DE102019203856A1

DE102019203856A1 - Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung, Mikrospektrometereinrichtung, und Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung

Info

Publication number: DE102019203856A1
Application number: DE102019203856.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Christian Huber; Marc Schmid; Reinhold Roedel; Benedikt STEIN; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-09-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung (1) für eine mikromechanische Interferometereinrichtung (10), umfassend eine Grundschicht (2) mit einer Oberseite (2a) und einer Unterseite (2b), wobei die Grundschicht (2) ein Metall umfasst; eine erste dielektrische Schicht (3a) und eine zweite dielektrische Schicht (3b), welche jeweils einen ersten Brechungsindex (n1) aufweisen, wobei die erste dielektrische Schicht (3a) die Grundschicht (2) an der Oberseite (2a) und die zweite dielektrische Schicht (3b) die Grundschicht (2) an der Unterseite (2b) bedeckt und wobei der erste Brechungsindex (n1) kleiner als 2 ist; und eine erste Außenschicht (4a) und eine zweite Außenschicht (4b), welche jeweils einen zweiten Brechungsindex (n2) aufweisen, wobei die erste Außenschicht (4a) die erste dielektrische Schicht (3a) und die zweite Außenschicht (4b) die zweite dielektrische Schicht (3b), an jeweils einer der Grundschicht (2) abgewandten Seite bedecken, wobei der zweite Brechungsindex (n2) größer als 2 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung, eine Mikrospektrometereinrichtung, und ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung.
Stand der Technik
In aktuellen Konzepten werden Möglichkeiten gesucht, ein miniaturisiertes Spektrometer herzustellen, welches je nach Anwendung Spektren im sichtbaren, nah-infraroten oder mittleren Infraroten Bereich aufnehmen kann, und zum Einbau in Handheldgeräte oder bereits bestehende Anwendungselektronik, wie beispielsweise in Mobiltelefone, geeignet ist und für eine chemische Analyse von Vorteil ist.
In der EP 1882917 A1 wird ein mit mikromechanischen Mitteln gefertigtes Dualband-Fabry-Perot-Filter beschrieben, das als durchstimmbares Bandpassfilter in der Infrarot-Messtechnik eingesetzt wird. Ein durchstimmbares FP-Filter ist eine parallele Spiegelanordnung, die einen Resonatorraum umgibt. Die spektrale Abstimmung des Filters erfolgt durch die Abstandsänderung der Spiegel. Der spektrale Reflexionsgrad der Spiegel bestimmt wesentliche Eigenschaften des Filters.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung nach Anspruch 1, eine Mikrospektrometereinrichtung nach Anspruch 7, und ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung, eine Mikrospektrometereinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung anzugeben. Die Spiegeleinrichtung zeichnet sich durch einen hohe Reflektanz in einem breiten Spektralbereich aus und besitzt eine hohe Resttransmission, so dass die Spiegeleinrichtung in einem mikromechanischen Interferometer verbaut werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung eine Grundschicht mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei die Grundschicht ein Metall umfasst; eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht, welche jeweils einen ersten Brechungsindex aufweisen, wobei die erste dielektrische Schicht die Grundschicht an der Oberseite und die zweite dielektrische Schicht die Grundschicht an der Unterseite bedeckt und wobei der erste Brechungsindex kleiner als 2 ist; und eine erste Außenschicht und eine zweite Außenschicht, welche jeweils einen zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei die erste Außenschicht die erste dielektrische Schicht und die zweite Außenschicht die zweite dielektrische Schicht, an jeweils einer der Grundschicht abgewandten Seite bedecken, wobei der zweite Brechungsindex größer als 2 ist.
Die Grundschicht kann vorzugsweise Silber umfassen.
Ein übliches mikromechanisches Interferometer kann meist einen Bragg-Spiegel umfassen, (dieser also vorteilhaft als ein Bragg-Spiegel ausgeformt sein, DBR = Distributed Bragg Mirror), wobei alternierend optische hoch- und niedrigbrechende dielektrische Schichten mit einer optischen Schichtdicke von d =λ₀/4 wirken, wobei λ₀ eine Wellenlänge ist, für die ein Reflexionskoeffizient des Spiegels optimiert ist und d ist die optische Schichtdicke, d.h. die geometrische Schichtdicke mit dem Brechungsindex der jeweiligen Schicht gewichtet ist. Unter Verwendung von DBRs kann es jedoch schwierig sein, eine hohe Reflektivität über einen breiten Spektralbereich zu erzielen, da diese üblicherweise von der Differenz der Brechungsindizes der verwendeten Spiegelmaterialien abhängt. Die erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfasst mit der Grundschicht vorteilhaft einen metallischen Spiegel, welcher mit den dielektrischen Schichten und den Außenschichten einen dielektrischen Bragg Spiegel um die Grundschicht herum umfassen kann.
