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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung einer Intensität eines transmittierenden Anteils von auf die Vorrichtung einfallender elektromagnetischer Strahlung mittels extraordinärer Transmission und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung. Ausführungsbeispiele zeigen ein Bauteil zur Steuerung der Lichtintensität und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Bislang wurden unterschiedliche Ansätze im Bereich der MEMS (Micro Electro mechanical Systems) Bauteile publiziert. Die Offenlegungsschrift
US 2010/0328757 A1 zeigt Klappen aus flexiblem Material, die im Strahlengang so bewegt werden, dass sie je nach Stellung die Strahlung hindurch lassen bzw. blocken. Die dafür erforderlichen relativ großen Bewegungswege limitieren jedoch die Schaltgeschwindigkeit zwischen Transmissionszustand und Blockungszustand. Eine Anordnung mit Wellenleitern und deren gegenseitigen Versatz des Eingangs- zum Ausgangswellenleiter, der zum Steuern der Transmission genutzt wird, ist in
DE 697 36 574 T2 gezeigt. Diese Anordnung weist jedoch im Falle des Einsatzes in der Spektroskopie hohe Intensitätsverluste bei der Einkopplung der Strahlung aus dem Freifeld in den Wellenleiter auf, die nur schwer zu vermeiden sind.
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Die Patentschrift
US 6 288 824 B1 zeigt ein Array aus lateral versetzt angeordneten Blenden, die zum Erreichen des Transmissionszustandes in eine korrespondierende und zum Erreichen des Blockungszustandes in eine gegensätzliche Position lateral zueinander verschoben werden. Ein Lichtverlust von mehr als 50% im Transmissionszustand wird hierbei jedoch unvermeidbar sein, da sich ein Teil der Blenden, die Strahlung absorbieren und reflektieren, immer im Strahlengang befindet.
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Die
WO 2006 / 123 300 A2 beschreibt einen cMUT Schallwandler. Eine starre Oberplatte ist mittels eines Federelements an einem Substrat befestigt. Dieses Federelement schwenkt aus, um eine möglichst geradlinige Auf- und Abbewegung der Oberplatte zu ermöglichen.
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Die
US 6 632 178 B1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS Ultraschallwandlers, der aus einer Vielzahl von cMUT Zellen besteht, wobei jede Zelle eine aufgeladene Membranplatte aufweist. Die Membranplatte ist an Stützen aufgehängt, um frei schwingen zu können.
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Die US 2008 / 0239455 A1 beschreibt eine MEMS Vorrichtung mit mindestens einem Stopperelement. Die MEMS Vorrichtung weist ein Substrat und eine darauf angeordnete schwingfähige Membran auf. Das Stopperelement dient dazu, um einen Kontakt zwischen der Membran und dem Substrat zu verhindern.
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Die
EP 2 282 226 A1 beschreibt eine verstellbare optische Membran. Die optische Membran kann mittels eines Aktuators in ihrer konvexen Form verändert werden, um beispielsweise Langzeiteffekte zu korrigieren.
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Die
WO 2009 / 133 961 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers, wobei Elektrolytätzen zum Strukturieren eingesetzt wird.
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Die
EP 2 278 301 A1 beschreibt ein miniaturisiertes Raman Spektroskop mit Nanoöffnungen.
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Die
WO 98 / 24119 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen mikromechanischer Funktionselemente, bei dem auf ein Funktionselement aus Polysilizium mittels LPCVD eine Schicht aus Oxid und Nitrid als Schutzschicht in einer Dicke von 5 nm bis 50 nm abgeschieden wird.
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Die US 2005 / 0030438 A1 beschreibt ein variables optisches Element mit einer schwingfähigen Membran, wobei die Membran einzelne Elektroden aufweist, die entsprechenden Gegenelektroden am Substrat gegenüberliegen, um die Membran damit auszulenken.
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Die
DE 10 2004 037 304 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Sensors mit einer vom Substrat entkoppelten Membrankante.
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US 2011/0063706 A1 offenbart einen Ansatz unter Ausnutzung der unterdrückten Totalreflexion. Dabei ist die Einkopplung der Strahlung in das Bauteil unter einem bestimmten Winkel seitlich erforderlich, was die praktische Anwendbarkeit einschränkt. Die Steuerung der Absorption im Strahlengang durch eine die Strahlung absorbierende Flüssigkeit und Verdrängung derselben wird in
EP 2 282 226 A1 vorgeschlagen. Die Schaltgeschwindigkeit ist jedoch aufgrund der Viskosität und der absorbierenden Flüssigkeit prinzipiell limitiert. Die Ausnutzung der so genannten extraordinären Transmission [Ebbesen 1998] von regelmäßig in der Fläche angeordneten Subwellenlängenstrukturen, die bei Annäherung an ein Dielektrikum mit hoher Brechzahl ihre Transmissionseigenschaften verlieren, wurde in [Provine 2007] untersucht. Die technische Umsetzung erfolgte durch den Einsatz einer perforierten Aluminiummembran, die durch eine Polysilizium-Opferschicht auf einem Substrat hergestellt, ätztechnisch perforiert und vom Substrat im Bereich der optischen Transmission gelöst wurde.
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Die von Provine et al. vorgeschlagene Ausführung eines solchen Bauteils ist in 1 und 2 im Querschnitt gezeigt, wobei 1 den Zustand im Durchlassbetrieb und 2 den Zustand im Sperrbetrieb des Bauteils zeigt. Ein Substrat 1 aus Silizium trägt ganzflächig eine Isolierschicht 2 aus Siliziumdioxid. Im optisch nutzbaren Bereich 3 ist in einem definierten Abstand d eine Membran 4, die sich aus einem Teil einer Aluminiumschicht bildet, angebracht, die mit regelmäßig angeordneten Perforationen 5 versehen ist. Die Perforationen besitzen Dimensionen, die kleiner als die kleinste Wellenlänge der optischen Strahlung sind, die mit dem Bauteil moduliert werden soll. Die Membran 4 wird durch eine den Abstand d definierende Opferschicht 6 aus Polysilizium gehalten und ist mit dem Substrat 1 und der Isolierschicht 2 mechanisch verbunden. Die Materialien des Substrates 1 und der Isolierschicht 2 besitzen mit den Brechzahlen nSub und nIso jeweils eine größere optische Brechkraft als das umgebende Medium. Zwischen der Membran 4 und dem Substrat 1 bildet sich ein mit Luft oder einem Gas gefüllter Hohlraum 7. Trifft eine einfallende optische Strahlung 8 auf die Oberfläche des Bauteils, werden elektromagnetische Resonanzen in der Membran 4 angeregt, wobei die Perforationen 5 die Resonatoren bilden. Dadurch gelangt ein wesentlicher Anteil der einfallenden optischen Strahlung 8 in den Hohlraum 7 und durchdringt weiterhin die Isolationsschicht 2 und das Substrat 1, um das Bauteil wieder als abgegebene optische Strahlung 9 an der Austrittsfläche 10 zu verlassen.
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Der Hohlraum 7 wirkt zudem als weiterer Resonator für Wellenlängen der einfallenden optischen Strahlung 8, auf die aufgrund des Abstandes d die Resonanzbedingungen zutreffen. Dabei wirken die Membran 4 und die Oberfläche des Substrates 1 zusammen mit der Oberfläche der Isolierschicht 2 als teildurchlässige Reflektoren. Das bewirkt für diese Wellenlängen eine Vergrößerung der Transmission des Bauteils. Der Zustand, bei dem die Membran 4 eben ist und einen von der Dicke der Opferschicht 6 definierten Abstand d zum Substrat 1 und zur Isolationsschicht 2 hat, wird Transmissionszustand genannt. Ein Anteil der Intensität der einfallenden optischen Strahlung 8 wird im Bauteil absorbiert, ein weiterer Anteil wird reflektiert, wodurch die Intensität der abgegebenen optischen Strahlung 9 kleiner als die Intensität der einfallenden optischen Strahlung 8 ist. Die Absorption erfolgt je nach spektraler Extinktion der verwendeten Materialien besonders im Substrat 1 und in der Isolierschicht 2. Verluste durch den endlichen elektrischen Leitwert des Materials der Membran 4 wirken ebenfalls wie Absorptionsverluste. Ein Anteil der einfallenden optischen Strahlung 8 wird an der Oberfläche der Membran 4 reflektiert, ein weiterer Anteil wird an der Austrittsfläche 10 aufgrund des Unterschiedes der Brechkraft des Materials des Substrates 1 zur Brechkraft des umgebenden Mediums reflektiert.
