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Die Erfindung betrifft einen optischen
Modulator zum Modulieren der Intensität und/oder Phase von einfallendem
Licht mittels konstruktiver oder destruktiver Interferenz mit einer
auf einem Substrat aufgebrachten Basisschicht und wenigstens einer darauf
angebrachten Membranschicht, wobei zwischen der Basisschicht und
der wenigstens einen Membranschicht in einem Teilbereich ein Hohlraum gebildet
ist, und mit Mitteln zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen
der Membranschicht und dem Substrat zur Veränderung des Abstandes in dem
durch den Hohlraum gebildeten Teilbereich zwischen der Basisschicht
und der wenigstens einen Membranschicht. Die Erfindung betrifft
ferner die Verwendung eines solchen optischen Modulators sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Modulators, wie
es im Oberbegriff des Anspruchs 19 angegeben ist.
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Interferenz von Licht, das an den
Grenzflächen
von Ein- oder Mehrfachschichten reflektiert wird, erlaubt beispielsweise
die Herstellung von dielelektrischen Multilayer-Spiegeln, bei denen
konstruktive Interferenz ausgenutzt wird, oder von Antireflexbeschichtungen,
bei denen destruktive Interferenz ausgenutzt wird. Diese beiden Beschichtungen
haben jeweils eine gegenteilige Wirkung auf das auftreffende Licht.
Ein Schichtstapel, der durch mechanische Deformation von einem Multilayer-Spiegel in eine Antireflexbeschichtung
umgewandelt werden kann, kann somit als optischer Schalter oder
optischer Modulator verwendet werden.
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Ein solcher optischer Modulator ist
aus der
US 5,986,796 bekannt.
Darin ist ein Gitter aus mehreren, auf verschiedene Frequenzen eingestellten „optischen" Modulatoren beschrieben.
Mittels einer Opferschichtätzung
ist dort ein Hohlraum zwischen zwei Schichten gebildet, die gemäß bevorzugten Ausgestaltungen
aus dielektrischem oder metallischem Material bestehen. Die einzelnen
Schichten der Modulatoren werden durch Sputtern und/oder Aufdampfen
gebildet. Dies führt
in der Praxis zu technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung,
ist kostenintensiv und kann auch Qualitätsverluste mit sich bringen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
demnach die Aufgabe zugrunde, einen einfacher herzustellenden und
eine höhere
Qualität
aufweisenden optischen Modulator anzugeben. Des weiteren liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Herstellungsverfahren für einen
solchen optischen Modulator anzugeben.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Basisschicht und die wenigstens eine Membranschicht aus
Siliziumnitrid, insbesondere LPCVD-Siliziumnitrid, hergestellt sind. Die
Erfindung macht sich dabei zunutze, dass Siliziumnitrid im sichtbaren
Spektralbereich in sehr guter Näherung
den Brechungsindex aufweist, der zur Herstellung einer Antireflexbeschichtung
für Silizium
notwendig ist, wenn der optische Modulator auch im Reflexbetrieb
genutzt werden soll. Dieser Brechungsindex kann bei Bedarf durch
Vergrößerung des
Siliziumanteils im Membranmaterial erhöht, oder durch Zugabe von Siliziumdioxid
erniedrigt werden. Damit eignet sich ein solcher optischer Modulator
insbesondere für
den Betrieb in Reflexion bzw. Absorption (bei Veränderung
des Abstandes zwischen der Basisschicht und der wenigstens einen
Membranschicht). Der Absorptionskoeffizient von Siliziumnitrid ist
im sichtbaren Spektralbereich auch sehr klein, während die mechanische Stabilität sehr hoch
ist. Durch die Prozessparameter ist eine leichte Zugspannung einstellbar
(z.B. 200MPa), was für
eine gespannte, ebene Membran wichtig ist.
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Das bevorzugt eingesetzte LPCVD-Siliziumnitrid
(LPCVD = Low Pressure Chemica Vapour Deposition; chemisches Abscheidungsverfahren
aus der Gasphase unter niedrigem Druck) kann im Gegensatz zu beispielsweise
gesputterten oder aufgedampften Schichten im Batch-Prozess abgeschieden werden.
Außerdem
besitzt es eine gute Homogenität und
eine geringe Oberflächenrauhigkeit.
Durch nasschemisches Abdünnen
kann die Dicke der Membranen) nachträglich genau eingestellt werden.
Das nasschemische Abdünnen
ist ohne Aufrauen der Oberfläche
möglich.
LPCVD-Siliziumnitrid wird auch fast nicht von heißer konzentrierter
Kalilauge angegriffen, weshalb bei Verwendung von Polysilizium-Opferschichten
zur Herstellung des Hohlraums, wie es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen ist, die Membranen) und die Basisschicht auf einfache
Weise hergestellt werden. Siliziumnitrid ist thermisch auch sehr
stabil und im Gegensatz zu metallischen Spiegelflächen unempfindlich
gegen Oxidation beim Betrieb. Darüber hinaus wirken die Membranen)
und die Basisschicht auch gleichzeitig als Isolator zwischen den
beiden Mitteln zum Anlegen einer elektrischen Spannung, also beispielsweise
einer auf die äußerste Membranschicht
aufgebrachten Elektrode und dem als weitere Elektrode (Gegenelektrode)
dienenden Substrat oder einer separat vorgesehenen Gegenelektrode.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen
Modulators sind in den Ansprüchen
2 bis 15 angegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
sind in den Ansprüchen
19 bis 24 angegeben. Der erfindungsgemäße Modulator eignet sich insbesondere
zum Modulieren der Intensität und/oder
der Phase von Licht, zum Schalten von Licht und/oder zur Korrektur
von Wellenfronten von einfallendem Licht, wie es in Anspruch 17
angegeben ist. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung auch ein Display, insbesondere ein
Projektionsdisplay, mit einer Vielzahl von an Gitterpunkten eines
Gitter angeordneten optischen Modulatoren gemäß der Erfindung und mit einer
Steuereinheit zur Ansteuerung der Modulatoren, wie es in Anspruch
16 angegeben ist. Besonders bevorzugt ist auch die Anwendung des
erfindungsgemäßen optischen
Modulators als Speicherelement, da eine einmal angelegte Spannung
auch bei Abnahme der Spannung für
lange Zeit gehalten werden kann, also ein bestimmter Schaltzustand
beibehalten bleibt, ohne ständig
elektrische Energie zuzuführen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die dem Hohlraum zuweisende Fläche der
Basisschicht und/oder der wenigstens einen Membranschicht in den
Hohlraum hineinragende Abstandshalter aufweist. Diese können bei
der Herstellung des Hohlraumes, beispielsweise durch Strukturierung
der Opferschicht, mit hergestellt werden und dienen dazu, das Aufliegen
der mit den Abstandshaltern Schicht auf der anderen Schicht zu verhindern,
so dass eine Haftung der Schichten aneinander vermieden wird. Weiterhin bilden
diese Abstandshalter einen Anschlag für die ausgelenkte Membran,
um damit eine Verminderung der Exemplarstreuung (entspricht Schwankung
der Bauteiliegenschaften) und Drift bei räumlich und zeitlich (thermisch)
veränderlicher
Schichtspannung zu erreichen. Schließlich kann bei Betrieb in Luft
auch eine Erhöhung
der Schaltgeschwindigkeit erreicht werden.
