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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Bauelements gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein unter Anwendung dieses Verfahrens hergestelltes
Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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In
der Mikrosystemtechnik und hier insbesondere für die optische Datenkommunikation
werden vielfach optoelektronische Bauelemente benötigt, die
auf eine von mehreren benachbarten Wellenlängen abgestimmt werden können. Ein
sogenanntes Wellenlängenmultiplex-
bzw. WDM-System (WDM = Wavelength Division Multiplex) enthält z. B.
eine auf Halbleiterlasern basierende Sendeeinheit, einen Multiplexer,
eine aus Glasfasern bestehende Faserstrecke, einen Demultiplexer
und eine mit optoelektronischen Detektoren versehene Empfangseinheit.
Auf der Sendeseite eines solchen Systems werden mehrere Übertragungskanäle für dicht
benachbarte Wellenlängen
angeordnet, während
auf der Empfängerseite
zwischen dem Demultiplexer und der Empfangseinheit eine entsprechende
Mehrzahl von hoch selektiven optischen Filtern vorgesehen wird,
um die Kanäle
wieder voneinander zu trennen. Dabei werden zur Grob- und Feinabstimmung
sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfängerseite vorzugsweise Bauelemente
eingesetzt, die auf die beteiligten Wellenlängen abgestimmt werden können.
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Ein
für diese
Zwecke geeignetes Bauelement der eingangs bezeichneten Gattung (z.
B. H. Hillmer, C. Prott, M. Strassner, N. Chitica und J. Daleiden
in Workshop "Optik
in der Rechentechnik", 27.–28.09.2000,
Hagen, Tagungsband S. 75–85, ISSN
1437-8507) enthält
zwei sogenannte DBR-Spiegel (DBR = Distributed Bragg Reflector) oder
Bragg-Reflektoren und eine zwischen diesen angeordnete Kavität bzw. eine
sogenannte Fabry-Perot-Kavität.
Die hier zum Einsatz kommenden DBR-Spiegel dienen dem Zweck, die
bei Anwendung üblicher
Materialien nicht ausreichende Reflektivität der an die Kavität grenzenden
Spiegelflächen
dadurch zu vergrößern, daß sie aus
Schichtenperioden aufgebaut werden, die abwechselnd aufeinander
folgende Festkörper-,
insbesondere Halbleiterschichten und dazwischen liegende Luftschichten
aufweisen. Die Halbleiterschichten des einen DBR-Spiegels sind n-leitend
und bilden jeweils dünne
Membranen und von diesen ausgehende flexible Brücken bzw. Tragarme, die an
ihren Enden mit Halteelementen versehen sind, zwischen denen Abstandhalter
angeordnet werden. Die abwechselnd aufeinander folgenden Halteelemente
und Abstandhalter bilden dabei jeweils Halteblöcke, die ihrerseits an einem
Grundkörper
(Substrat) fixiert sind, so daß die
Membranen in Richtung einer senkrecht zu ihnen verlaufenden Achse
(= Z-Achse) beweglich angeordnet sind. Die Halbleiterschichten des
anderen DBR-Spiegels sind entsprechend ausgebildet und angeordnet,
jedoch gleitend. Außerdem
sind die beiden DBR-Spiegel vorzugsweise mit Elektroden versehen,
an die eine elektrische Spannung bzw. ein positives oder negatives Potential
angelegt werden kann, um sie nach Art von Kondensatorplatten elektrisch
aufzuladen. Die dadurch bewirkten elektrischen Anziehungskräfte können eine
geringfügige
Verschiebung der verschiebbaren Membranen und damit eine Änderung
der Länge
der Kavität
mit der Folge herbeiführen,
daß vom Bauelement
außer
der im nicht aktuierten Zustand durchgehenden Wellenlänge auch
benachbarte Wellenlängen
durchgelassen werden. Durch Variation der angelegten Spannung kann
das Bauelement daher auf eine von mehreren Wellenlängen λ1,
... λn abgestimmt werden. An die Stelle einer
derartigen, kapazitiven Aktuation des Bauelements kann auch irgendeine
andere Aktuation, insbesondere eine mikrothermische Aktuation treten.
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Die
Herstellung derartiger Bauelemente erfolgt heute allgemein unter
Anwendung der sogenannten Opferschichttechnologie (vgl. z. B. das
Buch "Mikrosystemtechnik
für Ingenieure" von W. Menz, J. Mohr,
2. Aufl., VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim, S. 218–220 und
285–287.
Für den
speziellen Fall der Herstellung der die beschriebenen DBR Spiegel
aufweisenden Bauelemente ist es außerdem bekannt, auf ein Substrat übereinander liegende,
z. B. aus Indiumphosphid (InP) bestehende Halbleiterschichten und aus
Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) bestehende Opferschichten aufzubringen, diese
durch Anwendung üblicher
Maskierungs- und vertikaler Ätztechniken
zu strukturieren und anschließend
durch laterales Ätzen
Teile der Opferschicht überall
dort zu entfernen, wo die frei stehenden, aus Halbleitermaterial
bestehenden Membranen und Brücken
entstehen sollen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird in diesem
Zusammenhang insbesondere auf die beiden Veröffentlichungen "Potential for micromachined
actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic devices" von H. Hillmer,
J. Daleiden, C. Prott, F. Römer,
S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S. Schüler und M. Strassner in (invited)
Applied Physics, B., Vol. 75, 3–13,
2002 und "Record
tuning range of InP-based multiple air-gap MOEMS filter von J. Daleiden,
V. Rangelov, S. Irmer, F. Römer,
M. Strassner, C. Prott, A. Tarraf und H. Hillmer in Electronics
Letters, Oct. 2002, Vol. 38, No. 21, S. 1270 verwiesen.
