DE4211898A1 - Micro-mechanical laser mirror - has multilayer dielectric or metallic coating on silicon@ substrate which is completely etched away in optically-active region to provide floating mirror actuated capacitively, magnetically or piezoelectrically. - Google Patents
Micro-mechanical laser mirror - has multilayer dielectric or metallic coating on silicon@ substrate which is completely etched away in optically-active region to provide floating mirror actuated capacitively, magnetically or piezoelectrically.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen Spiegel für La seranwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a micromechanical mirror for La water applications according to the preamble of claim 1.
Die Laserspiegel nach dem Stand der Technik weisen üblicherweise auf ei nem Glassubstrat aufgedampfte dielektrische Schichten mit unterschiedli chen Brechungsindizes in abwechselnder Reihenfolge auf. Die Schichtdic ken sind dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge so auszulegen, daß die an den Grenzflächen der Schichten auftretende Vielstrahlreflexion durch Interferenz zu dem gewünschten Reflexionsgrad führt. Dies ergibt typische Schichtdicken, die bei etwa einem Viertel der Lichtwellenlänge (λ/4) liegen. Ein solcher Spiegel ist aber nicht ohne weiteres minia turisierbar und hat auch eine relativ große, träge Masse, so daß er nicht sehr schnell bewegt werden kann. Außerdem sind solche Spiegel re lativ kostenintensive Bauteile, da sie einzeln auf hohe optische Quali tät poliert, bedampft und montiert oder gehaltert werden müssen.The laser mirrors according to the prior art usually have an egg A glass substrate evaporated dielectric layers with different refractive indices in alternating order. The shift dic ken are to be designed depending on the wavelength so that the multibeam reflection occurring at the interfaces of the layers leads to the desired reflectance by interference. This results in typical layer thicknesses, which is around a quarter of the light wavelength (λ / 4). However, such a mirror is not easily mini turizable and also has a relatively large, inert mass, so that it cannot be moved very quickly. In addition, such mirrors are right relatively cost-intensive components, as they individually on high optical quality must be polished, steamed and assembled or held.
Moderne Laser zeichnen sich aber insbesondere durch immer kleinere Ab messungen bei ausgesprochen hoher Leistungsdichte aus. Am bekanntesten sind hierbei die Halbleiterlaser sowie die von Halbleiterlaser gepumpten Festkörperlaser. Für den Betrieb solcher Laser sind Spiegel mit sehr gu ten optischen Eigenschaften und genau definiertem Reflexionsgrad erfor derlich. In den meisten Fällen werden die Spiegel in "monolithischer" Bauweise mittels einer dielektrischen Schichtenfolge direkt auf das la seraktive Bauelement aufgebracht. Für eine Reihe von Anwendungen ist es jedoch von Vorteil, wenn mindestens ein Spiegel vom laseraktiven Medium getrennt angeordnet ist. Zum einen erhält man hierbei in vielen Fällen eine bessere Strahlungsqualität, zum anderen kann man diesen separaten Spiegel beweglich oder justierbar gestalten. Damit kann beispielsweise eine Frequenzmodulation der Laserstrahlung vorgenommen werden oder im Falle einer leichten Verkippung des Spiegels der Laser ein- oder ausge schaltet werden, was bei geeigneter Ansteuerung zur Erzeugung von soge nannten Riesenimpulsen (Q-Schaltung) sehr hoher Spitzenleistung führt.However, modern lasers are particularly notable for their ever smaller size measurements with an extremely high power density. Best known are the semiconductor lasers and those pumped by semiconductor lasers Solid state laser. For the operation of such lasers are mirrors with very good optical properties and precisely defined reflectance such. In most cases, the mirrors are in "monolithic" Construction using a dielectric layer sequence directly on the la seractive component applied. It is for a number of applications however advantageous if at least one mirror of the laser-active medium is arranged separately. On the one hand, you get in many cases a better radiation quality, on the other hand you can separate this Make the mirror movable or adjustable. For example a frequency modulation of the laser radiation is carried out or in In case of a slight tilt of the mirror the laser on or off are switched, which with suitable control to generate so-called called giant pulses (Q circuit) leads to very high peak power.
