schritte: Bilden einer konvexen Bereichs 10 auf einer Oberfläche des Substrats 10; Bilden eines ersten Spiegels M1 der ersten Spiegelstruktur 30 über dem konvexen Bereich 10a sowie Bilden einer ersten Elektrode 35 in einer Umgebung des konvexen Bereichs 10a auf der einen Oberfläche des Substrats 10; Ebnen einer Oberfläche der Opferschicht 50a, die eine Oberflächenform besitzt, die von konkaven und konvexen Formen der einen Oberfläche des Substrats 10 stammen; und Bilden einer zweiten Spiegelstruktur 70 nach dem Ebnen. Daher können die Herstellungsprozesse der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu jenen der ersten Ausführungsform, in denen der Vorsprungteil 78 in der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist, kompliziert sein. Umgekehrt kann das Fabry-Perot-Interferometer 100, das die zweite Spiegelstruktur 70 mit dem Vorsprungteil 78 enthält, relativ einfach hergestellt werden.
In dem obigen Beispiel wird wenigstens ein Teil jeder Elektrode 35, 75 in dem mittleren Bereich gebildet. Alternativ kann das obige Beispiel folgendermaßen modifiziert werden. Wie es in 25 gezeigt ist, können die Spiegel M1, M2 in den mittleren Bereichen gebildet werden, und die Elektroden 35, 75 können in den die mittleren Bereiche umgebenden Umgebungsbereichen gebildet werden, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall ist. 25 ist eine Schnittansicht, die das modifizierte Beispiel zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform kann auf jede der ersten bis vierten Ausführungsform angewendet oder mit jeder von diesen kombiniert werden.
Die obigen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Beispiele sind nachfolgend beschrieben.
In den obigen Ausführungsformen ist das Substrat 10 ein Halbleitersubstrat, das den Absorptionsteil 11 in einer Oberflächenschicht einer Oberfläche davon und die Isolierungsschicht 12, die auf der einen Oberfläche angeordnet ist, umfasst. Jedoch ist das Substrat 10 nicht hierauf begrenzt. Zum Beispiel kann ein isolierendes Substrat, das aus Glas oder dergleichen gebildet ist, als das Substrat 10 verwendet werden. In diesem Fall ist die Isolierungsschicht 12 nicht erforderlich.
Der Absorptionsteil 11 kann ein solcher sein, der auf einer Oberfläche des Substrats 10 durch Aufdampfen oder dergleichen gebildet ist. Beispielsweise kann die Absorptionsschicht 11 auf einer Seite des Substrats 10 gebildet sein, die der Seite des Substrats 10 gegenüberliegt, auf der die ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist.
In den obigen Ausführungsformen umfasst sowohl der erste Spiegel M1 als auch der zweite Spiegel M2 als beispielhafte Struktur eine optische Mehrschichtstruktur, in der eine Luftschicht, die als die Schicht mit niedrigem Brechungsindex wirkt, zwischen den Schichten mit jeweils hohem Brechungsindex angeordnet ist. Jedoch ist die Struktur des Spiegels nicht auf das obige Beispiel begrenzt. Zum Beispiel können eine feste Schicht wie etwa eine Siliziumoxidschicht, eine flüssige Schicht, eine Gasschicht, die ein anderes Gas als Luft enthält, eine Solschicht, eine Gelschicht oder eine Vakuumschicht als die Schicht mit niedrigem Brechungsindex statt der Luftschicht 33, 37 verwendet werden.
In den in den obigen Ausführungsformen gezeigten Beispielen sind die erste und zweite Spiegelstruktur 30, 70 so aufgebaut, dass der Projektionsteil 42 nur in der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist, oder der Vorsprungteil 78 nur in der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist. Alternativ, wie es in 26 gezeigt ist, können die Vorsprungteile 42, 78 jeweils in sowohl der ersten als auch der zweiten Spiegelstruktur 30, 70 angeordnet sein. Gemäß dieser alternativen Struktur ist es möglich, den Abstand dmi zwischen dem ersten M1 und dem zweiten Spiegel M2 in dem Ausgangszustand weiter zu verkleinern. 26 ist eine Schnittansicht, die die oben beschriebene modifizierte Struktur zeigt. Obwohl der Bereich 36 in dem in 26 gezeigten Beispiel in der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist, kann der Bereich 80 alternativ in der zweiten Spiegelstruktur 70 statt des Bereichs 36 angeordnet sein.
