DE102022209402A1 - Microelectromechanical device - Google Patents
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Abstract
Mikroelektromechanische Vorrichtung (110) umfassend ein Trägersubstrat (100) mit einer Substratoberfläche (100a) und mehrere MEMS-Module (120), wobei jedes der mehreren MEMS-Module (120) eine ASIC-Schicht (140) mit einer ASIC-Schicht-Vorderseite (140a) und einer ASIC-Schicht-Rückseite (140b), eine Grundplatte (160) mit einer Grundplattenvorderseite (160a) und einer Grundplattenrückseite (160b) und mehrere mikroelektromechanische Bauelemente (130) mit einer Bauelementrückseite (130b) umfasst, wobei die Grundplatte (160) auf der ASIC-Schicht-Vorderseite (140a) angeordnet und die Grundplattenrückseite (160b) mit der ASIC-Schicht-Vorderseite (140a) verbunden ist und die mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente (130) auf der Grundplattenvorderseite (160a) angeordnet und deren Bauelementrückseiten (130b) mit der Grundplattenvorderseite (160a) verbunden sind, wobei die ASIC-Schicht (140) ein ASIC zum Ansteuern der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente (130) aufweist, wobei das ASIC mit den mikroelektromechanischen Bauelementen (130) über elektrische Kontakte (144) verbunden ist, wobei die mehreren MEMS-Module (120) auf der Substratoberfläche (100a) angeordnet sind und die ASIC-Schicht-Rückseiten (140b) der mehreren MEMS-Module (120) mit der Substratoberfläche (100a) verbunden sind. Microelectromechanical device (110) comprising a carrier substrate (100) with a substrate surface (100a) and a plurality of MEMS modules (120), each of the plurality of MEMS modules (120) having an ASIC layer (140) with an ASIC layer front side (140a) and an ASIC layer back (140b), a base plate (160) with a base plate front (160a) and a base plate back (160b) and a plurality of microelectromechanical components (130) with a component back (130b), the base plate ( 160) is arranged on the ASIC layer front side (140a) and the base plate back side (160b) is connected to the ASIC layer front side (140a) and the plurality of microelectromechanical components (130) are arranged on the base plate front side (160a) and their component back sides ( 130b) are connected to the front side of the base plate (160a), the ASIC layer (140) having an ASIC for controlling the plurality of microelectromechanical components (130), the ASIC being connected to the microelectromechanical components (130) via electrical contacts (144). , wherein the plurality of MEMS modules (120) are arranged on the substrate surface (100a) and the ASIC layer backs (140b) of the plurality of MEMS modules (120) are connected to the substrate surface (100a).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mikroelektromechanischen Vorrichtungen, insbesondere der Mikrospiegel-Arrays und betrifft eine mikroelektromechanische Vorrichtung, eine Beleuchtungsoptik, ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage, eine entsprechende Projektionsbelichtungsanlage sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung.The present invention relates to the field of microelectromechanical devices, in particular micromirror arrays, and relates to a microelectromechanical device, illumination optics, an illumination system for a projection exposure system, a corresponding projection exposure system and a method for producing a microelectromechanical device.
Stand der TechnikState of the art
Der Einsatz von Vorrichtungen mit matrixförmig angeordneten verlagerbaren Mikrospiegeln, sogenannte Mikrospiegel-Arrays oder Mikrospiegelaktoren, erfolgt heutzutage in einer Vielzahl von Vorrichtungen, beispielsweise in Smartphones, Projektoren, Head-up-Displays, Barcodelesern, Maskenbelichtern in der Halbleiterfertigung und Mikroskopen. Entsprechende Mikrospiegel-Arrays sind beispielsweise aus den Schriften
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden eine mikroelektromechanische Vorrichtung, eine Beleuchtungsoptik umfassend eine solche mikroelektromechanische Vorrichtung sowie ein Beleuchtungssystem und eine Projektionsbelichtungsanlage, jeweils mit einer entsprechenden Beleuchtungsoptik, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung vorgeschlagen.According to the invention, a microelectromechanical device, an illumination optics comprising such a microelectromechanical device as well as an illumination system and a projection exposure system, each with a corresponding illumination optics, as well as a method for producing a microelectromechanical device according to the invention are proposed.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine mikroelektromechanische Vorrichtung umfassend ein Trägersubstrat mit einer Substratoberfläche und mehrere MEMS-Module vorgeschlagen (MEMS: microelectromechanical system). Hierbei umfasst jedes der mehreren MEMS-Module eine ASIC-Schicht mit einer ASIC-Schicht-Vorderseite und einer dieser ASIC-Schicht-Vorderseite gegenüberliegenden ASIC-Schicht-Rückseite, eine Grundplatte mit einer Grundplattenvorderseite und einer dieser Grundplattenvorderseite gegenüberliegenden Grundplattenrückseite und mehrere mikroelektromechanische Bauelemente mit einer Bauelementrückseite. Die mikroelektromechanischen Bauelemente müssen nicht identisch von ihrem Aufbau und/oder ihrer Funktion sein, dies kann allerdings der Fall sein. Die Grundplatte ist auf der ASIC-Schicht-Vorderseite angeordnet und die Grundplattenrückseite mit der ASIC-Schicht-Vorderseite verbunden. Hierfür kommt insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung mittels Löten oder vorzugsweise Sintern oder eutektischem Bonden in Frage, durch die elektrische Kontakte zwischen ASIC-Schicht und Grundplatte ausgebildet werden. Als Sintermaterial kann beispielsweise Silbersinterpaste eingesetzt werden. Die mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente sind weiterhin auf der Grundplattenvorderseite angeordnet und deren Bauelementrückseiten mit der Grundplattenvorderseite verbunden. Die ASIC-Schicht jedes der MEMS-Module weist ein oder mehrere ASICs (ASIC: application-specific integrated circuit) zum Ansteuern der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente auf, wobei das eine oder die mehreren ASICs mit den mikroelektromechanischen Bauelementen unter Benutzung zumindest eines Teils der elektrischen Kontakte elektrisch verbunden sind, wobei die elektrischen Kontakte typischerweise in den Grundplatten zu den mikroelektromechanischen Bauelementen mittels elektrischer Verbindungen, beispielsweise Durchkontaktierungen, weitergeführt sind. Beispielsweise kann zur Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen einer auf dem Trägersubstrat befindlichen weiteren Elektronik und den mikroelektromechanischen Bauelementen die ASIC-Schicht neben ASICs optional auch Verdrahtungsträger (Interposer) und/oder weitere Elemente umfassen. Elektrische Verbindungen können mittels elektrischer Kontakte zwischen ASIC-Schicht und Grundplatte weitergeführt werden. Als Interposer kommen insbesondere siliziumbasierte Interposer mit elektrischen Verbindungen, beispielsweise Silizium-Durchkontaktierungen (TSV, through-silicon via) wie beispielsweise kupferbasierte Durchkontaktierungen (Cu vias), in Frage. Die mehreren MEMS-Module sind auf der Substratoberfläche des Trägersubstrats angeordnet und die ASIC-Schicht-Rückseiten der mehreren MEMS-Module mit der Substratoberfläche verbunden. Auch diese Verbindung ist typischerweise stoffschlüssig ausgeführt und erfolgt vorzugsweise durch Sintern. Bei der weiteren Elektronik auf dem Trägersubstrat kann es sich beispielsweise um weitere ASICs zur Ansteuerung der gesamten elektromechanischen Vorrichtung, um passive Bauelemente und/oder Verbindungselemente (wie Stecker, Kabel), beispielsweise zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zu externen Steuergeräten wie einer Recheneinheit sowie zur Stromversorgung handeln. Das Trägersubstrat dient insgesamt als Bauteilträger und kann elektrische Verbindungen, beispielsweise Durchkontaktierungen, zur Durchleitung von elektrischen Signalen von einer Oberfläche des Trägersubstrats zu einer anderen Oberfläche des Trägersubstrats umfassen. