DE102018211325A1 - Fabry-Perot interferometer unit and method for producing a Fabry-Perot interferometer unit - Google Patents

Fabry-Perot interferometer unit and method for producing a Fabry-Perot interferometer unit Download PDF

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Reinhold Roedel
Benedikt STEIN
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP), umfassend ein Trägersubstrat (TS) mit einer Durchgangsöffnung (NA), wobei die Durchgangsöffnung (NA) eine numerische Apertur aufweist; ein erstes Spiegelelement (SP1) und ein zweites Spiegelelement (SP2), welche übereinander auf dem Trägersubstrat (TS) angeordnet und beabstandet voneinander sind, wobei das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) die Durchgangsöffnung (NA) abdecken, und das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) jeweils einen dielektrischen Bragg-Spiegel umfassen, welcher zumindest zwei zueinander planparallele hochbrechende Spiegelschichten (LS1; LS2) und eine dazwischenliegende niedrigbrechende Spiegelschicht (LSP) umfasst, wobei das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2), einen Außenbereich (AB) umfassen, welcher lateral außerhalb der Durchgangsöffnung (NA) an diese anschließt und frei von mechanischem Kontakt mit dem Trägersubstrat (TS) ist, und einen Aufhängebereich (AufB) umfassen, welcher lateral außerhalb des Außenbereichs (AB) an diesen anschließt, und mit dem Trägersubstrat (TS) in mechanischem Kontakt steht, wobei der der Außenbereich (AB) und/oder der Aufhängebereich (AufB) ein Material mit einem anderen Verspannungszustand umfasst als die erste und die zweite Spiegelschicht (LS1; LS2) in einem Bereich der Durchgangsöffnung (NA).The present invention provides a Fabry-Perot interferometer unit (FP), comprising a carrier substrate (TS) with a through opening (NA), the through opening (NA) having a numerical aperture; a first mirror element (SP1) and a second mirror element (SP2), which are arranged one above the other on the carrier substrate (TS) and spaced apart from one another, the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2) covering the through opening (NA), and the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2) each comprise a dielectric Bragg mirror, which comprises at least two plane-parallel high-index mirror layers (LS1; LS2) and an intermediate low-index mirror layer (LSP), the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2) comprise an outer region (AB), which connects laterally outside of the through opening (NA) and is free of mechanical contact with the carrier substrate (TS), and comprise a suspension region (AufB), which laterally outside of the outer region (AB) adjoins this and is in mechanical contact with the carrier substrate (TS), wherein the outer area (AB) and / or the hanging area (AufB) comprises a material with a different tension state than the first and second mirror layers (LS1; LS2) in an area of the through opening (NA).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit und ein Verfahren zur Herstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-EinheitThe present invention relates to a Fabry-Perot interferometer unit and a method for producing a Fabry-Perot interferometer unit

Stand der TechnikState of the art

Eine relative Verwölbung von Spiegelaufbauten zueinander in einem MEMS-Fabry-Perot-Interferometer kann zu einem Auflösungsverlust führen, da die Resonanzbedingung mit der Verwölbung über den Spalt zwischen den Spiegeln im Aperturbereich variiert. Eine Verwölbung kann etwa dynamisch unter Staudruck bei der Aktuierung entstehen, durch Deformationen im Federbereich oder statisch durch asymmetrische Stressverhältnisse im Aufbau oder aus der Verpackung. Gas/Luft/Vakuum-Spalte besitzen vorteilhaft einen maximalen Brechungsindexkontrast, der für breitbandige DBR-Spiegel (distributed Bragg reflector) wie sie typisch in MOEMS-Bauteilen benötigt werden, optimal geeignet ist. Allerdings ist die Biegesteifigkeit solcher DBR-Spiegel eher gering, sodass sich die Spiegel verwölben können, was die optischen Eigenschaften des MOEMS-Bauelements verschlechtert. Bei besonders dünnen Strukturen wird eine geringe Biegesteifigkeit meist durch die Verwendung tensil verspannter Schichten kompensiert, so dass ein Durchhängen durch die Membranspannung verhinderbar sein kann. Der Abstand zwischen den Spiegelschichten (dielektrische Bragg-Spiegel) kann im Falle von Gas/Luft/Vakuum als niedrigbrechender Schicht durch Abstandshalter (reinforcing sections oder necks) oder durch niedrigbrechende Schichten erzielt werden. Polykristallines Spiegelmaterial kann gegenüber einem Substrat im Wesentlichen unverspannt oder moderat verspannt sein, wodurch eine geringe Biegesteifigkeit der Spiegel resultieren kann.Relative warping of mirror assemblies to one another in a MEMS Fabry-Perot interferometer can lead to a loss of resolution, since the resonance condition varies with warping over the gap between the mirrors in the aperture area. Warping can occur dynamically under dynamic pressure during actuation, due to deformation in the spring area or statically due to asymmetrical stress conditions in the body or from the packaging. Gas / air / vacuum gaps advantageously have a maximum refractive index contrast, which is optimally suitable for broadband DBR mirrors (distributed Bragg reflector) as are typically required in MOEMS components. However, the bending stiffness of such DBR mirrors is rather low, so that the mirrors can warp, which worsens the optical properties of the MOEMS component. In the case of particularly thin structures, low bending stiffness is usually compensated for by the use of tensile layers, so that sagging due to the membrane tension can be prevented. The distance between the mirror layers (dielectric Bragg mirrors) can be achieved in the case of gas / air / vacuum as a low-index layer by means of spacers (reinforcing sections or necks) or by low-index layers. Polycrystalline mirror material can be essentially unstrained or moderately braced against a substrate, which can result in a low bending stiffness of the mirrors.

In der US 7,733,495 und US 8,995,044 werden Fabry-Perot-Interferometer mit einem festen und einem beweglichen Spiegel beschrieben. Die Spiegel können jeweils als DBR-Spiegelstapel mit polykristallinem Silizium als hochbrechender λ/4-Schicht und mit Luft/Vakuum als niedrigbrechender λ/4-Schicht bzw. Spalt ausgeformt sein.In the US 7,733,495 and US 8,995,044 describe Fabry-Perot interferometers with a fixed and a movable mirror. The mirrors can each be designed as a DBR mirror stack with polycrystalline silicon as a high-index λ / 4 layer and with air / vacuum as a low-index λ / 4 layer or gap.

In der US 8,913,332 wird vorgeschlagen, die Dichte der Abstandshalter im optischen Transmissionsbereich und damit die Biegesteifigkeit lokal zu erhöhen.In the US 8,913,332 It is proposed to locally increase the density of the spacers in the optical transmission range and thus the bending stiffness.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit nach Anspruch 13.The present invention provides a Fabry-Perot interferometer unit according to claim 1 and a method for producing a Fabry-Perot interferometer unit according to claim 13.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the dependent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Planparallelität der Spiegelelemente und durch eine verbesserte Biegesteifigkeit dieser auszeichnet. Durch die hohe Biegesteifigkeit kann die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit vorteilhaft eine verbesserte Auflösung aufweisen, und es kann vorteilhaft eine Verwölbung der Spiegelelemente und folglich eine Variation eines optischen Zwischenspaltes oder Spiegelabstandes zwischen den Spiegelelementen vorteilhaft verringert oder gar vermieden werden. Somit können vorteilhaft planparallele polykristalline Silizium-Luft Spiegelelemente in einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit bereitgestellt werden, welche vorteilhaft eine geringe oder keine Beeinträchtigung deren optischer Transmission durch Verwölbungen aufweisen, wobei die Biegesteifigkeit vorteilhaft durch eine Zugspannung auf die Spiegelelemente erzielt werden kann und die Zugspannung vorteilhaft durch ein laterales Design, etwa ein laterales Design der Schichten der Spiegelelemente, festlegbar ist.The idea on which the present invention is based is to specify a Fabry-Perot interferometer unit which is distinguished by an increased plane parallelism of the mirror elements and by an improved flexural rigidity thereof. Due to the high flexural rigidity, the Fabry-Perot interferometer unit can advantageously have an improved resolution, and it is advantageously possible to advantageously reduce or even avoid warping of the mirror elements and consequently variation of an optical intermediate gap or mirror spacing between the mirror elements. Thus, plane-parallel polycrystalline silicon-air mirror elements can advantageously be provided in a Fabry-Perot interferometer unit, which advantageously have little or no impairment in their optical transmission due to warping, the bending stiffness advantageously being achieved by tensile stress on the mirror elements and Tension can advantageously be determined by means of a lateral design, for example a lateral design of the layers of the mirror elements.