In den obigen Ausführungsformen sind die erste 30 und die zweite Spiegelstruktur 70 so aufgebaut, dass der Bereich 36 in nur der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet ist oder der Bereich 80 nur in der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist. Alternativ, wie es zum Beispiel in 27 gezeigt ist, können die Bereiche 36, 80 jeweils in sowohl der ersten 30 als auch der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet sein. 27 ist eine Schnittansicht, die diese modifizierte Struktur zeigt. In 27 kann der Vorsprungteil 42 in der ersten Spiegelstruktur 30 angeordnet sein, obwohl der Vorsprungteil 78 in der zweiten Spiegelstruktur 70 angeordnet ist. Ferner ist es in der oben beschriebenen Struktur möglich, wenn der Erweiterungsteil und die Kontaktstelle für den ersten M1 und den zweiten Spiegel M2 wie es in 14 gezeigt ist angeordnet sind, dass der erste M1 und der zweite Spiegel M2 über die Kontaktstellen dasselbe Potential besitzen. In diesem Fall ist es möglich, die Verlagerung mit hoher Genauigkeit zu steuern, da die elektrostatische Kraft nicht zwischen den Spiegeln M1, M2 wirkt, wenn die elektrische Spannung an die Elektroden 35, 75 angelegt wird, um die Membran MEM zu verlagern.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Dicke jeder Schicht der optischen Mehrschichtstruktur in dem ersten M1 und zweiten Spiegel M2 nicht bestimmt.
Wenn die Dicken der Schichten 31, 32, 71, 72 und der Schichten 33, 73 auf etwa ein Viertel einer vorbestimmten Sollwert der zu messenden Wellenlänge eingestellt werden, ist es möglich, die Halbwertsbreite des Absorptionsspektrums zu verkleinern und somit die Erfassungsgenauigkeit zu erhöhen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fabry-Perot-Interferometer mit einer ersten beispielhaften Konfiguration bereitgestellt. Das Fabry-Perot-Interferometer umfasst eine erste und eine zweite Spiegelstruktur, die durch einen Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die erste Spiegelstruktur umfasst einen ersten Spiegel und eine erste Elektrode. Die zweite Spiegelstruktur umfasst einen dem ersten Spiegel durch einen Spalt getrennt gegenüberliegend angeordneten zweiten Spiegel und eine der ersten Elektrode durch den Spalt getrennt gegenüberliegend angeordnete zweite Elektrode. Der Spalt ist durch eine elektrostatische Kraft (in seiner Dicke) veränderbar, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird. Der Spalt besitzt eine Dicke dm – der Spiegelabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel. Der erste und der zweite Spiegel transmittieren selektiv Licht mit Wellenlängen, die durch den Spiegelabstand dm bestimmt werden. Die erste und die zweite Spiegelstruktur haben wenigstens entweder eine Konfiguration, in der der erste Spiegel und die erste Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind, oder eine zweite Konfiguration, in der der zweite Spiegel und die zweite Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind. Die erste Spiegelstruktur hat einen ersten Abschnitt, der die erste Elektrode und einen Abschnitt, der mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist, umfasst. Die zweite Spiegelstruktur hat einen zweiten Abschnitt, der die zweite Elektrode und einen Abschnitt, der mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist, umfasst. Der Spalt besitzt ferner einen Abschnittsabstand de zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt. Die erste und die zweite Spiegelstruktur sind so ausgelegt, dass der Abschnittsabstand dei größer als der Spiegelabstand dmi ist, wobei der Spiegelabstand dmi und der Abschnittsabstand dei der Spiegelabstand dm bzw. der Abschnittsabstand de in einem Zustand sind, in dem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode keine elektrische Spannung angelegt ist.
Gemäß dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer sind der erste Spiegel und die erste Elektrode voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet und/oder der zweite Spiegel und die zweite Elektrode sind voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet. Somit haben, wenn die elektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, um den Spalt zu ändern, der erste Spiegel und die erste Elektrode nicht dasselbe Potential und/oder der zweite Spiegel und die zweite Elektrode nicht dasselbe Potential. Die elektrostatische Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel wird im Wesentlichen oder überhaupt nicht erzeugt. Daher hängt die Anziehgrenze nicht von dem Spiegelabstand dm, sondern von dem Abschnittsabstand de ab. Der erste Abschnitt kann ein Abschnitt mit demselben Potential wie das der ersten Elektrode sein, und der zweite Abschnitt kann ein Abschnitt mit demselben Potential wie das der zweiten Elektrode sein.
