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Die Erfindung betrifft einen mikro-elektromechanischen Reflektor und ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Reflektors, insbesondere im Bereich kapazitiv betriebener mikro-elektromechanischer Reflektoren.
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Stand der Technik
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Miniaturisierte Spiegel werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für optische Bauteile in tragbaren Telekommunikationsgeräten. Diese Spiegel – häufig auch Mikrospiegel genannt – können dabei aus mikro-elektromechanischen Strukturen (MEMS, „micro-electromechanical systems“) hergestellt werden.
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Derartige Mikrospiegel können auf dem kapazitiven Wirkprinzip beruhen, das heißt, zwei in einer vorbestimmten Geometrie zueinander angeordnete Elektrodenelemente werden mit Spannung beaufschlagt. Durch Änderung der Spannung können Bewegungen der Elektroden relativ zueinander induziert werden. Dabei ist meist eine der Elektroden auf einem Substrat fixiert, während eine andere der Elektroden bezüglich des Substrats bezüglich zumindest eines Freiheitsgrads frei beweglich.
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Bei kapazitiven Mikrospiegeln wird der Mikrospiegel üblicherweise auf einem Substrat angeordnet und über ein oder mehrere Torsionsachsen aus der Substratebene heraus ausgelenkt. Die Torsion kann dabei über Elektroden angeregt werden, welcher vertikal zum Substrat, beabstandet zueinander und unterhalb des Mikrospiegels angeordnet sind. Wird eine Steuerspannung zwischen den Elektroden angelegt, führt die elektrostatische Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft zwischen den Elektroden zu einer Kippung um die meist an der Substratoberfläche gelegene Torsionsachse, so dass der darüber liegende und mit den gekippten Elektroden mechanisch gekoppelte Mikrospiegel aus der Substratebene heraus gekippt.
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Die Druckschrift
US 7,079,299 B1 offenbart eine elektrostatische Kammstruktur in einem Siliziumsubstrat, die dazu ausgebildet ist, einen darüber angeordneten Mikrospiegel um eine Torsionsachse zu drehen. Die Druckschrift
US 6,694,504 B2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrospiegels, dessen torsionale elektrostatische Antriebsstruktur über in einem Siliziumsubstrat geätzte vertikale und vertikal gegeneinander versetzte Elektroden aufweist.
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Ein Problem bei der kapazitiven Ansteuerung von Mikrospiegeln ist es, mit möglichst geringen Spannungen möglichst hohe Drehmomente an den tordierenden Elektroden zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Mikrospiegel schon bei geringen Antriebsspannungen zwischen den Elektroden ansprechen und eine möglichst lineare Ansprechcharakteristik zwischen Steuerspannung und erzeugtem Drehmoment aufweisen.
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Es besteht daher ein Bedarf an kapazitiv zu aktuierenden Mikrospiegeln, insbesondere an kapazitiv betreibbaren Mikrospiegeln, die einfach und kostengünstig herzustellen sind, deren mechanische Robustheit verbessert ist, und die über ein verbessertes lineares Ansprechverhalten mit hohem Wirkverhältnis zwischen Antriebsspannung und Torsionsmoment verfügen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen mikro-elektromechanischen Reflektor mit einem Elektrodensubstrat mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, auf dessen erster Oberfläche eine Trägerschicht angeordnet ist, einer Vielzahl von ersten Elektrodenausnehmungen, unter der Trägerschicht von der ersten Oberfläche her in das Elektrodensubstrat eingebracht sind, einer Vielzahl von zweiten Elektrodenausnehmungen, welche von der zweiten Oberfläche her in das Elektrodensubstrat eingebracht sind, mindestens einer Torsionsfederstruktur, welche in der Trägerschicht über einer der ersten Elektrodenausnehmungen ausgebildet ist, einem Trägersubstrat, welches an der zweiten Oberfläche des Elektrodensubstrats angebracht ist, und einer Reflektorfläche, welche auf