DE102011104843B4

DE102011104843B4 - Mikrospiegelbauteil mit linienförmiger Biegefeder sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102011104843B4
Application number: DE102011104843A
Authority: DE
Inventors: Paul Felix Greiner; Helmut Friedrich Schlaak; Sebastian Quednau; Matthias Armin Staab
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: DE102011104843A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Mikrospiegelbauteils (100), umfassend wenigstens einen Mikrospiegel (10) und wenigstens eine Elektrode (40), mit der eine Verkippung des wenigstens einen Mikrospiegels (10) bewirkbar ist und wobei der wenigstens eine Mikrospiegel (10) ein erstes Spiegelteil (11) und ein am ersten Spiegelteil (11) angeordnetes zweites Spiegelteil (12) umfasst, wobei das erste Spiegelteil (11) ein linienförmiger, als Biegefeder ausgebildeter Träger (11a) ist und das zweite Spiegelteil (12) ein Spiegelkopf (12a) ist, und wobei sich der Träger (11a) zwischen Substrat (30) und Spiegelkopf (12a) erstreckt, umfassend die Schritte – Bereitstellen des Substrats (30); – Bereitstellen oder Erzeugen einer ersten Maskenstruktur (110) auf dem Substrat (30) mittels eines Lithographie und Galvanoformungs-Verfahrens (LIG-Verfahren) zur Definition der Struktur und Position zumindest der Elektrode (40) und des ersten Spiegelteils (11) auf der Substratoberfläche (20), wobei die erste Maskenstruktur (110) wenigstens eine erste Öffnung (112) zur Definition eines ersten Spiegelteils (11) aufweist;...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Mikrospiegelbauteil, eine Mikrospiegelvorrichtung mit wenigstens einem Mikrospiegelbauteil sowie ein Herstellverfahren dazu.
Aus der US 2002 0075554 A1 ist ein Array von Mikrospiegeln bekannt, das auf einem Siliziumwafer angeordnet ist. In die Oberfläche des Siliziumwafers werden Vertiefungen so geätzt, dass Säulen von einkristallinem Silizium freigelegt werden, die von den Wänden der Vertiefungen beabstandet sind. Die Oberfläche des Wafers wird zurückgeätzt, bis die freien Enden der Säulen aus der Oberfläche herausstehen. Auf den freien Enden der Säulen werden Scheiben mit reflektierender Oberfläche befestigt, indem einzelne Säulen mit je einer Scheibe mittels eines eutektischen Bondmittels fest verbunden werden. Die Scheiben können durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen Scheibe und Elektroden an den Wänden der Vertiefungen gekippt werden.
Aus dem wissenschaftlichen Artikel von J. H. Kim et. al, ”A high fill-factor micromirror stacked on a crossbar torsion spring for electrostatically-actuated two-axis Operation in large-scale optical switch”, Micro Electro Mechanical Systems IEEE, 2003, S. 259–262 geht ein Mikrospiegelbauteil hervor, dass zwei Ebenen kreuzförmig übereinander gestapelter Paare von zylinderförmigen Trägern, die jeweils miteinander durch Torsionsfedern verbunden sind, umfasst. Auf dem oberen Trägerpaar ist eine runde Spiegelfläche angeordnet. Das Mikrospiegelbauteil umfasst fünf Layer, die durch Galvanisierung ausgeformt sind.
Die US 7 643 195 B2 beschreibt eine Mikrospiegelvorrichtung, die einen Mikrospiegel, eine Lichtquelle und eine Spiegeloptik im Strahlengang der Lichtquelle umfasst, wobei Lichtstrahlen der Lichtquelle durch den Mikrospiegel ablenkbar sind. Der Spiegelkopf ist entlang einer horizontalen Achse verkippbar und der Spiegel, Spiegelhalter sowie die Elektroden sind durch ein mehrstufiges komplexes lithographisches Verfahren mittels verschiedener Materialabscheidungen auf einem Substrat aufgebaut.
In der US 6 025 951 B wird ein Mikrospiegelbauteil vorgeschlagen, das ein Spiegelkopf und einen als Blatt- oder Doppelblattfederartig ausgebildeten Träger umfasst, wobei der Spiegelkopf um die durch die Ausrichtung der Feder definierte Drehachse des Trägers in eine Drehwinkelrichtung ablenkbar ist.
Aus dem wissenschaftlichen Artikel C. Marques et al., ”Fabrication of High-Aspect-Ratio Microstructures on Planar and Nonplanar Surfaces Using a Modified LIGA Process”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 6, No. 4, 1997 geht ein Herstellverfahren für Mikrosäulen nach dem LIGA-Verfahren hervor.
Daneben betrifft die EP 1 518 822 A2 ein Verfahren zur Herstellung von Mikrospiegeln mittels eines abgewandelten LIGA-Verfahrens.
Die US 6 198 180 B1 offenbart ein auf einem Substrat angeordnetes Mikrospiegelbauteil mit einem auf einem linienförmigen Träger ruhenden Mikrospiegel, der um zwei orthogonale Drehachsen verkippbar ist. Der verhältnismäßig kurze Träger ist auf dem Substrat aufgesetzt. Zur Verkippung sind vier Elektrodenplatten im Substrat vergraben. Der Neigungswinkel des Mikrospiegels wird durch ein seitliches Aufsetzen des Spiegelkopfes auf dem Substrat oder auf einem zusätzlichen Stopppfosten begrenzt.
In der WO 2010/068962 A ist ein um eine Drehachse verkippbares Mikrospiegelbauteil beschrieben, wobei der Mikrospiegelkopf aus einer Aluminiumplatte und aus einer Trägerschicht aus Polydimethylsiloxane (PDMS) gebildet wird, und die Trägerschicht mittels eines flexiblen Trägerschafts aus identischem Material mit dem Substrat verbunden ist. Der Trägerschaft kann zur elektrischen Kontaktierung der Aluminiumplatte mit Metallionen dotiert werden, oder die Aluminiumschicht kann leitend mit benachbarten Aluminiumplatten entlang der Drehachse elektrisch verbunden sein. Aluminiumelektroden werden auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse auf dem Substrat abgeschieden, hiernach wird Trägerschaft und Trägerschicht einstückig aus PDMS abgeschieden, und anschließend eine Aluminiumschicht zur Ausbildung der Spiegeloberfläche abgeschieden, die abschließend zur Individualisierung der benachbarten Mikrospiegel geätzt werden.
Die US 2005/0128564 A1 beschreibt einen Mikrospiegel, der auf einem Substrat mit erhabenen Elektroden auf zwei Pfosten ruht und um eine einzelne Verdrehachse verkippbar ist. Die beiden Lagerpfosten sind verhältnismäßig kurz und solide ausgebildet, und daher biegesteif. Der Spiegelkopf ist mittels entlang ihrer Längsachse verdrehbaren Torsionsfedern, die durch Einschnitte im Spiegelkopf ausgebildet sind, mit den Lagerpfosten verbunden. Zwischen der Unterseite des Spiegelkopfes und der Lagerpfostenoberseite ist ein Luftspalt ausgebildet, um ein Verkippen des Spiegelkopfes in einem vorbestimmbaren Winkel zu ermöglichen. Die Torsionsfedern sind Teil der Spiegelkopffläche und liegen in der Spiegelkopfebene.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrospiegelbauteil anzugeben, das eine weitgehende Freiheit bei der Materialwahl von Spiegel und Substrat erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Mikrospiegelvorrichtung mit wenigstens einem Mikrospiegelbauteil.
Ferner ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines vereinfachten und robusten Verfahrens zur Herstellung eines Mikrospiegelbauteils Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht gemäß des unabhängigen Anspruchs 9 in einem ersten Aspekt aus von einem Mikrospiegelbauteil mit wenigstens einem Mikrospiegel und wenigstens einer Elektrode, mit der eine Verkippung des wenigstens einen Mikrospiegels bewirkbar ist, wobei der wenigstens eine Mikrospiegel ein erstes Spiegelteil und ein am ersten Spiegelteil angeordnetes zweites Spiegelteil umfasst.