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Anlegen einer elektrischen Spannung Va zwischen der Membran 4 und dem Substrat 1 bildet im Hohlraum 7 und in der Isolierschicht 2 ein elektrisches Feld, welches auf die Membran 4 eine Kraft ausübt, die eine Bewegung der Membran 4 in Richtung des Substrates 1 und gleichzeitig eine Gegenkraft der Membran 4 bewirkt. Dabei nimmt die Kraft mit abnehmendem Abstand d zu. Übersteigt die Spannung Va in ihrer Höhe einen bestimmten Schwellwert Vpi, ist die Zunahme der elektrostatischen Kraft mit abnehmendem Abstand d größer als die Zunahme der Gegenkraft der Membran 4, und es kommt zum so genannten Pull-in. Dabei trifft die Membran mit großen Teilen ihrer Fläche auf die Isolierschicht 2 auf und nimmt eine neue Lage ein. Die Bedingungen für eine elektromagnetische Resonanz der Perforationen 5 in der Membran 4 sind in dieser neuen Lage aufgrund des fehlenden Abstandes d zwischen Membran 4 und Substrat 1 aus dem Material mit der Brechzahl nSub bzw. Isolierschicht 2 aus dem Material mit der Brechzahl nIso verändert und eine Resonanz ist unterdrückt. Dieser Zustand wird Blockungszustand genannt. Gleichzeitig tritt im Blockungszustand keine Resonanz im Hohlraum 7 auf, da im optisch nutzbaren Bereich 3 kein Hohlraum 7 zwischen Membran 4 und Substrat 1 bzw. Isolierschicht 2 besteht.
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Die von Ebbesen beobachtete extraordinäre Transmission und der praktische Versuch von Provine setzen voraus, dass eine perforierte frei tragende Membran in einem definierten Abstand zu einem Substrat hergestellt wird. Aus der Fach- und Patentliteratur sind zahlreiche Lösungen zur Herstellung speziell für Drucksensoren und für Mikrofone bekannt, die jedoch für den hier benötigten Einsatzfall spezifische Nachteile aufweisen. Die Membran eines Bauteils zur Lichtmodulation muss einerseits sehr gute elektrische Leitfähigkeit, wie sie hochleitfähige Metalle (z.B. Kupfer, Aluminium, Silber) besitzen, aufweisen und muss andererseits auf lange Zeit mechanisch genügend stabil sein. Bei Drucksensoren und Mikrofonen werden ebenfalls elektrisch leitfähige Membranen benötigt, wobei jedoch auch mittlere Leitfähigkeiten, wie sie bei dotiertem Silizium auftreten, hinreichend gute Ergebnisse liefern.
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Das von Provine et al. gezeigte Muster wurde der Publikation nach hauptsächlich zum Nachweis des physikalischen Effektes entworfen und hergestellt. Für eine Anwendung als Bauelement weist dieser Ansatz jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Einerseits besteht die Membran 4 aus Aluminium. Provine schreibt von einer Zugspannung von nahezu 100 MPa im Aluminium, die die Membran 4 einerseits eben halten soll und andererseits die Gegenkraft zur elektrostatischen Feldkraft aufbringen soll, um die Membran nach einer Aktivierung in den deaktivierten Zustand zurück zu bewegen. Da die untere Streckgrenze von Aluminium mit 40 MPa weit unter 100 MPa liegt und zudem das plastische Verformungsverhalten temperaturabhängig ist, wird die Zugspannung in der Membran 4 ebenfalls viel kleinere Werte als den angegebenen Wert annehmen und bei Temperaturbelastung sowie mit der Zeit weiter abnehmen. Dadurch ist nicht sichergestellt, dass die Membran eben bleibt und über einen langen Zeitraum genügend Gegenkraft beim Deaktivieren aufzubringen in der Lage ist.
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Im aktivierten Zustand berührt die Membran 4 die Oberfläche der Isolierschicht 2. Dabei kommt es zu Aufladungseffekten in der Isolationsschicht 2, die den Wert der Pull-in Spannung dauerhaft in Bezug auf den ursprünglichen Wert verändern und zudem bei jeder Aktivierung weitere Veränderungen initiiert werden, wie das in [Yuan 2006] beschrieben ist. Eine reproduzierbare Funktionsweise des Bauteils ist dadurch nicht möglich.
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Freitragende, perforierte Membranen können durch verschiedene Technologien mikromechanisch erzeugt werden. Die Offenlegungsschrift
DE102004037304A1 zeigt beispielsweise die Herstellung einer perforierten Membran durch isotropes Plasmaätzen einer Kavität in das unter dem Membranmaterial befindliche Substrat. Nachteil diese Variante sind Schwierigkeiten beim genauen Einstellen des Abstandes d zwischen Membran und Kavitätenätzgrund, da keinerlei Stoppschicht existiert. Die Perforationen in der Membran besitzen weiterhin nur eine Funktion für der Herstellung der Membran selbst (können wieder verschlossen werden) und nicht für die eigentliche Sensorfunktion (elektromagnetische Resonatoren).
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DE102013205527A1 beschreibt die Herstellung eines MEMS-Bauelementes mit zwei freitragenden Membranen mit definierten Abstand. Das Freilegen der unteren Membran erfolgt durch ein tiefes Siliziumätzen von der Substratrückseite. Jedoch ist das vollständige Entfernen des Substratmaterials von der Rückseite sehr zeit- und kostenintensiv. Zudem wird die Membran durch spezielle Strukturen, die zusätzlich aufwendig realisiert werden müssen, mechanisch versteift.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Konzept für eine Vorrichtung zur Ausnutzung der extraordinären Transmission zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Vorrichtung zur Steuerung einer Intensität eines transmittierenden Anteils von auf die Vorrichtung einfallender elektromagnetischer Strahlung mittels extraordinärer Transmission. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat und eine Membran, wobei die Membran zumindest zwei Schichten aufweist, wobei eine erste der zumindest zwei Schichten eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als eine zweite Schicht der zumindest zwei Schichten und wobei die zweite Schicht der zumindest zwei Schichten eine höhere untere Streckgrenze und/oder eine höhere Zugfestigkeit aufweist als die erste Schicht der zumindest zwei Schichten. Ferner weist zumindest die erste Schicht Perforationen für die extraordinäre Transmission auf. Durch Ändern einer elektrischen Spannung zwischen der Membran und dem Substrat kann die Membran zwischen einer ersten Stellung, in der die Membran in einem ersten Abstand zu dem Substrat angeordnet ist und in der die einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Membran und das Substrat transmittiert wird, und einer zweiten Stellung, in der die Membran in einem zweiten Abstand zu dem Substrat angeordnet ist und die einfallende elektromagnetische Strahlung an einer Transmission durch das Substrat und die Membran hindert, umgeschaltet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine Schwachstelle von bekannten Bauteilen auf diesem Gebiet, die Membran, neben der für die extraordinäre Transmission vorteilhaften elektrisch gut leitenden Schicht, mindestens eine zweite Schicht aufweist, die die erste Schicht bzw. die Membran stabilisiert und zuverlässig auch nach mehrmaligen Umschaltungen zwischen den Stellungen der Membran ohne eine äußere angelegte Spannung stets in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückkehrt und dabei keine oder nur in einem geringe Maße Deformationen aufweist. Hierfür ist es vorteilhaft, die elektrisch gut leitende Schicht, beispielsweise ein Metall, mit der zweiten Schicht zu kombinieren, die zur Erfüllung der vorgenannten Aufgabe eine untere Streckgrenze aufweist, die oberhalb der (maximal auftretenden) Deformation der zweiten Schicht bei einer angelegten äußeren elektrischen Spannung liegt und/oder die eine Zugfestigkeit aufweist, die die Ausienkung der Membran bei angelegter äußerer elektrischer Spannung aushäit ohne Schaden zu nehmen, also z.B. ohne zu reißen.
