DE102018201965A1 - Micromechanical mirror device, mirror system and method for producing a micromechanical mirror device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Spiegelvorrichtung, ein Spiegelsystem und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung. Die Spiegelvorrichtung ist ausgebildet mit: einem ersten Spiegelelement (10), welches plan ausgebildet ist;
einem zweiten Spiegelelement (20), welches plan ausgebildet ist;
wobei das erste und das zweite Spiegelelement (10, 20) im Wesentlichen planparallel angeordnet sind;
wobei ein Zwischenraum (40) zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement (10, 20) einen geringeren Brechungsindex aufweist als das erste und/oder das zweite Spiegelelement (10, 20);
wobei das erste und das zweite Spiegelelement (10, 20) lokal voneinander durch mindestens eine Stützstruktur (130) beabstandet angeordnet sind; und
wobei die mindestens eine Stützstruktur (130) in einer axialen Richtung (A),
welche senkrecht zu dem ersten und dem zweiten Spiegelelement (10, 20) angeordnet ist, das erste und das zweite Spiegelelement (10, 20) überlappt; und
wobei die mindestens eine Stützstruktur (130) ein Material aufweist, oder aus einem Material ausgebildet ist, welches sich von einem Material unterscheidet,
aus welchem das erste und/oder das zweite Spiegelelement (10, 20) ausgebildet ist.
The invention provides a micromechanical mirror device, a mirror system and a method for producing a micromechanical mirror device. The mirror device is formed with: a first mirror element (10) which is planar;
a second mirror element (20) which is planar;
wherein the first and the second mirror element (10, 20) are arranged substantially plane-parallel;
wherein a gap (40) between the first and the second mirror element (10, 20) has a lower refractive index than the first and / or the second mirror element (10, 20);
wherein the first and second mirror elements (10, 20) are locally spaced from each other by at least one support structure (130); and
wherein the at least one support structure (130) is in an axial direction (A),
which is arranged perpendicular to the first and the second mirror element (10, 20), the first and the second mirror element (10, 20) overlaps; and
wherein the at least one support structure (130) comprises a material or is formed from a material which differs from a material,
from which the first and / or the second mirror element (10, 20) is formed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Spiegelvorrichtung, ein Spiegelsystem und ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung. Des Weiteren wird ein Interferometer nach dem Fabry-Perot-Prinzip bereitgestellt, welches die erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Spiegelsystem verwendet.The present invention relates to a micromechanical mirror device, a mirror system and a method for producing a micromechanical mirror device. Furthermore, an interferometer according to the Fabry-Perot principle is provided which uses the mirror device according to the invention and / or the mirror system according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Durchstimmbare spektrale Filter mit der Möglichkeit der Miniaturisierung lassen sich mittels MEMS-Technologie, beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer (FPI) realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Kavität, bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegelvorrichtungen mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge lässt sich beispielsweise mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung verändern, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht. Ein wichtiger Einflussfaktor auf eine Performance eines solchen Spektrometers ist die Parallelität der beiden Spiegelvorrichtungen, welche möglichst hoch sein sollte, damit zwischen den beiden Spiegelvorrichtungen eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse entsteht.Tunable spectral filters with the possibility of miniaturization can be implemented using MEMS technology, for example as a Fabry-Perot interferometer (FPI). It is exploited that a cavity consisting of two plane-parallel, highly reflective mirror devices with a distance (cavity length) in the range of optical wavelengths shows a strong transmission only for wavelengths in which the cavity length corresponds to an integer multiple of half the wavelength. The cavity length can be changed, for example, by means of electrostatic or piezoelectric actuation, resulting in a spectrally tunable filter element. An important influencing factor on a performance of such a spectrometer is the parallelism of the two mirror devices, which should be as high as possible so that a defined cavity with the highest possible finesse arises between the two mirror devices.
