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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines ersten Abstandes zwischen einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung in einer Interferometereinrichtung.
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Stand der Technik
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Übliche in Wellenlängen durchstimmbare miniaturisierte spektrale Filter können mittels MEMS-Technologie hergestellt werden und beispielsweise ein Fabry-Perot Interferometer (FPI) umfassen, welches eine Kavität umfasst und zwei planparallele, hochreflektierende Spiegel mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen umfasst und eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge kann durch elektrostatische oder piezoelektrische Aktuierung veränderbar sein, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht. Zur Anwendung des Fabry-Perot Filterelements als miniaturisiertes Spektrometer ist eine genaue Kenntnis über den Abstand beider Reflektoren zueinander nötig. Im Falle einer schnellen Aktuierung der Spiegel kann es äußerst wichtig sein, den Abstand zwischen diesen präzise bestimmen zu können. Dies kann durch eine konkrete Bestimmung des aktuellen Spiegelabstands durch einen separaten Positionssensor, z.B. in Form von zusätzlichen Kapazitäten mit veränderlichem Plattenabstand oder indirekt durch Piezowiderstände erfolgen. Bei derartigen Abstandsbestimmungen ist üblicherweise eine anfängliche Kalibration erforderlich, die im Fertigungswerk erfolgen kann. Wegen Einflüssen von Umweltbedingungen (z.B. Temperatur) und Alterung, kann eine entsprechende Kompensation oder Rekalibrierung notwendig sein.
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In der
EP 0 494 883 B1wird ein Verfahren zur Fabry-Perot-Spektroskopie beschrieben, welches zwei hintereinander angeordnete Fabry-Perot-Interferenzfilter zur Spektroskopie nutzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Bestimmen eines ersten Abstandes zwischen einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung in einer Interferometereinrichtung nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Interferometereinrichtung sowie ein Verfahren zur Abstandsbestimmung zwischen den Spiegeln der Interferometereinrichtung anzugeben, bei welcher/welchem der Abstand zwischen den Spiegeln durch reproduzierbare Änderungen an einer Filterwirkung eines Zusatzfilters ermittelbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung eine erste Spiegeleinrichtung und eine zweite Spiegeleinrichtung, welche um einen ersten Abstand voneinander beabstandet sind, wobei die erste Spiegeleinrichtung und/oder die zweite Spiegeleinrichtung bewegbar ist, so dass der erste Abstand variierbar ist; ein Substrat, wobei die erste Spiegeleinrichtung und die zweite Spiegeleinrichtung übereinander in einem optischen Bereich des Substrats angeordnet sind, und wobei der optische Bereich einen ersten Abstrahlbereich und einen zweiten Abstrahlbereich für eine von der ersten Spiegeleinrichtung und zweiten Spiegeleinrichtung durchgelassene elektromagnetische Strahlung umfasst, welche sich lateral nebeneinander erstrecken. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung eine Filtereinrichtung, welche in einem Lichtpfad des zweiten Abstrahlbereichs angeordnet ist und mittels welcher eine Durchlasscharakteristik für Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von dem ersten Abstand bestimmbar ist; und eine Detektoreinrichtung mit einem ersten Detektorbereich, welcher in einem Lichtpfad des ersten Abstrahlbereichs angeordnet ist und einem zweiten Detektorbereich, welcher im Lichtpfad des zweiten Abstrahlbereich angeordnet ist, wobei die Detektoreinrichtung dazu eingerichtet ist, im ersten Detektorbereich eine erste elektromagnetische Strahlung von der ersten und zweiten Spiegeleinrichtung zu detektieren und im zweiten Detektorbereich eine zweite elektromagnetische Strahlung von der Filtereinrichtung zu detektieren.
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Die Spiegeleinrichtungen können im Wesentlichen parallel übereinander angeordnet sein und zumindest eine davon in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zur Spiegeloberflächennormalen im Wesentlichen unter Wahrung derParalellität bewegt werden.
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Die Bestimmung und Veränderung des ersten Abstands kann vorteilhaft während des Betriebs der Interferometereinrichtung erfolgen. Des Weiteren ist es möglich, zusätzlich einen Positionssensor, wie etwa einen piezoelektrischen Positionssensor oder kapazitiven Positionssensor, zu verwenden, welcher in der Interferometereinrichtung umfasst sein kann. In Kombination mit dem Positionssensor kann die Abstandsbestimmung in deren Genauigkeit erhöht werden.
