DE102019206761A1

DE102019206761A1 - Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, Interferometereinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Spiegeleinrichtung

Info

Publication number: DE102019206761A1
Application number: DE102019206761.1A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Roedel; Christoph Schelling; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-12
Also published as: WO2020229194A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung (1) für eine Interferometereinrichtung (1) umfassend; eine erste Spiegelschicht (2) und eine zweite Spiegelschicht (3), welche parallel übereinander und um einen Spiegelschichtabstand (d23) voneinander entfernt angeordnet sind, wobei der Siegelabstand (d23) einen Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Spiegelschicht (2, 3) bildet, und wobei der Zwischenraum ein Gas umfasst; zumindest eine Ausnehmung, welche sich in einem gleichen lateralen Bereich in der ersten und in der zweiten Spiegelschicht (2, 3) befindet; zumindest eine Abstandsstruktur (4) in der Ausnehmung, welche eine auf eine planare Erstreckungsrichtung der ersten und zweiten Spiegelschicht (2, 3) senkrecht stehende oder um einen bestimmten Winkel von einer senkrechten Richtung auf die planare Erstreckungsrichtung geneigte Seitenwand (4a) umfasst, welche sich zwischen der ersten Spiegelschicht (2) und der zweiten Spiegelschicht (3) und zumindest in eine der beiden Spiegelschichten (2, 3) hinein oder durch diese hindurch erstreckt und angrenzend an die erste und zweite Spiegelschicht (2, 3) die Ausnehmung lateral umläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung, eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Spiegeleinrichtung.
Stand der Technik
Für spektrale Filter, welche über mehrere Wellenlängen variabel (durchstimmbar) sind und nur für bestimmte Wellenlängen durchlässig sind kann beispielsweise mittels mikroelektromechanischer Bauweise (MEMS-Technologie) eine Miniaturisierung, etwa mit Fabry-Perot Interferometern (FPI), realisiert werden. Eine Kavität mit zwei im Wesentlichen planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) der Größenordnung von optischen Wellenlängen kann eine starke Transmission lediglich für solche Wellenlängen aufweisen, welche mit der Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entsprechen. Durch beispielsweise eine elektrostatische oder piezoelektrische Aktuierung kann der Spiegelschichtabstand verändert werden, wodurch ein spektral durchstimmbares Filterelement entstehen kann.
Fabry-Perot Interferometer, welche vorteilhaft einen möglichst großen Wellenlängenbereich abdecken können, sollten unter anderem über den gesamten zu messenden Wellenlängenbereich hochreflektiv sein. Üblicherweise können die Spiegel dielektrische Schichtsysteme umfassen, beispielsweise Bragg Reflektoren (engl. distributed Bragg reflectors, DBR), welche alternierend Schichten von hoch- und niedrigbrechenden Materialien umfassen können, wobei die optische Dicke dieser Schichten idealerweise ein Viertel der Zentralwellenlänge des zu betrachtenden Wellenlängenbereichs umfasst. Die folgende Relation ergibt den Wellenlängenbereich Δλ, in dem solche Spiegel eine hohe Reflektivität umfassen können. Der Kontrast des Brechungsindizes der hoch- und niedrigbrechenden Materialien folglich gegeben durch $Δλ= λ_{0} \frac{\frac{4}{π} arcsin (\frac{n_{H} - n_{L}}{n_{H} + n_{L}})}{1 - {(\frac{2}{π} arcsin (\frac{n_{H} + n_{L}}{n_{H} - n_{L}}))}^{2}},$
wobei λ0 die Zentralwellenlänge darstellt, n_L den Brechungsindex des niedrigbrechenden Materials und n_H den Brechungsindex des hochbrechenden Materials.
Hierbei kann eine erreichbare maximale Reflexion, wie folgt, für den genannten Wellenlängenbereich bei gegebener Anzahl von Schichtpaaren mit höherem Brechungsindexkontrast ebenso höher sein: $R = {(\frac{1 - {(\frac{n_{H}}{n_{L}})}^{2 N} (\frac{n_{_{H}}^{2}}{n_{sub}})}{1 + {(\frac{n_{H}}{n_{L}})}^{2 N} (\frac{n_{H}^{2}}{n_{sub}})})}^{2} .$
Hierbei ist n_sub gleich dem Brechungsinde des Substrats, falls der DBR-Spiegel nicht freigestellt ist. Ist der DBR-Spiegel freigestellt, wird n_sub = 1. Zum Abdecken eines möglichst großen Wellenlängenbereichs kann der Brechungsindex des niedrigbrechenden Materials möglichst nahe bei 1 liegen, etwa im Falle von Gasen oder Vakuum. Da eine Planparallelität auch für solche Spiegel (Schichten) wichtig ist, erweisen sich Stützstrukturen zwischen den Spiegelschichten als vorteilhaft um den Abstand der Einzelschichten innerhalb eines Spiegels des FPI konstant zu halten (Abstand der hochbrechenden Schichten zueinander). Üblicherweise können Teile der oberen hochbrechenden Schicht als Stützstrukturen gebildet sein. Diese können sich von der oberen hochbrechenden Schicht bis zur unteren erstrecken.