Um ein Fabry-Perot-Interferometer zu realisieren, das einen möglichst großen Wellenlängenbereich adressieren kann, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Ein grundlegendes Kriterium ist, dass die beiden Spiegelelemente des Interferometers über den gesamten zu messenden Wellenlängenbereich hochreflektiv sind. Eine oft genutzte Ausführung von Spiegelvorrichtungen in miniaturisierten Interferometern sind dielektrische Schichtsysteme aus alternierenden Schichten von hoch- und niedrigbrechenden Materialien, insbesondere Bragg-Reflektoren (Englisch „distributed bragg reflectors“, DBR), bei denen eine optische Dicke dieser Schichten idealerweise jeweils ein Viertel der Zentralwellenlänge des zu adressierenden Bereichs ist.In order to realize a Fabry-Perot interferometer that can address the widest possible wavelength range, several conditions must be met. A fundamental criterion is that the two mirror elements of the interferometer are highly reflective over the entire wavelength range to be measured. One frequently used design of mirror devices in miniaturized interferometers are dielectric layer systems comprising alternating layers of high and low refractive index materials, in particular Bragg reflectors (DBR), in which an optical thickness of these layers is ideally one quarter of the central wavelength of the area to be addressed.
Eine maximale Reflektivität der Spiegelschichten wird durch einen möglichst hohen Brechungsindexsprung der DBR-Spiegelschichten erreicht. Sehr hohe Brechungsindexsprünge lassen sich beispielsweise mit Silizium-Luft-Multilagenspiegelstapeln erreichen. Um dabei eine gegenseitige Parallelität von Spiegelschichten innerhalb einer Spiegelvorrichtung zu gewährleisten, sind Stützstrukturen hilfreich, die den Abstand der umgebenden hochbrechenden Schichten, welche hierin als Spiegelelemente bezeichnet werden, konstant halten.A maximum reflectivity of the mirror layers is achieved by the highest possible refractive index jump of the DBR mirror layers. Very high refractive index jumps can be achieved, for example, with silicon-air multilayer mirror stacks. In order to ensure mutual parallelism of mirror layers within a mirror device, support structures that keep the distance between the surrounding high-index layers, which are referred to herein as mirror elements, constant.
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Spiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Spiegelsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9.The present invention discloses a mirror device having the features of claim 1, a mirror system having the features of claim 8 and a method according to claim 9.
Demgemäß ist vorgesehen: eine mikromechanische Spiegelvorrichtung, mit: einem ersten Spiegelelement, welches plan ausgebildet ist; einem zweiten Spiegelelement, welches plan ausgebildet ist; wobei das erste und das zweite Spiegelelement im Wesentlichen planparallel angeordnet sind; wobei ein Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement einen geringeren Brechungsindex aufweist als das erste und/oder das zweite Spiegelelement; wobei das erste und das zweite Spiegelelement lokal voneinander durch mindestens eine Stützstruktur beabstandet angeordnet sind; wobei die mindestens eine Stützstruktur in einer axialen Richtung, welche senkrecht zu dem ersten und dem zweiten Spiegelelement angeordnet ist, das erste und das zweite Spiegelelement überlappt; und wobei die mindestens eine Stützstruktur ein Material aufweist, oder aus einem Material ausgebildet ist, welches sich von einem Material unterscheidet, aus welchem das erste und/oder das zweite Spiegelelement ausgebildet ist.Accordingly, there is provided a micromechanical mirror device, comprising: a first mirror element which is planar; a second mirror element which is planar; wherein the first and the second mirror element are arranged substantially plane-parallel; wherein a gap between the first and the second mirror element has a lower refractive index than the first and / or the second mirror element; wherein the first and second mirror elements are locally spaced from each other by at least one support structure; wherein the at least one support structure in an axial direction, which is arranged perpendicular to the first and the second mirror element, overlaps the first and the second mirror element; and wherein the at least one support structure comprises a material, or is formed from a material which differs from a material from which the first and / or the second mirror element is formed.
Unter einer Spiegelvorrichtung ist insbesondere eine Vorrichtung zu verstehen, welche in einem Fabry-Perot-Interferometer einen Lichtstrahl reflektiert.A mirror device is understood in particular to mean a device which reflects a light beam in a Fabry-Perot interferometer.