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die weitere Elektronik auf einer Substratoberfläche des Trägersubstrats anzuordnen, die der Substratoberfläche mit den MEMS-Modulen gegenüberliegt. Weiterhin kann zur Ermöglichung eines hohen Füllfaktors, also einer engen Anordnung der MEMS-Module auf einem Trägersubstrat, die ASIC-Schicht eines MEMS-Moduls so gestaltet sein, dass diese nicht seitlich über die Grundplatte des MEMS-Moduls hinaussteht. Die ASIC-Schicht eines MEMS-Moduls besitzt folglich vorzugsweise zur Grundplatte identische oder geringere Abmessungen.According to a first aspect of the invention, a microelectromechanical device comprising a carrier substrate with a substrate surface and several MEMS modules is proposed (MEMS: microelectromechanical system). Each of the several MEMS modules includes an ASIC layer with an ASIC layer front side and an ASIC layer back side opposite this ASIC layer front side, a base plate with a base plate front side and a base plate back side opposite this base plate front side, and a plurality of microelectromechanical components a component back. The microelectromechanical components do not have to be identical in structure and/or function, although this can be the case. The base plate is arranged on the ASIC layer front side and the base plate back is connected to the ASIC layer front side. In particular, a cohesive connection by means of soldering or preferably sintering or eutectic bonding is suitable for this, through which electrical contacts are formed between the ASIC layer and the base plate. Silver sintering paste, for example, can be used as the sintering material. The several microelectromechanical components are further arranged on the front of the base plate and their component backs are connected to the front of the base plate. The ASIC layer of each of the MEMS modules has one or more ASICs (ASIC: application-specific integrated circuit) for controlling the plurality of microelectromechanical components, the one or more ASICs interacting with the microelectromechanical components using at least some of the electrical contacts are electrically connected, the electrical contacts typically being continued in the base plates to the microelectromechanical components by means of electrical connections, for example plated-through holes. For example, in order to produce electrical connections between further electronics located on the carrier substrate and the microelectromechanical components, the ASIC layer can optionally also include wiring carriers (interposers) and/or further elements in addition to ASICs. Electrical connections can be continued using electrical contacts between the ASIC layer and the base plate. In particular, silicon-based interposers with electrical connections, for example silicon vias (TSV, through-silicon via) such as copper-based vias (Cu vias), come into consideration as interposers. The plurality of MEMS modules are arranged on the substrate surface of the carrier substrate and the ASIC layer backsides of the plurality of MEMS modules are connected to the substrate surface. This connection is also typically made in a cohesive manner and is preferably carried out by sintering. The further electronics on the carrier substrate can be, for example, further ASICs for controlling the entire electromechanical device, passive components and/or connecting elements (such as plugs, cables), for example for establishing an electrical connection to external control devices such as a computing unit and to the power supply act. The carrier substrate serves overall as a component carrier and can include electrical connections, for example plated-through holes, for conducting electrical signals from one surface of the carrier substrate to another surface of the carrier substrate. For example, it can be advantageous to arrange the additional electronics on a substrate surface of the carrier substrate nen, which is opposite the substrate surface with the MEMS modules. Furthermore, to enable a high fill factor, i.e. a close arrangement of the MEMS modules on a carrier substrate, the ASIC layer of a MEMS module can be designed in such a way that it does not protrude laterally beyond the base plate of the MEMS module. The ASIC layer of a MEMS module therefore preferably has dimensions that are identical or smaller than the base plate.
Eine solche mikroelektromechanische Vorrichtung gliedert folglich ihre Mehrzahl an mikroelektromechanischen Bauelementen in einzelne Gruppen, die jeweils mehrere mikroelektromechanische Bauelemente umfassen und im Rahmen dieser Erfindung als MEMS-Module bezeichnet werden. Die mehreren MEMS-Module können beispielsweise jeweils genau 2, 3, 4, 5, 6, 9, 12, 16, 20, 25, 30, 36, 42, 49, 56, 64, 72 oder 81 der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente aufweisen, wobei auch andere Anzahlen ≥ 2 denkbar sind. Die mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente können beispielsweise in einem rechteckigen Raster bestehend aus Spalten und Reihen angeordnet sein, beispielsweise bestehend zwei Spalten und zwei Reihen, zwei Spalten und drei Reihen, drei Spalten und drei Reihen, drei Spalten und vier Reihen, vier Spalten und vier Reihen, vier Spalten und fünf Reihen, fünf Spalten und fünf Reihen, fünf Spalten und sechs Reihen, sechs Spalten und sechs Reihen, sechs Spalten und sieben Reihen, sieben Spalten und sieben Reihen, sieben Spalten und acht Reihen, acht Spalten und acht Reihen, acht Spalten, und neun Reihen oder neun Spalten und neun Reihen. Alternativ ist beispielsweise ein sechseckiges Raster denkbar. Eine erfindungsgemäße elektromechanische Vorrichtung kann beispielsweise genau 2, 3, 4, 5, 6, 9, 12, 16, 20, 25, 30, 36, 42, 49, 56, 64, 72 oder 81 MEMS-Module umfassen, wobei auch andere Anzahlen ≥ 2 denkbar sind. Auch die MEMS-Module können in einem rechteckigen Raster bestehend aus Spaten und Reihen angeordnet sein, beispielsweise bestehend zwei Spalten und zwei Reihen, zwei Spalten und drei Reihen, drei Spalten und drei Reihen, drei Spalten und vier Reihen, vier Spalten und vier Reihen, vier Spalten und fünf Reihen, fünf Spalten und fünf Reihen, fünf Spalten und sechs Reihen, sechs Spalten und sechs Reihen, sechs Spalten und sieben Reihen, sieben Spalten und sieben Reihen, sieben Spalten und acht Reihen, acht Spalten und acht Reihen, acht Spalten, und neun Reihen oder neun Spalten und neun Reihen. Auch hier ist alternativ beispielsweise ein sechseckiges Raster denkbar.Such a microelectromechanical device consequently divides its plurality of microelectromechanical components into individual groups, each of which includes several microelectromechanical components and are referred to as MEMS modules in the context of this invention. For example, the multiple MEMS modules can each have exactly 2, 3, 4, 5, 6, 9, 12, 16, 20, 25, 30, 36, 42, 49, 56, 64, 72 or 81 of the multiple microelectromechanical components, whereby other numbers ≥ 2 are also conceivable. The multiple microelectromechanical components can, for example, be arranged in a rectangular grid consisting of columns and rows, for example consisting of two columns and two rows, two columns and three rows, three columns and three rows, three columns and four rows, four columns and four rows, four columns and five rows, five columns and five rows, five columns and six rows, six columns and six rows, six columns and seven rows, seven columns and seven rows, seven columns and eight rows, eight columns and eight rows, eight columns , and nine rows or nine columns and nine rows. Alternatively, a hexagonal grid is conceivable, for example. An electromechanical device according to the invention can, for example, comprise exactly 2, 3, 4, 5, 6, 9, 12, 16, 20, 25, 30, 36, 42, 49, 56, 64, 72 or 81 MEMS modules, including others Numbers ≥ 2 are conceivable. The MEMS modules can also be arranged in a rectangular grid consisting of spades and rows, for example consisting of two columns and two rows, two columns and three rows, three columns and three rows, three columns and four rows, four columns and four rows, four columns and five rows, five columns and five rows, five columns and six rows, six columns and six rows, six columns and seven rows, seven columns and seven rows, seven columns and eight rows, eight columns and eight rows, eight columns , and nine rows or nine columns and nine rows. Alternatively, a hexagonal grid is also conceivable here.
