DE60107518T2

DE60107518T2 - Spiegelstruktur

Info

Publication number: DE60107518T2
Application number: DE60107518T
Authority: DE
Inventors: Eric Fremont Peeters; Michel A. Rosa
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: DE60107518D1; JP2002156593A; JP4920844B2; EP1193526B1; EP1193526A1; US6300665B1

Description

Bei optischen Telekommunikationssystemen ist es oftmals erforderlich, den Weg des übertragenen Lichts umzuschalten. Es wurden bisher zahlreiche unterschiedliche Ansätze vorgelegt. Optisches Schalten auf der Basis von Mikroelektromechaniksystemspiegeln (MEMS) ist für Kommunikationssysteme besonders attraktiv. Optische Schalter unter Verwendung von reflektierenden MEMS-Spiegeln sind geeignet, da Freiraumlichtübertragung verwendet wird und Skalierung zu einem optischen Kreuzverbindungssystem großen Umfangs möglich ist. Dies ist auf Grund der derzeitigen Nachfrage nach optischen Kreuzverbindungssystemen in der Größenordnung 1000 × 10000 wichtig. Die Betätigung zur Bewegung der MEMS-Spiegel in einem optischen Kreuzverbindungssystem erfolgt typischerweise elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch.
Optische Kreuzverbindungssysteme nach einer Ausführung der Erfindung beinhalten das allgemeine Konzept einer zweidimensionalen Anordnung von MEMS-Kippspiegeln, die dazu verwendet werden, Licht, das von einer ersten optischen Faser kommt, zu einer zweiten optischen Faser zu lenken. Jeder MEMS-Kippspiegel in der zweidimensionalen Anordnung kann sich um seine x- und y-Achse drehen und wird von einer Vielzahl von Tragarmen getragen, die an einem Silizium-auf-Isolator-Träger angebracht sind.
Das Offenbarungsdokument XP-001038165 offenbart die Mikrospiegelanordnungstechnologie von Lucent Microstar^TM für große optische Kreuzverbindungen.
US-A-6091050 offenbart eine Struktur für einen optischen Schalter auf einem Silizium-auf-Isolator-Träger.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine bewegliche Spiegelstruktur bereitgestellt, umfassend:

– einen Silizium-auf-Isolator-Träger;
– eine Vielzahl von Metalltragarmen, wobei jeder eine Eigenspannungsgefälleschicht umfasst und jede Vielzahl von Metalltragarmen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende an dem Silizium-auf-Isolator-Träger angebracht ist;
– eine Siliziumfläche mit einer reflektierenden Oberflächenschicht, wobei die Siliziumfläche an dem zweiten Ende der Vielzahl von Metalltragarmen angebracht ist; und
– eine Vielzahl von Elektroden, die auf dem Silizium-auf-Isolator-Träger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vielzahl von Elektroden an ihre jeweiligen Metalltragarme angrenzend angeordnet ist, um ein elektrisches Feld zum Hervorrufen von Ablenkbewegung der Siliziumfläche mit der reflektierenden Oberflächenschicht zu erzeugen.