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Der optische Bereich kann vorteilhaft einen Mittelbereich des Substrats darstellen, mit anderen Worten dort, wo Licht in die Interferometereinrichtung einstrahlen kann oder diese durchstrahlen kann. Die beiden Abstrahlbereiche können vorteilhaft voneinander beabstandet sein und zumindest einen Detektionsbereich der Detektoreinrichtung abdecken. Die Detektoreinrichtung kann beispielsweise eine Intensität einer durch die Spiegeleinrichtungen transmittierten Strahlung, vorteilhaft Licht, über mehrere Wellenlängen messen. Der erste und der zweite Detektorbereich können getrennt voneinander betrieben werden ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Der erste Detektorbereich kann einen Hauptteil des aus der Interferometereinrichtung (den beiden Spiegeleinrichtungen) austretenden Lichts auffangen, da der erste Abstrahlbereich deutlich größer ausgeformt sein kann als der zweite Abstrahlbereich. Die erste und die zweite Spiegeleinrichtung können vorteilhaft ein Fabry-Perot-Interferometer verkörpern. Die Filtereinrichtung wirkt vorteilhaft als ein zusätzlicher Filter zum Fabry-Perot-Interferometer oder kann dessen Durchlasscharakteristik modifizieren, je nach Anordnung der Filtereinrichtung in der Interferometereinrichtung. Die Durchlasscharakteristik beschreibt vorteilhaft, bei welcher Wellenlänge die Interferometereinrichtung im zweiten Abstrahlbereich, also über die Filtereinrichtung, durchlässig ist und vorteilhaft innerhalb eines solchen Durchlässigkeitsbereichs ein Intensitätsmaximum bei einer bestimmten Wellenlänge aufweisen kann. Die bei einer solchen durchlässigen Wellenlänge vorherrschende Position der beiden Spiegel relativ zueinander kann vorteilhaft im zweiten Abstrahlbereich reproduzierbar sein. Als Abstrahlbereich wird jener Bereich der Spiegel bezeichnet, welcher zwar generell Strahlung transmittieren kann, jedoch diese in Relation zum nächsten Bauelement, also etwa zur Filtereinrichtung, abstrahlen kann, obwohl der Spiegel die Strahlung nicht selbst erzeugt.
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Im ersten Detektorbereich kann somit eine im normalen Interferometerbetrieb durchgelassene erste elektromagnetische Strahlung detektiert werden und im zweiten Detektorbereich eine zweite elektromagnetische Strahlung, wobei die zweite elektromagnetische Strahlung zur Abstandsbestimmung dienen kann und die erste elektromagnetische Strahlung zur Spektralanalyse der einfallenden Strahlung auf die Interferometereinrichtung dienen kann. Folglich kann vorteilhaft die Empfindlichkeit des ersten Detektorbereichs signifikant größer sein als die Empfindlichkeit des zweiten Detektorbereichs, da es beim zweiten Detektorbereich ausreichen kann, dass keine genaue Größe der Intensität gemessen werden muss sondern lediglich eine erkennbare Änderung der Größe der Intensität, was auf Durchlass-Maxima und Minima schließen lassen kann.
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Gegenüber separaten Positionssensoren erfordert eine Bestimmung des ersten Abstands über eine kalibrierte Filterwirkung und deren Abhängigkeit vom Spiegelabstand keine baulichen Veränderungen an der Interferometereinrichtung und wirkt sich vorteilhaft auf Platzanforderungen, erzeugter Topographie, und Verzicht auf zusätzlichen Materialaufwand aus. Des Weiteren kann ein breiterer Einsatz von unterschiedlichen Materialien erfolgen, da im Vergleich dazu der Einsatz bei piezoresistiven Sensoren nur für eine begrenzte Auswahl von Materialien geeignet sein kann.
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Durch die Anwendung der Filtereinrichtung kann eine Abstandsbestimmung direkt aus der anliegenden Aktuationsspannung an den Aktuationselektroden zum Aktuieren der Spiegel erfolgen. Da die Abstandsmessung keinen separaten Abstandsmesser, etwa piezoelektrisch, umfassen muss, können Störungseffekte wie parasitäre Kapazitäten oder Aufladungseffekte oder Alterungseffekte an den Abstandssensoren verringert werden.