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In anderen Worten sind zusätzliche Strukturen zur Stabilisierung der Membran nicht notwendig, da die Membran selbst neben der Resonatorschicht eine oder mehreren mechanischen Tragschichten aus einem Material mit hoher unterer Streckgrenze und maximal zulässiger Zugspannung umfasst oder aus denselben besteht, und somit selbst eine genügend hohe mechanische Stabilität ermöglicht.
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In dem vorliegenden Anmeldetext wird, zum besseren Verständnis der Beschreibung, der Transmissionszustand als der Zustand beschrieben, in dem keine elektrische Spannung zwischen der Membran (bzw. der ersten Schicht der Membran) und dem Substrat anliegt. Ferner wird der Blockungszustand als der Zustand beschrieben, bei dem eine elektrische Spannung anliegt. Diese Vereinfachung beschreibt den Zustand, dass bei angelegter Spannung, die Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet und ohne angelegte Spannung, ein zweiter Schwellwert unterschritten wird, wobei der zweite Schwellwert kleiner oder bei geeigneter Wahl der zweiten Schicht auch (nahezu) gleich dem ersten Schwellwert sein kann.
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In anderen Worten zeigt die vorliegende Beschreibung eine Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, die Intensität einer optischen Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs einer elektromagnetischen Strahlung, der beispielsweise zwischen UV und MIR liegt, modulieren kann. Dabei ist die Funktion des Bauteils in einem breitbandigen Wellenlängenbereich möglich. Ferner können zwei unterschiedliche Modulationszustände erreicht werden: maximale Transmission (Transmissionszustand) und minimale Transmission (Blockungszustand). Die Steuerung wird durch eine elektrische Spannung mit minimaler elektrischer Verlustleistung erreicht, wobei die Steuerung ohne Erwärmung der Vorrichtung erfolgt, so dass das Bauteil auch im Infrarotbereich einsetzbar ist, ohne zusätzlich zur einfallenden Strahlung Infrarotstrahlung abzugeben. Die technische Anwendbarkeit besteht beispielsweise beim Ersatz des mechanischen Choppers zur Modulation der Strahlung bei der Infrarotspektroskopie oder zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals. Im Vergleich mit der elektrischen Modulation von elektrothermischen Strahlen, die besonders im mittleren Infrarotbereich eine thermische Trägheit haben, wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vergrößerung des Modulationsgrades bei höheren Modulationsfrequenzen, z.B. > 10 Hz erreicht. Vorzugsweise ist das Bauteil so gestaltet, dass es flächig (z.B. derart, dass die elektromagnetische Strahlung die Vorrichtung in Dickenrichtung durchdringt) in den Strahlengang eines Spektrometers eingebracht werden kann und eine Apertur von einigen Millimetern aufweist. Die Strahlung aus dem Freifeld durchdringt das Bauteil je nach Aktivierungszustand mit hoher oder niedriger Transmission nahezu senkrecht.
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Ferner zeigen Ausführungsbeispielen die Vorrichtung, die das von Provine gezeigte Funktionsprinzip nutzt und dieses durch konstruktive und technologische Maßnahmen verbessert, damit die Vorrichtung eine stabile und reproduzierbare Funktion aufweist. Hierfür weist die Membran eines Bauteils zur Lichtmodulation einerseits eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, wie sie hochleitfähige Metalle (z.B. Kupfer, Aluminium, Silber) besitzen, auf. Andererseits ist die Membran auch auf lange Zeit mechanisch genügend stabil, um den Schaltbelastungen des Zustandswechsels zu widerstehen und auch nach einer großen Anzahl von Schaltvorgängen zuverlässig die Initialposition im Transmissionszustand einzunehmen. Zudem wird eine Austrittsfläche, aus der die in das Substrat eingetretene elektromagnetische Strahlung aus dem Substrat austritt, mit einer Reflexionsebene versehen, so dass insbesondere die Reflexionsverluste, die beim Austritt der optischen Strahlung an der Austrittsfläche 10 in bekannten Bauteilen signifikante Intensitätsverluste erzeugen, reduziert werden, so dass die Performanz des Bauteils, die durch Reflexionen an der Austrittsfläche im Transmissionszustand erheblich reduziert würde, verbessert wird.
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Ausführungsbeispiele zeigen, dass die zweite Schicht ausgebildet ist, die erste Schicht elektrisch von der Membran zu isolieren und/oder elektrostatische Aufladungen abzuleiten. Alternativ oder ergänzend kann die Membran auf einem dem Substrat zugewandten Hauptoberflächenbereich eine weitere Schicht, aufweisen, die ausgebildet ist, die zumindest zwei Schichten elektrisch von der Membran zu isolieren und/oder elektrostatische Aufladungen (von der Membran bzw. dem Substrat) abzuleiten. Dies ist vorteilhaft, da eine elektrostatische Aufladung zu irreversiblen Änderungen der Spannung, die zum Aktivieren benötigt wird und weiterhin zu einer Membrandeformation ohne Anlegen der Aktivierungsspannung führen kann, so dass die Membran auch ohne äußere angelegte elektrische Spannung nicht oder nur mit einer Verzögerung in ihren Ausgangszustand zurückgeführt wird. Insbesondere bei einer Modulation der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist jedoch ein genaues Timing der Stellungen der Membran vorteilhaft, um einen Zeitpunkt, in dem die Vorrichtung für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist und einen Zeitpunkt, in dem dieselbe die elektromagnetische Strahlung blockiert bzw. an der Transmission hindert, genau zu definieren, um das gewünschte Modulationsergebnis zu erhalten. Das gewünschte Modulationsergebnis kann z.B. eine Pulsweitenmoduiation des elektromagnetischen Signals sein, dessen Pulsweite präzise durch die Zeitdauer bestimmt wird, in der keine Spannung anliegt bzw. in der die Membran den ersten Abstand zum Substrat aufweist. Ein Hindern der elektromagnetischen Strahlung an der Transmission tritt z.B. ein, wenn die elektromagnetische Strahlung absorbiert oder reflektiert wird.
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Gemäß Ausführungsbeispielen können die Membran bzw. die zumindest zwei Schichten eine wechselweise Abfolge von ersten und/oder zweiten Schichten aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da beispielsweise eine hohe Zugfestigkeit der zweiten Schicht durch eine Mehrzahl von dünnen Schichten erreicht werden kann, wobei die extraordinäre Transmission durch die zwischen den zweiten Schichten angeordneten ersten Schichten nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt wird. Durch die Anordnung mehrerer dünner zweiter Schichten kann z.B. die maximale Zugspannung der zweiten Schichten fein abgestimmt eingestellt werden. Ferner kann eine Schutzschicht die Membran bzw. die erste Schicht in einem aktivierten Zustand, das heißt im Blockungszustand der Vorrichtung, von dem Substrat elektrisch isolieren und ferner elektrostatische Aufladungen, die eine (innere) Potentialdifferenz zwischen der Membran und dem Substrat erzeugen, ableiten, so dass ohne angelegte äußere Spannung keine Potenzialdifferenz zwischen dem Substrat und der Membran vorliegt. Die Membran kann z.B. eine Abfolge der ersten Schicht, der zweiten Schicht und einer weiteren ersten Schicht sein. Ferner kann durch die weitere Schicht die zweite Schicht ohne Rücksichtnahme auf die elektrischen Eigenschaften ausgewählt werden, so dass die zweite Schicht ausschließlich die Rückführung der Membran von ihrem aktivierten Zustand mit äußerer angelegter Spannung in den Ruhezustand ohne äußere angelegte Spannung bewirkt.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist die Membran Perforationen für die extraordinäre Transmission der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf. Dies ist vorteilhaft, da so innerhalb der Perforationen Resonanzen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auftreten, die ergänzt um den Resonanzkörper zwischen der Membran und dem Substrat, in dem die Membran im aktivierten Zustand hineingezogen wird, den hohen Transmissionsgrad der Vorrichtung ermöglicht.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist das Substrat an einem der Membran abgewandten Hauptoberflächenbereich eine Antireflexionsebene auf, um die Transmission der in das Substrat eingetretenen elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen. Dies ist vorteilhaft, da somit eine Austrittsfläche des Substrats, aus dem die in das Substrat eingetretene elektromagnetische Strahlung geschaffen wird, die den Austritt der in das Substrat eingetretenen elektromagnetischen Strahlung ohne bzw. mit möglichst geringen Reflexionsverlusten ermöglicht. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Antireflexionsebene eine Antireflexionsschicht sein, die ein dielektrisches Material aufweist bzw. aus Schichten eines oder mehrerer (dielektrischer) Materialien geformt ist. Diese Antireflexionsschicht kann auf den Hauptoberflächenbereich der Membran aufgebracht werden. Ergänzend oder alternativ kann die Antireflexionsebene auch eine Strukturierung des Hauptoberflächenbereichs umfassen. Dies können z.B. regelmäßig angeordnete Zylinder mit Dimensionen im Bereich der Wellenlänge der einfallenden optischen Strahlung sein.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass der zweite Abstand derart eingestellt ist, dass die Membran das Substrat in der zweiten Position der Membran berührt und eine Resonanz der elektromagnetischen Strahlung in einem Resonanzbereich der Membran und/oder in einem Resonanzbereich zwischen der Membran und dem Substrat unterdrückt. Dies ist vorteilhaft, da somit die für die extraordinäre Transmission wichtigen Resonanzen bzw. Resonanzbereiche auf ein Minimum bzw. vollständig reduziert werden, so dass die Vorrichtung die maximal einstellbare Blockierung bzw. Absorption und Reflexion der elektromagnetischen Strahlung einnimmt.