Erfindungsgemäß umfasst die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ein Trägersubstrat mit einer Durchgangsöffnung, wobei die Durchgangsöffnung eine numerische Apertur aufweist, ein erstes Spiegelelement und ein zweites Spiegelelement, welche übereinander auf dem Trägersubstrat angeordnet und beabstandet voneinander sind, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement die Durchgangsöffnung abdecken, und das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement jeweils einen dielektrischen Bragg-Spiegel umfassen, welcher zumindest zwei zueinander planparallele hochbrechende Spiegelschichten und eine dazwischenliegende niedrigbrechende Spiegelschicht umfasst, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement, einen Außenbereich umfassen, welcher lateral außerhalb der Durchgangsöffnung an diese anschließt und frei von mechanischem Kontakt mit dem Trägersubstrat ist; und einen Aufhängebereich umfassen, welcher lateral außerhalb des Außenbereichs an diesen anschließt, und mit dem Trägersubstrat in mechanischem Kontakt steht, wobei der der Außenbereich und/oder der Aufhängebereich ein Material mit einem anderen Verspannungszustand umfasst als die erste und die zweite Spiegelschicht in einem Bereich der Durchgangsöffnung.According to the invention, the Fabry-Perot interferometer unit comprises a carrier substrate with a through opening, the through opening having a numerical aperture, a first mirror element and a second mirror element, which are arranged one above the other and spaced apart from one another, the first mirror element and the second Mirror element cover the through opening, and the first mirror element and the second mirror element each comprise a dielectric Bragg mirror, which comprises at least two plane-parallel high refractive mirror layers and an intermediate low refractive mirror layer, the first mirror element and the second mirror element comprising an outer region which is lateral connects to the outside of the through opening and is free of mechanical contact with the carrier substrate; and comprise a suspension area which adjoins this laterally outside of the exterior area and is in mechanical contact with the carrier substrate, the exterior area and / or the suspension area comprising a material with a different stress state than the first and second mirror layers in an area of the through opening.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ist die niedrigbrechende Spiegelschicht als Gas-, Luft- oder Vakuum-Spalt ausgeführt.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the low-index mirror layer is designed as a gas, air or vacuum gap.

Der Verspannungszustand bezieht sich hierbei vorteihaft auf einen tensil oder einen kompressiv verspannten Zustand. The state of tension advantageously refers to a tensile or a compressively tensioned state.

Das Trägersubstrat umfasst vorteilhaft ein Material, welches für das durch die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zu analysierende Licht undurchlässig sein kann, sodass das einfallende Licht vorteilhaft lediglich durch dieDurchgangsöffnung mit deren numerischer Apertur in die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ein- und durchtreten kann. Das erste und das zweite Spiegelelement können vorteilhaft jeweils mehrere Schichten umfassen, vorteilhaft zumindest die Spiegelschichten, welche miteinander mechanisch fest verbunden sein können. Die mechanische Verbindung kann vorteilhaft in den Außenbereich oder dem Aufhängebereich oder auch innerhalb des Bereichs der Durchgangsöffnung, etwa durch vertikale Verbindungsstrukturen, realisiert sein.The carrier substrate advantageously comprises a material which can be opaque to the light to be analyzed by the Fabry-Perot interferometer unit, so that the incident light advantageously enters and enters the Fabry-Perot interferometer unit only through the passage opening with its numerical aperture can pass through. The first and the second mirror element can advantageously each comprise several layers, advantageously at least the mirror layers, which can be mechanically firmly connected to one another. The mechanical connection can advantageously be implemented in the outer area or in the hanging area or also within the area of the through opening, for example by means of vertical connection structures.

Die Spiegelschichten umfassen vorteilhaft jeweils eine Wellenlängenverzögerungsschicht, etwa als λ/4-Schicht für das durch die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zu transmittierende und analysierende Licht. Für andere Wellenlängen kann die Spiegelschicht spiegelnd sein. In weiterer Folge kann für die Bezeichnung „Spiegelschicht“ auch die Bezeichnung „Wellenlängenverzögerungsschicht“ verwendet werden und umgekehrt.The mirror layers each advantageously comprise a wavelength retardation layer, for example as a λ / 4 layer for the light to be transmitted and analyzed by the Fabry-Perot interferometer unit. The mirror layer can be specular for other wavelengths. Subsequently, the term “wavelength delay layer” can also be used for the term “mirror layer” and vice versa.

Der Außenbereich weist vorteilhaft einen Freiraum unterhalb des ersten Spiegelelements auf, also zwischen dem Trägersubstrat und dem ersten Spiegelelement, wobei das erste Spiegelelement dem Trägersubstrat vorteilhaft direkt nachgeordnet ist und das zweite Spiegelelement auf dem ersten Spiegelelement angeordnet sein kann. Das erste Spiegelelement kann im Aufhängebereich auf dem Trägersubstrat mechanisch fest angeordnet sein. Die Anordnung der Spiegelelemente kann jedoch auch andersherum sein. Der Freiraum erstreckt sich vorteilhaft lateral über die Durchgangsöffnung mit der numerischen Apertur in dem Trägersubstrat hinaus. Das erste und das zweite Spiegelelement können vorteilhaft Membranspiegel umfassen.The outer region advantageously has a free space below the first mirror element, that is to say between the carrier substrate and the first mirror element, the first mirror element advantageously being arranged directly after the carrier substrate and the second mirror element can be arranged on the first mirror element. The first mirror element can be mechanically fixed in the suspension area on the carrier substrate. However, the arrangement of the mirror elements can also be the other way around. The free space advantageously extends laterally beyond the through opening with the numerical aperture in the carrier substrate. The first and the second mirror element can advantageously comprise membrane mirrors.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ist die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit verkapselt und ist als MEMS-Bauteil ausgeformt.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the Fabry-Perot interferometer unit is encapsulated and is designed as a MEMS component.

Die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit kann vorteilhaft zumindest von einer Seite mit dem Trägersubstrat verkapselt sein. Bei dem MEMS-Bauteil handelt es sich vorteilhaft um ein mikromechanisches Bauelement.The Fabry-Perot interferometer unit can advantageously be encapsulated at least from one side with the carrier substrate. The MEMS component is advantageously a micromechanical component.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umläuft der Außenbereich die Durchgangsöffnung ringförmig.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the outer area surrounds the passage opening in a ring.

Mit dem Außenbereich umläuft vorteilhaft auch ein durch Unterätzung freigeätzter Spiegelbereich, etwa ein Freiraum unterhalb der Spiegelschicht des ersten Spiegelelements, welcher vorteilhaft lateral über die Durchgangsöffnung mit der numerischen Apertur hinaus reicht, die Durchgangsöffnung ringförmig.The outer area also advantageously encircles a mirror area which is etched free by under-etching, for example a free space below the mirror layer of the first mirror element, which advantageously extends laterally beyond the through opening with the numerical aperture, in an annular manner.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umfasst der Außenbereich ein kompressiv verspanntes Material, welches im ersten Spiegelelement und/oder im zweiten Spiegelelement zwischen den Spiegelschichten angeordnet ist, und einen Ringbereich um die Durchgangsöffnung herum bildet.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the outer region comprises a compressively braced material which is arranged in the first mirror element and / or in the second mirror element between the mirror layers and forms an annular region around the through opening.