Weiterhin ist ein Spiegelsystem vorgesehen, welches mindestens eine erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung aufweist, sowie eine Kontaktierungsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, an zumindest zwei voneinander elektrisch isolierte Teilabschnitte des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements der mindestens einen Spiegelvorrichtung unterschiedliche elektrische Potentiale anzulegen.Furthermore, a mirror system is provided, which has at least one mirror device according to the invention, and a contacting device which is designed to apply different electrical potentials to at least two mutually electrically insulated subsections of the first and / or the second mirror element of the at least one mirror device.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung bereitgestellt, mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Schichtstapels mit:
- - einer dielektrischen Schicht;
- - einer an der dielektrischen Schicht angeordneten ersten lichtbrechenden Schicht;
- - einer an der ersten lichtbrechenden Schicht angeordneten Opferschicht;
- - einer an der Opferschicht angeordneten zweiten lichtbrechenden Schicht;
- Entfernen jeweils eines Teils der ersten lichtbrechenden Schicht, der zweiten Opferschicht und der zweiten lichtbrechenden Schicht, sodass eine zusammenhängende Ausnehmung in dem Schichtstapel derart entsteht, dass die Ausnehmung die erste und die zweite lichtbrechende Schicht in einer axialen Richtung, welche senkrecht zu der ersten und der zweiten lichtbrechenden Schicht angeordnet ist, überlappt;
- Abscheiden einer Füllschicht auf eine Seite des Schichtstapels, zu welcher sich die Ausnehmung öffnet;
- wobei die Füllschicht aus einem Material besteht, welches sich von dem Material der ersten und/oder der zweiten lichtbrechenden Schicht unterscheidet; Entfernen eines Teils der Füllschicht, welcher außerhalb einer ursprünglichen Außenschicht des Schichtstapels liegt; und
- Entfernen der dielektrischen Schicht und der Opferschicht zum Bereitstellen, insbesondere Freistellen, der ersten und der zweiten lichtbrechenden Schicht als zueinander planparallele Spiegelelemente.
- Providing a layer stack with:
- a dielectric layer;
- a first refractive layer disposed on the dielectric layer;
- a sacrificial layer disposed on the first refractive layer;
- a second refractive layer disposed on the sacrificial layer;
- Removing each of a portion of the first refractive layer, the second sacrificial layer and the second refractive layer, so that a contiguous recess in the layer stack is formed such that the recess, the first and the second refractive layer in an axial direction which is perpendicular to the first and second refractive layer is arranged overlaps;
- Depositing a filling layer on one side of the layer stack to which the recess opens;
- wherein the filling layer is made of a material different from the material of the first and / or the second refractive layer; Removing a portion of the fill layer which is outside of an original outer layer of the layer stack; and
- Removing the dielectric layer and the sacrificial layer to provide, in particular, exposing, the first and the second refractive layer as mutually plane-parallel mirror elements.
Die Opferschicht ist ebenfalls als dielektrische Schicht bezeichenbar und kann beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen.The sacrificial layer is also denominatable as a dielectric layer and may for example consist of silicon dioxide.
Besonders bevorzugt entspricht ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement einem Viertel einer Zentralwellenlänge, für welche die Spiegelvorrichtung als optischer Filter dienen soll.Particularly preferably, a distance between the first and the second mirror element corresponds to a quarter of a central wavelength, for which the mirror device is to serve as an optical filter.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die mindestens eine Stützstruktur kann aus einem oder mehreren separaten Stützelementen bestehen, oder ein oder mehrere separate Stützelemente aufweisen. Dadurch, dass die mindestens eine Stützstruktur in der axialen Richtung sowohl das erste als auch das zweite Spiegelelement überlappt, wird eine mechanisch besonders gute Verbindung realisiert, wobei die mindestens eine Stützstruktur gleichzeitig eine Verformung der Spiegelelemente unter Belastung verringert.The at least one support structure may consist of one or more separate support elements, or have one or more separate support elements. Because the at least one support structure overlaps both the first and the second mirror element in the axial direction, a mechanically particularly good connection is realized, wherein the at least one support structure simultaneously reduces deformation of the mirror elements under load.
Bevorzugt sind das erste und das zweite Spiegelelement aus demselben Material ausgebildet, während die mindestens eine Stützstruktur ausschließlich aus Materialien bzw. aus genau einem Material ausgebildet ist, welche bzw. welches sich von dem Material unterscheidet bzw. unterscheiden, aus welchem die Spiegelelemente ausgebildet sind.Preferably, the first and the second mirror element are formed of the same material, while the at least one support structure is formed exclusively of materials or of exactly one material which differs from the material from which the mirror elements are formed.
