DE102017205761B4

DE102017205761B4 - System und Verfahren für optischen MEMS-Wandler

Info

Publication number: DE102017205761B4
Application number: DE102017205761.0A
Authority: DE
Inventors: Ulf Bartl; Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: US10715930B2; US20170289703A1; DE102017205761A1; US20180249258A1; US9973860B2

Abstract

Optischer MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Wandler, umfassend:eine Beugungsstruktur (124), welche abwechselnde erste Reflexionselemente (152) und Öffnungen umfasst, die in einer ersten Ebene angeordnet sind;eine Reflexionsstruktur (120), welche zweite Reflexionselemente (140) umfasst und so ausgelegt ist, in Bezug auf die Beugungsstruktur ausgelenkt zu werden, wobei die zweiten Reflexionselemente in der ersten Ebene angeordnet sind, wenn die Reflexionsstruktur im Ruhezustand ist; undein optisches Element (126, 128), das so ausgelegt ist, dass es ein erstes optisches Signal auf die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur richtet und ein zweites optisches Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen mikrogefertigte Bauelemente und in bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für einen optischen MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Wandler.
HINTERGRUND
Wandler setzen Signale von einer Domäne in eine andere um und werden häufig in Sensoren verwendet. Ein üblicher Wandler, der als ein Sensor funktioniert und im Alltagsleben zu sehen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale umsetzt, d. h. umwandelt. Ein anderes Beispiel für einen üblichen Sensor ist ein Thermometer. Es gibt verschiedene Wandler, die als Thermometer dienen, indem sie Temperatursignale in elektrische Signale umwandeln.
Wandler auf der Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) umfassen eine Familie von Sensoren und Aktoren, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. MEMS-Sensoren, wie beispielsweise ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen von der Umgebung durch Messen der Änderung eines physikalischen Zustands im Wandler und Übertragen eines umgewandelten Signals an Verarbeitungselektroniken, die mit dem MEMS-Sensor verbunden sind. MEMS-Bauelemente können unter Verwendung von Fertigungstechniken der Mikrobearbeitung hergestellt werden, die jenen ähneln, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
MEMS-Bauelemente können so ausgelegt sein, dass sie zum Beispiel als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone und Mikrospiegel funktionieren. Viele MEMS-Bauelemente verwenden kapazitive Sensortechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. Bei solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung im Sensor unter Verwendung von Anpassungsschaltungen in ein Spannungssignal umgesetzt. Andere MEMS-Bauelemente verwenden optische Sensortechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. Bei solchen Anwendungen variiert ein optisches Signal basierend auf dem physikalischen Phänomen, und das optische Signal wird zum Beispiel unter Verwendung einer Photodiode und von Anpassungsschaltungen in ein Spannungssignal umgesetzt. Ein solches optisches Sensorelement ist ein optisches MEMS-Mikrofon.
Die US 2006 / 0 227 845 A1 bezieht sich auf einen Auslenkungssensor.
Die US 2006 / 0 181 712 A1 bezieht sich auf eine hoch-empfindliche optische Vorrichtung zur Auslenkungsmessung.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein optischer MEMS-Wandler eine Beugungsstruktur, welche abwechselnde erste Reflexionselemente und Öffnungen umfasst, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, eine Reflexionsstruktur, welche zweite Reflexionselemente umfasst und so ausgelegt ist, um in Bezug auf die Beugungsstruktur ausgelenkt zu werden, und ein optisches Element, das so ausgelegt ist, dass es ein erstes optisches Signal auf die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur richtet und ein zweites optisches Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt. Die zweiten Reflexionselemente sind in der ersten Ebene angeordnet, wenn die Reflexionsstruktur im Ruhezustand ist. Andere Ausführungsformen umfassen entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils zum Durchführen verschiedener beispielhafter Verfahren ausgelegt sind.
Figurenliste
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:

1 ein Systemblockdiagramm eines beispielhaften MEMS-Wandlersystems veranschaulicht;
2A und 2B Seitenansichten eines beispielhaften optischen MEMS-Mikrofons im Querschnitt veranschaulichen;
3A und 3B Seitenansichten weiterer beispielhafter Elemente für ein beispielhaftes optisches MEMS-Mikrofon im Querschnitt veranschaulichen;
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Fertigungsverfahrens für ein beispielhaftes optisches MEMS-Mikrofon veranschaulicht;
5A, 5B, 5C und 5D perspektivische Querschnittansichten von Schritten in einem beispielhaften Fertigungsverfahren veranschaulichen; und
6A und 6B schematische Draufsichten von beispielhaften MEMS-Strukturen von oben veranschaulichen.

Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben. Die Figuren sind so gezeichnet, dass sie die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar veranschaulichen, wobei sie jedoch nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung von verschiedenen Ausführungsformen ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielfalt von spezifischen Kontexten angewendet werden können. Die spezifischen Ausführungsformen, die erörtert werden, dienen lediglich zur Veranschaulichung von spezifischen Arten und Weisen der Herstellung und Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen und sollten nicht als Schutzumfang einschränkend ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich Mikrofonwandlern und insbesondere MEMS-Mikrofonen. Einige der verschiedenen Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, umfassen MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofonsysteme und optische MEMS-Mikrofonsysteme sowie Verfahren zur Fertigung von optischen MEMS-Mikrofonen. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die jeglichen Typ von Sensor oder Wandler gemäß einer beliebigen auf dem Fachgebiet bekannten Art und Weise umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein optisches MEMS-Mikrofon einen Laser, der auf ein Beugungsgitter und eine Membran gerichtet wird. Der Laser wird als ein reflektiertes optisches Signal, das durch einen Photodetektor gemessen wird, vom Beugungsgitter und der Membran reflektiert. Da die Membran aufgrund von Drucksignalen, wie beispielsweise etwa Schallwellen, ausgelenkt wird, variiert der Abstand zwischen dem Beugungsgitter und der Membran, was wiederum bewirkt, dass das reflektierte optische Signal variiert. Wenn die Reflexionsfläche der Membran und das Beugungsgitter in verschiedenen Ebenen liegen, kann es möglich sein, dass viele Mehrfachreflexionen zwischen der Membran und der Rückplatte stattfinden. Solche Mehrfachreflexionen können das resultierende gemessene optische Signal in einer Weise beeinflussen, die nicht der Auslenkung der Membran entspricht. Demnach umfasst ein optisches MEMS-Mikrofon gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, eine Membran mit einer oder mehreren Reflexionsflächen und einem Beugungsgitter, wobei die eine oder die mehreren Reflexionsflächen in der gleichen Ebene wie das Beugungsgitter ausgebildet sind. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter mehrere Gitterelemente umfassen, die durch Schlitze getrennt sind, um das Beugungsgitter zu bilden, und die Membran kann Reflexionselemente umfassen, die derart in den Schlitzen zwischen Gitterelementen des Beugungsgitters angeordnet sind, dass das Beugungsgitter und die Reflexionselemente der Membran in der gleichen Ebene angeordnet sind, wenn die Membran nicht durchgebogen ist.