Gemäß dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer ist ferner der Spiegelabstand dmi in dem Zustand, in dem keine elektrische Spannung angelegt ist, größer als der Abschnittsabstand dei (d. h. dei > dmi). Wenn der Abschnittsabstand de gegenüber dei um 1/3 dei verringert ist, sind der erste und der zweite Abschnitt zu der Anziehgrenze gezogen. Der Abschnittsabstand de bei der Anziehgrenze ist mit dep bezeichnet. Es gilt: dep = 2/3 dei (15)
Der Spiegelabstand dm bei dieser Anziehgrenze ist mit dmp bezeichnet, und es gilt: dmp = dmi – (1/3 dei) (16)
Da die Beziehung dei > dmi erfüllt ist, wie es oben beschrieben ist, ist auch die Beziehung 1/3 dei > 1/3 dmi. Daher kann der Spiegelabstand dm ohne Erreichen der Anziehgrenze um mehr als 1/3 dmi gegenüber dem Zustand ohne angelegte elektrische Spannung geändert werden. Das Fabry-Perot-Interferometer kann den Spiegelabstand de in einem großen Bereich steuern bzw. einstellen, ohne eine Anziehgrenze zu erreichen, und kann daher ein Spektroskopieband im Vergleich zu einem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer verbreitern.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so ausgefegt sein, dass es eine zweite beispielhafte Konfiguration besitzt, in der der erste Spiegel im Vergleich zu der ersten Elektrode in Richtung der zweiten Spiegelstruktur ragt und/oder der zweite Spiegel im Vergleich zu der zweiten Elektrode in Richtung der ersten Spiegelstruktur ragt.
Gemäß der zweiten beispielhaften Konfiguration ist es möglich, den Spiegelabstand dmi im Vergleich zu einer Struktur, in der der erste und der zweite Spiegel nicht vorragen, zu verringern, da der erste Spiegel im Vergleich zu der ersten Elektrode in den Spalt in Richtung der zweiten Spiegelstruktur ragen kann oder der zweite Spiegel im Vergleich zu der zweiten Elektrode in den Spalt in Richtung der ersten Spiegelstruktur ragen kann. Somit ist es möglich, den Spiegelabstand dmi größer als den Abschnittsabstand dei zu machen.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine dritte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der der erste Spiegel gegenüber der ersten Elektrode elektrisch isoliert und getrennt ist und im Vergleich zu der ersten Elektrode in Richtung der zweiten Spiegelstruktur ragt, und/oder der zweite Spiegel gegenüber der zweiten Elektrode elektrisch isoliert und getrennt ist und im Vergleich zu der zweiten Elektrode in Richtung der ersten Spiegelstruktur ragt.
Wenn in dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer gemäß der dritten beispielhaften Konfiguration ein Spiegel, der im Vergleich zu einer Elektrode vorragt, mit der Elektrode in einer Spiegelstruktur elektrisch verbunden wäre, würde der Spiegel als eine Elektrode wirken, über die eine elektrostatische Kraft erzeugt werden könne, und ein Abstand de2 zwischen einem Vorsprungabschnitt, der den Spiegel einer Spiegelstruktur enthält, und einem Abschnitt der weiteren Spiegelstruktur, der eine Elektrode enthält, müsste bei der Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers als der Abschnittsabstand angenommen werden. Da in dem Fabry-Perot-Interferometer gemäß der dritten beispielhaften Konfiguration hingegen der Vorsprungteil, der den Spiegel enthält, gegenüber der Elektrode in einer Spiegelstruktur elektrisch isoliert und getrennt ist, ist es nicht notwendig, den Abstand de2 bei der Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers zu berücksichtigen. Daher ist es möglich, die Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers zu vereinfachen. Ferner ist es möglich, die Breite in einer zu einer Verlagerungsrichtung senkrechten Richtung eines Isolierungsbereichs zu verringern und das Fabry-Perot-Interferometer zu verkleinern.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine vierte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste und die zweite Spiegelstruktur die Beziehung erfüllen: dei ≥ 3 dmi (17)
Gemäß der vierten beispielhaften Konfiguration können der erste und der zweite Spiegel, wie klar aus den Beziehungen (16) und (17) hervorgeht, einander berühren, ohne dass dabei der Einzugseffekt auftritt. Es ist daher möglich, das Spektroskopieband weiter zu verbreitern. Für ein Primärlicht (n = 1) kann die Wellenlänge λ des transmittierten Lichts innerhalb eines Bereichs zwischen 0 und 2 dmi sein.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine fünfte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste und die zweite Spiegelstruktur der folgenden Beziehung genügen: dei ≥ 3 dmi (1 – λmin/λmax) (18) wobei λmin und ein λmax ein Maximum bzw. ein Minimum eines Wellenlängenbereichs des selektiv transmittierten Lichts sind.