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Im
Vergleich zu ähnlichen
bekannten Bauelementen, deren DBR-Spiegel ausschließlich aus Festkörperschichten
aufgebaut sind, weisen aus Festkörper/Luft-Schichtenperioden
hergestellte DBR-Spiegel der oben beschriebenen Art den besonderen
Vorteil auf, daß wegen
des großen
Unterschiedes der Brechungsindices der beiden Schichten (z. B. InP
mit n = 3,17 und Luft mit n = 1) nur sehr wenige, z. B. drei Schichtenperioden
pro DBR-Spiegel benötigt
werden, um die gewünschte
hohe Reflektivität
zu erreichen.
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Diesem
Vorteil steht allerdings der Nachteil gegenüber, daß der Durchstimmbereich der
beschriebenen Bauelemente noch nicht groß genug ist und die spektralen
Linienbreiten, Intensitäten,
spektralen Linienformen, optischen Leistungen od. dgl., die nachfolgend
kurz mit dem Sammelbegriff "optische
Eigenschaften" bezeichnet
werden, durch ungewollte Krümmungen
und Verkippungen der Membranen meist nicht den theoretisch möglichen
Werten entsprechen, sondern nur in der spektralen Nachbarschaft
einer sogenannten Haupt-Wellenlänge
akzeptabel sind, die sich aus den Dicken und/oder Brechungsindices
der für
die Schichtenperioden verwendeten Materialien ergibt. Außerdem führt die
Herstellung der Bauelemente nicht zu ausreichend gut reproduzierbaren
Ergebnissen, weshalb die verschiedenen Wellenlängen u. U. mit unterschiedlichen
optischen Eigenschaften erzeugt (Laser) oder durchgelassen (Filter) werden,
was für
die praktische Anwendung der Bauelemente z. B. in einem WDM-System unerwünscht ist.
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Wie
sich den zuletzt genannten Veröffentlichungen
entnehmen läßt, werden
die verbleibenden Nachteile der gattungsgemäßen Bauelemente auf mechanische
Lateral- und Vertikalverspannungen
im Kristallgefüge
der Halbleitermaterialien zurückgeführt, die
zu unerwünschten
Verformungen nach dem Unterätzen
mit der Folge führen,
daß eine
oder mehrere der Brücken
und/oder Membranen im fertigen Bauelement bereits im nicht aktuierten
Zustand in Richtung der Z-Achse verbogen oder vorgespannt sind und/oder
die von ihnen getragenen Membranen unterschiedliche Abstände voneinander
aufweisen. Es ist daher bekannt, besondere Sorgfalt auf eine optimale
mechanische Gitterverspannung zu legen. Außerdem sind verschiedene, insbesondere
unterschiedlich lange Cantileverarme aufweisende Indikatorelemente
bekannt, mittels derer die sich ergebenden Verformungen gemessen
und analysiert werden können
[vgl. z. B. HILLMER, H. ET AL: "Potential
of micromachined photonics: miniaturization, scaling and applications
in continuously tunable vertical air-cavity filters" PROCEEDINGS OF THE
SPIE – THE
INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING SPIE-INT. SOC. OPT.
ENG, Bd. 4947, 29. Oktober 2002 (2002-10-29), Seiten 197–211, und
DALEIDEN, J.; HILLMER, H.: "Multiple air-gap
filters and constricted mesa lasers – material processing meets
the front of optical device technoly" APPLIED PHYSICS B, Bd. 76, Nr. 8, 16.
Juli 2003, (2003-07-16), Seilen 821–832]. Nicht bekannt ist bisher
jedoch, welche praktische Maßnahmen
ergriffen werden können,
um derartige Spannungen und daraus resultierende Verformungen der
Brücken
oder Membranen zu vermeiden bzw. eine optimale Gitteranpassung sicherzustellen.
Daraus folgt, daß bei den
nach dem Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung hergestellten,
mikromechanischen Bauelementen insoweit bisher mehr oder weniger
unkontrollierbare, sich zufällig
ergebende Zustände
vorliegen. Es werden zwar Brücken
und Membranen erhalten, die in senkrecht zur Z-Achse liegenden Ebenen
mit kristallografschen Richtungen angeordnet sind, die sich gegenüber anderen
möglichen
Richtungen durch kleinere Verformungen in Richtung der z-Achse auszeichnen,
doch ist die Verformung oder Verkippung der Brücken und Membranen nicht genau
definiert und vorwählbar.
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Nachteilige
Folgen aus unerwünschten
Gitterverspannungen od. dgl. können
sich auch bei anderen Bauelementen der eingangs bezeichneten Gattung
ergeben, die aus anderen als den genannten Gründen wenigstens eine bewegbare
Membran aufweisen, die mittels wenigstens einer biegbaren Brücke an einem
Halteblock aufgehängt
ist.
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Das
technische Problem der vorliegenden Erfindung besteht daher darin,
das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung so zu gestalten,
daß sich
unerwünschte
Gitterverspannungen nicht oder nur in geringem Maß in der
beschriebenen Weise auswirken können,
indem bei der Herstellung der Bauelemente etwa auftretende Kristallverspannungen
und daraus resultierende Verformungen frühzeitig erkannt und bei der
Herstellung der Bauelemente berücksichtigt
werden. Dadurch soll es möglich
sein, insbesondere die beschriebenen, mikromechanisch aktuierbaren,
optoelektronischen Bauelemente der eingangs bezeichneten Gattung
so auszubilden, daß ihre
optischen Eigenschaften verbessert und ihre Durchstimmbereiche vergrößert werden
können und/oder
die optischen Eigenschaften bei der spektralen Durchstimmung der
Bauelemente geringeren Schwankungen als bisher unterliegen.
