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Die
Erfindung betrifft einen Mikrospiegel und ein Verfahren zu seiner
Herstellung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Zur
optischen Sensierung wird häufig
eine optische Abbildung vom Gegenstand (Urbild) zum sensierenden
Element (Bild) verlangt. Dies kann nach dem Stand der Technik mit
einer Mikrolinse bewerkstelligt werden, die einfallendes Licht in
die Bildebene fokussiert, wo sich das eigentliche Sensorelement
befindet, das beispielsweise ein Thermopile zur Infrarotsensierung
(Aufnahme von Körperstrahlung),
ein Bolometer oder ein Halbleiterdetektor für Infrarot sein kann. Das eigentliche
Sensorelement kann dabei auch aus einem Pixelarray aus sensierenden
Einzelzellen nach Art einer Kamera bestehen. Falls lediglich ein
einzelnes Sensorelement verwendet wird, kann eine Ortsauflösung durch
periodisches Abtasten des relevanten Gegenstandsbereiches durch
ein zusätzliches
abtastendes Element erfolgen. Dies kann beispielsweise eine periodische Bewegung
der Mikrolinse oder eine Schwingung der Mikrolinse sein, wobei die
Zuordnung des detektierten Intensitätssignals zur Ortskoordinate über eine zeitliche
Demodulation mit der Schwingungsbewegung des abtastenden Elementes
erfolgt.
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Die
Verwendung von Linsen liefert zwar die gewünschte Abbildung auf das Sensorelement,
sie erfordert aber speziell im infraroten Wellenlängenbereich
aufwendige Herstellungstechniken wie beispielsweise Plasmastrukturierungen.
Außerdem
weisen Linsen häufig
unvermeidbare Abbildungsfehler wie eine chromatische Aberration
auf.
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Ein
einfacherer Ansatz ist die Verwendung von Mikrospiegeln als fokussierende
Elemente. Ein derartiger abbildender Mikrospiegel ist bekannt aus der
Veröffentlichung „Micro-Electro-Mechanical
Focusing Mirrors",
IEEE, (MEMS 1998), Catalog. Nr. 98CH36176, Seite 460-465 von D.M.
Burns und V.M. Bright. Hierin wird ein Mikrospiegel aus konzentrischen
Ringen aus Polysilizium, die eine Breite von ca. 30 μm ausweisen,
zu einer freitragenden Membran mit einem Durchmesser von typischerweise
ca. 1 mm verbunden, wobei zwischen den einzelnen Ringen jeweils
ein Spalt von ca. 2 μm
verbleibt. Die Verbindung der einzelnen Ringe untereinander erfolgt punktuell
in diesen Spalten über
schmale Brücken aus
Polysilizium. Zur Erzeugung einer Verwölbung der Membran wird auf
die Ringe der Membran eine ca. 500 nm dicke Goldschicht aufgebracht,
so daß sich
die Membran über
eine induzierte mechanische Spannung zu einem sphärischen
Hohlspiegel verwölbt.
Die erzeugte verwölbte
Membran ist weiterhin über
vier oder acht Stege, die auch als Heizleiter dienen, mit einem
umgebenden Substrat elektrisch verbunden. Über die Heizleiter kann der
Membran und insbesondere der Goldschicht periodisch Wärme zugeführt werden,
so daß sich
der Krümmungsradius der
Membran und damit ihre Abbildungseigenschaften als Funktion der
Temperatur ändern.
Ein derartiger Mikrospiegel hat jedoch den Nachteil, daß die mikromechanische
Fertigung der konzentrischen Ringe und ihr Verbindung untereinander
sehr aufwendig ist. Außerdem
treten unerwünschte
Abbildungsfehler des Spiegels insbesondere bei Verwendung von monochromatischem
Licht auf, die auf Interferenzen aufgrund der periodischen Anordnung
der konzentrischen Ringe beruhen. Auch liegt die Membran zu ihrer
Stabilisierung mit dem Mittelpunkt auf dem Substrat auf und ist mit
den Stegen mit dem Substrat fixiert, so dass diese Membran nicht
schwingungsfähig
ist.
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Weiter
ist aus
FR 2 105 045 ein
Spiegel und ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels bekannt,
bei dem die Wölbung
der reflektierenden Membranfläche
durch eine in der Oberfläche
des Spiegelsubstrates permanent induzierte mechanische Spannung
erzeugt wird. Die mechanische Spannung wird dabei durch Fremdatome
in der Oberfläche
des Spiegelsubstrates verursacht, wobei die Fremdatome einen größeren Atomradius
als die Atome des Substrates aufweisen. Der Durchmesser der so hergestellten
Spiegel beträgt
einige 10 cm bis einige Meter. Eine Anordnung zur Anregung einer Schwingbewegung
der makroskopischen Spiegeln ist nicht vorgesehen.