Gemäß dieser Konfiguration kann Licht mit Wellenlängen zwischen λmin und λmax transmittiert werden.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine sechste beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste und die zweite Spiegelstruktur der folgenden Beziehung genügen: dei ≥ 1,1 dmi (19)
Gemäß der sechsten beispielhaften Konfiguration ist unter Verwendung eines einzigen Fabry-Perot-Interferometers eine Erfassung von CO₂ (4,2 μm), Ethanol (3,4 μm) und Wasserdampf (2,6 μm) mit dem Primärlicht (n = 1) möglich. Somit ist das Fabry-Perot-Interferometer gemäß der sechsten beispielhaften Konfiguration für ein Alkoholmessgerät (z. B. ein Atemalkoholtestsensor) geeignet. Hier ist der jeweils in Klammer gesetzte Wert eine Infrarotabsorptionswellenlänge des Materials in Gasphase.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine siebte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste und die zweite Spiegelstruktur der folgenden Beziehung genügen: dei ≥ 2,2 dmi (20)
Gemäß der siebten beispielhaften Konfiguration kann das Fabry-Perot-Interferometer ferner Ethanol erfassen, indem es ferner eine Infrarotabsorptionswellenlänge von 9,5 μm verwendet. Es ist daher möglich, unter Verwendung eines einzigen Fabry-Perot-Interferometers CO₂ (4,2 μm), Ethanol (3,4 μm) und Wasserdampf (2,6 μm) mit dem Primärlicht (n = 1) zu erfassen. Hier ist der jeweils in Klammer gesetzte Wert eine Infrarotabsorptionswellenlänge des Materials in Gasphase.
In dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer ist es nicht erforderlich, dass der von der Elektrode elektrisch isoliert und getrennte Spiegel ein elektrisches Potential besitzt, das auf einen vorbestimmten Wert festgelegt ist, sondern es ist möglich, dass er ein schwebendes elektrisches Potential besitzt. Alternativ kann das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer gemäß einer achten beispielhaften Konfiguration ausgelegt sein, in der der erste Spiegel und die erste Elektrode elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind, der zweite Spiegel, die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind, und der erste Spiegel elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist; oder der erste Spiegel und die erste Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind, der zweite Spiegel und die zweite Elektrode elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und der zweite Spiegel elektrisch mit der ersten Elektrode gekoppelt ist.
Da gemäß der achten beispielhaften Konfiguration der erste und der zweite Spiegel dasselbe Potential haben können, wird zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel keine elektrostatische Kraft erzeugt. Somit ist es möglich, ein Spektroskopieband im Vergleich zu einem Fall, in dem entweder der erste oder der zweite Spiegel ein schwebendes elektrisches Potential besitzt, zu verbreitern. Ferner ist es möglich, den Spalt leicht auf eine gewünschte Dicke zu steuern und einzustellen, da zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel keine elektrostatische Kraft erzeugt wird.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine neunte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste Spiegelstruktur einen ersten mittleren Bereich und einen ersten Umgebungsbereich, der den ersten mittleren Bereich umgibt, umfasst, die zweite Spiegelstruktur einen zweiten mittleren Bereich und einen zweiten Umgebungsbereich, der den zweiten mittleren Bereich umgibt, umfasst, der erste und der zweite mittlere Bereich durch den Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind, der erste und der zweite Umgebungsbereich durch den Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind, die erste und die zweite Elektrode in dem ersten bzw. dem zweiten mittleren Bereich angeordnet sind, und der erste und der zweite Spiegel in dem ersten bzw. dem zweiten Umgebungsbereich angeordnet sind. Alternativ kann das Fabry-Perot-Interferometer so ausgelegt sein, dass es eine zehnte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste Spiegelstruktur einen ersten mittleren Bereich und einen ersten Umgebungsbereich, der den ersten mittleren Bereich umgibt, umfasst, die zweite Spiegelstruktur einen zweiten mittleren Bereich und einen zweiten Umgebungsbereich, der den zweiten mittleren Bereich umgibt, umfasst, der erste und der zweite mittlere Bereich durch den Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind, der erste und der zweite Umgebungsbereich durch den Spalt getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind, der erste und der zweite Spiegel in dem ersten bzw. zweiten mittleren Bereich angeordnet sind, und die erste und die zweite Elektrode in dem ersten bzw. dem zweiten Umgebungsbereich angeordnet sind. Die oben beschriebene neunte und zehnte Konfiguration kann ferner eine Stütze enthalten, die zwischen der ersten und der zweiten Spiegelstruktur vorgesehen ist und die den Spalt umgibt.