Das kompressiv verspannte Material bewirkt vorteilhaft eine Zugspannung auf ein daran nach innen anschließende Spiegelelements vorteilhaft auf die Spiegelschichten und vermindert dadurch vorteilhaft die mögliche Verwölbung des Spiegelelements. Das kompressiv verspannte Material kann vorteilhaft beim Herstellungsprozess des Spiegelelements als eine Opferschicht zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten ausgeformt werden. Das kompressiv verspannte Material ist vorteilhaft zumindest im Außenbereich des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements angeordnet. Somit ist es vorteilhaft möglich durch die ausgelöste innere Verspannung in den Spiegelelementen eine leichte Zugspannung zumindest auf den Aperturbereich des Spiegelelements auszuüben. Hierbei übersteigt die Zugspannung vorteilhaft einen kritischen Grenzwert nicht, über welchem die Materialien des Spiegelelements mechanischen Schaden nehmen würden. Durch den Ringbereich ist das Spiegelelement vorteilhaft symmetrisch auf die Verspannung. Durch die Zugspannung kann vorteilhaft eine verbesserte Planparallelität der/des Spiegelelements, vorteilhaft der Spiegelschicht, im Bereich der numerischen Apertur erzielt werden. Des Weiteren kann durch die geringe Verwölbung der Schichten des/der Spiegelelemente (bei zwei oder mehr Spiegelelementen als Reduzierung der gegenseitigen Spiegelverwölbung), vorteilhaft der Wellenlängenverzögerungsschichten, eine Variation des Spalts gering gehalten (hohe oder verbesserte Planparallelität der Spiegel) werden oder vermieden werden, wodurch eine hohe Auflösung der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit erzielt werden kann oder diese zumindest verbessert werden kann.The compressively tensioned material advantageously brings about a tensile stress on a mirror element adjoining it inwards, advantageously on the mirror layers, and thereby advantageously reduces the possible curvature of the mirror element. The compressively braced material can advantageously be shaped as a sacrificial layer between the wavelength delay layers in the manufacturing process of the mirror element. The compressively braced material is advantageously arranged at least in the outer region of the first and / or the second mirror element. It is thus advantageously possible to exert a slight tensile stress at least on the aperture area of the mirror element due to the internal tension that is triggered in the mirror elements. The tensile stress advantageously does not exceed a critical limit value above which the materials of the mirror element would suffer mechanical damage. Due to the ring area, the mirror element is advantageously symmetrical to the bracing. The tensile stress can advantageously achieve an improved plane parallelism of the / the mirror element, advantageously the mirror layer, in the area of the numerical aperture. Furthermore, due to the slight curvature of the layers of the mirror element (s, in the case of two or more mirror elements as a reduction in the mutual mirror curvature), advantageously the wavelength delay layers, a variation in the gap can be kept low (high or improved plane parallelism of the mirrors) or avoided, as a result of which a high resolution of the Fabry-Perot interferometer unit can be achieved or this can at least be improved.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umfasst das kompressiv verspannte Material SiO2.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the compressively braced material comprises SiO 2 .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umfasst der Ringbereich in lateraler Richtung eine innere vertikale Berandung und eine äußere vertikale Berandung.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the ring area comprises an inner vertical border and an outer vertical border in the lateral direction.

Die Berandung kann vorteilhaft ein Stoppmaterial für die Opferschicht umfassen, welche für ein Ätzverfahren resistent ist, so dass das Ätzverfahren zur Freistellung des Spiegelelements vom Trägersubstrat unterhalb des Spiegelelements die Opferschicht vorteilhaft nicht ätzen kann. Die Berandung kann also vorteilhaft einen Wandbereich einer vertikalen Opferschichtätzöffnung umfassen, wobei die vertikalen Opferschichtätzöffnung für das Opferschichtätzverfahren zur Freistellung des Spiegelelements vom Trägersubstrat dienen kann. Die vertikale Opferschichtätzöffnung kann jedoch auch getrennt von der Berandung innerhalb und/oder außerhalb des Ringbereichs im Spiegelelement angeordnet sein. Das Material der Berandung kann vorteilhaft das Material der Wellenlängenverzögerungsschichten des Spiegelelements umfassen. Die vertikalen Opferschichtätzöffnungen können vorteilhaft durch das gesamte Spiegelelement verlaufen und zumindest in einem oder in beiden Spiegelelementen ausgeformt sein. Die innere und/oder äußere Berandung kann den Ringbereich vorteilhaft lateral nach außen und/oder nach innen ummanteln. The border can advantageously comprise a stop material for the sacrificial layer, which is resistant to an etching process, so that the etching process for releasing the mirror element from the carrier substrate below the mirror element advantageously cannot etch the sacrificial layer. The edge can therefore advantageously comprise a wall area of a vertical sacrificial layer etching opening, wherein the vertical sacrificial layer etching opening can be used for the sacrificial layer etching process to free the mirror element from the carrier substrate. However, the vertical sacrificial layer etching opening can also be arranged separately from the border inside and / or outside the ring area in the mirror element. The material of the border can advantageously comprise the material of the wavelength delay layers of the mirror element. The vertical sacrificial layer etching openings can advantageously run through the entire mirror element and be formed at least in one or in both mirror elements. The inner and / or outer border can advantageously encase the ring area laterally outwards and / or inwards.

Zur Ausbildung des Spalts kann die dortige Opferschicht geätzt werden, auch eine Distanz zwischen den beiden Spiegelelementen kann derart erzielt werden, dass diese zuerst durch eine Opferschicht beabstandet sind und diese Opferschicht nachträglich geätzt wird, etwa durch die Opferschichtätzöffnungen.To form the gap, the sacrificial layer there can be etched; a distance between the two mirror elements can also be achieved in such a way that they are first spaced apart by a sacrificial layer and this sacrificial layer is subsequently etched, for example through the sacrificial layer etching openings.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umfasst der Außenbereich im ersten Spiegelelement und/oder im zweiten Spiegelelement ein tensil verspanntes Material, wobei das Material vorteilhaft bis in den Aufhängebereich / nicht freigeätzten Bereich der Spiegelelemente hineinreichen kann.According to a further preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the outer area in the first mirror element and / or in the second mirror element comprises a tensile-tensioned material, the material advantageously being able to reach into the hanging area / area of the mirror elements that is not overetched.

Das tensil verspannte Material kann alternativ oder zusätzlich zum kompressiv verspannten Material vorteilhaft ringförmig um die Durchgangsöffnung mit der numerischen Apertur in einem oder in beiden Spiegelelementen angeordnet sein. Auch das tensil verspannte Material bewirkt vorteilhaft eine laterale Zugspannung auf das Spiegelelement.As an alternative or in addition to the compressively tensioned material, the tensile-tensioned material can advantageously be arranged in a ring around the through opening with the numerical aperture in one or in both mirror elements. The tensile-tensioned material also advantageously causes a lateral tensile stress on the mirror element.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit schließt das tensil verspannte Material lateral nach außen um das kompressiv verspannte Material an.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the tensile-braced material connects laterally outwards around the compressively braced material.

Die laterale Abfolge von innen nach außen von kompressiv und tensil verspannten Materialien kann vorteilhaft auch andersherum ausgeformt sein oder andere Ausführungen, wie etwa eine alternierende Abfolge, aufweisen. Somit ist es je nach Wahl der Abfolge vorteilhaft möglich, etwa den lateral gesehen inneren Bereich des Spiegelelements, etwa im Bereich der Durchgangsöffnung mit der numerischen Apertur, unter eine größere Zugspannung zu setzen als den Außenbereich und/oder den Aufhängebereich. Hierbei ist jedoch auch eine andere laterale Größenverteilung der Zugspannung möglich. Durch eine laterale Variation der Zugspannung, etwa durch eine größere Zugspannung im inneren Bereich des Spiegelelements, kann vorteilhaft eine Einstellung einer größeren Robustheit des Aufhängebereichs und vorteilhaft eine verbesserte Planparallelität im inneren Bereich erzielt werden.The lateral sequence from the inside to the outside of compressively and tensile-braced materials can advantageously also be formed the other way round or have other designs, such as an alternating sequence. Depending on the selection of the sequence, it is thus advantageously possible, for example, to put the laterally inner region of the mirror element, for example in the region of the through opening with the numerical aperture, under a greater tensile stress than the outer region and / or the hanging region. However, a different lateral size distribution of the tensile stress is also possible here. A lateral variation of the tensile stress, for example due to a greater tensile stress in the inner region of the mirror element, can advantageously achieve a greater robustness of the suspension region and advantageously an improved plane parallelism in the inner region.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ist das tensil verspannte Material als eine lokal strukturierte Schicht in oder auf dem ersten Spiegelelement und/oder dem zweiten Spiegelelement ausgeformt.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the tensile-strained material is formed as a locally structured layer in or on the first mirror element and / or the second mirror element.