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Zur
Lösung
dieses technischen Problems dienen das Verfahren und das Bauelement
mit den Merkmalen der Ansprüche
1 und 12.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die zu Verformungen oder
Verspannungen der Brücken
führenden
inneren Spannungen des Halbleitermaterials nicht in allen kristallografischen
Richtungen gleich sind, sondern starke Unterschiede aufweisen können, und
daß sich
wesentliche Verbesserungen bereits dadurch erreichen lassen, daß die Brücken gezielt
nur in solche kristallografischen Vorzugsrichtungen angeordnet werden,
in denen ihre Verformungsneigung vergleichsweise gering und im Idealfall
gleich Null ist. Ermöglicht
wird dies erfindungsgemäß dadurch,
daß die
jeweils zu beachtende Verformungsneigung durch Anwendung eines speziellen,
dem jeweiligen Bauelement im weitesten Sinne nachgebildeten Verformungsfächers auf
einfache Weise optisch sichtbar gemacht wird, so daß eine Vermessung
des Verformungsfächers
unmittelbar zu weitgehend unschädlichen
kristallografischen Vorzugsrichtungen für die Brücken führt. Unter der Bezeichnung "Verformungsneigung" wird dabei im Rahmen
der vorliegenden Erfindung die Neigung einer Brücke im fertigen Bauelement
verstanden, sich so zu verformen, wie es der Fall wäre, wenn
sie wie ein zugeordneter Biegebalken im Verformungsfächer nur
einseitig eingespannt wäre.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestätigen experimentell die oben
angegebenen Vermutungen. Durch Anwendung der Erfindung wurden optoelektronische,
zwei DBR-Spiegel aufweisende Filter hergestellt, die bei guten optischen
Eigenschaften mit nur 3,2 Volt für
einen Wellenlängenbereich von
143 nm durchgestimmt werden können,
was bisher für
nicht erreichbar galt.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
das Schnittbild eines bekannten, zwei DBR-Spiegel und eine dazwischen
liegende Fabry-Perot-Kavität
aufweisenden Bauelements etwa längs
einer Linie A-A' in 2;
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2 und 3 in
verkleinerten Maßstäben schematische
Aufsichten auf einzelne Festkörperschichten
und dazwischen liegende Abstandhalter;
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4 schematisch
die Wirkungsweise/Aktuation des Bauelements nach 1;
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5 eine
perspektivische Darstellung einer einzelnen Struktur mit fünf Verbindungsbrücken und vier
Halteblöcken;
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6 eine
Aufsicht auf eine einzelne Struktur mit vier Brücken und zwei Halteblöcken;
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7 eine
Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Verformungsfächer mit
einer Mehrzahl von radialen Biegebalken;
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8 einen
schematischen Schnitt durch den Verformungsfächer längs der Linie VIII-VIII der 7,
woraus ersichtlich ist, daß die
Biegebalken in mehreren, übereinander
liegenden Ebenen angeordnet sind; und
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9 und 10 je
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verformungsfächer ohne bzw.
mit Verbiegung von zwei Biegebalken, wobei die Biegebalken nur in
jeweils einer Ebene angeordnet sind.
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1 bis 4 zeigen
ein mikromechanisch aktuierbares, optoelektronisches Bauelement
mit einem ersten DBR-Spiegel 1, einem zweiten DBR-Spiegel 2 und
einer zwischen den beiden DBR-Spiegeln 1 und 2 angeordneten
Kavität 3 mit
einer physikalischen Länge
L. Der erste DBR-Spiegel 1 enthält für die hier betrachteten Wellenlägen möglichst
transparente Schichtenperioden bzw. -paare I bis III,
die hier jeweils durch eine Festkörperschicht 4 und
eine Luftschicht 5 gebildet sind, wobei die Schichten 4 und 5 abwechselnd
aufeinander folgen und, mit ihren Breitseiten aneinander grenzend, übereinander
angeordnet sind. Die Festkörperschichten 4 bilden
dünne Membranen 4a und
sind im Ausführungsbeispiel
aus einem p-dotierten Halbleitermaterial, z. B. Indiumphosphid (InP),
hergestellt. Die Membranen 4a sind außerdem mittels je einer separaten,
flexiblen Tragkonstruktion an einem ebenfalls transparenten Grundkörper bzw.
Substrat 6 abgestützt.
Hierzu besteht jede Tragkonstruktion z. B. aus einer Mehrzahl von
dünnen
und daher biegbaren, z. B. sternförmig angeordneten und mit den Membranen 4a verbundenen
oder mit diesen aus einem Stück
hergestellten Tragarmen bzw. biegbaren Brücken (Verbindungsbrücken) 7 od.
dgl., wie insbesondere 2 zeigt. Die radial innen liegenden
Enden der Tragarme oder Brücken 7 sind
dabei mit den Membranen 4a verbunden, während die Brücken 7 an
radial außen
liegenden Enden mit am Grundkörper 6 befestigten
Halteelementen 8 versehen und mit diesen vorzugsweise aus
einem Stück
hergestellt sind. Zwischen den einzelnen Halteelementen 8 sind, wie
in 3 gezeigt ist, Abstandhalter 9 angeordnet, die
die Schichten 4 auf Abstand halten und dadurch die aus
zwischen den Membranen 4a frei bleibenden Luftschichten 5 ausbilden.
