DE102018217054A1

DE102018217054A1 - Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, Interferometereinrichtung, Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, und Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung

Info

Publication number: DE102018217054A1
Application number: DE102018217054.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Marc Schmid; Reinhold Roedel; Benedikt STEIN; Christoph Schelling; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-09
Also published as: FR3087005B1; FR3087005A1; KR20200039568A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung (1) für eine Interferometereinrichtung (Int), umfassend eine Spiegelschicht (3) mit einer Verankerung (B), welche die Spiegelschicht (3) zumindest teilweise lateral umläuft; und ein Substrat (2), auf welchem die Verankerung (B) angebracht ist, wobei die Spiegelschicht (3) über die Verankerung (B) mechanisch eingespannt ist, und wobei die Verankerung (B) in einer Draufsicht auf das Substrat (2) eine Kurve (K) beschreibt, deren Radius azimuthal variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, und ein Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung.
Stand der Technik
Zur Miniaturisierung von durchstimmbaren spektralen Filtern lassen sich Fabry-Perot Interferometer (FPI) vorteilhaft in MEMS-Technologie realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln 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 Großteil der bekannten durchstimmbaren FPIs verwendet eine elektrostatische Aktuierung der Spiegel (im Gegensatz zur oben erwähnten piezoelektrischen Aktuierung), wobei die Spiegel oft als Membranen ausgelegt sind. Dabei wird eine Spannung zwischen zwei Elektroden angelegt, die sich auf der Ebene der beiden Spiegel befinden, sodass sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung beide Spiegel aufeinander zu bewegen. Übliche Membranspiegel umfassen zumindest ein teilweise leitfähiges Halbleitermaterial. Aufgrund der meist extremen Aspektverhältnisse (laterale Dimensionen der Spiegel, im Wesentlichen auch der optischen Apertur, verglichen mit den Schichtdicken) sind die auftretenden Rückstellkräfte aufgrund von Biegespannungen meist vernachlässigbar verglichen mit den Rückstellkräften durch Membranspannungen, die auf einer vorherrschenden tensilen Vorspannung beruhen.
Meist werden FPI Strukturen mikrostrukturtechnisch durch Opferschichtätzprozesse definiert und Membranspiegel freigestellt, wobei Perforationslöcher zum Einsatz kommen und den Ätzprozess steuern können. Dies unterliegt allerdings meist großen Prozessschwankungen bezüglich der Ätzrate. Die nötigen Einspannungen der FPI-Spiegelmembranen sind meist durch ein Reststück der Opferschicht realisiert, die beispielsweise ein Fotolack oder eine Oxidschicht ist. Aufgrund der hohen Prozessschwankungen beim Ätzprozess kommt es jedoch meist zu Schwankungen betreffend die Freistellung der Spiegel und damit auch zu verschiedenen Membrangrößen. Des Weiteren ist die Form der Ätzkante im Wesentlichen eine Reskalierung der Anordnung der Ätzlöcher, wodurch Designfreiheiten eingeschränkt werden können. Daher ist ein lateraler Ätzstopp für den Opferschichtätzprozess zur Reduktion der vorzuhaltenden Toleranzen und zur Erhöhung der Designfreiheiten technologisch hochgradig wünschenswert.
In der US 2012/050751 wird ein kontrollierbares Fabry-Perot-Interferometer in MEMS-Bauweise beschrieben. Das Interferometer umfasst Spiegelschichten jeweils als Membran. Die Spiegelschichten können auf einem Wafer angeordnet sein.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1, eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 6, ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 11 und ein Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung nach Anspruch 14.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung anzugeben, welche mit einer Verankerung eine Einspannung der Spiegelschicht oder der Spiegelmembran aufweist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung und Interferometereinrichtung angegeben, welche sich durch ein Ausprägen einer Einspannung für eine Spiegelschicht oder eine zumindest teilweise freigestellte Spiegelmembran auszeichnen. Während der Herstellung erlaubt die Verankerung vorteilhaft eine Definition eines Ätzstopps für ein Freistellungsverfahren der Spiegelschicht. Durch eine variierende radiale Form der Verankerung als Einspannung können vorteilhaft mögliche Einspannkräfte für die Spiegelschicht an der Verankerung gegenüber einer kreisrunden Ausgestaltung vergrößert sein, ohne dass es dabei zu einer signifikanten Reduktion der Spiegelplanarität kommt. Ein Vorteil der geschwungenen Einspannung kann eine Erhöhung der Stabilität im Vergleich zu etwa einer kreisrunden Einspannung sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung eine Spiegelschicht mit einer Verankerung, welche die Spiegelschicht zumindest teilweise lateral umläuft; und ein Substrat, auf welchem die Verankerung angebracht ist, wobei die Spiegelschicht über die Verankerung mechanisch eingespannt ist, und wobei die Verankerung in einer Draufsicht auf das Substrat eine Kurve beschreibt, deren Radius azimuthal variiert. Insbesondere ist die Verankerung die Spiegelschicht vollständig lateral umlaufend ausgebildet oder es ist die Verankerung die Spiegelschicht zumindest teilweise lateral umlaufend ausgebildet.