Es folgt nun eine Beschreibung mehrerer Beispiele dieser Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, bei denen
1 eine Ausführung eines n × m optischen Kreuzverbindungssystems nach der Erfindung zeigt;
2a eine Ausführung eines optischen Kreuzverbindungssystems mit Zweispiegelanordnung nach der Erfindung zeigt;
2b eine Ausführung eines optischen Schaltsystems nach der Erfindung zeigt;
2c eine Ausführung eines optischen Schaltsystems nach der Erfindung zeigt;
3a eine Ausführung eines n × m optischen Kreuzverbindungssystems nach der Erfindung zeigt;
3b Abhängigkeit der Spiegelform von schrägem Einfall zeigt;
4a eine Ausführung einer Kippspiegelstruktur nach der Erfindung zeigt;
4b eine Ausführung einer Kippspiegelstruktur nach der Erfindung zeigt;
4c eine Ausführung einer Kippspiegelstruktur nach der Erfindung zeigt;
5 eine Seitenansicht einer Ausführung einer Kippspiegelstruktur nach einer Ausführung der Erfindung zeigt;
6a die Wirkung der Spiegelkrümmung auf optische Strahlstreuung zeigt;
6b die Wirkung der Spiegelkrümmung auf optische Strahlstreuung zeigt;
7a eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7b eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7c eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7d eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7e eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7f eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7g eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7h eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7i eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7j eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7k eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7l eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
7m eine Draufsicht einer zur Verarbeitung verwendeten gemusterten Maske zeigt;
8a – 8o die Verarbeitungsschritte nach einer Alternative zu der Erfindung zeigen;
9 eine Draufsicht einer Ausführung nach der Erfindung zeigt;
10 eine Seitenansicht einer Ausführung nach der Erfindung zeigt;
11a – 11k ein Beispiel für die Verarbeitungsschritte zeigen, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden könnten;
12 eine Draufsicht einer Ausführung nach der Erfindung zeigt;
13 eine Seitenansicht einer Ausführung nach der Erfindung zeigt;
14a – 14l die Verarbeitungsschritte nach einer Ausführung der Erfindung zeigen;
15 eine Seitenansicht einer Ausführung nach der Erfindung zeigt;
16a – 16i die Verarbeitungsschritte nach einer Ausführung der Erfindung zeigen;
17a – 17l ein weiteres Beispiel für die Verarbeitungsschritte zeigen, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden könnten;
18a – m die Verarbeitungsschritte gemäß einer Alternative zu der Erfindung zeigen.
1 zeigt eine Ausführung eines optischen Kreuzverbindungssystems (100) nach der Erfindung. Die zweidimensionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106) wird verwendet, um das Lichtbündel (101), das von der zweidimensionalen Anordnung (108) von optischen Fasern (110) kommt, zu der zweidimensionalen Anordnung (112) von optischen Fasern (111) zu lenken. Jeder Spiegel (106) kann sich im Allgemeinen um zwei nicht kollineare Achsen herum drehen. Ein typischer Durchmesser für den Spiegel (106) liegt in dem Bereich von 300 μm bis 1000 μm. Zum Beispiel wird das Lichtbündel (101), das von der optischen Faser (110) ausgeht, unter Verwendung der Linse (115), die typischerweise einen Durchmesser von mehr als 50 μm besitzt, kollimiert und auf den Kippspiegel (106) projiziert, der das Lichtbündel (101) auf die Linse (116) lenkt, die das Lichtbündel (101) in die optische Faser (111) hinein fokussiert. Somit kann unter Verwendung des optischen Kreuzverbindungssystems (100) das Lichtbündel (101), das von einer der optischen Fasern (110) in der zweidimensionalen Anordnung (108) kommt, von einem der Spiegel (106) der zweidimensionalen Anordnung (104) in die ausgewählte optische Faser (111) der zweidimensionalen optischen Faseranordnung (112) hinein gelenkt werden. Es ist zu beachten, dass die Anzahl von Kippspiegeln (106) der Anzahl der optischen Fasern (110) entspricht, die eingehen, die wiederum der Anzahl von optischen Fasern (111) entspricht, die zu dem optischen Kreuzverbindungssystem (100) hin ausgehen.