Hochreflektive Spiegel können vorteilhaft auch durch Metalle erzielt werden, welche intrinsisch eine hohe, breitbandige Reflektanz besitzen können, jedoch sehr dünn ausgeführt sein sollen, da Metalle elektromagnetische Strahlung absorbieren, sodass auch noch eine restliche Intensität durch das Interferometer transmittiert werden kann. Bei der Anwendung solcher dünner metallischer Schichten, beispielsweise Silber, kann dieses vorteilhaft auf einer Trägerschicht abgeschieden werden, um die nötige mechanische Stabilität zu erreichen.
Da Silber an Luft bzw. unter Feuchtigkeit altern kann, etwa in Form von Oxidation oder Sulfurisation, wodurch sich die optischen Eigenschaften ändern, können Schutzschichten, beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, Nb₂O₃ (Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Niobiumoxid) angewandt werden, vorzugsweise als dielektrische Schichten.
Da die Spiegeleinrichtung für eine mikromechanische Interferometereinrichtung vorgesehen ist, kann diese vorteilhaft in entsprechend kleinem Maßstab ausgeformt werden.
Die dielektrischen Schichten und die Außenschichten können dabei die dünne Silber-Schicht vor Korrosion oder anderen Umwelteinflüssen schützen und mechanische Robustheit verleihen. Mittels der genannten Kombination der ersten und des zweiten Brechungsindex kann eine hohe Resttransmission in einem vorgegebenen Spektralbereich erzielt werden, so dass die Spiegeleinrichtung für Betriebszwecke eines Interferometers genutzt werden kann.
Die dielektrischen Schichten und die Außenschichten wirken als die Silberschicht einhüllende Schichten und vorteilhaft wie ein dielektrischer Spiegel und unterstützen vorteilhaft die Reflexionscharakteristik der Spiegeleinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die Grundschicht eine Dicke zwischen 10 nm und 35 nm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die erste und/oder zweite dielektrische Schicht Al₂O₃, mit einer Dicke zwischen 20 nm und 200 nm.
Die dielektrischen Schichten, umfassend Aluminium oder Aluminiumoxid, können trotz der geringen Dicke im Größenbereiche eines mikromechanischen Bauelements eine ausreichende mechanische Stabilität für die Silber-Schicht (Grundschicht) bereitstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die erste und/oder zweite Außenschicht Silizium, mit einer Dicke zwischen 20 nm und 100 nm.
Die Außenschichten, umfassend Silizium, können trotz der geringen Dicke im Größenbereich eines mikromechanischen Bauelements eine ausreichende mechanische Stabilität für die Grundschicht und/oder die dielektrische Schicht bereitstellen.
Die Dicke der dielektrischen Schichten und der Außenschichten beziehen sich vorteilhaft auf eine Spiegeleinrichtung für nahes Infrarot-Licht, können für andere Spektralbereiche jedoch auch anders gewählt werden. Die dielektrischen Schichten können gleiche oder unterschiedliche Dicken umfassen. Die Außenschichten können gleiche oder unterschiedliche Dicken umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung weist diese für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich eine Reflektivität von 90 %, vorzugsweise von mehr als 94 % auf.
Bei der Reflektivität und der Transmissivität handelt es sich vorteilhaft um die Reflektanz und die Transmittanz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst diese eine tensile Vorspannung in einer planaren Richtung.
Der Schichtstapel bestehend aus Grundschicht, dielektrischen Schichten und Außenschichten, und kann in Summe eine tensile Vorspannung in einer planaren Richtung umfassen.
Um vorteilhaft eine Planarität des Spiegelelements (der Spiegelmembran) zu gewährleisten, kann durch eine tensile Verspannung eine Zugspannung auf das Spiegelelement entstehen, sodass sich die Membran (das Spiegelelement) vorteilhaft nicht durchwölbt. Des Weiteren kann (durch die tensile Vorspannung) die Eigenfrequenz der Membran so hoch sein, dass sie nicht durch Vibrationen aus der Umwelt zum Schwingen angeregt wird.
Erfindungsgemäß umfasst die Mikrospektrometereinrichtung eine Lichtquelle, mittels welcher ein zu analysierendes Objekt bestrahlbar ist; eine mikromechanische Interferometereinrichtung zum Empfangen von am Objekt gestreuter, reflektierter oder transmittierter Strahlung, weiterhin umfassend zumindest ein erstes Spiegelelement und zumindest ein zweites Spiegelelement, wobei das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfassen, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement parallel zueinander angeordnet sind und das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement in einer Richtung senkrecht auf dessen parallele Ausdehnung aktuierbar ist; und eine Detektoreinrichtung, durch welche Strahlung vom Objekt empfangbar ist, und durch welche ein Spektrum der Strahlung detektierbar und auswertbar ist.
Die Strahlung von der Lichtquelle, je nach Wellenlänge, kann das zu analysierende Objekt durchdringen, von diesem reflektiert oder gestreut werden.
