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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements für eine Interferometereinrichtung, ein mikromechanisches Bauelement für eine Interferometereinrichtung und eine Interferometereinrichtung.
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Miniaturisierte durchstimmbare spektrale Filter können durch MEMS-Technologie beispielsweise als Fabry-Perot Interferometer (FPI) realisiert werden. Dieses kann eine Kavität mit zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen umfassen und eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigen, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge kann durch elektrostatische oder piezoelektrische Aktuierung verändert werden, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entstehen kann. Hierbei ist auf eine hohe Ko-Planarität der beiden Spiegel zu achten, da dies den Grad der Filterwirkung beeinflusst.
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In MEMS-Interferometern können Spiegelelemente durch Opferschichtätzungen mikrostrukturell freigestellt werden, wenn die Spiegel bei der Herstellung auf einer Opferschicht angeordnet werden. Die Freistellung kann durch die Form und Anzahl sowie Verteilung von Ätzlöchern gesteuert werden, allerdings ist eine hohe Prozessschwankung bezüglich der Ätzrate möglich. Üblicherweise können Einspannungen der Spiegelmembranen durch ein Reststück der Opferschicht realisiert werden, die beispielsweise ein Fotolack oder eine Oxidschicht aufweist. Aufgrund der hohen Prozessschwankungen beim Ätzprozess kommt es allerdings zu Schwankungen in der Freistellung der Spiegel und damit auch zu verschiedenen Membrangrößen. Ebenso kann die Form der Ätzkante im Wesentlichen eine Reskalierung der Ätzlochanordnung sein, wodurch Designfreiheiten reduziert sein können. Hierbei wäre ein lateraler Ätzstopp zur klaren Randdefinition vorteilhaft.
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Zur Realisierung eines Fabry-Perot Interferometers, welches einen möglichst großen Wellenlängenbereich adressieren kann, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Beide Spiegel des FPI sollten über den gesamten zu messenden Wellenlängenbereich hochreflektiv sein und werden meist als dielektrische Schichtsysteme ausgebildet (Bragg Reflektoren, DBR). Diese bestehen alternierend aus Schichten von hoch- und niedrigbrechenden Materialien, wobei die optische Dicke dieser Schichten idealerweise ein Viertel der Zentralwellenlänge des zu adressierenden Bereiches ist. Ein Wellenlängenbereich, in dem solche Spiegel eine hohe Reflektion aufweisen können, kann durch den Kontrast der Brechungsindizes der hoch- und niedrigbrechenden Materialen gegeben sein,
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In der
US 7,733,495 B2 wird ein Fabry-Perot Interferometer mit einem Spiegelsystem beschrieben, wobei eine Struktur als eine Seitenwand ausgeformt ist und die Spiegel stützen kann.
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Ein möglichst großer Wellenlängenbereich kann abdeckbar sein, wenn der Brechungsindex des niedrigbrechenden Materials möglichst nahe bei 1 liegt, etwa für Gase oder bei Vakuum. Damit auch bei solchen Schichten eine Planarität der Spiegelschichten gewährleistbar sein kann, können Stützstrukturen angewandt werden, welche die umgebenden hochbrechenden Schichten beabstanden. Üblicherweise können Teile der hochbrechenden Schicht oder Zwischenschichten als Stützstrukturen genutzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements für eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1, ein mikromechanisches Bauelement für eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 10 und eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 12.
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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, ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements für eine Interferometereinrichtung, ein mikromechanisches Bauelement für eine Interferometereinrichtung und eine Interferometereinrichtung anzugeben, wobei eine Herstellung von Verbindungs- oder Stützstrukturen in mikromechanischen Bauteilen vorteilhaft vereinfacht werden kann. Zur Herstellung von Stützstrukturen kann insbesondere die notwendige Zahl von Materialien verringert werden, etwa kann eine Opferschicht, welche zur Anordnung der Komponenten des Bauteils übereinander notwendig ist, und eine Stützstruktur zwischen diesen Komponenten (beispielsweise Spiegeln) aus dem gleichen Grundmaterial der Opferschicht bestehen und lediglich durch Modifizierung in deren Ätzwiderstand unterschiedlich sein.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements für eine Interferometereinrichtung ein Bereitstellen eines ersten Trägers und ein Anordnen einer ersten Opferschicht, welche einen ersten Ätzwiderstand umfasst, auf dem ersten Träger und ein Aufbringen einer ersten Zwischenschicht auf der ersten Opferschicht oder Aufbringen einer ersten Zwischenschicht auf dem ersten Träger; ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht, welche einen zweiten Ätzwiderstand umfasst, auf der ersten Zwischenschicht; ein Strukturieren der zweiten Opferschicht, wobei in einem strukturierten Bereich der zweiten Opferschicht der zweite Ätzwiderstand modifiziert wird; ein Aufbringen einer zweiten Zwischenschicht auf der strukturierten zweiten Opferschicht, so dass sich die zweite Zwischenschicht parallel über der ersten Zwischenschicht befindet; und ein zumindest teilweises Entfernen der ersten und/oder zweiten Opferschicht außerhalb oder in dem strukturierten Bereich der zweiten Opferschicht mittels eines Ätzverfahrens, so dass zumindest eine Stützstruktur und/oder Trägerschicht zwischen der ersten und der zweiten Zwischenschicht und in direktem Kontakt mit diesen verbleibt.