Um eine vorbestimmte oder erwünschte tensile Vorspannung halten beziehungsweise erreichen zu können, kann eine bestimmte Einspannung der Spiegelmembran, insbesondere der Spiegelschicht, nötig sein, welche die notwendige Einspannkraft aushalten kann, ohne signifikant nachzugeben und somit zu einer Reduktion der Spiegelplanarität bzw. Parallelität zu führen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umläuft die Verankerung die Spiegelschicht lateral vollständig und die Kurve beschreibt eine geschlossene Kurve.
Bei der Kurve kann es sich um eine im Wesentlichen geschlossenen Kurve handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung beschreibt die Kurve eine Sinusform, eine Zahnradform, eine Sägezahnform oder einen Polygonzug.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung ist die Verankerung als eine Einspannung für die Spiegelschicht auf dem Substrat ausgeformt.
Es kann beispielsweise durch eine Abscheidung entsprechender Materialien von Schichten der Spiegeleinrichtung intrinsisch eine laterale Zugspannung in dieser auf die Spiegeleinrichtung und auch auf die Einspannung ausgeübt werden.
Unter azimuthaler Richtung kann vorteilhaft eine Richtung innerhalb der Ebene der Spiegelschicht bei einer Draufsicht auf deren planparallele Ausdehnung verstanden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die Spiegelschicht eine tensile Vorspannung.
Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung eine erste Spiegeleinrichtung und im Wesentlichen parallel dazu angeordnet eine zweite Spiegeleinrichtung, wobei die erste Spiegeleinrichtung und/oder die zweite Spiegeleinrichtung eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfasst und zumindest einer der Spiegeleinrichtungen gegenüber der jeweils anderen Spiegeleinrichtung in einer Richtung senkrecht auf eine planare Ausdehnung deren Spiegelschicht beweglich angeordnet ist, so dass ein Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung variierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfassen die erste Spiegeleinrichtung und die zweite Spiegeleinrichtung jeweils ein eigenes Substrat oder eine der Spiegeleinrichtungen stellt das Substrat für die andere Spiegeleinrichtung dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfassen die erste Spiegeleinrichtung und die zweite Spiegeleinrichtung gleichzeitig ein gemeinsames Substrat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung erstreckt sich die zweite Spiegeleinrichtung lateral über die erste Spiegeleinrichtung hinaus und die erste Spiegeleinrichtung und die zweite Spiegeleinrichtung sind mit deren jeweiliger Verankerung auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die zweite Spiegeleinrichtung eine lateral geringere oder gleiche Ausdehnung wie die erste Spiegeleinrichtung und die zweite Spiegeleinrichtung ist mit deren Verankerung direkt auf der ersten Spiegeleinrichtung angeordnet und die erste Spiegeleinrichtung stellt selbst das Substrat der zweiten Spiegeleinrichtung dar.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung ein Bereitstellen eines Substrats; ein Aufbringen einer Opferschicht auf das Substrat; ein Ausprägen einer Grabenstruktur in der Opferschicht, welche sich vollständig durch die Opferschicht bis zum Substrat hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der Opferschicht eine Kurve beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; ein Einbringen eines Ätzstoppmaterials oder eines Spiegelmaterials in die Grabenstruktur; und ein Aufbringen eines Spiegelmaterials auf eine planare Oberseite der Opferschicht, so dass sich das Spiegelmaterial auf der planaren Oberseite lateral zwischen der Grabenstruktur und zumindest teilweise über der Grabenstruktur erstreckt.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der Spiegeleinrichtung und der Interferometereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Grabenstruktur derart ausgeprägt, dass diese in einer Draufsicht auf die Oberseite der Opferschicht eine geschlossene Kurve beschreibt, welche eine Sinusform, eine Zahnradform, eine Sägezahnform oder einen Polygonzug beschreibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird zumindest ein Ätzloch in die Spiegelschicht eingebracht und die Opferschicht zwischen dem Substrat und der Spiegelschicht mit einem Ätzverfahren zumindest teilweise entfernt.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung ein Bereitstellen einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung, wobei die erste Spiegeleinrichtung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Nachfolgend erfolgt ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht auf der ersten Spiegeleinrichtung; ein Ausprägen einer zweiten Grabenstruktur in der zweiten Opferschicht, welche sich vollständig durch die zweite Opferschicht bis zur ersten Spiegeleinrichtung hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der zweiten Opferschicht eine Kurve beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; ein Einbringen eines Ätzstoppmaterials oder eines Spiegelmaterials in die zweite Grabenstruktur; und ein Aufbringen eines Spiegelmaterials auf eine planare Oberseite der zweiten Opferschicht, so dass sich das Spiegelmaterial auf der planaren Oberseite der zweiten Opferschicht lateral zwischen der zweiten Grabenstruktur und zumindest teilweise über der zweiten Grabenstruktur erstreckt.