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Es können bei der Filtereinrichtung also folglich ein oder mehrere Aktuationszustände bestehen, an welchen sich ein Signal an dem zweiten Detektorbereich (durch die Filtereinrichtung) unabhängig vom Signal am ersten Detektorbereich (durch die zwei Spiegeleinrichtungen ohne Filtereinrichtung) reproduzierbar signifikant ändern kann (es kann ausreichend sein lediglich das Bestehen der Änderung des Signals zu erkennen, die Änderung oder Empfindlichkeit des zweiten Detektorbereichs muss zumindest so groß sein), so dass die Signaländerungen mit dem ersten Abstand verbindbar sind und als Referenzpositionen zur Kalibration der Abstandsmessung nutzbar sein können. Die erste und zweite Spiegeleinrichtung können durch die Durchlasscharakteristik in Abhängigkeit vom ersten Abstand einen Filter bilden. Die Filtereinrichtung kann von diesen bekannten und durchgelassenen Wellenlängen wiederum weitere Wellenlängen wegfiltern. Je nach angelegter Aktuationsspannung an den Aktuationselektroden oder nach Aktuationszustand etwa bei anderen Aktuatoren kann dann eine Relation von erstem Abstand, welcher bei entsprechend detektierter gefilterter Wellenlänge bekannt ist, aus dieser Spannung oder dem Aktuationszustand ermittelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst diese eine Auswertungseinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung verbunden ist und dazu eingerichtet ist aus einem Signal von dem zweiten Detektorbereich die Durchlasscharakteristik der elektromagnetischen Strahlung an der Filtereinrichtung in Abhängigkeit vom ersten Abstand zu bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst diese eine elektrostatische Aktuatoreinrichtung mit Aktuationselektroden, und die Durchlasscharakteristik ist als eine Abhängigkeit einer zum Aktuieren notwendigen Aktuationsspannung vom ersten Abstand bestimmbar.
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Die Aktuatoreinrichtung kann auch piezoelektrisch sein.
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Die Ermittlung der Durchlasscharakteristik kann vorteilhaft vor der Messung am ersten Detektorbereich über einen bestimmten Wellenlängenbereich erfolgen, vorteilhaft über einen solchen, dass die von den Spiegeleinrichtungen einnehmbaren ersten Abstände vorteilhaft größtenteils alle bestimmbar sein können, insbesondere die Durchlasscharakteristik für diesen Abstandsbereich des ersten Abstands. Beispielsweise kann eine Aktuationsspannung für den jeweiligen ersten Abstand für eine Aktuation der Spiegeleinrichtungen vor/nach der Herstellung der Interferometereinrichtung bestimmt werden oder vor jeder Messung neu um kürzlich vor der Messung aufgetauchte Modifizierungen von erstem Abstand bei jeweiliger (Durchlass) Intensität zu ermitteln. Solche Modifizierungen können durch Umwelteinflüsse, Temperaturänderungen oder ähnlichem auftreten und bei neuer Kalibrierung (Messung) der Durchlasscharakteristik berücksichtigt werden. Die Auswertungseinrichtung kann eine separate Computereinheit in der Interferometereinrichtung umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst diese eine elektrostatische Aktuatoreinrichtung mit Aktuationselektroden an der ersten und/oder zweiten Spiegeleinrichtung, wobei durch die Aktuatoreinrichtung der erste Abstand über dem ersten Abstrahlbereich und über dem zweiten Abstrahlbereich gleichzeitig und in gleicher Weise veränderbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist der erste Abstand über dem ersten Abstrahlbereich stets gleich wie der erste Abstand über dem zweiten Abstrahlbereich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Filtereinrichtung eine dritte Spiegeleinrichtung, welche zwischen der ersten und der zweiten Spiegeleinrichtung oder außerhalb der ersten und der zweiten Spiegeleinrichtung und zwischen der ersten oder zweiten Spiegeleinrichtung und dem zweiten Detektorbereich angeordnet ist.
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Die dritte Spiegeleinrichtung kann die Bedingungen zum Durchlassen der Strahlung zum zweiten Detektorbereich verändern, vorteilhaft derart dass die Durchlasswellenlänge in Abhängigkeit vom ersten Abstand aus einer bekannten Relation ableitbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die dritte Spiegeleinrichtung in einem zweiten Abstand von der ersten Spiegeleinrichtung und in einem dritten Abstand von der zweiten Spiegeleinrichtung angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die dritte Spiegeleinrichtung unbeweglich angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Filtereinrichtung ein statisches Fabry-Perot-Interferometer, ein plasmonisches Filterelement oder absorbierende Partikel.