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Schließlich wird
in der Veröffentlichung „Variable
Focal Length Microelectromechanical Lens", SPIE, Vol. 3289 April 1998, Seite
171-176 von M. J. Mescher, M. L. Reed und T. E. Schlesinger eine
Mikrobrücke
vorgestellt, die in der Mitte der Brücke eine definierte Krümmung aufweist
und so als eine fokussierende Linse dienen kann. Über eine
piezoelektrische Schicht in der Mikrobrücke ist eine kontrollierte Änderung
der Krümmuung
möglich.
Da beide Enden der Mikrobrücke
mit dem Substrat fest verbunden sind, führt die Mikrobrücke keine
Torsionsschwingungen aus.
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Hingegen
wird in
DE 42 24 599
A1 ein plättenförmiger,
als Ablenkelement dienender Membranspiegel beschrieben, wobei das
plättenförmige Element
an Torsionselementen in Bezug auf ein Grundelement schwenkbar gelagert
ist. Zum Antrieb für
die Drehbewegung wird ein elektrostatisches Feld zwischen am Grundelement
angeordneten Elektroden und dem schwenkbaren Element gebildet. Es
werden in der Schrift weiter Maßnahmen
diskutiert, die einer Verformung der optisch wirksamen Oberfläche des plättenförmigen Membranspiegels
entgegenwirken und so die ebene Form der Spiegelfläche stabilisieren.
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Ebenso
ist aus
DE 42 35 593
A1 ein Spiegel mit einer mikromechanischen Ablenkeinheit
bekannt, wobei die Auslenkung des Spiegels durch elektrostatische
Kräfte
erfolgt. Der mit einem Rahmen kardanisch aufgehängte Spiegel ist zur Ablenkung
von beispielsweise Lichtstrahlen geeignet, jedoch ist mit dem ebenen
Spiegel eine Fokussierung der Strahlen weder möglich noch vorgesehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikrospiegel zu schaffen,
mit dem sowohl eine Fokussierung als auch eine Ablenkung von Strahlen ermöglicht wird,
und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spiegels bereitzustellen.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Mikrospiegel
mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, daß Fokussier- und
Ablenkfunktion in einem einzigen Mikrospiegel vereint sind.
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Weiterhin
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
das Herstellen von solchen Mikrospiegeln durch eine Kombination
von Prozess-Schritten, die an sich bekannt sind.
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Die
Erfindung sieht vor, daß die
abbildende Funktion des Mikrospiegels mit einer ablenkenden Funktion
kombiniert wird. Mit der ablenkenden Funktion kann der Urbildbereich
des Mikrospiegels abgerastert werden. Dazu wird die verwölbte Membran des
Mikrospiegels als freitragende Membran aus einem Tragkörper herausstrukturiert,
die über
mindestens einen Steg federnd mit dem verbliebenen Rest des Tragkörpers verbunden
ist. In dem Fall, daß die Membran
beispielsweise über
zwei einander gegenüberliegende
Stege federnd mit dem verbliebenen Teil des Tragkörpers verbunden
ist, kann bei geeigneter Dimensionierung der Federstege, eine Torsion um
die durch die Stege definierte Achse ausgeführt werden. Bei dieser, an
sich bekannten Technik, können
beispielsweise zwei oder vier Zusatzelektroden verwendet werden,
die vermöge
elektrischer Feldkräfte
bzw. elektrostatischer Kräfte,
die aus einer an die Elektroden und/oder an die Membran angelegten elektrischen
Spannung resultieren, die Membran zu einer Torsionsschwingung anregen.
Im Falle einer Torsionsachse nach Art eines einachsigen Schwingspiegels
erhält
man somit einen abbildenden Mikrospiegel, der seine Umgebung entlang
einer Urbildgeraden abrastert und beispielsweise auf ein sensierendes
Element wie beispielsweise eine Photozelle abbildet.
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Wird
die Membran über
vier Stege, die paarweise koaxial unter einem Winkel von 90° angeordnet
sind, freitragend federnd mit dem verbleibenden Teil des Tragkörpers verbunden,
kann der Mikrospiegel in weiterer vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung um zwei Torsionshauptachsen über angebrachte Elektroden
zum Schwingen angeregt werden und somit seine Umgebung innerhalb
einer Urbildebene abrastern. Dazu werden dann beispielsweise zwei Elektrodenpaare
für einen
elektrostatischen Schwingungsantrieb unter der Membran benötigt. Das
Abrastern entlang der Urbildebene kann dabei analog zu einer Vidiconröhre in Zeilen
und Spalten erfolgen, derart daß eine
schnelle Schwingung um eine Torsionsachse beispielsweise das Zeilenraster
besorgt, während
eine langsame überlagerte
Schwingung um die andere Torsionsachse bewirkt, daß jede Zeile
höher oder
tiefer als die vorhergehende Zeile erfolgt, so daß sich eine überlagerte
spaltenweise Abtastung ergibt. Es ist weiterhin sehr vorteilhaft
möglich,
im Falle einer zu analysierenden Situation in einem Kraftfahrzeug
eine für
den speziellen Fall angepaßte
Abtaststrategie einzusetzen, wie zum Beispiel eine Abtastung der
Umgebung auf Bahnkurven nach Art einer Lissajou-Figur oder eine
Konzentration der Abtastung auf besonders signifikante Bereiche.