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Bevorzugt ist die Aufbringung einer
Elektrode nur in einem Elektrodenteilbereich der äußersten Membranschicht,
wie es gemäß Anspruch
3 vorgesehen ist. Der verbleibende Bereich der äußersten Membranschicht definiert
somit eine optisch nutzbare Fläche,
auf die das Licht bevorzugt einfallen soll. Zumindest unterhalb
dieser optisch nutzbaren Fläche ist
der Hohlraum gebildet und erfolgt durch Anlegung der elektrischen
Spannung die Abstandsveränderung
zwischen der wenigstens einen Membran und der Basisschicht.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können jedoch
auch transparente Elektroden verwendet werden, die bevorzugt als
dünne dotierte
Polysiliziumschicht, also eine polykristalline Siliziumschicht,
gebildet sind. Solche transparenten Elektroden können dann auch im gesamten
Oberflächenbereich
der äußersten
Membranschicht aufgebracht sein. Eine solche Ausgestaltung eignet
sich insbesondere zum Betrieb des optischen Modulators in Transmission,
wenn, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen
ist, auch das Substrat aus transparentem Material, insbesondere
Quarz, hergestellt ist oder wenn das Substrat unterhalb des Hohlraums
ein oder mehrere Löcher
aufweist zum Ankoppeln von Bauelementen, z.B. Lichtleitfasern. Als
Gegenelektrode für
die auf der Außenseite
der äußersten
Membranschicht aufgebrachte transparente Elektrode kann dann das
Substrat nicht unmittelbar dienen, sondern ist eine weitere transparente Schicht,
beispielsweise eine dünne
Polysiliziumschicht, zusätzlich
in oder auf dem transparenten Substrat gebildet.
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Der erfindungsgemäße Modulator kann für eine gewünschte Wellenlänge dadurch
optimiert werden, dass die Schichtdicken der Membranschichten geeignet
gewählt
sind. Diese können
so eingestellt werden, dass der optische Modulator als optischer Schalter
verwendet werden kann, bei dem bei einer bestimmten Wellenlänge bzw.
einem Wellenlängenbereich
Schaltzustände „ein" (maximale Intensität) und „aus" (minimale Intensität) erzielt
werden. Die Wellenlänge;
für die
der Modulator optimal funktioniert, ist dabei vom Einfallswinkel
des Lichts abhängig!
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Eine Erhöhung der Lichtausbeute des
einfallenden Lichts kann, wie in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen
ist, mittels einer Mikrolinse, eines Mikrolinsengitters oder eines
diffraktiven optischen Elements (DOE), insbesondere, was besonders
einfach und günstig
ist, mittels eines einstufigen diffraktiven optischen Elements,
erzielt werden. Dieses dient dazu, das einfallende Licht auf die
optisch nutzbare Fläche
oder ein anderes Objekt, z.B. ein angekoppeltes Bauelement wie eine
Lichtleittaser oder eine Bilddarstellungsfläche oder Objekt, welches durch
einen Laser strukturiert werden soll, zu fokussieren. Da bei dem
erfindungsgemäßen optischen Modulator
bei geeigneter Ausgestaltung etwa 50% der gesamten Oberfläche der äußersten
Membranschicht optisch nutzbar ist und bevorzugt nur Licht einer
bestimmten Farbe geschaltet bzw. moduliert werden soll, ist es vorteilhaft
möglich,
ein diffraktives optisches Element mit nur einer Maskenebene (Stufe) herzustellen
und zu nutzen, welches das Licht auf 50% der Fläche konzentriert und einen
theoretischen Wirkungsgrad von 90% aufweist.
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Anwendung findet der erfindungsgemäße optische
Modulator beispielsweise zur Laserbeschriftung, -strukturierung
und -lithographie, wobei das einfallende Licht mittels einer solchen
Mikrolinse, eines Mikrolinsengitters oder eines DOE's auf das zu strukturierende
Objekt fokussiert werden kann. Diese Fokussierungsmittel ersparen
dabei eine Abbildung des modulierten bzw. geschalteten Lichts durch
ein separates Objektiv.
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Eine Vergrößerung der schaltbaren Bandbreite
des einfallenden Lichts wird bei einer Weiterbildung der Erfindung
mittels eines Beugungselements, insbesondere mittels eines Beugungsgitters
oder eines Prismas, erreicht. Dadurch wird das einfallende Licht
derart gebeugt, dass die Spektralanteile des einfallenden Lichts
unter verschiedenen Winkeln auf die optisch nutzbare Fläche der äußersten
Membran schicht auftreffen. Dadurch kann jede Wellenlänge mit
dem für
sie optimalen Winkel durch den Modulator hindurchtreten, so dass
das verwendbare Wellenlängenintervall
vergrößert werden
kann. Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn das einfallende
Licht vor dem Auftreffen auf dem Modulator polarisiert wird, dessen
Bandbreite besonders gut erhöht
werden kann.