Die Verwendung verschiedener Materialien für die mindestens eine Stützstruktur einerseits und die Spiegelelemente andererseits ermöglicht eine separate Optimierung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Stützstruktur einerseits und der optischen Eigenschaften der Spiegelelemente andererseits. Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Stützstruktur aus einem oder mehreren elektrisch isolierenden Materialien ausgebildet ist, während das erste und/oder das zweite Spiegelelement aus einem elektrisch leitenden oder einem halbleitenden Material ausgebildet ist bzw. sind, so dass die Teilabschnitte der Spiegelelemente als separate Elektroden fungieren können. Darüber hinaus kann das Material der Stützstruktur eine andere Dicke und/oder eine andere mechanische Verspannung aufweisen als das Material der Spiegelelemente, womit sich die Robustheit der gesamten Spiegelvorrichtung erhöhen lässt.The use of different materials for the at least one support structure on the one hand and the mirror elements on the other hand enables a separate optimization of the electrical and mechanical properties of the support structure on the one hand and the optical properties of the mirror elements on the other. It is particularly preferred if the at least one support structure is formed from one or more electrically insulating materials, while the first and / or the second mirror element is or are formed from an electrically conductive or a semiconducting material, so that the sections of the mirror elements as separate electrodes can act. In addition, the material of the support structure may have a different thickness and / or a different mechanical strain than the material of the mirror elements, whereby the robustness of the entire mirror device can be increased.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Material der Stützstruktur eine andere Dicke und/oder mechanische Verspannung auf als ein Material des ersten Spiegelelements und/oder des zweiten Spiegelelements. Auf diese Weise kann die beispielsweise die Steifigkeit und damit die Robustheit der gesamten Spiegelvorrichtung positiv beeinflusst werden.According to a preferred development, the material of the support structure has a different thickness and / or mechanical stress than a material of the first mirror element and / or the second mirror element. In this way, for example, the rigidity and thus the robustness of the entire mirror device can be positively influenced.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung unterteilt die mindestens eine Stützstruktur das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement in je mindestens zwei Teilabschnitte, welche durch die mindestens eine Stützstruktur voneinander elektrisch isoliert sind.According to an advantageous development, the at least one support structure divides the first mirror element and the second mirror element into at least two subsections, which are electrically insulated from one another by the at least one support structure.
Durch das elektrische Trennen der mindestens zwei Teilabschnitte des ersten und des zweiten Spiegelelements wird eine Vielzahl von Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten für die mikromechanische Spiegelvorrichtung eröffnet. Beispielsweise können die verschiedenen, voneinander elektrisch isolierten Teilabschnitte als separate Elektroden verwendet werden, welche auf verschiedene elektrische Potentiale gelegt werden können und/oder mit verschiedenen Strömen und Spannungen beaufschlagt werden können. The electrical separation of the at least two subsections of the first and the second mirror element opens up a multiplicity of application and design options for the micromechanical mirror device. For example, the different, electrically isolated subsections can be used as separate electrodes, which can be placed on different electrical potentials and / or can be applied to different currents and voltages.
Beispielsweise kann ein Teilabschnitt mit einer Spannung beaufschlagt werden, welche zum Aktuieren der Spiegelvorrichtung, das heißt beispielsweise zum Ausrichten der Spiegelvorrichtung, eingesetzt werden kann. Hierdurch kann der Abstand zwischen der aktuierten Spiegelvorrichtung zu beispielsweise einer weiteren Spiegelvorrichtung innerhalb ein und desselben Interferometers verändert werden, wodurch das Interferometer spektral durchstimmbar ist. For example, a partial section can be subjected to a voltage which can be used to actuate the mirror device, that is to say, for example, to align the mirror device. In this way, the distance between the actuated mirror device to, for example, a further mirror device can be changed within one and the same interferometer, whereby the interferometer is spectrally tunable.