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Mittels der Stützstruktur kann vorteilhaft ein Abstand zwischen den beiden Zwischenschichten konstant gehalten werden. Der Geometrie der Stützstruktur sind vorteilhaft keine Grenzen gesetzt, diese kann als ein Zylinder oder ein Quader gestaltet sein, also in Draufsicht auf die Zwischenschichten ein Rechteck, eine Kurvenform oder eine andere Geometrie umfassen. Die Zwischenschicht kann ein hochbrechendes Material sein und beispielsweise aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Der strukturierte Bereich der zweiten Opferschicht kann jener Bereich der zweiten Opferschicht sein, welcher nach dem Ätzvorgang selbst die Stützstruktur bildet oder außerhalb dieser den zu entfernenden Bereich darstellt. Die Eigenschaft Ätzwiderstand kann hierbei dem Inversen einer Ätzrate entsprechen. Die erste Zwischenschicht kann ohne erste Opferschicht direkt oder mit einer anderen, vorzugsweise unätzbaren, Schicht auf dem Träger angeordnet werden.
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Weiterhin kann mit einem Isolator als Stützstruktur eine elektrische Isolation in der zur Ebene der Zwischenschichten vertikaler Richtung erzielt werden. Auf übliche Anschläge, die ein Kleben der Spiegelmembranen verhindern sollen, welche elektrisch nicht isoliert sein können, wodurch es bei Kontakt zum Verschweißen kommen kann, kann vorteilhaft verzichtet werden. Eine durch die Stützstrukturen bedingte Deformationen der Zwischenschichten, aufgrund einer evtl. vorhandenen mechanischen Spannung in diesen, die die optischen Eigenschaften etwa eines FPI verschlechtern könnten (die Zwischenschichten können Spiegel in einem FPI sein) kann verringert oder verhindert werden. In dieser Weise können die Stützstrukturen massiver und steifer ausgeführt werden, so dass ihre Nachgiebigkeit gegenüber einem lateralen Zug verringert sein kann.
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Die Stützstellen können durch eine einfache Ausführung, etwa ohne zusätzliche Schichtabscheidung, realisiert werden, wobei die Zwischenschichten durchgehend, also ununterbrochen sein können. Des Weiteren können auf einfache Weise sogenannte Anti-Stiction-Bumps realisiert werden, die das Risiko des Zusammenklebens einzelner mechanisch beweglicher Elemente im MEMS-Bauteil signifikant reduzieren können.
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Mittels dem Opferschichtätzen können vorteilhaft die Zwischenschichten als Spiegel als Membranen freigestellt werden, vorteilhaft MEMS-basierte FPI hergestellt werden. Das Opferschichtätzen kann beispielsweise durch Gasphasenätzung, Nassätzung oder bei Fotolacken unter Einsatz von Lösungsmitteln erfolgen, welche den nicht polymerisierten Teil des Fotolacks entfernen können. Die Herstellung von Strukturen aus der Opferschicht hat den Vorteil, dass auf nachträgliches Abscheiden eigener Schichten für die Strukturen verzichtet werden kann, was einfacher ist und eine vorteilhaftere Topographie ermöglicht und besser beeinflussbar macht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die erste Zwischenschicht und die zweite Zwischenschicht jeweils als zumindest eine hochbrechende Schicht ausgeformt, beispielsweise umfassend Silizium, Germanium oder Siliziumcarbid.
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Die Opferschicht kann alternativ auch einen Fotolack umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird in der zweiten Zwischenschicht zumindest ein Ätzloch eingebracht, welches sich durch die zweite Zwischenschicht und durch die zweite Opferschicht und durch die erste Zwischenschicht hindurch bis zur ersten Opferschicht oder nur bis zur zweiten Opferschicht erstreckt.