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Die Ankoppelung an eine Lichtleitfaser
wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung mittels einer zentral dem Hohlraum gegenüberliegenden
Loch in dem Substrat erzielt, in die die Lichtleitfaser eingebracht,
justiert und fixiert werden kann. Ein solches Loch wird bevorzugt
durch Ätzen,
insbesondere Trockenätzen
mit einem ASE-Verfahren
(ASE = Advanced Silicon Etching) oder anisotropes, nasschemisches Ätzen, erzeugt.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
kann erreicht werden, dass der Hohlraum und die aus Siliziumnitrid
hergestellten Schichten eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke
und Homogenität
aufweisen, was zu einer verbesserten Modulation, insbesondere zu
einer höheren
Genauigkeit hinsichtlich der Lichtwellenlänge, bei der die Intensität moduliert
wird, führt.
Dazu trägt
auch die mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
ermöglichte
exakte Einstellung der Schichtdicke der Schichten bei.
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Zur Modulation der Lichtintensität kann sowohl
eine analoge als auch eine digitale, insbesondere pulsweitenmodulierte,
Steuerspannung verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch in einer
weiteren Ausgestaltung die optisch nutzbare Fläche in mehrere Teilflächen, insbesondere
unterschiedlicher Größe, und
die Elektrode in den Teilflächen
zugeordnete, separat ansteuerbare Teilelektroden unterteilt. Durch einzelne
bzw. kombinierte Ansteuerung der separaten Teilflächen der
optisch nutzbaren Fläche
können somit
verschiedene Intensitätswerte
erzeugt werden, ohne dass die Schaltelemente, wie bei der Verwendung
von pulsweitenmodulierten Signalen, ständig schalten müssen. Dadurch
kann die Lebensdauer der optischen Modulatoren deutlich verlängert werden.
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Im allgemeinen werden die optischen
Modulatoren bei der Herstellung rasterförmig auf einem Wafer angeordnet,
wobei der Umriss der Oberfläche eine
rechteckige Form aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist
jedoch vorgesehen, dass der Umriss der wenigstens einen Membranschicht,
insbesondere der optisch nutzbaren Fläche und der Elektrode, eine
hexagonale Form, beispielsweise die Form einer Wabe, aufweist. Neben
einer optimalen Flächennutzung
können
dadurch eine gute allseitige Aufhängung der Membranschichten
erreicht und die Auswirkungen eines Stressgradienten vermieden werden.
Auch andere Formen sind jedoch denkbar, wobei Formen, bei denen
eine allseitige Aufhängung der
Membranschichten erzielt wird, besonders bevorzugt sind.
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Bevorzugt ist eine Ausgestaltung,
bei der genau eine Basisschicht und eine Membranschicht, zwischen
denen der Hohlraum liegt, vorgesehen sind. Es ist jedoch grundsätzlich möglich, einen Schichtstapel
vorzusehen, der mehr als eine Membranschicht und dann ggf. auch
mehr als einen Hohlraum aufweist, also z.B. wechselweise eine Membranschicht
und einen Hohlraum aufweist, so dass bei Anlegen einer elektrischen
Spannung mehrere Membranschichten durchgebogen werden. Außerdem kann
auch vorgesehen sein, dass zusätzliche
weitere Schichten, wie z.B. zusätzliche
Silizium oder Siliziumoxidschichten in dem Schichtstapel enthalten sind.
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Der Hohlraum wird erfindungsgemäß bevorzugt
mittels einer Opferschicht hergestellt, die nach Bildung der beiden
angrenzenden Membranschichten herausgeätzt wird. Bevorzugt ist die
Opferschicht aus polykristallinem Silizium (Polysilizium) hergestellt.
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Vorteilhaft ist insbesondere die
Herstellung des Hohlraums mittels zweier Opferteilschichten, insbesondere
einer Polysiliziumschicht und einer Siliziumoxidschicht, die vorzugsweise
beide thermisch ausreichend stabil und mit hoher Homogenität abscheidbar
sind. Die eine Opferteilschicht, vorzugsweise die Siliziumoxidschicht,
kann dabei zur Bildung der Abstandshalter strukturiert werden. Die
zweite Opferteilschicht, also die Polysiliziumschicht, dient dann
beim Ätzen
der Siliziumoxidschicht als Ätzstopp.
Dadurch lässt
sich eine wesentlich bessere Gleichmäßigkeit der Höhe der Abstandshalter
erreichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist
bewusst vorgesehen, dass die wenigstens eine Membranschicht einen
positiven Stressgradienten aufweist, um das Anhaften an der Basisschicht
zu vermeiden. Ein Verfahrung zur Einstellung eines solchen positiven
Schichtgradienten ist in Anspruch 24 angegeben.
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Der erfindungsgemäße Modulator lässt sich vorteilhaft
insbesondere als optisches Schaltelement im sichtbaren Spektralbereich
einsetzen. Solche Schaltelemente können beispielsweise in einem
Projektionsdisplay zum Einsatz kommen. Auch die Anwendung in der
Telekommunikation via Glasfaser ist möglich. Prinzipiell können derartige
Schalter aber auch zur Korrektur von Wellenfronten eingesetzt werden
wobei die Phase des Lichts beeinflusst werden kann (adaptive Optik).
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Gegenüber der konventionellen LCD-Technologie
bestehen die wesentlichen Vorteile darin, dass der optische Modulator
gemäß der Erfindung eine
höhere
Temperaturbeständigkeit
aufweist und deshalb in Projektoren mit hoher Leistung gut einsetzbar
ist, eine höhere
Schaltgeschwindigkeit zeigt, geringe Absorptionsverluste aufweist
und kaum eine Polarisationsabhängigkeit
des modulierten Lichts besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Modulators, in zwei Schaltzuständen,
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2 das
Spektrum des Modulators gemäß 1,
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3 eine
zweite Ausgestaltung eines endungsgemäßen Modulators,
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4 das
Spektrum des Modulators gemäß 3,
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5 eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Modulators mit einer Mikrolinse,
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6 zwei
Ausgestaltungen von diffraktiven optischen Elementen zum Einsatz
bei der Erfindung,
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7 eine
weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Modulators mit einem Beugungsgitter,
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8 eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Modulators
mit angekoppelter Lichtleitfaser,
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9 die
Prozessschritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Modulators,
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10 einen
Prozessschritt bei der Herstellung des Hohlraums mittels einer Opferschicht,
welche aus zwei Teilschichten aufgebaut ist,
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11 eine
Draufsicht auf den unterteilten optisch nutzbaren Bereich und die
entsprechend unterteilte Elektrode,
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12 die
wabenförmige
Anordnung der Modulatoren auf einem Wafer, und
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13 die
Auswirkungen eines Stressgradienten.