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Mit
Hilfe der beschriebenen Techniken kann so die gesamte Umgebung des
Mikrospiegels als Urbildebene abgerastert werden und beispielsweise eine
detektierte Infrarothelligkeitsinformation einem sensierenden Element
sequentiell zugeführt
werden, wobei gleichzeitig das erhaltene Intensitäts-Zeit-Signal
in an sich bekannter Weise mit dem Schwingungssignal demoduliert
wird, um den Ort zu errechnen, der zu dem erhaltenen Intensitäts-Zeitsignal
gehört.
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Der
Mikrospiegel lässt
sich relativ leicht und in größerer Stückzahl mit
ausreichend hohem und leicht einstellbarem Krümmungsradius, insbesondere
unter Verwendung bekannter Verfahren aus der Siliziumtechnik in
sehr vielfältiger
Form der eigentlichen Spiegelfläche
bzw. Membran herstellen und verfügt
zudem über
hervorragende Abbildungseigenschaften. Dabei wird eine Membran verwendet,
die einen monolithischen Membrangrundkörper aufweist und die durch
permanent induzierte Spannungen verwölbt ist. Der Membrangrundkörper ist
vorteilhaft mit zumindest einer auf den Membrangrundkörper aufgebrachten
oder innerhalb des Membrangrundkörpers
erzeugten Schicht versehen, die die mechanische Spannung induziert.
Diese Schichten sind weiterhin sehr vorteilhaft untereinander und
mit dem Membrangrundkörper
flächig
fest verbundenen. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl von möglichen
Herstellungsparametern wie die Form der Membran, der jeweils gewählte Schichtaufbau
bzw. Schichtabfolge innerhalb der Membran, der Krümmungsradius
und die optischen Eigenschaften der Oberfläche der Membran, die eine einfache
und gezielte Anpassung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels an die jeweilige
Verwendung erlauben.
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Weiter
eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Mikrospiegeln mit
weitgehend beliebigen Formen der verwölbten Membran. So kann diese
die Form eines verwölbten
Kreises, Quadrates oder einer Ellipse haben bzw. einen Hohlspiegel
formen. Die Form der verwölbten
Membran kann dabei in sehr einfacher Weise über an sich bekannte Verfahren
zur Strukturierung und Ätzung
von Silizium unter Verwendung geeigneter Ätzmaskierungen aus einem Tragkörper heraus
erfolgen.
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Aufgrund
seiner guten Abbildungseigenschaften und seines einfachen Herstellungsverfahrens,
das sich mühelos
in bekannte Verfahren aus der Siliziumstrukturierung in der Mikromechanik
integrieren läßt, kann
der erfindungsgemäße Mikrospiegel
somit insbesondere sehr vorteilhaft und preisgünstig als Scanner, bei Baulaseranwendungen
oder in der optischen Innenraumsensierung von Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Maßnahmen.
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So
kann der Krümmungsradius
der Spiegelmembran und somit die Abbildungseigenschaften des Mikrospiegels
sehr einfach dadurch eingestellt werden, daß man eine tensil verspannte
Schicht auf einen Membrangrundkörper
aufbringt, so daß sich der
dadurch entstehende Schichtkörper,
der die Spiegelmembran bildet, verwölbt, wobei über die Wahl des Materials
der tensil verspannten Schicht, des Verfahrens zum Aufbringen dieser
Schicht und der Dicke der Schicht gezielt der der Grad Verwölbung der
Membran oder des Membrangrundkörpers eingestellt
werden kann. Im übrigen
ist es natürlich auch
möglich,
anstelle einer tensil verspannten Schicht, die eine permanente Zugspannung
induziert, eine oder mehrere Schichten auf den Membrangrundkörper aufzubringen
oder innerhalb des Membrangrundkörpers
zu erzeugen, die eine permanente Druckspannung induziert, so daß sich eine
Verwölbung
der Membran in umgekehrter Richtung bzw. mit umgekehrtem Vorzeichen
ergibt.