Die lokal strukturierte Schicht wird im vorgesehenen Bereich vorteilhaft bei der Herstellung des Spiegelelements zusätzlich auf das Material der Spiegelschicht aufgebracht, mittels Ätzen strukturiert und kann vorteilhaft einlegiert werden, um den verspannten Bereich und damit die Zugspannung definiert einzustellen. Vorteilhaft eignet sich hierzu eine Silizidbildung.In the area provided, the locally structured layer is advantageously additionally applied to the material of the mirror layer during the manufacture of the mirror element, structured by means of etching and can advantageously be alloyed in in order to set the tensioned area and thus the tensile stress in a defined manner. Silicide formation is advantageously suitable for this.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit umfasst das tensil verspannte Material Siliziumnitrid Si3N4, Siliziumcarbid SiC, siliziumreiches Nitrid SiN, Siliziumcarbonitrid SiCN, Siliziumborocarbonitrid SiBCN oder Siliziumboronitrid SiBN.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the tensile-strained material comprises silicon nitride Si 3 N 4 , silicon carbide SiC, silicon-rich nitride SiN, silicon carbonitride SiCN, silicon borocarbonitride SiBCN or silicon boronitride SiBN.

Die lokal strukturierte Schicht kann vorteilhaft diese Materialien des tensil verspannten Materials umfassen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das Material der Wellenlängenverzögerungsschichten lokal modifiziert wird, um dann vorteilhaft tensil verspannt zu sein, etwa durch Silizidbildung aus einem polykristallinem Silizium beispielsweise zu Nickelsilizid NiSi2, Titansilizid TiSi2 oder Platinsilizid PtSi2.The locally structured layer can advantageously comprise these materials of the tensile-strained material. As an alternative to this, it is also possible for the material of the wavelength retardation layers to be modified locally in order then to be advantageously tensioned tensile, for example by silicide formation from a polycrystalline silicon, for example to nickel silicide NiSi 2 , titanium silicide TiSi 2 or platinum silicide PtSi 2 .

Sowohl für das tensil als auch für das kompressiv verspannte Material ist es vorteilhaft auch möglich, dass in dem Ringbereich das Material der Verzögerungsschichten oder der Opferschicht teilweise oder vollständig durch das tensil und/oder kompressiv verspannte Material ersetzt ist und dass es bis in den nicht freigeätzten Aufhängebereich hineinreicht.For both the tensile and the compressively braced material, it is also advantageously possible that in the ring area the material of the delay layers or the sacrificial layer is partially or completely replaced by the tensile and / or compressively braced material and that it is not etched into the material Extends into the hanging area.

Anstatt oder zusätzlich zum polykristallinen Silizium oder SiC, aus welcher die hochbrechenden Wellenlängenverzögerungsschichten bestehen können, können diese auch Germanium oder andere Materialien umfassen, je nach gewünschtem Wellenlängenbereich.Instead of or in addition to the polycrystalline silicon or SiC from which the highly refractive wavelength-delay layers can consist, these can also comprise germanium or other materials, depending on the desired wavelength range.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit sind die Spiegelschichten als Wellenlängenverzögerungsschichten ausgeformt und umfassen jeweils eine niedrigbrechende λ/4-Schicht aus polykristallinem Silizium oder SiC und die niedrigbrechende λ/4-Schicht ist als Spalt ausgeformt und umfasst ein Gas oder ein Vakuum. According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer unit, the mirror layers are shaped as wavelength-delay layers and each comprise a low-refractive λ / 4 layer made of polycrystalline silicon or SiC, and the low-refractive λ / 4 layer is shaped as a gap and comprises a gas or a vacuum.

Die Wellenlängenverzögerungsschicht(en) umfasst vorteilhaft für den optischen Transmissionsbereich eine hochbrechende (2n+1)*λ/4-Schicht. Zwischen zwei solchen Wellenlängenverzögerungsschichten befindet sich vorteilhaft ein (2n+1)*λ/4-Spalt aus Gas oder Luft oder Vakuum, wobei n=0, 1, 2, 3, ....The wavelength delay layer (s) advantageously comprises a highly refractive (2n + 1) * λ / 4 layer for the optical transmission range. Between two such wavelength delay layers there is advantageously a (2n + 1) * λ / 4 gap made of gas or air or vacuum, where n = 0, 1, 2, 3, ....

Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit in einem Verfahrensschritt S1 ein Bereitstellen eines Trägersubstrats; in einem Verfahrensschritt S2 ein Aufbringen eines ersten Spiegelelements mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht, sowie ein Abscheiden einer Opferschicht mit einer Dicke d; in einem weiteren Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Aufbringen eines zweiten Spiegelelements mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht planparallel über dem ersten Spiegelelement und auf der Opferschicht, wobei das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement in einem Außenbereich ein kompressiv verspanntes Material und/oder ein tensil verspanntes Material in und/oder zwischen deren Spiegelschichten umfassen; und in einem Verfahrensschritt S4 ein Einbringen einer Durchgangsöffnung in das Trägersubstrat unterhalb des ersten und des zweiten Spiegelelements senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Spiegelelemente sowie ein Entfernen der Opferschicht zwischen den Spiegelelementen mittels eines Opferschichtätzverfahrens und Ausbilden einer Unterätzung unterhalb des ersten Spiegelelements in einem Außenbereich im Trägersubstrat lateral um die Durchgangsöffnung herum, mittels eines Opferschichtätzverfahrens durch vertikale Opferschichtätzöffnungen in dem ersten Spiegelelement und dem zweiten SpiegelelementAccording to the invention, the method for producing a Fabry-Perot interferometer unit is carried out in one process step S1 providing a carrier substrate; in one process step S2 an application of a first mirror element with at least two plane-parallel mirror layers and an intermediate low-refractive layer, and a deposition of a sacrificial layer with a thickness d; in a further process step S3 A second mirror element is applied with at least two plane-parallel mirror layers and an intermediate low-refractive layer plane-parallel above the first mirror element and on the sacrificial layer, the first mirror element and / or the second mirror element being a compressively braced material and / or a tensile braced material in an outer region include in and / or between their mirror layers; and in one process step S4 introducing a through opening into the carrier substrate below the first and second mirror elements perpendicular to a main direction of extension of the mirror elements and removing the sacrificial layer between the mirror elements by means of a sacrificial layer etching method and forming an undercut below the first mirror element in an outer region in the carrier substrate laterally around the through opening, by means of a sacrificial layer etching method through vertical sacrificial layer etching openings in the first mirror element and the second mirror element

Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Interferometer-Einheit beschriebenen Merkmale aus und umgekehrt.The method is advantageously characterized by the features described in connection with the Fabry-Perot interferometer unit according to the invention and vice versa.

Die Unterätzung kann vorteilhaft zumindest im Außenbereich unterhalb des ersten Spiegelelements oder auch teilweise unterhalb des Aufhängebereichs ausgeformt sein. Die Anordnung des zweiten Spiegelelements auf dem ersten Spiegelelement kann alternativ auch umgekehrt sein.The undercut can advantageously be formed at least in the outer area below the first mirror element or also partially below the hanging area. The arrangement of the second mirror element on the first mirror element can alternatively also be reversed.