Die zweite Grabenstruktur kann sich vorteilhaft durch die zweite Opferschicht bis auf das gemeinsame Substrat der beiden Spiegeleinrichtungen erstrecken oder nur bis zur Spiegelschicht der ersten Spiegeleinrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1a , 1b, 1c und 1d jeweils einen schematischen seitlichen Querschnitt auf eine Spiegeleinrichtung während deren Herstellung nach einem Verfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2a , 2b, 2c und 2d jeweils einen schematischen seitlichen Querschnitt auf eine Spiegeleinrichtung während deren Herstellung nach einem Verfahren gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Draufsicht auf eine Kurve der Verankerung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 einen schematischen seitlichen Querschnitt von Spiegeleinrichtungen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 einen schematischen seitlichen Querschnitt von Spiegeleinrichtungen einer Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a , 1b, 1c und 1d zeigen jeweils einen schematischen seitlichen Querschnitt auf eine Spiegeleinrichtung während deren Herstellung nach einem Verfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Abfolge der 1a bis 1d zeigen eine erste Möglichkeit einer Ausgestaltung und Definition eines Ätzstopps, welchen die Verankerung B vorteilhaft darstellen kann.
In der 1a ist eine Opferschicht 4; 4b auf einem bereitgestellten Substrat 2 aufgebracht. Das Substrat 2 kann hierbei auch weitere Schichten umfassen. Die 1b zeigt einen weiteren Prozessschritt, nach welchem die Opferschicht 4, 4b strukturiert wird, wobei eine Grabenstruktur 5 in der Opferschicht 4 ausgeprägt wird. Diese Grabenstruktur 5 kann in einer Draufsicht eine Kurve beschreiben, deren Radius azimuthal variiert (3). In der 1c kann nun in einem weiteren Schritt ein Ätzstoppmaterial 6 in die Grabenstruktur 5 und auf die Opferschicht 4, 4b aufgebracht werden. Nach einem teilweisen Entfernen des Ätzstoppmaterials 6 von der Opferschicht 4 in 1d, beispielsweise durch Rückschleifen bzw. Polieren, kann eine im Wesentlichen planare Oberseite 4a der Opferschicht 4, 4b hergestellt werden, wobei das Ätzstoppmaterial 6 in der Grabenstruktur 5 verbleiben kann, sodass das Ätzstoppmaterial 6 eine planare Oberfläche mit der Oberseite 4a der Opferschicht 4 ausbilden kann.
Das Strukturieren kann beispielsweise durch ein Lithographieverfahren (gefolgt von einem Ätzverfahren) erfolgen. Die Ätzstoppschicht zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Ätzselektivität gegenüber der Opferschicht aus, wobei bei einer späteren Ätzung der Opferschicht das Ätzstoppmaterial ungeätzt verbleiben kann. In weiterer Folge kann eine Spiegelschicht (nicht gezeigt) auf der Opferschicht 4 und zumindest teilweise über der Ätzstoppschicht aufgebracht werden, wobei die Ätzstoppschicht dann eine Verankerung, etwa als Einspannung, der Spiegelschicht dienen kann. Anstatt des Rückschleifens kann auch ein selektiver Rückdünnungsschritt zur Planarisierung erfolgen, beispielsweise chemischmechanisches Polieren oder ein Ätzschritt.