1 veranschaulicht ein Systemblockdiagramm eines beispielhaften MEMS-Wandlersystems 100, das einen MEMS-Wandler 102, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 104 und einen Prozessor 106 umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt der MEMS-Wandler 102 ein physikalisches Signal 108, erzeugt ein umgewandeltes Signal und übermittelt das umgewandelte Signal an die ASIC 104. In spezifischen Ausführungsformen ist das physikalische Signal 108 ein Drucksignal, wie beispielsweise eine akustische Druckwelle, und der MEMS-Wandler 102 ist ein MEMS-Mikrofon, wie beispielsweise ein optisches MEMS-Mikrofon. In solchen Ausführungsformen wandelt der MEMS-Wandler 102 als ein optisches MEMS-Mikrofon das physikalische Signal 108, z. B. ein Drucksignal, in ein analoges elektrisches Signal um, das an die ASIC 104 geliefert wird. Im Folgenden werden beispielhafte MEMS-Wandler und MEMS-Fertigungsfolgen beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt die ASIC 104 basierend auf dem analogen elektrischen Signal vom MEMS-Wandler 102 ein Ausgangssignal und übermittelt es an den Prozessor 106. Die ASIC 104 kann verschiedene Funktionen ausführen. In einigen Ausführungsformen übermittelt die ASIC 104 ein Ansteuersignal an den MEMS-Wandler 102, um ein optisches Signal zu erzeugen, und empfängt außerdem ein optisches Messsignal. In weiteren Ausführungsformen kann die ASIC 104 eine Pufferschaltung oder eine Verstärkerschaltung umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 104 zusätzliche Elemente, wie beispielsweise einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC), umfassen. In solchen Ausführungen übermittelt die ASIC 104 ein digitales Signal, das dem physikalischen Signal 108 entspricht, an den Prozessor 106. Ferner kann die ASIC 104 außerdem eine E-/A-Anpassungsschaltung zum Kommunizieren durch eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Prozessor 106 umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst eine Wandlereinheit 110 die ASIC 104 und den MEMS-Wandler 102. In solchen Ausführungsformen kann die Wandlereinheit 110 ein mit einem Gehäuse verschlossenes Bauelement, wie beispielsweise ein mit einem Gehäuse verschlossenes Mikrofon, mit einer Gehäuseöffnung, wie beispielsweise einem Audioanschluss, zum Empfangen des physikalischen Signals 108 sein. Die Wandlereinheit 110 kann eine gemeinsame Leiterplatte mit separaten Halbleitchips für die ASIC 104 und den MEMS-Wandler 102 umfassen, die an der gemeinsamen Leiterplatte befestigt sind. In anderen Ausführungsformen sind die ASIC 104 und der MEMS-Wandler 102 zum Beispiel durch Flip-Chip-Bonden in einem Chipstapel als ein Systemchip (SoC) montiert. In weiteren Ausführungsformen sind die ASIC 104 und der MEMS-Wandler 102 als ein SoC in einen einzigen Halbleiterchip integriert, d. h. monolithisch integriert.
In verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Prozessor 106 ein analoges oder digitales elektrisches Signal von der ASIC 104. Der Prozessor 106 kann ein dedizierter Audioprozessor, wie beispielsweise ein Audio-Coder/Decoder (CODEC), sein. In anderen Ausführungsformen kann der Prozessor 106 ein Universalprozessor sein. In verschiedenen solchen Ausführungsformen kann der Prozessor 106 ein Mikroprozessor, ein Digitalsignalprozessor (DSP) oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) sein. In alternativen Ausführungsformen kann der Prozessor 106 aus diskreten Logikkomponenten gebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die ASIC 104 ein einzelnes Signal, wie beispielsweise ein unsymmetrisches Signal, oder ein Differenzsignal an den Prozessor 106 übermitteln, das für das physikalische Signal 108 kennzeichnend ist. In anderen Ausführungsformen kann die ASIC 104 Signale unter Verwendung verschiedener Kommunikationsprotokolle, welche Daten- oder Taktleitungen umfassen, an den Prozessor 106 übermitteln. Ferner kann der MEMS-Wandler 102 in verschiedenen Ausführungsformen ein einzelnes Signal, wie beispielsweise ein unsymmetrisches Signal, oder ein Differenzsignal an die ASIC 104 übermitteln, das für das physikalische Signal 108 kennzeichnend ist.
2A und 2B veranschaulichen Seitenansichten eines beispielhaften optischen MEMS-Mikrofons 103, das eine Implementierung des MEMS-Wandlers 102 ist, im Querschnitt. Konkret veranschaulicht 2A ein Arbeitsprinzip, und 2B stellt eine erweiterte Ansicht von beispielhaften Strukturen dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst das optische MEMS-Mikrofon 103 ein Substrat 112, eine Rückplatte 116, eine Membran 120, einen Laser 126 und eine Photodiode 128. In verschiedenen Ausführungsformen emittiert der Laser 126 ein einfallendes optisches Signal 130, das auf ein Beugungsgitter 124 in der Rückplatte 116 gerichtet wird. Die Membran 120 umfasst Reflexionselemente 140, die in der gleichen Ebene wie das Beugungsgitter 124 ausgebildet sind. Die Reflexionselemente 140 sind in 2A der Klarheit der Darstellung halber weggelassen, aber in der erweiterten Ansicht 141 in 2B dargestellt. Demnach wird das einfallende optische Signal 130 durch das Beugungsgitter 124 und die Reflexionselemente 140 der Membran 120 reflektiert, um ein reflektiertes optisches Signal 132 zu bilden, das durch die Photodiode 128 empfangen und gemessen wird. In solchen Ausführungsformen bewirken Drucksignale, wie beispielsweise Schallwellen, wie dargestellt, dass die Membran 120 ausgelenkt wird, was eine Änderung des reflektierten optischen Signal 132 hervorruft, die auf den an der Membran 120 empfangenen Drucksignalen basiert. Eine weitere Erörterung der Reflexionsfläche erfolgt hierin im Folgenden, beispielsweise in Bezug auf die erweiterte Ansicht 141.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 112 aus einem Wafer gebildet sein. Das Substrat 112 kann ein Halbleitersubstrat, wie beispielsweise Silicium, sein. In verschiedenen Ausführungsformen ist ein Hohlraum 111 innerhalb des Substrats 112 ausgebildet. Eine Isolierschicht 114 ist auf einer Oberseite des Substrats 112 ausgebildet, und eine Rückplatte 116 ist auf einer Oberseite der Isolierschicht 114 ausgebildet. In solchen Ausführungsformen kann die Isolierschicht 114 ein elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Siliciumoxid, sein. Die Rückplatte 116 kann eine starre Rückplatte sein. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Rückplatte 116 einen Strukturträger 122 und das Beugungsgitter 124. Bei dem Strukturträger kann es sich um dicke gemusterte Balken oder eine dicke Schicht aus Trägermaterial handeln, während das Beugungsgitter 124 eine kleinere Struktur mit mehreren Schlitzen oder Spalten sein kann, die als ein Beugungsgitter parallel ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen ist das Beugungsgitter 124 dünner als der Strukturträger 122. In anderen Ausführungsformen weist das Beugungsgitter 124 eine gleiche Schichtdicke wie der Strukturträger 122 auf. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Rückplatte 116 aus einem leitenden oder nichtleitenden Material gebildet sein. Zum Beispiel ist die Rückplatte 116 in einigen Ausführungsformen aus Polysilicium gebildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist eine Beabstandungsstruktur 118 am oberen Ende der Rückplatte 116 ausgebildet und trägt die Membran 120. Die Beabstandungsstruktur 118 kann ein elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Siliciumoxid, sein. In einigen Ausführungsformen ist die Beabstandungsstruktur 118 aus einem gleichen Material wie die Isolierschicht 114 gebildet. Die Membran 120 kann aus einem leitenden oder nichtleitenden Material gebildet sein. Zum Beispiel ist die Membran 120 in einigen Ausführungsformen aus Polysilicium gebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Membran 120 aus einem gleichen Material wie die Rückplatte 116 gebildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der Laser 126 ein Leuchtdioden (LED)-Laser. In weiteren Ausführungsformen umfasst der Laser 126 mehrere LED-Laser, die parallel angeordnet sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Photodiode 128 mehrere Photodiodenstrukturen umfassen, die zusammen angeordnet sind. In alternativen Ausführungsformen kann der Laser 126 einen beliebigen Typ von Signalgenerator, wie beispielsweise eine beliebige Quelle von kohärentem Licht, umfassen, und die Photodiode 128 kann einen beliebigen Typ von optischem Signaldetektor umfassen. In verschiedenen solchen Ausführungsformen kann der Laser 126 ein beliebiger Laser-Typ sein, oder alternativ kann der Laser 126 durch einen beliebigen LED-Typ ersetzt sein. Die Photodiode 128 kann unter Verwendung eines beliebigen Typs von Photodetektor implementiert sein. In einigen Ausführungsformen ist die Photodiode 128 unter Verwendung eines oder mehrerer ladungsgekoppelter Bauelemente (CCDs) implementiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Reflexionselemente 140 in der gleichen Ebene wie das Beugungsgitter 124 ausgebildet, wie in der erweiterten Ansicht 141 in 2B dargestellt. Die erweitere Ansicht 141 stellt die Membran 120 und das Beugungsgitter 124 im Detail dar. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Membran 120 eine Membranschicht 142 und Reflexionselemente 140, die eine Trägerschicht 144 und eine Reflexionsbeschichtung 148 umfassen. Das Beugungsgitter 124 als Teil der Rückplatte 116 umfasst Gitterstrukturen 150, die eine Rückplattenschicht 146 und eine Reflexionsbeschichtung 152 umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich die Membranschicht 142 nach unten zur Trägerschicht 144. In solchen Ausführungsformen kann die Membranschicht 142 mit Kontaktlöchern ausgebildet sein, die sich zur Trägerschicht 144 nach unten erstrecken, um die Reflexionselemente 140 mit der Membranschicht 142 zu verbinden. In anderen Ausführungsformen kann eine andere Verbindungsstruktur zwischen der Trägerschicht 144 und der Membranschicht 142 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen sind die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 separate Materialbeschichtungen oder Materialschichten, die auf die Trägerschicht 144 bzw. die Rückplattenschicht 146 aufgetragen sind. Alternativ sind die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 Oberflächen der Trägerschicht 144 bzw. der Rückplattenschicht 146 und aus einem gleichen Material gebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen sind Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 unter Verwendung eines oder mehrerer Metalle implementiert. Zum Beispiel können die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 in einigen Ausführungsformen Gold, Aluminium, Silber oder Titan, wie beispielsweise Titannitrid, umfassen. In alternativen Ausführungsformen sind Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 unter Verwendung von dielektrischen Materialien als ein dielektrischer Spiegel implementiert. In solchen Ausführungsformen können die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 als ein dielektrischer Stapel implementiert sein, der abwechselnde Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex umfasst. Ferner können die für den dielektrischen Stapel ausgewählten Schichten basierend auf der Wellenlänge des vom Laser 126 emittierten Lichts ausgewählt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Reflexionselemente 140 mit der Membranschicht 142 verbunden, um mit den Auslenkungen der Membran 120 ausgelenkt zu werden. Wie dargestellt, sind die Reflexionselemente 140 in der gleichen Ebene, die sich horizontal erstreckt, wie die Gitterstrukturen 150 ausgebildet, und sie sind in dieser gleichen Ebene angeordnet, wenn die Membran 120 im Ruhezustand ist. Die Gitterstrukturen 150 können lange parallele Balken mit Schlitzen zwischen jedem der langen parallelen Balken sein, in welchen die Reflexionselemente 140 angeordnet sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Beugungsgitter 124 mit der Gitterstruktur 150 unbeweglich, während die Membran 120 und dementsprechend die Reflexionselemente 140 ausgelenkt werden. Der Strukturträger 122 ist zum Beispiel eine starre Struktur mit großen Öffnungen zum Verringern des Widerstands gegen Fluidtransort und Tragen des Beugungsgitters 124. In solchen Ausführungsformen umfasst der Strukturträger 122 mehrere dicke Tragbalken oder eine perforierte starre Platte. Wenn die Membran 120 ausgelenkt wird, werden die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152, welche Reflexionsflächen für das einfallende optische Signal 130 bilden, voneinander versetzt. Die Versetzung zwischen der Reflexionsbeschichtung 148 und der Reflexionsbeschichtung 152 erzeugt eine Phasenverschiebungsdifferenz in den reflektierten Strahlen, die zu einer Änderung der Intensität der kombinierten reflektierten Strahlen als reflektiertes optisches Signal 132 führt. In solchen Ausführungsformen erzeugen Auslenkungen der Membran 120, die auf einfallenden Drucksignalen basieren, entsprechende Änderungen im reflektierten optischen Signal 132, wenn die Reflexionselemente 140 mit der Membran 120 ausgelenkt werden.
Bei Anwendungen, bei welchen eine Reflexionsfläche der Membran nicht in der gleichen Ebene wie die Reflexionsfläche der Rückplatte ist, wenn die Membran im Ruhezustand ist, können einfallende optische Signale reflektiert und kombiniert werden, wie hierin zuvor beschrieben. Bei solchen Anwendungen besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit, dass einige reflektierte optische Signale von der Rückseite der Rückplatte ein zweites Mal reflektiert werden. Demnach umfassen die hierin beschriebenen Ausführungsformen Reflexionselemente, die an der auslenkbaren Membran befestigt sind, wie beispielsweise die Reflexionselemente 140, die an der Membran 120 befestigt sind, und in einer gleichen Ebene wie eine Reflexionsfläche der Rückplatte, wie beispielsweise die Reflexionsbeschichtung 152 auf der Gitterstruktur 150, ausgebildet sind. Verschiedene weitere Einzelheiten in Bezug auf die beispielhaften Strukturen, Materialien und Fertigungsverfahren für beispielhafte MEMS-Wandler, wie beispielsweise das optische MEMS-Mikrofon 103, werden hierin im Folgenden in Bezug auf die anderen Figuren beschrieben.
3A und 3B veranschaulichen Seitenansichten weiterer beispielhafter Elemente für ein beispielhaftes optisches MEMS-Mikrofon im Querschnitt. Konkret veranschaulicht 3A einen Abschnitt 160a, der einen Teil der Membran 120 und einen Teil des Beugungsgitters 124 umfasst, und 3B veranschaulicht einen Abschnitt 160b, der einen Teil der Membran 120 mit hinzugefügten Lüftungsöffnungen 164 und einen Teil des Beugungsgitters 124 umfasst. Der Abschnitt 160a und der Abschnitt 160b können ein Teil des MEMS-Wandlers 102 oder des optischen MEMS-Mikrofons 103 sein, wie hierin zuvor in Bezug auf 1, 2A und 2B beschrieben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Membran 120 verbindende Kontaktlöcher 162, welche die Membran 120 mit den Reflexionselementen 140 verbinden. Zum Beispiel ist die Membran 120 in einigen Ausführungsformen ein leitendes Material, wie beispielsweise Polysilicium. In solchen Ausführungsformen sind die verbindenden Kontaktlöcher 162 Polysilicium-Kontaktlöcher, die sich von der Membranschicht 142 zu den Reflexionselementen 140 erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl von Reflexionselementen 140 enthalten sein. Zum Beispiel können Reflexionselemente 140 für jeden Schlitz zwischen Gitterstrukturen 150 enthalten sein. In einigen Ausführungsformen sind bis zu 100 Schlitze und 100 Reflexionselemente 140 enthalten. In anderen Ausführungsformen sind bis zu 50 Schlitze und 50 Reflexionselemente 140 enthalten. In bestimmten Ausführungsformen sind bis zu 20 Schlitze und 20 Reflexionselemente 140 enthalten. In solchen Ausführungsformen sind die verbindenden Kontaktlöcher 162 in einer Anzahl enthalten, die der Anzahl von Reflexionselementen 140 entspricht.