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Eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen optischen
Modulators in zwei Schaltzuständen
ist in den 1a und 1b gezeigt. Der optische
Modulator 1 weist einen Schichtstapel aus mehreren Schichten
auf. Auf einem Silizium-Substrat 2 sind bei der gezeigten
Ausgestaltung eine Membranschicht 3 und eine Basisschicht 4 aufgebracht,
die sich in den Randbereichen berühren, aber in dem größten zentralen
Bereich durch einen Hohlraum 5 getrennt sind. In einem
Elektrodenteilbereich ist auf die Oberfläche der Membranschicht 3,
also der im gezeigten Fall dem einfallenden Licht L zugewandten Lichteinfallseite,
eine Elektrode 6 aufgebracht. Zwischen der Elektrode 6 und
dem Substrat 2 kann eine elektrische Spannung angelegt
werden, um den Abstand zwischen den beiden Schichten 3, 4 zu
verändern.
Um ein Anhaften der Schichten aneinander zu vermeiden, sind außerdem Abstandshalter (spacer-bumps)
7 vorgesehen, die an der in den Hohlraum 5 hineinragenden
Unterseite der oberen Membran 3 gebildet sind. Der zentrale
Bereich der Membran 3, der oberhalb des Hohlraums 5 zwischen den
Abstandshaltern und zwischen den beiden Elektroden 6 liegt,
bildet eine optisch nutzbare Fläche 8, auf
die das einfallende Licht L bevorzugt auftreffen soll und in dem
die Veränderung
des Abstands zwischen den Schichten 3 und 4 zur
Veränderung
der Intensität
des einfallenden Lichts L wesentlich ist.
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Der erfindungsgemäße optische Modulator nutzt
das Prinzip des Fabry-Perot-Interferometers zur
Lichtmodulation. Dabei wird ausgenutzt, dass der beschriebene Schichtstapel
durch mechanische Deformation quasi von einem Multilayer-Spiegel in
eine Antireflexbeschichtung umgewandelt werden kann, so dass der
optische Modulator auch als optischer Schalter verwendet werden
kann. Die Teilwellen, die an den einzelnen Grenzflächen des
Schichtstapels reflektiert werden, überlagern sich dabei in einem
Fall konstruktiv und im anderen Fall destruktiv.
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Bei dem in 1 gezeigten optischen Modulator bestehen
die Substratschicht 2 aus Silizium, die Schichten 3, 4 aus
Siliziumnitrid und die Elektrode aus Metall, z.B. aus Gold. Der
gezeigte Aufbau ist für den
Betrieb in Reflexion ausgelegt. Dabei wird ausgenutzt, dass Siliziumnitrid
im sichtbaren Spektralbereich in sehr guter Näherung den Brechungsindex aufweist,
der zur Herstellung einer Antireflexbeschichtung für Silizium
notwendig ist. Dieser Brechungsindex kann bei Bedarf durch Vergrößerung des
Siliziumanteils erhöht
oder durch Zugabe von Siliziumdioxid erniedrigt werden.
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Durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zwischen Substrat 2 und Elektrode 6 wird
die Membran 3 nach unten gezogen, wie in 1b gezeigt ist. Dadurch verändert sich
die Reflektivität
des Schichtstapels. Das Zusammendrücken des Hohlraumes 5 wird
also durch elektrostatische Kräfte
hervorgerufen. Der Hohlraum 5 selbst muss dabei lediglich
eine Dicke von einer Viertel Lichtwellenlänge des Lichts L haben. So
kann mit sehr kleinen Verstellwegen ein Schaltvorgang oder eine
große
Intensitätsmodulation bewirkt
werden. Die Dicke der gezeigten Schichten 3, 4 und 5 beträgt in der
Praxis etwa 200nm, die Breite etwa 200μm.
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Berechnungen der Reflektivität des optischen
Modulators mit und ohne angelegte elektrische Spannung sind in 2 schematisch gezeigt. Die
Spektralkurve S1 beschreibt den Schaltzustand „ein", also maximale Reflektivität. Die Spektralkurve S2
beschreibt den Schaltzustand „aus", also minimale Reflektivität. Zu erkennen
ist, dass der zugehörige Modulator
für eine
Wellenlänge
von etwa 633nm optimiert ist.
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Die in 3 gezeigte
Ausgestaltung des optischen Modulators 1' ist für den Betrieb in Transmission
ausgelegt. Dazu wird eine Elektrode 6' aus einer dotierten Polysiliziumschicht,
also polykristallinem Silizium, verwendet, die gleichzeitig als
Spiegelschicht dient. Dotiertes Polysilizium eignet sich als Material optimal
für diese
Verwendung, da es einerseits leitfähig ist, andererseits im sichtbaren
Spektralbereich eine hohe Reflektivität besitzt, aber im Vergleich
zu Metallen wenig Licht absorbiert.
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Die Elektroden 6' und 10 weist
auch eine sehr geringe Dicke, beispielsweise 30 bis 40nm, auf, um
die Transparenz zu gewährleisten,
und könnte auch
teilweise aus einem anderen Metall, z.B. Wolfram-Titan, hergestellt
sein.
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Das Substrat ist bevorzugt ebenfalls
aus transparentem Material, z.B. Quarz, ausgestaltet. Zwischen der
unteren Basisschicht 4 und dem transparenten Substrat 2 sind
außerdem
eine Siliziumoxidschicht 9 sowie eine als Gegenelektrode
für die Elektrode 6' dienende Polysiliziumschicht 10 vorgesehen.