Die Teile 4a, 7 und 8 bilden vorzugsweise
jeweils eine zusammenhängende, aus
demselben Material gefertigte Schicht 4, während die
Abstandhalter 9 vorzugsweise aus einem anderen Material,
insbesondere einem Opfermaterial wie z. B. Gallium-Indium-Arsenid
(GaInAs) bestehen. Zwischen den beiden DBR-Spiegeln 1 und 2 sind weitere
Abstandhalter 10 vorgesehen, die die Länge L der Kavität 3 im
nicht aktuierten Zustand bestimmen.
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Der
zweite DBR-Spiegel 2 ist im Ausführungsbeispiel entsprechend
ausgebildet, wobei die Schichtenperioden I bis IV Festkörperschichten 11 mit
Membranen 11a und Luftschichten 12 aufweisen, die
aus denselben Materialien wie die Schichten 4 und 5 hergestellt
sind, wobei die Schichten 11 allerdings im Gegensatz zu
den Schichten 4 eine n-Dotierung aufweisen. Die Membranen 4a sind
jeweils elektrisch miteinander verbunden, und dasselbe gilt für die Membranen 1la.
Wie die Membranen 4a des ersten DBR-Spiegels 1 sind
auch die Membranen 1la des zweiten DBR-Spiegels 2 mittels
Tragarmen bzw. Brücken 14 verschiebbar
am Grundkörper 6 montiert.
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Wie 1 bis 4 weiter
erkennen lassen, sind die Halteelemente 8 und Abstandhalter 9 des DBR-Spiegels 1 und
entsprechende Halteelemente und Abstandhalter des DBR-Spiegels 2 abwechselnd übereinander
auf dem Substrat 6 angeordnet. Dadurch bilden die Halteelemente
und Abstandhalter zusammen mit den Abstandhaltern 10 jeweils
einen Halteblock, mittels dessen die Membranen 4a, 11a beweglich
und mit Abstand am Substrat 6 gelagert sind. Je nach Bedarf
sind pro Spiegel 1, 2 jeweils m Membranen 4a bzw. 11a, h Halteblöcke 8, 9 und n Brücken 7, 14 vorhanden.
Dabei sind m, h und n ganze
Zahlen größer Null.
Im Ausführungsbeispiel
ist m = 4, h = 4 und n =
4. Die Zahl der pro Membran 4a, 11a vorgesehenen
Anzahl von Halteelementen 8 entspricht vorzugsweise der
Zahl der vorhandenen Halteblöcke.
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Im übrigen ist
angenommen, wie 1 zeigt, daß das Licht in Richtung eines
Pfeils v bzw. parallel zur
z-Achse eines gedachten Koordinatensystems auf das Bauelement auftrifft,
während
die Schichten 4, 5 bzw. 11, 12 bzw.
deren Mittelebenen und mit ihnen die Brücken 7, 14 bzw.
deren Achsen in einem nicht aktuierten Zustand bzw. bei nicht ausgelenkten Membranen 4a, 11a im
Wesentlichen in senkrecht zur z-Achse angeordneten, d. h. zur xy-Ebene
des gedachten Koordinatensystems parallelen Ebenen liegen.
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Die
Wirkungsweise des Bauelements nach 1 bis 3 ergibt
sich aus 4, in der ein Zustand gezeigt
ist, in dem sich die DBR-Spiegel 1 und 2 in einem
aktuierten Zustand befinden. Das Bauelement ist hierbei als sogenanntes
Fabry-Perot-Filter ausgebildet. Es ist angenommen, daß an die
beiden DBR-Spiegel 1 und 2 mittels einer Spannungsquelle 15 eine
elektrische Spannung derart angelegt ist, daß nach Art eines Kondensators
der DBR-Spiegel 1 negativ und der DBR-Spiegel 2 positiv
geladen wird und sich die Membranen 4a, 11a beider
DBR-Spiegel 1 und 2 daher elektrostatisch anziehen.
Dadurch hat die Länge
der Kavität 3 nur
noch das Maß L–ΔL mit der
Folge, daß jetzt
für eine
andere Wellenlänge
die Transmissionsbedingung erfüllt
ist. Durch Änderung der
angelegten Spannung kann das Filter außerdem so durchgestimmt werden,
daß es
bei entsprechender Einstellung des Wertes ΔL für weitere Wellenlängen durchlässig wird.
Durch Variation der mit der Spannungsquelle 15 angelegten
Potentiale kann die Transmissionswellenlänge innerhalb des Durchstimmbereichs
somit kontinuierlich eingestellt werden. In 4 ist exemplarisch
der Fall gezeigt, in dem sich die Membranen 4a, 11a beider
DBR-Spiegel 1 und 2 wegen der identischen Ausbildung
beider DBR-Spiegel 1 und 2 in entsprechender Weise
bewegen. Durch geeignete Modifikationen (z. B. in den Schichtdicken)
sind auch unsymmetrische Aktuationen möglich. Außerdem wäre es möglich, jeweils nur die Membranen
eines der DBR-Spiegel beweglich zu lagern.
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Falls
die Membranen 4a und 11a aus dielektrischen bzw.
nicht-leitenden Materialien bestehen, sind beide DBR-Spiegel 1 und 2 mit
an ihnen anhaftenden Elektroden versehen, damit sie mittels der steuerbaren
Spannungsquelle 15 (4) in derselben
Weise aufgeladen werden können,
wie oben beschrieben wurde. Alternativ können die Membranen 4a, 11a aber
auch auf andere Weise, z. B. thermisch aktiviert werden, indem auf
den Brücken 7, 14 Dünnfilm-Heizelemente
aufgebracht und mit diesen durch Temperaturänderungen Längenänderungen induziert werden.