Die parallele Anordnung der Spiegelelemente in einem Abstand kann wie zwei Spiegel eines Interferometers wirken.
Die Lichtquelle kann vorteilhaft je nach gewünschtem Wellenlängenbereich beispielsweise eine LED, eine LED mit einem Phosphor (Konverter) oder eine Glühbirne oder ein anderer thermischer Strahler sein.
In der Mikrospektrometereinrichtung kann der Abstand der Spiegelelemente variiert werden, und somit die Filterwirkung (Transmission) für unterschiedliche Wellenlängen durchgestimmt werden.
Für vorteilhaft kollimiertes einfallendes Licht, welches unter einem Winkel θ zur Senkrechten auf die Spiegelelemente (Fabry-Perot-Interferometer (FPI)) fällt, ist die Zentralwellenlänge der m-ten transmittierten Interferenzordnung vorteilhaft durch λm = 2dn cos θ / m gegeben, wobei n der Brechungsindex zwischen den Spiegelschichten (Spiegelelementen) und d der Abstand der Spiegelschichten (Spiegelelementen) ist. Für größere θ wandert die Zentralwellenlänge also vorteilhaft zu kürzeren Wellenlängen. Die Funktion eines solchen FPIs kann also vorteilhaft die eines spektralen Filters sein. Aus einer breiten spektralen Intensitätsverteilung wird mittels des Fabry-Perot-Interferometers vorteilhaft ein schmales Wellenlängenintervall herausgefiltert. Die Breite des Transmissionspeaks kann ein Maß für die Auflösung des Interferometers sein.
Der Abstand zwischen den Spiegelelementen kann vorteilhaft durch ein elektrostatisches oder piezoelektrisches Aktuieren, vorteilhaft mittels entsprechender Aktuatoren oder Aktuatorelektroden in der Mikrospektrometereinrichtung, verändert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mikrospektrometereinrichtung umfasst die Interferometereinrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer.
Ein Fabry-Perot Interferometer wird vorteilhaft als durchstimmbar realisiert, bei dem die gewünschte Durchlasswellenlänge über den Abstand der Spiegelelemente eingestellt werden kann. Üblicherweise werden Spiegelschichten (Dicke jeweils im Bereich von 500 nm - 3 µm) auf zwei separaten Substraten (Dicke im Bereich von mehreren 100 µm) hergestellt, wobei die Substrate den Spiegelschichten mechanische Stabilität verleihen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mikrospektrometereinrichtung ist das erste Spiegelelement und/oder das zweite Spiegelelement piezoelektrisch oder elektrostatisch aktuierbar.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung ein Bereitstellen eines Substrats und ein Anordnen eines ersten Spiegelelements und eines zweiten Spiegelelements, welche jeweils eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfassen, mit einer parallelen Ausdehnung auf einer Oberseite des Substrats, wobei zuerst das erste Spiegelelement auf dem Substrat aufgebracht wird, und danach ein Aufbringen einer Opferschicht auf der Oberseite des Substrats und auf dem ersten Spiegelelement erfolgt, und danach das zweite Spiegelelement auf der Opferschicht angeordnet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Ausformen von Ätzlöchern in dem zweiten Spiegelelement, welche sich durch das zweite Spiegelelement bis zur Opferschicht erstrecken; und ein Ätzen der Opferschicht durch die Ätzlöcher derart, dass das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement zueinander zumindest teilweise freigestellt werden.
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der Mikrospektrometereinrichtung und der Spiegeleinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile aus und umgekehrt.
Mittels der Mikrospektrometereinrichtung kann vorteilhaft ein Messobjekt (Objekt) mittels der Lichtquelle oder von mehreren Lichtquellen beleuchtet werden und das vorteilhaft diffus gestreute Licht mittels des Interferometers (als Filter) und der Detektoreinrichtung auf seine spektrale Zusammensetzung untersucht werden.
Die für die dielektrische Schicht und für die Außenschicht genutzten Materialien weisen vorteilhaft eine hohe Resistenz gegenüber einer Opferschichtätzung, beispielsweise mit Flusssäure (in flüssiger und oder gasförmiger Phase), auf.
Das Ausformen von Ätzlöchern kann auch im unteren (ersten) Spiegelelement erfolgen und ein darunterliegendes Substrat geätzt werden.
Im Vergleich zum Stand der Technik kann vorteilhaft ein auf Silber basierender und somit breitbandiger Membranreflektor geschaffen werden. Dies erlaubt es, einen solchen Spiegel in einem Prozessfluss einzusetzen, der ein vollständiges Fabry-Perot-Interferometer auf einem Substrat mit einem Opferschichtprozess herstellen kann, wodurch die Spiegel einfacher parallel zueinander ausgerichtet werden können, als dies der Fall ist, wenn die beiden Spiegel auf separaten Substraten abgeschieden werden und anschließend zusammengebondet werden.