Ein vorteilhafter Aspekt einer so gegliederten mikroelektromechanischen Vorrichtung ist, dass durch die Gliederung in MEMS-Module eine Reduzierung der Komplexität und Fehleranfälligkeit des Aufbaus erreicht wird. Es wurde festgestellt, dass mehrere MEMS-Module mit einer reduzierten Anzahl von mikroelektromechanischen Bauelementen im Produktionsprozess einfacher zu handhaben sind als eine einzelne Einheit mit derselben Gesamtzahl von mikroelektromechanischen Bauelementen. Insbesondere kann durch einen erfindungsgemäßen Ansatz die Ausbeute des Produktionsprozesses deutlich gesteigert werden, da bei der Produktion gezielt die MEMS-Module ausgewählt werden können, die ausschließlich voll funktionsfähige mikroelektromechanische Bauelemente beinhalten. Weiterhin ist vorstellbar, dass eine Vielzahl solcher erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtungen wiederum zu einer übergeordneten Einheit verbunden werden, beispielsweise um größere Flächen abzudecken als mit einer einzelnen erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung praktikabel.An advantageous aspect of a microelectromechanical device structured in this way is that the structure is divided into MEMS modules, reducing the complexity and susceptibility to errors of the structure. Multiple MEMS modules with a reduced number of microelectromechanical devices were found to be easier to handle in the production process than a single unit with the same total number of microelectromechanical devices. In particular, an approach according to the invention can significantly increase the yield of the production process, since the MEMS modules that only contain fully functional microelectromechanical components can be specifically selected during production. Furthermore, it is conceivable that a large number of such microelectromechanical devices according to the invention are in turn connected to form a higher-level unit, for example in order to cover larger areas than is practicable with a single microelectromechanical device according to the invention.
Ein besonders wichtige Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz mit Mikrospiegeln als mikroelektromechanische Bauelemente. Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann also insbesondere ein Mikrospiegel-Array sein. In einem solchen Fall umfasst jedes der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente ein Spiegelelement mit einer Reflexionsfläche zur Reflexion von Licht und eine Verlagerungseinrichtung zum Verlagern des Spiegelelements des jeweiligen mikroelektromechanischen Bauelements, wobei das eine oder die mehreren ASICs zum Ansteuern der Verlagerungseinrichtungen ausgebildet sind. Hierbei meint ein Verlagern eine Bewegung im Hinblick auf zumindest einen Freiheitsgrad. Ein Verlagern kann sowohl lineare Bewegungen als auch Drehungen umfassen. Das Spiegelelement kann insbesondere ein Bragg-Spiegel sein oder seinen solchen umfassen. Bei den Verlagerungseinrichtungen kann es sich beispielsweise um elektrostatische Aktuatoren, beispielsweise mit Kammelektroden, handeln. In Frage kommen beispielsweise Aktuatoren wie in den Dokumenten
Eine erfindungsgemäße Gliederung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung in MEMS-Module ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat der erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung im Wesentlichen aus einem ersten Material besteht und die mehreren MEMS-Module im Wesentlichen aus einem zweiten Material bestehen, wobei das erste Material einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α1 und das zweite Material einen davon verschiedenen, zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten α2 besitzt. Typischerweise umfasst das erste Material, also das Material des Trägersubstrats, eine Keramik, beispielsweise eine Al2O3-basierte Keramik, oder ist eine Keramik, beispielsweise eine Al2O3-basierte Keramik. Das zweite Material, also das Material der MEMS-Module, umfasst typischerweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, beispielsweise monokristallines und/oder polykristallines Silizium, oder ist ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, beispielsweise monokristallines und/oder polykristallines Silizium. Ganz besonders vorteilhaft ist die Erfindung dann einzusetzen, wenn der erste Wärmeausdehnungskoeffizient α1 und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient α2 größere Unterscheide aufweisen, also beispielsweise ein Verhältnis von α1/α2 ≥ 1,5 zueinander aufweisen. Im Rahmen des Produktionsprozesses einer mikroelektromechanischen Vorrichtung wie einem Mikrospiegel-Array treten beispielsweise durch ein Löten oder Sintern typischerweise deutlich höhere Temperaturen auf als in einem Ruhezustand oder auch einem Betriebszustand der Vorrichtung. Im Falls, dass solche Vorrichtungen aus unterschiedlichen Materialen gefertigt werden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen (wie einer Keramik und Silizium), können durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten induzierte mechanische Spannungen auftreten, die auch als thermische Spannungen bezeichnet werden. Solche thermischen Spannungen werden während der Montage (also dem Löten oder Sintern) eingefroren und über die Lebenszeit der Vorrichtung abgebaut. Hierdurch können Verformungen und/oder Schädigungen der Struktur der Vorrichtung entstehen, die deren Funktionsfähigkeit stark beeinträchtigt. Beispielsweise kann im Fall eines Mikrospiegel-Arrays die Positionen der einzelnen Spiegel ungewollt verändert werden. Durch Gliederung der mikroelektromechanischen Bauelemente einer mikroelektromechanischen Vorrichtung in räumlich kleinere MEMS-Module aus einem zweiten Material, die auf ein Trägersubstrat aus einem ersten Material aufgebracht sind, können diese thermischen Spannungen, die durch die verschiedenen verwendeten Materialien entstehen, im Vergleich zu einer entsprechenden mikroelektromechanischen Vorrichtung aus dem Stand der Technik deutlich reduziert werden.A structure according to the invention of a microelectromechanical device into MEMS modules is particularly advantageous if the carrier substrate of the microelectromechanical device according to the invention consists essentially of a first material and the plurality of MEMS modules essentially consist of a second material, the first material having a first coefficient of thermal expansion α 1 and the second material has a different, second coefficient of thermal expansion α 2 . Typically, the first material, i.e. the material of the carrier substrate, comprises a ceramic, for example an Al 2 O 3 -based ceramic, or is a ceramic, for example an Al 2 O 3 -based one Ceramics. The second material, i.e. the material of the MEMS modules, typically comprises a semiconductor material, in particular silicon, for example monocrystalline and/or polycrystalline silicon, or is a semiconductor material, in particular silicon, for example monocrystalline and/or polycrystalline silicon. The invention can be used particularly advantageously when the first coefficient of thermal expansion α 1 and the second coefficient of thermal expansion α 2 have larger differences, for example when they have a ratio of α 1 /α 2 ≥ 1.5 to one another. As part of the production process of a microelectromechanical device such as a micromirror array, significantly higher temperatures typically occur, for example due to soldering or sintering, than in a resting state or an operating state of the device. If such devices are made from different materials that have different coefficients of thermal expansion (such as ceramic and silicon), mechanical stresses induced by the different coefficients of thermal expansion, also referred to as thermal stresses, may occur. Such thermal stresses are frozen during assembly (i.e. soldering or sintering) and reduced over the life of the device. This can cause deformation and/or damage to the structure of the device, which severely impairs its functionality. For example, in the case of a micromirror array, the positions of the individual mirrors can be changed unintentionally. By structuring the microelectromechanical components of a microelectromechanical device into spatially smaller MEMS modules made of a second material, which are applied to a carrier substrate made of a first material, these thermal stresses, which arise from the different materials used, can be compared to a corresponding microelectromechanical device from the prior art can be significantly reduced.