Es wird unter anderem vorgeschlagen, dass das erste Spiegelteil und das zweite Spiegelteil mittels eines additiven Verfahrens auf einer Oberfläche abgeschieden sind, und dass ein Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelteil durch einen Beschichtungsprozess beim Abscheiden des zweiten Spiegelteils auf dem ersten Spiegelteil oder beim Abscheiden des ersten Spiegelteils auf dem zweiten Spiegelteil gebildet ist.
Erfindungsgemäß ist das erste Spiegelteil ein Träger und das zweite Spiegelteil ein Spiegelkopf, wobei der Träger sich zwischen Substrat und Spiegelkopf erstreckt. In diesem Falle können die Spiegelteile auch auf diesem Substrat abgeschieden worden sein. Bei umgekehrter Herstellung (d. h. das erste Spiegelteil wird auf dem zweiten Spiegelteil abgeschieden) kann der Mikrospiegel von einem Substrat, auf dem er abgeschieden wurde, auf ein Bauteil-Substrat transferiert werden, welches die Anordnung permanent im Betrieb tragen soll.
Es sind nur wenige Ebenen im mikromechanischen Mikrospiegel-System notwendig, da die mechanische Halterung, d. h. der Träger (erstes Spiegelteil) des Mikrospiegels und der Spiegelkopf (zweites Spiegelteil) selbst einstückig ausgebildet werden können. Der Träger des Spiegelkopfs dient erfindungsgemäß als Biegefeder, die ein Verkippen des Mikrospiegels ermöglicht. Der Träger ist – im Vergleich mit dem flächigen Spiegelkopf – als praktisch linienförmiges Element anzusehen. Der Spiegelkopf kann grundsätzlich einen beliebigen Grundriss aufweisen, den der Fachmann je nach Bedarf auswählen wird. Mechanik und Optik des Mikrospiegels müssen nicht getrennt werden. Der Aufbau des Bauteils vereinfacht sich durch die Vereinigung von reflektierender Oberfläche und dem mechanischem Halter, dem Spiegelkopf, des Spiegels. Im Vergleich mit dem Stand der Technik sind nur wenige Prozessschritte notwendig, wobei die vorgesehenen Prozesse kostengünstig ausgeführt werden können.
Vorteilhaft kann der Mikrospiegel aus einem Material gebildet werden, das unabhängig vom Substrat ist, beispielsweise aus einem Metall wie Kupfer, Silber, Nickel oder dergleichen, einer Metalllegierung wie Nickel-Eisen oder dergleichen, oder Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffverbindungen oder dergleichen, während als Substrat ein Halbleitermaterial eingesetzt werden kann. Der Mikrospiegel kann insbesondere durchgängig aus einem Material gebildet sein, ohne Bond- oder Klebeverbindungen, da das zweite Spiegelteil, etwa ein Spiegelkopf, auf dem ersten Spiegelteil, etwa einem Träger, im Beschichtungsprozess aufwachsen kann, oder umgekehrt, wenn zuerst der Spiegelkopf abgeschieden wird und dann erst der Träger auf dem Spiegelkopf. Dadurch kann der Mikrospiegel insgesamt sehr stabil sein, so dass Alterungserscheinungen durch häufige Verkippungen gemindert sind, die sonst an Verbindungsnähten zu befürchten sind. Insbesondere können Probleme zwischen erstem und zweitem Spiegelteil hinsichtlich thermischer und mechanischer Stabilität wie auch der elektrischen Leitfähigkeit vermieden werden.
Insbesondere können das erste Spiegelteil und das zweite Spiegelteil aus demselben Material gebildet, d. h. quasi monolithisch ausgebildet sein.
Das Mikrospiegelbauteil kann einen oder mehrere Mikrospiegel umfassen. Insbesondere kann ein Array von Mikrospiegeln mit hohem optischem Füllfaktor geschaffen werden.
Es kann ein hoher optischer Füllfaktor erreicht werden, da die elektrische Kontaktierung von Elektroden und Mikrospiegel über integrierte Leiterbahnen erfolgen kann. Dadurch können minimale Abstände zwischen einzelnen Mikrospiegeln in einem Array von Mikrospiegeln erreicht werden, so dass eine aufwändige Mischeroptik eingespart werden kann. Dies erlaubt zudem die Steigerung der optischen Ausbeute, da die erfindungsgemäßen Mikrospiegel eine hohe optische Gesamteffizienz aufweisen und optische Verluste in der Mischeroptik entfallen.
Es kann eine Matrixanordnung von Mikrospiegeln mit flächigen Spiegelköpfen erreicht werden, die sich jeweils in mindestens einer Raumrichtung bewegen lassen. Der Antrieb der Mikrospiegel ist vorzugsweise elektrostatisch. Der Träger des Spiegelkopfs dient jeweils als Biegefeder des Mikrospiegels. Dabei kann der Träger bzw. die Biegefeder beispielsweise aus Vollmaterial gebildet sein oder aus einem Verbund von Nanofasern, z. B. Nanodrähten oder Kohlenstoffnanoröhren.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können auf einer Oberfläche eines den wenigstens einen Mikrospiegel tragenden Substrats ein oder mehrere elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Mikrospiegels und/oder der wenigstens einen Elektrode angeordnet sein. Die Leiterbahnen können mit in der Mikroelektronik üblichen photolithographischen Methoden und Materialien hergestellt sein. Zur unmittelbaren elektrischen Kontaktierung des Mikrospiegels und der Elektroden ist somit kein Bonddraht notwendig, so dass die Anordnung sehr kompakt ausgeführt werden kann. Die Leiterbahnen können z. B. in unproblematischen Randbereichen des Mikrospiegelbauteils in geeigneter Weise mit einer Spannungsquelle verbunden sein. Ferner sind bei derartigen integrierten Leiterbahnen die elektrischen Zuleitungswiderstände relativ gering, was für eine hochfrequente Ansteuerung des Mikrospiegels sehr günstig ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die wenigstens eine Elektrode einen nichtmetallischen Innenbereich aufweisen. Der nichtmetallische Innenbereich kann mit einer metallischen Elektrodenbeschichtung versehen sein. Als nichtmetallisches Material kann ein Photolack (Photoresist), insbesondere ein Negativ-Photoresist, eingesetzt sein, etwa auf Harzbasis wie SU-8 der Firma Microchem Corporation oder AZ 125 nXT der Firma AZ Electronic Materials, Polymethylmethacrylat (PMMA) oder dergleichen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die wenigstens eine Elektrode alternativ einen metallischen Innenbereich aufweisen. Insbesondere kann die Elektrode vollmetallisch sein. Die Elektrode kann z. B. gleichzeitig mit dem ersten Spiegelteil abgeschieden werden und insbesondere aus demselben Material bestehen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung kann das erste Spiegelteil wenigstens bereichsweise aus Vollmaterial gebildet sein. Das Vollmaterial kann insbesondere dasselbe Material sein, das zur Herstellung des Mikrospiegels eingesetzt wird.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der erste Spiegelteil wenigstens bereichsweise aus einer Mehrzahl von Fasern gebildet sein, insbesondere können die Fasern einen sehr geringen Durchmesser aufweisen im Bereich von Mikrometern und darunter.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrospiegelbauteils vorgeschlagen mit den Schritten

– Bereitstellen eines Substrats;
– Bereitstellen oder Erzeugen einer ersten Maskenstruktur auf dem Substrat, wobei die erste Maskenstruktur wenigstens eine erste Öffnung aufweist;
– Füllen der wenigstens einen ersten Öffnung mit einem ersten Material bis zu einer vorgegebenen Höhe;
– Planarisieren der befüllten ersten Maskenstruktur, so dass eine planarisierte erste Oberfläche gebildet wird;
– Bereitstellen einer strukturierten Abstandsschicht auf der planarisierten ersten Oberfläche;
– Erzeugen einer zweiten Maskenstruktur auf der strukturierten Abstandsschicht mit wenigstens einer zweiten Öffnung, die zum ersten Material durchgängig ist;
– Füllen der wenigstens zweiten Öffnung mit einem zweiten Material, so dass ein Kontaktbereich zwischen erstem und zweitem Material gebildet wird;
– Entfernen der Maskenstrukturen und der Abstandsschicht.