Die Verankerung B dient vorteilhaft zur Membraneinspannung einer Spiegelschicht, welche die auftretenden Spannungen aufnehmen kann, ohne sich dabei signifikant zu verformen. Die planare Form der Oberfläche der Opferschicht und des Ätzstoppmaterials auf der Oberseite können vorteilhaft eine Einspannung definieren.
2a , 2b, 2c und 2d jeweils einen schematischen seitlichen Querschnitt auf eine Spiegeleinrichtung während deren Herstellung nach einem Verfahren gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 2a kann auf einem bereitgestellten Substrat 2 eine Opferschicht 4 (falls es sich um eine Ausbildung einer ersten Spiegeleinrichtung handelt); oder eine zweite Opferschicht 4b (falls es sich um eine Ausbildung einer zweiten Spiegeleinrichtung handelt) aufgebracht sein. Das Substrat 2 kann hierbei auch weitere Schichten umfassen, beispielsweise weitere Opferschichten oder eine Elektrodenschicht. In der Opferschicht 4, 4b kann eine Strukturierung erfolgt sein, wobei eine Grabenstruktur 5 in der Opferschicht 4 ausprägbar ist. Diese Grabenstruktur 5 kann in einer Draufsicht eine Kurve beschreiben, deren Radius bzw. Radialkoordinate azimuthal variiert (3).
Hierbei ist es auch möglich, dass die Kurve einen Randbereich mit einer Randbreite beschreibt, welcher radial eine Innenseite und eine Außenseite umfasst, welche in Draufsicht gleiche oder unterschiedliche radiale Kurvenformen oder Variationen von deren Radien umfassen können.
Die Ausführung der Spiegeleinrichtung 1 in der Herstellungsphase der 2a kann vorteilhaft jener der 1b entsprechen. Die Herstellung der Spiegeleinrichtung 1 unterscheidet sich im Ausführungsbeispiel der 2b dadurch von jenem der 1c, dass anstatt des Ätzstoppmaterials aus der 1c ein oder mehrere Spiegelmaterialien 7 auf die planare Oberseite 4a der Opferschicht 4 und in die Grabenstruktur 5 eingebracht werden kann. Die Spiegelschicht 3 kann auch mehrere Teilschichten umfassen.
Für den Fall, dass eine zweite Spiegeleinrichtung hergestellt wird, kann das Spiegelmaterial 7 auf eine im Wesentlichen planare Oberfläche 4c der zweiten Opferschicht 4b und in zweite Grabenstrukturen 5b auf- und eingebracht werden. Das aufgebrachte Spiegelmaterial 7 kann somit eine Spiegelschicht 3 auf der Opferschicht 4, 4b ausbilden, wobei dieses im Bereich der Grabenstruktur 5 eine Stufe in einer dem Substrat 2 abgewandten Oberseite aufweisen kann, was durch das Aufbringen bedingt sein kann. Das Spiegelmaterial 7 in der Grabenstruktur 5 und auf der planaren Oberfläche 4a der Opferschicht 4 können sich vorteilhaft an den Rändern der Grabenstruktur 5 zumindest teilweise oder ganz lateral überdecken. Das Spiegelmaterial 7 in der Grabenstruktur 5 stellt vorteilhaft eine Verankerung B in Form einer Einspannung der Spiegelschicht 3 auf dem Substrat 2 dar, da die Verankerung B vorteilhaft vertikal auf dem Substrat 2 fixiert sein kann. In der 2c wir der nächste Prozesschritt gezeigt, wobei eines oder mehrere Ätzlöcher L in die Spiegelschicht 3 eingebracht werden können, vorteilhaft zwischen einer Verankerung, welche eine geschlossene Kurve bilden kann (3), um mit einem Ätzprozess die Opferschicht 4, 4b unterhalb der Spiegelschicht 3 entfernen zu können (2d). Die Verankerung B weist mit dem Spiegelmaterial 7 vorteilhaft eine höhere Ätzresistenz auf als die Opferschicht, vorteilhaft höher als Oxide, etwa als Siliziumdioxid, wodurch die Verankerung B vorteilhaft als lateraler Ätzstopp wirken kann, wenn die Spiegelschicht 3 als Spiegelmembran freigestellt wird. Die lateralen Bereiche außerhalb der Verankerung B können verbleiben oder entfernt werden. Die Opferschicht unter der Spiegelschicht kann vorteilhaft vollständig entfernt werden. Der Ätzstopp kann auch gegen längere Ätzzeiten resistent sein. Durch dieses Verfahren kann vorteilhaft auf ein separateAbscheidung eines Ätzstoppmaterials sowie auf ein Rückdünnen, etwa durch aufwändiges Polieren, verzichtet werden. Das Spiegelmaterial kann direkt auf die Opferschicht und in die Gräben abgeschieden werden. Die Ätzlöcher können durch ein Strukturieren der Spiegelschicht erzeugt werden.
