-
Verwandte Anmeldungen
-
Die vorliegende Anwendung beansprucht die Priorität und den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/449,429, mit dem Titel “OPTICAL CIRCUIT SWITCH MIRROR ARRAY CRACK PROTECTION” eingereicht am 23. Januar 2017, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
-
Hintergrund
-
Optische Leitungsvermittlungen haben in den letzten Jahren eine zunehmende Popularität in Datenzentren gewonnen aufgrund ihrer Fähigkeit, optische Datensignale schnell weiterzuleiten, ohne diese Signale zuerst zurück in die elektrische Domäne umzusetzen. Spezielle optische Leitungsvermittlungen sind unter Verwendung eines oder mehrerer kardanisch gelagerter einachsiger oder zweiachsiger Spiegel in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Spiegeln) implementiert, deren Orientierungen angepasst werden können, um Licht aus einem Eingangsanschluss der Vermittlung zu einem gewünschten Ausgangsanschluss der Vermittlung zu lenken. In Übereinstimmung mit den Anforderungen des Gebrauchsmustergesetzes sind nur Vorrichtungen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, Gegenstand des Schutzes und Gegenstand des Gebrauchsmusters, jedoch keine Verfahren. Wo in der nachstehenden Beschreibung auf Verfahren Bezug genommen ist, sollen diese Bezugnahmen nur zum besseren Verständnis der Vorrichtungen oder Systeme, die in den beigefügten Ansprüchen geschützt sind, dienen.
-
Zusammenfassung
-
Gemäß einem Aspekt bezieht sich der in dieser Offenbarung beschriebene Gegenstand auf eine Spiegelbaugruppe in einem mikroelektromechanischen System (MEMS), die eine Spiegelbaugruppe des mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Spiegelbaugruppe) enthält, die ein Spiegelsubstrat enthält, das Abschnitte eines Aktuators und einen Spiegelausschnitt, der einen Innenumfang aufweist, definiert. Die Spiegelbaugruppe enthält einen Spiegel, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, der innerhalb des Spiegelausschnitts des Spiegelsubstrats positioniert und mit dem Spiegelsubstrat durch wenigstens einen Stator gekoppelt ist. Der Spiegel weist eine im Wesentlichen ebene Oberfläche auf, die eine primäre Reflexionsebene des Spiegels definiert. Der Umfang des Spiegels ist, wenn die primäre Reflexionsebene des Spiegels parallel zu dem Spiegelsubstrat ist, von dem inneren Umfang des Spiegelausschnitts durch einen Spalt um den im Wesentlichen gesamten Umfang des Spiegels außer dem wenigstens einen Stator beabstandet. Die Größe des Spalts ist um den Umfang des Spiegels außer mehreren Einbuchtungen, die in wenigstens einem aus dem Spiegelsubstrat und dem Spiegel definiert sind, im Wesentlichen konstant. Jede aus den Einbuchtungen umfasst eine Erweiterung des Spalts in das Spiegelsubstrat oder den Spiegel, und jede Einbuchtung weist eine Länge im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer und eine Breite im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer auf.
-
Gemäß einem Aspekt bezieht sich der in dieser Offenbarung beschriebene Gegenstand auf ein Verfahren zum Herstellen einer Spiegelbaugruppe eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Spiegelbaugruppe), das das Definieren eines Hohlraums in einem Grundsubstrat, Koppeln eines Spiegelsubstrats an das Grundsubstrat, so dass eine erste Seite des Spiegelsubstrats zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist, Definieren von Abschnitten eines MEMS-Aktuators und eines MEMS-Spiegels in dem Spiegelsubstrat, so dass eine erste Seite des MEMS-Spiegels zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist und ein Abschnitt des Spiegelsubstrats von dem Spiegel durch einen Spalt beabstandet ist, Definieren einer oder mehrerer Einbuchtungen in dem Spiegelsubstrat und/oder dem Spiegel, wobei jede aus den Einbuchtungen eine Erweiterung des Spalts in das Spiegelsubstrat oder den Spiegel umfasst und jede Einbuchtung eine Länge im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer und eine Breite im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer aufweist, und Aufbringen eines reflektierenden Materials auf einer zweiten Seite des MEMS-Spiegels gegenüber der ersten Seite des MEMS-Spiegels enthält.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Das Vorstehende wird aus der folgenden spezielleren Beschreibung von Beispielimplementierungen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, offensichtlich. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen ist das Darstellen der Implementierungen der vorliegenden Erfindung hervorgehoben.
-
1A stellt eine perspektivische Ansicht einer durch einen vertikalen Kammantrieb betätigten zweiachsigen Spiegelbaugruppe gemäß einer Beispielimplementierung dar.
-
1B stellt eine Draufsicht der in 1A gezeigten Spiegelbaugruppe dar.
-
2 stellt ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens zum Herstellen einer Spiegelbaugruppe wie z. B. der in den 1A und 1B gezeigten Spiegelbaugruppe dar.
-
Die 3A–3I stellen Querschnittsansichten eines Abschnitts der Spiegelbaugruppe dar, die gemäß den in 2 gezeigten Verfahren hergestellt ist.