In der US 7,733,495 B2 wird ein mehrschichtiger Spiegel sowie ein Fabry-Perot Interferometer beschrieben. Eine Seitenwand kann sich zwischen den hochbrechenden Schichten erstrecken.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1, eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 9 und ein Verfahren zum Herstellen einer Spiegeleinrichtung nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung anzugeben, welche verbesserte Abstandsstrukturen zwischen Spiegelschichten in einer Spiegeleinrichtung umfasst. Die Abstandsstrukturen können zum Einhalten eines konstanten Abstands zwischen den Spiegelschichten einer Spiegeleinrichtung und gleichzeitig als Distanzhalter für die Spiegeleinrichtung von einem anderen Element, etwa einer Elektrode, einem Substrat oder einer anderen Spiegeleinrichtung dienen.
Erfindungsgemäß umfasst die Spiegeleinrichtung für eine Interferometereinrichtung eine erste Spiegelschicht und eine zweite Spiegelschicht, welche im Wesentlichen parallel übereinander und um einen Spiegelschichtabstand voneinander entfernt angeordnet sind, wobei der Spiegelschichtabstand einen Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Spiegelschicht bildet, und wobei der Zwischenraum ein Gas oder Gasgemisch oder Vakuum umfasst; zumindest eine Ausnehmung, welche sich in einem gleichen lateralen Bereich in der ersten und in der zweiten Spiegelschicht befindet; zumindest eine Abstandsstruktur in der Ausnehmung, welche eine auf eine planare Erstreckungsrichtung der ersten und zweiten Spiegelschicht senkrecht stehende oder um einen bestimmten Winkel von einer senkrechten Richtung auf die planare Erstreckungsrichtung geneigte Seitenwand umfasst, welche sich zwischen der ersten Spiegelschicht und der zweiten Spiegelschicht und zumindest in eine der beiden Spiegelschichten hinein oder durch diese hindurch erstreckt und angrenzend an die erste und zweite Spiegelschicht die Ausnehmung lateral umläuft.
Die Abstandsstrukturen können sich über die Spiegeleinrichtung, etwa die erste oder zweite Spiegelschicht, vertikal hinaus erstrecken und als Distanzhalter zu anderen Elementen dienen (Anti Stiction Bumps). Diese Distanzstrukturen (Abstandshalter) können etwa an die mechanischen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann durch die mechanische Stabilität der Abstandsstrukturen ein in den Schichten vorteilhaft eingestellter Zugstress besser beibehalten werden, wobei die Abstandsstrukturen selbst weniger relaxieren (dem Zugstress nachgeben) können, wodurch eine optisch nutzbare Fläche der Spiegelschichten erhöht werden kann im Gegensatz zu stärker nachgebenden Strukturen. Durch ein verringertes oder kein Nachgeben kann eine vorbestimmte Beabstandung der Spiegelschichten beibehalten werden. Die Abstandsstrukturen können in Draufsicht nahezu punktförmig ausgebildet sein, was zu einer Minimierung optischer Verluste führen kann.
Bei dem Spiegelschichtabstand kann es sich vorteilhaft um jenen Abstand handeln, um welchen die Spiegelschichten vorteilhaft parallel zueinander beabstandet sind und durch die Abstandsstruktur vorteilhaft konstant auf diesem Abstand gehalten werden. Das in die Spiegelschicht hinein oder hindurch Erstrecken der Seitenwand ist vorteilhaft senkrecht auf eine Ebene der Spiegeloberfläche gemeint, wobei die Spiegeloberflächen der Spiegelschichten parallel zueinander sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung erstreckt sich die Seitenwand durch die erste Spiegelschicht und/oder durch die zweite Spiegelschicht vollständig hindurch und überragt die erste Spiegelschicht auf einer der zweiten Spiegelschicht abgewandten Seite um mindestens eine Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschicht und/oder die zweite Spiegelschicht auf einer der ersten Spiegelschicht abgewandten Seite um mindestens die Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die Abstandsstruktur einen lateralen Seitenflansch, welcher sich umlaufend um die Seitenwand von dieser lateral nach außen erstreckt und in direkten Kontakt mit dieser auf einer der ersten Spiegelschicht abgewandten Oberseite der zweiten Spiegelschicht befindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die Abstandsstruktur einen Boden, welcher sich planar zwischen der Seitenwand an einem unteren Ende dieser erstreckt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung bettet die Seitenwand die erste und/oder zweite Spiegelschicht teilweise in sich ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst diese eine dritte Spiegelschicht mit der gleichen Ausnehmung und an dieser entlang laufenden Seitenwand.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst die Abstandsstruktur zwischen der Seitenwand einen Freiraum oder ist mit einem Material der Abstandsstruktur oder mit einem Füllmaterial verfüllt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spiegeleinrichtung umfasst diese eine Mehrzahl von Abstandsstrukturen, welche in Draufsicht auf eine planare Oberseite der zweiten Spiegelschicht ein hexagonales Gitter formen.
Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung ein Substrat; eine erste Spiegeleinrichtung und eine zweite Spiegeleinrichtung, wobei zumindest eine davon eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfasst, welche über dem Substrat und übereinander um einen ersten Abstand entfernt voneinander angeordnet sind, wobei zumindest die erste Spiegeleinrichtung zur zweiten Spiegeleinrichtung bewegbar angeordnet ist; und eine Aktuationseinrichtung, mittels welcher zumindest die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung bewegbar ist.