In alternativen Ausführungsformen können die verbindenden Kontaktlöcher 162 durch andere Strukturen ersetzt sein (nicht dargestellt). Zum Beispiel kann die Membranschicht 142 in Gräben ausgebildet sein, die sich nach unten zum Bereich zwischen den Gitterstrukturen 150 erstrecken. In einer anderen Ausführungsform kann eine separates Material von der Membranschicht 142 von den Reflexionselementen 140 zur Membranschicht 142 ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Membran 120 außerdem Lüftungsöffnungen 164 zwischen den verbindenden Kontaktlöchern 162 umfassen, wie durch den Abschnitt 160b in 3B dargestellt. Wenn die Membran 120 ausgelenkt wird, kann ein eingeschlossenes Volumen 166 über den Gitterstrukturen 150 unter der Membranschicht 142, das von den verbindenden Kontaktlöchern 162 eingeschlossen wird, zu- oder abnehmen. Wenn das eingeschlossene Volumen 166 zu- oder abnimmt, kann ein Dämpfen der Bewegung der Membran 120 stattfinden. In verschiedenen Ausführungsformen stellen die Lüftungsöffnungen 164 in der Membran 120 Fluidtransort in das und aus dem eingeschlossenen Volumen 166 bereit, wie durch den Abschnitt 160b in 3B dargestellt. In solchen Ausführungsformen kann das Dämpfen der Bewegung der Membran 120 durch die Lüftungsöffnungen 164 reduziert sein.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Fertigungsverfahrens 200 für ein beispielhaftes optisches MEMS-Mikrofon, wie beispielsweise hierin zuvor in Bezug auf den MEMS-Wandler 102 oder das optische MEMS-Mikrofon 103 in 1, 2A und 2B beschrieben. 5A, 5B, 5C und 5D veranschaulichen perspektivische Querschnittansichten von Schritten in einem beispielhaften Fertigungsverfahren 200. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Fertigungsverfahren 200 die Schritte 202 bis 220. In verschiedenen solchen Ausführungsformen umfasst Schritt 202 ein Bereitstellen eines Substrats 302, wie durch die Zwischenstruktur 300a in 5A veranschaulicht, welche die Zwischenstruktur nach Abschluss von Schritt 208 darstellt.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 302 ein Halbleitersubstrat. Das Substrat 302 kann in einigen Ausführungsformen zur verbesserten Leitfähigkeit dotiert sein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Substrat 302 Silicium. Insbesondere kann das Substrat 302 monokristallines Silicium sein. In einer alternativen Ausführungsform ist das Substrat 302 Germanium. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist das Substrat 302 Kohlenstoff. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist das Substrat 302 ein Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise Galliumarsenid, Siliciumcarbid, Siliciumgermanium, Indiumphosphid oder Galliumnitrid. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann das Substrat 302 ein anderes halbleitendes oder leitendes Substratmaterial sein, das den Fachleuten bekannt ist. In bestimmten alternativen Ausführungsformen kann das Substrat organische Materialien, wie beispielsweise Glas oder Keramik, umfassen. Das Substrat 302 kann ein Wafer sein.
Nach Schritt 202 umfasst Schritt 204 ein Abscheiden einer ersten Oxidschicht 304. Die Zwischenstruktur 300a von Schritt 208, wie in 5A dargestellt, veranschaulicht die erste Oxidschicht 304. Die erste Oxidschicht 304 kann ein Oxid, Nitrid oder ein Oxynitrid umfassen. Zum Beispiel kann die erste Oxidschicht 304 ein thermisch aufgewachsenes Siliciumoxid, z. B. Siliciumdioxid, oder ein Tetraethylorthosilicat (TEOS)-Oxid sein. Alternativ kann die erste Oxidschicht 304 Siliciumnitrid sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Oxidschicht 304 kann abgeschieden oder aufgewachsen sein. In einigen Ausführungsformen kann die erste Oxidschicht 304 durch Anwenden eines Prozesses zur chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD), eines Prozesses zur physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD), eines Prozesses zur Atomschichtabscheidung (ALD) oder einer Nass- oder Trockenoxidation des Substrats aufgebracht sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die erste Oxidschicht 304 als ein TEOS-Oxid ausgebildet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Oxidschicht 304 als ein Material ausgebildet, das elektrisch isolierend ist, Eigenschaften starker Haftung am Material des Substrats 302 besitzt, geringen Eigenstress aufweist und einen verfügbaren hochselektiven Ätzprozess für das Material des Substrats 302 hat (um als ein Ätzstopp beim Ätzen des Substrats 302 zu dienen).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann nach Schritt 204 und vor Schritt 206 eine Reflexionsbeschichtung oder -schicht abgeschieden und gemustert werden. Zum Beispiel können die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152, wie hierin zuvor in Bezug auf 2A und 2B beschrieben, nach Schritt 204 abgeschieden und gemustert werden. In solchen Ausführungsformen kann jedes der in Bezug auf Schritt 204 beschriebenen Verfahren zum Abscheiden der Reflexionsbeschichtung oder - schicht verwendet werden. Ferner kann die Reflexionsbeschichtung oder - schicht unter Verwendung von photolithographischen Prozessen oder durch Verwenden selektiver Abscheidungstechniken, wie hierin im Folgenden in Bezug auf Schritt 208 beschrieben, gemustert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 206 ein Abscheiden einer Rückplattenschicht 306. Die Zwischenstruktur 300a von Schritt 208, wie in 5A dargestellt, veranschaulicht die Rückplattenschicht 306. Die Rückplattenschicht 306 kann leitendes oder nichtleitendes Material umfassen. In Ausführungsformen, in welchen die Rückplattenschicht 306 ein leitendes Material ist, kann die Rückplattenschicht 306 ein dotiertes oder nicht dotiertes Halbleitermaterial sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die Rückplattenschicht 306 Polysilicium oder monokristallines Silicium. Die Rückplattenschicht 306 kann in situ dotiert oder einem Dotandenimplantationsprozess unterzogen werden.
In weiteren Ausführungsformen, in welchen die Rückplattenschicht 306 ein leitendes Material ist, kann das leitende Material ein metallisches Material sein. Die Rückplattenschicht 306 kann ein reines Metall, eine Legierung oder eine Verbindung umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Rückplattenschicht 306 eines oder mehrere der Elemente, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer und Nickel ausgewählt sind. In spezifischen Ausführungsformen umfasst die Rückplattenschicht 306 reines Aluminium, eine Aluminiumlegierung, eine Aluminiumverbindung, reines Kupfer, eine Kupferlegierung, eine Kupferverbindung, reines Nickel, eine Nickellegierung und eine Nickelverbindung. In einer spezifischen Ausführungsform ist die Rückplattenschicht 306 eine Aluminiumlegierung mit Silicium und Kupfer. In anderen Ausführungsformen kann das leitende Material ein leitendes Polymer umfassen.