-
Aus Gründen der Deutlichkeit kann nicht jede Komponente in jeder Figur gekennzeichnet sein. Es ist nicht beabsichtigt, dass die Zeichnungen maßstabsgerecht gezeichnet sind. Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Figuren geben gleiche Elemente an.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Eine typische MEMS-Spiegelanordnung enthält mehrere MEMS-Spiegelbaugruppen. Eine typische MEMS-Spiegelbaugruppe enthält einen Spiegel, der durch eine Kardanstruktur gelagert ist, und mehrere Aktuatoren. Die Spiegelbaugruppe kann in Silizium-auf-Isolator-(SOI-) oder Doppel-Silizium-auf-Isolator-(DSOI-)Spiegelsubstraten, die mit einem Grundsubstrat gekoppelt sind, hergestellt sein. Das Grundsubstrat stellt die strukturelle Stabilität für die Spiegelbaugruppe bereit. Das Betätigen eines oder mehrerer der Aktuatoren bewirkt, dass sich der Spiegel um einen Torsionsstab in Bezug auf das Grundsubstrat neigt. Die Strukturmerkmale einer typischen MEMS-Spiegelbaugruppe können in verschiedene Siliziumschichten unter Verwendung von reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) geätzt werden. Der DRIE-Prozess kann jedoch zu einem gesteigerten Auftreten von wärmeinduziertem Reißen der Spiegelstrukturen führen, was wiederum die Leistung der Spiegelanordnungen reduziert. Das Reißen der Spiegelstrukturen kann auch durch das Vorhandensein von Oxid oder dünnen Schichten auf dem Silizium, die eine Struktur vom bimorphen Typ, die sich unter thermischer Spannung biegt, erzeugen können.
-
Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Spiegelbaugruppe eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Spiegelbaugruppe) mit Rissschutzmerkmalen wie z. B. einer oder mehreren Einbuchtungen. Wie hier verwendet bezieht sich eine "Einbuchtung" auf eine Erweiterung eines Spalts zwischen zwei Strukturen in eine aus den zwei Strukturen. Eine MEMS-Spiegelbaugruppe gemäß einer Beispielimplementierung ermöglicht es einem Spiegel, sich unter Verwendung von mehreren Aktuatoren und einer zweiachsigen Kardanstruktur um zwei Drehachsen zu drehen. In einigen Implementierungen einer MEMS-Spiegelbaugruppe, die vertikale Kammantrieb-Aktuatoren integriert, enthält jeder Aktuator einen Antriebskamm, der mit einem Referenzkamm ineinandergreift.
-
1A stellt eine perspektivische Ansicht einer durch einen vertikalen Kammantrieb betätigten Zweiachsen-MEMS-Spiegelbaugruppe 100 gemäß einer Beispielimplementierung dar. 1B stellt eine Draufsicht der in 1A gezeigten Spiegelbaugruppe 100 dar. Die Spiegelbaugruppe 100 enthält einen runden Spiegel 105. Der Spiegel 105 enthält eine Spiegelplattform 110. Die Spiegelplattform weist eine im Wesentlichen ebene reflektierende Oberfläche 115 auf, die eine primäre Reflexionsebene des Spiegels 105 bildet. In einigen Implementierungen ist der Spiegel 105 rund mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2 mm. In einigen Implementierungen ist der Spiegel 105 elliptisch oder oval, wobei die lange und die kurze Achse des Spiegels im Bereich von etwa 500 µm bis etwa 2 mm sind. In einigen anderen Implementierungen weist der Spiegel 105 eine quadratische, rechteckige oder irgendeine andere geometrische regelmäßige oder unregelmäßige Form auf.
-
Die Spiegelbaugruppe 100 ist konfiguriert, den Spiegel 105 unter Verwendung von mehreren vertikalen Kammantriebsaktuatoren und einer zweiachsigen Kardanstruktur wie z. B. eines Kardanrings 130 um zwei Drehachsen zu drehen. Der Kardanring 130 lagert den Spiegel 105. Um zu ermöglichen, dass sich der Spiegel 105 um eine erste Drehachse wie z. B. die innere Drehachse 155 dreht, enthält die Spiegelplattform 110 einen ersten inneren Torsionsstab 120a und einen zweiten inneren Torsionsstab 120b (gemeinsam als innere Torsionsstäbe 120 bezeichnet), die sich aus der Spiegelplattform 110 erstrecken und als Torsionsstäbe für den Spiegel 105 entlang der inneren Drehachse 155 dienen.
-
Mehrere Aktuatoren wie z. B. ein erster, zweiter, dritter und vierter innerer Aktuator (gemeinsam als innere Aktuatoren bezeichnet) ermöglichen, dass sich der Spiegel 105 um die inneren Torsionsstäbe 120 um die innere Drehachse 155 neigt. Jeder aus den inneren Aktuatoren enthält einen Referenzkamm, der mit einem Antriebskamm ineinandergreift. Der erste und der zweite innere Aktuator sind auf beiden Seiten des ersten inneren Torsionsstabs 120a angeordnet. Der dritte und der vierte innere Aktuator sind auf beiden Seiten des zweiten inneren Torsionsstabs 120b angeordnet. Die Referenzkämme der inneren Aktuatoren erstrecken sich von den inneren Torsionsstäben 120 nach außen. Der Kardanring 130 enthält mehrere Kammstrukturen wie z. B. einen ersten inneren Stator 140a, einen zweiten inneren Stator 140b, einen dritten inneren Stator 140c und einen vierten inneren Stator 140d. Der erste und der zweite innere Stator 140a und 140b dienen als Antriebskämme des ersten bzw. des zweiten inneren Aktuators. Der dritte und der vierte innere Stator 140a und 140b dienen als Antriebskämme des dritten bzw. des vierten inneren Aktuators.