Die Abstandsstruktur kann anstatt der vertikal geraden Seitenwände auch krumme Seitenwände zwischen den beiden Spiegelschichten aufweisen. Hierbei kann die Seitenwand aus zwei Teilschichten bestehen, jede beispielsweise 40 nm dick. Die Gesamtdicke einer Spiegelschicht kann 80 nm betragen. Es kann hierbei möglich sein, dass bei gleichem Material der Spiegelschicht und der Abstandsstruktur diese selbst Teil der Spiegelschicht sein kann, welche von der Oberseite der Spiegelschicht einen gebogenen Verlauf zur darunterliegenden Spiegelschicht einnehmen kann und mit einem Boden auf dieser aufsetzen kann. Die Teilschichten können diesem Verlauf parallel folgen, und zur Verstärkung eine Verstärkungsschicht umfassen, welche sich nur im Bereich des Spiegelabstands zwischen den Teilschichten erstrecken können.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Spiegeleinrichtung ein Bereitstellen einer ersten Opferschicht; ein Aufbringen einer ersten Spiegelschicht auf die erste Opferschicht; ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht auf der ersten Spiegelschicht; ein Aufbringen einer zweiten Spiegelschicht auf der zweiten Opferschicht; ein Ausformen einer Ausnehmung in einem gleichen lateralen Bereich in der zweiten Spiegelschicht, in der zweiten Opferschicht und zumindest teilweise in der ersten Spiegelschicht; ein Ausformen einer Abstandsstruktur durch Ausformen einer Seitenwand in der Ausnehmung in Kontakt mit der ersten und zweiten Spiegelschicht sowie mit der zweiten Opferschicht, wobei ein Material der Abstandsstruktur in der Ausnehmung und auf einer Oberseite der zweiten Spiegelschicht abgeschieden wird, wobei die Oberseite der ersten Spiegelschicht abgewandt ist; und ein zumindest teilweises Entfernen des Materials der Abstandsstruktur von der Oberseite und der ersten und zweiten Opferschicht und der ersten und zweiten Opferschicht.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die in Verbindung mit der Spiegeleinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Ausnehmung durch die erste Spiegelschicht hindurch und in die erste Opferschicht eingebracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in der Ausnehmung ein Boden zwischen der Seitenwand an einer unteren Seite der Seitenwand ausgeformt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird beim Einbringen der Ausnehmung die zweite Opferschicht auch teilweise unterhalb der zweiten Spiegelschicht entfernt und die zweite Spiegelschicht in die Seitenwand eingebettet.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1a - g eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4a - g eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5a - g eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
8 ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a - 1g zeigt eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 1a erfolgt ein Bereitstellen (S1) einer ersten Opferschicht O1; ein Aufbringen (S2) einer ersten Spiegelschicht 2 auf die erste Opferschicht O1; ein Aufbringen (S3) einer zweiten Opferschicht 02 auf der ersten Spiegelschicht 2; und ein Aufbringen (S4) einer zweiten Spiegelschicht 3 auf der zweiten Opferschicht 02. Die genannten Schichten können vorteilhaft als übereinander im Wesentlichen parallele Schichtenfolge ausgeformt werden, wobei die erste Spiegelschicht 2 mit einer Unterseite 2a auf der ersten Opferschicht O1 aufgebracht wird, die zweite Opferschicht 02 auf einer Oberseite 2b der ersten Spiegelschicht 2, die zweite Spiegelschicht 3 mit einer Unterseite 3a auf der zweiten Opferschicht 02. Die zweite Spiegelschicht 3 kann eine Oberseite 3b umfassen.
In der 1b kann optional planar eine dünne Hilfsopferschicht 8 auf die zweite Spiegelschicht 3 aufgebracht werden, welche in weiterer Prozessfolge die zweite Spiegelschicht 3 schützen kann. Die erste und zweite Spiegelschicht 2 und 3 können als hochbrechende Spiegelschichten gebildet werden.
In der 1c kann die Hilfsopferschicht 8 im Bereich A1 der später entstehenden Abstandsstruktur entfernt, also strukturiert werden.
In der 1d kann eine Ausnehmung A in der zweiten Spiegelschicht 3, in der zweiten Opferschicht O2 und in der ersten Spiegelschicht 2 ausgeformt werden. Die Ausnehmung A kann sich lateral geringer erstrecken als die Ausnehmung in der Hilfsopferschicht 8 und in letzterer Ausnehmung zentriert sein. Die Ausnehmung A kann durch die erste Spiegelschicht 2 hindurch und in die erste Opferschicht O1 eingebracht werden und sich teilweise in die erste Opferschicht O1 hinein erstrecken.
In der 1e kann ein Ausformen (S6) einer Abstandsstruktur 4 durch Ausformen einer Seitenwand 4a in der Ausnehmung A erfolgen, wobei die Seitenwand 4a in Kontakt mit der ersten und zweiten Spiegelschicht (2, 3) sowie mit der zweiten Opferschicht 02 aufgebracht wird, vorteilhaft konform abgeschieden wird, wobei ein Material der Abstandsstruktur 4 in der Ausnehmung A und auf einer Oberseite 3b der zweiten Spiegelschicht 3 abgeschieden wird, wobei die Oberseite 3b der ersten Spiegelschicht 2 abgewandt ist. Das Material der Abstandsstruktur 4 kann auch auf der Hilfsopferschicht 8 abgeschieden werden, wodurch sich eine Stufe beim Übergang zur Ausnehmung in der Hilfsopferschicht 8 und eine weitere Stufe in die Ausnehmung A hinein ergibt.