Das Lichtbündel (101) in 1 tritt im Allgemeinen nicht frontal in die optischen Fasern (111) ein, und dies könnte zu Öffnungsproblemen bei den optischen Fasern (111), insbesondere bei größeren optischen Faseranordnungen oder kürzeren optischen Lichtwegen, führen und größere Abtastwinkel zur Folge haben. 2a zeigt ein optisches Kreuzverbindungssystem (125) nach der Erfindung. Das optische Kreuzverbindungssystem (125) ermöglicht, dass das Lichtbündel (101) frontal in die optischen Fasern (111) eintreten kann. Das optische Kreuzverbindungssystem (125) führt eine zweidimensionale Anordnung (105) von Kippspiegeln (107) ein, um sicherzustellen, dass das Lichtbündel (101) frontal in die optische Faser (111) eintritt. Das Lichtbündel (101), das von der optischen Faser (110) ausgeht, trifft zuerst auf den Kippspiegel (106) und wird auf den Kippspiegel (107) reflektiert, der das Lichtbündel (101) frontal zu der optischen Faser (111) reflektiert. Das optische Kreuzverbindungssystem (125) erfordert jedoch das Doppelte der Anzahl von Kippspiegeln, die bei der Verwendung des optischen Kreuzverbindungssystems (100) erforderlich ist. Der maximale Spiegelkippwinkel ist die maximale Winkelverschiebung, die für den Spiegel (106) oder den Spiegel (107) erforderlich ist, um die entferntesten Spiegel in der Anordnung (105 bzw. 104) zu erreichen. Typische maximale Spiegelkippwinkel bei dieser Gestaltung unter Annahme einer optischen Lichtweglänge von 8 cm bei einem gegebenem Strahlradius von 180 μm betragen bei den zweidimensionalen Anordnungen (104 und 105) ungefähr 3,25°.
2b zeigt eine Ausführung nach der Erfindung für einen n × 1 optischen Schalter für optische Leitungsvermittlung. Das Lichtbündel (101) tritt aus einer der optischen Fasern (110) in der optischen Faseranordnung (108) aus, um zur Kollimation durch die Linsenanordnung (115) hindurchzugehen, und geht weiter zu der Kippspiegelanordnung (104), um von dem Kippspiegel (106) auf den Kippspiegel (177) reflektiert zu werden, der das Lichtbündel (101) durch die Linse (117) in eine gewünschte der optischen Fasern (114) hinein lenkt. Eine Anwendung für einen n × 1 optischen Schalter besteht darin, eine wählbare Teilmenge von m unterschiedlichen Wellenlängen von n (n ≥ m) unterschiedlichen optischen Fasern (110) in der Anordnung (108) in eine gewünschte der optischen Fasern (114) hinein zu multiplexen.
2c zeigt eine Ausführung nach der Erfindung für einen 1 × n optischen Schalter für optische Leitungsvermittlung. Das Lichtbündel (101) tritt aus der optischen Faser (119) aus, geht durch die Linse (118) zur Kollimation hindurch und wird von dem Kippspiegel (177) auf den gewünschten Kippspiegel (107) in der Kippspiegelanordnung (105) reflektiert. Der Kippspiegel (107) reflektiert das Lichtbündel (101) durch die Linsenanordnung (116) zur Kollimation hindurch und in eine gewünschte der optischen Fasern (111) in der optischen Faseranordnung (112) hinein. Eine Anwendung für einen 1 × n optischen Schalter besteht darin, das optische Bündel (101) von der optischen Faser (119) zu einer der optischen Fasern (111) zu leiten.
Eine andere Ausführung nach der Erfindung wird in 3a gezeigt. Das optische Kreuzverbindungssystem (150) besitzt eine zweidimensionale Anordnung (105) von Kippspiegeln (106 und 107) und eine zweidimensionale Anordnung (155), bestehend aus eingehenden optischen Fasern (110) und ausgehenden optischen Fasern (112). Zusätzlich umfasst das optische Kreuzverbindungssystem (150) einen Reflektor (180). Das Lichtbündel (101) verlässt die optische Faser (110) zur Kollimation durch Linse (115) und wird von dem Kippspiegel (106) weg auf den Reflektor (180) reflektiert. Von dem Reflektor (180) wird das Lichtbündel (101) von dem Kippspiegel (107) weg in die Linse (115) hinein reflektiert, die das Lichtbündel (101) frontal in die optische Faser (112) hinein fokussiert.