Das erste Spiegelelement kann direkt auf dem Substrat hergestellt werden, wobei die Abfolge von zweiter Außenschicht, zweiter dielektrischer Schicht, Grundschicht, erster dielektrischer Schicht und erster Außenschicht auf das Substrat abgeschieden werden kann.
Je nach Dauer des Ätzverfahrens kann ein größerer oder kleinerer Freiraum zwischen den beiden Spiegelelementen ausgeformt werden. Ein Freiraum zwischen den beiden Spiegelelementen dehnt sich vorteilhaft unter einem gesamten Mittelbereich des oberen Spiegelelements aus, vorteilhaft in einem Bereich, welcher als optische Apertur für einen Lichtdetektor dienen kann, wobei der Lichtdetektor den beiden Spiegelelementen in Lichteinfallsrichtung nachgeordnet werden kann und zusammen mit diesen eine Interferometer bilden kann. Das zweite Spiegelelement kann in einem Aufhängebereich an dessen lateralen Enden auf dem ersten Spiegelelement angeordnet sein. Der Aufhängebereich befindet sich vorteilhaft außerhalb der optischen Apertur des Spiegelelements. Nach dem Ätzen kann ein Randbereich einer Opferschicht verbleiben, welche auf dem ersten Spiegelelement verbleibt, wobei das zweite Spiegelelement dann auf dem Randbereich der Opferschicht aufliegen kann.
Für das Ätzen kann ein Ätzmittel durch die Ätzlöcher eingeführt werden, wodurch die Opferschicht im Mittelbereich entfernt werden kann, beispielsweise Flusssäure oder ähnliche Mittel. Nach dem Entfernen der Opferschicht verkörpert das zweite (obere) Spiegelelement vorteilhaft eine freistehende Spiegelmenbran.
Diese kann tensil verspannt sein, beispielsweise an den Rändern, und somit eine hohe Planarität aufweisen. Die Ätzlöcher können vorteilhaft nur im Mittelbereich angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird beim Anordnen des ersten Spiegelelements und beim Anordnen des zweiten Spiegelelements die Abfolge von zweiter Außenschicht, zweiter dielektrischer Schicht, Grundschicht, erster dielektrischer Schicht, und erster Außenschicht auf dem Substrat oder der Opferschicht aufgebracht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Grundschicht vor dem Aufbringen der ersten dielektrischen Schicht oder der ersten Außenschicht strukturiert, wobei zumindest Bereiche der Grundschicht um die vorgesehenen Ätzlöchern herum entfernt werden.
Das Strukturieren kann also auch erst nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht aber vor dem Aufbringen der ersten Außenschicht erfolgen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Grundschicht in Richtung deren planaren Ausdehnung in Bereichen um die Ätzlöcher herum lateral von der ersten dielektrischen Schicht oder der ersten Außenschicht umgeben.
Mit anderen Worten kann die Grundschicht in Bereichen lateral um die vorgesehenen Ätzlöcher herum zu geringen Teilen entfernt werden, bevor die erste dielektrische Schicht und die erste Außenschicht aufgebracht werden. Werden letztlich die Ätzlöcher ausgeformt, in deren dafür vorgesehenen Bereichen, so kann sich im Spiegelelement um ein Ätzloch herum noch das Material der ersten dielektrischen Schicht oder der ersten Außenschicht zwischen Ätzloch und Grundschicht befinden.
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 der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Mikrospektrometereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Mikrospektrometereinrichtung mit einer Spiegeleinrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 ein Reflexionsverhalten einer Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 ein Transmissionsverhalten einer Mikrospektrometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrospektrometereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Mikrospektrometereinrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle 5, mittels welcher ein zu analysierendes Objekt O bestrahlbar ist; eine mikromechanische (MEMS) Interferometereinrichtung 20 zum Empfangen von am Objekt O gestreuter, reflektierter oder transmittierter Strahlung S, nach Bestrahlung des Objekts durch die Lichtquelle. Die Interferometereinrichtung 20 umfasst zumindest ein erstes Spiegelelement SP1 und zumindest ein zweites Spiegelelement SP2, welche vorteilhaft jeweils eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfassen, wobei das erste Spiegelelement SP1 und das zweite Spiegelelement SP2 parallel zueinander angeordnet sind und das erste Spiegelelement SP1 und/oder das zweite Spiegelelement SP2 in einer Richtung senkrecht auf eine parallele Ausdehnung dieser aktuierbar ist. Die Mikrospektrometereinrichtung 10 umfasst weiterhin eine Detektoreinrichtung 6, durch welche Strahlung S vom Objekt O und vorteilhaft gefiltert durch die Interferometereinrichtung 20 empfangbar ist, und durch welche ein Spektrum der Strahlung S detektierbar und auswertbar ist.