In der 1f kann ein teilweises Entfernen (S7) des Materials der Abstandsstruktur 4 von der Oberseite 3b, insbesondere von der Hilfsopferschicht 8 außerhalb deren Strukturierung erfolgen. Das Material der Abstandsstruktur 4 bildet auf der Oberseite 3b vorteilhaft einen lateralen Seitenflansch 4b, welcher sich umlaufend um die Seitenwand 4a von dieser lateral nach außen erstrecken kann und in direkten Kontakt mit dieser auf einer der ersten Spiegelschicht 2 abgewandten Oberseite 3b der zweiten Spiegelschicht 3 befinden kann.
In der 1g kann die erste und die zweite Opferschicht O1 und O2 entfernt werden, beispielsweise durch einen durch Ätzlöcher (nicht gezeigt) vermittelten Opferschichtätzprozess. Die Ätzlöcher können über die zweite Spiegelschicht 3 und die erste Spiegelschicht 2 verteilt sein. Alternativ dazu kann die erste Opferschicht O1 auch in der Spiegeleinrichtung oder der Interferometereinrichtung verbleiben und beispielsweise eine Isolatorschicht umfassen.
Die Seitenwand 4a kann sich durch die erste Spiegelschicht 2 und/oder durch die zweite Spiegelschicht 3 vollständig hindurch erstrecken und die erste Spiegelschicht 2 auf einer der zweiten Spiegelschicht 3 abgewandten Seite 2a um mindestens die Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschicht überragen und/oder die zweite Spiegelschicht 3 auf einer der ersten Spiegelschicht 2 abgewandten Seite 3b um mindestens die Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschichtüberragen und somit eine Abstandsstruktur zwischen den beiden Spiegelschichten für einen vorteilhaft konstanten Spiegelschichtabstand d23 bilden, innerhalb dessen die Spiegeleinrichtung 1 einen Zwischenraum 5 umfasst, welcher ein Gas oder Gasgemisch oder ein Vakuum als niedrigbrechende Schicht umfassen kann. Jener Bereich, welcher die erste oder zweite Spiegelschicht 2, 3 überragt, kann als Abstandshalter AH gegenüber anderen Spiegelschichten oder Bauelementen dienen. Typische Werte für die Dicke der Spiegelschichten und Abstandsstrukturen liegen im Bereich zwischen 0,05µm und 3µm, insbesondere zwischen 0,08µm und 1µm.
Im Falle eines Kontakts mit einer unter oder über der Spiegelschicht liegenden Struktur kann durch die Abstandshalter AH eine Kontaktfläche der Spiegelschichten verhindert oder zumindest vermindern werden und so eine Haftung dieser Struktur an der Spiegelschicht verringern oder vermieden werden, was ein irreversibles Anhaften der Spiegel an eine darunter oder darüber liegende Struktur verhindern kann. Bevorzugt kann dabei ein Überragen der Abstandshalter AH über die Spiegelschicht, weg vom Zwischenraum 5 größer sein als eine Dicke der Spiegelschicht. Besonders bevorzugt kann der Überstand sogar größer sein als der Spiegelschichtabstand d23.
Es kann vorteilhaft ohne zusätzliche Verfahrensschritte zu der Abstandsstruktur zwischen den Spiegelschichten ebenfalls ein Abstandshalter AH zu weiteren Strukturen (etwa Elektrode, Substrat, Bauteile im Interferometer) sowie eine voneinander unabhängige Einstellung der mechanischen Eigenschaften der Spiegelschichten 2 und 3 und der Abstandsstrukturen 4 erfolgen (Materialwahl). Durch einen nach oben herausragenden Abstandshalter AH kann ein Haften an später folgenden Strukturen (z.B. einem weiteren Spiegel oder einer Kappe) verhindert werden. Durch eine vorteilhafte Ausführung einer rotationssymmetrischen Abstandsstruktur kann ein optischer Flächenverlust minimiert werden.
Der Bereich des Materials der Abstandsstruktur 4, welcher beim Aufbringen in der Ausnehmung A (1e) planar auf dem Boden der Ausnehmung A aufgebracht wurde, kann vorteilhaft den Boden 4c der Abstandsstruktur 4 bilden.
Der Boden 4c kann in der Abstandsstruktur verbleiben oder nachträglich entfernt werden.
Zwischen den beiden Spiegelschichten 2 und 3 kann eine Vielzahl von solchen Abstandsstrukturen ausgeformt werden, beispielsweise in Draufsicht gesehen in einem hexagonalen Gittermuster oder in anderen Musteranordnungen.
Der Seitenflansch 4b, also die lateral über die Ausnehmung A überragende Randstruktur, kann eine Verankerung der Abstandsstruktur auf der zweiten Spiegelschicht 3 darstellen, vorteilhaft somit resistenter gegen eine laterale Zugkraft der Spiegelschicht 3 sein.
Die Ausnehmung A kann in Draufsicht beispielsweise elliptisch oder kreisrund oder langgezogen sein. Die elliptische Form kann sich durch bessere optische Eigenschaften, insbesondere durch eine Verringerung optischer Verluste, auszeichnen.