Um eine besonders hohe Abdeckung der verfügbaren Fläche durch die mikroelektromechanischen Bauelemente zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die mehreren MEMS-Module eine im Wesentlichen rechteckige, vorzugsweise quadratische Grundfläche aufweisen und in einem rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Raster angeordnet sind. Alternativ ist es auch vorteilhaft, wenn die MEMS-Module eine im Wesentlichen sechseckige Grundfläche aufweisen und in einem sechseckigen Raster angeordnet sind. Eine im Wesentlichen rechteckige beziehungsweise sechseckige Grundfläche bedeutet hier, dass geringfügige Abweichungen von einer strickten rechteckigen beziehungsweise sechseckigen Grundfläche denkbar sind, beispielsweise durch abgerundete Ecken und/oder Ein- oder Ausbuchtungen oder sonstige Unregelmäßigkeiten. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn jedes MEMS-Modul nur einen möglichst geringen Abstand zu seinen benachbarten MEMS-Modulen aufweist. Beispielsweise kann jedes der mehreren MEMS-Module einen Abstand von ≤ 50 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm, besonders vorzugsweise ≤ 5 µm zu zumindest einem benachbarten MEMS-Modul und vorzugsweise zu allen benachbarten MEMS-Modulen aufweisen. Ein benachbartes MEMS-Modul eines in einem Raster angeordneten MEMS-Moduls ist hierbei ein ebenfalls in dem Raster angeordnetes MEMS-Modul, das direkt an das MEMS-Modul angrenzt, in dem Sinne, dass sich zwischen dem MEMS-Modul und dem benachbarten MEMS-Modul kein weiteres MEMS-Modul in dem Raster befindet. Bei in einem rechteckigen Raster angeordnete MEMS-Module sind auch diagonal zueinander liegende MEMS-Module als zueinander benachbarte MEMS-Module zu verstehen. Eine Grundfläche eines MEMS-Moduls wird typischerweise durch das Trägersubstrat des MEMS-Moduls definiert.In order to obtain a particularly high coverage of the available area by the microelectromechanical components, it is advantageous if the plurality of MEMS modules have a substantially rectangular, preferably square base area and are arranged in a rectangular, preferably square grid. Alternatively, it is also advantageous if the MEMS modules have a substantially hexagonal base area and are arranged in a hexagonal grid. A substantially rectangular or hexagonal base area here means that minor deviations from a strictly rectangular or hexagonal base area are conceivable, for example due to rounded corners and/or indentations or bulges or other irregularities. It is particularly advantageous here if each MEMS module has only the smallest possible distance from its neighboring MEMS modules. For example, each of the plurality of MEMS modules can have a distance of ≤ 50 µm, preferably ≤ 10 µm, particularly preferably ≤ 5 µm to at least one neighboring MEMS module and preferably to all neighboring MEMS modules. An adjacent MEMS module of a MEMS module arranged in a grid is here a MEMS module also arranged in the grid, which is directly adjacent to the MEMS module, in the sense that there is between the MEMS module and the neighboring MEMS module. Module there is no other MEMS module in the grid. In the case of MEMS modules arranged in a rectangular grid, MEMS modules lying diagonally to one another are also to be understood as MEMS modules adjacent to one another. A footprint of a MEMS module is typically defined by the carrier substrate of the MEMS module.
Entsprechend ist es ebenfalls besonders vorteilhaft, wenn jedes der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente von jedem der mehreren MEMS-Module eine im Wesentlichen rechteckige, vorzugsweise quadratische oder eine im Wesentlichen sechseckige Grundfläche besitzt. Eine im Wesentlichen rechteckige beziehungsweise sechseckige Grundfläche meint, dass geringfügige Abweichungen von einer rechteckigen beziehungsweise sechseckigen Grundfläche denkbar sind, beispielsweise durch Ein- und/oder Ausbuchtungen an Ecken und/oder Kanten der Grundfläche wie abgerundete und/oder abgeschrägte Ecken der Grundfläche.Accordingly, it is also particularly advantageous if each of the several microelectromechanical components of each of the several MEMS modules has a substantially rectangular, preferably square or a substantially hexagonal base area. A substantially rectangular or hexagonal base area means that minor deviations from a rectangular or hexagonal base area are conceivable, for example through indentations and/or bulges at corners and/or edges of the base area such as rounded and/or beveled corners of the base area.
Um die MEMS-Module während des Produktionsprozesses auf der Substratoberfläche mittels einer geeigneten Vorrichtung platzieren, also greifen, bewegen und/oder positionieren zu können (Handhabungsvorrichtung), müssen die MEMS-Module ergriffen werden können, ohne diese zu beschädigen und insbesondere ohne besonders empfindliche Bereiche wie Reflexionsflächen zu berühren. Hierzu können die MEMS-Module jeweils mindestens einen, beispielsweise zwei, vorzugsweise mindestens drei, besonders bevorzugt vier oder mehr nicht durch die mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente des MEMS-Moduls abgedeckte Handhabungsbereiche umfassen. Hierbei ist ein Handhabungsbereich ein Bereich eines MEMS-Moduls, der dazu geeignet ist, von einer Handhabungsvorrichtung verwendet zu werden, um das MEMS-Modul greifen, bewegen und/oder positionieren zu können, ohne dabei das MEMS-Modul zu beschädigen. Alternativ oder zusätzlich zu Handhabungsbereichen kann ein MEMS-Modul mit einem Rahmen versehen sein, an dem eine geeignete Handhabungsvorrichtung (beispielsweise mittels Unterdruck) das MEMS-Modul ergreifen und anschließend bewegen und/oder positionieren kann. Ein MEMS-Modul kann weiterhin auch mit einem das MEMS-Modul zumindest teilweise umschließenden Rahmen versehen sein, der bei einer Erzeugung eines Unterdrucks im Bereich des Rahmens im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Unterdruck erzeugenden Handhabungsvorrichtung verwendet wird. Ein solcher Rahmen kann alternativ oder zusätzlich auch dazu dienen, das Eindringen von Schmutz in das MEMS-Modul zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Beispielsweise könnte ein solcher Rahmen die mikroelektromechanischen Bauelemente eines MEMS-Modul ohne die Handhabungsbereiche umschließen. Ein solcher Rahmen kann weiterhin dünner ausgeprägt sein als ein Rahmen, der ausgelegt ist, dass über diesen das MEMS-Moduls ergriffen werden kann.In order to be able to place, i.e. grip, move and/or position, the MEMS modules on the substrate surface during the production process using a suitable device (handling device), it must be possible to grip the MEMS modules without damaging them and in particular without particularly sensitive areas like touching reflective surfaces. For this purpose, the MEMS modules can each include at least one, for example two, preferably at least three, particularly preferably four or more handling areas that are not covered by the plurality of microelectromechanical components of the MEMS module. Here, a handling area is an area of a MEMS module that is suitable for being used by a handling device in order to be able to grip, move and/or position the MEMS module without damaging the MEMS module. Alternatively or in addition to handling areas, a MEMS module can be provided with a frame in which a suitable handling device (for example using negative pressure) can grasp the MEMS module and then move and/or position it. A MEMS module can also be provided with a frame that at least partially encloses the MEMS module, which is used when generating a negative pressure in the area of the frame in conjunction with a corresponding handling device that generates negative pressure. Alternatively or additionally, such a frame can also serve to avoid or at least reduce the penetration of dirt into the MEMS module. For example, such a frame could enclose the microelectromechanical components of a MEMS module without the handling areas. Such a frame can also be thinner than a frame that is designed so that the MEMS module can be gripped over it.