Ein weiterer Teilabschnitt des ersten und des zweiten Spiegelelements kann beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden, welche zum Detektieren der Auslenkung der Spiegelvorrichtung verwendet wird. In einem weiteren Teilabschnitt kann ein feldfreier Raum oder ein weitgehend feldfreier Raum erzielt werden, beispielsweise um Verformungen der Spiegelvorrichtung in dem feldfreien Raum zu vermeiden.A further subsection of the first and the second mirror element can, for example, be subjected to a voltage which is used to detect the deflection of the mirror device. In a further section, a field-free space or a largely field-free space can be achieved, for example, to avoid deformation of the mirror device in the field-free space.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Stützstruktur mindestens einen Abschnitt auf, welcher aus einer Außenfläche des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements hervorsteht. Dieser Abschnitt ist somit als ein Anschlag oder auch als eine Anti-Haftreibung-Erhebung (Englisch „anti-stiction bump“, kurz für „anti-static-friction bump“). Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Stützstruktur mehrere solche Anschläge aufweist oder wenn mehrere Stützstrukturen vorgesehen sind, welche jeweils über mindestens einen derartigen Anschlag verfügen.According to a preferred development, the support structure has at least one section which protrudes from an outer surface of the first and / or the second mirror element. This section is thus as a stopper or as an anti-static friction bump (short for "anti-static-friction bump"). It is particularly advantageous if the at least one support structure has a plurality of such stops or if a plurality of support structures are provided which each have at least one such stop.
Solche Anschläge können ein Zusammenkleben von Spiegelvorrichtungen oder ein Festkleben von Spiegelvorrichtungen auf einem Substrat verhindern oder eine Wahrscheinlichkeit dafür verringern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest der jeweilige Abschnitt der mindestens einen Stützstruktur, welche als Anschlag fungiert, aus einem elektrisch isolierenden Material (Isolator) ausgebildet ist. In diesem Fall kann ein Verschweißen von Elektroden mit den Spiegelelementen beim Gebrauch der Spiegelvorrichtung zum Beispiel innerhalb eines Interferometers verhindert werden.Such stops can prevent or reduce a likelihood of gluing mirror devices or gluing mirror devices to a substrate. It is particularly advantageous if at least the respective section of the at least one support structure, which acts as a stop, is formed from an electrically insulating material (insulator). In this case, welding of electrodes with the mirror elements can be prevented during use of the mirror device, for example, within an interferometer.
Unter einer Außenfläche eines Spiegelelements ist insbesondere eine Fläche des jeweiligen Spiegelelements zu verstehen, welche von dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement abgewandt ist. Die Außenfläche zumindest eines Spiegelelements stellt auch die Fläche dar, auf welche Licht auftrifft, das durch die Spiegelvorrichtung gespiegelt werden soll.An outer surface of a mirror element is understood in particular to mean a surface of the respective mirror element which faces away from the intermediate space between the first and the second mirror element. The outer surface of at least one mirror element also represents the surface on which light impinges, which is to be mirrored by the mirror device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung überlappt eine laterale Ausdehnung der mindestens einen Stützstruktur mit einer lateralen Ausdehnung des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements. Auf diese Weise kann eine bessere mechanische Anbindung zwischen der mindestens einen Stützstruktur und dem ersten und/oder dem zweiten Spiegelelement erzielt werden. Unter einer lateralen, oder transversalen, Ausdehnung ist insbesondere eine Ausdehnung in einer Richtung zu verstehen, welche in einer Ebene liegt, welche parallel zu dem ersten und dem zweiten Spiegelelement gedacht werden kann. Somit ist die Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung angeordnet, welche wiederum senkrecht zu den Spiegelelementen angeordnet ist.According to a further preferred development, a lateral extent of the at least one support structure overlaps with a lateral extent of the first and / or the second mirror element. In this way, a better mechanical connection between the at least one support structure and the first and / or the second mirror element can be achieved. A lateral, or transversal, expansion is understood in particular to mean an expansion in a direction which lies in a plane which can be thought of parallel to the first and the second mirror element. Thus, the direction is arranged perpendicular to an axial direction, which in turn is arranged perpendicular to the mirror elements.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens eine Stützstruktur aus mindestens zwei verschiedenen Materialien ausgebildet. Beispielsweise kann ein erstes Material der mindestens einen Stützstruktur mit den Spiegelelementen in Kontakt stehen, während ein zweites Material der Stützstruktur als ein stabilisierender Kern der Stützstruktur ausgebildet und angeordnet ist, um eine Steifigkeit der Stützstruktur zu erhöhen und somit einem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der Spiegelvorrichtung konstant zu halten.According to a further preferred development, the at least one support structure is formed from at least two different materials. For example, a first material of the at least one support structure may be in contact with the mirror elements while a second material of the support structure is formed and arranged as a stabilizing core of the support structure to increase rigidity of the support structure and thus a distance between the first and second Mirror element to improve the optical properties of the mirror device to keep constant.