Die Lichtquelle 5 kann je nach gewünschter Wellenlänge eine LED, eine LED mit Konverter oder eine Glühbirne oder eine andere Lichtquelle enthalten und in der Mikrospektrometereinrichtung 10 räumlich getrennt von der Interferometereinrichtung 20 angeordnet sein. Mit anderen Worten, kann die Lichtquelle 5 an einem Lichtausgang angeordnet sein, von welchem aus das Objekt O bestrahlt werden kann, und die Interferometereinrichtung 20 an einer Apertur, also einem Lichteingang, der Mikrospektrometereinrichtung 10 angeordnet sein, durch welchen das Licht S von dem Objekt O eintreten kann.
Die Detektoreinrichtung 6 kann ein Einzeldetektor sein, der je nach verwendetem Wellenlängenbereich beispielsweise ein Silizium-, Germanium-, InGaAs-, extended-InGaAs-Detektor oder ein anderer Detektor ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrospektrometereinrichtung mit einer Spiegeleinrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Spiegeleinrichtung 1 für eine mikromechanische Interferometereinrichtung 10, umfasst, eine Grundschicht 2 mit einer Oberseite 2a und einer Unterseite 2b, wobei die Grundschicht 2 ein Metall umfasst, vorzugsweise Silber umfassen kann; eine erste dielektrische Schicht 3a und eine zweite dielektrische Schicht 3b, welche jeweils einen ersten Brechungsindex n1 aufweisen, wobei die erste dielektrische Schicht 3a die Grundschicht 2 an der Oberseite 2a und die zweite dielektrische Schicht 3b die Grundschicht 2 an der Unterseite 2b bedeckt und wobei der erste Brechungsindex n1 kleiner als 2 ist; und eine erste Außenschicht 4a und eine zweite Außenschicht 4b, welche jeweils einen zweiten Brechungsindex n2 aufweisen, wobei die erste Außenschicht 4a die erste dielektrische Schicht 3a und die zweite Außenschicht 4b die zweite dielektrische Schicht 3b, an jeweils einer der Grundschicht 2 abgewandten Seite bedecken, wobei der zweite Brechungsindex n2 größer als 2 ist.
Die 2 zeigt die zwei Spiegelelemente während der Herstellung der Mikrospektrometereinrichtung. In der oberen Figur wurde das erste Spiegelelement SP1 auf dem Substrat 8 angeordnet, eine Opferschicht 9 wurde auf dem Substrat 8 und auf dem ersten Spiegelelement SP1 angeordnet, und das zweite Spiegelelement SP2 wurde auf der Opferschicht 9 angeordnet, wobei auch Ätzlöcher 11 bereits in dem zweiten Spiegelelement SP2 angeordnet wurden. Die Ätzlöcher können um einen Mindestabstand a voneinander beabstandet sein. Mit dem Mindestabstand kann die Ätzwirkung der Opferschicht 9 beeinflusst werden, so dass in einem vorbestimmten (kurzen) Zeitabschnitt, eine durchgehende Freistellung des zweiten Spiegelelements SP2 erreicht werden kann.
Das erste Spiegelelement SP1 kann auf einem Substrat 8 angeordnet sein, etwa als bereits hergestelltes Element angeordnet oder erst durch Abscheidung der Schichten auf dem Substrat 8 hergestellt werden.
Die untere Figur zeigt die Mikrospektrometereinrichtung nach der Freistellung (dem Ätzvorgang) des zweiten Spiegelelements SP2. Des Weiteren kann eine Elektrodenkonfiguration auf dem Substrat und/oder auf einem der Spiegelelemente (jeweils deren Ober- oder Unterseite) vorhanden sein (nicht gezeigt). Es kann eine Metallelektrode auf dem Substrat und dotiertes Silizium im oberen Spiegelelement SP2 ausgeführt sein. Weiterhin kann das untere erste Spiegelelement SP1 weitestgehend lateral durchgehend ausgeführt sein (gleiche laterale Ausdehnung wie SP2) oder eine lateral kleinere Ausdehnung umfassen als das zweite Spiegelelement SP2. Das zweite Spiegelelement SP2 kann in einem Aufhängebereich AB an dessen lateralem Rand auf dem ersten Spiegelelement oder auf dem Substrat 8 angeordnet sein. Weiterhin kann das Substrat 8 noch mit einer Antireflexionsschicht auf der Rückseite ausgeführt sein (nicht gezeigt). Weiterhin kann das untere erste Spiegelelement SP1 ebenfalls als Membranspiegel ausgeführt sein und die Waferrückseite (im Substrat) unter dem Spiegel kann ein Durchloch besitzen. In diesem Fall zweier Membranspiegel kann die Aktuation auch so ausgeführt sein, dass das erste Spiegelelement SP1 zum Substrat hin aktuiert wird und somit während der Aktuation der Abstand der Spiegelelemente vergrößert werden kann. Das erste Spiegelelement SP1 kann in der lateralen Ausdehnung auch kleiner sein als das zweite Spiegelelement SP2. In diesem Fall ist es möglich, dass Elektroden (für eine Aktuierung) jeweils lateral neben dem ersten Spiegelelement SP1 auf dem Substrat 8 angeordnet sind. Durch eine Strukturierung können sowohl Ätzlöcher 11 als auch Federn einer freigestellten Spiegelmembran gebildet werden. Es ist ebenso möglich, sowohl das erste Spiegelelement wie auch das zweite Spiegelelement durch Strukturierung von Ätzlchern in beiden Spiegelelementen freizustellen. Diese können dann im selben Herstellungsschritt hergestellt werden.