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Ferner zeigen Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung. Zur genauen Definition der Höhe der Kavität ist es vorteilhaft, einen Stapel aus drei Opferschichten zu verwenden, um die Kavitätshöhe einzustellen. Schichten, insbesondere solche aus temperaturstabilen Materialien, können nicht in einer beliebigen Dicke hergestellt werden. Daher ist es vorteilhaft, z.B. einen SOI Wafer zu verwenden, der ein Siliziumsubstrat, eine weitere Siliziumschicht und eine zwischenliegende Isolationsschicht aufweist. Die Siliziumschicht kann in einer gewünschten Dicke aufgebracht bzw. auf dieselbe abgetragen werden. Mittels einer weiteren aufgebrachten Schicht, der dritten Opferschicht die z.B. ebenso wie die erste Opfschicht Siliziumdioxid aufweist, kann die Kavitätshöhe abschließend mit der Präzision von wenigen Atomlagen, z.B. einer, fünf oder zehn Atomlagen eingestellt werden.
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Zum Strukturieren der Kavität werden vorteilhafterweise für die erste und die dritte sowie für die zweite Opferschicht zumindest zwei unterschiedliche Ätzverfahren genutzt. Dabei schützt die zweite Opferschicht das Substrat vor dem Ätzen bzw. Strukturieren der dritten Opferschicht. Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Tragschicht jedoch ebenfalls Silizium bzw. Siliziumnitrit auf, welches durch den Ätzvorgang der dritten Opferschicht beschädigt werden kann. Hier kann vorteilhafterweise eine Schutzschicht, die z.B. Siliziumdioxid aufweist, auf die Perforationen aufgebracht werden, die die Löcher bzw. die Tragschicht vor dem Ätzvorgang schützt. In einem weiteren Ätzvorgang kann dann die zweite Opferschicht von dem Substrat entfernt werden. In diesem Ätzvorgang kann gemäß Ausführungsbeispielen ebenso die Schutzschicht von den Perforationen bzw. den Löchern entfernt werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines bekannten Bauelements zur Steuerung der Lichtintensität mit einer freitragenden Metallmembran im Transmissionszustand;
- 2 eine schematische Seitenansicht des bekannten Bauelements zur Steuerung der Lichtintensität mit einer freitragenden Metallmembran im Blockungszustand;
- 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Bauelements, wobei 3a eine schematische Seitenansicht und 3b eine schematische Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
- 4 ein erfindungsgemäßes Bauelement zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran im Transmissionszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran im Blockungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran mit getrennter Tragschicht und Isolationsschicht im Transmissionszustand gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei 7a ein Bauelement zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran und mit vier möglichen Steuerzuständen im ersten Transmissionszustand, 7b das Bauelement zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran und mit vier möglichen Steuerzuständen in einem zweiten Transmissionszustand und 7c das Bauelement zur Steuerung der Lichtintensität mit einer Kompositmembran und mit vier möglichen Steuerzuständen in einem dritten Transmissionszustand zeigt;
- 8 ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
- 9 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Seitenansichten der Vorrichtung, die eine Herstellungssequenz für das vorgeschlagene Bauelement zur Steuerung der Lichtintensität nach ausgewählten Schritten des Herstellungsverfahrens zeigt.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
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3a zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 100 zur Steuerung einer Intensität eines transmittierten Anteils 9 von auf die Vorrichtung 100 einfallender elektromagnetischer Strahlung 8 mittels extraordinärer Transmission. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Substrat 1 sowie eine Membran 11. Die Membran weist zumindest zwei Schichten 12, 13 auf, wobei eine erste Schicht 12 der zumindest zwei Schichten eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als eine zweite Schicht 13 der zumindest zwei Schichten und wobei die zweite Schicht 13 der zumindest zwei Schichten eine höhere untere Streckgrenze und/oder eine höhere Zugfestigkeit aufweist als die erste Schicht 12 der zumindest zwei Schichten. Die erste Schicht 12 wird auch als Resonatorschicht und die zweite Schicht 13 als Tragschicht bezeichnet. Die erste Schicht 12 weist darüber hinaus Perforationen 5 für die extraordinäre Transmission auf. Ferner ist die Membran 11 durch Ändern einer elektrischen Spannung 104 zwischen der Membran 11 und dem Substrat 1 zwischen einer ersten Stellung, in der die Membran in einem ersten Abstand 106a zu dem Substrat angeordnet ist und in der die einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Membran 11 und das Substrat 1 transmittiert wird, und einer zweiten Stellung, in der die Membran 11 in einem zweiten Abstand 106b zu dem Substrat angeordnet ist und die einfallende elektromagnetische Strahlung 8 an einer Transmission durch das Substrat und die Membran hindert, umschaltbar ist. Es ist anzumerken, dass sich der erste und der zweite Abstand voneinander unterscheiden können, wobei der erste Abstand eine größere Distanz der Membran zu dem Substrat aufweist als der zweite Abstand.
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Ferner ist der zweite Abstand in Ausführungsbeispielen vorteilhafterweise (nahezu) Null, da somit Resonatoren in der Membran (gebildet durch die Perforationen) sowie ein Resonator zwischen der Membran und dem Substrat, die die extraordinäre Transmission ermöglichen, auf eine minimale Größe reduziert werden können. In anderen Worten kann die Membran im aktivierten Zustand (Blockungszustand) auf dem Substrat aufliegen bzw. dieselbe berühren. Ein marginaler Abstand zwischen dem Substrat und der Membran kann z.B. durch eine Rauheit der Schichten entstehen. Diese liegt jedoch im Bereich von wenigen Nanometern, z.B. zwischen 5nm und 20nm und ist somit klein gegenüber der Differenz von erstem zu zweitem Abstand, bzw. dem Abstand zwischen Membran und Substrat, der für das bevorzugte Strahlenspektrum zwischen Infrarotstrahlung und Mikrowellen typischerweise größer als 1µm ist und nach oben im Wesentlichen durch die Herstellungsverfahren der Opferschichten begrenzt ist, jedoch typischerweise kleiner als 1mm ist.
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3b zeigt eine schematische Draufsicht der Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt wird eine kreisrunde Ausführung der Vorrichtung sowie eine regelmäßige Anordnung von Perforationen, wobei hier beispielhaft ein Array von 3×4=12 Perforationen gezeigt ist. Das Array kann jedoch auch z.B. 500×500 Perforationen, 400×400 Perforationen, 400×600 Perforationen oder 600×600 Perforationen aufweisen. Allgemein kann die Anzahl der Perforationen in x-Ausdehnung sowie in y-Ausdehnung der Membran frei gewählt werden. Ferner sind jegliche weitere Ausgestaltungen der Form ebenso wie weitere Ausführungen der Perforationen, z.B. eine unregelmäßige Anordnung derselben oder eine andere Anzahl von Perforationen möglich.