der Trägerschicht angeordnet ist. Dabei sind durch die ersten und zweiten Elektrodenausnehmungen mindestens eine über die Torsionsfederstruktur beweglich im Elektrodensubstrat gelagerte erste Elektrode und mindestens eine mit dem Trägersubstrat und/oder der Trägerschicht mechanisch fest verankerte zweite Elektrode gebildet. Weiterhin sind durch die zweiten Elektrodenausnehmungen mindestens eine erste Kammstruktur und mindestens eine zweite Kammstruktur gebildet, wobei die erste Kammstruktur mit der ersten Elektrode und die zweite Kammstruktur mit der zweite Elektrode gekoppelt ist. Die ersten und zweiten Kammstrukturen weisen dabei eine Vielzahl von Kammelementen auf, die in der Elektrodensubstratebene verzahnt und vertikal zu der Elektrodensubstratebene beabstandet voneinander angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines mikro-elektromechanischen Reflektors, mit den Schritten des Ausbildens von ersten Elektrodenausnehmungen von einer ersten Oberfläche her in ein Elektrodensubstrat, des Anbringens einer Trägerschicht auf der ersten Oberfläche des Elektrodensubstrats über der Vielzahl von ersten Elektrodenausnehmungen, des Ausbildens mindestens einer Torsionsfederstruktur in der Trägerschicht, des Anbringens eines Trägersubstrats an der der Trägerschicht abgewandten Oberfläche des Elektrodensubstrats, des Ausbildens einer Vielzahl von zweiten Elektrodenausnehmungen von der zweiten Oberfläche her in das Elektrodensubstrat, so dass durch die ersten und zweiten Elektrodenausnehmungen mindestens eine über die Torsionsfederstruktur beweglich im Elektrodensubstrat gelagerte erste Elektrode und mindestens eine mit dem Trägersubstrat und/oder der Trägerschicht mechanisch fest verankerte zweite Elektrode gebildet werden, und durch die zweiten Elektrodenausnehmungen mindestens eine erste Kammstruktur und mindestens eine zweite Kammstruktur gebildet werden, wobei die erste Kammstruktur mit der ersten Elektrode und die zweite Kammstruktur mit der zweite Elektrode gekoppelt ist, und die ersten und zweiten Kammstrukturen eine Vielzahl von Kammelementen aufweisen, die in der Elektrodensubstratebene verzahnt und vertikal zu der Elektrodensubstratebene beabstandet voneinander angeordnet sind, und des Aufbringens einer Reflektorfläche über der Trägerschicht
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine kapazitiv ansteuerbare Mikrospiegeleinrichtung bzw. Reflektoreinrichtung auf MEMS-Basis zu schaffen, bei der vertikale Elektrodenflächen aus dem Elektrodensubstrat geätzt und auf der spiegelseitigen Oberfläche des Substrats mechanisch verankert sind. Die der spiegelseitigen Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche wird mit einem Leitungssubstrat versehen, über welches die Elektroden mit Spannung beaufschlagbar sind. Dabei werden feststehende Elektroden einerseits und bezüglich der feststehenden Elektroden bewegliche Elektroden andererseits aus dem Elektrodensubstrat geätzt. Die Ätzung erfolgt in zwei Stufen: Zum einen werden obere Elektrodenstrukturen von der spiegelseitigen Oberfläche in das Substrat geätzt, zum anderen werden untere Elektrodenstrukturen von der gegenüberliegenden Oberfläche in das Substrat geätzt. Dies schafft abschnittsweise definierte Elektrodenstrukturen mit in der Mitte des Substrats gelegenen Versatzgeometrien, so dass die unteren Elektrodenstrukturen kammartig ineinander verzahnt werden können, um über einen langen Hebel bezüglich der in der Substratebene liegenden Torsionsachse große Drehmomente auf die oberen Elektrodenstrukturen und die Reflektorfläche ausüben zu können.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Mikrospiegeleinrichtung besteht darin, dass die Elektroden bereits mit geringer Ansteuerspannung betrieben werden können, um vergleichsweise hohe Hebelwirkungen und entsprechend große Drehmomente auf den Reflektor ausüben zu können. Durch die Verzahnung der Kammstrukturen in einer Ebene weist der Antrieb eine sehr gut lineare Antriebscharakteristik auf. Weiterhin können die Kammstrukturen bereits in der Nulllage überlappt werden, so dass auch bei geringen Ansteuerspannungen eine hohe Kraft zwischen den Kammstrukturen erreichbar ist.