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Bei dieser Ausgestaltung des optischen
Modulators muss die obere Schicht 6', welche sowohl als Spiegel als
auch als Elektrode dient, bei der Opferschichtätzung zur Herstellung des Hohlraums
ggf. geschützt
werden. Besteht die Schicht 6' aus Polysilizium, kann darauf
zum Schutz z.B. eine dünne,
aus Siliziumnitrid bestehende Schutzschicht aufgebracht werden (in 3 nicht gezeigt).
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Berechnungen der Transmission des
in 3 gezeigten Modulators
sind in 4 schematisch
gezeigt. Dabei beschreibt die Spektralkurve S3 den Schaltzustand „ein" (maximale Intensität) und die Spektralkurve
S4 den Schaltzustand „aus" (minimale Intensität). Der
Modulator muss durch Wahl geeigneter Schichtdicken für eine spezielle
Wellenlänge
ausgelegt werden. In einer Umgebung um diese spezielle Wellenlänge kann
dann ein optimaler Kontrast zwischen den beiden Schaltzuständen erreicht
werden. Aus 4 ist zu
erkennen, dass der zugehörige
Modulator für
eine Wellenlänge
von etwa 565nm optimiert ist.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere LPCVD-Siliziumnitrid
als Membranmaterial eingesetzt, da es die eingangs genannten besonderen
Vorteile aufweist, was insbesondere bei der Herstellung des optischen
Modulators zu deutlichen Prozessvereinfachungen und Kosteneinsparungen
führt und
somit die Herstellung eines präzisen
und hochqualitativen optischen Modulators ermöglicht. Aufgrund der hohen
thermischen Beständigkeit
der Materialien Siliziumoxid (SiO2) und
Siliziumnitrid (Si3N4)
sind die Modulatoren gemäß der Erfindung
besonders für
den Einsatz in Projektionssystemen mit hoher Leistung geeignet.
Zusätzliche
Oxidschichten können
zur besseren elektrischen Isolation bzw. zur Vermeidung von unerwünschten
Aufladungen des Siliziumnitrids in den Schichtstapel eingebracht
werden. Des weiteren können
auch mehr als eine Membranschicht und/oder ein Hohlraum vorgesehen
sein.
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Besonders bevorzugt wird ein Iow-stress-Siliziumnitrid
(Is-Siliziumnitrid) eingesetzt, also ein Siliziumnitrid, das eine
Senkung des Schichtstresses bewirkt, und bei dem durch geeignete
Wahl der Abscheideparameter eine Senkung des Schichtstresses bewirkt
wird. Dazu wird Slilizumnitrid eingesetzt, das einen leicht erhöhten Anteil
an Silizium gegenüber
dem normalen Siliziumnitrid (Si3N4) aufweist, also ein SixNy, für
das gilt: x/y ≿ ¾. Dadurch
kann der sehr hohe Schichtstress (etwa 1,5 GPa) von normalem Siliziumnitrid
verringert bzw. ganz vermieden werden.
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Von den gezeigten optischen Modulatoren
ist im allgemeinen nur der mittlere Bereich 8 der Membran 3 optisch
nutzbar. Um möglichst
wenig Licht zu verlieren, können
die Modulatoren mit Mikrolinsen 11 bzw. Mikrolinsenarrays
kombiniert werden, wie in 5 gezeigt
ist. Dadurch wird das über
eine große Breite
einfallende Licht L1 mittels der Mikrolinse 11 auf die
optisch nutzbare Fläche 8 hin
fokussiert (L2), und es geht kein Licht mehr an den seitlichen Bereichen
neben dem optisch nutzbaren Bereich 8 verloren, in dem
die Membran 3 sich nicht so stark durchbiegen lässt. Im
Austrittsbereich fächert
sich das Licht L3 dann wieder über
einen größeren Bereich auf.
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Anstelle von Mikrolinsen können zur
Fokussierung des Lichts auf den optisch nutzbaren Bereich des Modulators
auch diffraktive optische Elemente (DOE) eingesetzt werden. Solche
diffraktiven optischen Elemente bestehen aus geeignet geformten Gitterstrukturen.
Das von Gittern gebeugte Licht verteilt sich auf mehrere Beugungsordnungen,
wovon meist nur eine verwendet werden kann. Besitzen die Linien
eines Gitters jedoch ein geeignetes, sägezahnförmiges Profil, wird das Licht
mit hohem Wirkungsgrad in eine bestimmte Beugungsordnung gebeugt.
Ein solches diffraktives optisches Element 12 mit einem
Sägezahnprofil,
das durch mehrere Stufen approximiert wurde, ist in 6a gezeigt. Durch eine Approximation
mit beispielsweise sieben Treppenstufen kann theoretisch ein Wirkungsgrad
von 90% (in der ersten Beugungsordnung) erzielt werden. Das in 6a gezeigte diffraktive
optische Element wird typischerweise zur Fokussierung von Licht
L auf einen Punkt eingesetzt. Mittels einer Blende 13 wird nur
dieses gebündelte
Licht durchgelassen.
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Bei den erfindungsgemäßen Modulatoren können jedoch
zwei Spezialfälle
genutzt werden: etwa 50% der Oberfläche des Modulators ist optisch nutzbar
und es wird im allgemeinen nur Licht einer einzigen Farbe mittels
eines einzelnen Modulators mo duliert bzw. geschaltet. Deshalb ist
es möglich,
mit nur einer Maskenebene (Stufe} ein diffraktives optisches Element
herzustellen, welches das Licht auf 50% der Fläche konzentriert und ebenfalls
einen theoretischen Wirkungsgrad von 90% aufweist. Ein solches diffraktives
optisches Element 14 mit einem einstufigen Gitter und einer
Zwei-Loch-Blende 15 ist in 6b gezeigt.
Während
bei dem in 6a gezeigten
Element nur die +1.Beugungsordnung genutzt wird, wird bei dem in 6b gezeigten Element sowohl
die +1. als auch die –1.Beugungsordnung
der gezeigten Gitterstrukturen genutzt. Beide Elemente besitzen
einen theoretischen Wirkungsgrad von 90%, womit der Anteil des auftreffenden
Lichtes L gemeint ist, der durch die Blenden 13 bzw. 15
unterhalb der Elemente 12, 14 wieder austritt.