Bei dem Material der Abstandsstruktur 4 kann es sich beispielsweise um ein Halbleitermaterial handeln, und/oder um ein gleiches Material wie zumindest eine der Spiegelschichten. Der Abscheideprozess des Materials der Abstandsstruktur kann an die mechanischen Eigenschaften der Spiegelschichten und den Herstellungsprozess angepasst sein. Beispielsweise kann eine Dotierung und/oder Kristallinität variabel sein. Die Abstandsstruktur und die Spiegelschichten können sich in deren Material durch Dotierung oder Kristallinität unterscheiden, können aber auch ein anderes Halbleitermaterial umfassen.
Das Entfernen der Opferschichten O1 und O2 kann durch ein selektives Ätzen erfolgen, etwa nur in einem optischen Bereich jedoch nicht an den Rändern, wo die Spiegelschichten eingespannt sein können (nicht gezeigt), und kann die Opferschichten, etwa auch weitere in einem umfassenderen Bauteil (beispielsweise Interferometer) vorteilhaft gleichzeitig entfernen.
Alternativ zur Ausführung der 1c - 1f kann auf eine Hilfsopferschicht 8 verzichtet werden und zur Formung der Abstandsstruktur 4 und deren Seitenflansch 4b kann die zweite Spiegelschicht 3 direkt verwendet werden (nicht gezeigt), was in einer vereinfachten Abscheidungsreihenfolge resultieren kann.
Das Gas im Zwischenraum 5, beispielsweise Luft, oder ein Vakuum können eine niedrigbrechende Schicht darstellen (ersetzen) und einen Brechungsindex von etwa eins aufweisen. Die Spiegelschichten 2 und 3 können beispielsweise Silizium als hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex von beispielsweise 3,5 aufweisen. Anstatt Silizium kann auch Germanium oder Siliziumkarbid verwendet werden oder andere Materialien, welche mit Opferschichtätzprozessen kompatibel (resistent) sein können. Wird Luft oder ein Gas/Gasgemisch bzw. Vakuum als niedrigbrechendes Material genutzt, kann ein großer Brechungsindexunterschied zum hochbrechenden Material erreicht werden und eine spektral breitbandige, hochreflektive Spiegeleinrichtung erzeugt werden.
Um über einen möglichst großen optischen Bereich (Aperturfläche) der Spiegeleinrichtung einen Spiegelabstand von einer Viertelwellenlänge der (zu transmittierenden oder zu filternden) Zentralwellenlänge zu gewährleisten, also dass die niedrigbrechende Schicht (Luft) eine Viertelwellenlängendicke aufweist, können die Abstandsstrukturen 4 die Spiegelschichten gegeneinander stabilisieren. Mittels der mechanischen Robustheit der Abstandsstrukturen, die etwa durch den Seitenflansch, welcher sich von den Seitenwänden seitwärts erstrecken kann, und/oder durch das Einbetten der Spiegelschichten in den Seitenwänden 4a erzielt weden kann, kann eine hochreflektive Fläche vor Deformationen durch lateralen Zugstress(spannung) in der Spiegelschicht geschützt werden und so größtenteils in Fläche und Form beibehalten oder der Verlust der hochreflektiven Fläche verringert werden. Ein Brechen einer Translationssymmetrie in horizontaler (lateraler) Richtung kann verringert werden. Eine Verringerung oder Verhinderung einer lateralen Dehnung der Abstandsstrukturen kann den Spiegelschichtabstand weitestgehend gleich behalten und die optischen Eigenschaften weitestgehend beibehalten werden (Abbau der internen Spannung wird besser unterbunden).
Durch das Verfahren kann eine gleichzeitige Realisierung von Abstandstrukturen zwischen zwei oder mehreren Spiegelschichten und von Abstandshaltern für die Umgebung erfolgen, vorteilhaft kann auch nur ein Material für beide verwendet werden.
Die Stützstrukturen können als zumindest teilweise lateral kontinuierliche (durchgehende und beispielsweise von einer punktförmigen Struktur abweichende)
Wandstrukturen und/oder als Säulenstrukturen ausgeführt sein.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführung der 2 zeigt eine Alternative zu jener der 1g. Die Abstandsstruktur 4 weist ebenso Seitenwände 4a auf, vorteilhaft in Draufsicht auf die Oberseite 3b als elliptisch oder kreisförmig geschlossene und einen Innenbereich umlaufende Form mit einem Boden 4c. Der Seitenflansch 4b erstreckt sich auf eine Höhe d über der Oberseite 3b. Die Ausführung der 2 unterscheidet sich darin von jener der 1g, dass der Innenbereich zwischen den Seitenwänden 4a in der 1g frei (etwa mit einem Gas, Gasgemisch oder Vakuum umfassend) ausgestaltet sein kann und der Innenbereich in der 2 ein Füllmaterial 7 umfassen kann. Durch das Füllmaterial 7 kann eine mechanische Stabilität der Abstandsstruktur 4 weiter erhöht werden. Ein Auffüllen mit einem Füllmaterial sowie ein entsprechendes Rückdünnen/Strukturieren können beispielsweise in oder zwischen den Schritten der 1e und 1f erfolgen. Die in der 2 gezeigte Ausführungsform kann sich auch nur bis zur ersten Spiegelschicht (deren Oberseite) erstrecken und diese lediglich berühren (nicht gezeigt).