Unter Bereitstellen einer Maskenstruktur soll insbesondere verstanden werden, dass eine Maskenschicht, etwa Photolack, deponiert wird und mit einer Mikrostruktur mit Durchgangsöffnungen und maskierten Bereichen versehen wird. Die Mikrostruktur kann insbesondere durch Tiefenlithographie erzeugt werden, die ein sehr hohes Aspektverhältnis, d. h. große Verhältnisse von Höhe zu Breite einer Struktur, ermöglichen. Die Leiterbahnen unterhalb der Maskenstruktur können als Startschicht für die galvanische Abscheidung des ersten Spiegelteils und der Elektroden dienen. Gegebenenfalls kann an den zur Abscheidung vorgesehenen Bereichen noch eine separate Startschicht, etwa eine Schichtlage von Gold oder Kupfer auf Chrom, vorgesehen sein.
Die wenigstens eine Öffnung in der ersten Maskenschicht kann ein Kanal sein – beispielsweise senkrecht zum Substrat orientiert und eng –, der zur Abscheidung eines Trägers des Mikrospiegels vorgesehen ist. Der Kanal kann beispielsweise in einer Photolackschicht erzeugt werden, die dicker ist als die Solllänge des Trägers. Die Dicke der Photolackschicht kann z. B. 120% der Solllänge betragen.
Unter Bereitstellen einer strukturierten Schicht soll insbesondere verstanden werden, dass eine Schicht abgeschieden und bei der Abscheidung oder nach der Abscheidung strukturiert wird.
Gemäß des Aspekts der Erfindung nach Anspruch 1 wird zur Strukturierung der ersten Maskenschicht ein LIGA-ähnliches Verfahren eingesetzt werden. LIGA steht für Lithographie, Galvanik und Abformung. Eine entsprechende Abwandlung stellt das LIG-Verfahren dar mit Lithographie und Galvanoformung. Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung von Mikrostrukturen mit kleinsten Abmessungen bis zu 0,2 μm, Strukturhöhen bis zu einigen Millimetern, und hohen Aspektverhältnissen bis zu einigen hundert, je nach verwendeter Strahlung, aus verschiedensten Materialien wie Kunststoff, Metall oder Keramik. LIGA wird insbesondere dann eingesetzt, wenn Strukturen mit sehr hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen sind. So kann mit dem so genannten LIGA-Verfahren mit UV-Bestrahlung ein Aspektverhältnis von 30:1 erzielt werden, bei Verwendung von Röntgenstrahlung statt UV-Strahlung ein Aspektverhältnis von typisch 60:1 und mit Ionenbestrahlung ein Aspektverhältnis von 500:1.
Günstige Abmessungen der Spiegelteile sind eine Länge des Trägers zwischen beispielsweise 10 μm und 600 μm, bevorzugt zwischen 20 μm und 100 μm, ein Durchmesser des Trägers zwischen beispielsweise 20 nm und 50 μm, vorzugsweise zwischen 80 nm und 5 μm und eine Breite des Spiegelkopfs zwischen beispielsweise 30 μm und 800 μm, vorzugsweise zwischen 40 μm und 200 μm.
Gemäß des erfinderischen Aspekts nach Verfahrensanspruch 2 weist die erste Maskenstruktur weitere Öffnungen auf, die mit Elektrodenmaterial gefüllt werden, beispielsweise einem Metall. Alternativ kann dort ein Nichtmetall abgeschieden werden, etwa ein permanenter Photolack, der in der Anordnung verbleiben soll und der mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen als Elektrodenkörper dient.
Das Abscheiden des ersten Spiegelteils und gegebenenfalls der Elektroden sowie des zweiten Spiegelteils kann zweckmäßigerweise galvanisch erfolgen, um die erwünschten großen Schichtdicken zu erreichen. Günstig sind bei den erwünschten hohen Aspektverhältnissen insbesondere des ersten Spiegelteils eine elektrochemische Abscheidung wie Elektroplattieren oder Elektroformung. Zur Abscheidung der Isolatorschicht kann auch ein übliches PVD- oder CVD-Verfahren, galvanische Abscheidung oder Schleuder-, Gieß- oder Tauchverfahren eingesetzt werden. Bei Bedarf kann der Spiegelkopf (zweites Spiegelteil) noch mit einer separaten dünnen Spiegelschicht, etwa Silber, Chrom oder Aluminium oder dergleichen, an der Oberfläche veredelt werden, die ebenso mit PVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden werden kann. Ferner können PVD- oder CVD-Verfahren eingesetzt werden, um galvanische Startschichten auf dem Substrat und/oder auf der Abstandsschicht (Opferschicht) abzuscheiden.
Dabei kann, wie bereits erwähnt, die erste Maskenstruktur weitere Öffnungen aufweisen, in die ein elektrisch nichtleitender Elektrodenkörper abgeschieden wird, beispielsweise aus Photolack wie SU-8 oder AZ 125 nXT oder PMMA oder dergleichen. Vorteilhaft ist die Dicke des nichtleitenden Elektrodenkörpers dicker als die Solllänge der Biegefeder, insbesondere vergleichbar mit der Dicke der ersten Maskenstruktur. Der nichtleitende Elektrodenkörper wird anschließend mit einer dünnen Metallschicht versehen, die eine Verbindung zu den entsprechenden Leiterbahnen auf dem Substrat herstellt.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann vor Aufbringen der zweiten Maskenstruktur eine strukturierte Schicht eines Isolators auf der planarisierten ersten Oberfläche bereitgestellt werden. Der Isolator ist vorgesehen, im Betrieb des Mikrospiegelbauteils einen elektrischen Kurzschluss zwischen Mikrospiegel und Elektrode zu verhindern.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die erste Maskenstruktur wenigstens ein Gebiet mit Nanoporen aufweisen, die mit dem ersten Material so gefüllt werden, dass das erste Material in Faserform aufwächst. Vorteilhaft kann eine Templatfolie mit Nanoporen eingesetzt werden, welche in ausgewählten Bereichen mit dem Material des ersten Spiegelteils gefüllt werden. Die Nanoporen sind die Negativform der dadurch gebildeten Fasern. Derartige Templatfolien mit Nanoporen sind beispielsweise als Filterfolien im Chemiefachhandel erhältlich. Über der Templatfolie kann eine entsprechende Maskenstruktur angewendet werden, so dass nur in den gewünschten Bereichen der Biegefeder derartige Fasergebilde abgeschieden werden.
Das Abscheiden des ersten Spiegelteils in Faserform kann zweckmäßigerweise ebenso galvanisch mittels Elektroplattieren oder Elektroformung erfolgen, um die erwünschten großen Schichtdicken zu erreichen. Gleichzeitig kann durch die lokal gezielte Abscheidung wertvolles Material gespart werden. Der Prozess ist relativ schnell; so können unter gegebenen Umständen Nanodrähte mit 30 μm Länge und jeweils etwa 300 nm Durchmesser innerhalb von 30 min abgeschieden werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann vor Aufbringen des ersten Materials eine Beschichtung des elektrisch nichtleitenden Elektrodenkörpers mit Elektrodenmaterial erfolgen. Zur Bildung der Elektroden können Materialkosten gegenüber von Elektroden aus metallischem Vollmaterial eingespart werden. Denkbar ist auch, diese Beschichtung nach dem Aufbringen des ersten Materials aufzubringen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann das erste Material einen Träger in einem Kanal bilden, auf den als zweites Material ein Spiegelkopf abgeschieden wird. In diesem Fall kann der wenigstens eine Mikrospiegel auf dem Substrat verbleiben, welches zur Abscheidung des wenigstens einen Mikrospiegels dient.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann das erste Material einen Spiegelkopf bilden, auf den als zweites Material ein Träger abgeschieden wird, wobei der Verbund von Elektroden und Spiegelkopf/Träger mit einem zweiten Substrat abgedeckt wird und vom Substrat abgelöst wird. In diesem Fall kann der wenigstens eine Mikrospiegel auf einem ersten Substrat abgeschieden und auf ein zweites Substrat des Mikrospiegelbauteils transferiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Mikrospiegelvorrichtung vorgeschlagen mit wenigstens einem Mikrospiegelbauteil gemäß wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen, umfassend wenigstens einen Mikrospiegel, wenigstens eine Lichtquelle, wenigstens eine Spiegeloptik im Strahlengang der Lichtquelle, wobei Lichtstrahlen der Lichtquelle auf den wenigstens einen Mikrospiegel lenkbar sind.