Da gemäß der neunten beispielhaften Konfiguration die Elektrode in dem mittleren Bereich, in einem Abstand von der Stütze angeordnet ist, ist es möglich, eine Federkonstante der Spiegelstruktur (z. B. eine Elektrode, auf die die elektrostatische Kraft wirkt) kleiner als diejenige in der zweiten optionalen Konfiguration einzustellen. Es ist daher möglich, den Betrag der elektrischen Spannung zu verringern, die zum Ändern des Spalts auf eine bestimmte Dicke angelegt wird. Da gemäß der zehnten beispielhaften Konfiguration der Spiegel in dem mittleren Bereich, in einem Abstand von der Stütze angeordnet ist, ist es leicht möglich, die Spiegel parallel zueinander zu halten, selbst wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Es ist daher möglich, im Vergleich zu der neunten beispielhaften Konfiguration die Halbwertsbreite (FWHM) von transmittiertem Licht zu verringern und gleichzeitig das Fabry-Perot-Interferometer zu verkleinern.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine elfte beispielhafte Konfiguration besitzt, in der die erste und die zweite Spiegelstruktur mehrere Schichten mit hohem Brechungsindex umfasst, die jeweils eine Halbleiterdünnschicht sind, die wenigstens entweder Silizium oder Germanium enthält, der erste und der zweite Spiegel jeweils eine optische Mehrschichtstruktur umfasst, in der eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex zwischen Schichten mit jeweils hohem Brechungsindex angeordnet sind, die Schicht mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex besitzt, der kleiner als derjenige jeder Schicht mit hohem Brechungsindex ist, die erste Elektrode ein Teil der Schichten mit hohem Brechungsindex der ersten Spiegelstruktur ist, wobei der Teil entweder p-leitend oder n-leitend ist, und die zweite Elektrode ein Teil der Schichten mit hohem Brechungsindex der zweiten Spiegelstruktur ist, wobei der Teil entweder p-leitend oder n-leitend ist.
Die Halbleiterdünnschicht, die wenigstens entweder Silizium oder Germanium enthält, ist für Infrarotlicht mit einer Wellenlänge zwischen 2 μm und 10 μm durchlässig. Somit ist das Fabry-Perot-Interferometer gemäß der elften beispielhaften Konfiguration als Wellenlängenselektionsfilter eines Infrarotgasdetektors geeignet. Zum Beispiel ist das Fabry-Perot-Interferometer für das oben beschriebene Alkoholometer geeignet.
Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer kann so konfiguriert sein, dass es eine zwölfte Konfiguration besitzt, in der die Schicht mit niedrigem Brechungsindex entweder aus Luft oder aus Vakuum gebildet ist. Wenn die Schicht mit niedrigem Brechungsindex aus Luft oder Vakuum gebildet ist, kann ein Verhältnis nH/nL eines Brechungsindex nH der Schicht mit hohem Brechungsindex (z. B. nH = 3,45 für Si und nH = 4 für Germanium) zu nL der Schicht mit niedrigem Brechungsindex (z. B. nL = 1 für Luft) einen großen Wert annehmen (z. B. nH/nL = 3,3 oder mehr). Es ist daher möglich, selektiv das Infrarotlicht mit Wellenlängen in dem oben genannten Bereich zu transmittieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten beispielhaften Konfiguration bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bilden einer ersten Elektrode und wenigstens eines Teils eines ersten Spiegels auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei die erste Elektrode und der erste Spiegel Teile einer ersten Spiegelstruktur sind, Bilden einer Opferschicht auf der ersten Spiegelstruktur, Bilden eines Vertiefungsbereichs auf einer Oberfläche der Opferschicht durch Mustern der Opferschicht, so dass der Vertiefungsbereich auf einer Seite der Opferschicht angeordnet ist, die der Seite der Opferschicht gegenüberliegt, auf der die erste Mikrostruktur angeordnet ist, wobei der Vertiefungsbereich einem Bereich entspricht, in dem ein zweiter Spiegel gebildet werden soll, Bilden einer zweiten Elektrode und wenigstens eines Teil des zweiten Spiegels auf der Oberfläche der Opferschicht, die den Vertiefungsbereich enthält, wobei die zweite Elektrode und der zweite Spiegel Teile einer zweiten Spiegelstruktur sind, und – nach Bilden der zweiten Spiegelstruktur – Bilden eines Spalts zwischen der ersten und der zweiten Spiegelstruktur durch Ätzen der Opferschicht.