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Wenn
der erzeugte Mikrospiegel beispielsweise ein sphärischer Hohlspiegel ist, wird
dieser hinsichtlich seine r Abbildungseigenschaften nur durch den
Grad der Verwölbung
und die Dicke und die intrinsische Zugspannung der aufgebrachten
tensil verspannten Schicht bestimmt. Damit kann der erfindungsgemäße Mikrospiegel
sehr vorteilhaft eingesetzt werden, um ein Urbild auf einen optischen Strahlungssensor
oder ein Sensorarray abzubilden, wobei im Gegensatz zu einer Linse
keine Abbildungsfehler durch chromatische Aberration auftreten.
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Um
den Mikrospiegel als Infrarotstrahlungsreflektor verwenden zu können, muß zumindest
dessen Membran als abbildendes Element mit einer eine Infrarotstrahlung
reflektierenden Schicht beschichtet werden, da Silizium im Infraroten
transparent ist. Dabei hat sich die Verwendung einer Goldschicht
als tensil verspannter Schicht auf dem Membrangrundkörper als
besonders vorteilhaft herausgestellt, da damit sowohl die erforderliche
tensile Verspannung, und somit die Verwölbung in einfacher Weise eingestellt
werden kann, als auch günstige
optische Eigenschaften des hergestellten Hohlspiegels hinsichtlich Infrarotreflektivität erzielt
werden. Eine Goldschicht ist beispielsweise ein idealer Infrarotstrahlungsreflektor
und zudem chemisch sehr umweltbeständig. Die genauen Spiegelparameter
lassen sich somit bei gegebener intrinsischer Schichtspannung leicht über die
Dicke der aufgebrachten Goldschicht einstellen.
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Weiterhin
ist es sehr vorteilhaft möglich,
die Membran aus einer Kombination von mehreren, aus unterschiedlichen
Materialien zusammengesetzten, zumindest teilweise tensil verspannten
Schichten aufzubauen. So weisen beispielsweise generell aufgedampfte
Metallschichten eine hohe tensile Eigenspannung auf und eignen sich
damit nahezu unabhängig
vom Metall vielfach für
das erfindungsgemäße Verfahren.
Bei gesputterten Metallschichten entscheiden wesentlich die Sputterparameter
und eine vorgenommene thermische Nachbehandlung der aufgesputterten
Metallschicht über
die intrinsischen Streßeigenschaften.
Somit hat der Fachmann die Wahl unter verschiedenen Verfahren zum
Aufbringen der tensil verspannten Schicht und kann entweder das
gerade bei ihm verfügbare
Verfahren einsetzen oder anhand einiger Vorversuche die für die geplante Verwendung
des Spiegels optimale Methode ermitteln. Als sehr vorteilhaft hat
sich das Aufdampfen von Metallschichten und insbesondere von Gold
erwiesen.
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Bei
einer Kombination von mehreren Schichten kann in vorteilhafter Weise
zur Einstellung eines gewünschten Spannungszustandes
der Membran zunächst
beispielsweise auf einem Membrangrundkörper aus Silizium eine zugverspannte
Schicht aus beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, einer Kombination
beider Materialien oder einem siliziumreichen Siliziumoxid von ausreichender
Dicke aufgebracht werden, welche die benötigte tensile Spannung liefert.
Anschließend
kann darüber
dann eine dünne
Goldschicht als optisch im Infraroten reflektierende Schicht aufgebracht
werden, die die Gesamtspannung auf der Membran nicht signifikant ändert. Die
Goldschicht kann selbstverständlich
auch dicker gewählt
werden, wenn man ihr Spannungsverhalten in die Gesamtkalkulation
mit einbezieht, so daß die gesamte
Schichtstruktur der Membran das gewünschte, für die Hohlspiegelfunktion optimale
Spannungsverhalten aufweist.
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Weiterhin
ist es sehr vorteilhaft, daß die
Erzeugung mechanischer Spannungen in der Membran des Mikrospiegels
auch über
eine Dotierung mit Fremdatomen mit vom Wirtsgitter unterschiedlichem, insbesondere
kleinerem Atomradius erfolgen kann, wobei die Membran zunächst aus
einem monolithischen Membrangrundkörper besteht, der dann oberflächlich dotiert
wird. Somit bildet sich ein Konzentrationsgradient und eine dotierte
Oberflächenschicht
in dem Membrangrundkörper
aus, was über
die unterschiedlichen Atomradien zu mechanischen Spannungen in dem
Membrangrundkörper
und somit auch der erzeugten Membran führt und diese verwölbt. Dieses
Verfahren zur Erzeugung von permanenten intrinsischen mechanischen
Spannungen hat gegenüber
aufgebrachten tensilen Schichten den Vorteil, daß die erzeugte Membranverwölbung weitgehend temperaturunabhängig ist,
da keine unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Schichten auftreten. Weiterhin können damit
die optischen Eigenschaften des Mikrospiegels weitgehend unabhängig von
den mechanischen Eigenschaften der gegebenenfalls benötigten Reflexionsschichten
gewählt
werden. Sehr vorteilhaft ist auch, daß die Erzeugung von mechanischen Spannungen über eine
Dotierung mit den in der Halbleitertechnik üblichen Prozessen kompatibel
ist und daß die
induzierte mechanische Spannung in weiten Grenzen über die
Variation der Dotierstoffkonzentration, der Eindringtiefe, über einen
nachfolgenden Temperprozeß zur
Veränderung
der Eindringtiefe oder die Auswahl geeigneter Dotierstoffmaterialien eingestellt
werden kann.