Vorteilhaft weist die Mikrospiegelvorrichtung einen sehr hohen optischen Füllfaktor auf, da ein Drahtbonden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Mikrospiegels entfallen kann. Die Mikrospiegelvorrichtung kann bei kleiner Bauweise eine Vielzahl von Mikrospiegeln umfassen und eignet sich beispielsweise für den Einsatz in einer portablen Projektionsvorrichtung wie einem portablen Beamer, der z. B. mit einem Mobiltelefon oder Laptop oder dergleichen koppelbar ist bzw. dort eingebaut ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Lichtquelle in Funktion unterschiedlich monochromatisches Licht abgeben, insbesondere rotes, grünes und blaues Licht. Zweckmäßigerweise können Leuchtdioden, insbesondere Laserdioden, eingesetzt werden. Die Helligkeit der am wenigstens einen Mikrospiegel reflektierten optischen Abbildung kann direkt durch Modulation der Helligkeiten der Laserdioden erfolgen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann eine Spiegeloptik vorgesehen sein, die zur Transmission und zur Reflexion von Lichtstrahlen der Lichtquelle ausgebildet ist. Auf Prismen kann verzichtet werden, so dass auch bei Verwendung einer grün emittierenden Laserdiode mit aktuellem Leistungsniveau eine hohe optische Ausbeute im Strahlengang möglich ist. Ein Fokussieren der Lichtstrahlen ist nicht notwendig, ebenso wenig ein Mischen der verschiedenen Farben in der Mikrospiegelvorrichtung.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können die Lichtstrahlen im Wesentlichen parallel auf den wenigstens einen Mikrospiegel so leitbar sein, dass der wenigstens eine Mikrospiegel einen Lichtpunkt erzeugt, welcher unterschiedlich farbige Lichtpunkte umfasst, wobei eine Mischung der Farben erst nach Reflexion am wenigstens einen Mikrospiegel erfolgt. Vorteilhaft sind die Lichtstrahlen hochparallel mit geringem Abstand von nur wenigen Mikrometern. Selbst eine Änderung der Federeigenschaften des als Biegefeder des wenigstens einen Mikrospiegels ausgebildeten Trägers wirkt sich auf alle drei Farben gleichzeitig aus, so dass kein Versatz zwischen den Farben der Bildpunkte auftritt. Zudem ist bei portablen Projektionsvorrichtungen eine leichte Änderung der Projektionsfläche aufgrund beispielsweise von Materialermüdung des wenigstens einen Mikrospiegels vernachlässigbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1a–c mehrere Detail-Ansichten eines Mikrospiegels in einer günstigen Ausgestaltung eines Mikrospiegelbauteils gemäß der Erfindung;
2 eine dreidimensionale Darstellung des Mikrospiegels aus 1a–1c;
3 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise zum Verkippen eines Mikrospiegels;
4a–4c Draufsichten auf Mikrospiegel mit unterschiedlichen Grundrissen des Spiegelkopfs und Anordnungen von Elektroden;
5 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Mikrospiegels mit unterschiedlichem dynamischen Verhalten für verschiedene Raumrichtungen;
6a–6e verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Mikrospiegelbauteils;
7 ein alternatives Beispiel eines Mikrospiegelbauteils mit nichtmetallischen Elektrodenkörpern;
8 beispielhaft eine Beigefeder eines Mikrospiegels in Form eines Nanofaserbündels; und
9a–9c eine Prinzipdarstellung einer günstigen Ausgestaltung einer Mikrospiegelvorrichtung mit reiner Spiegeloptik im Strahlengang (9a) und einer Variante der Spiegeloptik im Strahlengang (9b), sowie eine Darstellung eines Bildpunkts mit drei Farbpunkten (9c).
Ausführungsform der Erfindung
In den Zeichnungen sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Ferner zeigen die Zeichnungen lediglich schematische Darstellungen und beispielhaft typische Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die 1a, 1b und 1c zeigen mehrere Detail-Ansichten eines Mikrospiegels 10 in einer günstigen Ausgestaltung eines Mikrospiegelbauteils 100 gemäß der Erfindung. Das Mikrospiegelbauteil 100 umfasst einen oder mehrere Mikrospiegel 10 sowie zugehörige eine oder mehrere Elektroden 40, mit der eine Verkippung des jeweiligen Mikrospiegels 10 bewirkbar ist.
Der jeweilige Mikrospiegel 10 besteht aus einem zum horizontalen Substrat 30 vertikal angeordneten Träger 11a, der einen ersten Spiegelteil 11 bildet und einem quer dazu angeordneten Spiegelkopf 12a, der ein zweites Spiegelteil 12 bildet. Der Träger 11a dient als Biegefeder des Mikrospiegels 10 und kann praktisch als linienförmiges Element im Verhältnis zum Spiegelkopf 12a angesehen werden. Durch das hohe Aspektverhältnis erhält die Biegefeder eine hohe Nachgiebigkeit.
Träger 11a und Spiegelkopf 12a sind elektrisch miteinander verbunden. Wie in 6a–6e dargestellt ist, sind der erste und der zweite Spiegelteil 11, 12 mittels eines additiven Verfahrens auf einer Oberfläche 20 des Substrats abgeschieden. Ein materialschlüssiger Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelteil 11, 12 wird durch einen Beschichtungsprozess beim Abscheiden des zweiten Spiegelteils 12 auf dem ersten Spiegelteil 11 oder beim Abscheiden des ersten Spiegelteils 11 auf dem zweiten Spiegelteil 12 gebildet.
In der gezeigten Ausgestaltung weist der Mikrospiegel zwei orthogonale Drehachsen auf, um die der Mikrospiegel 10 bzw. dessen Spiegelkopf 12a mit Winkelgeschwindigkeiten ω_A bzw. ω_B kippen kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 11a zentral innerhalb einer Elektrodenanordnung von vier Elektroden 40 angeordnet, die praktisch vollständig vom Spiegelkopf 12a überdeckt sind. Der Träger 11a ist mit einem Abstand 18, z. B. 15 μm, von den Seitenwänden der Elektroden 40 beabstandet, und der Spiegelkopf 12 ist mit einem Abstand 16, z. B. 3 μm von den Oberflächen der Elektroden 40 beabstandet. Die Elektrodenkörper der Elektroden 40 weisen beispielsweise einen dreieckigen Querschnitt auf, und bilden mit ihren inneren Seitenwänden Diagonalen eines Rechtecks, während der Spiegelkopf 12a einen entsprechend rechteckigen Grundriss aufweist und die Elektroden 40 überdeckt.
2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Mikrospiegels 10 aus 1a–1c, während 3 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise beim Verkippen des Mikrospiegels 10 illustriert.
Der Mikrospiegel 10 kann um die zwei orthogonalen Drehachsen mit Winkelgeschwindigkeiten ω_A und ω_B verkippt werden, indem eine elektrische Spannung U einer Spannungsquelle 180 zwischen eine oder mehrere Elektroden 40 einerseits und dem Mikrospiegel 10 andererseits angelegt wird. Der Spiegelkopf 12a des Mikrospiegels 10 wird elektrostatisch zu den jeweiligen Elektroden 40 hin angezogen. Da der Träger 11a praktisch linienförmig ausgebildet ist, dient dieser als vertikale Biegefeder des Mikrospiegels 10 und fungiert außerdem als Mittelelektrode in Bezug auf die Anordnung der umgebenden Elektroden 40. Eine elektrische Kontaktierung an die Spannungsquelle 180 kann vorzugsweise über Leiterbahnen (nicht dargestellt) auf dem Substrat 30 erfolgen.