Eine Verspannung innerhalb eines Ringbereichs der Spiegelelemente kann vorteilhaft durch Lithographie bei der Herstellung dieser Ringbereiche festgelegt werden, wodurch sich vorteilhaft keine Abhängigkeit der Verspannung von der Uniformität der Verspannung, etwa über einen Wafer in den Schichten des Spiegelelements aus den Abscheideprozessen aus der Herstellung ergibt. Betreffend die Zugspannung von Schichten kann diese aus einer alleinigen Wahl der Abscheidebedingungen allerdings nur im geringen Maße beeinflusst oder eingestellt werden. Falls das Trägersubstrat einen ähnlichen, oder wie im Falle von polykristallinen Si-Spiegelelementen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizient wie das Trägersubstrat umfassen kann, ist die über die Abscheidebedingungen erzielbare Zugspannung jedoch materialbedingt begrenzt, und wird vorteilhaft durch das verspannte Material im Ringbereich verbessert/vergrößert. Hierbei kann durch die Zugspannung aus dem Ringbereich vorteilhaft auch kompensiert oder berücksichtigt werden, dass später abgeschiedene Schichten ein geringeres thermisches Budget (Einwirkung) erfahren als zuvor abgeschiedene Schichten, was zu Spannungsunterschieden zwischen den vorher und später abgeschiedenen Schichten führen kann. Auch ist es möglich, dass sich durch den Abscheideprozess eine inhomogene Verspannung über den Wafer, oder das Trägersubstrat, einstellt und kompensiert oder berücksichtigt werden kann.A bracing within a ring area of the mirror elements can advantageously be determined by lithography during the production of these ring areas, as a result of which there is advantageously no dependence of the bracing on the uniformity of the bracing, for example via a wafer in the layers of the mirror element from the deposition processes from the manufacture. Regarding the tensile stress of layers, however, this can only be influenced or set to a small extent from the sole choice of the deposition conditions. If the carrier substrate can have a similar or, as in the case of polycrystalline Si mirror elements, the same thermal expansion coefficient as the carrier substrate, the tensile stress that can be achieved via the deposition conditions is limited by the material, and is advantageously improved / enlarged by the tensioned material in the ring area. The tensile stress from the ring area can also advantageously compensate or take into account that layers deposited later experience a lower thermal budget (exposure) than layers previously deposited, which can lead to stress differences between the layers deposited beforehand and later. It is also possible for the deposition process to establish and compensate for or take into account an inhomogeneous tension across the wafer or the carrier substrate.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S3 ein tensil verspanntes Material mittels eines Modifizierens des Materials der Spiegelschichten ausgeformt, wobei das Modifizieren mittels Silizidbildung aus einem polykristallinem Silizium zu NiSi2, TiSi2 oder PtSi2 erfolgt.According to a preferred embodiment of the method, in the method step S3 a tensile-strained material is formed by modifying the material of the mirror layers, the modification being carried out by means of silicide formation from a polycrystalline silicon to NiSi 2 , TiSi 2 or PtSi 2 .

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures of the drawing.

Es zeigen:

  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Draufsicht auf eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 eine schematische Abfolge der Schritte des Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Show it:
  • 1 a schematic cross section through a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a schematic cross section through a Fabry-Perot interferometer unit according a further embodiment of the present invention;
  • 3 is a schematic plan view of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment of the present invention; and
  • 4 a schematic sequence of the steps of the method according to an embodiment of the present invention.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate the same or functionally identical elements.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic cross section through a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment of the present invention.

Die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit FP umfasst ein Trägersubstrat TS mit einer Durchgangsöffnung NA, wobei die Durchgangsöffnung NA eine numerische Apertur aufweist; ein erstes Spiegelelement SP1 und ein zweites Spiegelelement SP2, welche übereinander auf dem Trägersubstrat TS angeordnet und beabstandet voneinander sind, wobei das erste Spiegelelement SP1 und das zweite Spiegelelement SP2 die Durchgangsöffnung NA abdecken, und das erste Spiegelelement SP1 und das zweite Spiegelelement SP2 jeweils einen dielektrischen Bragg-Spiegel umfassen, welcher zumindest zwei zueinander planparallele hochbrechende Spiegelschichten LS1 und LS2 und eine dazwischenliegende niedrigbrechende Spiegelschicht (LSP) umfasst, wobei das erste Spiegelelement SP1 und das zweite Spiegelelement SP2, einen Außenbereich AB umfassen, welcher lateral außerhalb der Durchgangsöffnung NA an diese anschließt und frei von mechanischem Kontakt mit dem Trägersubstrat TS ist und einen Aufhängebereich AufB umfassen, welcher lateral außerhalb des Außenbereichs AB an diesen anschließt, und mit dem Trägersubstrat TS in mechanischem Kontakt steht, wobei der der Außenbereich AB und/oder der Aufhängebereich AufB ein Material mit einem anderen Verspannungszustand umfasst als die erste und die zweite Spiegelschicht LS1 und LS2 in einem Bereich der Durchgangsöffnung NA.The Fabry-Perot interferometer unit FP comprises a carrier substrate TS with a through opening NA, the through opening NA having a numerical aperture; a first mirror element SP1 and a second mirror element SP2 , which one above the other on the carrier substrate TS are arranged and spaced from each other, the first mirror element SP1 and the second mirror element SP2 the through opening N / A cover, and the first mirror element SP1 and the second mirror element SP2 each comprise a dielectric Bragg mirror, which has at least two plane-parallel, highly refractive mirror layers LS1 and LS2 and an intermediate low refractive index mirror layer (LSP), the first mirror element SP1 and the second mirror element SP2 , comprise an outer region AB, which connects laterally outside the through opening NA and is free of mechanical contact with the carrier substrate TS and comprise a suspension region AufB, which laterally outside the outer region FROM adjoins this, and is in mechanical contact with the carrier substrate TS, the outer region AB and / or the suspension region AufB comprising a material with a different state of stress than the first and second mirror layers LS1 and LS2 in a region of the through opening NA.

Sowohl der Außenbereich AB wie auch der Aufhängebereich AufB können die Durchgangsöffnung NA lateral ringförmig umlaufen, wobei der Aufhängebereich AufB den Außenbereich AB ringförmig umlaufen kann. Unterhalb des ersten Spiegelelements SP1 kann ein Freiraum in Form einer Unterätzung U im Trägersubstrat TS ausgeformt sein, welche sich lateral über die Durchgangsöffnung NA vorteilhaft ringförmig hinaus erstreckt und vorteilhaft zumindest unterhalb des Außenbereichs AB oder auch unterhalb des Aufhängebereichs AufB befinden kann. Das erste Spiegelelement SP1 und das zweite Spiegelelement SP2 können zum Durchführen eines Ätzschrittes im Trägersubstrat TS, etwa zur Ausbildung der Unterätzung, vertikale Opferschichtätzöffnungen 3 in den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 umfassen. Zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 kann zumindest bereichsweise in Außenbereich AB vorteilhaft ein kompressiv verspanntes Material KV und/oder ein tensil verspanntes Material TV angeordnet sein, und beispielsweise den Spalt LS teilweise oder vollständig ausfüllen. Im Falle des tensil verspannten Materials kann dessen Erstreckung vorteilhaft über den Aufhängebereich AufB nach außen auf den nicht-unterätzten Teil der Spiegelelemente reichen. Die vertikale Opferschichtätzöffnung 3 verläuft vorteilhaft dort durch das erste und/oder zweite Spiegelelement SP1 und SP2, wo die Unterätzung U im Trägersubstrat TS außerhalb der Durchgangsöffnung NA ausgeformt werden soll oder bereits ist. Hierbei ist es auch möglich, dass sich die vertikalen Opferschichtätzöffnungen teilweise oder alle durch das kompressiv verspannte Material KV oder durch das tensil verspannte Material TV erstrecken. Im ersten und/oder zweiten Spiegelelement SP1 und SP2 kann vorteilhaft im Außenbereich AB, oder auch im Aufhängebereich AufB, lateral nach innen an das kompressiv oder tensil verspannte Material KV oder TV eine innere vertikale Berandung InB und lateral nach außen an das kompressiv oder tensil verspannte Material KV oder TV eine äußere vertikale Berandung AuB direkt anschließen. Alternativ ist es auch möglich, dass diese Berandungen vom tensil oder kompressiv verspannten Material beabstandet sind oder zwischen dem tensil und kompressiv verspannten Material ausgeformt sind. Die Berandungen InB und AuB trennen vorteilhaft den verspannten Bereich von den umgebenden Bereichen. Es wird vorteilhaft durch den Außenbereich AB und den Aufhängebereich AufB der innere Bereich der Spiegelelemente mit der Durchgangsöffnung NA der numerischen Apertur mechanisch, bezüglich deren Verspannung, von einem weiter außerhalb des Aufhängebereichs AufB liegenden Bereich, oder gar vom Aufhängebereich AufB selbst, getrennt, wodurch vorteilhaft Aktuationselektroden in diesem äußeren Bereich angeordnet oder mit diesem wirkverbunden werden können. Somit wird die Verspannung der optischen Bereiche der Spiegelelemente vorteilhaft von der des m Aktuationsbereichs entkoppelt, so dass der Gas/Luft/Vakuum-Spalt auch bei Aktuation konstant gehalten werden kann.Both the outside area FROM as well as the AufB hanging area can the through opening N / A circumferentially laterally in a ring, the suspension area AufB the outer area FROM can circulate in a ring. Below the first mirror element SP1 there can be a free space in the form of an undercut U in the carrier substrate TS be formed, which laterally over the through opening N / A advantageously extends in a ring shape and advantageously at least below the outer region FROM or located below the AufB area. The first mirror element SP1 and the second mirror element SP2 can for performing an etching step in the carrier substrate TS, for example to form the undercut, vertical sacrificial layer etching openings 3 in the wavelength retardation layers LS1 and LS2 include. Between the wavelength retardation layers LS1 and LS2 can at least partially in outdoor areas FROM advantageously a compressively braced material KV and / or a tensile braced material TV, and for example the gap LS fill in partially or completely. In the case of the tensile-tensioned material, its extension can advantageously extend outward via the suspension area AufB to the non-undercut part of the mirror elements. The vertical sacrificial layer etch opening 3 there advantageously runs through the first and / or second mirror element SP1 and SP2 where the undercut U in the carrier substrate TS is to be formed outside the through opening NA or already is. It is also possible that the vertical sacrificial layer etching openings are partially or all covered by the compressively braced material KV or due to the tensile material TV extend. In the first and / or second mirror element SP1 and SP2 can be beneficial outdoors FROM , or also in the AufB area, AufB, laterally inwards on the compressively or tensile-tensioned material KV or TV an inner vertical border InB and laterally outwards on the compressively or tensile-tensioned material KV or TV connect an outer vertical edge AuB directly. Alternatively, it is also possible for these edges to be spaced apart from the tensile or compressively braced material or to be formed between the tensile and compressively braced material. The borders InB and AuB advantageously separate the strained area from the surrounding areas. The outer area AB and the hanging area AufB advantageously separate the inner area of the mirror elements with the through opening NA of the numerical aperture mechanically, with respect to their bracing, from an area lying further outside the hanging area AufB, or even from the hanging area AufB itself, which is advantageous Actuating electrodes can be arranged in this outer area or can be operatively connected to it. Thus, the bracing of the optical areas of the mirror elements is advantageously decoupled from that of the m actuation area, so that the gas / air / vacuum gap can be kept constant even during actuation.

Zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 können vorteilhaft Abstandshalter AH angeordnet sein, welche die Wellenlängenverzögerungsschichten innerhalb des ersten und/oder des zweiten Spiegelelements SP1 oder SP2 auf einer konstanten Distanz des Spalts LS halten. Diese Abstandshalter AH können das Material der Wellenlängenverzögerungsschichten oder ein anderes anwendbares Material umfassen. Im Außenbereich AB und/oder Aufhängebereich AufB kann eine Vielzahl von vertikalen Opferschichtätzöffnungen 3 in einem oder beiden Spiegelelementen SP1 und SP2, angeordnet sein, um die Unterätzung U unterhalb des Spiegelelements SP1 auszuprägen. In Bereichen, in denen kein kompressiv oder tensil verspanntes Material angeordnet ist, kann bei den vertikalen Opferschichtätzöffnungen 3 auch auf die vertikale Berandung verzichtet werden.Between the wavelength retardation layers LS1 and LS2 Spacers AH can advantageously be arranged which cover the wavelength delay layers within the first and / or the second mirror element SP1 or SP2 keep at a constant distance of the gap LS. These spacers AH can be the material of the wavelength retardation layers or another include applicable material. A large number of vertical sacrificial layer etching openings can be found in the outer area AB and / or hanging area AufB 3 in one or both mirror elements SP1 and SP2 , be arranged around the undercut U below the mirror element SP1 stamp out. In areas in which no compressively or tensile-tensioned material is arranged, the vertical sacrificial layer etching openings can 3 the vertical border can also be dispensed with.

Das kompressiv verspannte Material KV kann vorteilhaft von der inneren Berandung InB und der äußeren Berandung AuB lateral nach innen und außen ummantelt sein, und als eine Opferschicht, etwa SiO2 umfassend, zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 im Außenbereich AB eingebettet sein.The compressively braced material KV can advantageously be encased laterally inwards and outwards by the inner boundary InB and the outer boundary AuB, and as a sacrificial layer, for example comprising SiO 2 , between the wavelength delay layers LS1 and LS2 be embedded in the outside area AB.

Der Bereich des ersten Spiegelelements SP1 und/oder zweiten Spiegelelements SP2 im Bereich über der Durchgangsöffnung NA kann vorteilhaft ohne oder nur mit wenigen Abstandshaltern zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 und/oder zwischen den Spiegelelementen SP1 und SP2 ausgeformt sein, was vorteilhaft den optisch nutzbaren Bereich vergrößert, da somit eine optische Beeinträchtigung des einfallenden Lichts und deren Transmission durch die Abstandshalter AH verringert werden kann oder entfallen kann. Die Abstandshalter AH können vorteilhaft bei einer ausreichenden Zugspannung durch das kompressiv oder tensil verspannte Material auf den inneren Bereich entfallen. Der Außenbereich AB und/oder der Aufhängebereich AufB können so vorteilhaft einen Spannring um die Durchgangsöffnung NA mit der numerischen Apertur ausbilden.The area of the first mirror element SP1 and / or second mirror element SP2 in the area above the passage opening NA can advantageously be used without or only with a few spacers between the wavelength delay layers LS1 and LS2 and / or between the mirror elements SP1 and SP2 be formed, which advantageously enlarges the optically usable area, since an optical impairment of the incident light and its transmission through the spacers AH can be reduced or eliminated. The spacers AH can advantageously be omitted if there is sufficient tension due to the compressively or tensile-tensioned material on the inner area. The outer area AB and / or the hanging area AufB can thus advantageously form a clamping ring around the through opening NA with the numerical aperture.

Weiter außen im Aufhängebereich AufB kann zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 ein Füllmaterial oder wiederum das kompressiv oder tensil verspannte Material angeordnet sein. Ansonsten umfasst der Spalt LS im Bereich außerhalb der verspannten Materialien vorteilhaft ein Gas, Luft oder Vakuum. In der Ausführungsform der 1 durchläuft ein einfallendes Licht die Durchgangsöffnung NA vorteilhaft von unten nach oben. Der Abstand d zwischen dem ersten und zweiten Spiegelelement SP1 und SP2 bildet vorteilhaft einen optischen Spalt.Further out in the suspension area AufB can be between the wavelength retardation layers LS1 and LS2 a filling material or in turn the compressively or tensile-tensioned material can be arranged. Otherwise, the gap LS advantageously comprises a gas, air or vacuum in the area outside the strained materials. In the embodiment of the 1 An incident light advantageously passes through the opening NA from bottom to top. The distance d between the first and second mirror elements SP1 and SP2 advantageously forms an optical slit.

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic cross section through a Fabry-Perot interferometer unit according to a further embodiment of the present invention.