-
Das Anlegen einer Spannung an ein Paar aus den inneren Statoren 140 (z. B. die inneren Statoren 140a und 140c oder die inneren Statoren 140b und 140d) betätigt ihre entsprechenden inneren Aktuatoren und bewirkt, dass sich die Spiegel um die inneren Torsionsstäbe 120 entlang der inneren Drehachse 155 neigen. Die Referenzkämme der inneren Aktuatoren 140 werden auf dem gleichen Potential gehalten. Der erste innere Stator 140a und der dritte innere Stator 140c sind elektrisch miteinander gekoppelt. Der zweite innere Stator 140b und der vierte innere Stator sind elektrisch miteinander gekoppelt. Der erste und der dritte innere Stator 140a und 140c sind von dem zweiten und dem vierten inneren Stator 140b und 140d elektrisch isoliert. Das Anlegen einer ersten Spannung an den ersten und den dritten inneren Stator 140a und 140c erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem dritten inneren Stator 140a und 140c und ihren entsprechenden Referenzkämmen, was bewirkt, dass sich der Spiegel 105 in einer Richtung um die innere Drehachse 155 neigt. Das Anlegen einer zweiten Spannung an den zweiten und den vierten inneren Stator 140b und 140d erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten inneren Stator 140b und 140d und ihren entsprechenden Referenzkämmen, was bewirkt, dass sich der Spiegel 105 in der entgegengesetzten Richtung um die innere Drehachse 155 neigt.
-
Die Spiegelbaugruppe 100 ist konfiguriert, den Spiegel 105 um eine zweite Drehachse wie z. B. eine äußere Drehachse 150 unter Verwendung von mehreren vertikalen Kammantriebsaktuatoren und des Kardanrings 130 zu drehen. Um zu ermöglichen, dass sich der Spiegel 105 um die äußere Drehachse 150 dreht, enthält der Kardanring 130 einen ersten äußeren Torsionsstab 121a und einen zweiten äußeren Torsionsstab 121b (gemeinsam als äußere Torsionsstäbe 121 bezeichnet), die als Torsionsstäbe für den Kardanring 130 und den Spiegel 105 entlang der äußeren Drehachse 150 dienen.
-
Mehrere vertikale Kammantriebsaktuatoren wie z. B. ein erster, zweiter, dritter und vierter äußerer Aktuator (gemeinsam als äußere Aktuatoren bezeichnet) ermöglichen, dass sich der Kardanring 130 und der Spiegel um die äußeren Torsionsstäbe 121 um die äußere Drehachse 150 neigen. Jeder aus den äußeren Aktuatoren enthält einen Referenzkamm, der mit einem Antriebskamm ineinandergreift. Der erste und der zweite äußere Aktuator sind auf beiden Seiten des ersten äußeren Torsionsstabs 121a angeordnet. Der dritte und der vierte äußere Aktuator sind auf beiden Seiten des zweiten äußeren Torsionsstabs 121b angeordnet.
-
Die Referenzkämme der äußeren Aktuatoren der Spiegelbaugruppe 100 erstrecken sich von den äußeren Torsionsstäben 121 weg. Die Spiegelbaugruppe 100 enthält mehrere Kammstrukturen wie z. B. einen ersten äußeren Stator 135a, einen zweiten äußeren Stator 135b, einen dritten äußeren Stator 135c und einen vierten äußeren Stator 135d. Der erste und der zweite äußere Stator 135a und 135b dienen als Antriebskämme des ersten bzw. des zweiten äußeren Aktuators. Der dritte und der vierte äußere Stator 135a und 135b dienen als Antriebskämme des dritten bzw. des vierten äußeren Aktuators.
-
Das Anlegen einer Spannung an ein Paar der äußeren Statoren 135 betätigt die entsprechenden äußeren Aktuatoren und bewirkt, dass sich sowohl der Kardanring als auch der Spiegel 105 um die äußeren Torsionsstäbe 121 um die äußere Drehachse 150 neigen. Die Referenzkämme der äußeren Aktuatoren werden auf dem gleichen Potential gehalten. Der erste äußere Stator 135a und der dritte äußere Stator 135c sind elektrisch miteinander gekoppelt. Der zweite äußere Stator 135b und der vierte äußere Stator 135d sind elektrisch miteinander gekoppelt. Der erste und der dritte äußere Stator 135a und 135c sind von dem zweiten und dem vierten äußeren Stator 135b und 135d elektrisch isoliert. Das Anlegen einer ersten Spannung an den ersten und den dritten äußeren Stator 135a und 135c erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem dritten äußeren Stator 135a und 135c und ihren entsprechenden Referenzkämmen, was bewirkt, dass sich sowohl der Kardanring 130 als auch der Spiegel 105 in eine Richtung um die äußeren Torsionsstäbe 121 um die äußere Drehachse 150 neigen. Das Anlegen einer zweiten Spannung an den zweiten und den vierten äußeren Stator 135b und 135d erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten äußeren Stator 135b und 135d und ihren entsprechenden Referenzkämmen, was bewirkt, dass sich sowohl der Kardanring 130 als auch der Spiegel 105 in die entgegengesetzte Richtung um die äußeren Torsionsstäbe 121 um die äußere Drehachse 150 neigen. In einigen Implementierungen ist die innere Drehachse 155 zu der äußeren Drehachse 150 senkrecht.