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4 und 5 zeigen die Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei 4 die Vorrichtung in einem Transmissionszustand und 5 die Vorrichtung 100 in einem Blockungszustand zeigt. Hier ist die Vorrichtung z.B. als Bauteil gezeigt, bei dem eine aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehende (Komposit-) Membran 11 zum Einsatz kommt. Eine oder mehrere Resonatorschichten 12 aus einem elektrisch leitfähigen Stoff bilden die elektromagnetischen Resonatoren. Eine oder mehrere weitere mechanische Tragschichten 13 aus einem Material mit hoher unterer Streckgrenze und maximal zulässiger Zugspannung bilden den mechanischen Träger und verursachen den Hauptteil der Gegenkraft der Kompositmembran 11 bei elektrischer Aktivierung. Mindestens eine Schicht der Kompositmembran 11 weist zudem ein elektrisch isolierendes Material auf oder besteht aus demselben, das einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Kompositmembran 11 und dem Substrat 1 verhindert. Dieses Material leitet jedoch im Gegensatz zum Siliziumdioxid elektrische Ladungen schwach und leitet Aufladungen ab. Die mechanischen Tragschichten 13 stehen weiterhin unter hinreichend hoher Zugspannung, so dass die mechanischen Spannungen der anderen Schichten keine störende Verbiegung der Kompositmembran 11 bewirken, auch wenn in den anderen einzelnen Schichten geringfügige Druckspannungen herrschen oder wenn in den einzelnen anderen Schichten Spannungsgradienten bestehen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Substrat und der Membran die Opferschicht 6 vorteilhafterweise als Schichtstapel mit zumindest drei Opferschichten 14, 15, 16 angeordnet, wobei der Schichtstapel den ersten Abstand 106a definiert und wobei in dem Schichtstapel eine Kavität 7 geformt ist, die an die Membran und das Substrat angrenzt, so dass die Membran durch die Kavität von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand umschaltbar ist. Die ist vorteilhaft, da durch die drei Opferschichten eine Höhe der Kavität 7 in Dickenrichtung bzw. in Durchstrahlrichtung präzise definiert werden kann. Im Transmissionszustand bildet die Kavität einen Resonanzkörper bzw. einen Resonanzraum, sodass die Präzision mit der die Resonanzwellenlängen für die einfallende elektromagnetische Strahlung, einstellbar sind, u.a. von der exakten lateralen Ausdehnung der Opferschichten abhängt.
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Gemäß einem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Kompositmembran 11 beispielsweise auch eine mechanischen Tragschicht 13 und zwei beidseitig daran angeordneten Resonatorschichten 12a und 12b und einer Isolierschicht 19 umfassen oder daraus bestehen. Im Gegensatz zur Anordnung mit jeweils einer Tragschicht 13 und einer Resonatorschicht 12 kann die Dicke der Isolierschicht 19 dadurch von der Dicke der mechanischen Tragschicht 13 entkoppelt werden. Das bewirkt im Blockungszustand bei entsprechender Dimensionierung einen kleineren Abstand der Resonatorschicht 12b vom Substrat als das bei nur einer mechanischen Tragschicht 13 im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften möglich wäre. Die Kompositmembran 11 weist regelmäßig angeordnete Perforationen 5 auf, die vorteilhaft durch alle Schichten der Membran führen. Eine elektrische Spannung Va 104 zur Aktivierung wird zwischen der Resonatorenschicht 12 bzw. den Resonatorschichten 12a und 12b und dem Substrat 1 angelegt, so dass sich im Hohlraum 7 ein elektrostatisches Feld bildet, das eine Kraft auf die Kompositmembran 11 ausübt. Der Abstand d zwischen der Kompositmembran 11 und dem Substrat 1 wird durch mindestens eine Opferschicht 6 definiert, wobei die Opferschicht 6 auch als Schichtstapel, umfassend die Schichten 14, 15 und 16 oder bestehend aus denselben, ausgeführt sein kann. Die Austrittsfläche 10 der Unterseite des Substrates 1 kann eine Antireflexebene aufweisen, also z.B. mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, die aus einer einzelnen Schicht eines dielektrischen Materials, aus einem Schichtstapel verschiedener dielektrischer Materialien ausgeführt ist. Alternativ oder ergänzend kann die Antireflexebene 10' auch durch eine spezielle Strukturierung der Oberfläche des Substrates 1 im Bereich der Austrittsfläche 10 gebildet werden. Beispielsweise kann die Austrittsfläche 10 durch regelmäßig angeordnete Zylinder mit Dimensionen im Bereich der Wellenlänge der einfallenden optischen Strahlung 8 gebildet sein.
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Trifft eine einfallende optische Strahlung 8 im optisch nutzbaren Bereich 3 bzw. im Arbeitsbereich der Vorrichtung auf die Vorderseite des Bauteils bzw. der Vorrichtung, werden elektromagnetische Resonanzen in der Kompositmembran 11 angeregt, wobei die Perforationen 5 die Resonatoren bilden. Dadurch gelangt ein wesentlicher Anteil der einfallenden optischen Strahlung 8 in den Hohlraum 7 und durchdringt das Substrat 1, um das Bauteil wieder als abgegebene optische Strahlung 9 an der Austrittsfläche 10 zu verlassen. Der Hohlraum 7 wirkt zudem als weiterer Resonator für Wellenlängen der einfallenden optischen Strahlung 8, auf die aufgrund des Abstandes d die Resonanzbedingungen zutreffen. Dabei wirken die Kompositmembran 11 und die Oberfläche des Substrates 1 als teildurchlässige Reflektoren. Das bewirkt für diese Wellenlängen eine Vergrößerung der Transmission des Bauteils. Der Zustand, bei dem die Kompositmembran 11 eben ist und einen von der Dicke der Opferschicht 6 definierten Abstand d (1. Abstand) zum Substrat 1 hat, wird Transmissionszustand genannt.
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Ist die Höhe der elektrischen Spannung Va größer als die Pull-in Spannung Vp, bewegt sich die Kompositmembran 11 soweit in Richtung des Substrates 1 (2. Abstand), dass es zumindest im optisch nutzbaren Bereich 3 das Substrat 1 berührt und kein Hohlraum 7 im optisch nutzbaren Bereich 3 ausgebildet ist. Die Bedingungen für eine elektromagnetische Resonanz der Perforationen 5 in der Kompositmembran 11 sind in dieser neuen Lage aufgrund des fehlenden Abstandes d zwischen Membran 11 und Substrat 1 aus dem Material mit der Brechzahl nsub verändert und eine Resonanz ist unterdrückt. Dieser Zustand wird Blockungszustand genannt. Gleichzeitig tritt im Blockungszustand keine Resonanz im Hohlraum 7 auf, da im optisch nutzbaren Bereich 3 kein Hohlraum 7 zwischen Kompositmembran 11 und dem Substrat 1 besteht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Kompositmembran 11 (zumindest) aus einer Resonatorenschicht 12 aus Metall, z.B. Aluminium, und einer mechanischen Tragschicht 13 aus einem Material mit hoher unterer Streckgrenze und hoher maximal zulässiger Zugspannung, wie beispielsweise Siliziumnitrid, zusammengesetzt. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist die erste Schicht, d.h. die Resonatorenschicht, ein Metall auf und die zweite Schicht, d.h. die mechanische Tragschicht, weist z.B. Siliziumnitrid auf. Siliziumnitrid besitzt eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe maximal zulässige Zugspannung von mehr als 1,5 GPa, was experimentell nachgewiesen wurde [Zhou 2008]. Über Siliziumnitrid ist bekannt, dass es im Vergleich zu Siliziumdioxid elektrische wesentlich geringere Aufladungseffekte zeigt [Tavassolian 2009].
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Gegenüber dem aus [Provine 2007] bekannten Ansatz zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Vorteile. Durch den Einsatz einer Kompositmembran 11 anstelle einer Membran 4 aus nur einer Materialschicht wird eine hohe Zugspannung in der Kompositmembran 11 durch den Einsatz eines dafür besonders geeigneten Materials, beispielsweise Siliziumnitrid, möglich. Diese mechanische Spannung lässt beispielsweise im Gegensatz zu Aluminium bei geeigneter Materialwahl auch nach langer Zeit nicht nach. Siliziumnitrid ist besonders geeignet, da es hochtemperaturstabil ist. Im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen wird eine größere Langzeitstabilität erreicht. Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Bauteil keine Isolierschicht 2 aus Siliziumdioxid auf dem Substrat 1 auf, bzw. das Bauteil zeigt die Abwesenheit der Isolierschicht 2 aus Siliziumdioxid, die Aufladungseffekte zeigen würde. Die dem Substrat 1 zugewandte Seite der Kompositmembran 11 bewirkt die elektrische Isolation und weist ein Material auf bzw. ist aus einem Material, das wesentlich geringere Aufladungseffekte zeigt. Im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch nach zeitlich langen Phasen der elektrischen Aktivierung oder nach einer Vielzahl von Schaltzyklen keine Veränderung der Bauteileigenschaften. Im Bereich der Austrittsfläche 10 besitzt das vorgeschlagene Bauteil Antireflexionseigenschaften, die einen Teil der Intensitätsverluste im Transmissionszustand beseitigen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen eine bessere optische Performanz.