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Bauelemente
der beschriebenen Art, ihre Wirkungsweise und ihre Herstellung sind dem
Fachmann z. B. aus den oben genannten Dokumenten "Potential for micromachined
actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic devices", "Record tuning range
of InP-based multiple air-gap MOEMS filter" und den darin genannten weiteren Druckschriften
bekannt.
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5 zeigt
perspektivisch ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Ausbildung
von Festkörperschichten
aus Membranen 16, Halteelementen 17 und 18 sowie
beide verbindenden, flexiblen Brücken 19.
Dabei weisen die Membranen 16 und die Halteelemente 17 kreisrunde
Querschnitte auf, während das
Halteelement 18 über
einen Bogen von z. B. 45° bis
90° erstreckt
ist. Außerdem
sind insgesamt fünf Brücken 19 vorhanden,
wobei drei Brücken 19 mit
je einem der Halteelemente 17 verbunden sind, während die
beiden restlichen Brücken 19 in
dasselbe Halteelement 18 übergehen. Daraus ergibt sich,
daß die
Achsen der fünf
Brücken 19 gleiche
Winkelabstände
aufweisen und daher Winkel von ca. je 72° zwischen sich einschließen. In
Abhängigkeit
vom verwendeten Material und anderen Parameter können die Brücken 19 aber auch
ganz andere und insbesondere unterschiedliche Winkel zur x- bzw.
y-Achse des gedachten Koordinatensystems einnehmen.
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Unterhalb
der Halteelemente 18 sind in 5 schematisch
den Abstandhaltern 9 in 1 entsprechende
Abstandhalter 20, 21 angeordnet, die zweckmäßig dieselben
Umfangskonturen wie die Halteelemente 17, 18 aufweisen.
Damit soll angedeutet werden, daß 5 auch ein
Bauelement betreffen kann, das nicht nur die einzige dargestellte Struktur
aufweist, sondern analog zu 1 mit einer Mehrzahl
von derartigen, übereinander
liegenden Strukturen versehen ist. Die Halteelemente 17, 18 und
Abstandhalter 20, 21 bilden wiederum der Fixierung
der Membran 16 an einem Substrat bestimmte Halteblöcke.
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Dasselbe
gilt für
das schematisch in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel
einer Struktur aus Festkörperschichten
mit Membranen 24, Halteelementen 25 und beide
verbindenden Brücken
bzw. Tragarmen 26. Im Gegensatz zu 2 sind die
optisch und/oder elektronisch wirksamen Membranen 24 in
der Draufsicht quadratisch statt kreisförmig ausgebildet. Die zwei
statt vier vorhandenen Halteelemente 25 erstrecken sich
jeweils über
einen ca. 90° langen
Bogen. Die Brücken 26 mit
Achsen 27 bzw. 28 sind parallel zur x- bzw. y-Achse
des gedachten Koordinatensystems angeordnet, wobei je zwei benachbarte
Brücken 26 mit
einem zugeordneten Halteelement 25 verbunden sind. Beim
Ausführungsbeispiel nach 2 sind
dagegen Achsen 29, 30 der Brücken 7 parallel zu
Linien angeordnet, die mit der x- und y-Achse jeweils Winkel von
ca. 45° einschließen, und mit
je einem von den vier Halteelementen 8 verbunden.
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Im übrigen ist
klar, daß die
Achsen 27, 28 bzw. 29, 30 zweckmäßig eine
Ebene aufspannen, in denen auch nicht gezeigte Mittelebenen der
Membranen 24 bzw. 4 und Halteelemente 25 bzw. 8 liegen und
die zumindest im nicht aktuierten bzw. nicht ausgelenkten Zustand
der Membranen 24 bzw. 4 im Wesentlichen senkrecht
zur z-Achse stehen. Die Brücken 7, 19 und 26 bestehen
dabei meistens aus dünnen,
stabförmigen
und daher leicht biegbaren Elementen.
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Die
Herstellung der anhand der 1 bis 6 beschriebenen
Bauelemente erfolgt vorzugsweise mit Hilfe der oben beschriebenen
Opferschichttechnologie dadurch, daß auf dem Substrat 6 zunächst durch
bekannte Abscheidungstechniken wie z. B. verschiedene Epitaxieverfahren
(z. B. MOCVD = Metalorganic Chemical Vapor Deposition) od. dgl.
zunächst
abwechselnd Halbleiterschichten und Opferschichten aufgebracht werden.
Anschließend
wird der so erhaltene Baustein mit üblichen Maskierungs- und Ätztechniken
vertikal, d. h. durch Ätzen
in z-Richtung strukturiert, um die Grundform z. B. der Membranen 4a und 11a,
Brücken 7 und 14, Halteelemente 8 und
Abstandhalter 9 auszubilden, wobei die Abstandhalter noch
analog zu 2 durch Opferschichtmaterial
durchgehend miteinander verbunden sind. Im Anschluß daran
werden z. B. die Membranen 4a, 11a und Brücken 7, 14 gemäß 2 lateral,
d. h. senkrecht zur z-Achse mit einem geeigneten Ätzmittel
wie z. B. Eisenchlorid (FeCl3/H2O)
unterätzt,
um dadurch die aus 1 ersichtlichen Luftschichten 5, 12 auszubilden
bzw. die Membranen 4a, 11a und Brücken 7, 14 so freizulegen,
daß sie
die gewünschten
Bewegungen in z-Richtung ausführen können. Dabei
werden die Seitenkanten der zunächst
noch vollständig
vorhandenen Opferschichten zweckmäßig mit geeigneten Masken abgedeckt,
damit dort die Abstandhalter 9 erhalten bleiben.