-
Die Spiegelbaugruppe 100 kann in Silizium-auf-Isolator-(SOI-) oder Doppel-Silizium-auf-Isolator-(DSOI-)Spiegelsubstraten, die mit einem Grundsubstrat gekoppelt sind, hergestellt sein. Das Grundsubstrat stellt die strukturelle Stabilität für die Spiegelbaugruppe 100 bereit. Die Strukturmerkmale der Spiegelbaugruppe 100 wie z. B. die vertikalen Kammantriebsaktuatoren, der Kardanring 130 und der Spiegel 105, der die Spiegelplattform 110 enthält, können in die Siliziumschichten des Spiegelsubstrats unter Verwendung von reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) geätzt werden. In Implementierungen, die DSOI-Spiegelsubstrate beinhalten, können die Spiegelplattform 110 des Spiegels 105 und die Referenzkämme der inneren Aktuatoren in der unteren Siliziumschicht des Spiegelsubstrats definiert sein, und die Antriebskämme der inneren Aktuatoren können in der oberen Schicht des Spiegelsubstrats definiert sein. In Implementierungen, die DSOI-Spiegelsubstrate beinhalten, können die Referenzkämme der äußeren Aktuatoren in der unteren Siliziumschicht des Spiegelsubstrats definiert sein, und die Antriebskämme der äußeren Aktuatoren können in der oberen Schicht des Spiegelsubstrats definiert sein. Ähnliche Kammstrukturen können direkt unter den Antriebskämmen in der unteren Siliziumschicht vorhanden sein, diese unteren Kammstrukturen sind jedoch von den tatsächlichen Antriebskämmen durch die dazwischenliegende Isolatorschicht elektrisch isoliert.
-
Der Spiegel 105 kann in Bezug auf das Grundsubstrat um die Torsionsstäbe (wie z. B. die inneren und äußeren Torsionsstäbe 120 und 121), die entlang den Drehachsen (wie z. B. der inneren und der äußeren Drehachse 155 und 150) gebildet sind, geneigt sein. Um die Position des Spiegels 105 zu steuern, können sowohl die untere Siliziumschicht des Spiegelsubstrats (und deshalb die Referenzkämme der vertikalen Kammantriebsaktuatoren) als auch das Grundsubstrat an einem Erdpotential gehalten werden. Die Spiegelbaugruppe 100 enthält Zusammenschaltungen 165, die auf der Oberseite der oberen Siliziumschicht des Spiegelsubstrats aufgebracht und strukturiert sein können. Die Zusammenschaltungen 165 können jeweilige Betätigungspotentiale zu den Antriebskämmen jedes Aktuators der Spiegelbaugruppe führen. Das Anlegen eines Potentials an einen Antriebskamm führt zu einer Potentialdifferenz zwischen dem Abschnitt des Antriebskamms, der auf der oberen Siliziumschicht des Spiegelsubstrats gebildet ist, und seinem entsprechenden Referenzkamm, der in der unteren Siliziumschicht des Spiegelsubstrats gebildet ist, was bewirkt, dass sich die Spiegelplattform 110 des Spiegels 105 um eine Drehachse (wie z. B. die innere oder äußere Drehachse 155 und 150) dreht.
-
Die Spiegelbaugruppe 100 enthält einen Spiegelausschnitt und ist in dem Spiegelsubstrat der Spiegelbaugruppe 100 definiert. Der Spiegel 105 ist innerhalb des Spiegelausschnitts positioniert und durch den Kardanring 130 gelagert. Wie vorstehend erwähnt weist der Spiegel 105 eine im Wesentlichen ebene reflektierende Oberfläche 115 auf, die eine primäre Reflexionsebene des Spiegels 105 bildet. Wenn der Spiegel 105 innerhalb des Spiegelausschnitts positioniert ist und die primäre Reflexionsebene des Spiegels 105 parallel zu dem Spiegelsubstrat der Spiegelbaugruppe 100 ist, bildet der Raum zwischen dem Umfang des Spiegels 105 und dem inneren Umfang des Kardanrings 130 einen inneren Spalt 145, der um den im Wesentlichen gesamten Umfang des Spiegels 105 außer an den inneren Statoren 140 konstant ist. Zusätzlich, wenn der Spiegel 105 innerhalb der Spiegelausschnitts positioniert ist und die primäre Reflexionsebene des Spiegels 105 parallel zu dem Spiegelsubstrat der Spiegelbaugruppe 100 ist, bildet der Spalt zwischen dem äußeren Umfang des Kardanrings 130 und dem Rest des Spiegelsubstrats einen äußeren Spalt um im Wesentlichen den gesamten äußeren Umfang des Kardanrings 130 außer an den äußeren Statoren 135.
-
Die Spiegelbaugruppe 100 kann in einer Spiegelanordnung verwendet werden. Um eine gesteigerte Packungsdichte von mehreren Spiegelbaugruppen in der Spiegelanordnung zu ermöglichen und eine gewünschte mechanische Leistung zu erhalten, sind der Abstand zwischen dem Spiegel 105 und dem Kardanring 130 (d. h. der innere Spalt 145) bzw. der Abstand zwischen dem Kardanring 130 und dem Rest des Spiegelsubstrats (d. h. der äußere Spalt) ziemlich klein. Beispielsweise können der innere Spalt 145 und der äußere Spalt im Allgemeinen in der Größenordnung von zwischen etwa 3 µm und etwa 10 µm breit sein. In einigen Implementierungen ist der innere Spalt zwischen dem Spiegel 105 und dem Kardanring 130 größer als der äußere Spalt zwischen dem Kardanring 130 und der Oberseite der oberen Siliziumschicht des Spiegelsubstrats.