Durch den Ätzstopp kann die Definition der Membran, insbesondere ihres Durchmessers signifikant verbessert werden, da der Bereich der Freistellung der Spiegelschicht nicht mehr nur durch das Muster von Ätzlöchern sowie Prozessschwankungen bestimmt werden braucht, sondern durch den Verlauf des Ätzstopps selbst, sofern man einen ausreichend langen Ätzprozess verwendet.
Zur Ausübung einer tensilen Vorspannung, kann die Spiegelschicht 3 vorteilhaft vorgespannt sein/werden. Dazu ist die Verankerung B als Einspannung vorteilhaft dazu ausgelegt, eine entsprechend hohe Einspannkraft F = Aσ aufzunehmen. Hierbei ist A die Einspannfläche der Spiegelmembran und σ die Vorspannung . Diese Kraft kann auf die Einspannung (Verankerung B) radial wirken, wobei eine signifikante Deformation der Einspannungsstruktur (Verankerung B und Spiegelmembran) vermieden werden kann durch eine geschickte Gestaltung der Form. Eine in Radius variierende Verankerung kann eine höhere Steifigkeit gegenüber einem Verbiegen als eine einfache Kreisform, was vorteilhaft ist, auch wenn die Dicke der Spiegelmembran (und damit auch der Einspannung) gering ist. Dadurch kann eine hohe Planarität der Spiegelmembranmitte erzielt werden.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kurve der Verankerung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Ebenso denkbar sind auch Ausführungsformen bei denen der gebildete Graben (5, 5b der 2) auf der radial innenliegenden Seite eine in 3 beschriebene Kurve beschreibt und auf der Außenseite beispielsweise durch eine einfache Kreisform begrenzt wird.
In einer Draufsicht auf das Substrat kann die Verankerung, oder die Grabenstruktur, eine Kurve K, K2 bei zweiter Spiegeleinrichtung, beschreiben, deren Radius azimuthal variiert. Die Kurve K, K2 kann die Spiegelschicht lateral vollständig umlaufen und eine geschlossene Kurve beschreiben, welche eine Sinusform, eine Zahnradform, eine Sägezahnform oder einen Polygonzug beschreiben kann. Durch die Abweichung von einer Kreisform kann beim Umlauf vorteilhaft mehr Verankerungskontakt mit dem Substrat an radial unterschiedlichen Positionen vorhanden sei, wodurch eine höhere Einspannkraft auf das Substrat übertragbar sein kann, mit anderen Worten eine stärker versteifte Membraneinspannung oder Spiegeleinspannung realisierbar sein kann. Es kann mit anderen Worten eine Steifigkeit bezüglich eines radialen Zugs erhöht werden. Die Form der Kurve K kann verschiedene Varianten umfassen und beispielsweise in Polarkoordinaten nach r(<p) dargestellt ist, wobei sich im Zusammenhang zum x und y-Wert der Berandungslinie über die übliche Koordinatentransformation x = r(φ)cosφ; y = r(φ) sinφ ergeben.
Die Kurve kann auch größtenteils azimuthal eine periodische Struktur aufweisen. Eine Unterbrechung der Periodizität kann möglich sein, falls z.B. Durchführungen von elektrischen Zuleitungen der Spiegeleinrichtung eine weitere Art der Strukturierung benötigen. Gegenüber einer Kreisbahn oder einem nichtmodulierten Radius kann die Steifigkeit der Einspannung vorteilhaft signifikant verbessert (erhöht) werden.