In weiteren Ausführungsformen kann die Rückplattenschicht 306 ein nichtleitendes Material, wie beispielsweise ein Oxid, Nitrid oder Oxynitrid, sein. In noch weiteren Ausführungsformen ist die Rückplattenschicht 306 ein nichtleitendes Polymer. Die Rückplattenschicht 306 kann ein Schichtstapel sein, der leitende und nichtleitende Materialien umfasst. In einer solchen Ausführungsform umfasst die Rückplatte 306 einen Stapel aus Siliciumnitrid, Polysilicium und Siliciumnitrid.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Rückplattenschicht 306 auf verschieden Arten und Weisen, wie beispielsweise Sputtern, PVD, CVD oder ALD, aufgebracht werden. Die Rückplattenschicht 306 kann als ein einziger Schritt abgeschieden werden. Wenn die Rückplattenschicht 306 ein metallisches Material ist, dann ist es möglich, dass die Rückplattenschicht 306 durch eine galvanische Abscheidung aufgebracht wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Rückplattenschicht 306 unter Verwendung beliebiger der hierin zuvor in Bezug auf die erste Oxidschicht 304 in Schritt 204 beschriebenen Techniken abgeschieden oder aufgewachsen werden. In bestimmten Ausführungsformen wird die Rückplattenschicht 306 unter Verwendung von CVD aufgebracht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 208 ein Mustern der Rückplattenschicht 306. Die Zwischenstruktur 300a von Schritt 208, wie in 5A dargestellt, veranschaulicht die Rückplattenschicht 306 nach dem Mustern in Schritt 208. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 208 verschiedene Musterungstechniken, wie beispielsweise photolithographische Techniken oder selektive Abscheidung umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst Schritt 208 ein Abscheiden eines Photoresists, Belichten des Photoresists für ein Maskenmuster und Entwickeln des Photoresists. Sobald der Photoresist entwickelt ist, umfasst Schritt 208 ein Ätzen der Rückplattenschicht 306 basierend auf dem gemusterten Photoresist.
Das Ätzen der Rückplattenschicht 306 kann ein nasschemisches Ätzen oder ein trockenchemisches Ätzen umfassen. Wenn die Rückplattenschicht 306 zum Beispiel einen Halbleiter, z. B. Polysilicium, oder einen dotierten Halbleiter, wie beispielsweise dotiertes Polysilicium, umfasst, kann die Rückplattenschicht 306 mit KOH oder sauren Lösungen von HNO₃ und HF geätzt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Plasmaprozess mit durch SF₆ oder CI₂ geliefertem Chlor oder Fluor zum Ätzen der Rückplattenschicht 306 verwendet werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Ätzen der Rückplattenschicht 306 einen Prozess reaktiven lonenätzens (RIE) umfassen. Für einen RIE-Prozess kann eine Ätzmaske auf der Oberseite der Rückplattenschicht 306 mit dem gewünschten Muster gebildet werden. Zum Beispiel kann die Ätzmaske ein Photoresistmaterial, eine Oxidschicht, z. B. Siliciumdioxid, oder eine Nitridschicht sein, das/die als die Ätzmaske gemustert ist. Obwohl die Rückplattenschicht 306 als die Rückplattenschicht bezeichnet wird, kann die Rückplattenschicht 306 Abschnitte umfassen, die von der Rückplatte getrennt und mit der Membran (von der Membranschicht 310) verbunden sind, wie hierin in Bezug auf 4, 5B, 5C und 5D genauer beschrieben wird.
Nach Schritt 208 umfasst Schritt 210 ein Abscheiden einer zweiten Oxidschicht 308. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 210 beliebige der hierin zuvor in Bezug auf das Abscheiden der ersten Oxidschicht 304 in Schritt 204 beschriebenen Abscheidungstechniken und Materialien umfassen. Die Zwischenstruktur 300b von Schritt 216, wie in 5B dargestellt, veranschaulicht die zweite Oxidschicht 308. In bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Oxidschicht 308 ein TEOS-Oxid.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 212 ein Mustern der zweiten Oxidschicht 308. In solchen Ausführungsformen umfasst das Mustern der zweiten Oxidschicht 308 ein Bilden von Kontaktlöchern 312 in der zweiten Oxidschicht 308 über Abschnitten der Rückplattenschicht 306. Die Zwischenstruktur 300b von Schritt 216, wie in 5B dargestellt, veranschaulicht die in der zweiten Oxidschicht 308 ausgebildeten Kontaktlöcher 312. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 212 beliebige der hierin zuvor in Bezug auf das Mustern der Rückplattenschicht 306 in Schritt 208 beschriebenen Ätz- und Musterungstechniken umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 214 ein Abscheiden der Membranschicht 310. Die Zwischenstruktur 300b von Schritt 216, wie in 5B dargestellt, veranschaulicht die auf die zweite Oxidschicht 308 abgeschiedene Membranschicht 310. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 214 beliebige der hierin zuvor in Bezug auf das Abscheiden der Rückplattenschicht 306 in Schritt 206 beschriebenen Abscheidungstechniken und Materialien umfassen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Membranschicht 310 Polysilicium. In alternativen Ausführungsformen kann Schritt 214 ein Abscheiden eines ersten Materials, beispielsweise zum Füllen der Kontaktlöcher 312, und eines zweiten, verschiedenen Materials als Membranschicht 310 umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 214 ein Abscheiden einer konformen Schicht auf die zweite Oxidschicht 308 und in die Kontaktlöcher 312. In bestimmten Ausführungsformen umfasst Schritt 214 ein Verwenden von CVD zum Abscheiden einer konformen Polysiliciumschicht. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 214 ein Abscheiden einer nichtkonformen Schicht auf die zweite Oxidschicht 308, welche die Kontaktlöcher 312 füllt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 216 ein Mustern der Membranschicht 310. Die Zwischenstruktur 300b von Schritt 216, wie in 5B dargestellt, veranschaulicht die Membranschicht 310 nach dem Mustern in Schritt 216. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Membranschicht 310 geätzt, um sie über der Rückplattenschicht 306 auszubilden. Schritt 216 kann außerdem ein Bilden von Öffnungen in der Membranschicht 310 zwischen den Kontaktlöchern 312 umfassen, um Lüftungsöffnungen, wie beispielsweise die hierin zuvor in Bezug auf 3B beschriebenen Lüftungsöffnungen 164, zu bilden. In verschiedenen Ausführungsformen kann Schritt 216 beliebige der hierin zuvor in Bezug auf das Mustern der Rückplattenschicht 306 in Schritt 208 beschriebenen Ätz- und Musterungstechniken umfassen.
Nach Schritt 216 können zusätzliche Schritte (nicht dargestellt) zum Abscheiden und Mustern einer oder mehrerer Kontaktschichten enthalten sein. Die Kontaktschicht ist eine leitende Schicht zum Bilden von Kontaktleitungen und Kontaktstellen. In solchen Ausführungsformen kann das Bilden der Kontaktschicht ein Aufbringen der Kontaktschicht durch Sputtern, PVD, CVD, ALD, oder galvanische Abscheidung umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Kontaktschicht eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Nickel, Kupfer, Gold, Platin und Titan umfassen. Ferner können die eine oder die mehreren Kontaktschichten gemustert werden, um Kontaktstellen und Kontaktleitungen zu bilden. In anderen Ausführungsformen können die Kontaktstellen und Verwendung eines Silicids gebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst Schritt 218 ein Durchführen von Rückseitenätzen des Substrats 302 durch Ätzen von der Rückfläche oder Rückseite des Substrats 302. Die Zwischenstruktur 300c von Schritt 218, wie in 5C dargestellt, veranschaulicht einen Hohlraum 314 im Substrat 302 nach dem Ätzen in Schritt 218. In solchen Ausführungsformen wird das Substrat 302 in Schritt 218 mit einem gerichteten Ätzen geätzt. Zum Beispiel wird das Substrat 302 mit einem Ätzen mittels Bosch-Prozess geätzt. Dieses Rückseitenätzen wird derart angewendet, dass das Substrat 302 unter der Rückplattenschicht 306 und der Membranschicht 310 entfernt wird. In spezifischen Ausführungsformen wird das Rückseitenätzen durch die erste Oxidschicht 304 gestoppt.