Gemäß dem oben beschriebenen ersten beispielhaften Verfahren wird der zweite Spiegel der zweiten Spiegelstruktur in dem Vertiefungsbereich der Oberfläche der Opferschicht gebildet. Die zweite Elektrode wird auf der Oberfläche der Oberschicht so gebildet, dass die zweite Elektrode in einer Umgebung des Vertiefungsbereichs angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, das Fabry-Perot-Interferometer bereitzustellen, in dem der zweite Spiegel der zweiten Spiegelstruktur in Richtung der ersten Spiegelstruktur ragt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten beispielhaften Konfiguration bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bilden eines konvexen Bereichs auf einer Oberfläche eines Substrats durch Mustern des Substrats, wobei der konvexe Bereich einem Bereich entspricht, in dem ein erster Spiegel gebildet werden soll; Bilden einer ersten Elektrode und wenigstens eines Teils des ersten Spiegels auf der einen Oberfläche des Substrats, die den konvexen Bereich aufweist, wobei die erste Elektrode und der erste Spiegel Teile einer ersten Spiegelstruktur sind; Bilden einer Opferschicht auf der ersten Spiegelstruktur; Ebnen einer Oberfläche der Opferschicht, wobei die zu ebnende Oberfläche auf einer Seite der Opferschicht angeordnet ist, die der Seite der Opferschicht gegenüberliegt, auf der die erste Spiegelstruktur angeordnet ist; Bilden einer zweiten Elektrode und wenigstens eines Teils eines zweiten Spiegels auf der geebneten Oberfläche der Opferschicht, wobei die zweite Elektrode und der zweite Spiegel Teile einer zweiten Spiegelstruktur sind, und – nachdem die zweite Spiegelstruktur gebildet worden ist – Bilden eines Spalts zwischen der ersten und der zweiten Spiegelstruktur durch Ätzen der Opferschicht.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird der erste Spiegel der ersten Spiegelstruktur auf dem konvexen Bereich der einen Oberfläche des Substrats gebildet. Die erste Elektrode wird auf der einen Oberfläche gebildet, so dass die erste Elektrode in einer Umgebung des konvexen Bereichs angeordnet ist. Nachdem die Oberfläche der Opferschicht mit einer Oberflächenform, die von Unregelmäßigkeiten der einen Oberfläche des Substrats stammt, geebnet ist, wird die zweite Spiegelstruktur gebildet. Daher ist es möglich, das Fabry-Perot-Interferometer bereitzustellen, in dem der erste Spiegel und die erste Spiegelstruktur in Richtung der zweiten Spiegelstruktur ragen.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 3457373 B [0002, 0003, 0009]
- US 5646729 B [0002]
- JP 2008-134388 A [0002, 0004, 0009, 0052, 0052]
- US 20080123100 A [0002]
- JP 2004-226362 A [0008]

Claims

Fabry-Perot-Interferometer mit: – einer ersten Spiegelstruktur (30) und einer zweiten Spiegelstruktur (70), die durch einen Spalt (AG) getrennt, einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei: – die erste Spiegelstruktur (30) einen ersten Spiegel (M1) und eine erste Elektrode (35) umfasst; – die zweite Spiegelstruktur (70) einen dem ersten Spiegel (M1) durch den Spalt (AG) getrennten und dem ersten Spiegel (M1) gegenüberliegend angeordneten zweiten Spiegel (M2) und eine der ersten Elektrode (35) durch den Spalt (AG) getrennte und der ersten Elektrode (35) gegenüberliegend angeordnete zweite Elektrode (75) umfasst; – der Spalt (AG) durch eine elektrostatische Kraft, die durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, die zwischen der ersten (35) und der zweiten Elektrode (75), angelegt wird, veränderbar ist; – der Spalt (AG) eine Dicke aufweist, die durch einen Spiegelabstand (dm) zwischen dem ersten (M1) und zweiten Spiegel (M2) gegeben ist; – der erste (M1) und zweite Spiegel (M2) selektiv Licht mit Wellenlängen transmittieren, die durch den Spiegelabstand (dm) bestimmt werden; – die erste (30) und zweite Spiegelstruktur (70) wenigstens entweder: – eine erste Konfiguration, in der der erste Spiegel (M1) und die erste Elektrode (35) voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind, und – eine zweite Konfiguration, in der der zweite Spiegel (M2) und die zweite Elektrode (75) voneinander elektrisch isoliert und getrennt angeordnet sind, umfassen; – die erste Spiegelstruktur (30) einen ersten Abschnitt (E1) umfasst, der die