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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zwischenkomponente in einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung und eine mikromechanische Fabry-Perot-Interferometervorrichtung.
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Stand der Technik
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Bei durchstimmbaren und miniaturisierbaren spektralen Filtern können mittels MEMS (mikroelektromechanischer) Technologie beispielsweise Fabry-Perot Interferometer (FPI) hergestellt werden. Bei diesen kann eine Kavität aus zwei planparallelen und hochreflektierenden Spiegeln gebildet werden, welche an einem bestimmten und variierbaren Abstand (Kavitätslänge) positioniert sein können. Für optische Wellenlängen kann eine solche Anordnung nur für diejenigen Wellenlängen eine starke Transmission zeigen, bei denen die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Der Abstand kann etwa mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung verändert werden, was in einem durchstimmbaren Filterelement resultieren kann. Die Parallelität der beiden Spiegel ist dabei als ein kritischer Einflussfaktor für die Funktionsweise eines solchen Filterelements zu werten, welche möglichst hoch sein sollte, um zwischen den beiden Spiegeln eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse entstehen lassen zu können.
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Um bei einem Fabry-Perot Interferometer einen möglichst großen Wellenlängenbereich nutzen zu können muss unter anderem gegeben sein, dass die beiden Spiegel des FPI über den gesamten zu messenden Wellenlängenbereich hochreflektiv sind. Die Spiegel in einem miniaturisierten FPI sind meist dielektrische Schichtsysteme (Bragg Reflektoren, engl. distributed Bragg reflectors, DBR), welche alternierend aus Schichten von hoch- und niedrigbrechenden Materialien bestehen können. Eine optische Dicke dieser Schichten kann dabei idealerweise ein Viertel der Zentralwellenlänge des zu adressierenden Bereiches sein. Um einen hohen Wellenlängenbereich bei hoher (maximaler) Reflexion zu erreichen kann ein hoher Kontrast der Brechungsindizes der hoch- und niedrigbrechenden Materialien erforderlich sein. Dies kann etwa mit Gasen oder Vakuum als niedrigbrechendem Material (LuftSpiegel) erreicht werden, wobei der Brechungsindex des niedrigbrechenden Materials möglichst nahe bei eins sein kann.
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Zur Gewährleistung der Parallelität der Spiegelschichten können Stützstrukturen angewandt werden, durch welche einerseits der Abstand der hochbrechenden Schichten voneinander konstant gehalten werden kann und andererseits die Spiegelschicht, also beiden, jetzt miteinander verbundenen, hochbrechenden Schichten, versteift wird. Dabei können Teile der oberen hochbrechenden Schicht selbst als Stützstrukturen dargestellt sein, welche bis zur unteren Schicht heruntergezogen sein können, was jedoch in Verformungen und einer elektrischen Verbindung der Schichten miteinander resultieren kann. Die Herstellung kann meist mit Opferschichtprozessen erfolgen, welche dann selektiv entfernt werden können, etwa durch Ätzzugänge, welche meist in einem Polygonmuster angeordnet werden. Um etwa eine gewünschte Form der freigestellten Fläche zu erzielen, können hohe Dichten der Ätzzugänge nötig sein. Häufig wird für Opferschichten in MEMS-FPI SiO2 genutzt, da es sich sehr gut selektiv entfernen lässt. Je nach Wellenlänge und Auslegung sind in einem FPI sehr dicke SiO2-Schichten notwendig.
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In der
US 8,995,044 B2 wird ein Fabry-Perot-Interferometer in MEMS-Bauweise beschrieben. Um einen Spiegel mit hoher Reflexion zu erreichen, kann ein hoher Kontrast der Brechungsindizes von hoch- und niedrigbrechenden Materialien in einem Spiegelelement vorhanden sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Zwischenkomponente in einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung nach Anspruch 8 und eine mikromechanische Fabry-Perot-Interferometervorrichtung nach Anspruch 14.