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die mindestens eine Stützstruktur einen Fluiddurchgangskanal auf, durch welche hindurch ein Fluid die Stützstruktur das erste und das zweite Spiegelelement durchqueren kann. Auf diese Weise kann ein thermischer und/oder atmosphärischer Ausgleich zwischen zwei verschiedenen Seiten der Spiegelvorrichtung verbessert werden, wodurch sich externe Zug-, Druck- und Verformungskräfte auf die Spiegelvorrichtung verringern können.According to a further preferred development, the at least one support structure has a fluid passageway through which a fluid can pass through the support structure, the first and the second mirror element. In this way, a thermal and / or atmospheric balance between two different sides of the mirror device can be improved, whereby external tensile, compressive and deforming forces can be reduced to the mirror device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegelelement ein Gas oder ein Vakuum angeordnet. Bevorzugt ist in dem Zwischenraum ein Material mit einem niedrigen Brechungsindex angeordnet, welcher besonders bevorzugt nahe bei Eins liegt, wie es beispielsweise bei Luft (also ein Gas oder Gasgemisch) und bei Vakuum der Fall ist. Ein hoher Brechungsindexkontrast zwischen einem Brechungsindex des Zwischenraums zwischen den Spiegelelementen einerseits und einem Brechungsindex des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements andererseits vergrößert den Wellenlängenbereich, in welchem die Spiegelvorrichtung eine hohe Reflexion aufweist und erhöht die maximal erreichbare Reflexion bei konstanter Anzahl an Schichten im Spiegel. Ein Spiegelsystem, insbesondere ein Interferometer, mit einer derart ausgebildeten Spiegelvorrichtung ist somit noch vielseitiger einsetzbar.According to a further preferred development, a gas or a vacuum is arranged in the intermediate space between the first and the second mirror element. A material with a low refractive index is preferably arranged in the intermediate space, which is particularly preferably close to one, as is the case, for example, with air (ie a gas or gas mixture) and under vacuum. A high refractive index contrast between a refractive index of the gap between the mirror elements on the one hand and a refractive index of the first and / or the second mirror element on the other hand increases the wavelength range in which the mirror device has a high reflection and increases the maximum achievable reflection with a constant number of layers in the mirror. A mirror system, in particular an interferometer, with a mirror device designed in this way is therefore even more versatile.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Spiegelsystem ein Interferometer, insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer, wobei mindestens eine der Spiegelvorrichtungen des Interferometers eine erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung ist.According to a preferred embodiment, the mirror system is an interferometer, in particular a Fabry-Perot interferometer, wherein at least one of the mirror devices of the interferometer is a mirror device according to the invention.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Entfernen jeweils eines Teils der ersten lichtbrechenden Schicht, der Opferschicht und der zweiten lichtbrechenden Schicht, derart, dass die zusammenhängende Ausnehmung derart entsteht, dass die Ausnehmung die erste und die zweite lichtbrechende Schicht (also die späteren Spiegelelemente) in je mindestens zwei voneinander beabstandete Teilabschnitte unterteilt. Dies hat die im Voranstehenden im Zusammenhang mit einem elektrischen Isolieren der Teilabschnitte beschriebenen Vorteile.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, each removal of a portion of the first refractive layer, the sacrificial layer and the second refractive layer, such that the contiguous recess is formed such that the recess, the first and the second refractive layer (ie, the later mirror elements ) divided into at least two spaced apart sections. This has the advantages described above in connection with electrically insulating the sections.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schichtstapel mit einer an der zweiten lichtbrechenden Schicht angeordneten Schutzschicht bereitgestellt, welche die ursprüngliche Außenschicht des Schichtstapels an einer Seite des Schichtstapels bildet. Hierbei wird auch ein Teil der Schutzschicht zum Ausbilden der Ausnehmung entfernt. Die Schutzschicht kann bei dem Entfernen des Teils der Füllschicht als Ätzstopp und/oder als Polierstopp fungieren, das heißt, gegenüber einem eingesetzten Ätzverfahren und/oder einer eingesetzten Poliervorrichtung resistenter sein als die Füllschicht. Die Schutzschicht kann nach dem Entfernen des Teils der Füllschicht entfernt werden.According to a preferred development of the method according to the invention, the layer stack is provided with a protective layer arranged on the second refractive layer, which forms the original outer layer of the layer stack on one side of the layer stack. In this case, a part of the protective layer is removed to form the recess. In the removal of the part of the filling layer, the protective layer can function as an etching stop and / or as a polishing stop, that is, more resistant than the filling layer to an etching method and / or a polishing device used. The protective layer can be removed after removal of the part of the filling layer.