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Weiterhin
ist es in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung in einfacher
Weise möglich,
einen rasternden Mikrospiegel mit einer Anordnung von mehreren sensierenden
Elementen wie beispielsweise Photozellen oder Infrarotdetektoren
in Form eines Pixelarrays zu kombinieren, womit sich die räumliche Auflösung in
der vom Mikrospiegel erfaßten
Urbildebene erheblich verbessert. Beispielsweise kann man sehr vorteilhaft
in einer Raumrichtung mit einem Pixelzeilenarray arbeiten und die
zweite Raumrichtung gleichzeitig über den rasternden Mikrospiegel
erfassen. Dazu genügt
dann ein um eine Torsionsachse schwingender Mikrospiegel als einachsiger
Schwingspiegel. Besonders in der Kombination mit Pixelarrays geringer
Pixelzahl wie 1 × 16
Pixeln oder 2 × 8 Pixeln
ergeben sich so erhebliche Vorteile hinsichtlich räumlicher
Auflösung
und Detektionsgeschwindigkeit.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Die 1 bis 4 zeigen die Verfahrensschritte
zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Mikrospiegels
und 5 zeigt eine Draufsicht auf 4.
Die 6 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele
des Mikrospiegels.
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Ausführungsbeispiele
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Die 1 bis 5 erläutern ein
erstes Ausführungsbeispiel
des Mikrospiegels und eines Verfahrens zu seiner Herstellung. Zunächst wird
zur Herstellung des Mikrospiegels in Form eines sphärischen
Hohlspiegels 30 auf der Vorderseite eines Siliziumwafers,
der im weiteren als Tragkörper 10 für den Mikrospiegel
dient, zunächst
in die Waferrückseite
in an sich bekannter Weise über
Trocken- oder Naßätzverfahren
eine definierte quaderförmige
Aussparung 21 herausstrukturiert, so daß eine freitragende, gleichmäßige, dünne Siliziumfläche entsteht, die
in der Draufsicht eine rechteckige Form hat. Die Form dieser Aussparung 21 kann
jedoch auch, angepaßt
an die gewünschte
Form des Mikrospiegels, beispielsweise die Form eines Zylinders
haben, so daß sich
in der Draufsicht eine kreisförmige
Fläche
ergibt.
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Im
nächsten
Verfahrensschritt wird dann gemäß 2 auf
die noch unstrukturierte Vorderseite des Tragkörpers 10 eine tensil
verspannte Schicht 11 aufgebracht, d.h. eine Schicht, die
eine intrinsische permanente mechanische Schichtspannung aufweist,
die in ihrer Stärke
gezielt eingestellt wird. Durch die induzierte tensile mechanische
Spannung wird die freitragende dünne
Siliziumfläche
somit von innen nach außen
hin nach oben gewölbt,
sobald im weiteren Verfahrensschritt die Verbindung mit dem umgebenden
Tragkörper 10 zumindest
weitgehend unterbrochen wird. Dadurch entsteht die Form eines abbildenden
Hohlspiegels 30.
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Gemäß 3 wird
die freitragende dünne Siliziumfläche mit
der aufgebrachten tensil verspannten Schicht 11 in einem
nächsten Ätzschritt
in an sich bekannter Weise über
eine aufgebrachte Ätzmaskierung
aus dem umgebenden Tragkörper 10 freigelegt, so
daß unmittelbar
nach dem Freilegen eine über
die von der tensil verspannten Schicht 11 induzierten mechanischen
Spannungen verwölbte
Membran 20 (4) entsteht. Die Membran 20 besteht
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
aus einer Schichtstruktur mit einem Membrangrundkörper 15 als
Grundschicht, der beispielsweise aus Silizium besteht, und einer
tensil verspannten Schicht 11 (6). Das
Freilegen der Membran 20 aus dem Tragkörper 10 erfolgt so,
daß die
Membran 20 über
mindestens einen Steg 16 freitragend mit dem Tragkörper 10 verbunden bleibt
(5). Zur Erzeugung einer homogenen Verwölbung der
Membran 20 sind die Schicht 11 und der Membrangrundkörper 15 insbesondere
auf ihrer gesamten Berührungsfläche fest
miteinander verbunden.
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Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 ist die
Membran 20 über
zwei einander gegenüberliegende
Stege 16 federnd mit dem die Membran 20 umgebenden
Tragkörper 10 nach
der Art eines einachsigen Schwingspiegels verbunden, so daß die Membran Torsionsschwingungen
um die durch die Stege 16 definierte Achse ausführen kann.