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Das Ätzloch kann sich je nachdem, welche Opferschicht überhaupt zu ätzen ist, bis in diese Opferschicht erstrecken, vorteilhaft aus Richtung der zweiten Zwischenschicht, da vorteilhaft von dieser aus geätzt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt vor dem Aufbringen der ersten Zwischenschicht ein Strukturieren der ersten Opferschicht, wobei in einem strukturierten Bereich der ersten Opferschicht der erste Ätzwiderstand modifiziert wird.
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Der strukturierte Bereich der ersten Opferschicht kann jener Bereich der ersten Opferschicht sein, welcher nach dem Ätzvorgang selbst eine Stützstruktur oder Abstandsstruktur zwischen der ersten Zwischenschicht und einem darunterliegenden ersten Träger bilden kann oder außerhalb dieser den zu entfernenden Bereich darstellt.
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In weiterer Folge wird der strukturierte Bereich der ersten Opferschicht als „erster Bereich“ und der strukturierte Bereich der zweiten Opferschicht als „zweiter Bereich“ bezeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens stellt der strukturierte Bereich der ersten Opferschicht nach dem teilweisen Entfernen der ersten Opferschicht eine Abstandsstruktur dar, welche mit der ersten Zwischenschicht in Kontakt steht und sich senkrecht von dieser in Richtung des ersten Trägers wegerstreckt oder mit dem ersten Träger in Kontakt steht und sich in Richtung der ersten Zwischenschicht vom ersten Träger wegerstreckt.
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Die Abstandsstruktur kann gerade oder gegenüber einer Senkrechten auf die Zwischenschicht oder den ersten Träger angewinkelte Seitenwand umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der erste und/oder der zweite Ätzwiderstand durch Dotieren, Implantieren oder Ionenbeschuss modifiziert und erhöht oder verringert.
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Eine Verringerung des Ätzwiderstands bewirkt vorteilhaft ein einfacheres und schnelleres Ätzen dieses Materials, wohingegen eine Erhöhung vorteilhaft ein langsameres Ätzen bewirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens stellt der strukturierte Bereich der zweiten Opferschicht nach dem Entfernen der zweiten Opferschicht eine Stützstruktur dar, welche mit der ersten Zwischenschicht und/oder mit der zweiten Zwischenschicht in Kontakt ist. Es können auch mehrere Stützstrukturen ausgeformt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der erste Ätzwiderstand der ersten Opferschicht und/oder der zweite Ätzwiderstand der zweiten Opferschicht auf einer gesamten Dicke der jeweiligen Opferschicht oder bis zu einer ersten Tiefe in der ersten oder zweiten Opferschicht modifiziert.
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Durch ein Modifizierung auf der gesamten Tiefe kann bei einem nachfolgenden Ätzprozess bis in die gesamte Tiefe geätzt werden, wogegen bei einer nur oberflächlichen Modifizierung nur bis in diese geringere Tiefe mit vorgegebener Schnelligkeit geätzt werden kann. Bei einer lediglich oberflächennahen Modifizierung kann sich ein Ätzmittel schnell in diesem oberflächennah modifizierten Bereich entlang ausbreiten und nachträglich von dort aus in einem langsameren (und intensiveren) Ätzverfahren den übrigen Opferschichtbereich angreifen, falls der oberflächennah modifizierte Bereich einen verringerten Ätzwiderstand aufweist. Auf diese Weise kann der oberflächennah modifizierte Bereich als eine Art Zündschnur wirken, entlang welcher sich ein Ätzmittel schnell entlangfressen kann und nachher von diesem Graben aus den Rest der Opferschicht in einem langsameren Ätzprozess vorteilhaft gleichverteilt angreifen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bleiben die erste und/oder die zweite Opferschicht nach dem teilweisen Entfernen in einem lateralen Randbereich als Trägerschicht erhalten.
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Der modifizierte Bereich kann als lateraler Ätzstopp für ein Ätzverfahren dienen, wobei bei einem Ätzverfahren jener Opferschichtbereich, welcher lateral außerhalb des modifizierten Bereichs liegt, ungeätzt verbleiben kann. Hierbei kann ein Bereich der Opferschicht zu einem schwer oder nichtätzbaren Teilbereich modifiziert werden und den Ätzstopp bilden.
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Erfindungsgemäß umfasst das mikromechanische Bauelement für eine Interferometereinrichtung eine erste Zwischenschicht; eine zweite Zwischenschicht, welche parallel über der ersten Zwischenschicht angeordnet ist; zumindest eine Stützstruktur zwischen der ersten und der zweiten Zwischenschicht und in direktem Kontakt mit diesen und/oder eine Trägerschicht zwischen der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht in einem lateralen Randbereich dieser.