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Derartige Mikrospiegeleinrichtungen können mit entsprechend geringeren Abmessungen in der Beabstandung der Kammstrukturen zueinander ausgestaltet werden, so dass die effektiv wirksame kapazitive Elektrodenfläche erhöht ist. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise ein geringerer Bauraumbedarf und eine kostengünstigere Bauweise.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors kann der Reflektor weiterhin eine Oxidschicht, welche zwischen der Trägerschicht und dem Elektrodensubstrat ausgebildet ist, und mindestens einen elektrisch leitfähigen Durchkontakt durch die Trägerschicht und die Oxidschicht aufweisen, über welche die ersten und/oder zweiten Elektroden mit der Trägerschicht elektrisch leitfähig verbunden sind. Dies ermöglicht die elektrische Anbindung der beweglichen ersten Elektrode über die Trägerschicht an das Trägersubstrat, ohne dass die Isolation der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode kompromittiert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors kann das Trägersubstrat mit dem Elektrodensubstrat über ein metallisches Bondmaterial verbunden sein. Dies ermöglicht eine mechanisch besonders stabile elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem Elektrodensubstrat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors können von einer dem Elektrodensubstrat abgewandten Oberfläche des Trägersubstrats elektrische Durchkontaktierungen, beispielsweise Silizium-Durchkontaktierungen, durch das Trägersubstrat bis zu dem metallischen Bondmaterial ausgebildet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise das Trägersubstrat selbst als leitfähige Verbindung zu einer auf der Unterseite des Trägersubstrats ausbildbaren Umverdrahtungsebene verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors kann das Trägersubstrat Silizium-Durchkontaktierungen und auf der dem Elektrodensubstrat zugewandten Oberfläche eine Oxidschicht aufweisen, die sich im Bereich der Silizium-Durchkontaktierungen lateral über die Erstreckung der Silizium-Durchkontaktierungen hinaus auf das Trägersubstrat erstreckt. Dies erhöht die mechanische Stabilität der feststehenden zweiten Elektroden erheblich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors können in dem Elektrodensubstrat mindestens zwei erste Elektroden ausgebildet sein, wobei eine erste der ersten Elektroden eine Rahmenstruktur bildet, innerhalb derer eine zweite der ersten Elektroden eine über zwei Torsionsfederstrukturen kardanisch aufgehängte Elektrode bildet. Durch die kardanische Aufhängung ist eine hohe Auslenkung der Reflektorfläche bei geringer Potentialdifferenz zwischen den Kammstrukturen möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors können durch die zweiten Elektrodenausnehmungen weiterhin mindestens eine dritte Kammstruktur und mindestens eine vierte Kammstruktur gebildet sein, wobei die erste Kammstruktur mit der ersten der ersten Elektroden und die zweite Kammstruktur mit der zweiten der ersten Elektroden gekoppelt ist, und wobei die dritten und vierten Kammstrukturen eine Vielzahl von Kammelementen aufweisen, die in der Elektrodensubstratebene verzahnt und vertikal zu der Elektrodensubstratebene beabstandet voneinander angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors kann auf der Trägerschicht ein metallisches Bondmaterial, ein mit dem metallischen Bondmaterial verbundener Abstandhalter, und ein auf dem Abstandhalter angeordnetes Spiegelelement aufgebracht sein, wobei die Reflektorfläche auf der dem Abstandhalter abgewandten Seite des Spiegelelements aufgebracht ist. Dadurch kann die Reflektorfläche vorteilhafterweise vergrößert werden, ohne dass Abstriche in der Bewegungsfreiheit, das heißt Kippfreiheit des Reflektors in Kauf genommen werden müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors kann das Spiegelelement eine laterale Ausdehnung aufweisen, die sich in der Substratebene des Elektrodensubstrats über die Torsionsfederstruktur hinaus erstreckt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors können das Trägersubstrat und/oder das Elektrodensubstrat SOI-Substrate aufweisen. Mit derartigen Substraten sind die notwendigen Oxidschichten für die Potentialtrennung der Elektroden bereits vorhanden, so dass das Fertigungsverfahren für den Reflektor vorteilhafterweise einfacher, kürzer und kostengünstiger wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangaben wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“, „neben“, „vor“, „hinter“, „vertikal“, „horizontal“ oder dergleichen sind in der folgenden Beschreibung lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und stellen keine Beschränkung der Allgemeinheit dar.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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5 eine schematische Darstellung eines fünften Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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6 eine schematische Darstellung eines sechsten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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7 eine schematische Darstellung eines siebten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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8 eine schematische Darstellung eines achten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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9 eine schematische Darstellung eines neunten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittsansicht;