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Erfindungsgemäß werden
die Brücken 7, 14, 19 und 26 in
den jeweils von ihnen gebildeten Ebenen mit kristallografischen
Vorzugsrichtungen angeordnet, die sich bei dem derzeit für am besten
gehaltenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung von allen anderen möglichen Richtungen dadurch
unterscheiden, daß sie
die kleinsten Verformungsneigungen der Brücken 7, 14, 19, 26 in
Richtung der dazu senkrechten Achse, d. h. der z-Achse zur Folge
haben. Dabei müssen
aber nicht alle vier bzw. fünf
in 2, 5 und 6 dargestellten
Vorzugsrichtungen jeweils zur absolut kleinsten Verformungsneigung
führen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bringt es vielmehr bereits
Vorteile, wenn die gewählten
Vorzugsrichtungen zu kleineren Verformungsneigungen führen, als
dies für
die meisten anderen Richtungen gilt. Außerdem sollten wenigstens jeweils
einige der vorhandenen Brücken
besonders kleine Verformungsneigungen aufweisen.
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Um
hierbei sicherzustellen, daß die
Brücken 7 die
gewünschten
Orientierungen erhalten, wird erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen.
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Es
wird zunächst
ein Verformungsfächer 32 (7 und 8)
hergestellt, der einen mittleren Tragkörper 33 aufweist,
von dem eine Mehrzahl von radialen Biegebalken 34 wegragt,
deren eine Enden mit dem Tragkörper 33 verbunden
sind und deren entgegengesetzte Enden frei liegen. Im Ausführungsbeispiel
der 7 und 8 ist angenommen, daß der Tragkörper 33 in
vier übereinander
angeordneten Ebenen mit derartigen Biegebalken 34 versehen
ist, die analog zum DBR-Spiegel 1 nach 1 dreieinhalb
in einer gedachten z-Richtung übereinander
liegende Schichtenperioden bilden, die gemäß 7 in der
Draufsicht sternförmige
Strukturen haben. Der Verformungsfächer wird nach dem derzeit für am besten
gehaltenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung dadurch hergestellt, daß auf einem Substrat 35 zunächst in
z- Richtung eines
gedachten Koordinatensystems abwechselnd Halbleiterschichten 36 und
Opferschichten 37 aufgebracht werden. Im Anschluß daran
erfolgt wie bei der Herstellung des Bauelements nach 1 und 4 und
unter Anwendung derselben Techniken eine in z-Richtung fortschreitende
Strukturierung, durch welche die zwischen den einzelnen Biegebalken 34 befindlichen Bereiche
der Schichten 36, 37 entfernt und die äußeren Konturen
der Biegebalken 34 sowie des Tragkörpers 33 festgelegt
werden. Schließlich
werden, ebenfalls analog zu 1 bis 4,
die zwischen den Biegebalken 34 bzw. zwischen diesen und
dem Substrat 35 befindlichen Bereiche der Opferschichten 37 durch
laterales Ätzen
entfernt, wobei durch die Dauer des (Unter-)Ätzschritts oder durch geeignete
Masken sichergestellt wird, daß die
Opferschichten 37 im Bereich des Tragkörpers 33 im Wesentlichen
erhalten bleiben und zu den Abstandhaltern 9 (1)
analoge Abstandhalter bilden.
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Der
Verformungsfächer 32 wird
auf die beschriebene Weise nicht nur unter Anwendung derselben Techniken,
sondern auch unter Anwendung derselben Materialien wie das Bauelement
nach 1 bis 4 hergestellt, d. h. die Halbleiterschichten 36 bestehen
z. B. aus InP und die Opferschichten 37 aus GaInAs. Daher
kann davon ausgegangen werden, daß sich im fertig prozessierten
Verformungsfächer 32 im
Wesentlichen dieselben Spannungsverhältnisse wie im Bauelement nach 1 bis 4 ergeben,
allerdings mit dem Unterschied, daß die radial außen liegenden
Enden der Biegebalken 34 freiliegen. Die Biegebalken 34 werden
sich daher in Abhängigkeit
von der kristallografischen Orientierung, mit der sie in der xy-Ebene
angeordnet sind, senkrecht dazu deformieren. Dabei werden sich in
Abhängigkeit
von den Spannungsverhältnissen
im Kristall ganz unterschiedlich große Verformungen ergeben. Dies
ist in 8 beispielhaft dadurch angedeutet, daß sich die äußeren Enden
der in 7 in Richtung der negativen x-Achse (Pfeil xy1)
erstreckten Biegebalken 34a um ein verhältnismäßig großes Maß h1 (8) verbiegen,
wohingegen die äußeren Enden der
gemäß 7 in
Richtung eines Pfeils xy2 erstreckten, z. B. unter einem Winkel
von ca. 30° zur positiven
x-Achse angeordneten Biegebalken 34b um ein verhältnismäßig kleines
Maß h2
(8) verformt sind. In den übrigen aus 7 ersichtlichen Richtungen
werden sich ebenfalls charakteristische, mehr oder weniger große Ver formungen
für die
Biegebalken 34 ergeben.