Jeder der mindestens einen Handhabungsbereiche eines MEMS-Moduls kann beispielsweise durch eine abgeschrägte oder ausgekehlte (mit einer Auskehlung versehende) seitliche Kante eines der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente des MEMS-Moduls gebildet werden. Unter einer Auskehlung ist im Rahmen dieser Erfindung eine Aussparung entlang einer Kante zu verstehen. Eine Auskehlung kann eine beliebige Form haben, also beispielsweise rund oder rechteckig sein. Unter einer seitlichen Kante eines MEMS-Moduls ist im Rahmen dieser Erfindung eine vertikal verlaufende Kante des MEMS-Moduls zu verstehen. Eine seitliche Kante entspricht einer Ecke einer Grundfläche des MEMS-Moduls. Auch seitliche Aussparungen (Aussparungen einer Seitenfläche) beliebiger Form (beispielsweise halbkreisförmig oder rechteckig) eines mikroelektromechanischen Bauelements können als Handhabungsbereiche dienen, wobei solche Aussparungen in einer Seitenfläche vorzugsweise mittig innerhalb der Seitenfläche angeordnet sind. Handhabungsbereiche können auf Grund ihrer bekannten Positionen innerhalb eines MEMS-Moduls auch dazu verwendet werden, das MEMS-Modul in eine definierte Position in Relation zum Substrat und insbesondere auch in Relation zu einem benachbarten MEMS-Modul zu bringen.Each of the at least one handling areas of a MEMS module can be formed, for example, by a beveled or grooved (providing a groove) lateral edge of one of the plurality of microelectromechanical components of the MEMS module. In the context of this invention, a groove is to be understood as a recess along an edge. A groove can have any shape, for example round or rectangular. In the context of this invention, a lateral edge of a MEMS module is to be understood as meaning a vertically extending edge of the MEMS module. A side edge corresponds to a corner of a base area of the MEMS module. Lateral recesses (recesses in a side surface) of any shape (for example semicircular or rectangular) of a microelectromechanical component can also serve as handling areas, with such recesses in a side surface preferably being arranged centrally within the side surface. Due to their known positions within a MEMS module, handling areas can also be used to bring the MEMS module into a defined position in relation to the substrate and in particular also in relation to an adjacent MEMS module.
Gemäß einer weiteren präferierten Ausführungsform umfasst die mikroelektromechanische Vorrichtung mehrere flexible Elemente zum Reduzieren von mechanischen Spannungen zwischen den mehreren MEMS-Modulen, wobei jedes der mehreren flexiblen Elemente Teil eines MEMS-Moduls der mehreren MEMS-Module ist und an und/oder in einer Seitenfläche dieses MEMS-Moduls angeordnet ist. Solche flexiblen Elemente sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die MEMS-Module während des Produktionsprozesses mit keinem oder nur geringem Abstand zueinander positioniert werden, um eine möglichst hohen Anteil an durch die MEMS-Module belegter Fläche des Trägersubstrats, also einen hohen Füllfaktor, zu erreichen. Sollten im Rahmen des Produktionsprozesses oder später auf Grund dieses geringen Abstands der MEMS-Module mechanische Spannungen zwischen diesen auftreten, so wird diesen durch die flexiblen Elemente entgegengewirkt. Ein flexibles Element zum Reduzieren von mechanischen Spannungen zwischen zumindest zwei der mehreren MEMS-Modulen entspricht folglich einer Feder, die mit ihrer Rückstellkraft den mechanischen Spannungen entgegenwirkt. Mechanische Spannungen können insbesondere in Form von thermischen Spannungen auftreten, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien bedingt sind: Falls das erste Material, aus dem das Trägersubstrat im Wesentlichen besteht (typischerweise eine Keramik, wie beispielsweise eine Al2O3-Keramik) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das zweite Material, aus dem die MEMS-Module im Wesentlichen bestehen (typischerweise ein Halbleitermaterial wie Silizium), ziehen sich sowohl das Trägersubstrat als auch die MEMS-Module bei einem Abkühlen zusammen, beispielsweise nach einem bei höheren Temperaturen stattfinden Schritt innerhalb des Herstellungsverfahrens wie beispielsweise einem Bonden. Dieses Zusammenziehen geschieht allerdings auf Grund des geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials für die MEMS-Module in geringerem Maße als für das Trägersubstrat. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass zwei benachbarte MEMS-Module gegeneinandergedrückt werden, falls diese in keinem oder nur geringem Abstand zueinander angeordnet worden sind. Es wird also eine thermische Spannung zwischen den MEMS-Modulen aufgebaut, die zur Schädigung der mikroelektromechanischen Vorrichtung führen kann. Einer solchen thermischen Spannung kann durch ein flexibles Element entgegengewirkt werden. Insgesamt kann so die mechanische Stabilität bei einem gleichzeitig hohen Füllfaktor gewährleistet werden.According to a further preferred embodiment, the microelectromechanical device comprises a plurality of flexible elements for reducing mechanical stresses between the plurality of MEMS modules, each of the plurality of flexible elements being part of a MEMS module of the plurality of MEMS modules and on and/or in a side surface thereof MEMS module is arranged. Such flexible elements are particularly advantageous if the MEMS modules are positioned with no or only a small distance from one another during the production process in order to achieve the highest possible proportion of the area of the carrier substrate occupied by the MEMS modules, i.e. a high fill factor. If mechanical tensions arise between the MEMS modules during the production process or later due to this small distance between them, these will be counteracted by the flexible elements. A flexible element for reducing mechanical stresses between at least two of the several MEMS modules therefore corresponds to a spring that counteracts the mechanical stresses with its restoring force. Mechanical stresses can occur in particular in the form of thermal stresses, which are caused by different thermal expansion coefficients of the materials used: If the first material from which the carrier substrate essentially consists (typically a ceramic, such as an Al 2 O 3 ceramic) is a has a larger coefficient of thermal expansion than the second material from which the MEMS modules essentially consist (typically a semiconductor material such as silicon), both the carrier substrate and the MEMS modules contract upon cooling, for example after a step within which takes place at higher temperatures the manufacturing process such as bonding. However, due to the lower coefficient of thermal expansion of the second material, this contraction occurs to a lesser extent for the MEMS modules than for the carrier substrate. As a result, there is a risk that two adjacent MEMS modules will be pressed against each other if they have been arranged at no or only a small distance from one another. A thermal tension is therefore built up between the MEMS modules, which can lead to damage to the microelectromechanical device. Such thermal stress can be counteracted by a flexible element. Overall, mechanical stability can be guaranteed with a high filling factor at the same time.