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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 einer Zwischenkomponente in einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung und eine mikromechanische Fabry-Perot-Interferometervorrichtung anzugeben, bei welcher Opferschichten eine große Dicke und/oder einen niedrigen Schichtstress aufweisen können. Dickere Opferschichten können beispielsweise bei Fabry-Perot-Interferometervorrichtungen notwendig sein, die bei größeren Wellenlängen und/oder höheren Ordnungen operieren sollen. Hierbei kann ein niedriger Schichtstress notwendig sein, um dicke Opferschichten bzw. Opferschichtstapel mit geringer Defektzahl, zum Beispiel ohne Risse, und/oder geringer resultierender Waferverbiegung herzustellen.. Dabei kann eine verbesserte und definierte Einspannung der Spiegelsysteme erreicht werden, was zu einer Erhöhung der mechanischen Symmetrie des Systems und somit zu einer Verringerung von asymmetrischen Spiegeldeformationen aus einer unsymmetrischen Einspannung führen kann. Es kann des Weiteren eine Robustheit der Schichten (Spiegel) durch die Einspannung erhöht werden, da ein Auftreten von Ecken und daraus resultierenden mechanischen Spannungsspitzen verringert werden kann. Die Prozessrobustheit kann verbessert werden, da eine Weite der Unterätzung beim Opferschichtprozess geringeren Schwankungen unterliegen kann. Des Weiteren kann ein Abstand von Ätzzugängen erhöht werden, da Ätzstoppbereiche definiert werden können, was zu einer Vergrößerung einer optischen Fläche und einem Verringern von Signalrauschen führen kann. Des Weiteren kann mit der vorliegenden Erfindung eine Stützstruktur für Spiegelschichten realisiert werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer Zwischenkomponente in einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung ein Aufbringen einer ersten Opferschicht auf einem Substrat; ein Aufbringen einer zweiten Opferschicht zumindest bereichsweise auf die erste Opferschicht; ein Strukturieren der zweiten Opferschicht in zumindest zwei Teilbereiche und dabei Einbringen von Gräben in die zweite Opferschicht, welche sich bis zur ersten Opferschicht erstrecken; ein Aufbringen einer dritten Opferschicht zumindest bereichsweise auf die Teilbereiche der zweiten Opferschicht und in die Gräben; ein Erzeugen von zumindest einem Durchgangsloch in der dritten Opferschicht und über zumindest einem der Teilbereiche der zweiten Opferschicht, wobei sich das Durchgangsloch durch die dritte Opferschicht hindurch bis zur zweiten Opferschicht erstreckt; ein Entfernen des zumindest einem der Teilbereiche der zweiten Opferschicht durch das dem jeweiligen Teilbereich zugehörige Durchgangsloch durch Ätzen; und zumindest ein bereichsweises Entfernen der ersten Opferschicht und/oder dritten Opferschicht am jeweiligen Teilbereich durch das zugehörige Durchgangsloch.
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Das Substrat kann ein Halbleitersubstrat umfassen. Es kann dabei auch möglich sein, dass das Substrat eine strukturierte Elektrodenschicht, etwa aus Polysilizium, sowie weitere Schichten und/oder einen Wafer umfassen kann. Die Zwischenkomponente kann selbst eine Abfolge von Schichten mit einem zumindest bereichsweise freigestellten Bereich sein, etwa eine Abfolge von Spiegelschichten, beispielsweise hochbrechende Schichten und bereichsweise eine Luft- oder Gasschicht, oder ein Vakuum dazwischen. Das Durchgangsloch kann vorteilhaft über jenem Teilbereich positioniert sein, welcher zumindest teilweise entfernt werden soll, und sich bis zu diesem durch die darüberliegenden Schichten erstrecken. Die zu entfernenden Teilbereiche können durch das Material jener Opferschicht umgeben sein, welche sich auf den Teilbereichen befindet. Da das Material dieser umgebenden und aufliegenden Opferschicht vom Material des Teilbereichs verschieden sein kann, und vorzugsweise eine höhere Ätzresistenz oder Ätzrate aufweisen kann, kann das Material dieser umgebenden und aufliegenden Opferschicht als ein Ätzstopp dienen. So ist es möglich, dass der zu ätzende Bereich von diesem Ätzstopp definiert werden kann und nicht von den Parametern Dichte der Durchgangslöcher, Ätzrate und Ätzzeit. Wird der zu ätzende Bereich durch die Dichte der Durchgangslöcher, die Ätzrate und die Ätzzeit bestimmt, versucht man immer die Dichte der Durchgangslöcher hoch zu wählen, um mit kurzen Ätzzeiten und geringen Ätzraten den zu ätzenden Bereich möglichst exakt abzubilden. Wird der zu ätzende Bereich durch einen geometrischen Ätzstopp definiert kann die Zahl und Dichte der Ätzlöcher gegenüber herkömmlichen Verfahren vorteilhaft verringert werden.
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Bei dem Entfernen der ersten Opferschicht und dritten Opferschicht am jeweiligen Teilbereich durch das zugehörige Durchgangsloch kann eine Ätzweite vorzugsweise kleiner sein als 1 µm.
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Durch das Verfahren kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Dicke der Opferschicht (bzw. des Opferschichtstapels) erhöht werden kann ohne die Gefahr von hoher Waferverbiegung, Abplatzungen, Reißen von Schichten zu erhöhen. Dies kann aus einer Verringerung der Dicke von SiO2-Schichten resultieren. Die Zahl der Ätzlöcher kann verringert werden. Außerdem kann die Unterätzung im Einspannungsbereich verringert werden. Unregelmäßige Einspannung mit Bruch der Symmetrie und Kanten können vermieden oder verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente wird ein Deckelement zumindest bereichsweise auf die dritte Opferschicht und über zumindest einem der Teilbereiche angeordnet und das Durchgangsloch wird auch in dem Deckelement erzeugt.
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Das Deckelement kann eine hochbrechende Schicht und/oder eine Spiegelschicht eines Fabry-Perot-Interferometers sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente umfasst die zweite Opferschicht ein anderes Material als die erste Opferschicht und/oder die dritte Opferschicht umfasst ein anderes Material als die zweite Opferschicht.