Das Ausführungsbeispiel der 2 zeigt einen vergrößerten Bereich des Trägersubstrats TS und des ersten sowie des zweiten Spiegelelements SP1 und SP2, in einem Außenbereich AB und einem Aufhängebereich AufB. Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich vorteilhaft dadurch von dem Ausführungsbeispiel der 1, dass sowohl im ersten wie auch im zweiten Spiegelelement SP1 und SP2 zwischen der inneren vertikalen Berandung InB und bis in den Bereich bis außerhalb des unterätzten Bereichs ein tensil verspanntes Material an Stelle des Materials der Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 ausgeformt sein kann. Hierbei ist es auch möglich, dass eine lokal strukturierte Schicht Z aus tensil verspanntem Material TV auf den Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 bereichsweise im Außenbereich beider Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 beider Spiegelelemente SP1 und SP2 angeordnet werden kann, oder das Material der Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 in diesem Bereich zu einem tensil verspannten Material TV modifiziert werden kann, etwa durch Silizidbildung. Die vertikale Ätzöffnung 3 kann im tensil verspannten Material TV in beiden Spiegelelementen SP1 und SP2 und zueinander an gleicher lateraler Position angeordnet sein und vorteilhaft eine eigene Berandung gegenüber dem tensil verspannten Material TV umfassen, etwa aus dem Material der Wellenlängenverzögerungsschichten LS1 und LS2 oder einem anderen Ätzstoppmaterial. Zwischen den Schichten Z des tensil verspannten Materials TV bleibt die Dimension des Spalts LS vorteilhaft gleich wie außerhalb des Außenbereichs AB.The embodiment of the 2 shows an enlarged area of the carrier substrate TS and the first and the second mirror element SP1 and SP2 , in an outdoor area AB and a hanging area AufB. The embodiment of the 2 differs advantageously from the embodiment of FIG 1 that both in the first and in the second mirror element SP1 and SP2 between the inner vertical edge InB and into the area outside the undercut area, a tensile material instead of the material of the wavelength retardation layers LS1 and LS2 can be formed. It is also possible here for a locally structured layer Z to be made of tensile material TV on the wavelength retardation layers LS1 and LS2 in areas in the outer area of both wavelength delay layers LS1 and LS2 both mirror elements SP1 and SP2 can be arranged, or the material of the wavelength retardation layers LS1 and LS2 in this area to a tensile material TV can be modified, for example by silicide formation. The vertical etch opening 3 can be tensioned in tensile material TV in both mirror elements SP1 and SP2 and be arranged at the same lateral position with respect to one another and advantageously comprise their own border with respect to the tensile-braced material TV, for example made of the material of the wavelength delay layers LS1 and LS2 or another etch stop material. Between the layers Z of the tensile material TV remains the dimension of the gap LS advantageously the same as outside AB.

3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic plan view of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment of the present invention.

Die Draufsicht zeigt den Außenbereich AB und den Aufhängebereich AufB, welche vorteilhaft mit dem tensil und/oder kompressiv verspannten Material KV oder TV einen Spannring als Ringbereich R um den Innenbereich der Spiegelelemente mit deren Durchgangsöffnung NA ausformen können. In der 3 wird zwar nur ein tensil und/oder kompressiv verspanntes Material TV oder KV im Außenbereich AB gezeigt, wobei der innere Bereich des Außenbereichs auch frei von tensilem oder kompressivem Material sein kann, es ist jedoch auch eine Verteilung der verspannten Materialien im ganzen Außen- und Aufhängebereich möglich. Zur vorteilhaft bereichsweisen Freiätzung der Spiegelelemente vom Trägersubstrat sind vorteilhaft kreisförmige vertikale Opferschichtätzöffnungen 3 im Außenbereich AB und Aufhängebereich AufB ausgeformt. Das verspannte Material kann vorteilhaft auch in einem lateral weiter außerhalb gelegenen Bereich der Spiegelelemente ausgeformt sein. Die 3 zeigt weiterhin die Positionen der möglichen Abstandshalter AH zwischen den Wellenlängenverzögerungsschichten. Der Ringbereich R kann vorteilhaft in einem oder in beiden Spiegelelementen SP1 und SP2 ausgeformt sein.The top view shows the outer area AB and the hanging area AufB, which advantageously with the tensile and / or compressively braced material KV or TV a clamping ring as a ring area R around the inner area of the mirror elements with their through opening N / A can shape. In the 3 is only a tensile and / or compressively tensioned material TV or KV shown in the outer area AB, the inner area of the outer area can also be free of tensile or compressive material, but it is also possible to distribute the strained materials throughout the outer and hanging area. Circular vertical sacrificial layer etching openings are advantageously used to etch the mirror elements from the carrier substrate in regions 3 molded in the outside area AB and hanging area AufB. The braced material can advantageously also be formed in a region of the mirror elements that is laterally further outside. The 3 also shows the positions of the possible spacers AH between the wavelength retardation layers. The ring area R can advantageously in one or in both mirror elements SP1 and SP2 be formed.

4 zeigt eine schematische Abfolge der Schritte des Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 4 shows a schematic sequence of the steps of the method according to an embodiment of the present invention.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt S1 ein Bereitstellen eines Trägersubstrats; in einem Verfahrensschritt S2 ein Aufbringen eines ersten Spiegelelements mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht sowie ein Abscheiden einer Opferschicht mit einer Dicke d; in einem Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Aufbringen eines zweiten Spiegelelements mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht planparallel über dem ersten Spiegelelement und auf der Opferschicht , wobei das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement in einem Außenbereich ein kompressiv verspanntes Material und/oder ein tensil verspanntes Material in und/oder zwischen deren Spiegelschichten umfassen; und in einem Verfahrensschritt S4 erfolgt ein Einbringen einer Durchgangsöffnung in das Trägersubstrat unterhalb des ersten und des zweiten Spiegelelements senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Spiegelelemente sowie Entfernen der Opferschicht zwischen den Spiegelelementen mittels eines Opferschichtätzverfahrens und Ausbilden einer Unterätzung unterhalb des ersten Spiegelelements in einem Außenbereich im Trägersubstrat lateral um die Durchgangsöffnung herum, mittels eines Opferschichtätzverfahrens durch vertikale Opferschichtätzöffnungen in dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement.The method for producing a Fabry-Perot interferometer unit is carried out in a first process step S1 providing a carrier substrate; in one process step S2 an application of a first mirror element with at least two plane-parallel mirror layers and an intermediate low-refractive layer and a deposition of a sacrificial layer with a thickness d; in one process step S3 A second mirror element is applied with at least two plane-parallel mirror layers and an intermediate low-refractive layer plane-parallel above the first mirror element and on the sacrificial layer, the first mirror element and / or the second mirror element being a compressively braced material and / or a tensile braced material in an outer region include in and / or between their mirror layers; and in one process step S4 a through opening is introduced into the carrier substrate below the first and second mirror elements perpendicular to a main direction of extension of the mirror elements, and the sacrificial layer between the mirror elements is removed by means of a sacrificial layer etching process and an undercut is formed below the first mirror element in an outer region in the carrier substrate laterally around the through opening, by means of a sacrificial layer etching method through vertical sacrificial layer etching openings in the first mirror element and the second mirror element.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been completely described above on the basis of the preferred exemplary embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many ways.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (14)

Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP), umfassend - ein Trägersubstrat (TS) mit einer Durchgangsöffnung (NA), wobei die Durchgangsöffnung (NA) eine numerische Apertur aufweist, - ein erstes Spiegelelement (SP1) und ein zweites Spiegelelement (SP2), welche übereinander auf dem Trägersubstrat (TS) angeordnet und beabstandet voneinander sind, wobei das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) die Durchgangsöffnung (NA) abdecken, und das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) jeweils einen dielektrischen Bragg-Spiegel umfassen, welcher zumindest zwei zueinander planparallele hochbrechende Spiegelschichten (LS1; LS2) und eine dazwischenliegende niedrigbrechende Spiegelschicht (LSP) umfasst, wobei das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2), - einen Außenbereich (AB) umfassen, welcher lateral außerhalb der Durchgangsöffnung (NA) an diese anschließt und frei von mechanischem Kontakt mit dem Trägersubstrat (TS) ist; und - einen Aufhängebereich (AufB) umfassen, welcher lateral außerhalb des Außenbereichs (AB) an diesen anschließt, und mit dem Trägersubstrat (TS) in mechanischem Kontakt steht,, wobei der der Außenbereich (AB) und/oder der Aufhängebereich (AufB) ein Material mit einem anderen Verspannungszustand umfasst als die erste und die zweite Spiegelschicht (LS1; LS2) in einem Bereich der Durchgangsöffnung (NA).Fabry-Perot Interferometer Unit (FP) comprising a carrier substrate (TS) with a through opening (NA), the through opening (NA) having a numerical aperture, a first mirror element (SP1) and a second mirror element (SP2), which are arranged one above the other on the carrier substrate (TS) and are spaced apart from one another, the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2) covering the through opening (NA), and the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2) each comprise a dielectric Bragg mirror, which comprises at least two plane-parallel high-index mirror layers (LS1; LS2) and an intermediate low-index mirror layer (LSP), the first mirror element (SP1 ) and the second mirror element (SP2), - comprise an outer region (AB) which connects laterally outside the through opening (NA) and is free from mechanical contact with the carrier substrate (TS); and - Include a suspension area (AufB), which connects laterally outside of the outer area (AB), and is in mechanical contact with the carrier substrate (TS), the outer area (AB) and / or the hanging area (AufB) being a material with a different tension state than the first and the second mirror layer (LS1; LS2) in a region of the through opening (NA). Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 1, wobei die niedrigbrechende Spiegelschicht als Gas-, Luft- oder Vakuum-Spalt ausgeführt ist.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 1 , wherein the low-index mirror layer is designed as a gas, air or vacuum gap. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) verkapselt ist und als MEMS-Bauteil ausgeformt ist.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 1 or 2 , the Fabry-Perot interferometer unit (FP) being encapsulated and shaped as a MEMS component. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Außenbereich (AB) die Durchgangsöffnung (NA) ringförmig umläuft.Fabry-Perot interferometer unit (FP) according to one of the Claims 1 to 3 , in which the outer area (AB) surrounds the through opening (NA) in a ring. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Außenbereich (AB) ein kompressiv verspanntes Material (KV) umfasst, welches im ersten Spiegelelement (SP1) und/oder im zweiten Spiegelelement (SP2) zwischen den Spiegelschichten (LS1; LS2) angeordnet ist, und einen Ringbereich (R) um die Durchgangsöffnung (NA) herum bildet.Fabry-Perot interferometer unit (FP) according to one of the Claims 1 to 4 , in which the outer region (AB) comprises a compressively braced material (KV), which is arranged in the first mirror element (SP1) and / or in the second mirror element (SP2) between the mirror layers (LS1; LS2), and a ring region (R) around the through opening (NA). Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 5, bei der das kompressiv verspannte Material (KV) SiO2 umfasst.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 5 , in which the compressively braced material (KV) comprises SiO 2 . Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Ringbereich (R) in lateraler Richtung eine innere vertikale Berandung (InB) und eine äußere vertikale Berandung (AuB) umfasst.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 5 or 6 , in which the ring area (R) comprises an inner vertical border (InB) and an outer vertical border (AuB) in the lateral direction. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Außenbereich (AB) im ersten Spiegelelement (SP1) und/oder im zweiten Spiegelelement (SP2) ein tensil verspanntes Material (TV) umfasst.Fabry-Perot interferometer unit (FP) according to one of the Claims 1 to 7 , in which the outer area (AB) in the first mirror element (SP1) and / or in the second mirror element (SP2) comprises a tensile material (TV). Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 5 und 6, bei der das tensil verspannte Material (TV) lateral nach außen um das kompressiv verspannte Material (KV) anschließt.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 5 and 6 , in which the tensile tensioned material (TV) connects laterally outwards around the compressively tensioned material (KV). Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 8 oder 9, bei der das tensil verspannte Material (TV) als eine lokal strukturierte Schicht (Z) in oder auf dem ersten Spiegelelement (SP1) und/oder zweiten Spiegelelement (SP2) ausgeformt ist.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 8 or 9 , in which the tensile material (TV) is formed as a locally structured layer (Z) in or on the first mirror element (SP1) and / or second mirror element (SP2). Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach Anspruch 8, 9 und/oder 10, bei der das tensil verspannte Material (TV) Si3N4, SiC, siliziumreiches Nitrid, SiCN, SiBCN oder SiBN umfasst.Fabry-Perot interferometer unit (FP) after Claim 8 . 9 and / or 10, in which the tensile-strained material (TV) comprises Si 3 N 4 , SiC, silicon-rich nitride, SiCN, SiBCN or SiBN. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Spiegelschichten (LS1; LS2) als Wellenlängenverzögerungsschicht (LS1; LS2) ausgeformt sind und jeweils eine niedrigbrechende λ/4-Schicht als polykristallines Silizium oder SiC umfasst, und der Spalt (LS) ein Gas oder ein Vakuum umfasst.Fabry-Perot interferometer unit (FP) according to one of the Claims 1 to 11 , in which the mirror layers (LS1; LS2) are formed as a wavelength retardation layer (LS1; LS2) and each comprise a low-refractive λ / 4 layer as polycrystalline silicon or SiC, and the gap (LS) comprises a gas or a vacuum. Verfahren zur Herstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (FP) umfassend die Schritte: S1) Bereitstellen eines Trägersubstrats (TS); S2) Aufbringen eines ersten Spiegelelements (SP1) mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten (LS1; LS2) und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht (LSP), sowie Abscheiden einer Opferschicht mit einer Dicke d; S3) Aufbringen eines zweiten Spiegelelements (SP2) mit zumindest zwei planparallelen Spiegelschichten (LS1; LS2) und einer dazwischenliegenden niedrigbrechenden Schicht (LSP) planparallel über dem ersten Spiegelelement (SP1) und auf der Opferschicht , wobei das erste Spiegelelement (SP1) und/oder das zweite Spiegelelement (SP2) in einem Außenbereich (AB) ein kompressiv verspanntes Material (KV) und/oder ein tensil verspanntes Material (TV) in und/oder zwischen deren Spiegelschichten (LS1; LS2) umfassen; und S4) Einbringen einer Durchgangsöffnung (NA) in das Trägersubstrat (TS) unterhalb des ersten und des zweiten Spiegelelements (SP1; SP2) senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Spiegelelemente (SP1; SP2) sowie Entfernen der Opferschicht zwischen den Spiegelelementen (SP1; SP2) mittels eines Opferschichtätzverfahrens und Ausbilden einer Unterätzung (U) unterhalb des ersten Spiegelelements (SP1) in einem Außenbereich (AB) im Trägersubstrat (TS) lateral um die Durchgangsöffnung (NA) herum, mittels eines Opferschichtätzverfahrens durch vertikale Opferschichtätzöffnungen (3) in dem ersten Spiegelelement (SP1) und dem zweiten Spiegelelement (SP2).A method for producing a Fabry-Perot interferometer unit (FP) comprising the steps: S1) providing a carrier substrate (TS); S2) applying a first mirror element (SP1) with at least two plane-parallel mirror layers (LS1; LS2) and an intermediate low-index layer (LSP), and depositing a sacrificial layer with a thickness d; S3) Application of a second mirror element (SP2) with at least two plane-parallel mirror layers (LS1; LS2) and an intermediate low-index layer (LSP) plane-parallel over the first mirror element (SP1) and on the sacrificial layer, the first mirror element (SP1) and / or the second mirror element (SP2) in an outer region (AB) comprises a compressively braced material (KV) and / or a tensile braced material (TV) in and / or between their mirror layers (LS1; LS2); and S4) introducing a through opening (NA) into the carrier substrate (TS) below the first and the second mirror element (SP1; SP2) perpendicular to a main direction of extent of the mirror elements (SP1; SP2) and removing the sacrificial layer between the mirror elements (SP1; SP2) by means of a sacrificial layer etching method and forming an undercut (U) below the first mirror element (SP1) in an outer region (AB) in the carrier substrate (TS) laterally around the through opening (NA), by means of a sacrificial layer etching method through vertical sacrificial layer etching openings (3) in the first mirror element (SP1) and the second mirror element (SP2). Verfahren nach Anspruch 13, bei dem im Verfahrensschritt S3 ein tensil verspanntes Material (TV) mittels eines Modifizierens des Materials der Spiegelschichten (LS1; LS2) ausgeformt wird, wobei die Modifikation mittels Silizidbildung aus einem polykristallinem Silizium zu NiSi2, TiSi2 oder PtSi2 erfolgt.Procedure according to Claim 13 , in which in step S3 a tensile material (TV) is formed by modifying the material of the mirror layers (LS1; LS2), the modification being carried out by means of silicide formation from polycrystalline silicon to NiSi 2 , TiSi 2 or PtSi 2 .
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