Eine besonders vorteilhafte Ausprägung eines flexiblen Elements ist dadurch gegeben, dass jedes der mehreren flexiblen Elemente in einer Seitenfläche eines MEMS-Moduls angeordnet ist und einen Steg umfasst, wobei der Steg ein Teil der Seitenfläche des MEMS-Moduls ist und durch eine Ausnehmung des MEMS-Moduls gebildet ist und vorzugsweise eine außenliegende Auswölbung aufweist, die der Herstellung eines Kontaktpunktes zu einem benachbarten MEMS-Modul dienen kann. Insbesondere kann ein solches flexibles Element durch eine Ausnehmung in einer Grundplatte eines MEMS-Moduls realisiert sein. Durch einen schichtweisen Aufbau einer solchen Grundplatte während des Produktionsprozesses können solche flexiblen Elemente einfach realisiert werden.A particularly advantageous embodiment of a flexible element is given by the fact that each of the several flexible elements is arranged in a side surface of a MEMS module and comprises a web, the web being part of the side surface of the MEMS module and through a recess in the MEMS module. Module is formed and preferably has an external bulge, which can serve to produce a contact point to an adjacent MEMS module. In particular, such a flexible element can be realized by a recess in a base plate of a MEMS module. By building up such a base plate in layers During the production process, such flexible elements can be easily implemented.
Bevorzugt weisen die mehreren MEMS-Module jeweils ein oder mehrere der mehreren flexiblen Elemente auf, wobei die mehreren MEMS-Module so angeordnet sind, dass die ein oder mehreren flexiblen Elemente jedes der mehreren MEMS-Module jeweils benachbart zu einem anderen MEMS-Modul der mehreren MEMS-Module angeordnet sind. Ein flexibles Element eines MEMS-Moduls ist benachbart angeordnet zu einem anderen MEMS-Modul, wenn das andere MEMS-Modul benachbart zu dem MEMS-Modul des flexiblen Elements angeordnet ist und das flexible Element zu dem benachbarten MEMS-Modul hin orientiert ist.Preferably, the plurality of MEMS modules each have one or more of the plurality of flexible elements, wherein the plurality of MEMS modules are arranged such that the one or more flexible elements of each of the plurality of MEMS modules are each adjacent to another MEMS module of the plurality MEMS modules are arranged. A flexible element of a MEMS module is arranged adjacent to another MEMS module when the other MEMS module is arranged adjacent to the MEMS module of the flexible element and the flexible element is oriented towards the adjacent MEMS module.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass ein erstes MEMS-Modul der mehreren MEMS-Module eine erste Grundplatte mit zumindest einem ersten flexiblen Element der mehreren flexiblen Elemente umfasst und ein zweites MEMS-Modul der mehreren MEMS-Module eine zweite Grundplatte mit mindestens einem zweiten flexiblen Element der mehreren flexiblen Elemente umfasst, wobei das erste MEMS-Modul und das zweite MEMS-Modul so zueinander angeordnet sind, dass das zumindest eine erste flexible Element benachbart zu der zweiten Grundplatte und das zumindest zweite flexible Element benachbart zu der ersten Grundplatte angeordnet ist. Hierbei ist ein flexibles Element eines MEMS-Moduls benachbart angeordnet zu einer Grundplatte eines anderen MEMS-Moduls, wenn das andere MEMS-Modul benachbart zu dem MEMS-Modul des flexiblen Elements angeordnet ist, das flexible Element zu dem benachbarten MEMS-Modul hin orientiert ist und sich das flexible Element in einer Höhe mit der Grundplatte des anderen MEMS-Moduls befindet. Vorzugsweise sind das erste und das zweite flexible Element hierbei versetzt zueinander angeordnet. Hierbei ist es vorstellbar, dass die flexiblen Elemente zueinander horizontal und/oder vertikal zueinander versetzt sind, also sich nicht direkt spiegelsymmetrisch gegenüberliegen. Vorzugsweise umfassen die flexiblen Elemente jeweils Auswölbungen, die zur Herstellung eines Kontaktpunktes oder einer Kontaktfläche bei Annäherung eines MEMS-Moduls an ein benachbartes MEMS-Modul, beispielsweise hervorgerufen durch eine Temperaturänderung, dienen. Die flexiblen Elemente können so dimensioniert und positioniert sind, dass bei einer solchen Annäherung die Auswölbung eines flexiblen Elements eines MEMS-Moduls auf einen statischen Bereich des benachbarten MEMS-Moduls treffen. Ein statischer Bereich ist hierbei ein Bereich eines MEMS-Moduls, vorzugsweise seiner Grundplatte, der kein Teil eines flexiblen Elements des MEMS-Moduls ist. Eine solche Ausgestaltung und Positionierung von flexiblen Elementen ermöglicht es, auf Grund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von MEMS-Modulen und Trägersubstrat auftretenden thermischen Spannungen besonders effizient entgegenzuwirken ohne die strukturelle Integrität der mikroelektromechanischen Elemente der MEMS-Module zu gefährden.A particularly preferred embodiment of the invention is given in that a first MEMS module of the plurality of MEMS modules comprises a first base plate with at least a first flexible element of the plurality of flexible elements and a second MEMS module of the plurality of MEMS modules includes a second base plate at least one second flexible element of the plurality of flexible elements, wherein the first MEMS module and the second MEMS module are arranged relative to one another such that the at least one first flexible element is adjacent to the second base plate and the at least second flexible element is adjacent to the first Base plate is arranged. Here, a flexible element of a MEMS module is arranged adjacent to a base plate of another MEMS module, if the other MEMS module is arranged adjacent to the MEMS module of the flexible element, the flexible element is oriented towards the adjacent MEMS module and the flexible element is at the same height as the base plate of the other MEMS module. Preferably, the first and second flexible elements are arranged offset from one another. It is conceivable here that the flexible elements are offset from one another horizontally and/or vertically from one another, i.e. not directly opposite one another in mirror symmetry. Preferably, the flexible elements each comprise bulges which serve to produce a contact point or a contact surface when a MEMS module approaches an adjacent MEMS module, for example caused by a temperature change. The flexible elements can be dimensioned and positioned such that, with such an approach, the bulge of a flexible element of a MEMS module meets a static area of the adjacent MEMS module. A static area is an area of a MEMS module, preferably its base plate, which is not part of a flexible element of the MEMS module. Such a design and positioning of flexible elements makes it possible to particularly efficiently counteract thermal stresses that occur due to different expansion coefficients of the materials of MEMS modules and the carrier substrate without endangering the structural integrity of the microelectromechanical elements of the MEMS modules.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Beleuchtungsoptik für eine mikroelektromechanische Vorrichtung zur Führung von Beleuchtungsstrahlung zu einem Objektfeld vorgeschlagen, die mindestens eine erfindungsgemäße mikroelektromechanische Vorrichtung umfasst, wobei jedes der mehreren mikroelektromechanischen Bauelemente ein Spiegelelement mit einer Reflexionsfläche und eine Verlagerungseinrichtung zum Verlagern des Spiegelelements des jeweiligen mikroelektromechanisches Bauelements umfasst, wobei das eine oder die mehreren ASICs zum Ansteuern der Verlagerungseinrichtungen ausgebildet sind. Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik setzt also eine erfindungsgemäße mikroelektromechanische Vorrichtung als Mikrospiegel-Array ein. Sie kann insbesondere auch mehrere solcher erfindungsgemäßer Mikrospiegel-Arrays umfassen, beispielsweise, um mit einer Anordnung dieser Vielzahl von Mikrospiegel-Arrays einen größeren Gesamt-Mikrospiegel-Array umzusetzen mit dem es ermöglicht wird, einfallende Lichtstrahlen mit einem größeren Strahldurchmesser umzulenken.According to a second aspect of the invention, an illumination optics for a microelectromechanical device for guiding illumination radiation to an object field is proposed, which comprises at least one microelectromechanical device according to the invention, each of the plurality of microelectromechanical components having a mirror element with a reflection surface and a displacement device for displacing the mirror element of the respective one microelectromechanical component, wherein the one or more ASICs are designed to control the displacement devices. An illumination optics according to the invention therefore uses a microelectromechanical device according to the invention as a micromirror array. In particular, it can also include several such micromirror arrays according to the invention, for example in order to implement a larger overall micromirror array with an arrangement of this large number of micromirror arrays, which makes it possible to redirect incident light beams with a larger beam diameter.