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10 eine schematische Darstellung eines zehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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11 eine schematische Darstellung eines elften Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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12 eine schematische Darstellung eines zwölften Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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13 eine schematische Darstellung eines dreizehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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14 eine schematische Darstellung eines vierzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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15 eine schematische Darstellung eines fünfzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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16 eine schematische Darstellung eines sechzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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17 eine schematische Darstellung eines siebzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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18 eine schematische Darstellung eines achtzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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19 eine schematische Darstellung eines neunzehnten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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20 eine schematische Darstellung eines zwanzigsten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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21 eine schematische Darstellung eines einundzwanzigsten Zwischenprodukts in der Herstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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22 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht;
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23 eine schematische Darstellung einer ersten Schnittebene eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Draufsicht;
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24 eine schematische Darstellung einer zweiten Schnittebene eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Draufsicht; und
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25 eine schematische Darstellung einer dritten Schnittebene eines erfindungsgemäßen mikro-elektromechanischen Reflektors in Draufsicht.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Zwischenprodukts in der Herstellung eines mikro-elektromechanischen Reflektors in Querschnittansicht. Ein Elektrodensubstrat 1, beispielsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat, kann mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 2 versehen werden, beispielsweise durch vertikales Ätzen rechteckigen Ausnehmungen 2. Wie in 2 gezeigt, kann auf das Elektrodensubstrat 1, die Wände der ersten Ausnehmungen 2 und die Bodenflächen 3a der ersten Ausnehmungen 2 eine Oxidschicht 3 aufgebracht werden, beispielsweise durch Oxidieren des Substratmaterials. Danach kann, wie in 3 dargestellt, ein Decksubstrat 4 als Trägerschicht auf das Elektrodensubstrat 1 von der Seite der Ausnehmungen 2 her gebondet werden. Dazu kann das Decksubstrat 4 ebenfalls mit einer Oxidschicht 5 versehen sein. Wie in 4 dargestellt, werden das Decksubstrat 4 und das Elektrodensubstrat 1 mechanisch stabil verbunden, so dass danach – siehe 5 – das Decksubstrat 4 von der dem Elektrodensubstrat 1 abgewandten Seite her beliebig gedünnt werden kann. Auf diese Weise entsteht ein sogenannter Kavitäten-Silizium-auf-Isolator-Wafer (Cavity-SOI-Wafer), in welchem Ausnehmungen 2 zwischen dem Elektrodensubstrat 1 und dem Decksubstrat 4 eingeschlossen sind. Das Decksubstrat 4 bzw. die Trägerschicht kann ebenfalls aus einem einkristallinen Siliziummaterial bestehen.
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Wie in 6 gezeigt, können in die Trägerschicht 4 Vias („vertical interconnect access“) bzw. Gräben 6 eingebracht werden, die sich bis auf die Oxidschicht 3 herunter erstrecken. Wie in 7 dargestellt, kann im Bereich des Viabodens bzw. des Grabenbodens 6a die Oxidschicht 3 ebenfalls bis auf das Elektrodensubstrat 1 herunter geätzt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwischenprodukts eines mikro-elektromechanischen Reflektors. Die hergestellten Vias bzw. Gräben 6 werden mit einem elektrisch leitfähigen Material 7 verfüllt. Wenn das Elektrodensubstrat 1 und die Trägerschicht 4 unterschiedlichen Dotierungstypen, beispielsweise n-Dotierung und p-Dotierung aufweisen, kann das Material 7 eine Metallschicht aufweisen, beispielsweise eine Schicht aus Titan und Titannitrid. Dabei kann eine Barriereschicht 7 abgeschieden werden, auf die eine Wolframschicht aus der chemischen Gasphase abgeschieden wird. Im Gegenzug kann bei gleichem Dotierungstyp des Elektrodensubstrats 1 und der Trägerschicht 4 eine Abscheidung einer Siliziumschicht 7 aus der chemischen Gasphase vorzunehmen. Dabei kann die Siliziumschicht 7 während oder nach dem Abscheideprozess dotiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass in einem Temperaturschritt die Dotierung des Elektrodensubstrats 1 und der Trägerschicht 4 in die Siliziumschicht 5 eingebracht wird.
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Die verfüllten Vias können in einem Planarisierungsschritt von der überschüssigen Materialschicht befreit werden, so dass elektrisch leitfähige Durchkontakte 7 von dem Elektrodensubstrat 1 durch die Oxidschicht 3 und die Trägerschicht 4 gebildet werden.