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Die Filtereinrichtung kann sich durch Abhängigkeiten des Absorptionsverhaltens vom ersten Abstand oder durch Extinktionsspektren, welche vom ersten Abstand abhängen, auszeichnen. Diese Absorptions- oder Extinktionscharakteristika, etwa schmale oder scharfe Linienformen, können vorteilhaft stabil über Zeit oder gegenüber Umwelteinflüssen sein. Das plasmonische Filterelement kann beispielsweise auch auf Fano-Resonanzen basieren. Absorbierende Strukturen können Nanopartikel, Nanostrukturen, Quantenpunkte, spezielle Moleküle, dielektrische Partikel oder weiteres umfassen. Als ein Element mit einem starken Extinktionsspektrum kann beispielsweise Erbium verwendet werden, welches in der Filtereinrichtung umfasst sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung bilden der erste Detektorbereich und der zweite Detektorbereich zwei getrennte Detektorkanäle der Detektoreinrichtung.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Bestimmen eines ersten Abstandes zwischen einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung in einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung ein Aktuieren zumindest der ersten Spiegeleinrichtung und/oder der zweiten Spiegeleinrichtung relativ und parallel zu der jeweils anderen Spiegeleinrichtung und dadurch ein Verändern des ersten Abstands; ein Ermitteln eines Signals einer von der ersten Spiegeleinrichtung und zweiten Spiegeleinrichtung und von der Filtereinrichtung durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung durch den zweiten Detektorbereich; ein Ermitteln einer Durchlasscharakteristik über einen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung aus dem Signal in Abhängigkeit von dem ersten Abstand; und ein Bestimmen des ersten Abstands bei einem nachfolgenden Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung und/oder der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Durchlasscharakteristik.
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Das Verfahren kann sich auch durch die in Verbindung mit der Interferometereinrichtung genannten Merkmale auszeichnen und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Aktuieren (S1) mit einer piezoelektrischen oder elektrostatischen Aktuatoreinrichtung, wobei bei der elektrostatischen Aktuatoreinrichtung das Aktuieren mit Aktuationselektroden erfolgt und bei der Durchlasscharakteristik eine Abhängigkeit einer zum Aktuieren notwendigen Aktuationsspannung vom ersten Abstand bestimmt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens speichert eine mit dem zweiten Detektorbereich verbundene Auswertungseinrichtung die Durchlasscharakteristik als Referenzwerte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Bestimmen des ersten Abstands aus einem Vergleichen einer aktuell an den Aktuationselektroden angelegten Aktuationsspannung mit den Referenzwerten.
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Es kann somit vorteilhaft genau bestimmt werden, bei welcher anliegenden Aktuationsspannung an den Aktuationselektroden welche Position der beiden Spiegeleinrichtungen zueinander gerade eingenommen ist, also der erste Abstand bestimmt werden. Bei jeder nachfolgenden Messung(en) kann auf diese so bestimmte Durchlasscharakteristik zurückgegriffen werden und nur aus der Aktuationsspannung der erste Abstand bestimmt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 umfasst eine erste Spiegeleinrichtung SP1 und eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, welche zueinander planparallel ausgerichtet sind und um einen ersten Abstand d12 voneinander beabstandet sind, wobei die erste Spiegeleinrichtung SP1 und/oder die zweite Spiegeleinrichtung SP2 bewegbar ist, so dass der erste Abstand d12 variierbar ist. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung ein Substrat 2, wobei die erste Spiegeleinrichtung SP1 und die zweite Spiegeleinrichtung SP2 übereinander in einem optischen Bereich OB des Substrats 2 angeordnet sind, und wobei der optische Bereich OB einen ersten Abstrahlbereich AB1 und einen zweiten Abstrahlbereich AB2 für eine von der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und zweiten Spiegeleinrichtung SP2 durchgelassene elektromagnetische Strahlung L umfasst, welche sich lateral nebeneinander erstrecken. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung eine Filtereinrichtung F, welche in einem Lichtpfad des zweiten Abstrahlbereichs AB2 angeordnet ist und mittels welcher eine Durchlasscharakteristik für Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung L in Abhängigkeit von dem ersten Abstand d12 bestimmbar ist; und eine Detektoreinrichtung 3 mit einem ersten Detektorbereich D1, welcher in einem Lichtpfad des ersten Abstrahlbereichs AB1 angeordnet ist und einem zweiten Detektorbereich D2, welcher im Lichtpfad des zweiten Abstrahlbereich AB2 angeordnet ist, wobei die Detektoreinrichtung 3 dazu eingerichtet ist, im ersten Detektorbereich D1 eine erste elektromagnetische Strahlung von der ersten und zweiten Spiegeleinrichtung SP1; SP2 zu detektieren und im zweiten Detektorbereich D2 eine zweite elektromagnetische Strahlung von der Filtereinrichtung F zu detektieren. Das Substrat 2 kann in diesem Fall eine massive Trägerstruktur darstellen. Alternativ kann das Substrat ein Durchloch umfassen, etwa im optischen Bereich OB (nicht gezeigt).