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Durch die unterschiedlichen Materialien können unterschiedliche Ätzresistenzen innerhalb der Zwischenkomponente erzielt werden und manche Opferschichten bereits teilweise oder ganz entfernt sein und andere noch vollständig oder zu einem höheren Grad vorhanden sein. So kann etwa das Material der ersten und dritten Opferschicht als ein Ätzstopp für das Entfernen der zweiten Opferschicht dienen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente umfasst die erste und die dritte Opferschicht Siliziumoxid und die zweite Opferschicht umfasst Silizium und/oder Germanium.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente ist eine erste Schichtdicke der ersten Opferschicht und/oder eine dritte Schichtdicke der dritten Opferschicht kleiner als eine zweite Schichtdicke der zweiten Opferschicht und/oder die Gräben sind zumindest bereichsweise schmäler als das Doppelte der dritte Schichtdicke.
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Durch die entsprechende und anwendungsorientierte Wahl der Schichtdicken oder Breiten der Gräben kann beeinflusst werden, wieweit sich bei einer definierten Ätzzeit der laterale Ätzverlauf, etwa ein Unterätzen der Schichten, ausdehnen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Entfernen des zumindest einen der Teilbereiche der zweiten Opferschicht durch ein im Wesentlichen isotropes Ätzverfahren, wobei ein fluorhaltiges Ätzmaterial genutzt wird
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente erfolgt das Entfernen des zumindest einen der Teilbereiche der zweiten Opferschicht durch ein im Wesentlichen isotropes Ätzverfahren, wobei CIF3 oder XeF2 als Ätzmaterial bei einer Temperatur zwischen - 20 °C und 60 °C genutzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die zweite Opferschicht strukturiert, derart dass zumindest ein Teilbereich von Zwischengräben umgeben wird, wobei die dritte Opferschicht die Zwischengräben auffüllt und den Teilbereich zwischen den Zwischengräben vom Rest der zweiten Opferschicht separiert, und wobei bei einem Entfernen der zweiten Opferschicht der Teilbereich zwischen den Zwischengräben zumindest teilweise verbleibt.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung ein Bereitstellen eines Substrats; ein Ausformen zumindest einer ersten Zwischenkomponente und einer zweiten Zwischenkomponente aufeinander mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Zwischenkomponente, wobei auf jede der Zwischenkomponenten ein Deckelement aufgebracht wird und wobei das Durchgangsloch in jeder Zwischenkomponente separat oder nach dem Anordnen der zweiten Zwischenkomponente in jeder der Zwischenkomponenten erfolgt und wobei das Entfernen der Teilbereiche und jeweiligen Opferschichten separat für jede Zwischenkomponente oder nach einem Fertigstellen von zumindest zwei Zwischenkomponenten aufeinander erfolgt.
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Die Zwischenkomponenten können geschichtete Teilbereich oder Beabstandungen zwischen diesen definieren und können in einer Vielzahl und je nach Bedarf ausgeformt werden. Die Ätzzugänge als Durchgangslöcher können jeweils in die jeweilige Zwischenkomponente eingebracht werden oder nach dem Ausformen mehrerer Zwischenkomponenten und durch mehrere hindurch, bis in die zu entfernenden Teilbereiche, und das Entfernen kann entsprechend für zumindest eine Zwischenkomponente einzeln oder für mehrere gleichzeitig erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung wird zumindest eines der Deckelemente in zumindest zwei Teilbereiche strukturiert um das Durchgangsloch zwischen den beiden Teilbereichen zu definieren.
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Das Durchgangsloch kann somit vorteilhaft den Ätzzugang für die jeweiligen unteren Opferschichten und deren zu entfernende Teilbereiche bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung entsprechen die zumindest zwei Teilbereiche zumindest einer der Zwischenkomponenten und/oder der Deckelelemente einem optischen Bereich der Fabry-Perot-Interferometervorrichtung und/oder einem elektrischen Kontaktbereich und/oder einem Aktuationselektrodenbereich.
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Mittels der Strukturierung können die späteren Funktionsbereichen, insbesondere der Kontaktbereich und der Aktuationselektrodenbereich und der optischer Bereich schon bei der lateralen Strukturierung der Opferschichten gewählt und deren Position definiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung werden vier Zwischenkomponenten ausgebildet, wobei die erste und die zweite Zwischenkomponente als ein erstes Spiegelelement mit einer Spiegelschichtenfolge ausgeformt werden und beabstandet und in Abstand variierbar dazu eine dritte und eine vierte Zwischenkomponente als ein zweites Spiegelelement mit einer Spiegelschichtenfolge ausgeformt werden.
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Zwischen der zweiten und dritten Zwischenkomponente kann noch eine weitere Zwischenkomponente und/oder eine einzelne oder mehrere Opferschicht(en) erzeugt werden, um einen Abstand vom ersten und zweiten Spiegelelement zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung wird auf zumindest einer der Zwischenkomponenten eine Abdeckschicht auf dem Deckelement ausgeformt und zumindest eine Öffnung in der Abdeckschicht im Bereich des Durchgangslochs für das Entfernen des Teilbereichs und/oder Opferschichten eingebracht.