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Nach
dem Freilegen der Membran 20 wird dann, wie in 4 weiter
dargestellt, der Tragkörper 10 mit
der damit freitragend verbundenen verwölbten Membran 20 rückseitig
in an sich bekannter Weise auf einem Substrat 12 befestigt.
Auf dem Substrat 12, das aus für die jeweilige Verwendung
angepaßten Materialien
wie Silizium, Glas, einem Polymer, einer Leiterbahnplatine oder
einem Metall besteht, sind zur Anregung von Torsionsschwingungen
zwei elektrisch voneinander getrennte Elektroden 13 angebracht,
an die über
nicht dargestellte elektrische Anschlüsse eine Wechselspannung angelegt
wird, so daß über die
Polung der Ladung der Elektroden auf die Membran 20 insbesondere
periodische elektrostatische Kräfte
wirken, die eine Torsion des Mikrospiegels um die durch die Stege 16 definierte
Achse bewirken. Zusätzlich
kann dabei in Weiterbildung der Erfindung auch an die Membran 20 über eine
entsprechende Oberflächenstrukturierung
des Wafers mit Leiterbahnen eine elektrische Spannung an die Membran 20 angelegt
werden, um diese Kräfte
zu verstärken
und die Membran 20 mit einer sich periodisch ändernden Ladung zu belegen.
Die Zuführung
dieser Ladung ist besonders einfach möglich, wenn die Stege 16 oberflächlich metallisiert
als Leiterbahnen verwendet werden und die Membran 20, wie
beispielsweise im Fall einer aufgebrachten Goldschicht, oberflächlich metallisiert
ist.
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Über die
von den Elektroden hervorgerufenen Kräfte bildet sich somit bei geeigneter
Wahl der Stärke
und Frequenz der elektrischen Wechselspannung – in Abhängigkeit von der jeweils gewählten Geometrie
wie beispielsweise Form des Spiegels, Abstand Elektroden-Spiegel,
Dicke der Stege und Geometrie der Elektroden – eine Torsionsschwingung des
Mikrospiegels aus.
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Im
erläuterten
Ausführungsbeispiel
bildet die Membran 20 die Form des sphärischen Hohlspiegels 30,
sie kann – in
Abhängigkeit
von der vorgenommenen Strukturierung der freitragenden Siliziumfläche – aber ebenso
die Form eines verwölbten
Quadrates, eines verwölbten
Rechteckes, einer verwölbten
Ellipse oder eines verwölbten
Kreises haben, so daß sich das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Hohlspiegeln mit allgemeiner Grundfläche, insbesondere
aber auch von sphärischen
Hohlspiegeln eignet. Die erzeugten Hohlspiegel 30 werden
hinsichtlich ihrer Abbildungseigenschaften insbesondere durch die
Form und den Grad der Verwölbung
der Membran 20 bestimmt.
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Die
aufgebrachte tensil verspannte Schicht 11 ist eine dünne Goldschicht,
die bei einem typischen Durchmesser der Membran 20 von
ca. 0,5 mm bis 5 mm und bei einer Dicke der Membran 20 von
ca. 1 μm
bis 50 μm
eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm hat. Die Goldschicht wird in an
sich bekannter Weise beispielsweise über Aufdampfen aufgebracht.
Die Schichtdicke bestimmt dabei sehr wesentlich den Grad der Verwölbung der
Membran 20.
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Neben
einer Goldschicht eignen sich auch eine Vielzahl anderer Materialien
und insbesondere Metalle zum Erzeugen der tensil verspannten Schicht 11.
Wesentlich ist jeweils nur eine gute Haftung auf der Membran 20,
eine homogene Schichtdicke, eine Verträglichkeit mit dem Material
des Membrangrundkörpers 15,
eine möglichst
einfache Abscheidetechnik und die Erzeugung von mechanischen Spannungen
in der tensil verspannten Schicht 11 über die Abscheidetechnik.
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Alternativ
kann die tensil verspannte Schicht 11 auch über Sputtern
aufgebracht werden. Aufdampfen hat dabei gegenüber Sputtern jedoch den Vorteil,
daß aufgedampfte
Metallschichten bereits generell hohe tensile Eigenspannungen aufweisen, während diese
bei gesputterten Metallschichten über die Sputterparameter und
eine thermische Nachbehandlung der aufgesputterten Schicht eingestellt oder
erzeugt werden müssen.