Durch die zunehmende Forderung weiterer Miniaturisierung von Lasersyste men werden aber auch die Anforderungen an die Kompaktheit von Laserspie geln immer höher. Durch die DE-PS 39 25 201 der Anmelderin ist ein dio dengepumpter, miniaturisierter Festkörperlaser auf einer optischen Bank aus Silizium bekannt, wodurch ein kompaktes Mikrosystem realisierbar ist.Due to the increasing demand for further miniaturization of laser systems However, the requirements for the compactness of laser pie are also mentioned are always higher. DE-PS 39 25 201 of the applicant is a dio denpumped, miniaturized solid-state laser on an optical bench known from silicon, whereby a compact microsystem can be realized.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen miniaturi sierten Spiegel der eingangs genannten Art zu schaffen, der neben dem Halbleitersubstrat (Silizium) keine anderen Substratmaterialien mehr aufweist, in bestimmten Ausführungsformen mikromechanisch auslenkbar ist, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Frequenzen ausführen kann und als adaptive Spiegeloptik einsetzbar ist.The present invention has for its object a miniaturi to create a mirror of the type mentioned at the beginning, which in addition to the Semiconductor substrate (silicon) no more other substrate materials has, in certain embodiments, can be deflected micromechanically is, can perform very fast movements at high frequencies and can be used as adaptive mirror optics.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigenThis object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and developments are in the subclaims specified and in the description below are exemplary embodiments explained and sketched in the figures of the drawing. Show it
Fig. 1 ein Schemabild eines Spiegel-Ausführungbeispieles auf Silizium substratbasis mit dielektrischer Beschichtung, die im optisch aktiven Bereich frei schwebend angeordnet ist, Fig. 1 is a schematic diagram of a mirror embodiment on silicon substrate base dielectric coating which is arranged freely suspended in the optically active region,
Fig. 2 ein Schemabild eines Querschnittes durch ein dielektrisches Mul tischichtsystem vor dem Abdünnen des Siliziumsubstrates, Fig. 2 is a schematic diagram of a cross-section through a dielectric layer system shows Mul prior to the thinning of the silicon substrate,
Fig. 3 ein Schemabild einer Beschichtung eines Laserspiegels mit lokal unterschiedlichen Reflexionseigenschaften zur Formung eines sog. Gauß′schen Spiegels, Fig. 3 is a schematic diagram of a coating of a laser mirror with locally different reflectance properties for forming a so-called. Gaussian mirror,
Fig. 4 ein Schemabild eines Querschnittes durch ein Ausführungsbei spiel für einen beweglichen Laserspiegel mit elektrostatischer Auslenkung, Fig. 4 is a schematic diagram of a cross-section through a Ausführungsbei play for a movable laser mirror with electrostatic deflection,
Fig. 5 ein Schemabild in der Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen beweglichen Spiegel für parallele Auslenkung, Fig. 5 is a schematic picture in the plan view of an exemplary embodiment of a movable mirror for parallel deflection,
Fig. 6 ein Schemabild in der Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel ei nes beweglichen Spiegels für Kippbewegungen, Fig. 6 is a schematic picture in the plan view of an embodiment of ei nes movable mirror for tilting movements,
Fig. 7 ein Schemabild für ein Ausführungsbeispiel eines adaptiven Spie gels mit einstellbarer Krümmung der reflektierenden Membran durch gezieltes Anlegen von Unter- oder Überdruck in der Druck kammer. Fig. 7 is a schematic image for an embodiment of an adaptive mirror with adjustable curvature of the reflective membrane by targeted application of negative or positive pressure in the pressure chamber.
Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, einen Spiegel beispielsweise aus Silizium in mikromechanischer Bauweise herauszuarbeiten, wobei die eigentliche spiegelnde Fläche aus einem dielektrischen Mehrlagen-Dünn film besteht. Im optisch aktiven Bereich wird nun das Siliziumsubstrat durch Ätztechnik vollständig entfernt, so daß ein frei schwebender, op tisch aktiver Film entsteht. Damit wird der Spiegel auch für Lichtwel lenlängen im sichtbaren Bereich - in dem Silizium undurchsichtig ist - verwendbar.The general idea of the invention provides for a mirror, for example to work out of silicon in micromechanical construction, the actual reflecting surface made of a dielectric multilayer thin film exists. The silicon substrate is now in the optically active area completely removed by etching technique, so that a free-floating, op Table active film is created. This also makes the mirror for Lichtwel length in the visible range - in which silicon is opaque - usable.
In der Fig. 1 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel dieses Erfindungsge dankens skizziert. In seiner einfachsten Form besteht der Spiegel - ohne von außen vorgebbare Bewegungsmöglichkeit - aus einem hochpolierten Si liziumsubstrat der in der Mikroelektronik üblichen Qualität mit der Kri stallorientierung (100) oder (110). Auch andere einkristalline Substrate wie z. B. GaAs, InP oder Quarz sind prinzipiell verwendbar. Dieses Sub strat wird mit geeigneten mehrlagigen dielektrischen Schichten versehen. Insbesondere bieten sich Beschichtungen aus Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrit (Si3N4) an, da sie mit der Standard-Siliziumtechnolo gie sehr gut kompatibel sind. Aber auch Schichtenfolgen von SiO2 und TiO2 kommen unter anderem in frage. Schichten dieser Art können bei spielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD, LPCVD) oder mit Plasmaunterstützung (PECVD) hergestellt werden. Auch Aufdampfen und Sputtern ist möglich. Die Dicken sowie die Anzahl der Einzelschichten werden nach den gewünschten optischen Eigenschaften (Reflexion, Trans mission) berechnet. Sie bewegen sich typischerweise bei λ/4 (ca. 100 bis 200 nm für sichtbares Licht). Die Fig. 3 veranschaulicht so einen Beschichtungsschritt in einem stark vergrößerten Maßstab.In Fig. 1, a simple embodiment of this Invention is thankfully outlined. In its simplest form, the mirror consists of a highly polished silicon substrate of the quality customary in microelectronics with the crystal orientation ( 100 ) or ( 110 ). Other single-crystal substrates such as. B. GaAs, InP or quartz can be used in principle. This substrate is provided with suitable multilayer dielectric layers. Coatings made of silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are particularly suitable, since they are very well compatible with standard silicon technology. However, layer sequences of SiO 2 and TiO 2 are also possible. Layers of this type can be produced for example by deposition from the gas phase (CVD, LPCVD) or with plasma support (PECVD). Evaporation and sputtering is also possible. The thicknesses and the number of individual layers are calculated according to the desired optical properties (reflection, transmission). They typically move around λ / 4 (approx. 100 to 200 nm for visible light). Fig. 3 is illustrated as a coating step in a greatly enlarged scale.
Nach der Herstellung der optisch aktiven Beschichtung wird das Sili ziumsubstrat im aktiven Spiegelbereich ätztechnisch vollständig ent fernt, so daß das dielektrische Schichtpaket frei schwebend als Spiegel wirkt (Fig. 1). Dies kann mit üblichen naßchemischen Ätzlösungen, wie z. B. KOH, erzielt werden. Durch geeignete Einstellung der schichtkohä renten mechanischen Spannungen kann dafür gesorgt werden, daß diese Schicht hochplan ist.After the production of the optically active coating, the silicon substrate in the active mirror region is completely removed by etching technology, so that the dielectric layer package acts as a floating mirror ( FIG. 1). This can be done with conventional wet chemical etching solutions, such as. B. KOH can be achieved. By appropriately setting the layer-coherent mechanical stresses, it can be ensured that this layer is planar.