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In 9 ist dargestellt, wie im Bereich zwischen zwei Durchkontakten 7 die Reflektorfläche vorbereitet werden kann. Dabei kann direkt auf der Trägerschicht 4 eine Reflektorfläche, beispielsweise ein Spiegelmetall, abgeschieden werden. Wie im Beispiel der 9 gezeigt, kann aber auch erst eine Aluminiumschicht 8 im Bereich zwischen zwei Durchkontakten 7, und insbesondere zwischen zwei durch die Ausnehmungen 2 definierten Gräben, auf der Trägerschicht 4 aufgebaut werden. Diese Aluminiumschicht 8 kann dann für den Aufbau eines über der Trägerschicht 4 liegenden Spiegelelements genutzt werden, wie mit Bezug auf 11 weiter unten erläutert.
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10 zeigt die Strukturierung der Trägerschicht 4. Dabei werden Torsionsfederstrukturen 9 angelegt, welche beispielsweise ein Querschnittverhältnis von Breite zu Höhe aufweisen kann, das stark von 1 abweicht, beispielsweise Werte von weniger als 0,5 oder mehr als 2. Damit können bei gleicher Torsionssteifheit der Torsionsfederstrukturen 9 verbesserte thermische Leitfähigkeitscharakteristiken erreicht werden. Vorzugweise können zwei Paare von Torsionsfederstrukturen 9 gebildet werden, deren Federausrichtungen paarweise senkrecht zueinander stehen, so dass eine innere Torsionsfederstruktur 9 einen inneren ersten Elektrodenbereich und eine äußere Torsionsfederstruktur 9 einen äußeren ersten Elektrodenbereich definiert. Die Torsionsfederstrukturen 9 werden dabei über jeweiligen der ersten Ausnehmungen 2 gebildet, um frei bewegliche und nur über die Trägerschicht 4 aufgehängte Elektrodenstrukturen zu schaffen. Der Abstand zwischen den Paaren von Torsionsfederstrukturen 9 sollte in der Trägerschicht 4 minimal der Dicke der darunter liegenden Oxidschicht 3 betragen, so dass in einem darauf folgenden Ätzschritt der Oxidschicht 3 nach wie vor eine mechanische Verbindung zwischen der Trägerschicht 4 und dem Elektrodensubstrat 1 zwischen den Torsionsfederstrukturen 9 bestehen bleibt.
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11 zeigt das Bonden eines Trägerwafers 10 mit einer Oxidschicht 11 und einer einkristallinen Siliziumschicht 12 auf dem Elektrodensubstrat 1. Dabei kann der Trägerwafer 10 beispielsweise ein SOI-Wafer sein. Auf diesem Wafer 10 kann ein Sockel oder Abstandhalter 13 vorgesehen sein, dessen Oberfläche ebenfalls mit einem Bondmaterial versehen ist. Beispielsweise kann das Bondmaterial eine direkt aufgebrachte Germaniumschicht auf dem Abstandhalter 13 sein. Dabei kann der Abstandhalter 13 ebenfalls aus Silizium gefertigt werden. Die einkristalline Siliziumschicht 12 und der Abstandhalter 13 können dabei bereits vorstrukturiert werden, so dass ein Freistellen der beweglichen Spiegelstrukturen bzw. Reflektorflächen über einen Siliziumätzprozess auf der Oberseite des Trägerwafers 10 mit anschließender isotroper Oxidätzung durchgeführt werden kann. Wie in 11 gezeigt, erzeugt das Bonden des Bondmaterials des Trägerwafers 10 mit dem Bondmaterial 8 einen festen Bond zwischen dem Elektrodensubstrat 1 und dem Trägerwafer 10. Im Falle einer Aluminiumschicht als Bondmaterial 8 und einer Germaniumschicht als Bondmaterial des Trägerwafers 10 kann Silizium in die Aluminium-Germanium-Verbindung diffundieren und vorteilhafterweise die Aufschmelztemperatur des entstehenden Bonds 8 erhöhen.
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Nach dem in 12 gezeigten Dünnen des Trägerwafers 10 von der Oberseite und dem in 13 gezeigten Dünnen des Elektrodensubstrats 1 von der Unterseite her im Bereich 1a können auf der Rückseite bzw. Unterseite des Elektrodensubstrats 1 Bondflächen 14 vorbereitet werden, beispielsweise über eine strukturierte Aluminiumschicht 14, wie in 14 schematisch angedeutet.