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Durch die Abdeckschicht können zielgerichtet an jenen Bereichen Ätzzugänge gebildet und in die darunterliegenden Opferschichten getrieben werden, in welchen ein Entfernungsprozess für die Opferschichten durchgeführt werden soll. Andere Bereiche, an welchen die Opferschichten nicht entfernt werden sollen, können ohne Öffnung in der Abdeckschicht verbleiben und vor einem Ätzverfahren geschützt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung wird die zweite Opferschicht der zweiten Zwischenkomponente strukturiert, derart dass zumindest ein Teilbereich von Zwischengräben umgeben wird, wobei die dritte Opferschicht die Zwischengräben auffüllt und den Teilbereich zwischen den Zwischengräben vom Rest der zweiten Opferschicht separiert, und wobei bei einem Entfernen der zweiten Opferschicht der zweiten Zwischenkomponente der Teilbereich zwischen den Zwischengräben zumindest teilweise verbleibt.
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Durch den zumindest teilweise verbleibenden Teilbereich kann eine Stützstruktur zwischen der ersten und dritten Opferschicht der zweiten Zwischenkomponente erzeugt werden, etwa wenn diese nach einem Entfernen zumindest ober- und unterhalb des verbleibenden Teilbereichs noch bereichsweise verbleiben. Wenn die zweite Zwischenkomponente auf einem ersten Deckelelement angeordnet wird und ein zweites Deckelelement auf der zweiten Zwischenkomponente erzeugt wird, so kann der verbleibende Teilbereich eine Stützstruktur zwischen dem ersten Deckelement und dem zweiten Deckelelement bilden und diese auf einer konstanten Distanz halten. Eine derartige Stützstruktur kann in jeder Zwischenkomponente ausgeführt sein und es können innerhalb der gleichen Zwischenkomponente auch mehrere derartige Stützstrukturen erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die mikromechanische Fabry-Perot-Interferometervorrichtung ein erstes Spiegelelement mit einer Spiegelschichtenfolge und ein zweites Spiegelelement mit einer Spiegelschichtenfolge, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand variierbar ist und wobei das erste und/oder das zweite Spiegelelement nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeformt sind.
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Die Fabry-Perot-Interferometervorrichtung sowie das Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung können sich weiterhin durch die Merkmale und Vorteile des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a - h eine schematische Schnittansicht einer Zwischenkomponente während deren Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2a - I eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3a - b eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4a - b eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 5a - c eine schematische Schnittansicht einer Zwischenkomponente während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a - h zeigen eine schematische Schnittansicht einer Zwischenkomponente während deren Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das Verfahren zum Herstellen einer Zwischenkomponente kann genutzt werden, um Opferschichten in einem MEMS-Bauteil, etwa in einem FPI, herzustellen. Alternativ kann die Zwischenkomponente auch in anderen Vorrichtungen anwendbar sein.
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In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenkomponente erfolgt gemäß der 1a ein Aufbringen S1b einer ersten Opferschicht O1 auf einem Substrat Sub. Das Substrat Sub kann in einem vorhergehenden Schritt S1a bereitgestellt werden. Das Substrat Sub kann einen Halbleiterwafer oder auch weitere Schichten, anwendungsbedingt auch strukturierte, Schichten umfassen. Die erste Opferschicht O1 kann beispielsweise Siliziumoxid umfassen.
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Das Verfahren bietet eine Möglichkeit zur erheblichen Verringerung von nötiger Siliziumoxiddicke sowie Schichtstress in den Opferschichten, welche durch Waferverbiegung, Abplatzungen und Reißen von Schichten eine Prozessierung erschweren könnten.
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Die 1b zeigt einen weiteren Verfahrensschritt, wobei ein Aufbringen S2 einer zweiten Opferschicht 02 zumindest bereichsweise auf die erste Opferschicht O1 erfolgt. Die zweite Opferschicht 02 kann beispielsweise Silizium, Siliziumgermanium oder Germanium umfassen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1c gezeigt, erfolgt ein Strukturieren S3 der zweiten Opferschicht 02 in zumindest zwei Teilbereiche 02-1 und 02-2, oder auch 02-3, wie in der 1c gezeigt, und dabei ein Einbringen von Gräben G1 in die zweite Opferschicht 02, welche sich bis zur ersten Opferschicht O1 erstrecken.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1d gezeigt, erfolgt ein Aufbringen S4 einer dritten Opferschicht 03 zumindest bereichsweise auf die Teilbereiche 02-1, 02-2, 02-3 der zweiten Opferschicht 02 und in die Gräben G1. Die dritte Opferschicht 03 kann wiederum Siliziumoxid umfassen, etwa gleich wie die erste Opferschicht O1.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1e gezeigt, wird ein Deckelement DE (DE1) zumindest bereichsweise auf die dritte Opferschicht 03 und über zumindest einem der Teilbereiche (02-1, 02-2, 02-3) angeordnet. Das Deckelelement kann mehrere Schichten, etwa eines Spiegels oder einer hochbrechenden Schichtenfolge umfassen. Bei der Herstellung eines FPIs kann es sich bei dem Deckelelement DE1 um einen der Spiegel des FPIs oder um eine oder mehrere Teilschichten davon handeln.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1f gezeigt, erfolgt ein Erzeugen S5 von zumindest einem Durchgangsloch D in der dritten Opferschicht 03 und dem Deckelement DE und über zumindest einem der Teilbereiche (02-1, 02-2, 02-3) der zweiten Opferschicht 02, wobei sich das Durchgangsloch D durch die dritte Opferschicht 03 hindurch bis zur zweiten Opferschicht 02 erstreckt. Das Durchgangsloch D stellt vorteilhaft einen Ätzzugang für die Schichten unter dem Deckelement dar. Falls das Deckelement DE mit einem gleichen Medium ätzbar ist, wie die zweite Opferschicht, so kann das Durchgangsloch auch nur durch die dritte Opferschicht 03 hergestellt werden und von dem Deckelement DE aufgefüllt und überdeckt werden (wie etwa in der 2e gezeigt).