In alternativen Ausführungsformen wird die Rückseite des Substrats 302 mit einem Nassätzen zum Beispiel unter Verwendung von KOH geätzt. In einer anderen Ausführungsform wird die Rückseite des Substrats 302 mit einer Kombination von Trockenätzen und anschließendem Nassätzen mit einer höheren Selektivität des Substrats 302, beispielsweise einer höheren Siliciumselektivität, zum Beispiel gegenüber der Ätzrate der ersten Oxidschicht 304, geätzt.
Nach Schritt 218 umfasst Schritt 220 ein Durchführen eines Trennätzens durch Entfernen der ersten Oxidschicht 304 unterhalb der Rückplattenschicht 306 und der zweiten Oxidschicht 308 zwischen der Rückplattenschicht 306 und der Membranschicht 310. Die Zwischenstruktur 300d von Schritt 220, wie in 5D dargestellt, veranschaulicht die Membranschicht 310 und die Rückplattenschicht 306 nach dem Ätzen in Schritt 220. In solchen Ausführungsformen werden die erste Oxidschicht 304 unterhalb der Rückplattenschicht 306 und die zweite Oxidschicht 308 zwischen der Rückplattenschicht 306 und der Membranschicht 310 mit einem Nassätzen oder einem Trockenätzen entfernt. Zum Beispiel werden die erste Oxidschicht 304 und die zweite Oxidschicht 308 durch Anwenden einer HF-basierten Lösung oder eines HF-basierten Dampfes geätzt. Die erste Oxidschicht 304 und die zweite Oxidschicht 308 können unter Verwendung beliebiger der hierin zuvor in Bezug auf das Mustern der Rückplattenschicht 306 in Schritt 208 beschriebenen Ätztechniken entfernt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membranschicht 310 nach Abschluss von Schritt 220 getrennt und frei beweglich. Ferner sind die Reflexionselemente 316, welche Abschnitte der Rückplattenschicht 306 sind, an der Membranschicht 310 befestigt und bewegen sich mit der Membranschicht 310. In solchen Ausführungsformen sind die Reflexionselemente 316 nach dem Trennätzen von Schritt 220 in der gleichen Ebene wie die Rückplattenschicht 306 angeordnet, wenn die Membranschicht 310 in der Ruheposition (nicht durchgebogen) ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Reflexionsschicht oder -beschichtung auf die Unterseite der Rückplattenschicht 306 und der Reflexionselemente 316 aufgetragen werden. Die Reflexionsschicht kann beliebige der hierin zuvor in Bezug auf die Reflexionsbeschichtung 148 und die Reflexionsbeschichtung 152 in 2A und 2B beschriebenen Materialien umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Reflexionsschicht zwischen Schritt 204 und Schritt 206 (wie hierin zuvor beschrieben) oder nach Schritt 220 gebildet werden.
Es können verschiedene zusätzliche Schritte oder Modifikationen in das Fertigungsverfahren 200 einbezogen werden, wie für Fachleute leicht zu erkennen ist. In verschiedenen Ausführungsformen können in Abhängigkeit von Anwendungen verschiedene zusätzliche Materialien und Fertigungstechniken, die den Fachleuten bekannt sind, auf die verschiedenen Schritte des Fertigungsverfahrens 200 angewendet werden. Solche Modifikationen sind für verschiedene Ausführungsformen vorgesehen.
6A und 6B veranschaulichen schematische Draufsichten von beispielhaften MEMS-Strukturen von oben. Konkret veranschaulicht die MEMS-Struktur 320a die Rückplattenschicht 306 nach dem Mustern in Schritt 208, und die MEMS-Struktur 320b veranschaulicht die Membranschicht 310 nach dem Mustern in Schritt 216, wie hierin zuvor in Bezug auf 4, 5A, 5B, 5C und 5D beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Rückplattenschicht 306 so gemustert, dass es ein Beugungsgitter 322 umfasst, das durch einen Tragbalken 324 getragen wird, ähnlich wie hierin zuvor in Bezug auf das Beugungsgitter 124 und den Strukturträger 122 in 2A und 2B beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann die Rückplattenschicht 306 das Beugungsgitter 322 so umfassen, dass es durch eine perforierte Trägerplatte (nicht dargestellt) getragen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Membranschicht 310 über der Rückplattenschicht 306 ausgebildet, wie hierin zuvor in Bezug auf 4, 5A, 5B, 5C und 5D beschrieben. Ferner kann die Membranschicht 310 eine Erweiterungsregion 326 umfassen, welche Kontaktlöcher umfasst, die sich in Schlitze im Beugungsgitter 322 erstrecken, wie zum Beispiel hierin zuvor in Bezug auf die Kontaktlöcher 312 und die Reflexionselemente 316 in 4, 5A, 5B, 5C und 5D beschrieben. Wie dargestellt, ist die Erweiterungsregion 326 über dem Beugungsgitter 322 ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein optischer MEMS-Wandler eine Beugungsstruktur, welche abwechselnde erste Reflexionselemente und Öffnungen umfasst, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, eine Reflexionsstruktur, welche zweite Reflexionselemente umfasst und so ausgelegt ist, dass sie in Bezug auf die Beugungsstruktur ausgelenkt wird, und ein optisches Element, das so ausgelegt ist, dass es ein erstes optisches Signal auf die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur richtet und ein zweites optisches Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt. Die zweiten Reflexionselemente sind in der ersten Ebene angeordnet, wenn die Reflexionsstruktur im Ruhezustand ist. Andere Ausführungsformen umfassen entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils zum Durchführen verschiedener beispielhafter Verfahren ausgelegt sind.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Beugungsstruktur ferner eine belüftete Tragstruktur, die an einem Anker befestigt ist, und ein Beugungsgitter, das durch die belüftete Tragstruktur getragen wird. In solchen Ausführungsformen umfasst das Beugungsgitter die ersten Reflexionselemente und die Öffnungen. Die Reflexionsstruktur kann ferner eine auslenkbare Membranschicht sein, die von der Beugungsstruktur versetzt ist, und eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen umfassen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, wobei sich jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen zu einer Öffnung der Beugungsstruktur erstreckt, und jedes der zweiten Reflexionselemente an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb einer Öffnung der Beugungsstruktur befestigt ist. In einigen Ausführungsformen sind die auslenkbare Membranschicht und die Vielzahl von Erweiterungsstrukturen aus einer gleichen gefertigten Schicht gebildet, die in einem einzigen Fertigungsschritt angeordnet ist. In weiteren Ausführungsformen umfasst die auslenkbare Membranschicht ferner eine Vielzahl von Öffnungen, wobei jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen zwischen zwei Erweiterungsstrukturen der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen angeordnet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der optische MEMS-Wandler ferner einen Laser, der so ausgelegt ist, dass er ein erstes optisches Signal an die Beugungsstruktur sendet, und eine Photodiode, die so ausgelegt ist, dass sie ein zweites optisches Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt. In einigen Ausführungsformen umfasst der optische MEMS-Wandler ferner ein Substrat, das einen Hohlraum umfasst, der sich von einer Oberseite des Substrats zu einer Unterseite des Substrats vollständig durch das Substrat erstreckt, wobei die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur auf der Oberseite des Substrats über dem Hohlraum angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der optische MEMS-Wandler eine starre Rückplatte, die ein Beugungsgitter umfasst, das in einer ersten Ebene angeordnet ist, eine auslenkbare Membran, die eine Reflexionsfläche umfasst, ein Leuchtelement, das zum Senden eines ersten optischen Signals an das Beugungsgitter ausgelegt ist, und einen optischen Detektor, der zum Detektieren eines zweiten optischen Signals von dem Beugungsgitter und der Reflexionsfläche ausgelegt ist. Die Reflexionsfläche ist in der ersten Ebene angeordnet. Andere Ausführungsformen umfassen entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils zum Durchführen verschiedener beispielhafter Verfahren ausgelegt sind.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die starre Rückplatte ferner eine belüftete Tragstruktur, die sich vom Beugungsgitter zu einem Anker erstreckt. In einigen Ausführungsformen umfasst die belüftete Tragstruktur eine perforierte Platte, die eine Vielzahl von Perforationen umfasst. Die belüftete Tragstruktur kann eine Vielzahl von Tragbalken umfassen, die sich in einigen Ausführungsformen vom Beugungsgitter radial zum Anker erstrecken.