4 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt von Spiegeleinrichtungen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Auf einem Substrat 2 können eine erste Spiegeleinrichtung SP1 und eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, oder auch mehrere, sich zumindest teilweise übereinander erstreckend, angeordnet werden um eine Interferometereinrchtung Int, vorteilhaft ein Fabry-Perot-Interferometer, etwa als Mikrospektrometer, zu bilden. Gemäß der 4a können beide Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 auf einem gemeinsamen und selben Substrat 2 angeordnet werden. Hierbei kann die erste Spiegeleinrichtung eine Verankerung B1 auf dem gemeinsamen Substrat 2 umfassen und die zweite Spiegeleinrichtung SP2 kann eine zweite Verankerung B2 auf dem gemeinsamen Substrat 2 umfassen, wobei die Verankerungen B1 und B2 lateral versetzt zueinander angeordnet werden können. Die Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 können um einen Abstand d zwischen deren Spiegelschichten (Membranen) voneinander beabstandet sein. Es ist hierbei möglich, dass zumindest eine der Spiegelmembranen gegenüber der anderen aktuierbar ist, also der Abstand d variierbar ist, beispielsweise mittels Aktuationselektroden, welche in oder auf der Spiegelmembran und lateral innerhalb der Verankerung B1, B2 angeordnet sein können (nicht gezeigt), ebenso bei der 4b. Eine Aktuation der Spiegeleinrichtung kann beispielsweise elektrostatisch erfolgen. Sowohl die 4a als auch die 4b zeigen laterale Abschnitte der Spiegeleinrichtungen um deren Verankerungen herum, wobei sich die Spiegelmembranen weiter in x-Richtung erstrecken können. Hierbei ist es möglich, dass jede oder eine der Spiegeleinrichtungen eine freigestellte Spiegelmembran oder eine Spiegelschicht auf einer noch verbliebenen Opferschicht (nicht gezeigt) umfassen kann.
Die 4b zeigt hingegen eine Ausführungsform, nach welcher die zweite Spiegeleinrichtung SP2 vollständig und mit deren zweiter Verankerung B2 auf der ersten Spiegeleinrichtung SP1 angeordnet ist. Beide können eine gleiche laterale Ausdehnung umfassen (nicht gezeigt) oder die zweite Spiegeleinrichtung SP2 kann eine geringere, und/oder zumindest lateral versetzte Ausdehnung umfassen. Dadurch kann die erste Spiegeleinrichtung selbst mit deren Spiegelschicht als Substrat für die zweite Spiegeleinrichtung dienen, auf welcher dann der erfindungsgemäße Herstellungsprozess für die zweite Spiegeleinrichtung 1 SP2 erfolgen kann. Hierbei ist es möglich, dass jede oder eine der Spiegeleinrichtungen eine freigestellte Spiegelmembran oder eine Spiegelschicht auf einer noch verbliebenen Opferschicht (nicht gezeigt) umfassen kann. Die Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 können vollständige Spiegelsysteme umfassen, mit anderen Worten können diese auch selbst wieder Schichtsysteme aus einzelnen Schichten umfassen, etwa Braggspiegel mit Si/SiN oder Si/SiCN-Schichtstapeln oder Metallspiegel. Des Weiteren sind auch Braggspiegel mit einem Gas oder Vakuum als niedrigbrechendem Material denkbar, beispielsweise Si/Luft-Spiegel, bei denen die beiden Silizium Schichten eines Spiegels beabstandet sein können. Im Bereich der Einspannung können die beiden Silizium-Teilschichten einer Spiegeleinrichtung durch geeignetes Entfernen der Opferschicht in diesem Bereich aufeinander aufgebracht werden.
5 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt von Spiegeleinrichtungen einer Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellung der 5 kann beispielsweise eine Anordnung der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 auf der ersten Spiegeleinrichtung SP1 zeigen, welche nach dem Beispiel der 4a ausformbar sind, mit dem Unterschied, dass sich zwischen den beiden Verankerungen B1 und B2 noch ein Teil der Opferschicht 4, 4b befinden kann. Bei der Herstellung kann durch eine zusätzliche Strukturierung der zweiten Opferschicht 4b dann ein Verbindungselement VS hergestellt werden, welches in einen weiteren Graben der zweiten Opferschicht eingebracht werden kann (nicht gezeigt). Dieser Graben kann wiederum mit dem Spiegelmaterial der zweiten Spiegeleinrichtung, ähnlich der Verankerung, aufgefüllt werden, allerdings sich nur bis zur Spiegelschicht der ersten Spiegeleinrichtung erstrecken (konformer Abscheidungsprozesse). Zwischen den Spiegeleinrichtungen können mehrere solcher Verbindungselemente vorhanden sein, vorteilhaft außerhalb eines Aktuationsbereichs oder optischer Apertur der Spiegelschicht.