-
Wie vorstehend erwähnt können die Strukturmerkmale der Spiegelbaugruppe wie z. B. die vertikalen Kammantriebsaktuatoren, der Kardanring 130 und der Spiegel 105 in die Siliziumschichten unter Verwendung von reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) geätzt werden. In Anbetracht dessen, dass der innere Spalt 145 zwischen dem Spiegel 105 und dem Kardanring 130 und der äußere Spalt (nicht gezeigt) zwischen dem Kardanring 130 und dem Rest des Spiegelsubstrats relativ schmal sind relativ zu der Dicke der Substrate, und der Wärmemenge, die durch einen typischen DRIE-Prozess abgegeben wird, kann die Spiegelanordnung eine reduzierte Leistung aufgrund der wärmeinduzierten Risse der Spiegelstrukturen der Spiegelbaugruppen aufweisen. Insbesondere kann der DRIE-Prozess dort zu einem gesteigerten Auftreten von Rissen führen, wo die inneren Statoren 140 auf den Spiegel 105 treffen und wo die äußeren Statoren 135 auf den Kardanring 130 treffen.
-
Wie vorstehend erwähnt können die Risse in den Spiegeln 105 durch einen Prozess induziert werden, der sich auf Wärme bezieht, oder durch das Vorhandensein von Oxid oder dünnen Schichten auf dem Silizium, die eine Struktur vom bimorphen Typ, die sich unter thermischer Spannung biegt, erzeugen können. Das Auftreten von Rissen in dem Spiegel 105 kann in der Spiegelbaugruppe 100 durch Einführen von mehreren Einbuchtungen an strategischen Orten entlang dem Umfang des Kardanrings 130 und/oder dem Umfang des Spiegels 105 reduziert werden. In den 1A und 1B ist die Größe des inneren Spalts 145 zwischen dem Spiegel 105 und dem Kardanring 130 um den Umfang des Spiegels 105 außerhalb der inneren Statoren 140 und mehreren Einbuchtungen 125 im Wesentlichen konstant. Die Einbuchtungen 125 sind in dem Kardanring 130 (gebildet aus dem Spiegelsubstrat) und/oder der Spiegelplattform 110 des Spiegels 105 definiert. Jede aus den mehreren Einbuchtungen 125 enthält eine Erweiterung des inneren Spalts 145 in den Kardanring 130 und/oder die Spiegelplattform 110 des Spiegels 105 und vergrößert lokal die Größe des inneren Spalts 145 zwischen dem Spiegel 105 und dem Kardanring 130. Die Spiegelbaugruppe 100 enthält mehrere Einbuchtungen 125, die sich in die Spiegelplattform 110 des Spiegels und nicht den Kardanring 130 erstrecken. Die Spiegelbaugruppe 100 enthält mehrere Einbuchtungen, die sich in die Spiegelplattform 110 und den Kardanring 130 erstrecken. In einigen Implementierungen kann die Spiegelbaugruppe 100 mehrere Einbuchtungen 125 enthalten, die sich in den Kardanring 130 jedoch nicht in die Spiegelplattform 110 erstrecken.
-
Wie vorstehend erwähnt kann der DRIE-Prozess dort zu einem vermehrten Auftreten von Rissen führen, wo die inneren Statoren 140 auf den Spiegel 105 treffen. Deshalb enthält die Spiegelbaugruppe 100 mehrere Einbuchtungen 125 benachbart den inneren Statoren 140, die sich in den Spiegelplattform 110 und nicht den Kardanring 130 erstrecken. Weiter entfernt von den inneren Statoren 140 enthält die Spiegelbaugruppe 100 mehrere Einbuchtungen 125, die sich sowohl in die Spiegelplattform 110 als auch den Kardanring 130 erstrecken. Wie vorstehend erwähnt kann der DRIE-Prozess auch dort zu einem vermehrten Auftreten von Rissen führen, wo die äußeren Statoren 135 auf den Kardanring 130 treffen. In einigen Implementierungen können eine oder mehrere der Einbuchtungen 125 um den äußeren Umfang des Kardanrings 130 und/oder benachbart einem oder beiden Enden der äußeren Statoren 135 eingeführt sein. In solchen Implementierungen vergrößert jede Einbuchtung die Größe des äußeren Spalts.
-
In einigen Implementierungen ist außer an den Einbuchtungen, den inneren Statoren 140 oder den äußeren Statoren 135 der innere Spalt 145 um den Umfang des Spiegels 105 im Wesentlichen konstant. Ähnlich ist in einigen Implementierungen außer an dem Ort der Einbuchtungen 125 oder an den inneren Statoren 140 oder den äußeren Statoren 135 der Spalt 145 um den äußeren Umfang des Kardanrings 130 ebenfalls im Wesentlichen konstant.