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Die Wellenlängen, für die der erfindungsgemäße Modulator
optimal arbeitet, sind nicht nur von den Schichtdicken, sondern
auch vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts abhängig. Wird
das einfallende Licht L1, wie in 7 gezeigt
ist, durch eine entsprechende Gitterstruktur 16 oder ein
Prisma derart gebeugt, dass jede Wellenlänge mit dem für sie optimalen
Winkel durch den Modulator 1' hindurchtritt (L2),
so kann das verwendbare Wellenlängenintervall des
Lichts vergrößert werden.
Der Ablenkwinkel, um den das einfallende weiße Licht L1 von der Gitterstruktur 16 gebeugt
wird, um das gebeugte Licht L2 zu erzeugen, ist folglich von der
Farbe (der Wellenlänge)
des Lichts abhängig.
Die Gitterkonstante 16, also die Dichte der Gitterlinien
des Gitters, ist also so zu wählen,
dass jede Wellenlänge
in möglichst
guter Näherung
im optimalen Winkel auf den Modulator 1' auftrifft. Optimal heißt in diesem
Zusammenhang, dass eine möglichst
hohe Ausbeute, d.h. ein hoher Wirkungsgrad, und ein möglichst
hoher Kontrast, d.h. ein großes
Verhältnis
zwischen und Ein- und Auszustand erreicht wird.
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Insbesondere für Telekommunikationsanwendungen
sind Schalter von Interesse, die leicht mit Lichtleitfasern zu verbinden
sind. Dabei besteht normalerweise das Problem, dass das aus einer
Lichtleitfaser mit dem Winkel α austretende
Licht auf die optisch nutzbare Fläche fokussiert werden muss. Durch
die Integration von Beugungsoptiken 17, z.B. Fresnelschen
Zonenplatten, ggf. mit Stufenprofilen, auf die optisch nutzbare
Fläche 8 (oder
auf einem Träger
direkt darüber)
kann dieses Problem umgangen werden. Eine Ausgestaltung eines optischen
Modulators 1'' mit einer solchen
Zonenplatte 17 ist in 8 gezeigt.
Mittels einer ersten Lichtleitfaser 18 wird Licht L1, das
aus der Lichtleitfaser 18 unter dem Winkel α austritt,
auf die op tisch nutzbare Fläche 8 fokussiert.
Das mittels des Modulators 1'' modulierte austretende
Licht L2 wird in eine zweite Lichtleitfaser 19 wieder eingekoppelt,
wodurch die direkt auf der Membran 3 aufgebrachte Zonenplatte 17 dazu
dient, das Licht auf den Fasereingang der Lichtleitfaser 19 zu
fokussieren.
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Der Faserausgang der Lichtleitfaser 18 und der
Fasereingang der Lichtleitfaser 19 befinden sich dabei
jeweils im Brennfleck B der Zonenplatte 17. Die Justierung
der Lichtleitfaser 19 kann dabei über ein Loch erfolgen, welches
von der Rückseite
her in das Substrat, beispielsweise mittels eines Silizium-Ätzverfahrens,
z.B. mittels ASE, durch den Wafer geätzt wurde.
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Zonenplatten auf optischen Modulatoren können nicht
nur zum Fokussieren von Licht, welches von einer Glasfaser kommt,
in eine andere Glasfaser benutzt werden, sondern überhaupt
zum Abbilden oder Fokussieren des geschalteten Lichtes. Eine andere
Anwendung ist z.B. das Belichten von Mustern (Lithographie). Die
diffraktiven optischen Elemente (speziell Fresnelsche Zonenplatten)
auf den Modulatoren erzeugen dabei Brennflecken eines Lasers, welche
z.B. einen Fotolack belichten oder auf andere Weise eine Oberfläche verändern.
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Die Herstellung des optischen Modulators gemäß der Erfindung
soll nachfolgend anhand von 9 näher erläutert werden.
Zunächst
wird als Substrat 2 ein Siliziumwafer bereitgestellt (9a). Darauf wird eine Siliziumnitridschicht
als Basisschicht 4 durch Abscheidung aus der Gasphase mittels
eines LPCVD-Verfahrens abgeschieden (9b).
Darauf wird mittels des LPCVD-Verfahrens eine Polysiliziumschicht
abgeschieden, mittels der die Opferschicht gebildet wird, die in
einem späteren
Verfahrensschritt herausgeätzt
wird, um den Hohlraum 5 zu bilden ( 9c). Diese Polysiliziumschicht 20 wird danach
hinsichtlich der Breite strukturiert, um die Breite des späteren Hohlraums
einzustellen (9d). Außerdem wird
in die Oberfläche
der Polysiliziumschicht 20 die Struktur für die Abstandshalter 7 eingebracht
(9e). In einem weiteren
Abscheidungsschritt (9f)
wird mittels des LPCVD-Verfahrens die Membranschicht 3 aus
Siliziumnitrid derart aufgebracht, dass die Polysiliziumschicht 20 vollständig und
der Randbereich der ersten Membranschicht 4 überdeckt
sind. In die Membranschicht 3 werden sodann Ätzgräben 21 bis
zur Polysiliziumschicht 20 eingebracht (9g), um später die Polysilizium schicht 20 als
Opferschicht herausätzen
zu können. Danach
wird die Elektrode 6 durch Aufsputtern, beispielsweise
als Chrom- und Goldschicht auf die Membran 3 aufgebracht
(9h). In einem weiteren Verfahrensschritt
werden die Elektroden, Leiterbahnen und Bondpads strukturiert (9i). Dabei wird insbesondere
die optisch nutzbare Fläche 8 gebildet, indem
dort die Elektrodenschicht 6 wieder entfernt wird. Schließlich wird
die Polysiliziumschicht 20 durch die Ätzgräben 21 herausgeätzt, um
so den Hohlraum 5 zu bilden (9j).
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Bei der Herstellung des Modulators
wird also mit einem Ätzmittel,
z.B. KOH, eine Opferschicht zwischen der Basisschicht 4 und
der Membran 3 herausgelöst.