In einer anderen Ausführungsform kann der Aufbau aus der 5 auch für eine jeweilige Spiegeleinrichtung zutreffen, welche zwei Spiegelschichten 3a und 3b mit jeweils einer Verankerung umfasst, welche eine gemeinsame Verankerung B bilden kann.
Der Teil der Opferschicht 4, 4b zwischen den Verankerungen kann eine Stabilisierung der Verankerung und deren Position zueinander bewirken.
Zwischen den Spiegelschichten kann ein Luftspalt vorhanden sein. Des Weiteren ist auch eine Fortsetzung dieses Prinzips mit weiteren Spiegelteilmembranen denkbar, das heißt, dass ein einzelner Si/Luft-Spiegel aus weiteren Si/Luft-Schichtpaaren bestehen kann.
Durch eine solche Anordnung der Opferschicht 4, 4b zwischen den Verankerungsbereichen B1, B2 kann die Opferschicht 4, 4b im Bereich der Einspannungen vor dem Ätzen geschützt werden. Ein solches Verfahren ist auch für weitere Spiegeltypen denkbar wie Si/SiN (Silizium, Siliziumnitrid) und Si/SiCN (Siliziumkarbonnitrid) Schichtstapeln.
6 zeigt eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Substrats; ein Aufbringen S2 einer Opferschicht auf dem Substrat; ein Ausprägen S3 einer Grabenstruktur in der Opferschicht, welche sich vollständig durch die Opferschicht bis zum Substrat hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der Opferschicht eine Kurve beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; ein Einbringen S4 eines Ätzstoppmaterials oder eines Spiegelmaterials in die Grabenstruktur; und ein Aufbringen S5 eines Spiegelmaterials auf eine planare Oberseite der Opferschicht, so dass sich das Spiegelmaterial auf der planaren Oberseite lateral zwischen der Grabenstruktur und zumindest teilweise über der Grabenstruktur erstreckt.
In weiterer Folge kann in einem Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung, ein Bereitstellen S6 einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung erfolgen, wobei die erste Spiegeleinrichtung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Nachfolgend erfolgt ein Aufbringen S7 einer zweiten Opferschicht auf der ersten Spiegeleinrichtung; ein Ausprägen S8 einer zweiten Grabenstruktur in der zweiten Opferschicht, welche sich vollständig durch die zweite Opferschicht bis zur ersten Spiegeleinrichtung hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der zweiten Opferschicht eine Kurve beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; ein Einbringen S9 eines Ätzstoppmaterials oder eines Spiegelmaterials in die zweite Grabenstruktur; und ein Aufbringen eines Spiegelmaterials auf eine planare Oberseite der zweiten Opferschicht, so dass sich das Spiegelmaterial auf der planaren Oberseite der zweiten Opferschicht lateral zwischen der zweiten Grabenstruktur und zumindest teilweise über der zweiten Grabenstruktur erstreckt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012050751 [0004]

Claims

Spiegeleinrichtung (1) für eine Interferometereinrichtung (Int), umfassend - eine Spiegelschicht (3) mit einer Verankerung (B), welche die Spiegelschicht (3) zumindest teilweise lateral umläuft; und - ein Substrat (2), auf welchem die Verankerung (B) angebracht ist, wobei die Spiegelschicht (3) über die Verankerung (B) mechanisch eingespannt ist, und wobei die Verankerung (B) in einer Draufsicht auf das Substrat (2) eine Kurve (K) beschreibt, deren Radius azimuthal variiert.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Verankerung (B) die Spiegelschicht (3) lateral vollständig umläuft und die Kurve (K) eine geschlossene Kurve beschreibt.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welcher die Kurve (K) eine Sinusform, eine Zahnradform, eine Sägezahnform oder einen Polygonzug beschreibt.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Verankerung (B) als eine Einspannung für die Spiegelschicht (3) auf dem Substrat (2) ausgeformt ist.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Spiegelschicht (3) eine tensile Vorspannung umfasst.