-
In einigen Implementierungen können mehrere Einbuchtungen 125 in regelmäßigen Abständen angeordnet sein, z. B. alle 90 Grad um den Umfang des Spiegels 105, so dass Linien, die zwischen alternierenden Einbuchtungen 125 gezogen werden (d. h. die nicht diejenigen enthalten, die unmittelbar den inneren Statoren 140 benachbart sind) die Winkel, die zwischen der inneren und der äußeren Drehachse 155 und 150 gebildet sind, halbieren. In anderen Implementierungen können mehrere Einbuchtungen 125 alle 60 Grad oder in einem anderen regelmäßigen Abstand um den Umfang des Spiegels 105 angeordnet sein. Die Einbuchtungen 125 sind von einer Größe, so dass sie größer sind als die kleinsten Öffnungen, die durch die obere und untere Siliziumschicht der Spiegelbaugruppe 100 definiert sind. In einigen Implementierungen sind die Einbuchtungen 125 allgemein von elliptischer Form. In einigen Implementierungen kann die Länge der Einbuchtungen 125 in einer Richtung tangential zu dem Umfang des Spiegels 105 im Bereich von etwa 50 µm und etwa 200 µm lang sein. In einigen Implementierungen kann das Verhältnis der Länge der Einbuchtungen 125 in einer Richtung tangential zu dem Umfang des Spiegels 105 zu der Dicke des Spiegelsubstrats bis zu etwa 4:1 sein, wobei die maximale Einbuchtungslänge bis etwa 200 µm reicht. In einigen Implementierungen können die Einbuchtungen in einer radialen Ausdehnung des Spiegels 105 im Bereich von etwa 50 µm bis etwa 100 µm breit sein. In einigen Implementierungen kann das Verhältnis der Breite der Einbuchtungen 125 in der radialen Ausdehnung des Spiegels 105 zu der Dicke des Spiegelsubstrats im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 2:1 sein, wobei die maximale Einbuchtungsbreite bis etwa 100 µm reicht. Andere Größen und Formen der Einbuchtungen 125 können verwendet werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
-
Wie vorstehend erwähnt können die Strukturmerkmale der Spiegelbaugruppe wie z. B. die vertikalen Kammantriebsaktuatoren, der Kardanring 130 und der Spiegel 105 unter Verwendung von reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) in die Siliziumschichten geätzt werden. In einigen Implementierungen kann die kleinste Merkmalsgröße dieser Strukturkomponenten viel kleiner sein als die Dicke der Siliziumschichten, beispielsweise in der Größenordnung zwischen etwa 1 µm und etwa 10 µm. In einigen Implementierungen können die Zinken (oder "Finger") der vertikalen Kammantriebsaktuatoren im Bereich von etwa 1,0 µm bis etwa 10,0 µm breit sein, obwohl andere Abmessungen auch geeignet sind. In einigen Implementierungen können die Zinken (oder "Finger") der vertikalen Kammantriebsaktuatoren im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 200 µm lang sein, obwohl andere Abmessungen auch geeignet sind.
-
In einigen Implementierungen kann die reflektierende Oberfläche 115 durch Koppeln einer reflektierenden Beschichtung an die oberste Oberfläche des Spiegels 105 gebildet sein. In einigen Implementierungen kann die reflektierende Beschichtung aus einer aufgebrachten Schicht aus Metall gebildet sein, wie z. B. ohne Einschränkung Aluminium, Silber oder Gold. In einigen Implementierungen kann die reflektierende Beschichtung aus einer aufgebrachten Schicht aus Metall und einer Schicht eines dielektrischen Materials oder alternierenden Schichten aus Metall und einem dielektrischen Material, die einen dielektrisch verstärkten Spiegel bzw. einen dielektrischen Spiegel bilden, gebildet sein. In anderen Implementierungen können andere reflektierende Materialien verwendet sein, ohne von dem Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.
-
2 stellt ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens 200 zum Herstellen der Spiegelbaugruppe 100 in den 1A und 1B dar. Die 3A–3I stellen Querschnittsansichten eines Abschnitts der Spiegelbaugruppe 100 in den 1A und 1B an verschiedenen Stufen des Verfahrens 200 von 2 dar. Das Verfahren 200 enthält Definieren eines Hohlraums in einem Grundsubstrat (Stufe 205), Koppeln eines Spiegelsubstrats an das Grundsubstrat, so dass eine erste Seite des Spiegelsubstrats zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist (Stufe 210), Definieren von Abschnitten eines MEMS-Aktuators und eines MEMS-Spiegels in dem Spiegelsubstrat, so dass eine erste Seite des MEMS-Spiegels zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist und ein Abschnitt des Spiegelsubstrats von dem Spiegel durch einen Spalt beabstandet ist, und Definieren einer oder mehrerer Einbuchtungen in dem Spiegelsubstrat und/oder dem Spiegel, wobei jede aus den Einbuchtungen eine Erweiterung des Spalts in das Spiegelsubstrat oder den Spiegel umfasst und jede Einbuchtung eine Länge im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis 200 Mikrometer und eine Breite im Bereich von 50 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer aufweist (Stufe 215), und Aufbringen eines reflektierenden Materials auf einer zweiten Seite des MEMS-Spiegels gegenüber der ersten Seite des MEMS-Spiegels (Stufe 220).