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7 zeigt die Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine zusätzliche Funktionalität dadurch erzeugt, dass bei Vorhandensein von Vertiefungen 21 im Substrat 1 in einem Teil des optisch nutzbaren Bereiches 3 oder von kaskadierten Vertiefungen, die aus Vertiefungen 22 im Substrat 1 im Bereich der Vertiefungen 21 im Substrat 1 bestehen, lediglich ein Teilbereich der Kompositmembran 11 bei elektrischer Aktivierung mit einer Spannung Va1, die in ihrer Höhe einen ersten Schwellwert Vpi1 übersteigt aber unter einem zweiten Schwellwert Vpi2 liegt, das Substrat 1 berührt. Die restlichen Teilbereiche der Kompositmembran 11 haben aufgrund der Vertiefung 21 bzw. der Vertiefungen 22 einen Abstand zum Substrat 1 und bilden bei Vorhandensein einer Vertiefung 21 bzw. einer kaskadierten Vertiefung einen kleineren freitragenden Teilbereich 23 oder bei Vorhandensein von mehreren Vertiefungen 21 bzw. von mehreren kaskadierten Vertiefungen mehrere kleinere freitragende Membranbereiche 23. Die elektrostatische Feldkraft durch die Spannung Va1 ist nicht ausreichend hoch, um diese freitragenden Teilbereiche 23 der Kompositmembran 11, soweit auszulenken, dass eine Berührung mit dem Substrat 1 zustande kommt. Der Blockungszustand ist auf die freitragenden Teilbereiche 23 des optisch nutzbaren Bereiches 3 flächig beschränkt, die keine Vertiefungen 21 und keine Vertiefungen 22 aufweisen.
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Bei elektrischer Aktivierung mit einer Spannung Va2, die in ihrer Höhe einen Schwellwert Vpi2 übersteigt aber unter einem dritten Schwellwert Vpi3 liegt, überwindet die elektrostatische Feldkraft, in den Teilbereichen der Kompositmembran 11 die Gegenkraft der Kompositmembran 11, die Vertiefungen 21 aufweisen aber keine Vertiefungen 22 aufweisen und berührt das Substrat auch in den Bereichen der Vertiefungen 21. Die restlichen Teilbereiche der Kompositmembran 11 haben aufgrund der Vertiefungen 22 einen Abstand zum Substrat 1 und bilden bei Vorhandensein einer kaskadierten Vertiefung einen kleineren freitragenden Teilbereich 23 oder bei Vorhandensein von mehreren kaskadierten Vertiefungen mehrere kleinere freitragende Membranbereiche 23. Die elektrostatische Feldkraft durch die Spannung Va2 ist nicht ausreichend hoch, um diese freitragenden Teilbereiche 23 der Kompositmembran 11, soweit auszulenken, dass eine Berührung mit dem Substrat 1 zustande kommt. Der Blockungszustand ist auf die freitragenden Teilbereiche 23 des optisch nutzbaren Bereiches 3 flächig beschränkt, die keine Vertiefungen 22 aufweisen. Bei elektrischer Aktivierung mit einer Spannung Va3, die in ihrer Höhe einen Schwellwert Vpi3 übersteigt, überwindet die elektrostatische Feldkraft in allen Teilbereichen der Kompositmembran 11 die Gegenkraft der Kompositmembran, so dass die Kompositmembran 11 auch im Bereich der Vertiefungen 22 das Substrat 1 berührt. Der Blockungszustand wird dadurch im gesamten optisch nutzbaren Bereich 3 erreicht.
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Es bilden sich bei der beschriebenen einstufigen Kaskadierung der Vertiefungen 21 und 22 vier Steuerzustände, die in den 7a, 7b und 7c gezeigt sind. Bei einem ersten Steuerzustand mit einer Steuerspannung Va = 0 (vgl. 7a) besteht eine hohe Transmission im gesamten optisch nutzbaren Bereich 3. Bei einem zweiten Steuerzustand mit einer Steuerspannung Va2 > Vpi1 und Va2 < Vpi2 (vgl. 7b) besteht eine hohe Transmission in den freitragenden Teilbereichen 3 der Kompositmembran 11, bei denen das Substrat 1 Vertiefungen 21 und kaskadierte Vertiefungen, die aus den Vertiefungen 21 und den Vertiefungen 22 bestehen, aufweist. Bei einem dritten Steuerzustand mit einer Steuerspannung Va3 > Vpi2 (vgl. 7c) und Va3 < Vpi3 besteht eine hohe Transmission in den freitragenden Teilbereichen 3 der Kompositmembran 11, bei denen das Substrat 1 kaskadierte Vertiefungen, die aus den Vertiefungen 21 und den Vertiefungen 22 bestehen, aufweist. Bei einem vierten Steuerzustand mit einer Steuerspannung Va3 > Vpi3 (nicht gezeigt) besteht im gesamten optisch nutzbaren Bereich 3 eine niedrige Transmission im Blockungszustand.
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Es ist weiterhin möglich, das die Kaskadierung der Vertiefungen 21 und 22 nicht einstufig sondern mehrstufig ausgeführt wird, wodurch die Anzahl der Schwellwerte Vpi entsprechend größer ist und die Anzahl der unterschiedlichen Aktuierungszustände ebenfalls zunimmt. Werden die Vertiefungen 21 und 22 kaskadiert und konzentrisch ausgeführt, reduziert sich die Fläche des freitragenden Teilbereiches 23 der Kompositmembran 11, die eine hohe Transmission aufweist mit zunehmender Aktivierungsspannung so, dass die Berandungskurve dieser Fläche bei niedrigerer Aktivierungsspannung eine große zusammenhängende Teilfläche umschließt und mit zunehmender Aktivierungsspannung die umschlossene Teilfläche kleiner wird. Dadurch wird die Funktion einer Blende möglich.
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Diese mehrstufige Kaskadierung kann derart fein gewählt werden, dass in dem Substrat an einem der Membran zugewandten Hauptoberflächenbereich eine Rampe ausgebildet ist, die ein stufenloses Umschalten der Membran durch Ändern der elektrischen Spannung 104 in Zustände zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ermöglicht. In anderen Worten kann in dem Substrat an einem der Membran zugewandten Hauptoberflächenbereich eine Rampe ausgebildet sein, die ein stufenloses Einstellen eines Bereiches der Membran, in dem die Membran das Substrat berührt, durch Ändern der elektrischen Spannung 104 in Zustände zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ermöglicht. So kann eine stufenlos einstellbare Blende realisiert werden.
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In anderen Worten weist das Substrat an einem der Membran zugewandten Hauptoberflächenbereich eine Vertiefung 21 auf, die eine dritte Stellung der Membran ermöglicht. Die Membran 11 kann durch Ändern der elektrischen Spannung 104 zwischen der Membran 11 und dem Substrat 1 zwischen der ersten Stellung, der zweiten Stellung, die die einfallende elektromagnetische Strahlung 8 an einer Transmission in einem Teilbereich des Substrats außerhalb der Vertiefung 21 durch das Substrat 1 und die Membran 11 hindert und der dritten Stellung, die die einfallende elektromagnetische Strahlung 8 an einer Transmission durch das Substrat 1 und die Membran 11 hindert, umschaltbar ist. Ferner kann das Substrat eine Kaskade von Vertiefungen an dem der Membran zugewandten Hauptoberflächenbereich aufweisen, wobei die Membran durch Ändern der elektrischen Spannung 104 eine Mehrzahl von Zuständen annimmt. Die Mehrzahl der Zustände richtet sich nach der Anzahl der Vertiefungen in dem Substrat. Im Vergleich zu der Anzahl der Vertiefungen in dem Substrat weist die Membran einen weiteren Zustand auf, in dem die Vorrichtung auf eine maximal möglichen Fläche 3 transmittiert.