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15 zeigt dann eine schematische Darstellung des Ätzprozesses, mit dem zweite Elektrodenausnehmungen 15 in das Elektrodensubstrat 1 eingebracht werden. Die zweiten Elektrodenausnehmungen 15 sind insbesondere direkt unterhalb der Torsionsfederstrukturen 9 geätzt, um den mittleren Bereich zwischen zwei Torsionsfederstrukturen 9 vom restlichen Elektrodensubstrat 1 freizustellen. Die zweiten Elektrodenausnehmungen 15 werden derart tief geätzt, dass an jeweils gegenüberliegenden Stellen innerhalb des Elektrodensubstrats ein Durchbruch zu benachbarten ersten Ausnehmungen 2 entsteht. Dadurch entsteht zumindest eine über die Torsionsfederstrukturen 9 beweglich im Elektrodensubstrat 1 gelagerte erste vertikale Elektrode im Elektrodensubstrat 1. Die erste vertikale Elektrode wird an der Oberfläche über die Oxidschicht 3 mit der Trägerschicht 4 auf dem Elektrodensubstrat 1 elektrisch leitfähig verbunden.
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Durch die zweiten Elektrodenausnehmungen 15 können einerseits innere erste Elektroden zwischen den inneren Torsionsfederstrukturen 9 und andererseits äußere erste Elektroden außerhalb der inneren Torsionsfederstrukturen 9 und innerhalb der äußeren Torsionsfederstrukturen 9 gebildet werden. Die äußeren ersten Elektroden werden dabei vorzugsweise als Rahmenstruktur gebildet, welche die inneren ersten Elektroden einschließt, so dass die inneren ersten Elektroden über die inneren Torsionsfederstrukturen 9 und die äußeren Torsionsfederstrukturen 9 kardanisch an dem durch die äußeren ersten Elektroden Rahmen aufgehängt sind.
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Die zweiten Elektrodenausnehmungen 15 können dabei von ihren Abmessungen derart gewählt werden, dass innerhalb des Elektrodensubstrats 1 Versatzgeometrien für die gebildeten Elektroden entstehen. Diese Versatzgeometrien verringern einerseits die Masse der Elektroden und können andererseits als Freiräume für zu schaffende Kammstrukturen im unteren Bereich, das heißt dem der Trägerschicht 4 abgewandten Bereich der Elektroden genutzt werden. Die zweiten Elektrodenausnehmungen 15 werden derart gestaltet, dass mindestens eine erste Kammstruktur und mindestens eine zweite Kammstruktur gebildet werden.
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Weitere zweite Elektrodenausnehmungen 15 können im Randbereich des Elektrodensubstrats 1 vorgenommen werden, um zweite äußere Elektroden, welche mit der Trägerschicht 4 mechanisch fest verankert sind, auszubilden, wobei die äußeren Elektroden auf der den inneren Elektroden abgewandten Seite der zweiten Elektrode vertikal beabstandet zu den inneren Elektroden angeordnet sind. Dabei sind die erste Kammstruktur mit der inneren Elektrode und die zweite Kammstruktur mit der äußeren Elektrode gekoppelt. Die ersten und zweiten Kammstrukturen weisen eine Vielzahl von Kammelementen auf, die in der Elektrodensubstratebene verzahnt und vertikal zu der Elektrodensubstratebene beabstandet voneinander angeordnet sind, wie weiter unten in Bezug auf 23, 24 und 25 genauer beschrieben.
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16 zeigt das Anbringen eines Trägersubstrats 16 mit einer Oxidschicht 17 und einer Polysiliziumschicht 18 an der der Trägerschicht 4 abgewandten Oberfläche des Elektrodensubstrats 1. Für das Trägersubstrat 16 kann beispielsweise ein SOI-Wafer verwendet werden. Das Elektrodensubstrat 1 und das Trägersubstrat 16 können ebenfalls über einen Bondprozess verbunden werden, indem auf der Polysiliziumschicht 18 aufgebrachte Metallisierungen 19, beispielsweise Germaniumschichten 19, mit dem Bondflächen 14, beispielsweise Aluminiumschichten 14, gebondet werden. Dazu kann ein metallisches Bondverfahren genutzt werden, welches zum Beispiel bei Aluminium-Germanium-Bonds 20 – wie in 17 gezeigt – zu Eindiffundierung von Silizium aus dem Trägersubstrat 16 in den Bond und einer daraus resultierenden Erhöhung der Aufschmelztemperatur führt. Dadurch schmilzt der Bond in erneuten Temperaturschritten vorteilhafterweise kein zweites Mal auf.