erste Elektrode (35) und einen Abschnitt, der mit der ersten Elektrode (35) elektrisch verbunden ist, umfasst; – die zweite Spiegelstruktur (70) einen zweiten Abschnitt (E2) umfasst, der die zweite Elektrode (75) und einen Abschnitt, der mit der zweiten Elektrode (75) elektrisch verbunden ist, umfasst; – der Spalt (AG) einen Abschnittabstand (de) zwischen dem ersten (E1) und dem zweiten Abschnitt (E2) definiert; und – die erste (30) und zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass der Abschnittsabstand (dei) größer als der Spiegelabstand (dmi) ist, wobei der Spiegelabstand (dmi) und der Abschnittabstand (dei) der Spiegelabstand (dm) bzw. der Abschnittabstand (de) in einem Zustand sind, in dem zwischen der ersten (35) und der zweiten Elektrode (75) keine elektrische Spannung angelegt ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie eine der folgenden Konfigurationen besitzen: – der erste Spiegel (M1) ragt im Vergleich zu der ersten Elektrode (35) in Richtung der zweiten Spiegelstruktur (70) vor; und – der zweite Spiegel (M2) ragt im Vergleich zu der zweiten Elektrode (75) in Richtung der ersten Spiegelstruktur (30) vor.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie eine der folgenden Konfigurationen besitzen: – der erste Spiegel (M1) ist gegenüber der ersten Elektrode (35) elektrisch isoliert und getrennt und ragt im Vergleich zu der ersten Elektrode (35) in Richtung der zweiten Spiegelstruktur (70) vor; und – der zweite Spiegel (M1) ist gegenüber der zweiten Elektrode (35) elektrisch isoliert und getrennt und ragt im Vergleich zu der zweiten Elektrode (35) in Richtung der ersten Spiegelstruktur (70) vor.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie die Bedingung dei ≥ 3 dmi erfüllen.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie die Bedingung dei ≥ 3 dmi (1 – λmin/λmax) erfüllen, wobei λmin und λmax ein Maximum bzw. ein Minimum eines Wellenlängenbereichs des selektiv transmittierten Lichts sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie die Beziehung dei ≥ 1,1 dmi erfüllen.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) so ausgebildet sind, dass sie die Beziehung dei ≥ 2,2 dmi erfüllen.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) entweder eine erste Konfiguration eines elektrischen Potentials oder eine zweite Konfiguration eines elektrischen Potentials umfassen; – die erste Konfiguration eines elektrischen Potentials wie folgt ist: – der erste Spiegel (M1) und die erste Elektrode (35) sind voneinander elektrisch isoliert angeordnet; – der zweite Spiegel (M2) und die zweite Elektrode (75) sind elektrisch miteinander verbunden; und – der erste Spiegel (M1) ist elektrisch mit der zweiten Elektrode (75) verbunden; und – die zweite Konfiguration eines elektrischen Potentials wie folgt ist: – der erste Spiegel (M1) und die erste Elektrode (35) sind elektrisch miteinander verbunden; – der zweite Spiegel (M2) und die zweite Elektrode (75) sind voneinander elektrisch isoliert angeordnet; und – der zweite Spiegel (M2) ist elektrisch mit der ersten Elektrode (35) verbunden.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste Spiegelstruktur (30) einen ersten mittleren Bereich und einen den ersten mittleren Bereich umgebenden ersten Umgebungsbereich umfasst; – die zweite Spiegelstruktur (30) einen zweiten mittleren Bereich und einen den zweiten mittleren Bereich umgebenden zweiten Umgebungsbereich umfasst; – der erste und der zweite mittlere Bereich durch den Spalt (AG) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind; – der erste und der zweite Umgebungsbereich durch den Spalt (AG) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind; – die erste (35) und die zweite Elektrode (75) in dem ersten bzw. dem zweiten mittleren Bereich angeordnet sind; und – der erste (M1) und der zweite Spiegel (M2) in dem ersten bzw. dem zweiten Umgebungsbereich angeordnet sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste Spiegelstruktur (30) einen ersten mittleren Bereich und einen den ersten mittleren Bereich umgebenden ersten Umgebungsbereich umfasst; – die zweite Spiegelstruktur (30) einen zweiten mittleren Bereich und einen den zweiten mittleren Bereich umgebenden zweiten Umgebungsbereich umfasst; – der