Gleichzeitig werden die Abstandshalter, die durch die Strukturen
in der Opferschicht erzeugt wurden, freigelegt. Weiterhin erlaubt
der verbleibende, sehr flache Zwischenraum unter der ausgelenkten Membran 3 (siehe 1b) auch den Einsatz von
Siliziumnitrid mit erhöhtem
Siliziumanteil, welches zwar aufgrund seiner geringeren mechanischen
Spannung besonders gut geeignet ist, jedoch nicht exakt die Bedingung
für die
Antireflexbeschichtung erfüllt.
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Für
die Erzeugung der Abstandshalter ist es erforderlich, die Opferschicht
vor der Abscheidung des Membranmaterials zu strukturieren, wie in 9e gezeigt ist. Da die Abstandshalter
alle die gleiche Dicke haben müssen,
ist bei der Verwendung einer einfachen Opferschicht ein Ätzprozess
mit einer über
den gesamten Wafer konstanten Ätzrate
erforderlich. Diese Homogenität
ist bei trockenchemischen Ätzprozessen
insbesondere am Rand oft nicht gegeben. Bei der nasschemischen Ätzung von
Polysiliziumopferschichten wurde eine stark schwankende Ätzrate,
eine schlechte Homogenität
und ein Aufrauen der Polysiliziumschicht festgestellt. Sowohl beim
nass- als auch beim trockenchemischen Ätzen ist es jedoch erforderlich,
die Ätztiefe über die Ätzdauer
einzustellen. Dieses Problem kann durch eine zweigeteilte Opferschicht
umgangen werden, wie sie in 10 gezeigt
ist. Dabei wird die Opferschicht 20 aus zwei Schichten 201, 202 aufgebaut,
die beide thermisch ausreichend stabil und mit hoher Homogenität abscheidbar
sind. Die obere Opferteilschicht 201 hat dabei genau die
Dicke der späteren
Abstandshalter 7. Diese Schicht 201 wird dann
in einem nasschemischen Ätzprozess
mit hoher Selektivität zur
darunter liegenden Opferteilschicht 202 strukturiert. Als
Beispiel eignet sich eine Opferteilschicht 202 aus etwa
100nm Polysilizium und eine Opferteilschicht 201 aus etwa
100nm Siliziumoxid (z.B. TEOS, HTO). Eine Opferschicht aus Siliziumoxid
alleine ist aufgrund ihrer viel zu geringen Ätzrate nicht als Opferschicht
bei einer KOH-Ätzung
einsetzbar. Die Polysilizium-Opferschicht 202 wird beim
Durchätzen
der Oxidschicht 201 zur Bildung der Abstandshalter gleichzeitig
auch als Ätzstopp
benutzt.
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Um die Schichtdicken möglichst
exakt einzustellen, kann einerseits die Rate bei der Abscheidung des
Schichtmaterials sehr genau untersucht oder zunächst eine etwas zu dicke Schicht
abgeschieden werden, um danach die Dicke zu messen und dann nasschemisch
auf den gewünschten
Wert abzudünnen.
Dabei ist es wichtig, dass der verwendete Ätzprozess die Oberfläche nicht
aufraut, da dies zur Lichtstreuung führen würde. Siliziumnitrid lässt sich z.B.
durch Flusssäure
oder Ammoniumfluorid-Ätzmischung
(BOE) abdünnen.
Bei polykristallinem Silizium ist dies schwieriger; die gängigen Ätzmittel
rauen die Oberfläche
stark auf bzw. verursachen einen sehr inhomogenen Ätzangriff
der Schicht. Dieses Problem kann ebenfalls durch die Verwendung
einer zweigeteilten Opferschicht gelöst werden, da hier die obere Schicht
z.B. aus SiO2 besteht. Dieses kann wiederum gut
durch z.B. Flusssäure
oder eine Ammoniumfluorid-Ätzmischung
(BOE) abgedünnt
werden.
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Es gibt drei prinzipielle Verfahren,
um mit den beschriebenen Modulatoren abgestufte Intensitäten (Graustufen,
Dynamik) zu erzeugen:
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- a) Analoge Steuerung: über eine analoge Steuerspannung
wird die Membran kontinuierlich ausgelenkt. Dabei sind kontinuierlich
abgestufte Helligkeiten, je nach Auslenkung der Membran, einstellbar.
- b) Digitale Ansteuerung durch pulsweitenmoduliertes Signal:
Innerhalb eines zeitlichen Auflösungsintervalls
(der Bildwiederholdauer) wird der Modulator, je nach gewünschter
Helligkeit, für
die entsprechende Dauer eingeschaltet.
- c) Digitale Steuerung durch verschieden große Flächenelemente für ein Pixel:
Jedes Pixel kann in Sub-Pixel verschiedener Größe aufgeteilt werden. Dies
wird durch Unterteilung des optisch nutzbaren Bereichs 8,
wie in 11 gezeigt, in mehrere
Teilbereiche 81, 82, 83, 84 und
entsprechende Unterteilung der Elektrode 6 in Teilelektroden 61, 62, 63, 64 erreicht.
Durch kombiniertes Einschalten der einzelnen Teilbereiche 81 bis 84 können verschiedene
Helligkeitswerte erzeugt werden. Bei diesem Verfahren werden deutlich weniger Schaltvorgänge zur
Helligkeitsmodulation benötigt,
als bei dem unter b) erwähnten
Verfahren. Soll z.B. ein Pixel mit einer bestimmten Helligkeit gehalten
werden, muss das optische Schaltelement bei dem unter b) erwähnten Verfahren
kontinuierlich mit dem entsprechenden pulsweitenmodulierten Signal
ein- und ausgeschaltet werden. Bei der Verwendung von Sub-Pixeln
mittels der beschriebenen Teilbereiche sind dafür keine Schaltvorgänge nötig. Dadurch
kann die Lebensdauer des Modulators stark verlängert werden. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der optisch nutzbare Bereich 8 in vier unterschiedlich
große
Teilflächen 81 bis 84 unterteilt,
so dass sich insgesamt 24 = 16 Helligkeitswerte
realisieren lassen.