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Durch das Bonden der Bonds 20 wird insbesondere eine der vertikalen äußeren Elektroden elektrisch und mechanisch mit dem Trägersubstrat 16 stabil und unbeweglich bezüglich des Elektrodensubstrats 1 verbunden. Die Polysiliziumschicht 18 kann dabei derart strukturiert werden, dass benachbarte äußere Elektroden und gegebenenfalls eingebrachte Hilfselektroden elektrisch voneinander getrennt sind, und dass der Bereich unterhalb der beweglichen ersten Elektrode von der Polysiliziumschicht 18 freigestellt ist. Optional kann auch die Oxidschicht 17 geeignet strukturiert werden, um die beweglichen inneren Elektrode im Elektrodensubstrat 1 zur Gewährleistung maximaler Beweglichkeit freizustellen. 18 und 19 zeigt das (optionale) Dünnen des Trägersubstrats 16 von der dem Elektrodensubstrat 1 abgewandten Unterseite her.
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20 zeigt das Ausbilden von elektrischen Durchkontaktierungen
23 mit entsprechenden Gräben
21 in dem Trägersubstrat
16. Über die elektrischen Durchkontaktierungen
23, welche im Beispiel der
20 Silizium-Durchkontaktierungen
21,
23 sind, können elektrische Signale der Elektroden von der auf dem Trägersubstrat
16 angeordneten Siliziumschicht
18 durch das Trägersubstrat
16 auf die Unterseite des Trägersubstrats
16 geleitet werden. Die Silizium-Durchkontaktierungen
21,
23 können in einer weiteren Oxidschicht
22 auf der Unterseite des Trägersubstrats
16 gebildet werden, auf der dann Umverdrahtungen in einer Umverdrahtungsebene gebildet werden können, wie in
20 gezeigt. Das Anlegen von Silizium-Durchkontaktierungen kann dabei ähnlich wie in der Druckschrift
DE 10 2009 045 385 A1 beschrieben erfolgen. Günstig ist es dabei, wenn insbesondere im Bereich der feststehenden Elektroden die Siliziumschicht
18 den Bereich der Silizium-Durchkontaktierung
21,
23 bis in die Trägersubstratbereiche des Trägersubstrats
16 überlappt. Mindestens an einer Stelle kann dabei der Überlapp so groß gewählt werden, dass auch die Oxidschicht
17 in diesem Bereich noch das Trägersubstrat
16 überdeckt. Dies gewährleistet eine hohe mechanische Stabilität der feststehenden Elektroden. Der Überlapp kann auch so groß um die Silizium-Durchkontaktierung
21,
23 herum ausgestaltet werden, dass die spiegelseitige Oberfläche des Elektrodensubstrats
1 vollständig und hermetisch gegenüber dem Unterseitenbereich des Trägersubstrats
16 getrennt wird, so dass die Ansteuerelektronik auf der Unterseite des Trägersubstrats
16 bestmöglich geschützt bleibt.
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Nach dem Aufbringen des Trägersubstrats 16 ist der Stack ausreichend mechanisch stabilisiert, um den Trägerwafer 10, beispielsweise über einen Ätzprozess, zu entfernen, wie in 21 gezeigt. Danach kann die freigelegte Oxidschicht 11 beispielsweise über einen Gasphasenätzprozess mit Flusssäure entfernt werden, um – wie in 21 dargestellt – eine möglichst saubere und glatte Spiegeloberfläche auf dem Spiegelelement 12 zu gewährleisten, auf der dann eine Reflektorfläche aufgebracht werden kann.
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Mit der geschilderten Prozessfolge können Einzelreflektoren wie auch Reflektorenarrays hergestellt werden.