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Erfindungsgemäß werden
die aus 8 ersichtlichen Verformungen
als Maß für die Verformungsneigung
z. B. der Brücken 7 in 2 angesehen,
wenn diese in derselben Weise wie die Biegebalken 34 im
Verformungsfächer 32 orientiert
sind. Daher werden erfindungsgemäß nach der
Fertigstellung des Verformungsfächers
zunächst
die Verformungen aller Biegebalken 34 mit einem Mikroskop, Interferometer
od. dgl. gemessen und katalogisiert. Im Anschluß daran werden diejenigen Biegebalken 34 selektiert,
die sich durch eine minimale Verbiegung auszeichnen, und die Richtungen
dieser Biegebalken 34 (7) werden
dann als die erfindungsgemäß zu verwendenden
kristallografischen Vorzugsrichtungen definiert. Schließlich werden
diese kristallografischen Vorzugsrichtungen bei der Herstellung des
Bauelements nach 1 bis 4 in der
Weise berücksichtigt,
daß jede
Brücke
(z. B. 7 in 2) jeweils in einer dieser Vorzugsrichtungen
orientiert wird. Mit anderen Worten wird für die Lage der Brücken 7 (bzw.
deren Achsen 29, 30) in 2 eine Orientierung
gewählt,
in der sich beim Verformungsfächer 32 nach 7 und 8 eine
möglichst
kleine Verbiegung des zugehörigen
Biegebalkens 34 ergibt.
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Dies
ist z. B. aus 2 und 7 wie folgt ersichtlich:
Es sei angenommen, daß der
Verformungsfächer 32 nach 7 zu
vier Vorzugsrichtungen führt,
die durch Biegebalken 34c bis 34f definiert sind. Übertragen
auf 2 bedeutet das, daß eine Brücke 7a in derjenigen
Richtung angeordnet wird, in welcher in 7 ein Biegebalken 34c zeigt.
In gleicher Weise entspricht die Lage der Brücken 7b bis 7d in 2 den
Ausrichtungen der Biegebalken 34d, 34e bzw. 34f in 7.
Schließlich
liegen die Halteelemente 8 bzw. die mit diesen und den
Abstandhaltern gebildeten Halteblöcke im fertigen Bauelement (2)
jeweils dort, wo in 7 die freien Enden der Biegebalken 34c bis 34f des
Verformungsfächers 32 liegen.
Das Design eines Bauelements mit einer mittleren Membran 4a (2)
erfolgt daher anhand der mit dem Verformungsfächer 32 erhaltenen
Vorzugsrichtungen in der Weise, daß die Biegebalken 34c bis 34f entsprechend 7 auf
ein gemeinsames, an die Membran 4a grenzendes Zentrum gerichtet
und an denjenigen Enden, an denen sich in 7 die freien Enden
der Biegebalken 34c bis 34f befinden, zusätzlich mit
den Halteelementen 8 versehen werden. Dadurch ergeben sich
an den Orten der Membran 4a und der Haltelemente 8 bzw.
Halteblöcke 8, 9 dieselben
günstigen
Verformungen wie für
die Biegebalken am Ort des Tragkörpers 33 des
zugehörigen
Verformungsfächers 32.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren ist es im Prinzip gleichgültig, ob
alle anhand des Verformungsfächers 32 ermittelten
Vorzugsrichtungen gleich gut sind oder Unterschiede im Hinblick
auf die Verformungsneigungen der Brücken 7 aufzeigen.
Wichtig ist, daß es
die Erfindung erstmals ermöglicht,
einen einfach meßbaren
Zusammenhang zwischen der Verformungsneigung und der kristallografischen
Orientierung der Brücken
herzustellen und anhand dieses Zusammenhangs die im Einzelfall für zweckmäßig gehaltenen
Orientierungen für
die Brücken
auszuwählen.
Dabei versteht sich, daß einerseits
die Zahl der Brücken
möglichst
klein gehalten werden sollte, um eine gute Beweglichkeit der Membranen 4 bei
ihrer Aktuierung zu gewährleisten,
andererseits z. B. vier Brücken
sicherstellen, daß keine
Twisteffekte eintreten, wie dies sowohl beim Vorhandensein von nur
einer Brücke
als auch beim Vorhandensein von zwei Brücken unvermeidbar ist. In dieser
Hinsicht wird daher die Anwendung von vier Brücken bisher für am besten
gehalten.
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Im übrigen ist
klar, daß es
auch Fälle
geben kann, in denen der Verformungsfächer 32 zu mehr Vorzugsrichtungen
mit kleinen Verformungen führt, als
Brücken
im Bauelement erforderlich bzw. erwünscht sind. Das stellt jedoch
kein ernsthaftes Problem dar, da nicht für alle als gut erwiesenen Vorzugsrichtungen
auch eine Brücke 7 vorgesehen
werden muß.
Umgekehrt kann es aus konstruktiven oder funktionalen Gründen erwünscht oder
erforderlich sein, eine Brücke
nicht in einer optimalen Vorzugsrichtung anzuordnen. Auch das stellt
in der Regel kein Problem dar, da zumindest die jeweils anderen Brücken ideal
oder weitgehend ideal orientiert und dadurch die Eigenschaften des
betreffenden Bauelements optimiert werden können.
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Entsprechend
kann bei der Gestaltung der Ausführungsbeispiele
nach 5 und 6 vorgegangen werden. Daraus
ist ersichtlich, daß auch
Verformungsfächer 32 denkbar sind,
deren Tragkörper 33 andere
als kreisrunde Querschnitte aufweisen.