Die Trägerschicht kann außerhalb eines lateralen Ätzstopps vorhanden sein. Der Ätzstopp kann vorteilhaft aus dem gleichen Grundmaterial wie die Opferschicht hergestellt werden, was eine Abscheidung einer separaten nicht oder schwer ätzbaren Schicht unnötig macht. Der Bereich der modifizierten Opferschicht unterscheidet sich vom Rest der Opferschicht lediglich durch die modifizierende Komponente, etwa durch implantierte Ionen usw.
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Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des mikromechanischen Bauelements umfassen die Stützstruktur und die Trägerschicht ein gleiches Material oder bis auf den Ätzwiderstand ein gleiches Material mit einem unterschiedlichen Ätzwiderstand.
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Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des mikromechanischen Bauelements umfasst die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht einen dielektrischen Braggspiegel. Dieser kann auch mehrere Teilschichten umfassen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung eine erste Spiegeleinrichtung und eine zweite Spiegeleinrichtung, wobei die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement umfasst und die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung beweglich angeordnet ist; und ein Substrat, über welchem die erste und die zweite Spiegeleinrichtung parallel zueinander angeordnet sind und mit dem Substrat zumindest in einem Randbereich verbunden sind.
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Das mikromechanische Bauelement sowie die Interferometereinrichtung können sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Die Interferometereinrichtung kann ein Faby-Perot-Interferometer umfassen. Die Verbindung im Randbereich stellt vorteilhaft eine Einspannung für zumindest eine der Spiegeleinrichtungen dar.
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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 des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 5 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 6 einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 7 einen schematischen seitlichen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 8 eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Abfolge der Darstellungen a bis e zeigt das Entstehen eines mikromechanischen Bauelements 1 für eine Interferometereinrichtung. Hierbei erfolgt in der Abbildung a ein Bereitstellen eines ersten Trägers T1 und ein Anordnen einer ersten Opferschicht O1, welche einen ersten Ätzwiderstand umfasst, auf dem ersten Träger T1. Danach erfolgt ein Aufbringen einer ersten Zwischenschicht Z1 auf der ersten Opferschicht O1 und ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht, welche einen zweiten Ätzwiderstand umfasst, auf der ersten Zwischenschicht Z1. Die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht können anfangs die gleichen oder verschiedene Ätzwiderstände oder Materialien umfassen. In der Abbildung b erfolgt danach ein Strukturieren der zweiten Opferschicht O2, wobei in einem strukturierten Bereich B2 der zweiten Opferschicht der zweite Ätzwiderstand modifiziert wird. Der strukturierte Bereich B2 der zweiten Opferschicht kann nachträglich eine Stützstelle darstellen. Nachfolgend erfolgt gemäß der ein Aufbringen einer zweiten Zwischenschicht Z2 auf der strukturierten zweiten Opferschicht O2, so dass sich die zweite Zwischenschicht Z2 parallel über der ersten Zwischenschicht Z1 befindet. Gemäß der kann nachfolgend zumindest ein Ätzloch 2 durch die zweite Zwischenschicht Z2 eingebracht werden, wobei sich das Ätzloch durch die zweite Zwischenschicht Z2 und durch die zweite Opferschicht O2 und durch die erste Zwischenschicht Z1 hindurch bis zur ersten Opferschicht 01 oder nur bis zur zweiten Opferschicht O2 erstreckt kann, je nachdem ob beide oder nur eine Opferschicht geätzt werden soll. Nach der Abbildung e kann danach ein Ätzvorgang durch die Ätzlöcher 2 erfolgen wobei ein zumindest teilweises Entfernen der ersten und/oder zweiten