Es wird gemäß einem dritten Aspekt auch ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik und eine Strahlungsquelle, insbesondere eine EUV-Strahlungsquelle, umfasst.According to a third aspect, an illumination system for a projection exposure system is also proposed, which comprises illumination optics according to the invention and a radiation source, in particular an EUV radiation source.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik und eine Projektionsoptik zur Projizierung eines in einem Objektfeld angeordneten Retikels in ein Bildfeld umfasst.According to a fourth aspect, a projection exposure system for microlithography is proposed, which comprises illumination optics according to the invention and projection optics for projecting a reticle arranged in an object field into an image field.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik, ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem und eine erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage können Teil einer EUV-Lithographie-Anlage sein. Für solche sind verstellbare optische Pfade bis zu einer Fotomaske (auch als Retikel bezeichnet) vorteilhaft, die durch ein Mikrospiegel-Array als erfindungsgemäße mikroelektromechanische Vorrichtung im optischen Pfad verwirklicht werden kann. Die Reflexionsflächen der Spiegelelemente können mit einer Bragg-Beschichtung versehen sein, die die Zentralwellenlängen des zur Belichtung eingesetzten Lichts besonders gut reflektiert.An illumination optics according to the invention, an illumination system according to the invention and a projection exposure system according to the invention can be part of an EUV lithography system. For such purposes, adjustable optical paths up to a photomask (also referred to as a reticle) are advantageous, which can be implemented in the optical path by a micromirror array as a microelectromechanical device according to the invention. The reflection surfaces of the mirror elements can be provided with a Bragg coating, which reflects the central wavelengths of the light used for exposure particularly well.
Für weitere Details bezüglich des allgemeinen Aufbaus einer entsprechenden Projektionsbelichtungsanlage und einer zugehörigen Beleuchtungsoptik und eines zugehörigen Beleuchtungssystems sei auf die
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung, vorzugsweise gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, umfassend ein Trägersubstrat und mehrere MEMS-Module vorgesehen. Jedes der MEMS-Module umfasst eine ASIC-Schicht mit einem oder mehreren ASICs (und optional auch anderen Elementen wie einem oder mehreren Interposern) und einer ASIC-Schicht-Vorderseite und einer ASIC-Schicht-Rückseite, eine Grundplatte mit einer Grundplattenvorderseite und einer Grundplattenrückseite und mehrere mikroelektromechanische Bauelemente umfasst, wobei die Grundplatte auf der ASIC-Schicht-Vorderseite angeordnet und die Grundplattenrückseite mit der ASIC-Schicht-Vorderseite verbunden ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Bereitstellen eines MEMS-Substrats mit Strukturen für die mikroelektromechanischen Bauelemente und die Grundplatten der mehreren MEMS-Module. Ein solches Substrat liegt typischerweise in der Form eines Wafers vor (MEMS-Wafer) und kann beispielsweise mittels eines Verfahrens wie in der
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung bietet einen Ansatz für mikroelektromechanische Vorrichtungen wie beispielsweise Mikrospiegel-Arrays, die eine Mehrzahl von mikroelektromechanischen Bauelemente umfassen, die auf demselben Trägersubstrat angeordnet sind, wenn sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats von dem der mikroelektromechanischen Bauteile unterscheiden. Durch den erfindungsgemäßen Ansatz wird schädlichen thermischen Spannungen auf Grund dieses Unterschieds entgegengewirkt. Gleichzeitig kann durch die verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungen ein hoher Füllfaktor durch die mikroelektromechanischen Elemente sichergestellt werden.The invention offers an approach for microelectromechanical devices such as micromirror arrays that include a plurality of microelectromechanical components arranged on the same carrier substrate when the thermal expansion coefficients of the carrier substrate differ from that of the microelectromechanical components. The approach according to the invention counteracts harmful thermal stresses due to this difference. At the same time, the various embodiments according to the invention can ensure a high filling factor through the microelectromechanical elements.
Durch die erfindungsgemäße Gliederung der mikroelektromechanischen Bauelemente in einzelne kleinere Einheiten (MEMS-Module) können insbesondere beim Produktionsprozess eingefrorene thermische Spannungen reduziert werden. Gleichzeitig kann durch Einsatz von Handlungsbereichen und flexiblen Elementen zwischen den mikroelektromechanischen Bauelementen trotz dieser Trennung eine hohe Füllfaktor durch die MEMS-Module und damit auch der mikroelektromechanischen Bauelemente erreicht werden. Somit bietet sich eine erfindungsgemäße mikroelektromechanische Vorrichtung insbesondere für Anwendungen an, bei denen aus auf eine hohe Präzision bei gleichzeitig einem hohen Füllfaktor ankommt, beispielsweise bei speziellen Optiken wie für die EUV-Lithographie.By structuring the microelectromechanical components according to the invention into individual smaller units (MEMS modules), thermal stresses that are frozen in particular during the production process can be reduced. At the same time, by using action areas and flexible elements between the microelectromechanical components, a high fill factor can be achieved by the MEMS modules and thus also the microelectromechanical components despite this separation. A microelectromechanical device according to the invention is therefore particularly suitable for applications in which high precision and a high fill factor are important, for example in special optics such as for EUV lithography.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Teils einer beispielhaften erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung in einer Seitenansicht; -
2A eine schematische Darstellung eines Teils einer zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung mit Handhabungsbereichen in einer Draufsicht; -
2B eine schematische Darstellung eines Teils einer Variante der zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung mit anderen Handhabungsbereichen in einer Draufsicht; -
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer dritten beispielhaften erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung mit flexiblen Elementen in einer Seitenansicht und einer Draufsicht; und -
4 in schematischer Form als Flussdiagramm ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung.