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die auslenkbare Membran eine auslenkbare Membranschicht, die von der starren Rückplatte versetzt ist, eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, und eine Vielzahl von Reflexionselementen, die zusammen die Reflexionsfläche umfassen. In solchen Ausführungsformen erstreckt sich jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen zu einer Öffnung im Beugungsgitter, und jedes Reflexionselement der Vielzahl von Reflexionselementen ist an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb einer Öffnung im Beugungsgitter befestigt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Reflexionselementen eine erste Bauelementschicht, die an jeder Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen befestigt ist, und die erste Bauelementschicht umfasst eine gleiche Schicht, die in einem gleichen Fertigungsschritt wie die starre Rückplatte angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein optisches MEMS-Mikrofon eine Rückplatte und eine Membran. Die Rückplatte umfasst eine belüftete Tragstruktur, die an einem Anker befestigt ist, und ein Beugungsgitter, das durch die belüftete Tragstruktur getragen wird, wobei das Beugungsgitter eine Vielzahl von Beugungsschlitzen umfasst. Die Membran umfasst eine auslenkbare Membranschicht, die von der Rückplatte versetzt ist, eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, und eine Vielzahl von Reflexionselementen. In solchen Ausführungsformen erstreckt sich jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen zu einem Beugungsschlitz der Vielzahl von Beugungsschlitzen, und jedes Reflexionselement der Vielzahl von Reflexionselementen ist an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb eines Beugungsschlitzes der Vielzahl von Beugungsschlitzen befestigt. Andere Ausführungsformen umfassen entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils zum Durchführen verschiedener beispielhafter Verfahren ausgelegt sind.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das optische MEMS-Mikrofon ferner einen Laser, der so ausgelegt ist, dass er ein erstes optisches Signal an das Beugungsgitter sendet, und eine Photodiode, die so ausgelegt ist, dass sie ein zweites optisches Signal von dem Beugungsgitter und den Reflexionselementen empfängt. In einigen Ausführungsformen umfasst die belüftete Tragstruktur eine Vielzahl von Tragbalken, die sich vom Beugungsgitter radial zum Anker erstrecken. Die auslenkbare Membranschicht und die Vielzahl von Erweiterungsstrukturen sind aus einer gleichen gefertigten Schicht gebildet, die in weiteren Ausführungsformen in einem gleichen Abscheidungsschritt gebildet ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Vielzahl von Reflexionselementen, die belüftete Tragstruktur und das Beugungsgitter eine erste gefertigte Schicht, die in einem gleichen Abscheidungsschritt gebildet ist. In solchen Ausführungsformen können die Vielzahl von Reflexionselementen und das Beugungsgitter ferner eine Reflexionsbeschichtung auf einer Unterseite der ersten gefertigten Schicht umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Fertigung eines optischen MEMS-Wandlers ein Bilden auf einem Substrat einer Rückplatte, die ein Beugungsgitter umfasst, Bilden einer Vielzahl von Reflexionselementen in Öffnungen im Beugungsgitter, Bilden eines Strukturmaterials auf der Rückplatte, derartiges Mustern des Strukturmaterials, dass es eine Vielzahl von Kontaktlöchern umfasst, die sich zur Vielzahl von Reflexionselementen erstrecken, Bilden einer Membran auf dem Strukturmaterial, Entfernen eines Rückseitenabschnitts des Substrats und Entfernen eines Abschnitts des Strukturmaterials zwischen der Rückplatte und der Membran. Die Membran wird über der Rückenplatte gebildet und an der Vielzahl von Reflexionselementen befestigt, und der Rückseitenabschnitt erstreckt sich von einer Unterseite des Substrats zu einer Oberseite des Substrats unterhalb der Rückplatte. Andere Ausführungsformen umfassen entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils zum Durchführen verschiedener beispielhafter Verfahren ausgelegt sind.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Bilden der Rückplatte ein Abscheiden einer Rückplattenschicht und Mustern der Rückplattenschicht, um eine belüftete Tragstruktur und das Beugungsgitter zu bilden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Bilden der Membran ein Abscheiden einer Membranschicht auf dem Strukturmaterial und in der Vielzahl von Kontaktlöchern und Mustern der Membranschicht. Das Verfahren umfasst ferner Bilden einer Vielzahl von Öffnungen in der Membran, wobei jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen zwischen Kontaktlöchern der Vielzahl von Kontaktlöchern ist. In weiteren Ausführungsformen umfasst das Entfernen des Rückseitenabschnitts des Substrats Ätzungen unter Verwendung eines Bosch-Prozesses. In zusätzlichen Ausführungsformen werden die Vielzahl von Reflexionselementen und die Rückplatte aus einer ersten gefertigten Schicht gebildet, die in einem gleichen Abscheidungsschritt gebildet wird.
Vorteile der vorliegenden Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, können optische MEMS-Wandler mit verbesserter Leistungsfähigkeit aufgrund des Implementierens von Strukturen umfassen, welche Mehrfachreflexionen für den optischen Signalpfad von der optischen Quelle zum optischen Detektor eliminieren. Vorteilhafterweise umfassen einige Ausführungsformen optische MEMS-Wandler mit einer Reflexionsfläche einer starren Struktur und eine Reflexionsfläche einer auslenkbaren Struktur, die in einer gleichen Ebene ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen umfassen Vorteile einen reduzierten Verarbeitungsaufwand bei der Fertigung aufgrund des Bildens von Reflexionsflächen einer Rückplatte und einer Membran in der gleichen Ebene, was im Gegensatz zum Bilden von Reflexionsflächen einer Rückplatte und einer Membran in verschiedenen Ebenen, was mehrere Reflexionsschichten oder Reflexionsschichtstapel erfordert, nur eine einzige Reflexionsschicht oder einen einzigen Reflexionsschichtstapel erfordert.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Für Fachleute sind unter Bezugnahme auf die Beschreibung verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen sowie anderer Ausführungsformen der Erfindung zu erkennen. Es ist daher vorgesehen, dass die angehängten Ansprüche alle solche Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Optischer MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Wandler, umfassend: eine Beugungsstruktur (124), welche abwechselnde erste Reflexionselemente (152) und Öffnungen umfasst, die in einer ersten Ebene angeordnet sind; eine Reflexionsstruktur (120), welche zweite Reflexionselemente (140) umfasst und so ausgelegt ist, in Bezug auf die Beugungsstruktur ausgelenkt zu werden, wobei die zweiten Reflexionselemente in der ersten Ebene angeordnet sind, wenn die Reflexionsstruktur im Ruhezustand ist; und ein optisches Element (126, 128), das so ausgelegt ist, dass es ein erstes optisches Signal auf die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur richtet und ein zweites optisches Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Beugungsstruktur ferner umfasst: eine belüftete Tragstruktur, die an einem Anker befestigt ist; und ein Beugungsgitter, das durch die belüftete Tragstruktur getragen wird, wobei das Beugungsgitter die ersten Reflexionselemente und die Öffnungen umfasst.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Reflexionsstruktur ferner umfasst: eine auslenkbare Membranschicht, die von der Beugungsstruktur versetzt ist; und eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, wobei jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen sich zu einer Öffnung der Beugungsstruktur erstreckt, und jedes der zweiten Reflexionselemente an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb einer Öffnung der Beugungsstruktur befestigt ist.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 3, wobei die auslenkbare Membranschicht und die Vielzahl von Erweiterungsstrukturen aus derselben Schicht gebildet sind, die in einem einzigen Fertigungsschritt angeordnet wird.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 3 oder 4, wobei die auslenkbare Membranschicht ferner eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, wobei jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen zwischen zwei Erweiterungsstrukturen der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen angeordnet ist.