Opferschicht O1, O2 außerhalb des strukturierten Bereichs B2 der zweiten Opferschicht O2 erfolgt, so dass zumindest eine Stützstruktur 3 zwischen der ersten und der zweiten Zwischenschicht Z1, Z2 und in direktem Kontakt mit diesen verbleibt. Des Weiteren kann auch die erste Opferschicht O1 zwischen erster Zwischenschicht Z1 und dem ersten Träger T1 zumindest teilweise entfernt werden. Die erste und zweite Zwischenschicht können als Spiegelteilschichten hergestellt sein und das Bauelement 1 der 1 kann einen Luftspiegel, also zwei hochbrechenden Spiegelschichten mit Luft dazwischen als niedrigbrechendes Material umfassen, was einen dielektrischen Braggspiegel darstellen kann. Der erste Träger T1 kann ein Substrat ohne oder mit einer oder mehreren weiteren Schicht(en) umfassen. Die Spiegel können durch das Ätzen freigestellt werden. Des Weiteren ist es möglich, den Ätzzugang in die erste Opferschicht O1 bereits gleich nach dem Abscheiden der ersten Zwischenschicht Z1 auszubilden und die Ätzlöcher auf diese zu führen. Der Ätzbereich kann durch eine Ätzzeit gesteuert werden, wobei der modifizierte Bereich nur wenig oder gar nicht geätzt werden kann. Die entstandene Stützstelle, oder mehrere Stützstellen falls der zweite Bereich B2 mehrere separierte Teilbereiche für nachträgliche Stützstellen 3 umfasst, kann eine Symmetrie des Bauelements 1, vorteilhaft eines Spiegels, erhalten und dessen Planarität verbessern. Die Strukturen können vorteilhaft statisch sein und nur gering nachgeben (nur wenig relaxieren und somit den Zugstress teilweise abbauen). Ein zuvor in den Zwischenschichten vorhandener oder bei Herstellung erzeugter Zugstress (intern) kann erhalten bleiben und eine Verformung von der oder beider freigestellten Zwischenschichten (etwa als Membranen) und deren durch eine Verformung variable Beabstandung kann zumindest im Bereich der Stützstrukturen deutlich verringert werden. Eine Translationssymmetrie der Membranen (Zwischenschichten) kann besser erhalten bleiben
Die Zwischenschichten müssen durch die Stützstellen nicht unterbrochen sein und können lateral durchgehend ausgebildet sein, was zu einer verbesserten mechanischen Stabilität führen kann. Die Opferschicht kann teilweise oder komplett (bis auf die Stützstruktur und die Einspannung) unter der ersten und/oder zweiten Zwischenschicht entfernt sein.
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Zur Modifizierung des ersten oder zweiten Bereichs B1, B2 kann alternativ auch lokal eine temporäre Zwischenschicht auf der Opferschicht abgeschieden werden, welche strukturiert wird oder von anfangs her sein kann und als Maske oder Barriere (beispielsweise für einen Ionenbeschuss) dienen kann und nach dem Modifizieren (etwa durch Ionenbeschuss, Dotierung usw.) wieder entfernt werden kann. Als Maske zur Strukturierung kann jedoch auch die erste oder zweite Zwischenschicht Z1, Z2 dienen. Im Beispiel der 1 kann der Ätzwiderstand im zweiten Bereich derart verändert werden, dass die Ätzrate erniedrigt wird und der Ätzwiderstand erhöht, also bei einem Ätzverfahren dieser zweite Bereich B2 als Stützstelle übrig bleibt und der Rest der zweiten Opferschicht O2 mit geringerem Ätzaufwand entfernt werden kann. In weiterer Folge ist es auch möglich, ein weiteres Paar von Zwischenschichten (oder zumindest eine) mit dazwischenliegenden und modifizierten oder unmodifizierten Opferschichten anzuordnen und durch diese die Ätzlöcher 2 zu legen. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine genaue Position und Form der Stützstrukturen in Luftspiegeln erfolgen. Die Stützstrukturen können auch die Membranen der Zwischenschichten elektrisch voneinander isolieren.
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Die Stützstrukturen können als Wandstrukturen oder als Säulenstrukturen ausgeführt sein. Bei Letzterem sind hexagonale Gitter-Anordnungen bevorzugt, da diese eine erhöhte mechanische Stabilität und einen hohen Symmetriegrad aufweisen. Die Stützstrukturen können als verfüllte oder als hohle oder eingefaltete Strukturen ausgeführt sein.