Die unter dem Spiegelkopf 12a befindlichen Elektroden 40 sind Gegenelektroden zur Mittelelektrode bzw. zum Mikrospiegel 10. Legt man eine elektrische Spannung zwischen der Mittelelektrode und der Gegenelektrode 40 rechts in der Figur an, ohne dass eine elektrische Spannung an den anderen Elektroden 40 anliegt, kippt der Mikrospiegel 10 mit der Winkelgeschwindigkeit ω_Α zur Gegenelektrode. Legt man zusätzlich eine elektrische Spannung an der nächstbenachbarten Gegenelektrode an, kippt der Mikrospiegel 10 mit der Winkelgeschwindigkeit ω_B zu jener Gegenelektrode, so dass der Mikrospiegel 10 zu beiden Gegenelektroden geneigt ist.
Die Anzahl der Elektroden 40 und ihre Form sind in einem weiten Bereich wählbar. Für eine völlig frei bestimmbare, multiaxiale Kippung des Mikrospiegels 10 in den beiden lateralen Raumrichtungen, d. h. um die beiden orthogonalen Drehachsen, sind mindestens drei Gegenelektroden (Elektroden 40) notwendig, die um die Mittelelektrode (Träger 11a) verteilt sind. Durch die Anordnung und Formgebung der Elektroden 40 und des Mikrospiegels 10 können für die jeweilige Anwendung bevorzugte Kipprichtungen vordefiniert werden.
Die 4a, 4b und 4c zeigen Draufsichten auf Mikrospiegel 10 mit unterschiedlichen Grundrissen der Spiegelköpfen 12a und Anordnungen von Elektroden 40.
Der Spiegelkopf 12a des Mikrospiegels 10 in 4a weist einen sechseckigen Grundriss auf und erlaubt drei Kipprichtungen, so dass z. B. drei Richtungen für die Farben rot, grün und blau digital ein- und ausgeschaltet werden können. Gleichzeitig ist der Füllfaktor durch die Bienenwabenanordnung der Mikrospiegel 10 (nur der zentrale Mikrospiegel 10 ist ganz dargestellt) sehr hoch und liegt bei mehr als 95% der Fläche.
Durch drei (4b) oder mehr, insbesondere eine große Vielzahl n (n >> 3, angedeutet durch Punkte in 4c), von Elektroden 40 um die Mittelelektrode bzw. den Träger 11a des Mikrospiegels 10 herum ist auch eine sehr feine Abstufung der Kipprichtungen des Mikrospiegels 10 möglich. Dabei ist bereits ab drei Elektroden 40 eine frei definierbare Taumelbewegung des Mikrospiegels 10 möglich. Bei zunehmender Elektrodenzahl können Vorzugsrichtungen und Formen der Taumelbewegung vorgegeben werden und die Genauigkeit der Bewegungsführung erhöht werden.
Dabei ist von Vorteil, dass die Elektroden 40 sowie der Mikrospiegel 10 planar von der Unterseite, d. h. vom Substrat her kontaktiert werden können, wenn die der Träger, der Spiegelkopf und die Elektroden 40 zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sind.
Hat der Träger 11a zylinderförmige Abmessungen und ist die Draufsicht auf den Spiegelkopf 12a punktsymmetrisch, z. B. quadratisch, kreisförmig oder hexagonal, und sind die um den Träger 11a als Mittelelektrode angeordneten Elektroden 40 alle gleich ausgebildet, sind die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Ansprechzeiten und Resonanzen, in den verschiedenen Kipprichtungen gleich. Durch Geometrieänderungen des Trägers 11a und des Spiegelkopfs 12a können diese Eigenschaften gezielt verändert werden. Ebenso lässt sich alternativ oder zusätzlich durch Geometrievariation der Elektroden 40 die Ansprechzeit des mit elektrischer Spannung aktuierten Mikrospiegels variieren.
So kann beispielsweise für ein zeilenweises Abrastern eines Projektionsbilds durch entsprechende geometrische Vorgaben für Mikrospiegel 10 und/oder Elektroden 40 eine Kipprichtung mit einer geringeren Ansprechzeit ausgestaltet werden, etwa eine Horizontalwinkelgeschwindigkeit des abrasternden Lichtpunkts, und die andere Kipprichtung mit einer im Verhältnis dazu größeren Ansprechzeit, etwa die Vertikalwinkelgeschwindigkeit des abrasternden Lichtpunkts.
Dies ist in 5 angedeutet, die eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Mikrospiegels 10 mit unterschiedlichern dynamischem Verhalten für verschiedene Raumrichtungen illustriert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Mikrospiegels 10 (Elektroden sind nicht dargestellt), weist der Spiegelkopf 12a eine ausgeprägte Stabform auf. Um die Längsachse entlang der Längserstreckung des Spiegelkopfs 12a kann eine hohe Winkelgeschwindigkeit ω_A erreicht werden, während um die Querachse nur eine kleinere Winkelgeschwindigkeit ω_B erreicht werden kann.
Unterstützend kann der Grundriss des linienförmigen Trägers 11a von einem Kreis abweichen und beispielsweise elliptisch, polygon, z. B. dreieckig, viereckig, sechseckig etc., punktsymmetrisch oder asymmetrisch ausgestaltet sein.
Auf den Elektroden 40 und/oder auf der Unterseite des Spiegelkopfs 12a, der den Elektroden 40 zugewandt ist, kann gegebenenfalls ein mechanischer Schutz vorgesehen sein, beispielsweise eine isolierende Schicht, eine Nase oder dergleichen, um bei Kontakt beim Verkippen zwischen Spiegelkopf 12a und Elektrodenoberseite einen Schutz einer Landezone bereitzustellen. Gegebenenfalls kann auch eine kontaktlose Lösung denkbar, wie sie etwa in der US 6778304 B1 beschrieben ist.
Anhand der 6a bis 6e werden verschiedene günstige Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Mikrospiegelbauteils 100 dargestellt, wobei Elektroden 40 als Metallstrukturen gebildet werden.
In einem ersten Schritt wird ein Substrat 30 bereitgestellt (6a), welches eine strukturierte Metallschicht 32 aufweist, wobei die strukturierte Metallschicht 32 die Strukturen und Positionen der Elektroden 40 und des Mikrospiegels 10 auf der Substratoberfläche 20 vorgibt. Die strukturierte Metallschicht 32 dient insbesondere als Startschicht für die galvanische Abscheidung des Metalls für Mikrospiegel 10 und Elektroden 40. Die strukturierte Metallschicht 32 kann Leiterbahnen umfassen, die zu den Elektroden- und Mikrospiegelpositionen führen oder zumindest einen elektrischen Kontakt zu derartigen Leiterbahnen ermöglichen oder herstellen. Die strukturierte Metallschicht 32 kann beispielsweise eine Kupferschicht von z. B. 200 nm auf einer Haftvermittlerschicht sein, z. B. auf einer 20 nm dicken Chromschicht. Die jeweiligen Schichtdicken und Materialen können selbstverständlich nach Bedarf variiert werden.
Im nächsten Schritt wird Photolack mit einer Dicke von mehr als der gewünschten Solllänge des Trägers 11a (z. B. 120% der Solllänge) auf das Substrat 30 aufgebracht und mit Tiefenlithographie strukturiert, um eine erste Maskenstruktur 110 zu generieren. Der Photolack kann ein Dickschicht-Photolack sein, wie etwa PMMA, SU-8 oder AZ 125 nXT oder dergleichen, insbesondere ein Negativ-Resist.
Bei der Strukturierung werden erste und zweite Öffnungen 112, 116 gebildet. Die erste Öffnung 112 weist ein besonders hohes Aspektverhältnis auf und ist zur Aufnahme des ersten Spiegelteils vorgesehen, welches in dieser Ausgestaltung den Träger des Spiegelkopfs bildet. Die Öffnungen 116 definieren die Elektroden 40.