Optischer MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: einen Laser, der so ausgelegt ist, dass er das erste optische Signal an die Beugungsstruktur sendet; und eine Photodiode, die so ausgelegt ist, dass sie das zweite optische Signal von der Beugungsstruktur und der Reflexionsstruktur empfängt.
Optischer MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend ein Substrat, das einen Hohlraum umfasst, der sich von einer Oberseite des Substrats zu einer Unterseite des Substrats vollständig durch das Substrat erstreckt, wobei die Beugungsstruktur und die Reflexionsstruktur auf der Oberseite des Substrats über dem Hohlraum angeordnet sind.
Optischer MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Wandler, umfassend: eine starre Rückplatte (116), die ein Beugungsgitter (124) umfasst, das in einer ersten Ebene angeordnet ist; eine auslenkbare Membran (120), die eine Reflexionsfläche (140) umfasst, wobei die Reflexionsfläche in der ersten Ebene angeordnet ist; ein Leuchtelement (126), das zum Senden eines ersten optischen Signals an das Beugungsgitter ausgelegt ist; und einen optischen Detektor (128), der zum Detektieren eines zweiten optischen Signals von dem Beugungsgitter und der Reflexionsfläche ausgelegt ist.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 8, wobei die starre Rückplatte ferner eine belüftete Tragstruktur umfasst, die sich vom Beugungsgitter zu einem Anker erstreckt.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 9, wobei die belüftete Tragstruktur eine perforierte Platte umfasst, die eine Vielzahl von Perforationen umfasst.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 9 oder 10, wobei die belüftete Tragstruktur eine Vielzahl von Tragbalken umfasst, die sich vom Beugungsgitter radial zum Anker erstrecken.
Optischer MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die auslenkbare Membran umfasst: eine auslenkbare Membranschicht, die von der starren Rückplatte versetzt ist; eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, wobei sich jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen zu einer Öffnung im Beugungsgitter erstreckt; und eine Vielzahl von Reflexionselementen, die zusammen die Reflexionsfläche umfassen, wobei jedes Reflexionselement der Vielzahl von Reflexionselementen an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb einer Öffnung im Beugungsgitter befestigt ist.
Optischer MEMS-Wandler nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Reflexionselementen eine erste Bauelementschicht umfasst, die an jeder Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen befestigt ist, und die erste Bauelementschicht eine Schicht umfasst, die im gleichen Fertigungsschritt wie die starre Rückplatte angeordnet wird.
Optisches MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Mikrofon, umfassend: eine Rückplatte (116), umfassend: eine belüftete Tragstruktur (122), die an einem Anker befestigt ist, und ein Beugungsgitter (124), das durch die belüftete Tragstruktur getragen wird, wobei das Beugungsgitter eine Vielzahl von Beugungsschlitzen umfasst; und eine Membran (120), umfassend: eine auslenkbare Membranschicht (142), die von der Rückplatte versetzt ist, eine Vielzahl von Erweiterungsstrukturen, die an der auslenkbaren Membranschicht befestigt sind, wobei sich jede Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen zu einem Beugungsschlitz der Vielzahl von Beugungsschlitzen erstreckt, und eine Vielzahl von Reflexionselementen (140), wobei jedes Reflexionselement der Vielzahl von Reflexionselementen an einer Erweiterungsstruktur der Vielzahl von Erweiterungsstrukturen innerhalb eines Beugungsschlitzes der Vielzahl von Beugungsschlitzen befestigt ist.
Optisches MEMS-Mikrofon nach Anspruch 14, ferner umfassend: einen Laser, der so ausgelegt ist, dass er ein erstes optisches Signal an das Beugungsgitter sendet; und eine Photodiode, die so ausgelegt ist, dass sie ein zweites optisches Signal von dem Beugungsgitter und den Reflexionselementen empfängt.
Optisches MEMS-Mikrofon nach Anspruch 14 oder 15, wobei die belüftete Tragstruktur eine Vielzahl von Tragbalken umfasst, die sich vom Beugungsgitter radial zum Anker erstrecken.
Optisches MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die auslenkbare Membranschicht und die Vielzahl von Erweiterungsstrukturen aus derselben Schicht gebildet sind, die in einem gleichen Abscheidungsschritt gebildet wird.
Optisches MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Vielzahl von Reflexionselementen, die belüftete Tragstruktur und das Beugungsgitter dieselbe Schicht umfassen, die im gleichen Abscheidungsschritt gebildet wird.
Optisches MEMS-Mikrofon nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Reflexionselementen und das Beugungsgitter ferner eine Reflexionsbeschichtung auf einer Unterseite der ersten gefertigten Schicht umfassen.
Verfahren zur Fertigung eines optischen MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Wandlers, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Rückplatte (116), die ein Beugungsgitter (124) umfasst, auf einem Substrat (112); Bilden einer Vielzahl von Reflexionselementen (140) in Öffnungen im Beugungsgitter; Bilden eines Strukturmaterials auf der Rückplatte; derartiges Mustern des Strukturmaterials, dass es eine Vielzahl von Kontaktlöchern umfasst, die sich zur Vielzahl von Reflexionselementen erstrecken; Bilden einer Membran (120) auf dem Strukturmaterial, wobei die Membran über der Rückplatte gebildet und an der Vielzahl von Reflexionselementen befestigt wird; Entfernen eines Rückseitenabschnitts des Substrats, wobei sich der Rückseitenabschnitt von einer Unterseite des Substrats zu einer Oberseite des Substrats unterhalb der Rückplatte erstreckt; und Entfernen eines Abschnitts des Strukturmaterials zwischen der Rückplatte und der Membran.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bilden der Rückplatte umfasst: Abscheiden einer Rückplattenschicht; und Mustern der Rückplattenschicht, um eine belüftete Tragstruktur und das Beugungsgitter zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei das Bilden der Membran umfasst: Abscheiden einer Membranschicht auf dem Strukturmaterial und in der Vielzahl von Kontaktlöchern; und Mustern der Membranschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, ferner umfassend Bilden einer Vielzahl von Öffnungen in der Membran, wobei jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen zwischen Kontaktlöchern der Vielzahl von Kontaktlöchern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Entfernen des Rückseitenabschnitts des Substrats Ätzungen unter Verwendung eines Bosch-Prozesses umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Vielzahl von Reflexionselementen und die Rückplatte aus einer ersten Schicht gebildet werden, die im gleichen Abscheidungsschritt gebildet wird.