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2 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der 2 wird ähnlich der 1 eine Abfolge von Herstellungsschritten des mikromechanischen Bauelements 1 in Abschnitten a - e gezeigt. Hierbei zeigt die Abbildung a ein mikromechanischen Bauelement 1 in einer ersten Stufe, nachdem Bereitstellen eines ersten Trägers T1 und einem Anordnen einer ersten Opferschicht O1, welche einen ersten Ätzwiderstand umfasst, auf dem ersten Träger T1. Danach erfolgt ein Aufbringen einer ersten Zwischenschicht Z1 auf der ersten Opferschicht 01 und ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht, welche einen zweiten Ätzwiderstand umfasst, auf der ersten Zwischenschicht Z1. Vor dem Aufbringen der ersten Zwischenschicht kann gemäß der Abbildung a jedoch bereits ein Modifizieren des ersten Ätzwiderstands der ersten Opferschicht 01 erfolgen, insbesondere in einem ersten Bereich B1. Der erste Bereich B1 kann einen Teil der ersten Opferschicht O1 oder diese gesamt betreffen. Beispielsweise kann der erste Bereich B1 nach dem Modifizieren eine erhöhte Ätzrate aufweisen, also schneller und einfacher geätzt werden als das unmodifizierte Material der ersten und/oder zweiten Opferschicht. In der Abbildung b kann nachfolgend die zweite Opferschicht O2 im zweiten Bereich B2 modifiziert werden, jedoch kann der zweite Bereich B2 hier das gesamte Opferschichtmaterial außerhalb der einen oder mehrerer Stützstellen 3 umfassen und dort den Ätzwiderstand gemäß dem ersten Bereich B1 verringern. In der kann die zweite Zwischenschicht Z2 auf der zweiten Opferschicht O2 angeordnet werden und in der können Ätzlöcher 2 gemäß der 1-d eingebracht werden, vorteilhaft in den Bereich B2 (nun außerhalb der Stützstelle) und durchgehend zum Bereich B2, also in den zu ätzenden Bereichen. Nach dem Ätzverfahren verbleibt in der Abbildung e ein Bauelement 1 entsprechend der 1-e.
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3 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der 3 wird ähnlich der 1 eine Abfolge von Herstellungsschritten des mikromechanischen Bauelements 1 in Abschnitten a - e gezeigt, welche im Wesentlichen den Grundschritten der 1 entsprechen können.
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In der Abbildung a unterscheidet sich die Anordnung der Opferschichten und der ersten Zwischenschicht Z1 hierbei dadurch von den 1 und 2, dass die erste Opferschicht O1 vor dem Aufbringen der ersten Zwischenschicht Z1 nur oberflächennah modifiziert werden kann (bis in eine erste Tiefe t1), was in der Abbildung a über die gesamte Oberfläche der ersten Opferschicht O1 erfolgen kann, jedoch auch nur strukturiert in Teilbereichen erfolgen kann. Der oberflächennahe Bereich verkörpert vorteilhaft den ersten Bereich B1 und kann nach dem Modifizieren vorteilhaft einen geringeren Ätzwiderstand umfassen und leichter geätzt werden als die restliche erste Opferschicht O1. In der Abbildung b kann ebenfalls die zweite Opferschicht O2 oberflächennah von der Oberseite, den modifizierten zweiten Bereich B2 umfassen, vorteilhaft strukturiert außerhalb der vorgesehenen Stützstellen.
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Die , und e entsprechen jenen aus der 1, wobei Ätzlöcher im Schritt d bis in den ersten Bereich B1 geführt werden können und auch den zweiten Bereich B2 durchdringen können. Mit Einbringen eines Ätzmittels, in der bis e kann sich die Ätzung schnell und einfach entlang des ersten und zweiten Bereiches B1, B2 ausbreiten und über die restlichen Bereiche der ersten und zweiten Opferschicht ausbreiten, mit anderen Worten als eine Art Zündschnur für die Ätzung wirken. Die übrigen Bereiche der Opferschichten können nachträglich geätzt werden und die Stützstrukturen 3 erzeugen. Die Figuren sind hierbei in einem veranschaulichenden Maßstab gezeigt, es weist die Opferschicht vorteilhaft jedoch eine viel größere Breite der Stützstelle auf als die Höhe der Opferschicht beträgt. Die Breite einer Stützstruktur kann beispielsweise im Bereich von 1-2 µm liegen und die Höhe im Bereich von 100 - 400 nm. Daher kann beim Ätzen vertikal viel schneller der Raum zwischen den Zwischenschichten entfernt werden als die Breite der Stützstruktur verringert werden, mit anderen Worten wenn die Opferschicht entlang deren Höhe weggeätzt wird verringert ein ebenfalls erfolgtes laterales Entfernen der Opferschicht an der Stützstelle die Geometrie der Stützstelle lateral nicht signifikant. Die oberflächennahe Modifikation ermöglicht vorteilhaft andere Verfahren zur Modifizierung, welche nur oberflächennah wirksam sein können, wodurch unerwünschte Nebenwirkungen auf die Zwischenschichten verringerbar sind, etwa eine ungewollte Dotierung dieser (bei angrenzendem Kontakt von modifizierter Opferschicht und Zwischenschicht).