Je nach Bedarf kann die Strukturierungsmethode für das erforderliche Aspektverhältnis ausgewählt werden. So kann mit UV-Strukturierung ein Aspektverhältnis bis z. B. 30:1, mit Röntgen-Strukturierung ein Aspektverhältnis bis z. B. 60:1 und mit Ionenstrahl-Strukturierung ein Aspektverhältnis bis z. B. 500:1 erreicht werden. Durch das hohe Aspektverhältnis erhält der in der Öffnung 112 gebildete Träger 11a, d. h. die Biegefeder des Mikrospiegels, eine hohe Nachgiebigkeit bei Verkippung des Spiegelkopfs.
6b zeigt eine teilweise mit metallischem Material 150 befüllte erste Maskenstruktur 110 nach einigen Minuten galvanischer Abscheidung des Materials 150, während 6c die fertig befüllte erste Maskenstruktur 110 nach einem Planarisierungsschritt zeigt, bei dem eine planarisierte erste Oberfläche 118 gebildet wird. Auf der planarisierten ersten Oberfläche 118 wird eine Abstandsschicht 130 abgeschieden und so strukturiert, dass ein Zugang 124 zur gefüllten Öffnung 112 möglich ist, während die gefüllten Öffnungen 116 abgedeckt sind. Die Abstandsschicht 130 ist als Opferschicht vorgesehen und kann z. B. aus Photolack gebildet sein. Die Abstandsschicht 130 gibt später den Abstand zwischen Elektroden 40 und Spiegelkopfunterseite vor. Vor Abscheidung der Abstandsschicht 130 kann optional eine Isolatorschicht aufgebracht werden (nicht dargestellt).
Auf der strukturierten Abstandsschicht 130 wird eine zweite Maskenstruktur 120 mit wenigstens einer zweiten Öffnung 122 erzeugt (6d). Die zweite Maskenstruktur 120 kann aus Photolack gebildet sein und dient als Galvanoform für das zweite Spiegelteil 12, den Spiegelkopf 12a, des Mikrospiegels 10. Der Photolack wird günstigerweise mit einer größeren Dicke aufgetragen als die Solldicke, z. B. 120% der Solldicke, des zweiten Spiegelteils 12. In die Öffnung wird eine Startschicht 126 (z. B. Material 150, z. B. Kupfer) für die weitere galvanische Beschichtung aufgetragen. Die Startschicht 126 steht in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Material 150 in der gefüllten Öffnung 112.
Beim galvanischen Füllen der zweiten Öffnung 122 der zweiten Maskenstruktur 120 mit einem zweiten Material wird ein stoffschlüssiger Kontaktbereich 13 zwischen dem ersten und zweiten Material 150 gebildet. Insbesondere können erstes und zweites Material 150 sowie die Beschichtung um Kontaktbereich 13 identisch sein. Bei Bedarf kann die Oberfläche planarisiert und gegebenenfalls mechanisch poliert oder elektropoliert werden. Gegebenenfalls kann die Oberfläche passiviert werden. Optional kann noch eine optische Beschichtung auf die Oberfläche des Spiegelkopfs 12a aufgebracht werden. Anschließend werden die ersten und zweiten Maskenstrukturen 110, 120 und die Abstandsschicht 130 entfernt (6e).
Grundsätzlich kann das Verfahren auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so dass zuerst das zweite Spiegelteil 12 und dann das erste Spiegelteil 11 abgeschieden werden. In diesem Fall erfolgt ein Transfer der fertigen Struktur vom Substrat, auf dem die Struktur abgeschieden wurde, auf ein Substrat mit den Leiterbahnen zur Kontaktierung der Elektroden 40 und des oder der Mikrospiegel 10.
Das Mikrospiegelbauteil 100 ist CMOS-kompatibel herstellbar und kann daher auf einem Halbleiterchip gefertigt werden. Durch den praktisch linienförmigen Träger 11a und segmentierte Elektroden ist eine Vielzahl von Kipprichtungen des Spiegelkopfs 12a darstellbar. Spiegelkopf 12a und Träger 11a sind in aufeinander folgenden Verfahrensschritten einstückig fertigbar. Da keine Umverdrahtungen zur elektrischen Anbindung der Elektroden 40 und Mikrospiegel 10 notwendig sind, ist ein hoher Füllfaktor im Mikrospiegelbauteil 100 möglich. Der hohe Füllfaktor verringert den Wärmeeintrag in das Substrat 30 im Betrieb des Mikrospiegelbauteils 100. Weiterhin ist eine gute Wärmeableitung vom Spiegelkopf 12a in das Substrat 30 möglich, da der Mikrospiegel 10 keine Klebestellen enthält.
7 zeigt ein alternatives Beispiel eines Mikrospiegelbauteils 100 mit nichtmetallischen Elektrodenkörpern 42. Die Verfahrensschritte stimmen in großen Teilen mit den Verfahrensschritten nach 6a–6e überein, so dass nur die wesentlichen Unterschiede beschrieben werden. Hier kann nach dem Aufbringen der ersten Maskenstruktur 110 (6a) ein permanenter Photolack, etwa SU-8, in den Öffnungen 116 aufgebracht und strukturiert werden. Nach dem Planarisieren der Oberfläche (6c) wird zur Bildung der Elektroden 40 auf die Elektrodenkörper 42 eine Metallisierung 46 aufgebracht, die mit den entsprechenden Leiterbahnen auf dem Substrat 30 verbunden wird. Diese Metallisierung kann die Elektrodenkörper vollständig einschließen. Zum Schutz der Metallisierung 46 kann eine vorstehend beschriebene optionale Isolatorschicht 132 aufgebracht werden.
Bei Verwendung eines Negativlacks werden die Öffnungen 112 geschützt, indem dort nicht belichtet wird und der Photoresist anschließend durch Entwickeln entfernt wird. Vor dem Entfernen im letzten Schritt kann der permanente Photolack durch metallisches Einkleiden geschützt werden.
Alternativ können in der Maskenschicht 110 aus permanentem Photoresist die Öffnungen 116 schmal ausgeführt werden, sodass die abgeschiedenen Strukturen aus dem Material 150 in den Öffnungen 112 und 116 ähnliche Dimensionen aufweisen. Nach Planarisieren der Oberfläche wird zur Bildung der Elektroden 40 auf die Elektrodenkörper 42 eine Metallisierung 46 aufgebracht, die mit den entsprechenden Leiterbahnen verbunden wird. Die Öffnungen dieser Metallisierungen 46 im Umfeld der mit dem Material 150 aufgefüllten Öffnungen 112 können als Zugang zum Entfemen des Photoresists im Umfeld des Trägers 11a genutzt werden. Dazu kann z. B. ein anisotropes Trockenätzverfahren wie z. B. reaktives Ionenätzen RIE genutzt werden.
8 zeigt beispielhaft einen als Biegefeder des Mikrospiegels dienenden Träger 11a in Form eines Nanofaserbündels mit einzelnen Nanofasern 14.
Dazu kann die erste Maskenstruktur 110 (6a) wenigstens ein Gebiet mit Nanoporen aufweisen, die mit dem ersten Material 150 so gefüllt werden, dass das erste Material 150 in Faserform aufwächst. Dazu kann in ein Templat mit Nanoporen, beispielswiese in Folienform, mit Öffnungen 116 versehen werden, um als Maskenstruktur 110 zu fungieren und um das Material 150 dort hinein abzuscheiden. Dazu kann eine Templatfolie mit Nanoporen vor dem Aufbringen der ersten Maskenstruktur 110 aufgelegt werden und durch die Poren der Folie hindurch auf die Startschicht in der Öffnung 112 das Material 150 abgeschieden werden (6b, 6c). Für metallische Nanofasern sind polymere Templatfolien günstig. Für Nanofasern aus Kohlenstoff, beispielsweise so genannte Nanotubes, sind wegen der höheren Prozesstemperaturen Templatfolien aus Metalloxiden oder Keramik günstig.
Das Templat kann genauso wie die Maskenstruktur 110 behandelt werden; es kann insbesondere darauf weiter prozessiert werden und dieses am Ende entfernt werden.