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1g gezeigt, erfolgt ein Entfernen S6 des zumindest einen der Teilbereiche (02-1, 02-2, 02-3) der zweiten Opferschicht 02 durch das dem jeweiligen Teilbereich zugehörigen Durchgangsloch D durch Ätzen. Hierbei können die den jeweiligen Teilbereich O2-1 umliegenden Opferschichten O1 und O3 als Ätzstopp dienen, so dass eine definierte Ätzkante am Rand des Teilbereichs O2-1 entstehen kann.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 1h gezeigt, erfolgt ein zumindest bereichsweises Entfernen S7 der ersten Opferschicht O1 und dritten Opferschicht O3 am jeweiligen Teilbereich O2-1 durch das zugehörige Durchgangsloch D hindurch. Dabei wird ein entsprechender Ätzprozess auf die erste und dritte Opferschicht angewandt, welcher sich von jenem der zweiten Opferschicht O2 unterscheiden kann. Es können dabei solche Bereiche der ersten und dritten Opferschicht entfernt werden, welche an den entfernten Teilbereich der zweiten Opferschicht O2-1 angrenzen. Dabei können vorteilhaft die erste Schichtdicke d1 der ersten Opferschicht O1 und/oder eine dritte Schichtdicke d3 der dritten Opferschicht O3 kleiner sein als eine zweite Schichtdicke d2 der zweiten Opferschicht O2, wie schematisch in den 1b und 1d gezeigt. Auf diese Weise können die definierten Ätzkanten weitgehend erhalten bleiben. Durch das Verfahren kann ein mehrschichtiger Opferschichtstapel in einem oder mehreren Bereichen zwischen dem Substrat Sub und dem Deckelement DE vollständig entfernt werden.
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Durch das Verfahren können in den Schichten größtenteils sehr ebene Oberflächen ermöglicht werden, und dadurch eine Vereinfachung der Prozessführung.
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2a - I zeigen eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung (FPI) erfolgt, wie in der 2a gezeigt, ein Bereitstellen eines Substrats Sub. Bei dem Substrat kann es sich um eine strukturierte Elektrodenschicht handeln, welche beispielsweise Polysilizium umfassen kann. Das Substrat kann erste Gräben G aufweisen, welche das Substrat in Teilbereiche strukturieren, etwa kann der Kontakt K des FPIs bereits als strukturierter Teilbereich separiert werden. Diese Elektrodenschicht kann gemeinsam mit weiteren Schichten und einem Wafer (nicht gezeigt) das Substrat Sub bilden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2b gezeigt, wird eine erste Opferschicht O1 auf einem Substrat Sub aufgebracht, welche Siliziumoxid (SiO2) umfassen kann. Diese erste Opferschicht kann bereits strukturiert werden, etwa über dem Kontaktbereich K und auch über weiteren Bereichen, etwa über einem optischen Bereich des FPI. Die ersten Gräben G können durch die erste Opferschicht O1 aufgefüllt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2c gezeigt, kann eine zweite Opferschicht O2, etwa aus Polysilizium, zumindest bereichsweise auf die erste Opferschicht O1 aufgebracht werden. Die Opferschicht O2 kann bei Bedarf durch geeignete Methoden, beispielsweise Polieren, planarisiert werden. Es kann ein Strukturieren der zweiten Opferschicht O2 in Teilbereiche (O2-1, O2-2, ..., O2-n) und dabei ein Einbringen von Gräben G1 in die zweite Opferschicht O2 erfolgen, welche sich bis zur ersten Opferschicht O1 erstrecken. Die zweite Opferschicht O2 kann in den Bereichen K und OB das Substrat Sub berühren. Die Gräben G1 können zum Vermeiden von Topographie vorteilhaft schmal, also kleiner als diese, gegen die Schichtdicke der zweiten Opferschicht O2 sein. Die Breite der Gräben G1 kann vorzugsweise kleiner als 1 µm sein. Bei konformer Abscheidung von 03 mit einer Schichtdicke von mindestens der Hälfte der Grabenbreite wird der Graben verschlossen und somit die Topographie reduziert.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2d gezeigt, kann eine dritte Opferschicht O3 zumindest bereichsweise auf die Teilbereiche der zweiten Opferschicht O2-1, O2-2, ..., O2-n und in die Gräben G auf- und eingebracht werden. Die dritte Opferschicht O3 kann etwa Siliziumoxid umfassen. Im Kontaktbereich K und im optischen Bereich OB sowie in einem zweiten Kontaktbereich (EB, wie in der 2L gezeigt) können Teilbereiche der dritten Opferschicht O3 entfernt werden. So können im optischen Bereich OB sowie in einem zweiten Kontaktbereich (EB) Löcher G2 ausgeformt werden, etwa mit einem regelmäßigen Lochmuster. Bei später auszuformenden Durchgangslöchern D können die Löcher G2 und die Durchgangslöchern D dann an gleicher Position sein.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2e gezeigt, kann ein erstes Deckelement DE1 zumindest bereichsweise auf die dritte Opferschicht 03 aufgebracht werden, welche etwa Polysilizium umfassen kann, was hier eine hochbrechende Schicht des unteren Spiegels des FPIs darstellen kann. Das erste Deckelement DE1 kann einen erste Zwischenkomponente Z1 abdecken. Da die Elektrodenschicht des Substrats auch Polysilizium umfassen kann, kann diese auch mit der zweiten Opferschicht 02 als Teilopferschicht dienen, was zu einer weiteren Reduzierung der Topographie führen kann. In einem FPI kann die erste Zwischenkomponente Z1 einen Aktuationsspalt definieren, also einen Abstand der Elektrodenschicht von dem unteren Spiegel des FPI. Die Strukturierung der dritten Opferschicht 03 kann sich in dem ersten Deckelelement DE1 fortsetzen da in diese dritte Gräben G3 über den Löchern G2 angeordnet sein können.