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Zur Herstellung des Bauteils mit Kompositmembran 11 ist es vorteilhaft, für die Strukturierung der Perforationen 5 in den Materialien der Kompositmembran 11 ein Verfahren einzusetzen, dass einerseits die Herstellung der Kompositmembran 11 auf einer Opferschicht 6 bzw. einem Stapel aus Opferschichten 14, 15 und 16 gestattet. Dabei muss die Temperaturstabilität der Opferschicht 6 bzw. des Stapels aus den Opferschichten 14, 15 und 16 die Abscheidung und Temperaturbehandlung der Kompositmembran 11 gestatten. Zudem sollten die Ätzverfahren zur Strukturierung der Perforationen 5 und des Hohlraums 7 eine hinreichend gute Selektivität der Ätzraten für die unterschiedlichen Materialien besitzen und zusätzlich gegebenenfalls ein Schutz der Materialien mit zu geringer Selektivität der Ätzraten erfolgen.
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8 zeigt ein Blockdiagram des Verfahrens 700 zur Herstellung der Vorrichtung zur Steuerung einer Intensität eines transmittierten Anteils von auf die Vorrichtung einfallender Strahlung mittels extraordinärer Transmission. Das Verfahren 700 umfasst einen Schritt 702 mit Abscheiden einer Opferschicht auf ein bereitgestelltes Substrat, einen Schritt 704 mit Abscheiden einer Membran auf die Opferschicht, wobei die Membran zumindest zwei Schichten aufweist, wobei eine erste der zumindest zwei Schichten eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als eine zweite Schicht der zumindest zwei Schichten und wobei die zweite Schicht der zumindest zwei Schichten eine höhere untere Streckgrenze und/oder eine höhere Zugfestigkeit aufweist als die erste Schicht der zumindest zwei Schichten, wobei zumindest die erste Schicht Perforationen für die extraordinäre Transmission aufweist, wobei die Membran durch Ändern einer elektrischen Spannung zwischen der Membran und dem Substrat zwischen einer ersten Stellung, in der die Membran in einem ersten Abstand zu dem Substrat angeordnet ist und in der die einfailende elektromagnetische Strahlung durch die Membran und das Substrat transmittiert wird, und einer zweiten Stellung, in der die Membran in einem zweiten Abstand zu dem Substrat angeordnet ist und die einfallende elektromagnetische Strahlung an einer Transmission durch das Substrat und die Membran hindert, umschaltbar ist.
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Ergänzend zu 8 zeigt 9 die Vorrichtung nach ausgewählten Schritten des Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß Ausführungsbeispielen kann auf dem bereitgestellten Substrat eine zweite Opferschicht 15 und eine dritte Opferschicht 16 angeordnet sein, wobei das Abscheiden der Opferschicht 6 ein Abscheiden einer ersten Opferschicht 14 auf die dritte Opferschicht 16 umfasst. Alternativ kann das Abscheiden der Opferschicht 6 ein Abscheiden einer zweiten Opferschicht 15 auf das bereitgestellte Substrat 1, ein Abscheiden einer dritten Opferschicht 16 auf die zweite Opferschicht 15 und ein Abscheiden einer ersten Opferschicht 14 auf die dritte Opferschicht 16 umfassen. Ferner kann eine zweite Schicht 13 oberhalb der Opferschicht 6 (bzw. 14) auf einer dem Substrat 1 abgewandten Seite abgeschieden werden, wobei die zweite Schicht 13 eine mechanische Tragschicht ist. Gemäß Ausführungsbeispielen kann eine thermische Behandlung mit der zweiten Schicht durchgeführt werden, um eine Zugspannung der mechanischen Tragschicht 13 einzustellen, wodurch eine Auslenkung der Membran aus der ersten Stellung (exakt) in die zweite Stellung und eine Zurückstellung der Membran aus der zweiten Stellung (exakt) in die erste Stellung zu ermöglicht wird.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Austrittsfläche 10' für die in das Substrat eingetretene elektromagnetische Strahlung an einem der Opferschicht abgewandten Hauptoberflächenbereich des Substrats erzeugt werden, wobei an der Austrittsfläche eine Antireflexionsebene 10' erzeugt wird, um die Transmission der in das Substrat eingetretenen elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen. Das Erzeugen der Austrittsfläche kann ein Entfernern von Schichten 108 an dem der Opferschicht 6 abgewandten Hauptoberflächenbereich 110 des Substrats 1 umfassen. Diese Schichten entstehen beispielsweise bei der Waferbearbeitung prozessbedingt auf beiden Waferseiten gleichzeitig und werden vorteilhafterweise auf der Rückseite wieder entfernt. Eine Antireflexionsebene aus dielektrischen Schichten lässt sich aus den o.g. Schichten oft nicht realisieren. Ferner kann das Erzeugen der Antireflexionsebene 10' ein Abscheiden von zumindest einer Schicht eines Dielektrikums oder ein Strukturieren des Hauptoberflächenbereichs umfassen. AIternativ oder ergänzend kann der Hauptoberflächenbereich strukturiert werden um die Oberflächenstruktur 20 zu erzeugen, die, alleine oder in Kombination mit der Schicht des Dielektrikums, die Antireflexionsebene 10' bildet. Eine Antirefiexionsebene 10 mit Strukturierung benötigt keine Schichten auf der Rückseite.
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Das Verfahren 700 kann ferner, z.B. mit dem Abscheiden der Membran, ein Abscheiden einer ersten Schicht 12 oberhalb der Opferschicht auf einem dem Substrat abgewandten Seite umfassen, wobei die erste Schicht eine Resonatorschicht ist. Ferner kann in dem Schritt des Abscheidens der Membran oder in einem weiteren Schritt eine zweite Schicht 13 auf der Opferschicht abgeschieden werden, wobei die erste und die zweite Schicht der Membran auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Membran oberhalb der weiteren Schichten abgeschieden werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass die erste Schicht nicht direkt auf der Opferschicht aufliegt bzw. zumindest eine Schicht der weiteren Schicht 19 oder der zweiten Schicht 12 zwischen der Opferschicht und der ersten Schicht angeordnet ist, sodass die erste Schicht die Membran im Blockungszustand nicht berührt.
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Gemäß Ausführungsbeispielen kann in einem weiteren Schritt die Membran perforiert werden, um in der Membran einen Resonator für die einfallende elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Nach dem Perforieren der Membran kann eine Schutzschicht 170 an Seitenwänden bzw. Begrenzungen der Perforation 5 abgeschieden werden, wobei die Schutzschicht die Perforationen bei dem Entfernen oder Strukturieren der Opferschicht schützt. Somit schützt die Schutzschicht auch vor dem Strukturieren der Opferschicht um eine Kavität zwischen der Membran und dem Substrat zu erzeugen, wobei die Membran und das Substrat an die Kavität angrenzen, um eine freitragende Membran oberhalb des Substrats zu erhalten. Das Strukturieren der Opferschicht kann vorteilhafterweise durch die Perforationen, also z.B. Löcher oder Aussparungen in der Membran, entfernt werden. Wenn sich die Perforationen nur auf die erste Schicht 13, d.h. die Resonatorschicht beschränken und nicht durch die gesamte Membran hindurch ausgeführt sind, kann für die Erzeugung (und Ausräumung) der Kavität auch ein separates Loch bzw. ein separater Durchbruch in der Membran erzeugt werden und im Anschluss optional wieder verschlossen werden.