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In dem optischen Bereich OB kann das Substrat 2 vorteilhaft eine Strahlung aus der Interferometereinrichtung 1 sowie aus der Filtereinrichtung F an die Detektoreinrichtung 3 durchlassen, falls dafür die Bedingungen des ersten Spiegelabstands für die jeweilige Wellenlänge vorherrschen. Der optische Bereich OB kann an dem Substrat beispielsweise durch Blenden BL auf dem Substrat 2, etwa an einer Oberseite und/oder Unterseite des Substrats 2 definiert werden. In dem optischen Bereich kann sich einseitig oder beidseitig auf dem Substrat 2 eine antireflektive Schicht AR befinden. Die Spiegeleinrichtungen können jeweils eine oder mehrere Schichten, etwa einen dielektrischen Bragg-Spiegel, umfassen. Der erste Abstrahlbereich AB1 kann vorteilhaft einen Hauptanteil der durchgelassenen Strahlung L umfassen, wobei ein nur zu Abstandsmessungen notwendiger kleinerer Anteil in den zweiten Abstrahlbereich AB2 abgestrahlt werden kann. Eine der Spiegeleinrichtungen, im Falle der 1 die erste und dem Substrat 2 zugewandte Spiegeleinrichtung SP1, kann in einem außerhalb des optischen Bereichs OB liegenden Aktuationsbereich eine Aktuationselektrode EL umfassen. Diese kann beispielsweise als Ringelektrode ausgeführt sein und den optischen Bereich zumindest bereichsweise lateral umlaufen. Die erste Spiegeleinrichtung SP1 kann selbst auch in diesem Bereich Aktuationselektroden umfassen oder selbst elektrische leitfähig sein und an ein Gegenpotential zur Aktuierung anschließbar sein. Im Aktuationsbereich kann sich die Spiegeleinrichtung verzerren und somit die Spiegeleinrichtung im Mittelbereich, also im optischen Bereich OB, parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung und zur Substratoberfläche verschieben und den ersten Abstand verändern. Hierzu kann die erst e Spiegeleinrichtung SP1gegenüber dem Substrat 2 von der ersten Zwischenschicht Z1 zumindest im optischen Bereich und im Aktuationsbereich freigestellt sein. Es wäre jedoch auch möglich nur die zweite Spiegeleinrichtung entsprechend freizustellen.
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Ebenso könnte nur die zweite Spiegeleinrichtung SP2 aktuierbar sein. Auf diese Weise kann der Spiegel (die hochreflektive Schicht) sowohl im ersten Abstrahlbereich AB1 als auch im zweiten Abstrahlbereich AB2 gleichzeitig und in gleicher Art und Weise ausgelenkt werden. Die Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Spiegeleinrichtung SP1/SP2 kann durch einen Kontakt K durch eine Zwischenschicht Z1 oder Z2 erfolgen, welche die Spiegeleinrichtungen an lateralen Seite außerhalb des optischen Bereichs OB einspannen können. Im optischen Bereich OB sowie im Aktuationsbereich kann somit zumindest eine der Spiegeleinrichtungen von den Zwischenschichten Z1, Z2 (resultierend aus Opferschichten bei der Herstellung) freigestellt sein.
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Eine Auswertungseinrichtung AUS kann mit den Aktuationselektroden EL und mit der Detektoreinrichtung 3 sowie mit der Filtereinrichtung F verbunden sein.
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Die Filtereinrichtung F kann eine dritte Spiegeleinrichtung DP2 umfassen, welche beispielsweise auf dem Substrat 2 angeordnet sein kann.
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Im Ausführungsbeispiel der
1 kann die erste Spiegeleinrichtung
SP1 in gleicher Weise im ersten Abstrahlbereich
AB1 und im zweiten Abstrahlbereich
AB2 nach unten zum Substrat
2 hin ausgelenkt werden. Die Aktuation kann elektrostatisch oder in andere Weise, beispielsweise piezoelektrisch erfolgen. Die Filtereinrichtung
F kann vorteilhaft eine dritte Spiegeleinrichtung
SP3 umfassen. Die dritte Spiegeleinrichtung
SP3 stellt vorteilhaft eine zweite Fabry-Perot-Kavität dar. Die erste Fabry-Perot-Kavität (aus erster und zweiter Spiegeleinrichtung) sowie die zweite Fabry-Perot-Kavität stellen vorteilhaft beide eine Filtereinrichtung dar, welche unterschiedliche jedoch reproduzierbare Abhängigkeit zwischen Lichtdurchlasswellenlänge und Spiegelabstand aufweisen können. Für eine Interferenzbedingung an der dritten Spiegeleinrichtung
SP3 gilt vorteilhaft
wobei λ
m1m2 die transmittierte Wellenlänge,
d12 der momentane erste Abstand der ersten beiden Spiegel,
d23 der momentane Abstand zwischen der zweiten Spiegeleinrichtung
SP2 und der dritten Spiegeleinrichtung
SP3, θ der Einfallswinkel und m1 bzw. m2 natürliche Zahlen sind, die die Interferenzordnung darstellen, n1 und n2 sind die Brechungsindizes der Materialien zwischen den jeweiligen Spiegeln (hierbei wurde keine Phasenverschiebung bei der Reflexion berücksichtigt).