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4 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der 4 wird ähnlich der 1 eine Abfolge von Herstellungsschritten des mikromechanischen Bauelements 1 in Abschnitten a - e gezeigt. In der Abbildung a kann ein erster Träger T1 mit einer ersten Opferschicht O1 darauf abgeschieden bereitgestellt werden. Danach kann gemäß der Abbildung b ein erster Bereich B1 durch Modifizierung erstellt werden. Nachfolgend kann nach der eine erste Zwischenschicht Z1 auf der ersten Opferschicht 01 angeordnet werden, nachfolgend mit einer zweiten Opferschicht O2 und einer zweiten Zwischenschicht Z2, wobei die zweite Opferschicht davor in einem zweiten Bereich B2 modifiziert werden kann. Der erste und der zweite Bereich können lateral zumindest stellenweise in gleicher Position übereinander ausgeformt sein. In Draufsicht können der erste und der zweite Bereich vorteilhaft eine Berandung als geschlossene Kurve oder Linie (Kreis, periodische Formen) ausbilden.
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Die und e entsprechen jenen aus der 1, wobei zumindest ein Ätzloch 2 lediglich auf einer Seite lateral neben dem ersten und/oder zweiten Bereich in die Schichtenfolge eingebracht werden kann. Nach einer Ätzung kann somit die erste und die zweite Opferschicht lediglich an einer Seite der Berandung aus erstem und zweiten Bereich entfernt werden und auf der anderen Seite beide Opferschichten verbleiben. Auf diese Weise können die Zwischenschichten auf einer Seite freigestellt sein und die Opferschichten auf der anderen Seite eine vorteilhaft präzise Einspannung für die Zwischenschichten in einem Randbereich RB darstellen. Der erste und/oder zweite Bereich können so als Berandung einen lateralen Ätzstopp definieren sowie eine genaue Position und Form der Membraneinspannung der Zwischenschicht Z1 und/oder Z2 definieren. Werden zusätzlich Stützstrukturen im geätzten Bereich der Opferschichten bereitgestellt, so kann die Berandung zumindest teilweise im selben Schritt wie die Stützstrukturen hergestellt werden. Die Berandung kann auch in weiteren Opferschichten verwendet werden. Das Bauelelemt (Interferometereinrichtung) kann weitere Opferschichten enthalten (zum Beispiel in einer weiteren Spiegeleinrichtung oder zwischen den Spiegeleinrichtungen oder Zwischenschichten), die ebenfalls auf diese Weise mit einer Berandung versehen werden können . Die Einspannung wird durch die verbleibende Opferschichten als Trägerschichten TS dargestellt.
Die Berandung kann analog zu 2 auch hergestellt werden, indem die Bereiche der ersten und/oder zweiten Opferschicht lateral innerhalb der Berandung derart modifiziert werden, dass die Ätzrate erhöht sein kann.
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Eine durch die Berandung definierbare laterale Ätzbegrenzung kann auch einen Zuleitungs- und/oder Kontaktbereich vor Ätzung schützen und dortige Kurzschlüsse verhindern, welche durch Freistellung entstehen könnten. Die Berandung kann an einen Zuleitungs- und/oder Kontaktbereich angrenzen oder in diesem ausgebildet sein.
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5 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In der 5 wird ähnlich der 4 eine Abfolge von Herstellungsschritten des mikromechanischen Bauelements 1 in Abschnitten a - e gezeigt.
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Die Abbildung a der 5 entspricht der Abbildung a der 4. Die Abbildung b der 5 unterscheidet sich lediglich von der Abbildung a der 4 darin, dass der erste Bereich B1 sich von einer dem ersten Träger T1 abgewandten Oberseite der ersten Opferschicht O1 bis zu einer Tiefe in diese hinein erstreckt, welche geringer ist als die Höhe der ersten Opferschicht O1, etwa durch oberflächennahes Modifizieren. In der können Atzlöcher 2 um den ersten und zweiten Bereich an allen oder auch nur einer Seite in die Schichtenfolge eingebracht werden und der erste und zweite Bereich definieren keine Berandungen, wie in 4, sondern einzelne Strukturen (Stützstruktur). Der erste Bereich kann unterhalb des zweiten Bereichs angeordnet sein und nach dem Ätzen eine Abstandsstruktur 4 ergeben (Anti-Stiction Bump), welche bei einer Bewegung der ersten Zwischenschicht einen Kontakt dieser mit dem Träger T1 oder anderen Zwischenschichten oder leitfähigen Flächen bei mechanischem Kontakt verhindern kann und einen Kurzschluss oder Verschweißen verhindern kann, etwa bei einem Anordnen über anderen Zwischensschichten (Luftspiegeln, FPIs). Die Abstandsstruktur 4 oder mehrere Abstandsstrukturen können unter der Stützstruktur ausgeformt sein oder von dieser lateral separiert sein. Die Abstandsstrukturen können beispielsweise als Noppen ausgeformt werden. Das Opferschichtmaterial kann elektrisch isolierend sein, wodurch bei einem Ausbilden der Abstandsstruktur aus diesem Opferschichtmaterial ein Verschweißen verhinderbar ist, etwa wenn sich die Zwischenschicht (erste) und eine darunterliegende Schicht, beispielseweise der erste Träger, auf verschiedenen elektrischen Potentialen befinden.