Die 9a und 9b zeigen eine Prinzipdarstellung jeweils einer günstigen Ausgestaltung einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie beispielsweise als portable Projektionseinrichtung einsetzbar ist.
9a zeigt die Mikrospiegelvorrichtung mit einer reinen Spiegeloptik 250 im Strahlengang, 9b zeigt eine Variante der Spiegeloptik 250 im Strahlengang. 9c illustriert schematisch einen Bildpunkt mit drei Farbpunkten, wie er vom Mikrospiegelbauteil 100 zu einer Projektionsfläche (nicht dargestellt) gesendet wird.
Die Mikrospiegelvorrichtung stellt einen hochintegrierten digitalen Projektoraufbau dar mit einem multiaxialen Mikrospiegelfeld mit vertikal integrierten Biegefedern (Träger) und hohem Füllfaktor mit Mikrospiegeln. Die Mikrospiegelvorrichtung umfasst wenigstens ein Mikrospiegelbauteil 100 mit einem Feld von Mikrospiegeln 10 und eine Lichtquelle 210. Die Spiegeloptik 250 ist im Strahlengang der Lichtquelle 210 zum Mikrospiegelbauteil 100 angeordnet.
Lichtstrahlen 222, 224, 226 der Lichtquelle 250 sind auf den oder die Mikrospiegel 10 des Mikrospiegelbauteils 100 lenkbar.
Die Lichtquelle 210 umfasst bevorzugt Laserdioden 212, 214, 216 und gibt in Funktion hochparalleles und unterschiedlich monochromatisches Licht ab, insbesondere rotes, grünes und blaues Licht.
Die Spiegeloptik 250 ist so ausgebildet und angeordnet, dass sie zur Transmission und zur Reflexion von Lichtstrahlen 222, 224, 226 der Lichtquelle 210 ausgebildet ist. Insbesondere der mittlere Lichtstrahl 224 (z. B. grünes Licht) geht ungestört durch die Spiegeloptik 250, während die beiden anderen Lichtstrahlen 222 (z. B. rotes Licht) und 224 (z. B. blaues Licht) an zwei Spiegeln 252, 254 bzw. 256, 258 reflektiert werden, um als möglichst eng benachbarte, z. B. um nur wenige Mikrometer beabstandete, parallele Lichtstrahlen 222, 224, 226 auf das Mikrospiegelbauteil 100 zu gelangen. Damit kann ein Bildpunkt 270 der Lichtquelle 210 drei verschieden farbige Lichtpunkte 272, 274, 276 enthalten (9c). Eine Farbmischung findet nicht in der Mikrospiegelvorrichtung statt, sondern erst auf einer Projektionsfläche (nicht dargestellt). Sind die Lichtstrahlen 222, 224, 226 eng genug benachbart, nimmt das Auge des Betrachters die separaten Lichtpunkte 272, 274, 276 im jeweiligen Bildpunkt 270 nicht wahr.
Die Lichtstrahlen 222, 224, 226 sind parallel und nur geringfügig beabstandet auf den wenigstens einen Mikrospiegel 10 so leitbar, dass der wenigstens eine Mikrospiegel 10 einen Lichtpunkt 270 erzeugt, welcher unterschiedlich farbige Lichtpunkte 272, 274, 276 umfasst, wobei eine Mischung der Farben erst nach Reflexion am wenigstens einen Mikrospiegel 10 erfolgt. Ein Fokussieren ist nicht notwendig, weil das projizierte Bild in jeder Ebene scharf ist. Nach dem Mikrospiegelfeld bzw. dem Mikrospiegelbauteil 100 folgt keine weitere Optik mehr.
Da die Mikrospiegel 10 bei der Herstellung eng benachbart gefertigt werden, ist die Streuung ihrer Eigenschaften gering. Das Mikrospiegelfeld im Mikrospiegelbauteil 100 kann beispielsweise durch einen einzigen Mikrospiegel 100 ersetzt werden, wie er in 5 angedeutet ist und der eine optimierte Formgebung für eine richtungsabhängige Dynamik aufweisen kann.
Die Ausführung in 9b zeigt eine alternative Ausgestaltung der Spiegeloptik 250. Im Zentrum der Spiegeloptik 250 ist ein Pyramidenstumpf 260 angeordnet, der einen Kanal 262 zur ungestörten Transmission des Lichtstrahls 224 aufweist. Lichtstrahl 222 wird an einem Spiegel 252 und an der Außenseite des Pyramidenstumpfs 260 reflektiert, Lichtstrahl 226 am Spiegel 256 und der gegenüberliegenden Außenseite des Pyramidenstumpfs 260, so dass die Lichtstrahlen 222, 224, 226 als hochparalleles, eng benachbartes Strahlenbündel auf das Mikrospiegelbauteil 100 gelangt und von dort zur Projektionsfläche (nicht dargestellt) reflektiert wird.
Vorteilhaft kann Mikrospiegelvorrichtung außer in optischen Projektionssystemen auch in anderen Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise in der Sensorik für elektrische und magnetische Felder oder als Beschleunigungssensor: Ein zu messendes externes elektrisches Feld wirkt auf des elektrische Feld zwischen dem zweiten Spiegelteil 12 und den Elektroden 40. Eine angetriebene Bewegung des zweiten Spiegelteils 12 und damit eine Änderung des Abstands 16 bewirkt Verschiebeströme von und zu den Elektroden 40, die von der Stärke des externen elektrischen Feldes abhängen und somit durch eine Verschiebungsstrommessung Auskunft über die Stärke des externen elektrischen Feldes geben.
Die Ausführung des zweiten Spiegelteils 12 als ein Block mit einer nicht vernachlässigbaren Masse bewirkt, dass Beschleunigungen des Mikrospiegelbauteils 100 zu einer Änderung des Elektrodenabstands 16 führen, die kapazitiv, magnetisch und/oder optisch detektiert werden können. Wird darüber hinaus das zweite Spiegelteil 12 in eine Richtung mit der Winkelgeschwindigkeit ω_A angetrieben (2) und tritt eine Drehrate ω_C um die vertikale Achse auf, dann tritt durch die Corioliskraft eine Rotation des zweiten Spiegelteils 12 mit der Winkelgeschwindigkeit ω_B auf (2). Diese Bewegung mit der Winkelgeschwindigkeit ω_B (2) bewirkt eine Änderung des Abstands 16 und ist proportional zu Frequenz und Amplitude der Drehrate ω_C. Die Änderung des Abstands 16 lässt sich kapazitiv, magnetisch und/oder optisch detektieren und gibt Auskunft über die Drehrate ω_C.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mikrospiegelbauteils (100), umfassend wenigstens einen Mikrospiegel (10) und wenigstens eine Elektrode (40), mit der eine Verkippung des wenigstens einen Mikrospiegels (10) bewirkbar ist und wobei der wenigstens eine Mikrospiegel (10) ein erstes Spiegelteil (11) und ein am ersten Spiegelteil (11) angeordnetes zweites Spiegelteil (12) umfasst, wobei das erste Spiegelteil (11) ein linienförmiger, als Biegefeder ausgebildeter Träger (11a) ist und das zweite Spiegelteil (12) ein Spiegelkopf (12a) ist, und wobei sich der Träger (11a) zwischen Substrat (30) und Spiegelkopf (12a) erstreckt, umfassend die Schritte – Bereitstellen des Substrats (30); – Bereitstellen oder Erzeugen einer ersten Maskenstruktur (110) auf dem Substrat (30) mittels eines Lithographie und Galvanoformungs-Verfahrens (LIG-Verfahren) zur Definition der Struktur und Position zumindest der Elektrode (40) und des ersten Spiegelteils (11) auf der Substratoberfläche (20), wobei die erste Maskenstruktur (110) wenigstens eine erste Öffnung (112) zur Definition eines ersten Spiegelteils (11) aufweist; – Galvanisches Füllen der wenigstens einen ersten Öffnung (112) mit einem ersten Material (150) zur Ausbildung des ersten Spiegelteils (11) bis zu einer vorgegebenen Höhe, sodass der linienförmige Träger (11a) ein Aspektverhältnis von Länge zum Durchmesser von 30:1 bis 500:1 aufweist; – Planarisieren der befüllten ersten Maskenstruktur (110), so dass eine planarisierte erste Oberfläche (118) gebildet wird; – Bereitstellen einer strukturierten Abstandsschicht (130) auf der planarisierten ersten Oberfläche (118) zur Definition eines Abstands (16) zwischen der Elektrode (40) und Unterseite des Spiegelkopfs (12a), wobei ein Zugang (124) zur gefüllten Öffnung (112) vorgesehen ist; – Erzeugen einer zweiten Maskenstruktur (120) mit wenigstens einer zweiten Öffnung (122) auf der strukturierten Abstandsschicht (130) zur Definition des Spiegelkopfes (12a); – Füllen der wenigstens zweiten Öffnung (122) mit einem zweiten Material (150) zur Ausbildung des zweiten Spiegelteils (12), so dass im Zugang (124) ein Kontaktbereich (13) zwischen erstem und zweitem Material (150) gebildet wird; – Entfernen der Maskenstrukturen (110, 120) und der Abstandsschicht (130).