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Nachfolgend kann nun eine zweite Zwischenkomponente Z2 auf der ersten Z1 ausgeformt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2f gezeigt, kann eine vierte Opferschicht 04, welche Siliziumoxid umfassen kann, auf das erste Deckelelement DE1 aufgebracht werden, welche analog zur ersten Opferschicht O1 wirken kann. Diese kann im Wesentlichen ähnlich zur dritten Opferschicht O3 strukturiert werden, wobei vierte Gräben G4 eingebracht werden können. Auch die Aussparung des Kontakts K kann sich bis hierhin als Teilbereich durch die Schichten fortsetzen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2g gezeigt, kann eine fünfte Opferschicht 0O5 auf der vierten Opferschicht O4 und in deren Gräben G4 sowie anderen Ausnehmungen (K) angeordnet werden. Diese kann Polysilizium umfassen und analog zur zweiten Opferschicht O2 wirken. Es kann eine Strukturierung erfolgen, wobei fünfte Gräben G5 eingebracht werden können und entsprechende Teilbereiche, etwa Kontakt K sowie optischen Bereich (OB) und Elektrodenbereich (EB) definieren können. Letztere beiden Bereiche (EB und OB) können auch in kleinere Teilbereiche unterteilt werden, welche jeweils über die umgebenden Siliziumoxid-Schichten nach oben und unten einen Kontakt zu den benachbarten Polysilizium-Schichten haben können. So können später nach dem ersten Opferschichtätzschritt noch schmale Reststege aus SiO2 übrig bleiben, die bei diesem Schritt die Wahrscheinlichkeit eines Klebens reduzieren können. Diese Reststege können dann anschließend beim letzten SiO2-Opferschichtätzprozess entfernt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2h gezeigt, kann eine sechste Opferschicht O6 auf die fünfte Opferschicht O5 und deren fünfte Gräben G5 aufgebracht werden, welche Siliziumoxid umfassen kann und analog zur dritten Opferschicht O3 wirken kann. Diese kann ähnlich der vierten Opferschicht O4 strukturiert werden, etwa mit sechsten Gräben G6. Die vierte bis sechste Opferschichten können die zweite Zwischenkomponente Z2 bilden, welche eine niedrigbrechende Schicht eines unteren FPI-Spiegels darstellen kann.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2i gezeigt, kann ein zweites Deckelelement DE2 auf die sechste Opferschicht O6 aufgebracht werden, ebenso in die sechsten Gräben G6. Die Strukturierung der sechsten Opferschicht O6 kann sich wiederum in das zweite Deckelelement DE2 in Form von siebten Gräben G7 fortsetzen. Das zweite Deckelelement DE2 kann eine zweite hochbrechende Schicht des unteren FPI-Spiegelelements darstellen und etwa Polysilizium umfassen und ähnlich zum ersten Deckelement DE1 strukturiert sein.