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Während 7 und 8 ein
Ausführungsbeispiel
für einen
Verformungsfächer
zeigen, der in so vielen, parallel zur xy-Ebene angeordneten und
in z-Richtung übereinander
liegenden Ebenen Biegebalken 34 aufweist, wie ein entsprechendes
Bauelement Ebenen mit Brücken
und Membranen besitzt, zeigen 9 und 10 ein
Ausführungsbeispiel
für einen
Verformungsfächer 38,
der nur in einer einzigen Ebene mit Biegebalken 39 bzw. 40 versehen
ist. Dabei zeigt 9 einen Fall, bei dem zwei Biegebalken 39a, 39b vergleichsweise
stark verformt sind, wohingegen 10 denselben,
jedoch um die z-Achse verdrehten Verformungsfächer 38 mit zwei anderen
Biegebalken 40a, 40b zeigt, die in idealen kristallografischen
Vorzugsrichtungen angeordnet sind und keinerlei Verformung aufweisen.
Die Biegebalken 39, 40 stehen analog zu 7 und 8 von einem
Tragkörper 41 radial
ab, der seinerseits auf einem Substrat 42 fixiert ist.
Ein solcher Verformungsfächer
eignet sich insbesondere für
die Herstellung von Bauelementen, die nur eine Membran aufweisen,
die etwa analog zu 5 und 6 von mehreren
Brücken 19 bzw. 26 getragen
wird. Je nach Fall kann es jedoch auch im Hinblick auf das Bauelement nach 1 bis 4 ausreichend
sein, die Vorzugsrichtungen aller Brücken 7 mit dem Verformungsfächer 38 nach 9 und 10 zu
bestimmen.
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Zur
Vergrößerung der
Zahl der Biegebalken 34 pro Verformungsfächer und
der Zahl der aus dem Verformungsfächer ableitbaren Informationen
kann es zweckmäßig sein,
die Biegebalken in zwei oder mehr Ebenen anzuordnen und die Biegebalken
in jeder dieser Ebenen relativ zu denen in den anderen Ebenen um
einen vorgewählten
Winkel zu versetzen. Das kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn
verhältnismäßig breite
Biegebalken erwünscht sind,
deren Achsabstände
in Umfangsrichtung des Tragkörpers 33 aber
kleiner sein sollen, als ihrer Breite entspricht. Alternativ könnten in
diesem Fall auch zwei oder mehr separate Verformungsfächer mit
entsprechend versetzten Biegebalken und jeweils halber oder noch
weiter reduzierter Teilung vorgesehen werden.
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Die
Zahl der pro Verformungsfächer
vorhandenen Biegebalken ist im Prinzip nicht beschränkt. Sie
sollte jedoch z. B. wenigstens etwa fünfzehn betragen, um ausreichend
viele Informationen über günstige bzw.
ungünstige
Orientierungen zu erhalten. Dabei können die Biegebalken in Umfangsrichtung
des Tragkörpers 33 mit
gleichen oder unterschiedlichen Winkelabständen angeordnet sein. Außerdem wäre es möglich, Verformungsfächer für Biegebalken
mit unterschiedlichen Dicken, Längen und/oder
Breiten herzustellen, um daraus Informationen über bevorzugte Abmessungen
der Brücken
zu erhalten. Insbesondere bei komplexen Bauelementen wie z. B. denen
nach 1 könnte
es nämlich zweckmäßig sein,
z. B. die beiden DBR-Spiegel 1 und 2 mit unterschiedlich
beabstandeten und/oder gestalteten Brücken zu ersehen und/oder die
Brücken
des einen DBR-Spiegels anders als die Brücken des anderen DBR-Spiegels
anzuordnen oder zu dimensionieren, wenn auch die Ausbildung identischer Brücken 7 bei
beiden Spiegeln 1 und 2 meistens vorteilhaft ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere
für die
aus den Zeichnungen ersichtlichen Anordnungen und Ausgestaltungen
der verschiedenen Membranen, Brücken,
Halteblöcke
und Verformungsfächer.
Weiter ist die Erfindung nicht auf Bauelemente nach Art von Filtern
(1 bis 4) beschränkt, sondern kann in entsprechender
Weise auch bei Bauelementen für
Laser, Detektoren, Sensoren od. dgl. angewendet werden. Dabei kann
es Fälle
geben, insbesondere bei sogenannten Cantilever-Anwendungen, in denen
nur eine einzige Brücke vorhanden
ist, die eine Membran in Form eines aktiven oder passiven Bauteils
mit einem Halteblock verbindet. Weiter ist es möglich, zur Herstellung der
Verformungsfächer
Materialien zu verwenden, die mit den zur Herstellung der Bauelemente
verwendeten Materialien nur ähnlich,
aber nicht identisch sind. Mit besonderem Vorzug wird der Verformungsfächer jedoch
aus einem Teil desselben Wafers hergestellt, aus dem auch die Bauelemente
gefertigt werden, wodurch sich der zusätzliche Vorteil ergibt, daß bei der Herstellung
des Verformungsfächers
von einer Halbleiterscheibe ausgegangen wird, die dieselbe Orientierung
(z. B. [010] oder [001]) wie im Bauelement hat. In jedem Fall bietet
die Erfindung den Vorteil, daß für verschiedene
Materialsysteme, unter schiedliche Substrat-Typen und unterschiedliche
Bauelemente je ein Verformungsfächer
hergestellt und anhand der erhaltenen Informationen sofort ein batch-prozeßfähiger Maskensatz
entworfen werden kann. Weiter kann die Erfindung auch auf Bauelemente
angewendet werden, bei denen die Luftschichten 5 nach 1 durch
Schichten aus einem beliebigen anderen Fluid ersetzt sind, wobei
das Fluid insbesondere ein Gas, aber auch eine Flüssigkeit
oder ein flüssigkristallines
Material sein kann. Je nach Fall kann ein solches Bauelement mit
einem gas- oder flüssigkeitsdichten
Gehäuse
umgeben werden. Schließlich
versteht sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und
dargestellten Kombinationen angewendet werden können.