Verfahren zur Herstellung eines Mikrospiegelbauteils (100), umfassend wenigstens einen Mikrospiegel (10) und wenigstens eine Elektrode (40), mit der eine Verkippung des wenigstens einen Mikrospiegels (10) bewirkbar ist und wobei der wenigstens eine Mikrospiegel (10) ein erstes Spiegelteil (11) und ein am ersten Spiegelteil (11) angeordnetes zweites Spiegelteil (12) umfasst, wobei das erste Spiegelteil (11) ein linienförmiger, als Biegefeder ausgebildeter Träger (11a) ist und das zweite Spiegelteil (12) ein Spiegelkopf (12a) ist, und wobei sich der Träger (11a) zwischen Substrat (30) und Spiegelkopf (12a) erstreckt, umfassend die Schritte – Bereitstellen des Substrats (30); – Bereitstellen oder Erzeugen einer ersten Maskenstruktur (110) auf dem Substrat (30) zur Definition der Struktur und Position zumindest der Elektrode (40) und des ersten Spiegelteils (11) auf der Substratoberfläche (20), wobei die erste Maskenstruktur (110) wenigstens eine erste Öffnung (112) zur Definition eines ersten Spiegelteils (11) aufweist und zumindest eine weitere Öffnung (116) aufweist; – Galvanisches Füllen der wenigstens einen ersten Öffnung (112) und der weiteren Öffnungen (116) mit einem ersten Material (150) bis zu einer vorgegebenen Höhe zur Ausbildung des ersten Spiegelteils (11) und der Elektrode (40), – Planarisieren der befüllten ersten Maskenstruktur (110), so dass eine planarisierte erste Oberfläche (118) gebildet wird; – Bereitstellen einer strukturierten Abstandsschicht (130) auf der planarisierten ersten Oberfläche (118) zur Definition eines Abstands (16) zwischen der Elektrode (40) und Unterseite des Spiegelkopfs (12a), wobei ein Zugang (124) zur gefüllten Öffnung (112) vorgesehen ist; – Erzeugen einer zweiten Maskenstruktur (120) mit wenigstens einer zweiten Öffnung (122) auf der strukturierten Abstandsschicht (130) zur Definition des Spiegelkopfes (12a); – Füllen der wenigstens zweiten Öffnung (122) mit einem zweiten Material (150) zur Ausbildung des zweiten Spiegelteils (12), so dass im Zugang (124) ein Kontaktbereich (13) zwischen erstem und zweitem Material (150) gebildet wird; – Entfernen der Maskenstrukturen (110, 120) und der Abstandsschicht (130).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maskenstruktur (110) weitere Öffnungen (116) zur Definition der Elektroden (40) aufweist, die mit Elektrodenmaterial gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maskenstruktur (110) weitere Öffnungen (116) zur Definition der Elektroden (40) aufweist, in die ein elektrisch nichtleitender Elektrodenkörper (42) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aufbringen der zweiten Maskenstruktur (120) eine strukturierte Schicht eines Isolators (132) auf der planarisierten ersten Oberfläche (118) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maskenstruktur (110) wenigstens ein Gebiet (112) mit Nanoporen aufweist, die mit dem ersten Material (150) so gefüllt werden, dass das erste Material (150) in Faserform aufwächst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach Aufbringen des ersten Materials (150) eine Beschichtung des elektrisch nichtleitenden Elektrodenkörpers (42) mit Elektrodenmaterial erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (150) einen linienförmigen Träger (11a) in einem Kanal bildet, auf den als zweites Material ein Spiegelkopf (12a) abgeschieden wird.
Mikrospiegelbauteil (100) gefertigt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend wenigstens ein Mikrospiegel (10) und wenigstens eine Elektrode (40), mit der eine Verkippung des wenigstens einen Mikrospiegels (10) bewirkbar ist und wobei der wenigstens eine Mikrospiegel (10) ein erstes Spiegelteil (11) und ein am ersten Spiegelteil (11) angeordnetes zweites Spiegelteil (12) umfasst, wobei das erste Spiegelteil (11) ein linienförmiger, als Biegefeder ausgebildeter Träger (11a) ist und das zweite Spiegelteil (12) ein Spiegelkopf (12a) ist, und wobei sich der Träger (11a) zwischen Substrat (30) und Spiegelkopf (12a) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spiegelteil (11) und das zweite Spiegelteil (12) mittels eines Lithographie- und Glavanoformungs-Verfahren (LIG-Verfahren) abgeschieden sind, der Träger (11a) ein Aspektverhältnis von Länge zum Durchmesser von 30:1 bis 500:1 aufweist, und dass ein Kontaktbereich (13) zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelteil (11, 12) durch einen Beschichtungsprozess beim Abscheiden des zweiten Spiegelteils (12) auf dem ersten Spiegelteil (11) oder beim Abscheiden des ersten Spiegelteils (11) auf dem zweiten Spiegelteil (12) gebildet ist.
Mikrospiegelbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche (20) des Substrats (30) ein oder mehrere elektrische Leiterbahnen (32) zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Mikrospiegels (10) und/oder der wenigstens einen Elektrode (40) angeordnet sind.
Mikrospiegelbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (40) einen nichtmetallischen Elektrodenkörper (42) als Innenbereich und eine Metallisierung (46) auf dem Elektrodenkörper (42), die mit einer entsprechenden Leiterbahn auf dem Substrat (30) verbunden ist, aufweist.
Mikrospiegelbauteil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (40) einen metallischen Innenbereich (42) aufweist.
Mikrospiegelbauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spiegelteil (11) wenigstens bereichsweise aus Vollmaterial (150) gebildet ist.
Mikrospiegelbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegelteil (11) wenigstens bereichsweise aus einer Mehrzahl von Fasern (14) gebildet ist.
Mikrospiegelvorrichtung gekennzeichnet durch – wenigstens einen Mikrospiegel (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14; – wenigstens eine Lichtquelle (210); – wenigstens eine Spiegeloptik (250) im Strahlengang der Lichtquelle (210); – wobei Lichtstrahlen (222, 224, 226) der Lichtquelle (210) auf den wenigstens einen Mikrospiegel (10) lenkbar sind.
Mikrospiegelvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (210) in Funktion unterschiedlich monochromatisches Licht abgibt, insbesondere rotes, grünes und blaues Licht.
Mikrospiegelvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloptik (250) zur Transmission und zur Reflexion von Lichtstrahlen (222, 224, 226) der Lichtquelle (210) ausgebildet ist.
Mikrospiegelvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (222, 224, 226) im Wesentlichen parallel auf den wenigstens einen Mikrospiegel (10) so leitbar sind, dass der wenigstens eine Mikrospiegel (10) einen Lichtpunkt (270) erzeugt, welcher unterschiedlich farbige Lichtpunkte (272, 274, 276) umfasst, wobei eine Mischung der Farben erst nach Reflexion am wenigstens einen Mikrospiegel (10) erfolgt.