3 zeigt eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführung der 3 unterscheidet sich darin von jener der 1G, dass die Abstandsstruktur 4 ohne Boden ausgeformt ist, und anstatt des Bodens ein fluidisches Durchgangsloch mit einer unter der Abstandsstruktur 4 darunter anliegenden Umgebung umfasst. Auf diese Weise kann ein fluidischer Widerstand zum Zwischenraum 5 reduziert werden und eine strukturelle Dämpfung der Abstandsstruktur 4 erzielt werden. Das Durchgangsloch kann im gesamten Boden ausgeführt sein oder nur in einem Teilbereich des Bodens der Abstandsstruktur (nicht gezeigt).
4a - 4g zeigt eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführungsformen der 4a - 4g entsprechen im Wesentlichen jener der 1a - 1g. Lediglich in der 4c kann auf eine Strukturierung der Hilfsopferschicht 8 verzichtet werden, was Kosten sparen kann, und die Ausnehmung A direkt in die Spiegelschichten 2 und 3 und in die Opferschichten O1 und O2 eingebracht werden. In der 4d kann danach eine leichte Unterätzung der Spiegelschichten 2 und 3 erfolgen, so dass Material der ersten und zweiten Opferschicht O1 und O2 sowie der Hilfsopferschicht 8 in einer lateralen Richtung, also um die Spiegelschichten oben und unten herum, in einem geringen Teilbereich entfernt werden kann, etwa durch Ätzen oder ein lateral isotropes Entfernen der Opferschichten. Beim Aufbringen des Materials der Abstandsstruktur 4, also der Seitenwand 4a, können die erste und zweite Spiegelschicht 2 und 3 in diesem Teilbereich in die Seitenwand 4a eingebettet werden, was in der 4e dargestellt ist. Die Schritte in 4f und 4g entsprechen wieder jenen der 1f und 1g. Durch das Einbetten kann eine bessere mechanische Anbindung mit einer größeren Verbindungsfläche zur Spiegelschicht entstehen.
5a - 5g zeigen eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung während eines Verfahrens zur Herstellung dieser gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführung der 5a - 5g zeigen im Wesentlichen ein Herstellungsverfahren wie die 4a - 4g lediglich mit dem Unterschied, dass die Abstandsstruktur 4 mit einer größeren Dicke der Seitenwand 4a und des Bodens 4c ausgeformt werden kann (5e - 5g). Eine konforme Abscheidung des Materials der Abstandsstruktur in der Ausnehmung A und auf der Oberseite 3b kann auch mit einer größeren Dicke als bei der 4 zu einer Einkerbung im Material der Abstandsstruktur über der Ausnehmung A führen, somit also einen Innenbereich als Freiraum erzeugen (4e). In der 4f kann das Material der Abstandsstruktur 4 anders als bei der 4 vollständig von der Oberseite 3b entfernt werden. Das verbleibende Material der Abstandsstruktur in der Ausnehmung kann planar mit der Oberseite 3b abschließen oder an einem anderen Höhenniveau. Die Dicke des abgeschiedenen Materials der Abstandsstruktur 4 kann derart gewählt werden, dass auch bei konformer Formanpassung beim Abscheiden die Ausnehmung A gänzlich gefüllt werden kann (5e). Nach dem Entfernen des Materials der Abstandsstruktur 4 von der Oberseite 3b kann jedoch auch eine gleiche Teildicke innerhalb der Ausnehmung A des Materials der Abstandsstruktur entfernt werden, wodurch die Einkerbung für den Innenbereich vertikal in das Innere der Ausnehmung A versetzt werden kann. Auf diese Weise kann zum Ausbilden einer solchen Abstandsstruktur mit einem Freiraum auf ein Strukturieren der zweiten Opferschicht oder Abstandsstruktur im Zustand der 5e verzichtet werden und lediglich durch ein gleichmäßiges Rückdünnen erfolgen, beispielsweise durch ein Ätzen oder Polieren, was zu einer Kostenersparnis führen kann. Die durch die größere Dicke erzielte Abstandsstruktur kann somit auch massiver und stabiler ausgeformt werden. Durch das planare oder versenkte Niveau zwischen Oberseite 3b und Abstandsstruktur 4 kann eine Ebene für weitere abzuscheidende Strukturen oder Schichten bereitgestellt werden.
Über eine Stärke der Wanddicke der Seitenwand 4a oder durch Materialeigenschaften (Materialwahl) kann vorteilhaft eine mechanische Stabilität eingestellt werden.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht der Spiegeleinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Abstandsstruktur kann ähnlich zu den 1 - 5 auch mit drei oder mehr Spiegelschichten und Zwischenräumen dazwischen ausgeführt werden, etwa so, dass jede Spiegelschicht von der Abstandsstruktur 4 und deren Seitenwand 4a teilweise eingebettet werden kann. Diesbezüglich ist in der 6 eine Spiegeleinrichtung 1 mit einer ersten Spiegelschicht 2, einer zweiten Spiegelschicht 3 und einer dritten Spiegelschicht 6 und mit einem ersten Zwischenraum 5a und einem zweiten Zwischenraum 5b dazwischen gezeigt. Die Ausnehmung A kann sich ebenso durch alle drei Spiegelschichten 2, 3, und 6 erstrecken und die Seitenwände 4a können die drei Spiegelschichten in der Ausnehmung A teilweise einbetten und die Abstandsstruktur kann einen Boden 4c und einen Seitenflansch 4b auf einer Oberseite 6b der dritten Spiegelschicht 6 umfassen. Die Herstellung kann mit einer dritten Opferschicht zwischen der zweiten und dritten Spiegelschicht und einer Hilfsopferschicht auf der dritten Spiegelschicht erfolgen oder alternativ ähnlich den 4 oder 5. Beide Zwischenräume 5a und 5b können ein Gas, etwa Luft, oder ein Vakuum oder jeweils unterschiedlich umfassen.