-
Das Verfahren 200 enthält Definieren eines Hohlraums in einem Grundsubstrat (Stufe 205). Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, ist ein Hohlraum 302 in einem Grundsubstrat 305 durch Ätzen des Hohlraums 302 in das Grundsubstrat 305 definiert. Das Verfahren 200 enthält Koppeln eines Spiegelsubstrats an das Grundsubstrat, so dass eine erste Seite des Spiegelsubstrats zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist (Stufe 210). Wie in 3C gezeigt ist, enthält ein DSOI-Stapel 306 ein Silizium-Greifelement 320, eine erste Isolatorschicht 310a und ein Spiegelsubstrat 308. Das Spiegelsubstrat 308 enthält eine erste Siliziumschicht 316a, eine zweite Isolatorschicht 310b und eine zweite Siliziumschicht 316b. Die erste Seite der ersten Siliziumschicht 316a weist zu dem Hohlraum 302 in dem Grundsubstrat 305.
-
Wie in 3D gezeigt ist, ist der DSOI-Stapel 306 an das Grundsubstrat 305 durch Bonden des DSOI-Stapels 306 an das Grundsubstrat gekoppelt. In einigen Implementierungen ist der DSOI-Stapel an das Grundsubstrat schmelz-gebondet. Nach dem Bonden, wie in 3E gezeigt ist, werden das Silizium-Greifelement 320 und die erste Isolatorschicht 310a entfernt, was das Spiegelsubstrat 308 an das Grundsubstrat 305 gebondet übrig lässt.
-
Wie in 3F gezeigt ist, wird die Siliziumschicht 316a des Spiegelsubstrats 308 geätzt, so dass die zweite Isolatorschicht 310b freigelegt wird. Dieses Ätzen definiert außerdem andere Merkmale in der oberen Siliziumschicht wie z. B. die Antriebskämme und Abschnitte der Torsionsstäbe.
-
Das Verfahren 200 enthält Definieren zusätzlicher Abschnitte von MEMS-Aktuatoren, einer Kardanstruktur und eines MEMS-Spiegels in dem Spiegelsubstrat, so dass eine erste Seite des MEMS-Spiegels zu dem Hohlraum in dem Grundsubstrat weist und ein Abschnitt des Spiegelsubstrats von dem Spiegel durch einen Spalt beabstandet ist (Stufe 215). Wie in 3G gezeigt ist, wird der freigelegte Abschnitt der zweiten Isolatorschicht 310b des Spiegelsubstrats 308 entfernt, und dadurch wird ein Abschnitt der zweiten Siliziumschicht 316b freigelegt. Wie in 3H gezeigt ist, werden ein oder mehrere Abschnitte des freigelegten Abschnitts der zweiten Siliziumschicht 316b geätzt, um eine Spiegelplattform 325 eines MEMS-Spiegels zu definieren. Die erste Seite der Spiegelplattform 325 weist zu dem Hohlraum 302 in dem Grundsubstrat 305. Untere Abschnitte eines oder mehrerer MEMS-Aktuatoren (wie z. B. die Referenzkämme der vertikalen Kammantriebsaktuatoren der Spiegelbaugruppe 100 in den 1A und 1B) werden ebenfalls in dem Spiegelsubstrat 308 definiert.
-
Wie vorstehend in der Diskussion der Spiegelbaugruppe 100 in den 1A und 1B erwähnt, führt das Anlegen eines Potentials an einen Antriebskamm zu einer Potentialdifferenz zwischen einem Abschnitt des Antriebskamms, der aus der ersten Siliziumschicht des Spiegelsubstrats gebildet ist, und seinem entsprechenden Referenzkamm, der in der zweiten Siliziumschicht des Spiegelsubstrats gebildet ist, was bewirkt, dass sich die Spiegelplattform des Spiegels um die Drehachse dreht. Der Hohlraum 302 in dem Grundsubstrat 305 stellt Raum für die Spiegelplattform 325 bereit, um sich um die Drehachse 335 zu drehen. Die beschränkte Größe des Hohlraums 302 stellt Fluiddämpfung der Bewegung des Spiegels bei der Betätigung bereit. Einige der geätzten Abschnitte der zweiten Siliziumschicht 316b definieren außerdem einen Spalt 330 zwischen der Spiegelplattform 325 des Spiegels und einem Abschnitt des Spiegelsubstrats 308.
-
Das Verfahren 200 enthält Definieren einer oder mehrerer Einbuchtungen in dem Spiegelsubstrat und/oder dem Spiegel, wobei jede aus den Einbuchtungen eine Erweiterung des Spalts in das Spiegelsubstrat oder den Spiegel umfasst und jede Einbuchtung eine Länge im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis 200 Mikrometer und eine Breite im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis 100 Mikrometer aufweist (Stufe 215). Wie in 3I gezeigt ist, eine erste Einbuchtung 340a und eine zweite Einbuchtung 349b (gemeinsam als Einbuchtung 340 bezeichnet) in dem Spiegelsubstrat 308 und/oder der Spiegelplattform 325 des Spiegels. Um die Einbuchtungen 340 herzustellen, enthalten die Masken, die zum Ätzen der ersten Siliziumschicht 316a und der zweiten Siliziumschicht 310b verwendet werden, größere Öffnungen, wo die Einbuchtungen gewünscht sind. Eine Öffnung in dem Spiegelsubstrat 308 in dem Bereich, in dem sich eine Einbuchtung befindet, ist von größerer Größe im Vergleich zu einer Öffnung in einem Bereich ohne Einbuchtung 340. Während des Herstellungsprozesses ätzt das Silizium, das durch die größeren Öffnungen, die den Einbuchtungen 340 entsprechen, freigelegt ist, schneller als das Silizium, das durch die engeren Öffnungen, die den Bereichen entsprechen, denen die Einbuchtungen 340 fehlen, freigelegt ist, was schnelleres Fertigstellen des Ätzens durch das Silizium in den Bereichen, die die Einbuchtungen 340 aufweisen, ermöglicht. Als ein Ergebnis kann, falls ein Riss an anderer Stelle beginnen würde und sich zu dem Ort einer Einbuchtung 340 ausbreiten würde, das Fehlen von Material an dem Ort der Einbuchtung 340 das Fortschreiten des Risses über den Ort der Einbuchtung 340 hinaus aufhalten. In einigen Implementierungen sind die Einbuchtungen 340 und 125 so definiert, wie vorstehend mit Bezug auf die 1A und 1B diskutiert ist.