Für manche Anwendungen ist es vorteilhaft, daß die Reflexionseigenschaft des Spiegels über seine Fläche variabel gestaltbar ist, um unerwünschte Beugungseffekte zu eliminieren oder zumindest erheblich zu minimieren. Insbesondere gibt es Anwendungen, bei denen die Reflexionseigenschaften gemäß einer Gauß-Funktion variiert werden sollen (Gauß′scher Spiegel). Durch Einbeziehung der mikroelektronischen Fertigungstechniken, wie bei spielsweise Lithographie, selektive naßchemische oder Trocken-Ätzverfah ren, ist es möglich, solche Profile durch entsprechende Ausgestaltung der Vielschichtensysteme mit örtlich unterschiedlichen Schichtdicken wirtschaftlich herzustellen. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 veranschaulicht.For some applications, it is advantageous that the reflection property of the mirror can be designed to be variable over its surface in order to eliminate or at least considerably minimize undesirable diffraction effects. In particular, there are applications in which the reflection properties are to be varied according to a Gaussian function (Gaussian mirror). By including the microelectronic manufacturing techniques, such as in lithography, selective wet chemical or dry etching processes, it is possible to produce such profiles economically by appropriately designing the multilayer systems with locally different layer thicknesses. An exemplary embodiment is illustrated in FIG. 3.
Die Fig. 4 zeigt in einem Schemabild eine weiterführende Ausgestaltung, bei der der Spiegel durch einen komplexeren Aufbau auch aktiv bewegt werden kann. Hierzu wird der oben beschriebene Spiegel ätztechnisch so ausgestaltet, daß der optisch aktive Bereich an dünnen Biegebalken aus Silizium oder einem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt ist. Aus Integrationsgründen bietet es sich an, zur Krafteinleitung die Elek trostatik zu verwenden. Dazu wird das Siliziumsubstrat elektrisch kon taktiert, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung darstellt. Diese Einheit wird mit einem zweiten Siliziumsubstrat verbun den, in das eine durchgehende Öffnung zur Transmission des Lichtstrahles hineingearbeitet ist. Ferner ist ein flache Vertiefung vorgesehen, die den Elektrodenabstand zum beweglichen Teil und damit auch die Bewegungs freiheit des Spiegels festlegt. Innerhalb dieser Vertiefung sind Konden satorelektroden aufgebracht. Diese zwei Substrate werden durch geeignete Verfahren, wie z. B. anodisches Bonden oder direktes Si-Si-Bonden mitein ander verbunden. Durch Anlegen einer äußeren Spannung an die Elektroden kann der Spiegel elektrostatisch bewegt werden.The Fig. 4 is a schematic image of a further embodiment in which the mirror can also be actively moved by a more complex structure. For this purpose, the above-described mirror is etched in such a way that the optically active area is suspended on thin bending beams made of silicon or a suitable thin film so that it can move freely. For reasons of integration, it is advisable to use electrostatics to apply the force. For this purpose, the silicon substrate is electrically contacted, so that the mirror represents an electrode of a capacitor arrangement. This unit is connected to a second silicon substrate, into which a through opening for the transmission of the light beam is worked. Furthermore, a shallow depression is provided, which defines the distance between the electrodes and the movable part and thus also the freedom of movement of the mirror. Capacitor electrodes are applied within this recess. These two substrates are made by suitable methods, such as. B. anodic bonding or direct Si-Si bonding mitein connected. The mirror can be moved electrostatically by applying an external voltage to the electrodes.
Neben der Elektrostatik können auch andere Kraftprinzipien, wie bei spielsweise Piezoelektrik oder Magnetik eingesetzt werden. Dazu kann ein entsprechendes kleines Stellelement, oder ein Dauermagnet der Spiegel anordnung hinzugefügt werden.In addition to electrostatics, other force principles, such as for example, piezoelectric or magnetics can be used. This can be a corresponding small control element, or a permanent magnet the mirror arrangement can be added.