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In der Ausführung der 1 kann sich vorteilhaft Luft oder ein Vakuum zwischen den Spiegeleinrichtungen befinden, also n1=n2=1. Ein Lichtdurchlass am zweiten Abstrahlbereich AB2 durch die Filtereinrichtung F erfolgt vorteilhaft wenn die Bedingung
n1 d12/ m1 = n2 d23 / m2 erfüllt ist, was jedoch nur für bestimmte Positionen der Spiegel zueinander (Aktuationszustände) auftreten kann. Im zweiten Abstrahlbereich B2 können bei bestimmten Aktuationszuständen für mindestens eine Wellenlänge in beiden Fabry-Perot-Kavitäten gleichzeitig die Interferenzbedingungen erfüllt sein. Für eine Variation der Spiegelabstände d13, d12 und d23 bei einer Variation der Aktuationsspannung existieren vorteilhaft bestimmte Positionen, bei denen durch den zweiten Abstrahlbereich AB2 Licht transmittiert wird, während bei den meisten anderen Positionen (idealerweise) keine Transmission stattfindet. Ein zweiter Detektorbereich D2 kann diese Änderung der Transmission aufzeichnen, wobei es genügen kann, dass die Signalqualität am Detektor D2 nur ausreichen muss, um eine lokale Erhöhung der Intensität eindeutig messen zu können. Die Qualität (Signal-RauschVerhältnis) des zweiten Detektorbereichs D2 kann daher gegebenenfalls deutlich niedriger sein als die des ersten Detektorbereichs D1, dessen Signal zur spektroskopischen Auswertung dienen kann. Des Weiteren kann auch die Qualität oder Reflektivität der dritten Spiegeleinrichtung SP3 niedriger sein als die der ersten und/oder zweiten Spiegeleinrichtung.
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Für eine Auswertung kann idealerweise nach der Herstellung der Interferometereinrichtung eine Kalibration vorgenommen werden, wobei die messbaren Wellenlängen mit erhöhter Intensität am zweiten Detektorbereich D2 identifiziert werden können. Mittels einer solchen Kalibrierung können Fertigungstoleranzen der Schichtdicken in den Spiegeleinrichtungen ausgeglichen und berücksichtigt werden. Des Weiteren kann eine Aktuationsspannungs-zu-Wellenlängen-Kalibration erfolgen, wobei die Durchlasswellenlänge berücksichtigt werden kann. Im Betrieb der Interferometereinrichtung als Spektrometer kann eine Verschiebung der Spannungs-Wellenlängen-Kurve auftreten, beispielsweise durch Aufladungseffekte oder thermische Effekte. Mittels der Zuordnung der Referenzwellenlänge / Referenzposition durch die Messung am zweiten Detektorbereich D2 kann dies durch Rekalibrierung während einer Messung korrigiert werden.
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Zwischen der Detektoreinrichtung 3 und den Spiegeleinrichtungen oder dem Substrat kann eine Optik angeordnet sein (nicht gezeigt). Dem zweiten oder auch dem ersten Detektorkanal kann mehr als eine zugehörige Filtereinrichtung zugeordnet und vorgeschaltet sein.
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Durch die optische Positionsbestimmung kann vorteilhaft eine Positionsbestimmung erfolgen, welche unabhängig von Aufladungseffekten beziehungsweise parasitären Kapazitäten sein kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellung der 2 unterscheidet sich von jener der 1, dass sowohl die erste Spiegeleinrichtung SP1 wie auch die zweite Spiegeleinrichtung SP2 ein eigenes Substrat 2 umfassen können, wohingegen in der 1 die erste und die zweite Spiegeleinrichtung auf demselben Substrat angeordnet sind und am Rand durch eine erste und zweite Zwischenschicht Z1 und Z2 mit dem Substrat 2 verbunden sein können (eingespannt sein können). In der 2 ist keine der beiden Spiegeleinrichtungen zu dessen Substrat hin freigestellt, sondern fest an allen Punkten mit diesem verbunden. Die zweite Spiegeleinrichtung SP2 kann vorteilhaft derart über der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und an dieser befestigt angeordnet werden, dass jeweils hochreflektive Schichten der Spiegeleinrichtungen einander zugedreht sind und die Substrate der Spiegeleinrichtungen einander abgewandt sind. Die Spiegeleinrichtungen können mit einem Bondbereich aufeinander angeordnet und verbunden sein. Jede der beiden Spiegeleinrichtungen kann an der Oberseite der hochreflektiven Schicht außerhalb des optischen Bereichs OB Aktuationselektroden EL, etwa als Ringelektrode, umfassen, wobei die Spiegeleinrichtungen unter Deformation des Bondbereichs 5 planar aufeinander zu- oder wegbewegbar sein können. Die dritte Spiegeleinrichtung SP3 kann im zweiten Abstrahlbereich und vorteilhaft auf dem Substrat der ersten Spiegeleinrichtung und beispielsweise in eine Zwischenschicht integriert sein. Die dritte Spiegeleinrichtung SP3 kann sich vorteilhaft auf einer separaten Ebene zu den hochreflektiven Schichten der ersten und zweiten Spiegeleinrichtungen befinden. Wenn sich die Aktuierungselektroden EL auf einer anderen Ebene als die hochreflektiven Schichten der ersten und zweiten Spiegeleinrichtung SP1, SP2 befinden, kann die hochbrechende Schicht der dritten Spiegeleinrichtung SP3 beispielsweise auch auf der Ebene der Aktuierungselektroden EL untergebracht sein.