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In anderen Worten kann die Schutzschicht 170 an Seitenwände der Perforationen 5 in der Membran 11 abgeschieden oder aufgebracht werden, wobei die Schutzschicht 170 die Perforationen 5 bei dem Entfernen oder Strukturieren der Opferschicht 6 schützt. Dies ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Im Zusammenhang mit der Schutzschicht ist hinsichtlich des Verfahrens zu konstatieren, dass die Schutzschicht 170 z.B. auf die Oberfläche von der Schicht 12, auf die Böden der vorbereiteten Perforationen (Oberfläche von der Opferschicht 16) und auf die Seitenwände der Perforationen aufgebracht werden kann. Dies ist in 9d gezeigt. Die Schutzschicht wird dann beispielsweise durch Plasmaätzen von der Oberfläche von 12 und von den Oberflächen der Böden der vorbereiteten Perforationen entfernt (vgl. 9e). An den Seitenwänden der Perforationen bleibt ein wesentlicher Teil der Schutzschicht 170 erhalten. Danach wird mit einem isotropen Ätzverfahren die Schicht 14 entfernt und dabei die Kavität 7 erzeugt. Dies Bild 9f gezeigt. Letztendlich werden mit einem isotropen Ätzverfahren die Opferschichten 14 und 16 sowie die noch auf den Seitenwänden der Perforationen verbliebenen Teile der Schutzschicht 170 entfernt. Dies ist z.B. in 4 sowie 9g gezeigt.
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Eine mögliche Herstellungssequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel beginnt mit der Abscheidung der Opferschicht 14 aus Siliziumdioxid auf einem Waferstapel, der das Substrat 1, die Opferschicht 15 aus Siliziumdioxid und die Opferschicht 16 aus einkristallinem Silizium in Form eines SOi-Wafers (SOi, silicon on insulator) bereits aufweist bzw. beinhaltet.
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Alternativ kann der SOI-Wafer durch Waferbonden eines ersten Siliziumwafers, der später das Substrat 1 bildet, und eines zweiten Siliziumwafers, aus dem später die dritte Opferschicht 16 entsteht, hergestellt werden. Die Opferschicht 15 aus Siliziumdioxid kann vor dem Waferbonden auf dem ersten oder auf dem zweiten Siliziumwafer oder auf beiden Siliziumwafern hergestellt werden. Sollen Vertiefungen 21 oder Kaskaden von Vertiefungen 22 eingesetzt werden, werden diese Vertiefungen durch Fotolithographie und Ätzen vorzugsweise im ersten Siliziumwafer aber auch im zweiten Siliziumwafer bzw. in beiden Siliziumwafern erzeugt, bevor die Opferschicht 15 hergestellt wird. In anderen Worten kann das Verfahren 700 ein Strukturieren des Substrats, so dass eine oder eine Mehrzahl von Vertiefungen oder eine Rampe in dem Substrat geformt werden umfassen. Nach dem Waferbonden wird die Dicke des zweiten Siliziumwafers durch Ätzen, durch Schleifen und Polieren oder durch eine Kombination der Verfahren auf das Maß reduziert, das für die Verwendung als Opferschicht 16 erforderlich ist.
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Nach der Abscheidung der Opferschicht 14 wird die mechanische Tragschicht 13 aus LP-CVD-Siliziumnitrid (LP-CVD, low pressure - chemical vapour deposition) abgeschieden und einer thermischen Behandlung zum Einstellen einer Zugspannung unterzogen ( 9a). Nach dem ätztechnischen Entfernen der Schichten auf der Seite, auf der die Austrittsfläche 10 erzeugt werden muss (9b), wird dort eine Antireflexionsschicht abgeschieden oder ätztechnisch eine Oberflächenstruktur 20 mit Antireflexionseigenschaften durch Fotolithographie, durch Elektronenstrahllithographie oder durch Nanoimprintlithographie hergestellt. Auf der Vorderseite wird eine Resonatorschicht 12 aus Aluminium abgeschieden (9c). Danach werden in der Resonatorschicht 12, die mechanische Tragschicht 13 und die Opferschicht 14 die Perforationen 5 durch z.B. Fotolithographie, durch Elektronenstrahllithographie oder durch Nanoimprintlithographie definiert und ätztechnisch erzeugt. Die Ätzung stoppt dabei auf der Opferschicht 16 aus Silizium aufgrund der niedrigen Ätzrate des eingesetzten Ätzverfahrens für Silizium. Anschließend wird mittels CVD eine Schutzschicht 170 aus Siliziumdioxid auf der Vorderseite abgeschieden, die die Oberfläche der Resonatorschicht 12, die Seitenwände der Perforationen im Bereich der Resonatorschicht 12, der mechanischen Tragschicht 13 und der Opferschicht 14 sowie die Oberfläche der Opferschicht 16 bedeckt (9d). Durch einen gerichteten Plasmaätzprozess wird die Schutzschicht 170 auf der Oberfläche der Resonatorschicht 12 und auf der Opferschicht 16 entfernt. Dabei verbleibt auf den Seitenwänden der Perforationen 5 im Bereich der Resonatorschicht 12, der mechanischen Tragschicht 13 und der Opferschicht 14 eine genügend dicke Schutzschicht 170, so dass diese geschlossen ist und zum Schutz der Resonatorschicht 12, der mechanischen Tragschicht 13 und der Opferschicht 14 vor seitlichem Ätzangriff dienen kann (9e). Im Folgenden wird z.B. durch isotropes Plasmaätzen oder durch eine Kombination aus anisotropen und isotropen Plasmaätzen die Opferschicht 16 im Bereich unterhalb der Perforationen und in den unmittelbar angrenzenden Bereichen entfernt, so dass eine freitragende Membran aus einem Stapel der noch verbliebenen Schichten entsteht (9f). Dabei verhindert die Opferschicht 15 einen Ätzangriff des Substrates und die Opferschicht 14 sowie die Schutzschicht 170 einen Ätzangriff der Resonatorschicht 12 und der mechanischen Tragschicht 13. Schließlich werden durch einen weiteren für Siliziumdioxid geeigneten isotropen Ätzprozess, z.B. Gasphasenätzen, die Opferschicht 14, die Opferschicht 15 und die Schutzschicht 170 im Bereich der Kompositmembran 11 entfernt (9g).
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht 13 ausgebildet, die Membran 11 bei einer Verringerung der elektrischen Spannung 104 zwischen der Membran 11 und dem Substrat 1 von dem zweiten Abstand 106b zum Substrat 1 in den ersten Abstand 106a zum Substrat 1 zu überführen.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist ein Bauelement zur Intensitätsmodulation von Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis mittleres Infrarot in wenigstens einem Teilbereich mit einer Membran mit regelmäßig angeordneten Perforationen, die durch elektrostatische Aktivierung in Richtung senkrecht zum Substrat bewegt wird, wodurch die Steuerung der Lichtmodulation erfolgt, gezeigt. Zwischen Membran und Substrat ist z.B. Vakuum oder anderes optisch transparentes Medium angeordnet. Dieses Medium wird ebenso wie der Schichtstapel und das Substrat senkrecht oder in einem Winkel < 45° von der Senkrechten abweichend von der zu modulierenden Strahlung durchtreten. Das Substrat kann Silizium (Si) oder optisch transparentes und elektrisch wenigstens teilweise leitendes Material aufweisen.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen den Einsatz einer Kompositmembran 11 aus mindestens einer mechanischen Tragschicht 13 und einer Resonatorschicht 12 aus Metall mit Perforationen 5 innerhalb eines optisch nutzbaren Bereichs 3. Der Abstand zwischen Substrat 1 und Kompositmembran 11 wird z.B. durch mindestens eine Opferschicht 6, vorzugsweise jedoch ein Stapel aus Opferschichten erzeugt, der die obere Stoppschicht 14, die Abstandsschicht 16 sowie die untere Stoppschicht 15 aufweist. Um den Hohlraum bzw. die Kavität zwischen der Membran und dem Substrat zu erzeugen, werden die Opferschichten z.B. durch Ätzen strukturiert. Um die Tragschicht 13, die beispielsweise ebenso ein Oxid (z.B. Siliziumdioxid) aufweist wie die obere und/oder die untere Stoppschicht 14, 15 vor dem Ätzprozess zu schützen, ist es vorteilhaft, die Perforationen mit einer Schutzschicht 170 zu beschichten.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Literatur:
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Xiaobin Yuan, Zhen Peng, James C. M. Hwang, and Charles L. Goldsmith, „Acceleration of Dielectric Charging in RF MEMS Capacitive Switches", IEEE Tansactions on device and materials reliability, Vol. 6, No. 4, December 2006, pp. 556-563
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Wei Zhou, Jinling Yang, Van Li, An Ji, and Fuhua Yang, „Fracture Properties of PECVD Silicon Nitride Thin Films by Lang Rectangular Memrane Bulge Test", Proceedings of the 3rd IEEE Int. Conf. on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems January 6-9, 2008, Sanya, China, pp. 261-264
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