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Mit weiteren Zwischenkomponenten kann noch eine optische Kavität und ein oberer Spiegel für das FPI erzeugt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2j gezeigt, kann eine Abdeckschicht L auf dem zweiten Deckelement DE2 ausgeformt werden und zumindest eine Öffnung A in der Abdeckschicht L ausgeformt werden, an welchem ein Durchgangslochs D für das Entfernen des Teilbereichs und/oder Opferschichten eingebracht werden kann. Über die Strukturierung dieser Schicht kann vorteilhaft entschieden werden, welche Bereiche später entfernt werden. So kann die Abdeckschicht L im Bereich K nicht geöffnet werden, da die Schichtfolge aus Polysilizium hier als Kontakt zur Elektrodenschicht dienen kann und nicht entfernt werden soll. Stattdessen werden Öffnungen im Bereich OB und EB hergestellt, die einen Zugang zu den entfernenden Polysilizium-Bereichen herstellen können.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2k gezeigt, können etwa mittels eines geeigneten Opferschichtätzprozesses, beispielsweise basierend auf CIF3 (Chlortrifluorid) oder XeF2 (Xenondifluorid), die zu entfernenden Bereiche der zweiten (etwa mit dem verbundenen Bereich in dem Elektrodenbereich EB) und der fünften Opferschicht O2 und 0O5 entfernt werden. Es können hierbei diese Schichten über die entsprechenden Teilbereiche in den Deckelementen DE1 und DE2 untereinander sowie zum Ätzzugang in der Abdeckschicht L verbunden sein, sodass alle zu entfernenden Bereiche in einem Schritt geätzt werden können. Das die entsprechenden Teilbereiche umgebende SiO2 kann dabei als Ätzstopp dienen, sodass klare, reproduzierbare und sauber definierte Ätzkanten entstehen können, die auch den Einspannbereich (ESB) des Spiegels klar und beliebig definieren können. Die Form des Einspannbereich (ESB) kann dabei gezielt gewählt werden und ist nicht von der Anordnung der Ätzlöcher abhängig. Der Elektrodenbereich EB stellt einen Aktuationselektrodenbereich dar, welcher die nächstliegende Spiegelschicht (Deckelement) im freigestellten Bereich aktuieren kann.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in der 2l gezeigt, kann ein SiO2-Opferschichtätzprozess erfolgen, beispielsweise basierend auf HF (FluorWasserstoff), welcher etwa das SiO2 angrenzend zu den in der 2k geätzten Bereichen entfernen kann. Die Ätzweite sollte hier kurz sein, also kürzer als im Schritt der 2k, sodass die vorher definierte Ätzkante klar definiert bleibt. Die geringe notwendige Ätzweite kann für die Prozessführung vorteilhaft sein, da der Ätzprozess bei großen Ätzweiten eine Tendenz zum Verkleben von beweglichen Strukturen haben kann. Im Ätzprozess wird meist mit gasförmigen HF das SiO2 geätzt. In der Reaktion entsteht H2O als ein Folgeprodukt. Muss sehr viel des SiO2 geätzt werden, so entsteht viel Wasser, was zu Kondensierungen führen kann. Durch die Oberflächenspannung von Wasser können dann die beweglichen Strukturen verkleben. Das Verfahren kann diesen Effekt verringern. Es verbleibt in der 2L ein freigestellter Spiegel (erstes Spiegelelement SP1 des FPIs), bestehend aus dem ersten Deckelement DE1 und dem dazu beabstandeten zweiten Deckelement DE2, beabstandet durch die niedrigbrechende Schicht, etwa Vakuum, Luft oder ein anderes Gas, welcher über die Elektrodenschicht im Bereich EB aktuiert werden kann.
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Für ein FPI mit einer Zentralwellenlänge von 3000nm, kann Z2 eine Dicke von ca. 750nm aufweisen, analog die Opferschicht im zweiten Spiegel, also in einer dritten und vierten und etwa fünften Zwischenkomponente, welche zur Herstellung eines FPIs analog erfolgen kann und das obere Spiegelelement erzeugen kann. Zusätzlich kommt eine Dicke des optischen Spaltes zwischen den Spiegelelementen (nicht gezeigt) und des Aktuationsspaltes, also der ersten Z1, die beide von der zu benutzenden Ordnung abhängen. Wenn das FPI in erster Ordnung betrieben werden soll, um einen möglichst großen Wellenlängenbereich zu erschließen, kann der optische Spalt beispielsweise etwa 1 um dick sein und der Aktuationsspalt (um einen elektrischen Pull-In zu vermeiden) etwa 5 um dick sein. Bisher bekannte Anordnungen erfordern dies in Summe mit mindestens etwa 7,5µm SiO2 (ohne eventuelle weitere Schichten) und teilweise sehr dicke Einzelschichten. Die erfindungsgemäße Ausführung kann ein Reißen der Schichten, starke Verbiegung des Wafers durch den Schichtstress und Abplatzungen verringern oder verhindern. Durch die erfindungsgemäße Auslegung kann jede Opferschicht mit je zwei sehr dünnen SiO2-Schichten auskommen (z.B. je 100nm). Die Opferschichtdicke kann dann durch ein dickeres Polysilizium erhöht werden, welches auf einem Siliziumsubstrat in der Regel unkritisch ist. Durch die Auslegung kann trotz aktiver Schichten (Spiegel, Elektrode) aus Silizium mit diesem Opferschichtmaterial gearbeitet werden. Gleichzeitig können bei Bedarf elektrische Durchführungen/Kontakte realisiert werden. Die bei dem erfindungsgemäßen Prozess erzeugte Topographie kann gegenüber dem Bekannten deutlich reduziert werden, da selbst für Kontakte nur dünne Trennspalte erforderlich sein können, deren Topographie bei geeigneter Prozessführung durch Verfüllen oder ggf. Polieren weiter reduziert werden kann. Dies kann für die Prozessierung und die Funktionalität des Bauelements (besonders bei den hier notwendigen optischen Anforderungen) vorteilhaft sein.
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3a - b zeigen eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung (FPI) kann im Unterschied zum Schritt der 2j das Einbringen von Ätzzugängen in einer alternativen Weise erfolgen.