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Eine Rekalibrierung wegen einem Temperatureinfluss kann hierbei zum Beispiel dadurch erfolgen, dass sich der erste Abstand durch thermische Ausdehnung der Abstandshalter 5 (in diesem Fall die Bondverbindung, welche auch einen Abstandshalter am lateralen Rand umfassen kann) verändern kann. Es könnte hierbei beispielsweise die Wärmeausdehnung der Waferverbindung die Aktuationsspannungs-Wellenlängen(Durchlass)-Kurve verändern. Da aber im zweiten Abstrahlbereich AB2 beide Abstände d13 und d23 relevant sind, kann bei geringerer thermischer Ausdehnung des Materials zwischen dritter Spiegeleinrichtung und erster Spiegeleinrichtung eine Verschiebung der Kennlinie nach einer Kalibration mit der hier beschriebenen Methode nur vermindert auftreten.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der 3 wird eine Interferometereinrichtung 1 ähnlich der 1 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die erste Spiegeleinrichtung SP1 nicht freigestellt ist und auf der ersten Zwischenschicht Z1, vorteilhaft vollflächig, angeordnet sein kann. Die zweite Spiegeleinrichtung SP2 kann wie bei der 1 freigestellt sein und über der ersten Spiegeleinrichtung und über dem Substrat angeordnet sein und beide Spiegeleinrichtungen können am Rand mit den beiden Zwischenschichten Z1 und Z2 eingespannt sein, vorteilhaft außerhalb des optischen Bereichs OB. Die dritte Spiegeleinrichtung SP3 kann hierbei zwischen der ersten und zweiten Spiegeleinrichtung SP1 und SP2 angeordnet sein, vorteilhaft auf einem Abstandshalter AH, welcher sich von der ersten Spiegeleinrichtung SP1 weg in Richtung zur zweiten Spiegeleinrichtung SP2 erstrecken kann und beispielsweise das Material der zweiten Zwischenschicht Z2 oder ein separat aufgebrachtes Material umfassen kann. Für eine solche Anordnung kann die Relation n1 d13/m1 = n2 d23/m2 gelten. Das Material der dritten Spiegeleinrichtung kann vorteilhaft auf einer Oberseite des Abstandshalters AH angeordnet sein und diesen auch seitlich ummanteln. Die dritte Spiegeleinrichtung kann vorteilhaft auch einen Balken oder Ähnliches aufspannen. Um eine hohe Planarität und Ebenheit der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 zu erzielen, kann bei der Herstellung ein Planarisierungsschritt, beispielsweise ein Polierschritt, erfolgen. Der Abstandshalter AH ist vorteilhaft über dem zweiten Abstrahlbereich AB2 angeordnet und unterhalb des Substrats 2 können der erste und der zweite Abstrahlbereich AB1 und AB2 durch Trennwände TW voneinander getrennt sein. Die Trennwände TW können derart angeordnet sein, dass jeder der beiden Abstrahlbereiche AB1 und AB2 anliegend an die Detektoreinrichtung 3 vom jeweils anderen Abstrahlbereich getrennt sein kann und dessen Strahlung nicht an den benachbarten Detektorbereich herüberstrahlen kann. Die Trennwände können zumindest eine eigene optische Apertur für einen der Abstrahlbereiche bilden. Es ist auch möglich, dass eine absorbierende und/oder reflektierende Struktur seitlich an den Abstrahlbereichen lateral anliegend vorhanden sein kann, damit ähnlich wie bei den Trennwänden ein Übersprechen der beiden Detektorkanäle vermieden werden kann.
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Die optischen Pfade der Abstrahlbereiche können so getrennt werden. Die Trennwände können auch die antireflektive Schicht AR auf dem Substrat 2 in die beiden Abstrahlbereiche trennen. Alternativ kann so auch nur einer der Abstrahlbereiche die antireflektive Schicht AR umfassen.