Interferometereinrichtung (Int) umfassend, eine erste Spiegeleinrichtung (SP1) und im Wesentlichen parallel dazu angeordnet eine zweite Spiegeleinrichtung (SP2), wobei die erste Spiegeleinrichtung (SP1) und/oder die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) eine Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst und zumindest einer der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) gegenüber der jeweils anderen Spiegeleinrichtung (SP1; SP2) in einer Richtung senkrecht auf eine planare Ausdehnung deren Spiegelschicht (3) beweglich angeordnet ist, so dass ein Abstand (d) zwischen der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) und der zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) variierbar ist.
Interferometereinrichtung (Int) nach Anspruch 6, bei welcher die erste Spiegeleinrichtung (SP1) und die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) jeweils ein eigenes Substrat (2) umfassen oder eine der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) das Substrat (2) für die andere Spiegeleinrichtung (SP2; SP1) darstellt.
Interferometereinrichtung (Int) nach Anspruch 6, bei welcher die erste Spiegeleinrichtung (SP1) und die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) gleichzeitig ein gemeinsames Substrat (2) umfassen.
Interferometereinrichtung (Int) nach Anspruch 8, bei welcher die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) sich lateral über die erste Spiegeleinrichtung (SP1) hinaus erstreckt und die erste Spiegeleinrichtung (SP1) und die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) mit deren jeweiliger Verankerung (B1; B2) auf dem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind.
Interferometereinrichtung (Int) nach Anspruch 8, bei welcher die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) eine lateral geringere oder gleiche Ausdehnung umfasst wie die erste Spiegeleinrichtung (SP1) und die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) mit deren Verankerung (B2) direkt auf der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) angeordnet ist und die erste Spiegeleinrichtung (SP1) selbst das Substrat (2) der zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer Spiegeleinrichtung (1) für eine Interferometereinrichtung (Int) umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) eines Substrats (2); - Aufbringen (S2) einer Opferschicht (4) auf dem Substrat (2); - Ausprägen (S3) einer Grabenstruktur (5) in der Opferschicht (4), welche sich vollständig durch die Opferschicht (4) bis zum Substrat (2) hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der Opferschicht (4) eine Kurve (K) beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; - Einbringen (S4) eines Ätzstoppmaterials (6) oder eines Spiegelmaterials (7) in die Grabenstruktur (5); und - Aufbringen (S5) eines Spiegelmaterials (7) auf eine planare Oberseite (4a) der Opferschicht (4), so dass sich das Spiegelmaterial (7) auf der planaren Oberseite (4a) lateral zwischen der Grabenstruktur (5) und zumindest teilweise über der Grabenstruktur (5) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Grabenstruktur (5) derart ausgeprägt wird, dass diese in einer Draufsicht auf die Oberseite der Opferschicht (4) eine geschlossene Kurve (K) beschreibt, welche eine Sinusform, eine Zahnradform, eine Sägezahnform oder einen Polygonzug beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem zumindest ein Ätzloch (L) in die Spiegelschicht (3) eingebracht wird und die Opferschicht (4) zwischen dem Substrat (2) und der Spiegelschicht (3) mit einem Ätzverfahren zumindest teilweise entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Interferometereinrichtung (Int), bei welchem ein Bereitstellen (S6) einer ersten Spiegeleinrichtung (SP1) und einer zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) erfolgt, wobei die erste Spiegeleinrichtung (SP1) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 hergestellt wird, und nachfolgend - ein Aufbringen (S7) einer zweiten Opferschicht (4b) auf der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) erfolgt; - ein Ausprägen (S8) einer zweiten Grabenstruktur (5b) in der zweiten Opferschicht (4b) erfolgt, welche sich vollständig durch die zweite Opferschicht (4b) bis zur ersten Spiegeleinrichtung (SP1) hindurch erstreckt und in einer Draufsicht auf eine Oberseite der zweiten Opferschicht (4b) eine Kurve (K) beschreibt, deren Radius azimuthal variiert; - ein Einbringen (S9) eines Ätzstoppmaterials (6) oder eines Spiegelmaterials (7) in die zweite Grabenstruktur (5b) erfolgt; und - ein Aufbringen (S10) eines Spiegelmaterials (7) auf eine planare Oberseite (4c) der zweiten Opferschicht (4b) erfolgt, so dass sich das Spiegelmaterial (7) auf der planaren Oberseite (4c) der zweiten Opferschicht (4b) lateral zwischen der zweiten Grabenstruktur (5b) und zumindest teilweise über der zweiten Grabenstruktur (5b) erstreckt.