-
Das Verfahren 200 enthält das Aufbringen eines reflektierenden Materials auf einer zweiten Seite der MEMS-Spiegelplattform gegenüber der ersten Seite der MEMS-Spiegelplattform (Stufe 220). Wie in 3H gezeigt ist, weist die Spiegelplattform 110 eine im Wesentlichen ebene Oberfläche auf und enthält eine reflektierende Oberfläche 115, die eine primäre Reflexionsebene des Spiegels definiert. In einigen Implementierungen kann die reflektierende Oberfläche 115 durch Koppeln einer reflektierenden Beschichtung an die oberste Oberfläche der Spiegelplattform 210 gebildet sein. In einigen Implementierungen kann die reflektierende Beschichtung aus einer aufgebrachten Schicht aus Metall gebildet sein, wie z. B. ohne Einschränkung Aluminium, Silber oder Gold. In einigen Implementierungen kann die reflektierende Beschichtung aus einer aufgebrachten Schicht aus Metall und einer Schicht eines dielektrischen Materials oder alternierenden Schichten aus Metall und einem dielektrischen Material, die einen dielektrisch verstärkten Spiegel oder einen dielektrischen Spiegel bilden, gebildet sein. In einigen anderen Implementierungen kann ein reflektierendes Material auf der zweiten Seite der MEMS-Spiegelplattform gebildet werden, bevor die MEMS-Spiegelplattform an das Grundsubstrat gebondet wird.
-
Obwohl diese Spezifikation viele spezifische Implementierungseinzelheiten beinhaltet, sollten diese nicht als Einschränkungen für den Schutzbereich irgendwelcher Erfindungen oder dessen, das beansprucht sein kann, gedeutet werden, sondern vielmehr als Beschreibungen der Merkmale, die für spezielle Implementierungen der speziellen Erfindungen spezifisch sind. Spezielle Merkmale, die in dieser Spezifikation im Kontext getrennter Implementierungen beschrieben sind, können auch in Kombination in einer einzigen Implementierung implementiert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Kontext einer einzigen Implementierung beschrieben sind, auch in mehreren Implementierungen separat oder in irgendeiner geeigneten Unterkombination implementiert sein. Außerdem können, obwohl Merkmale vorstehend als in speziellen Kombinationen arbeitend beschrieben und anfangs sogar als solche beansprucht sind, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen sein, und die beanspruchte Kombination kann sich auf eine Unterkombination oder eine Variation einer Unterkombination richten.
-
Ähnlich sollte, obwohl Operationen in den Zeichnungen in einer speziellen Reihenfolge abgebildet sind, das nicht so verstanden werden, dass es erforderlich ist, dass solche Operationen in der speziellen gezeigten Reihenfolge oder in sequentieller Reihenfolge ausgeführt werden oder dass alle dargestellten Operationen ausgeführt werden, um wünschenswerte Ergebnisse zu erreichen. Unter speziellen Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Außerdem sollte die Trennung verschiedener Systemkomponenten in den vorstehend beschriebenen Implementierungen nicht so verstanden werden, dass eine solche Trennung in allen Implementierungen erforderlich ist, und es sollte verstanden werden, dass die beschriebenen Komponenten und Systeme im Allgemeinen gemeinsam in einem einzigen Produkt oder in mehrere Produkte paketiert integriert sein können.
-
Bezüge auf "oder" können als einschließend gedeutet werden, so dass irgendwelche Begriffe, die unter Verwendung von "oder" beschrieben sind, irgendeines aus einem einzigen, mehr als einem oder allen der beschriebenen Begriffe angeben können. Die Bezeichnungen "erster", "zweiter", "dritter" und so weiter sind nicht notwendigerweise so gemeint, dass sie eine Ordnung angeben, und sind im Allgemeinen lediglich verwendet, um zwischen gleichen oder ähnlichen Einheiten oder Elementen zu unterscheiden. Somit sind spezielle Implementierungen des Gegenstands beschrieben worden. Andere Implementierungen sind innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche. In einigen Fällen können die Aktionen, die in den Ansprüchen vorgetragen sind, in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und immer noch wünschenswerte Ergebnisse erreichen. Zusätzlich erfordern die in den begleitenden Figuren abgebildeten Prozesse nicht notwendigerweise die spezielle gezeigte Reihenfolge oder sequentielle Reihenfolge, um wünschenswerte Ergebnisse zu erreichen. In speziellen Implementierungen können Multitasking oder Parallelverarbeitung verwendet werden.