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Vorteilhafterweise kann zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Detektoreinrichtung, vorteilhaft separat in einem oder jedem Abstrahlbereich, auch eine Optik angeordnet sein beispielsweise Linsen oder Reflektoren. Dies kann hilfreich sein, um den jeweiligen
Lichtpfad einzuschränken oder die Lichtausbeute zu erhöhen. Es kann des Weiteren im Substrat ein Durchloch im optischen Bereich OB vorhanden sein, zum Beispiel um Absorption durch das Substratmaterial zu verhindern. Die dritte Spiegeleinrichtung SP3 kann in diesem Fall als Teilmembran aufgespannt sein. Des Weiteren kann auch zumindest eine weitere Spiegeleinrichtung als Referenzspiegel zur Positionsbestimmung vorhanden sein. So kann beispielsweise ein Aufbau wie in 2 gezeigt symmetrisiert werden, oder eine Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht werden.
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Es kann des Weiteren auch der hier beschriebene Aufbau mit einem Positionssensor kombiniert werden, beispielsweise mit einem kapazitiven oder piezoresistiven Sensor. Dadurch können Stärken der jeweiligen Methoden kombiniert bzw. Schwächen kompensiert werden. Beispielsweise kann eine Kombination mit einem
kapazitiven Positionssensor dessen Beeinflussung von Aufladungseffekten ausgleichen,
während der kapazitive Sensor den Vorteil der weitgehenden Unabhängigkeit von
Temperatureffekten mitbringen kann.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines seitlichen Querschnitts durch eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 4 zeigt eine Interferometereinrichtung 1 gemäß der 3 mit dem Unterschied, dass sich die Filtereinrichtung F nun außerhalb des Zwischenraums zwischen erster und zweiter Spiegeleinrichtung SP1 und SP2 im zweiten Abstrahlbereich AB2 befinden kann. Die Filtereinrichtung F kann ein statisches Fabry-Perot-Interferometer, ein plasmonisches Filterelement oder absorbierende Partikel oder Ähnliches umfassen und nah am zweiten Detektorbereich D2 oder unmittelbar auf diesem angeordnet sein.
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Die Filtereinrichtung F kann statt charakteristischer Transmissionslinien auch charakteristische Extinktionslinien aufweisen, wobei bei bestimmten Wellenlängen, die an erster und zweiter Spiegeleinrichtung als Interferometerfilter eingestellt werden können, das Signal am zweiten Detektorbereich D2 im Vergleich zum Signal am ersten Detektorbereich D1 reproduzierbar verändert werden kann.
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Durch eine solche Ausführungsform können weniger bauliche Änderungen an der Interferometereinrichtung (als MEMS-Bauteil) vorzunehmen sein. Außerdem kann sich die Filtereinrichtung an einer Position befinden oder durch getrennte Konstruktion derart ausgelegt sein, dass es vor Umwelteinflüssen wie Temperaturänderungen besser geschützt oder von diesen unabhängiger ist. Wenn sich die Filtereinrichtung beispielsweise im Lichtpfad hinter dem MEMS-FPI und vor der Detektoreinrichtung 3 befindet, kann weniger Lichtleistung darauf treffen, was die Erwärmung verringern kann.
Selbstverständlich können verschiedene hier beschriebene Ausführungen auf vorteilhafte
Weise kombiniert werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Bestimmen eines ersten Abstandes zwischen einer ersten Spiegeleinrichtung und einer zweiten Spiegeleinrichtung in einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung erfolgt ein Aktuieren S1 zumindest der ersten Spiegeleinrichtung und/oder der zweiten Spiegeleinrichtung relativ und parallel zu der jeweils anderen Spiegeleinrichtung und dadurch Verändern des ersten Anstands; ein Ermitteln S2 eines Signals einer von der ersten Spiegeleinrichtung und zweiten Spiegeleinrichtung durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung durch den zweiten Detektorbereich; ein Ermitteln S3 einer Durchlasscharakteristik über einen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung aus dem Signal in Abhängigkeit von dem ersten Abstand; und ein Bestimmen S4 des ersten Abstands bei einem nachfolgenden Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung und/oder der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Durchlasscharakteristik.
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Die Schritte S1 bis S3 können eine Kalibrierung K darstellen, welche vorteilhaft zu Beginn oder beliebig neu durchführbar ist, und der Schritt S4 kann eine eigentliche Messung M darstellen.
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Das Verfahren stellt eine Methode zur Bestimmung beziehungsweise Rekalibrierung des ersten Abstands dar und kann deutlich stabiler gegenüber Temperatureffekten und Alterungseffekten sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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