Je nachdem, ob eine Parallelverschiebung oder eine Kippbewegung des Spiegels gewünscht ist, wird die Aufhängung des beweglichen Teils sowie die Anordnung der Elektroden unterschiedlich ausgelegt. Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung in der Draufsicht, die für eine parallele Auslenkung - z. B. für eine Frequenzmodulation des Lasers - konzipiert ist. In diesem Falle wird beispielsweise eine hochgradig symmetrische, diagonale Anord nung der Biegebalken gewählt. Die Gegenelektrode am unteren Deckwafer ist nicht unterteilt.Depending on whether a parallel displacement or a tilting movement of the mirror is desired, the suspension of the movable part and the arrangement of the electrodes are designed differently. Fig. 5 shows an arrangement in plan view, which for a parallel deflection - z. B. for frequency modulation of the laser - is designed. In this case, for example, a highly symmetrical, diagonal arrangement of the bending beams is selected. The counter electrode on the lower cover wafer is not divided.
Im Gegensatz hierzu zeigt die Fig. 6 eine Anordnung, die sich für Kipp bewegungen des Spiegels eignet, beispielsweise um einen Q-Schalter zu realisieren. Die Aufhängung wird hier beispielsweise in Form zweier Tor sionsbalken gewählt. In diesem Fall werden die Elektrodenflächen in zwei getrennte Hälften geteilt, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind. In contrast to this, FIG. 6 shows an arrangement which is suitable for tilting movements of the mirror, for example in order to implement a Q switch. The suspension is selected here, for example, in the form of two goal beams. In this case, the electrode surfaces are divided into two separate halves, which can be controlled independently of one another.
Eine weitere Möglichkeit die sich aus der Dünnfilm-Anordnung des Spie gels ergibt, ist die gezielte Verwölbung der Spiegelfläche durch Anlegen eines Unter- oder Überdruckes. Damit läßt sich z. B. die Brennweite des Spiegels einstellen, so daß eine gezielte Fokussierung ermöglicht wird. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in der Fig. 7 skizziert. Das Basis spiegelelement wird mit einem transparenten Substrat - beispielsweise Glas - verbunden, so daß ein abgeschlossener Hohlraum entsteht, der le diglich durch einen gezielt ansteuerbaren Kanal mit einem externen Druckvorratsbehälter bzw. einer Pumpe verbunden ist.Another possibility that results from the thin-film arrangement of the mirror is the targeted warping of the mirror surface by applying a negative or positive pressure. So that z. B. adjust the focal length of the mirror so that targeted focusing is made possible. An exemplary embodiment of this is outlined in FIG. 7. The base mirror element is connected to a transparent substrate - for example glass - so that a closed cavity is created, which is connected to an external pressure reservoir or a pump by a selectively controllable channel.
Damit ist ein Spiegel geschaffen, der aufgrund seiner durch die Bauart bedingten sehr kleinen Masse, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Fre quenzen realisieren kann. Aufgrund des fehlenden Substrates im optischen Strahlengang muß keine Entspiegelung der Rückseite durchgeführt werden. Die hier vorgeschlagenen Laserspiegel können mit den Verfahren der Mi krosystemtechnik so hergestellt werden, daß sie in ihren Abmessungen in der Größenordnung moderner laseraktiver Elemente im kleinen und mittle ren Leistungsbereich liegen (Laserdioden typisch 300 µm · 500 µm · 30 µm, Festkörperlaser typisch 500 µm · 1 mm · 1 mm).This creates a mirror, which due to its design conditioned very small mass, very fast movements with high fre can realize sequences. Because of the missing substrate in the optical Anti-reflective coating on the back does not have to be carried out. The laser mirrors proposed here can be processed using the Mi Krosystemtechnik are manufactured so that their dimensions in the order of magnitude of modern laser-active elements in small and medium Their power range is (laser diodes typically 300 µm · 500 µm · 30 µm, solid-state lasers typically 500 µm · 1 mm · 1 mm).
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