Figurenlistelist of figures
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einer Detailansicht; -
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Detailansicht; -
3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform in einer Detailansicht; -
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform in einer Detailansicht; -
5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform in einer Detailansicht; -
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform in einer Detailansicht; -
7 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung gemäß einer der1 bis6 ; -
8 ein schematisches Blockdiagramm zum Erläutern eines Spiegelsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
9 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Spiegelvorrichtung; und -
10 bis15 schematische Detailansichten im Querschnitt durch Zwischenprodukte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der mikromechanischen Spiegelvorrichtung.
-
1 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to an embodiment in a detailed view; -
2 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to another embodiment in a detailed view; -
3 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to yet another embodiment in a detailed view; -
4 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to yet another embodiment in a detailed view; -
5 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to yet another embodiment in a detailed view; -
6 a schematic cross-sectional view of a micromechanical mirror device according to yet another embodiment in a detailed view; -
7 a schematic plan view of a section of a micromechanical mirror device according to one of1 to6 ; -
8th a schematic block diagram for explaining a mirror system according to another embodiment; -
9 a schematic flow diagram for explaining a method for producing a micromechanical mirror device; and -
10 to15 schematic detailed views in cross section through intermediates of the inventive method for producing the micromechanical mirror device.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Spiegelvorrichtung
Die Spiegelelemente
Die mikromechanische Spiegelvorrichtung
Die mindestens eine Stützstruktur
Beispielsweise kann die mindestens eine Stützstruktur
Im Folgenden wird die Spiegelvorrichtung
Elektrisch voneinander isolierte Teilabschnitte der Spiegelelemente ermöglichen beispielsweise eine direkte kapazitive Detektion des Abstandes der Spiegelvorrichtung von einem Referenzobjekt oder ein Segmentieren von Elektroden auf der Spiegelvorrichtung selbst.Electrically isolated sections of the mirror elements allow, for example, a direct capacitive detection of the distance of the mirror device from a reference object or a segmentation of electrodes on the mirror device itself.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Teilabschnitt
Die mindestens eine Stützstruktur
Die mindestens eine Stützstruktur
Weiterhin ist die mindestens eine Stützstruktur
Dieser Abschnitt
Die mindestens eine Stützstruktur
Die Stützstruktur
Das zweite Material
Auch bei der mindestens einen Stützstruktur
Die mindestens eine Stützstruktur
Des Weiteren kann die Stützstruktur
Die mindestens eine Stützstruktur
Verschiedene Elemente der im Voranstehenden beschriebenen Spiegelvorrichtungen
Außerdem können auch die Stützstrukturen
Es versteht sich, dass auch ein laterales Überlappen der Stützstrukturen
Bevorzugt weist die mindestens eine Stützstruktur
Weist ein Spiegelsystem (siehe auch
Etwas Ähnliches gilt auch für eine kapazitive Detektion, falls zwischen zwei Spiegelvorrichtungen eines Interferometers eine Spannung angelegt wird. In diesem Fall kommt es nämlich bei flächigen Elektroden zu einer Anziehung und wie zuvor beschrieben zum Herabsetzen der Parallelität der Interferometerspiegel im optisch relevanten Bereich, welcher in
Selbstverständlich ist auch eine weitere Segmentierung denkbar, beispielsweise eine Segmentierung in mehr als zwei zueinander im Wesentlichen zueinander konzentrische Teilabschnitte