erste und der zweite mittlere Bereich durch den Spalt (AG) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind; – der erste und der zweite Umgebungsbereich durch den Spalt (AG) getrennt einander gegenüberliegend angeordnet sind; – der erste (M1) und zweite Spiegel (M2) in dem ersten bzw. dem zweiten mittleren Bereich angeordnet sind; und – die erste (35) und zweite Elektrode (75) in dem ersten bzw. dem zweiten Umgebungsbereich angeordnet sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – die erste (30) und die zweite Spiegelstruktur (70) jeweils mehrere Schichten (31, 32, 71, 72) mit hohem Brechungsindex umfassen, von denen jede eine Halbleiterdünnschicht ist, die wenigstens entweder Silizium oder Germanium enthält; – der erste (M1) und der zweite Spiegel (M2) jeweils eine optische Mehrschichtstruktur besitzt, in der eine Schicht (33, 73) mit niedrigem Brechungsindex zwischen den Schichten (31, 32, 72, 72) mit hohem Brechungsindex angeordnet ist; – der Brechungsindex der Schicht (33, 73) mit niedrigem Brechungsindex kleiner als derjenige jeder Schicht (31, 32, 71, 72) mit hohem Brechungsindex ist; – die erste Elektrode (35) ein Teil der Schichten (31, 32) mit hohem Brechungsindex der ersten Spiegelstruktur (30) sind, wobei der Teil entweder p-leitend oder n-leitend ist; und – die zweite Elektrode (75) ein Teil der Schichten (71, 72) mit hohem Brechungsindex der zweiten Spiegelstruktur (70) ist, wobei der Teil entweder p-leitend oder n-leitend ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (33, 73) mit niedrigem Brechungsindex aus Luft oder Vakuum gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers von Anspruch 2, mit den Schritten: – Bilden einer ersten Elektrode (35) und wenigstens eines Teils eines ersten Spiegels (M1) auf einer Oberfläche eines Substrats (10), wobei die erste Elektrode (35) und der erste Spiegel (M1) Teile einer ersten Spiegelstruktur (30) sind; – Bilden einer Opferschicht (50a) auf der ersten Spiegelstruktur (30); – Bilden eines Vertiefungsbereichs (52) auf einer Oberfläche der Opferschicht (50a) durch Mustern der Opferschicht (50a), so dass der Vertiefungsbereich (52) auf einer Seite der Opferschicht (50a) angeordnet ist, die einer Seite der Opferschicht (50a) gegenüberliegt, auf der die erste Spiegelstruktur (30) angeordnet ist, wobei der Vertiefungsbereich (52) einem Bereich entspricht, in dem ein zweiter Spiegel (M2) gebildet werden soll; – Bilden einer zweiten Elektrode (75) und wenigstens eines Teils des zweiten Spiegels (M2) auf der Oberfläche der Opferschicht (50a), die den Vertiefungsbereich (52) aufweist, wobei die zweite Elektrode (75) und der zweite Spiegel (M2) Teile einer zweiten Spiegelstruktur (70) sind; und – nach dem Bilden der zweiten Spiegelstruktur (70): Bilden eines Spalts (AG) zwischen der ersten (30) und der zweiten Spiegelstruktur (70) durch Ätzen der Opferschicht (50a).
Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers von Anspruch 2, mit den Schritten: – Bilden eines konvexen Bereichs (10a) auf einer Oberfläche eines Substrats (10) durch Mustern des Substrats (10), wobei der konvexe Bereich (10a) einem Bereich entspricht, in dem ein erster Spiegel (M1) ausgebildet werden soll; – Bilden einer ersten Elektrode (35) und wenigstens eines Teils des ersten Spiegels (M1) auf der einen Oberfläche des Substrats (10), die den konvexen Bereich (10a) aufweist, wobei die erste Elektrode (35) und der erste Spiegel (M1) Teile einer ersten Spiegelstruktur (30) sind; – Bilden einer Opferschicht (50a) auf der ersten Spiegelstruktur (30); – Ebnen einer Oberfläche der Opferschicht (50a), wobei die zu ebnende Oberfläche auf einer Seite der Opferschicht (50a) angeordnet ist, die einer Seite der Opferschicht (50a) gegenüberliegt, auf der die erste Spiegelstruktur (30) angeordnet ist; – Bilden einer zweiten Elektrode (75) und wenigstens eines Teils eines zweiten Spiegels (M2) auf der geebneten Oberfläche der Opferschicht (50a), wobei die zweite Elektrode (75) und der zweite Spiegel (M2) Teile einer zweiten Spiegelstruktur (70) sind; und – nach dem Bilden der zweiten Spiegelstruktur (70): Bilden eines Spalts (AG) zwischen der ersten (30) und der zweiten Spiegelstruktur (70) durch Ätzen der Opferschicht (50a).