Die genauen Spiegelparameter lassen sich somit bei gegebener intrinsischer
Schichtspannung sehr einfach über
die Dicke der aufgedampften Goldschicht einstellen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird anstelle einer tensil verspannten Goldschicht eine tensil verspannte
Siliziumnitrid-, siliziumreiche Siliziumoxid-, Siliziumoyxnitridschicht
oder eine tensil verspannte Schicht 11 aus einer Kombination
dieser Materialien über
Aufdampfen, Aufsputtern, PVD (physical vapour deposition) oder CVD
(chemical vapour deposition) aufgebracht.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung sieht vor, daß eine
Kombination mehrerer Schichten auf dem Tragkörper 10 übereinander
aufgebracht wird. Dies wird anhand der 7 erläutert, die
in einem Ausschnitt von 4 lediglich die Membran 20 zeigt,
wobei auf dem Membrangrundkörper 15 aus
Silizium zunächst
eine tensil verspannte Silizliumnitrid-, Siliziumoyxnitrid oder
eine tensil verspannte siliziumreiche Siliziumoxidschicht oder eine sonstige
tensil verspannte Schicht 11a aus einer Kombination dieser
Materialien aufgebracht ist, auf die eine weitere tensil verspannte
Deckschicht 11b aus beispielsweise Gold folgt. Die Deckschicht 11b ist
dabei ein idealer Infrarotstrahlungsreflektor, der sich durch eine
besonders hohe chemische Umweltbeständigkeit auszeichnet. Somit
eignet sich der Mikrospiegel mit der aufgebrachten Goldschicht als Deckschicht 11b oder
als tensil verspannter Schicht 11 besonders als Spiegel
für den
infraroten Wellenlängenbereich.
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Die
erläuterten
Ausführungsbeispiele
werden in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung auch so ausgeführt,
daß das
Abscheiden der tensil verspannten Schicht 11 auf dem Tragkörper 10 gemäß 2 nicht
auf der gesamten Oberfläche
des Tragkörpers 10,
sondern über
eine einfache Maskierung der Oberfläche des Tragkörpers 10 lediglich
in einem Bereich erfolgt, der später
die gemäß 3 herausstrukturierte
Membran 20 bildet. Die Zusammensetzung des dadurch im Bereich
der herausstrukturierten Membran 20 erzeugten Schichtkörpers bleibt
dabei völlig
analog den erläuterten
Ausführungsbeispielen.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung des Mikrospiegels vermeidet unerwünschte,
im Tragkörper 10 induzierte
Spannungen, da diese örtlich
auf die Membran 20 beschränkt bleiben.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Mikrospiegels
sieht vor, daß die
permanent induzierte mechanische Spannung, die zum Verwölben der
Membran 20 führt,
nicht durch Aufbringen einer zusätzlichen,
insbesondere tensil verspannten Schicht 11 auf dem gesamten
Tragkörper 10 oder
lediglich dem Bereich der Membran 20 erzeugt werden, sondern
durch Dotierung der Membran 20 mit Fremdatomen.
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Dabei
ist zunächst
wesentlich, daß die
in die Membran 20 eingebrachten Fremdatome einen im Vergleich
zum Wirtsgitter unterschiedlichen und insbesondere kleineren Atomradius
aufweisen, so daß durch
Dotierung mit Atomen mit geringerem Radius als die Atome des Wirtsgitters
Zugspannungen entstehen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
unter Verwendung einer Dotierung wird anhand der 8 erläutert, die die
Membran 20 als Ausschnitt aus 4 zeigt.
In diesem Fall ist die Membran 20 zunächst ein monolithischer Membrankörper aus
Silizium, der aus einem Stück
hergestellt ist und insbesondere keine Strukturierungen aufweist.
Die monolithische Platte wird dann oberflächlich mit Phosphor oder Boratomen
dotiert. Die Dotierung erfolgt entweder über eine an sich aus der Halbleitertechnik
bekannte Ionenimplantation durch Beschuß des monolithischen Membrankörpers mit
entsprechenden Ionen oder über
eine thermisch induzierte Diffusion von auf den Membrankörper aufgebrachtem
Material. Auch eine Kombination von Ionenimplantation mit thermisch
induzierter Diffusion hat sich zweckmäßig erwiesen. Nach Abschluß der Dotierung
hat sich somit innerhalb des monolithischen Membrankörpers eine
dotierte Oberflächenschicht 15a gebildet
und ein im wesentlichen undotierter Membrangrundkörper 15b.
Die dotierte Oberflächenschicht 15a in
dieser als Membran 20 verwendeten Schichtstruktur führt somit
aufgrund der induzierten mechanischen Spannung zu einer Verwölbung, deren
Grad über
die Dotierkonzentration, die lokale Verteilung der Dotieratome im
Wirtsgitter, das Dotiermaterial und die Dicke der Membran 20 bestimmt
oder eingestellt wird.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt die Dotierung des Tragkörpers 10 auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
lediglich in dem Bereich, der nach dem Herausstrukturieren die Membran 20 bildet.