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22 zeigt beispielhaft die bewegliche innere erste Elektrode M, die beweglichen äußeren ersten Elektroden F, die feststehenden zweiten Elektroden R sowie die optional vorhandenen Hilfselektroden m Außenbereich des Elektrodensubstrats 3. Über das Anlegen einer Spannung zwischen der inneren ersten Elektrode M und der äußeren ersten Elektrode F kann eine Torsion der Elektrode M um eine parallel zur Substratebene des Elektrodensubstrats 3 und in der Trägerschicht 4 verlaufende Torsionsachse erfolgen, so dass eine entsprechende Torsion des Spiegelelements 12 bzw. der Reflektorfläche resultiert. Durch den Abstandhalter 13 ist eine möglichst große Kippfreiheit des Spiegelelements 12 gewährleistet. Zudem ist das Spiegelelement 12 derart gestaltet, dass es die Fläche der beweglichen Elektroden überragt, um eine möglichst große Reflektorfläche zu schaffen. Gleichermaßen kann über das Anlegen einer Spannung zwischen der äußeren ersten Elektrode F und der zweiten Elektrode R eine Torsion des durch die äußeren ersten Elektroden F geschaffenen kardanischen Rahmens um eine parallel zur Substratebene des Elektrodensubstrats 3 und in der Trägerschicht 4 verlaufende Torsionsachse der äußeren Torsionsfederstrukturen 9 erfolgen, welche senkrecht zu der durch die inneren Torsionsfederstrukturen 9 steht.
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23 zeigt eine schematische Darstellung des Reflektors in 22 im Bereich des in 22 dargestellten oberen Schnittgebiets, das heißt entlang der Elektrodensubstratebene A. Gezeigt ist die innere erste Elektrode M, die über innere Torsionsfederstrukturen 9 an der äußeren ersten Elektrode F gekoppelt ist. Die äußere erste Elektrode F wiederum ist über äußere Torsionsfederstrukturen 9 an den zweiten Elektroden R gekoppelt. Dadurch entsteht ein kardanischer Rahmen um die innere erste Elektrode M herum, über welchen die Reflektorfläche in zwei Dimensionen gekippt werden kann.
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24 zeigt eine schematische Darstellung des Reflektors in 22 im Bereich des in 22 dargestellten mittleren Schnittgebiets, das heißt entlang der Elektrodensubstratebene B. Die innere erste Elektrode M weist dabei verjüngte untere Elektrodenabschnitte M1 und M2 auf. Ebenso können die äußeren ersten Elektroden F sowie die zweiten Elektroden R nach Bedarf in ihrem unteren Elektrodenbereich geeignet verjüngt bzw. strukturiert werden, um Platz für die mit den jeweiligen Elektroden gekoppelten Kammstrukturen zu schaffen.
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25 zeigt eine schematische Darstellung des Reflektors in 22 im Bereich des in 22 dargestellten unteren Schnittgebiets, das heißt entlang der Elektrodensubstratebene C. Dabei sind Kammstrukturen CM mit einer Vielzahl von Kammelementen mit der inneren ersten Elektrode M gekoppelt, welche im Eingriff mit einer Vielzahl von Kammelementen von Kammstrukturen CF2 stehen, welche mit der äußeren ersten Elektrode F gekoppelt sind und in das Innere des durch die äußere erste Elektrode F gebildeten Aufhängungsrahmens gerichtet sind. Eine weitere Vielzahl von Kammelementen von Kammstrukturen CF1, welche mit der äußeren ersten Elektrode F gekoppelt sind und in von dem durch die äußere erste Elektrode F gebildeten Aufhängungsrahmen nach außen gerichtet sind, stehen im Eingriff mit einer Vielzahl von Kammelementen von Kammstrukturen CR, welche mit den zweiten Elektroden R gekoppelt sind. Mit anderen Worten, die Kammstrukturen CM und CF2 bzw. CF1 und CR sind jeweils verzahnt und vertikal zu der Elektrodensubstratebene C beabstandet voneinander angeordnet. Damit werden Kämme mit geringen Abständen zwischen den einzelnen Kammelementen realisiert, wodurch die effektive Elektrodenfläche zwischen den Kammstrukturen CM, CF1, CF2 und CR vergrößert wird. Über die selektive elektrische Verbindung zwischen den Elektroden M, F und R und der Trägerschicht 4 mithilfe der elektrisch leitfähigen Durchkontakte 7 können die Kammstrukturen flexibel beschaltet werden, das heißt auf unterschiedliches elektrisches Potential gebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7079299 B1 [0005]
- US 6694504 B2 [0005]
- DE 102009045385 A1 [0065]