Die Schichten (Grundschicht, dielektrische und Außenschichten) können mittels konventioneller Methoden abgeschieden werden. Für die Silberschicht z.B. mittels thermischem Aufdampfen, Elektronenstrahlaufdampfen, Sputtern, Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern oder plasma-enhanced atomic layer deposition oder standard ALD. Die Al₂O₃ Schicht kann ebenfalls durch Sputtermethoden entweder nicht-reaktiv von einem Al₂O₃ Target oder reaktiv von einem Aluminiumtarget abgeschieden werden oder mittels atomic layer deposition abgeschieden werden. Insbesondere kann die Al₂O₃ Schicht durch die gleiche Methode wie die Grundschicht oder alternativ einer Abscheideeinrichtung, welche mit der Abscheideeinrichtung für die Grundschicht unter einem hohen Vakuum verbunden ist, abgeschieden werden. Die Siliziumschicht kann etwa mittels Sputtern oder plasma-enhanced chemical vapor deposition oder ohne Plasma abgeschieden werden. Durch den gewählten Aufbau kann das Silber beidseitig von Aluminiumoxid gegen Korrosion geschützt werden. Der Zugstress der Spiegelmembran (tensil) kann durch geeignete Wahl der Abscheidebedingungen oder einen Temperschritt im Anschluss an die Abscheidungen vorteilhaft in einem Bereich zwischen 50 MPa und 300 MPa eingestellt werden.
Silizium und Aluminiumoxid sind zudem bei geeigneten Prozessbedingungen vorteilhaft resistent gegen eine Gasphasenätzung in Flusssäure womit die Oxidopferschicht zwischen den Spiegeln entfernt werden kann.
Bei Bedarf kann zwischen die dielektrische Schicht und die Außenschicht noch eine dünne (<10 nm) Schicht eines PECVD-Dielektrikums, z.B. amorphem Siliziumcarbid oder amorphem Siliziumcarbonitrid, eingefügt werden um das Wachstum des Siliziums auf Aluminiumoxid zu erleichtern.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführung aus der Figur a oder Figur b der 3 kann sowohl das erste Spiegelelement wie auch das zweite Spiegelelement betreffen, wenn dieses als eine Spiegelmembran hergestellt wird und mittels Ätzen ein Freiraum unter diesem zu erzeugen ist.
In der Figur a wird eine Spiegeleinrichtung 1 mit einer Grundschicht 2 mit einer Oberseite 2a und einer Unterseite 2b gezeigt, wobei die Grundschicht 2 Ag umfasst. Eine erste dielektrische Schicht 3a mit einem ersten Brechungsindex n1 bedeckt die Grundschicht 2 an der Oberseite 2a und eine zweite dielektrische Schicht mit einem ersten Brechungsindex n1 bedeckt die Grundschicht 2 an der Unterseite 2b, wobei der erste Brechungsindex n1 kleiner 2 ist. Eine erste Außenschicht 4a bedeckt die erste dielektrische Schicht 3a an der Oberseite 2a, der Oberseite 2a abgewandt und eine zweite Außenschicht 4b bedeckt die zweite dielektrische Schicht 3b an der Unterseite 2b der Grundschicht 2, dieser abgewandt, und umfasst einen zweiten Brechungsindex n2, wobei der zweite Brechungsindex n2 größer 2 ist. In der Ausführung der Figur a umfasst die Spiegeleinrichtung 1 vollständig durch die Grundschicht 2, durch die erste und zweite dielektrische Schicht 3a und 3b und durch die erste und zweite Außenschicht 4a und 4b, vorteilhaft durchgehende Ätzlöcher 11, welche in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet werden können. Die Ätzlöcher können sich in der Ausführung aus der Figur a (lateral) bis zur Grundschicht 2 erstrecken.
In der Ausführung der Figur b kann ein Bereich B (lateral) der Grundschicht 2 um die vorgesehenen Ätzlöcher 11 herum entfernt werden, vorteilhaft bei einer Strukturierung der Grundschicht 2, welche vor dem Beschichten der Grundschicht 2 mit dem dielektrischen Material von der Oberseite erfolgen kann. Nachdem die erste dielektrischen Schicht 3a auf die Grundschicht 2 flächig aufgebracht werden kann, also auch über die Bereiche der vorgesehenen Ätzlöcher hinweg, kann sich eine Stufe in der oberen Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 3a ausbilden und die lateralen Ränder der Grundschicht 2 ebenfalls bedecken und diese schützen. Nach dem Beschichten der ersten dielektrischen Schicht 3a mit der ersten Außenschicht 4a setzt sich die Stufe vorteilhaft in die erste Außenschicht 4a fort (dem Ätzloch zugewandt).