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Die 3a zeigt eine Darstellung ähnlich der 2j, wobei für eine Abdeckschicht L vorerst keine Öffnungen A in der Abdeckschicht L allein geschaffen werden. Auch werden beim Strukturieren keine Gräben in der dritten, vierten, fünften und sechsten Opferschicht im optischen Bereich OB und im Bereich der Elektrodenschicht EB erzeugt. Es werden vielmehr Durchgangslöcher D nach Abschluss der Abdeckschicht L bis hinunter zur zweiten Opferschicht 02 eingebracht, wie dies in der 3b gezeigt wird. Auf diese Weise kann auch eine Zahl von Prozessschritten verringert werden, etwa wenn keine Herstellung von Kontakten nötig ist oder zur Herstellung von Kontakten Opferschichten, z.B. SiO2-Schichten, nicht strukturiert werden müssen. Die Deckelemente DE1 und DE2 können dabei aus anderen Materialien bestehen als die zweite und fünfte Opferschicht, da die Deckelemente keine Ätzzugänge für die Opferschichten darstellen müssen. Die zweite und fünfte Opferschicht kann Germanium oder Siliziumgermanium (SiGe) umfassen.
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4a - b zeigen eine schematische Schnittansicht mehrerer Zwischenkomponenten in einer Fabry-Perot-Interferometervorrichtung während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometervorrichtung (FPI) kann im Unterschied zum Schritt der 3a und 3b das Einbringen von Ätzzugängen in einer weiteren alternativen Weise erfolgen.
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Die 4a zeigt eine Darstellung ähnlich der 3a, wobei auch hier in der Abdeckschicht L allein vorerst keine Öffnungen eingebracht werden. Auch das erste Deckelement DE1 und das zweite Deckelement DE2 sind im Bereich der Elektrode EB und im optischen Bereich OB nicht strukturiert. Ein derartige Ausführung kann sich dann eignen, wenn die Deckelemente gegenüber der Ätzchemie beim Ätzen der zweiten und fünften Opferschicht genügen resistent sind und im Verbund verbleiben können. Auf diese Weise können weitere Prozessschritte, etwa das Strukturieren der Deckelemente, eingespart werden. Auch hier können die zweite und fünfte Opferschicht Germanium oder Siliziumgermanium (SiGe) umfassen.
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5a - c zeigen eine schematische Schnittansicht einer Zwischenkomponente während deren Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 5a zeigt einen Teilausschnitt, etwa der 2j, über dem optischen Bereich oder dem Elektrodenbereich (EB).
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Die zweite Opferschicht O5 der zweiten Zwischenkomponenten Z2, also die fünfte Opferschicht O5, kann strukturiert werden, derart dass zumindest ein Teilbereich STS von Zwischengräben GZ umgeben wird, wobei die sechste Opferschicht O6 die Zwischengräben GZ auffüllt und den Teilbereich STS zwischen den Zwischengräben vom Rest der fünften Opferschicht O5 separiert, wie in der 5a gezeigt. Bei einem Ätzprozess durch die Öffnungen A in der Abdeckschicht L kann die fünfte Opferschicht O5 entfernt werden.
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Nach einem Entfernen der fünften Opferschicht O5 kann der Teilbereich zwischen den Zwischengräben GZ zumindest teilweise verbleiben, wie in der 5b gezeigt wird.
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Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Luftspiegel realisiert werden, welcher mit den zwei Deckelementen DE1 und DE2 zwei hochbrechende Schichten und einen Luftspalt dazwischen umfassen kann. Die vierte und sechste Opferschicht O4 und 0O6 können den Teilbereich STS also rundherum gegenüber dem Ätzprozess größtenteils isolieren.
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Die 5c zeigt die Anordnung der 5b nach einem weiteren Ätzverfahren, insbesondere nach einem Siliziumoxid-Ätzen, wobei die vierte und sechste Opferschicht bereichsweise vom und um den Teilbereich STS entfernt werden, durch eine geringe Ätzweite jedoch ein Teil der vierten Opferschicht O4 unterhalb des Teilbereichs STS und ein Teil der sechsten Opferschicht O6 über dem Teilbereich STS verbleiben kann.
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Der Teilbereich STS mit den Reststücken der vierten und sechsten Opferschicht O4 und O6 kann die Deckelemente DE1 und DE2 verbinden und einen konstanten Abstand zwischen diesen einhalten, sodass der Teilbereich STS als eine Stützstruktur funktionieren kann. Gegenüber bekannten Ausführungen können solche Stützstrukturen massiver (weniger verformbar) und stabiler und in vertikaler Richtung elektrisch isolierend sowie mit einem geringen Prozessaufwand ausgeformt werden. Durch die Möglichkeit zur Realisierung von Stützstrukturen STS in Spiegelelementen des FPIs mit einem Vakuum oder einem Gas als niedrigbrechender Schicht kann eine hohe Stabilität, eine gute Planarität und eine Möglichkeit zur vertikalen elektrischen Isolation der Partialmembranen (Spiegelschichten) erzeugt werden. Zwischen den Deckelementen kann also folglich auch ein Gas, Vakuum oder ein Gasgemisch eingebracht sein. Die Stützstrukturen STS können also auch aus Teilen der Opferschichten O1, O2 oder O3 selbst aufgebaut sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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