Es kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung
Diese weiteren Stützstrukturen, welche keine elektrische Isolierung von Teilabschnitten vornehmen, können auch als Hilfs-Stützstrukturen bezeichnet werden. Die Hilfs-Stützstrukturen können beispielsweise in Form von regelmäßigen oder unregelmäßigen Gittern angeordnet werden. Beispielsweise kann eine Hilfs-Stützstruktur in Form eines hexagonalen Wabenmusters ausgebildet sein, welches sich bevorzugt vollständig über einen der Teilabschnitte der Spiegelelemente
Ein großer Vorteil der hierin beschriebenen Stützstrukturen und Hilfs-Stützstrukturen ist die mechanische Steifigkeit gegenüber einer zugspannungsinduzierten Deformation. Bisher bekannte stützende Strukturen („Ankerstrukturen“) haben oft den intrinsischen Nachteil, dass eine tensile Vorspannung der Spiegelvorrichtungen dazu führt, dass sich die Ankerstrukturen verformen, um die Vorspannung teilweise abzubauen. Diese Deformation führt in einem Bereich um eine jeweilige Ankerstruktur dazu, dass die Beabstandung der Teilschichten (entsprechend den Spiegelelementen) nicht mehr der der Wellenlänge entspricht, auf welche der Bragg-Spiegel eingestellt ist, wodurch sich die optischen Eigenschaften des Bragg-Spiegels, das heißt der Spiegelvorrichtung, verschlechtern. Demgegenüber haben die hierin beschriebenen Stützstrukturen und Hilfs-Stützstrukturen den deutlichen Vorteil, eine größere Steifigkeit gegenüber solchen Deformationen zu haben, wodurch ein Verlust von optischer Fläche durch falsch beabstandete Spiegelelemente
Die Hilfs-Stützstrukturen können als, zumindest teilweise oder vollständig durchgehende Wandstrukturen realisiert sein und/oder als voneinander separate und beabstandete Säulenstrukturen realisiert sein. Hexagonale Gitteranordnungen bieten eine besonders hohe mechanische Stabilität. Die Stützstrukturen und/oder die Hilfs-Stützstrukturen können als verfüllte oder als hohle/eingefaltete Strukturen ausgeführt sein. Die Stützstrukturen und/oder die Hilfs-Stützstrukturen können auch derart ausgebildet sein, dass ein Schichtstress einer Membran angepasst wird.The auxiliary support structures can be realized as wall structures which are at least partially or completely continuous and / or can be realized as pillar structures which are separate from one another and spaced apart from one another. Hexagonal lattice arrangements offer a particularly high mechanical stability. The support structures and / or the auxiliary support structures may be configured as filled or hollow / folded structures. The support structures and / or the auxiliary support structures can also be designed such that a layer stress of a membrane is adapted.
Mindestens eine der Spiegelvorrichtungen, insbesondere eine erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung
Durch Verändern eines Abstandes zwischen den beiden Spiegelvorrichtungen (insbesondere durch Bewegen der beweglichen Spiegelvorrichtung) kann das Spiegelsystem
Die Kontaktierungsvorrichtung
In einem Schritt SOI wird ein Schichtstapel
Mit anderen Worten umfasst der Schichtstapel
Die dielektrische Schicht
Die optionale Schutzschicht
Im Folgenden wird anhand der
In einem Schritt
Das Entfernen der Schichten
Das Ausbilden der Ausnehmung
Die dielektrische Schicht
Optional kann nach, oder bei, dem grundsätzlichen Ausbilden
Wurde in dem Schritt
Zum elektrischen Trennen von voneinander beabstandeten Teilabschnitten
Bevorzugt wird die Ausnehmung
In einem Schritt
Im Voranstehenden wurde ausführlich erläutert, dass es vorteilhaft ist, wenn die mindestens eine Stützstruktur verschiedene Teilabschnitte
Bei dem Abscheiden
In einem Schritt
Das Entfernen
Wurde keine optionale Schutzschicht
In einem optionalen Schritt
In einem Schritt
Die übrig gebliebene Füllschicht
Zum Herstellen der Spiegelvorrichtung
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2014/0111811 A1 [0005]US 2014/0111811 A1 [0005]
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