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Im allgemeinen weisen die optisch
nutzbare Fläche 8 und
die Elektrode 6 bzw. die Teilelektroden auf beiden Seiten
der optisch nutzbaren Fläche 8 jeweils
eine rechteckige Form auf. Bevorzugt können die optisch nutzbare Fläche und
die Elektrode jedoch auch eine hexagonale Form aufweisen, wie in 12 gezeigt ist. Bei der
Platzierung einer Vielzahl von optischen Modulatoren auf einem Wafer
kann somit eine wabenförmige
Anordnung der Modulatoren erreicht werden, was einerseits die verfügbare Fläche bestmöglich ausfüllt. Darüber hinaus
wird dadurch eine gut allseitige Aufhängung der Modulatoren und eine
Vermeidung der Auswirkung des Stressgradienten der Membranschicht,
insbesondere ein. Aufwellen der Membranschicht, erzielt.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Modulators
besteht darin, dass er sich elektrisch wie ein Kondensator verhält und somit
elektrische Ladungen bzw. Daten speichern kann. Für ausreichend
gute Isolation der Elektroden kann ein Modulator seinen Schaltzustand
lange, verglichen mit den typischen Bildaufbauzeiten eines Displays,
halten, so dass nicht wie bei alternativen Technologien eine zusätzliche
Speicherzelle zum Halten der angelegten Spannung für die Aufrechterhaltung
eines bestimmten Schaltungszustandes erforderlich ist. Wenn also
für die
Einstellung eines bestimmten Schaltzustandes das Anlegen einer Spannung
erforderlich ist, kann diese danach wieder abgenommen werden, ohne
dass sich der Schaltzustand für
einen längeren
Zeitraum ändert.
Soll der Schaltzustand bewusst geändert werden, kann dies durch
ein Kurzschließen
der Elektroden erreicht werden.
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Durch Anlegen einer analogen Spannung
ist die Membran des Modulators kontinuierlich auslenkbar. Damit
ist die Phase der reflektierten bzw. transmittierten Welle kontinuierlich
veränderbar.
Das erlaubt den Einsatz solcher Bauelemente in der adaptiven Optik
zur Korrektur bzw. Veränderung
von Wellenfronten.
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Ein typisches Problem bei der Herstellung und
dem Betrieb von mikrosystemtechnischen Bauelementen, die auf beweglichen
Membranstrukturen basieren, ist das Verkleben bzw. Anhaften der
Membranstrukturen auf dem Substrat bzw. auf der' Basisschicht (sog. Sticking). Dieses
kann entweder bei der Herstellung auftreten (z.B. beim Trocknen
nach einer Opferschichtätzung
durch die Oberflächenspannung der
Flüssigkeit)
oder im Betrieb des Bauelementes, wenn z.B. eine Membran so weit
ausgelenkt wird, dass sie auf dem Untergrund aufliegt und sich von dort
nicht mehr ablösen
kann. Eine Membran wird normalerweise mit einer bestimmten, mechanischen Schichtspannung
(zumeist Zugspannung) hergestellt, d.h. die Membran würde sich
zusammenziehen, wenn sie nicht am Rande eingespannt wäre.
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13 zeigt
die Auswirkungen eines Stressgradienten für den allgemeinen Fall einer
auf einem Substrat 90 direkt aufgebrachten Membran 91. Grundsätzlich kann
eine Membran nicht nur mit einer Schichtspannung (= Schichtstress),
sondern auch mit einem Stressgradienten versehen werden. Bei einem
positivem Stressgradienten haben die Membranen oben eine höhere Zugspannung
als unten, d.h. wenn die Membran 91 nicht mehr auf dem
Substrat 90 (oder der Basisschicht bei dem erfindungsgemäßen Modulator)
bzw. an ihrer Aufhängung
festgehalten würde,
würde sie
sich nach oben krümmen
(91a). Bei einem negativem Stressgradienten würde sich die
Membran 91 entsprechend nach unten krümmen (91b).
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Die Einstellung eines bestimmten
Stressgradienten kann zur Vermeidung von Sticking (Anhaftung der
Membran 91 an dem Substrat 90) eingesetzt werden.
Mit einem ausreichend starken positiven Stressgradienten kann das
Sticking verhindert werden, bei einem negativen Stressgradienten
stickt die Membran besonders leicht. Diese Methode zur Vermeidung
von Sticking lässt
sich nicht nur bei dem beschriebenen optischen Modulator einsetzen,
sondern kann bei allen Bauelementen zum Einsatz kommen, für deren
Funktion dünne,
gegen Sticking anfällige Membranen
erforderlich sind, wie etwa mikromechanische Mikrofone, Drucksensoren,
kapazitive Ultraschallwandler und dergleichen.
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Zur Erzeugung eines positiven Stressgradienten
ist es zweckmäßig, bei
der Abscheidung einer Schicht die Abscheideparameter in geeigneter
Weise zu ändern.
Beim LPCVD-Siliziumnitrid kann das beispielsweise geschehen, indem
während
der Abscheidung die Temperatur von z.B. 840°C um wenige Grad gesenkt wird
oder indem die Zusammensetzung der Prozessgase (SiCl2H2,
NH3) verändert
wird, d.h. dass der Gasfluss von SiCl2H2 während
der Abscheidung erhöht
wird. Wird eine Membran durch einen Stapel von Schichten gebildet,
kann die Einstellung eines positiven Stressgradienten geschehen,
indem oben Schichten mit einer größeren Schichtspannung abgeschieden
werden als unten.
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Bisher war es zumeist das Ziel, einen
Stressgradienten zu vermeiden, da dieser ein unerwünschtes
Verbiegen bzw. „Aufwellen" von nicht geeignet aufgehangenen
Membranen verursacht. Durch absichtliche Erzeugung eines Stressgradienten,
beispielsweise in der oben beschriebenen Weise, kann jedoch in vorteilhafter
Weise das Problem des Stickings vermieden werden, wobei dieser Gedanke
sowohl bei dem erfindungsgemäßen optischen
Modulator als auch bei anderen Bauelementen mit beweglichen Membranen
eingesetzt werden kann.