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6 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt eines mikromechanischen Bauelements während eines Verfahrens zur Herstellung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellung der 6 entspricht im Wesentlichen jener aus der 5 mit dem einzigen Unterschied, dass die Abstandsstruktur 4 am ersten Träger T1 angeordnet ist.
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Alternativ oder ergänzend zu dem Beispiel aus der 5 ist es auch möglich, die Abstandsstruktur 4 anstatt an der ersten Zwischenschicht Z1 an dem ersten Träger T1 auszubilden, so dass diese in den Zwischenbereich zwischen erstem Träger T1 und erster Zwischenschicht Z 1 hineinragt. Auch eine Kombination von mehreren Abstandsstrukturen, teilweise am Träger und andere an der Zwischenschicht, ist möglich. Die Herstellung könnte auch durch das Verfahren mit der Zündschnur, aus der 3 erfolgen.
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Hierbei kann die Abstandsstruktur 4 auch derart herstellbar sein, dass der erste Bereich B1 (etwa als Zündschnur) modifiziert werden kann und nach dem teilweisen Entfernen der (ersten) Opferschicht der Rest der Opferschicht als Abstandsstruktur 4 übrig bleiben kann.
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Die zu modifizierenden Bereiche B1 und B2 in den Opferschichten können gemäß der 1 bis 6 auch untereinander in Art, Ort und Herstellungsweise kombiniert werden.
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7 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung kann ein Fabry-Perot-Interferometer umfassen und als Mikrospektrometer ausgebildet sein.
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Die Interferometereinrichtung 10 umfasst eine erste Spiegeleinrichtung SP1 und eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, wobei die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung SP1; SP2 ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement 1 umfassen können, wobei die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung SP1, SP2 beweglich angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung 10 ein Substrat 5, über welchem die erste und die zweite Spiegeleinrichtung SP1, SP2 parallel zueinander angeordnet sind und mit dem Substrat 5 zumindest in einem Randbereich verbunden sind. Die erste und die zweite Spiegeleinrichtung SP1, SP2 können im Randbereich 5a eine Einfassung umfassen, beispielsweise Reste von Opferschichten. Zumindest eine der Spiegeleinrichtungen kann einen dielektrischen Braggspiegel oder Luftspiegel mit Luft, Gas oder einem Gasgemisch oder Vakuum umfassen. Ein Abstand erster und zweiter Zwischenschicht kann vorteilhaft ein Viertel einer Zentralwellenlänge der Interferometereinrichtung als optischer Filter betragen. Eine Stützstruktur zwischen den Zwischenschichten kann ein modifiziertes oder unmodifiziertes Opferschichtmaterial umfassen.
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8 zeigt eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements für eine Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines ersten Trägers und ein Anordnen S1a einer ersten Opferschicht, welche einen ersten Ätzwiderstand umfasst, auf dem ersten Träger; ein Aufbringen S2 einer ersten Zwischenschicht auf der ersten Opferschicht oder Aufbringen einer ersten Zwischenschicht auf dem ersten Träger; ein Aufbringen S3 einer zweiten Opferschicht, welche einen zweiten Ätzwiderstand umfasst, auf der ersten Zwischenschicht; ein Strukturieren S4 der zweiten Opferschicht, wobei in einem strukturierten Bereich der zweiten Opferschicht der zweite Ätzwiderstand modifiziert wird; ein Aufbringen S5 einer zweiten Zwischenschicht auf der strukturierten zweiten Opferschicht, so dass sich die zweite Zwischenschicht parallel über der ersten Zwischenschicht befindet; und ein zumindest teilweises Entfernen der ersten und/oder zweiten Opferschicht außerhalb oder in dem strukturierten Bereich der zweiten Opferschicht mittels eines Ätzverfahrens, so dass zumindest eine Stützstruktur zwischen der ersten und der zweiten Zwischenschicht und in direktem Kontakt mit diesen verbleibt.
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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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