Des Weiteren kann der Bereich B auch erst nach dem Aufbringen der ersten dielektrischen Schicht 3a und vor dem Aufbringen der ersten Außenschicht 4a entfernt werden. Die erste dielektrische Schicht 3a kann dabei vollflächig abgeschieden werden, danach kann die Strukturierung (Entfernen von B) des ersten dielektrischen Materials und der Grundschicht erfolgen und dann der Schutz mittels der erstem Außenschicht 4a aufgebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass das Silber der Grundschicht nicht für den Strukturierungsschritt vollflächig der Atmosphäre ausgesetzt wird.
Die Ausführungsform der Figur a kann anisotrop beispielsweise durch reaktives lonenätzen oder physikalisches Ionenstrahlätzen durchgeätzt werden.
Bei der Verwendung eines metallhaltigen Spiegels ist zu beachten, dass die Metallschicht (Grundschicht) nicht zu dick sein darf, sodass diese vorteilhaft noch eine ausreichende Transmittanz besitzt (Dicke < 35nm). In einem dünnen Membranspiegel macht dies die Verwendung einer transparenten Trägerschicht (vorteilhaft dielektrische Schicht und Außenschicht) notwendig. Diese können jedoch als dünne Schicht und somit als Interferenzraum wiederum die optischen Eigenschaften des Reflektors verändern. In einem konkreten Beispiel für einen Spiegel, welcher im nahinfraroten Bereich zwischen 800 nm und 1700 nm eine hohe Reflektanz von über 92% und in weiten Teilen von über 94% besitzen kann, kann folgender Aufbau verwendet werden (Lichteinfall von der Seite und zuerst auf die Außenschicht) mit einer Dicke d3a, d3b der Außenschichten 4a und 4b, einer Dicke d2 der dielektrischen Schichten 3a und 3b und einer Dicke d1 der Grundschicht 2, etwa von einer Oberseite aus mit d3a (erste Außenschicht 4a) =74 nm (Silizium), d2a (erste dielektrische Schicht 3a) =142 nm (Aluminiumoxid), d1 = 21 nm (Silber), d2b (zweite dielektrische Schicht 3b) = 46 nm (Aluminiumoxid) und d3b (zweite Außenschicht 4b) = 29 nm (Silizium).
4 zeigt ein Reflexionsverhalten einer Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 4 ist eine Abhängigkeit der Reflektanz (Verhältnis von reflektierter zu einfallender wellenlängenabhängiger Intensität) eines Spiegelelements von der Wellenlänge gezeigt. Die dielektrische Schicht und die Außenschicht stellen vorteilhaft eine Kombination eines niedrig- und eines hochbrechenden Materials dar, welche selbst wie ein dielektrischer Spiegel wirken können und somit die Reflexionscharakteristik der Grundschicht 2 unterstützen können. Ab etwa 800 nm kann das Spiegelelement (Spiegeleinrichtung) eine erhöhte Reflexion aufzeigen und durch den schmalen Einbruch bei etwa 700 nm (falls in diesem Bereich keine Anwendung vorgesehen sein kann) mit dem restlichen Wellenlängenbereich (vorteilhaft ist dies der Arbeitsbereich) eine hohe Reflexion über einen breiten Spektralbereich aufweisen.
5 zeigt ein Transmissionsverhalten einer Mikrospektrometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 5 ist eine Abhängigkeit der Transmittanz zweier Spiegelelemente von der Wellenlänge, vorteilhaft in einem FPI, gezeigt. Für die Simulation wurde ein Abstand der Spiegel von 700 nm gewählt, wodurch bei ca. 1300 nm ein Transmissionspeak erster Ordnung entstehen kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Substrats und ein Anordnen S2 eines ersten Spiegelelements und eines zweiten Spiegelelements, welche eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfassen, mit einer parallelen Ausdehnung dieser auf einer Oberseite des Substrats, wobei zuerst das erste Spiegelelement auf dem Substrat aufgebracht wird. Danach erfolgt ein Aufbringen S3 einer Opferschicht auf der Oberseite des Substrats und auf dem ersten Spiegelelement, und danach wird das zweite Spiegelelement auf der Opferschicht angeordnet S4. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Ausformen S5 von Ätzlöchern in dem zweiten Spiegelelement, welche sich durch das zweite Spiegelelement bis zur Opferschicht erstrecken; und ein Ätzen S6 der Opferschicht durch die Ätzlöcher derart, dass das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement zueinander zumindest teilweise freigestellt werden.