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1 a schematic representation of a part of an exemplary microelectromechanical device according to the invention in a side view; -
2A a schematic representation of a part of a second exemplary microelectromechanical device according to the invention with handling areas in a top view; -
2 B a schematic representation of a part of a variant of the second exemplary microelectromechanical device according to the invention with other handling areas in a top view; -
3 a schematic representation of a part of a third exemplary microelectromechanical device according to the invention with flexible elements in a side view and a top view; and -
4 in schematic form as a flow chart a method according to the invention for producing a microelectromechanical device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Der Übersichtlichkeit halber sind bei einer Vielzahl von gleichen oder ähnlichen Elementen nur eine rein beispielhafte Auswahl dieser Elemente mit Bezugszeichen versehen, wenn sich die Gleichheit beziehungsweise Ähnlichkeit dieser Elemente aus den Figuren und/oder der Figurenbeschreibung erschließt. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are referred to with the same reference numerals, with a repeated description of these elements being omitted in individual cases. For the sake of clarity, if there are a large number of identical or similar elements, only a purely exemplary selection of these elements is provided with reference symbols if the equality or similarity of these elements is apparent from the figures and/or the description of the figures. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Innerhalb eines MEMS-Moduls 120 sind die mikroelektromechanischen Bauelemente 130 auf der Vorderseite 160a einer Grundplatte 160 angeordnet. Hierbei ist diese Grundplattenvorderseite 160a mit den Rückseiten 130b der mikroelektromechanischen Bauelementen 130 verbunden. In dem dargestellten Beispiel sind zwei Grundplatten 160 sichtbar, auf denen sich die jeweils vier dargestellten mikroelektromechanischen Bauelemente 130 befinden. Die mikroelektromechanischen Bauelemente 130 sind über elektrische Kontakte 144 mit den ASICs der jeweiligen ASIC-Schicht 140 verbunden. Die ASICs der ASIC-Schichten 140 wiederum können über elektrische Kontakte 146 mit weiterer Elektronik (nicht dargestellt) verbunden sein, die beispielsweise auf dem Trägersubstrat 100 angeordnet sein kann. Auch können beispielsweise Silizium-Durchkontaktierungen (TSV, through-silicon via) 142 in den ASIC-Schichten 140 existieren, die beispielsweise zur Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen einer solchen weiteren Elektronik auf dem Trägersubstrat 100 und den mikroelektromechanischen Bauelementen 130 dienen können. Solche Durchkontaktierungen 142 können beispielsweise mittels Interposer, die ebenfalls Teil der ASIC-Schichten 140 sein können, oder mittels der Dies der ASICs umgesetzt sein.Within a MEMS module 120, the
Die dargestellten MEMS-Module 120 verfügen jeweils über flexible Elemente 150. Das flexible Element 150a des linken MEMS-Modul 120a ist hierbei benachbart zu dem rechten MEMS-Modul 120b angeordnet, also zu diesem hin orientiert ist. Das flexible Element 150b des rechten MEMS-Moduls 120b ist dem ersten MEMS-Modul 120a abgewandt orientiert. Hierbei sind die flexiblen Elemente 150 als Teil eines Bereichs der Grundplatten 160 umgesetzt. Genauer erstrecken sich die gezeigten flexiblen Elemente 150 jeweils über einen Teil der Seitenfläche der Grundplatten 160 der MEMS-Module 120, die oberen Bereiche 165 der Grundplatten 160 werden nicht für die flexiblen Elemente 150 verwendet.The MEMS modules 120 shown each have flexible elements 150. The flexible element 150a of the left MEMS module 120a is arranged adjacent to the right MEMS module 120b, i.e. is oriented towards it. The flexible element 150b of the right MEMS module 120b is oriented away from the first MEMS module 120a. Here, the flexible elements 150 are implemented as part of an area of the base plates 160. More specifically, the flexible elements 150 shown each extend over part of the side surface of the base plates 160 of the MEMS modules 120; the upper regions 165 of the base plates 160 are not used for the flexible elements 150.
Weiterhin sind in der
In der dargestellten mikroelektromechanischen Vorrichtung 310 sind die flexiblen Elemente 350 durch Ausnehmungen 354 in der Grundplatte 360 realisiert und bestehen aus einem Steg mit einer außenliegenden vertikal verlaufenden Auswölbung 352, wobei der Steg Teil einer Seitenfläche der Grundplatte 360 des entsprechenden MEMS-Moduls 320 ist. Die MEMS-Module 320 bestehen jeweils aus 16 mikroelektromechanischen Bauelementen 330, wobei die Lage der darunterliegenden Ausnehmungen 354 in der oberen Teilfigur A zur Veranschaulichung als gestrichelte Linien gekennzeichnet ist. Wie in Teilfigur B gezeigt erstrecken sich die flexiblen Elemente 350 nicht über die volle Höhe der Seitenfläche der jeweiligen Grundplatte 360, stattdessen wird die Seitenfläche eines bestimmten Bereichs 365 der Grundplatte 360 nicht durch flexible Elemente 350 eingenommen um eine stabile Anordnung aller mikroelektromechanischen Bauelemente 330 auf der Oberseite 360a der Grundplatte 360 zu ermöglichen. In der Teilfigur B ist die Ausdehnung der flexiblen Elemente 350 ebenfalls durch gestrichelte Linien 356 kenntlich gemacht. Um eine ausreichende Beweglichkeit der flexiblen Elemente 350 sicherzustellen, können die flexiblen Elemente 350 wie dargestellt zumindest teilweise von dem Bereich 365 beabstandet sein (Aussparungen 358).In the
Die flexiblen Elemente 350 des dargestellten linken MEMS-Modul 320a und des benachbarten rechten MEMS-Modul 230b sind so in den jeweiligen Grundplatten 360 der zwei MEMS Module 320 angeordnet, dass sie versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei sind die flexiblen Elemente der rechten Seitenfläche des linken MEMS-Moduls 320a und die flexiblen Elemente der linken Seitenfläche des rechten MEMS-Moduls 320b so dimensioniert und positioniert, dass bei Annäherung des linken MEMS-Moduls 320a an das rechte MEMS-Modul 320b, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturänderung erfolgen kann, die Auswölbungen 352a der flexiblen Elemente der rechten Seitenfläche des linken MEMS-Moduls 320a auf statische Bereiche des rechten MEMS-Moduls 320b treffen. Andersherum treffen die Auswölbungen 352b der flexiblen Elemente der linken Seitenfläche des rechten MEMS-Moduls 320b auf statische Bereiche des linken MEMS-Moduls 230a. Hierbei ist mit einem statischen Bereich ein Teil der Grundplatte 360 gemeint, der nicht Teil eines flexiblen Elements ist. Durch die gezeigte Anordnung der flexiblen Elemente 352a, 352b wird thermischen Spannungen auf Grund unterschiedlicher Materialien von MEMS-Modulen 320a, 320b und Trägersubstrat entgegengewirkt, ohne die mikroelektromechanischen Bauelemente 330 zu gefährden.The
Vorzugsweise erfolgt dieses Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 110, 210, 310, deren MEMS-Module 120, 220, 320 Handhabungsbereiche 180, 280 zum Platzieren der MEMS-Module 120, 220, 320 auf einer Substratoberfläche 100a des Trägersubstrats 100 umfassen. Dies ermöglicht ein einfaches Platzieren der MEMS-Module 120, 220, 320 auf der Substratoberfläche 100a ohne den Füllfaktor bezüglich der MEMS-Module 120, 220, 320 gravierend einschränken zu müssen. Ebenfalls vorzugsweise erfolgt vor dem Herstellen des gekoppelten Substrats ein Testen 415 der mikroelektromechanischen Strukturen des MEMS-Substrats und/oder ein Testen 425 der ASIC-Strukturen des ASIC-Substrats um die Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit auch ein Testen 445 der MEMS-Module 120, 220, 320 nach dem Herstellen des gekoppelten Substrats und/oder ein Testen 475 der gesamten fertiggestellten mikroelektromechanischen Vorrichtung 110, 210, 310 nach dem stoffschlüssigen Verbinden der ASIC-Schicht-Rückseiten 140b der mehreren MEMS-Module 120, 220, 320 mit der Substratoberfläche 100a erfolgen.This method is preferably carried out to produce a
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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