Dazu werden beispielsweise über
eine Oberflächenmaskierung
Ionen nur in diesem Bereich implantiert.
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Besonders
wichtig bei der Erzeugung einer Verwölbung der Membran 20 ist
ein Konzentrationsgradient der Dotieratome von der Oberfläche des Tragkörpers 10 bzw.
der Membran 20, da eine homogene Dotierkonzentration nicht
zu der gewünschten Verwölbung führt. Dieser
Konzentrationsgradient stellt sich jedoch aufgrund des Verfahrens
zur Erzeugung der Dotierung über
Ionenimplantation von selbst ein. Hinsichtlich der flicke der dotierten
Oberflächenschicht 15a im
Verhältnis
zum Membrangrundkörper 15b hat
es sich als besonders günstig erwiesen,
wenn diese ein ungefähres
Verhältnis
ihrer Dicken von 1:100 bis 1:10 haben. Dieses Verhältnis ist
aber stark abhängig
von der jeweiligen Konzentration an Fremdatomen, der Stärke des
erzielten Konzentrationsgradienten und von den mechanischen Eigenschaften
des Wirtsgitters sowie von der gewünschten Verwölbung. Insofern
muß der
Fachmann an dieser Stelle anhand einiger Eichversuche die Verwölbung als
Funktion der Dotierkonzentration bestimmen. In jedem Fall ist es
zur Gewährleistung
guter Abbildungseigenschaften des erzeugten Hohlspiegels wichtig,
daß die
Dotierkonzentration und auch der erzielte Dotierstoffkonzentrationsgradient
in der dotierten Oberflächenschicht 15a auf
der gesamten Oberfläche
der Membran 20 möglichst
homogen ist, da es sonst zu ungleichmäßigen Verwölbungen der Membran 20 kommt.
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Zur
Nachjustierung der Dotieratomverteilung in der dotierten Oberflächenschicht 15a oder
einer Verbreitung der dotierten Oberflächenschicht 15a auf Kosten
des Membrangrundkörpers 15b kann
ein Temperprozeß nach
dem Dotieren und vor dem Herausstrukturieren der Membran 20 (3)
nachgeschaltet werden. Dieses Tempern kann aber auch erst am fertigen
Mikrospiegel vollzogen werden, so daß während des Temperns in situ
die Veränderung der
Abbildungseigenschaften des Mikrospiegels geprüft bzw. nachjustiert werden.
Insbesondere hat man damit die Möglichkeit,
sich aufgrund einer lateral geringfügig inhomogenen Dotieratomverteilung
ergebende Abbildungsfehler des erzeugten Mikrospiegels am fertigen
Produkt zu korrigieren, indem man den Mikrospiegel nicht als Ganzes
tempert, sondern lediglich die dotierte Oberflächenschicht 15a lokal
definiert erwärmt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird neben einer Dotierung entsprechend dem vorangehenden
Beispiel, eine zusätzliche
Goldschicht oder eine Kombination mehrerer, insbesondere tensil
verspannter Schichten auf die dotierte Oberflächenschicht 15b aufgebracht.
Dies wird anhand der 9 erläutert, in der die Membran 20 mit einer
dotierten Oberflächenschicht 15a und
einem im wesentlichen undotierten Membrangrundkörper 15b dargestellt
ist, auf die zusätzlich
eine weitere Deckschicht 11c aufgebracht ist. Diese Deckschicht 11c besteht
in diesem Fall aus Gold und erfüllt
somit gleichzeitig auch die Aufgabe der tensil verspannten Schicht 11,
d.h. sie induziert zusätzliche
mechanische Spannungen in der Membran 20. Somit kann man
sehr einfach die günstigen
optischen Eigenschaften einer Goldschicht mit den über die
Dotierung erzielten mechanischen Spannungen zur Verwölbung der
Membran 20 verknüpfen.
Während
eine sehr dünne
Goldschicht von wenigen nm lediglich eine Reflexion im Infraroten
und nur geringfügige
mechanische Spannungen bewirkt, führt eine dickere Goldschicht
von 50 nm bis 1000 nm zu einer sehr günstigen Kombination von induzierten
mechanischen Spannungen aus der dotierten Oberflächenschicht 15a und
der aufgebrachten Goldschicht bei gleichzeitig guter Infrarotreflektivität des erzeugten Mikrospiegels.
Das Verfahren der Dotierung mit Fremdatomen zur Verwölbung der
Membran 20 unterstützt
somit das Verfahren über
das Aufbringen von tensil verspannten Schichten 11 und
kann diese auch ersetzen.
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Andererseits
bewirkt eine Dotierung mit Fremdatomen mit größerem Atmomradius eine Dehnung
oder Druckspannung in der Membran, so daß eine derartige Dotierung
einer tensilen Spannung durch eine aufgebrachte tensil verspannte
Schicht 11 entgegenwirkt.