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

EP 1882917 A1 [0003]

Claims

Spiegeleinrichtung (1) für eine mikromechanische Interferometereinrichtung (10), umfassend - eine Grundschicht (2) mit einer Oberseite (2a) und einer Unterseite (2b), wobei die Grundschicht (2) ein Metall umfasst, - eine erste dielektrische Schicht (3a) und eine zweite dielektrische Schicht (3b), welche jeweils einen ersten Brechungsindex (n1) aufweisen, wobei die erste dielektrische Schicht (3a) die Grundschicht (2) an der Oberseite (2a) und die zweite dielektrische Schicht (3b) die Grundschicht (2) an der Unterseite (2b) bedeckt und wobei der erste Brechungsindex (n1) kleiner als 2 ist; und - eine erste Außenschicht (4a) und eine zweite Außenschicht (4b), welche jeweils einen zweiten Brechungsindex (n2) aufweisen, wobei die erste Außenschicht (4a) die erste dielektrische Schicht (3a) und die zweite Außenschicht (4b) die zweite dielektrische Schicht (3b), an jeweils einer der Grundschicht (2) abgewandten Seite bedecken, wobei der zweite Brechungsindex (n2) größer als 2 ist.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Grundschicht (2) eine Dicke (d1) zwischen 10 nm und 35 nm umfasst.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die erste und/oder zweite dielektrische Schicht (3a, 3b) Al₂O₃, mit einer Dicke (d2a, d2b) zwischen 20 nm und 200 nm, umfasst.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die erste und/oder zweite Außenschicht (4a, 4b) Silizium, mit einer Dicke (d3a, d3b) zwischen 20 nm und 100 nm, umfasst.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich eine Reflektivität von 90 %, vorzugsweise von mehr als 94 % aufweist
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine tensile Vorspannung in einer planaren Richtung aufweist.
Mikrospektrometereinrichtung (10) umfassend - eine Lichtquelle (5), mittels welcher ein zu analysierendes Objekt (O) bestrahlbar ist; - eine mikromechanische Interferometereinrichtung (20) zum Empfangen von am Objekt (O) gestreuter, reflektierter oder transmittierter Strahlung (S), weiterhin umfassend zumindest ein erstes Spiegelelement (SP1) und zumindest ein zweites Spiegelelement (SP2), wobei das erste Spiegelelement (SP1) und/oder das zweite Spiegelelement (SP2) eine Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassen, wobei das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) parallel zueinander angeordnet sind und das erste Spiegelelement (SP1) und/oder das zweite Spiegelelement (SP2) in einer Richtung senkrecht auf dessen parallele Ausdehnung aktuierbar ist; und - eine Detektoreinrichtung (6), durch welche Strahlung (S) vom Objekt (O) empfangbar ist, und durch welche ein Spektrum der Strahlung (S) detektierbar und auswertbar ist.
Mikrospektrometereinrichtung (10) nach Anspruch 7, bei welcher die Interferometereinrichtung (20) ein Fabry-Perot-Interferometer umfasst.
Mikrospektrometereinrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher das erste Spiegelelement (SP1) und/oder das zweite Spiegelelement (SP2) piezoelektrisch oder elektrostatisch aktuierbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrospektrometereinrichtung (10), umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) eines Substrats (8) und Anordnen (S2) eines ersten Spiegelelements (SP1) und eines zweiten Spiegelelements (SP2), welche jeweils eine Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassen, mit einer parallelen Ausdehnung auf einer Oberseite (8a) des Substrats (8), wobei zuerst das erste Spiegelelement (SP1) auf dem Substrat (8) aufgebracht wird, danach ein Aufbringen (S3) einer Opferschicht (9) auf der Oberseite (8a) des Substrats (8) und auf dem ersten Spiegelelement (SP1) erfolgt, und danach das zweite Spiegelelement (SP2) auf der Opferschicht (9) angeordnet (S4) wird; - Ausformen (S5) von Ätzlöchern (11) in dem zweiten Spiegelelement (SP2), welche sich durch das zweite Spiegelelement (SP2) bis zur Opferschicht (9) erstrecken; - Ätzen (S6) der Opferschicht (9) durch die Ätzlöcher (11) derart, dass das erste Spiegelelement (SP1) und das zweite Spiegelelement (SP2) zueinander zumindest teilweise freigestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem beim Anordnen (S2) des ersten Spiegelelements (SP1) und beim Anordnen (S4) des zweiten Spiegelelements (SP2) die Abfolge von zweiter Außenschicht (4b), zweiter dielektrischer Schicht (3b), Grundschicht (2), erster dielektrischer Schicht (3a), und erster Außenschicht (4a) auf dem Substrat (8) oder der Opferschicht (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Grundschicht (2) vor dem Aufbringen der ersten dielektrischen Schicht (3a) oder der ersten Außenschicht (4a) strukturiert wird, wobei zumindest Bereiche der Grundschicht (2) um die vorgesehenen Ätzlöchern (11) herum entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Grundschicht (2) in Richtung derer planarer Ausdehnung in Bereichen um die Ätzlöchern (11) herum lateral von der ersten dielektrischen Schicht (3a) oder der ersten Außenschicht (4a) umgeben wird.