7 zeigt eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Interferometereinrichtung 10 kann ein Substrat S; eine erste Spiegeleinrichtung SP1 und eine zweite Spiegeleinrichtung SP2 umfassen, wobei zumindest eine dieser Spiegeleinrichtungen eine erfindungsgemäße Spiegeleinrichtung umfassen kann, wie in den 1 bis 6 gezeigt. Die Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 sind über dem Substrat S und übereinander um einen ersten Abstand d12 entfernt voneinander angeordnet, wobei zumindest die erste Spiegeleinrichtung SP1 zur zweiten Spiegeleinrichtung SP2 bewegbar angeordnet ist; und eine Aktuationseinrichtung, mittels welcher zumindest die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung bewegbar ist.
Die Spiegeleinrichtungen SP1 und/oder SP2 können erfindungsgemäße Abstandsstrukturen 4 mit oder ohne einen überstehenden Anteil, also den Abstandshaltern AH, nach oben oder nach unten (relativ zum Substrat) umfassen. Die Abstandshalter AH können auf dem Substrat oder auf anderen Elementen aufsetzen. Die Interferometereinrichtung kann eine Randstruktur RS außerhalb eines optischen Bereichs umfassen, wobei die Spiegeleinrichtungen SP1 und SP2 in der Randstruktur RS eingespannt sein können und mit einem Kontakt K durch dies kontaktiert sein können. Im optischen Bereich können die Spiegeleinrichtungen freigestellt sein und der Lichtpfad kann durch Blenden BL und Antireflexionsschichten AR auf dem Substrat S beeinflusst sein. Die Interferometereinrichtung kann als ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) ausgeführt sein. Das FPI kann durch ein Abscheiden mehrerer Opferschichten hergestellt werden, wobei eine Opferschicht auf dem Substrat S abgeschieden werden kann, danach auf dieser die erste Spiegeleinrichtung ausgeformt werden kann, danach eine weitere Opferschicht auf der ersten Spiegeleinrichtung abgeschieden werden kann, und auf dieser wiederum eine zweite Spiegeleinrichtung hergestellt werden kann. Die Dicke der weiteren Opferschicht kann zum Einstellen des ersten Abstands d12 genutzt werden und unabhängig vom Aktuationsspalt eingestellt werden, wobei die Aktuationselektroden zwischen Substrat S und erster Spiegeleinrichtung SP1 den Aktuationsspalt bilden. Ein derartiges FPI muss vorteilhaft nicht auf einen Verfahrweg (Aktuationsabstand oder erster Abstand) von einem Drittel des ursprünglichen optischen Spalts (erster Abstand in unausgelenkter Lage) begrenzt sein.
Die Interferometereinrichtung kann als mikroelektromechanisches Bauteil (MEMS), etwa als Mikrospektrometer ausgeformt sein.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Herstellen einer erfolgt ein Bereitstellen S1 einer ersten Opferschicht; ein Aufbringen S2 einer ersten Spiegelschicht auf die erste Opferschicht; ein Aufbringen S3 einer zweiten Opferschicht auf der ersten Spiegelschicht; ein Aufbringen S4 einer zweiten Spiegelschicht auf der zweiten Opferschicht; ein Ausformen S5 einer Ausnehmung in einem gleichen lateralen Bereich in der zweiten Spiegelschicht, in der zweiten Opferschicht und zumindest teilweise in der ersten Spiegelschicht; ein Ausformen S6 einer Abstandsstruktur durch Ausformen einer Seitenwand in der Ausnehmung in Kontakt mit der ersten und zweiten Spiegelschicht sowie mit der zweiten Opferschicht, wobei ein Material der Abstandsstruktur in der Ausnehmung und auf einer Oberseite der zweiten Spiegelschicht abgeschieden wird, wobei die Oberseite der ersten Spiegelschicht abgewandt ist; und zumindest ein teilweises Entfernen S7 des Materials der Abstandsstruktur von der Oberseite und der ersten und zweiten Opferschicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7733495 B2 [0006]

Claims

Spiegeleinrichtung (1) für eine Interferometereinrichtung (1) umfassend; - eine erste Spiegelschicht (2) und eine zweite Spiegelschicht (3), welche parallel übereinander und um einen Spiegelschichtabstand (d23) voneinander entfernt angeordnet sind, wobei der Spiegelschichtabstand (d23) einen Zwischenraum (5) zwischen der ersten und der zweiten Spiegelschicht (2, 3) bildet, und wobei der Zwischenraum (5) ein Gas oder ein Gasgemisch oder Vakuum umfasst; - zumindest eine Ausnehmung (A), welche sich in einem gleichen lateralen Bereich in der ersten und in der zweiten Spiegelschicht (2, 3) befindet; - zumindest eine Abstandsstruktur (4) in der Ausnehmung (A), welche eine auf eine planare Erstreckungsrichtung der ersten und zweiten Spiegelschicht (2, 3) im Wesentlichen senkrecht stehende oder um einen bestimmten Winkel von einer senkrechten Richtung auf die planare Erstreckungsrichtung geneigte Seitenwand (4a) umfasst, welche sich zwischen der ersten Spiegelschicht (2) und der zweiten Spiegelschicht (3) und zumindest in eine der beiden Spiegelschichten (2, 3) hinein oder durch diese hindurch erstreckt und angrenzend an die erste und zweite Spiegelschicht (2, 3) die Ausnehmung (A) lateral umläuft.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher sich die Seitenwand (4a) durch die erste Spiegelschicht (2) und/oder durch die zweite Spiegelschicht (3) vollständig hindurch erstreckt und die erste Spiegelschicht (2) auf einer der zweiten Spiegelschicht (3) abgewandten Seite (2a) um mindestens eine Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschicht überragt und/oder die zweite Spiegelschicht (3) auf einer der ersten Spiegelschicht (2) abgewandten Seite (3b) um mindestens die Dicke der ersten oder zweiten Spiegelschicht überragt.
Spiegeleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Abstandsstruktur (4) einen lateralen Seitenflansch (4b) umfasst, welcher sich umlaufend um die Seitenwand (4a) von dieser lateral nach außen erstreckt und in direkten Kontakt mit dieser auf einer der ersten Spiegelschicht (2) abgewandten Oberseite (3b) der zweiten Spiegelschicht (3) befindet.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Abstandsstruktur (4) einen Boden (4c) umfasst, welcher sich planar zwischen der Seitenwand (4a) an einem unteren Ende dieser erstreckt.
Spiegeleirichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Seitenwand (4a) die erste und/oder zweite Spiegelschicht (2, 3) teilweise in sich einbettet.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine dritte Spiegelschicht (6) mit der gleichen Ausnehmung (A) und an dieser entlang laufenden Seitenwand (4a) umfasst.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Abstandsstruktur (4) zwischen der Seitenwand (4a) einen Freiraum umfasst oder mit einem Material (4d) der Abstandsstruktur (4) oder mit einem Füllmaterial (7) verfüllt ist.
Spiegeleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche eine Mehrzahl von Abstandsstrukturen (4) umfasst, welche in Draufsicht auf eine planare Oberseite (3b) der zweiten Spiegelschicht (3) ein hexagonales Gitter formen.
Interferometereinrichtung (10) umfassend - ein Substrat (S); - eine erste Spiegeleinrichtung (SP1) und eine zweite Spiegeleinrichtung (SP2), wobei zumindest eine dieser Spiegeleinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeformt ist, welche über dem Substrat (S) und übereinander um einen ersten Abstand (d12) entfernt voneinander angeordnet sind, wobei zumindest die erste Spiegeleinrichtung (SP1) zur zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) bewegbar angeordnet ist; und - eine Aktuationseinrichtung, mittels welcher mindestens die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung bewegbar ist.
Verfahren zum Herstellen einer Spiegeleinrichtung (1) umfassend die Schritte - Bereitstellen (S1) einer ersten Opferschicht (O1); - Aufbringen (S2) einer ersten Spiegelschicht (2) auf die ersten Opferschicht (O1); - Aufbringen (S3) einer zweiten Opferschicht (02) auf der ersten Spiegelschicht (2); - Aufbringen (S4) einer zweiten Spiegelschicht (3) auf der zweiten Opferschicht (O2); - Ausformen (S5) einer Ausnehmung (A) in einem gleichen lateralen Bereich in der zweiten Spiegelschicht (3), in der zweiten Opferschicht (02) und zumindest teilweise in der ersten Spiegelschicht (2); - Ausformen (S6) einer Abstandsstruktur (4) durch Ausformen einer Seitenwand (4a) in der Ausnehmung (A) in Kontakt mit der ersten und zweiten Spiegelschicht (2, 3) sowie mit der zweiten Opferschicht (02), wobei ein Material der Abstandsstruktur (4) in der Ausnehmung (A) und auf einer Oberseite (3b) der zweiten Spiegelschicht (3) abgeschieden wird, wobei die Oberseite (3b) der ersten Spiegelschicht (2) abgewandt ist; und - zumindest teilweises Entfernen (S7) des Materials der Abstandsstruktur (4) von der Oberseite (3b) und der ersten und zweiten Opferschicht (O1; 02).
Verfahren nach Anspruch 10, bei welche die Ausnehmung (A) durch die erste Spiegelschicht (2) hindurch und in die erste Opferschicht (O1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei in der Ausnehmung (A) ein Boden (4c) zwischen der Seitenwand (4a) an einer unteren Seite der Seitenwand (4a) ausgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei beim Einbringen der Ausnehmung (A) die zweite Opferschicht (02) auch teilweise unterhalb der zweiten Spiegelschicht (3) entfernt wird und die zweite Spiegelschicht in die Seitenwand (4a) eingebettet wird.