Die Spiegelform kann so angepasst werden, dass sie einen Kreis, eine Ellipse oder ein Vieleck darstellt. Zum Beispiel können elliptische Spiegelformen dazu verwendet wer den, die Projektion eines kreisförmigen Bündels zu erfassen, die in einem Winkel einfällt. 3b zeigt ein kreisförmiges Bündel (300), das in dem Winkel β im Bezug auf die Strahlen des kreisförmigen Bündels (300) auf einen ellipsoidischen Spiegel (310) fällt. Ein optimales Aspektverhältnis für den ellipsoidischen Spiegel (310) kann aus dem Winkel β abgeleitet werden.
4a zeigt die Grundstruktur der Kippspiegel (106) und der Kippspiegel (107) nach einer Ausführung der Erfindung. Bei der Kippspiegelstruktur sind andere Geometrien möglich, aber die Geometrie der Alternativen zu den Tragarmen (450) muss die Streckung der Kippspiegelstruktur zwischen den Ankerpunkten (440) ermöglichen. Sonst kann sich die Spiegelstruktur nach dem Ätzen der Freigabeschicht nicht aufrichten.
Die Fläche des Spiegels (405) in 4a ist ein im Wesentlichen flaches und spannungsfreies Metall, um präzises optisches Richten zu ermöglichen. Der Spiegel (405) ist mit flexiblen Gelenken (415) an Tragarmen (450) befestigt. Die Tragarme (450) sind typischerweise aus Nickel hergestellt und bieten Spielraum zum Drehen um die Achse (476 und 475) des Spiegels (405) durch Betätigen von Elektroden (410). Der Spiegel (405) wird bei einer Auslöseätzung, die nachfolgend beschrieben wird, automatisch angehoben, und der Spiegel (405) dreht sich geringfügig in seiner eigenen Ebene, während sich der Spiegel (405) von dem Träger (499) erhebt (siehe 5). Typische Höhen für den Spiegel (405) mit einem Durchmesser von etwa 300 bis 1000 μm liegen in der Größenordnung von 20 bis 100 μm. Vier Betätigungselektroden (410), die mit vier jeweiligen Tragarmen (450) verbunden sind, können individuell geladen werden, um den Spiegel (405) um die Achse (475) und die Achse (476) herum zu kippen, wobei typische Betätigungsspannungen etwa 10 bis 50 Volt betragen. Zusätzlich können sich die Elektroden (410), wie in 4a gezeigt, unter der Spiegelstruktur (405) erstrecken.
Die Betätigungselektroden (410) können entweder unter Verwendung von Gleichstrom- oder von Wechselstromantrieb betätigt werden. Wenn Wechselstrombetätigung verwendet wird, muss die Frequenz des Wechselstromantriebs signifikant höher sein als die Reaktionszeit des betätigten mechanischen Systems. Wechselstromantrieb verhindert mögliches Aufbauen elektrischer Ladungen in den dielektrischen Materialien zwischen oder nahe an den Betätigungselektroden (410). Die Betätigungselektroden (410) werden vorteilhafterweise mit einem Bipolarsignal angetrieben, das zwischen einer positiven Spannung und einer ungefähr gleichen negativen Spannung wechselt. Die wechselnde Wellenform kann typischerweise rechteckig geformt, sinusförmig, dreieckig oder von einer anderen geeigneten Form sein, solange die Anstiegs- und Abfallzeit im Wesentlichen kürzer als zum Beispiel die mechanische Reaktionszeit der Kippspiegel (106 und 107) sind.
Bei dem Beispiel einer rechteckigen Wellenform wäre eine typische Antriebsfrequenz höher als 1 kHz, wenn die mechanische Resonanzfrequenz der Kippspiegel (106 und 107) in der Größenordnung von 1 kHz liegen. Da die Betätigungskraft zu dem Quadrat der Betätigungsspannung proportional ist, ist die Betätigungskraft von dem Vorzeichen der Spannung unabhängig. Die Betätigungskraft schwankt nur während des Übergangs von einer Spannung des einen Vorzeichens zu einer Spannung des entgegengesetzten Vorzeichens. Somit muss beispielsweise der Übergang im Vergleich zu dem Resonanzzeitraum der Kippspiegel (106 und 107) kurz sein. Das Bipolarsignal reduziert die Ladungsansammlung in den dielektrischen Materialien, da die in dem dielektrischen Material angesammelte Restladung im Durchschnitt ungefähr Null beträgt. Bei einem Gleichstromsignal für die Betätigung besteht die Möglichkeit, dass sich im Laufe der Zeit in dem dielektrischen Material Restladung ansammelt, die die angelegte Betätigungsspannung abschirmen oder auf sonstige Weise stören könnte.
Die in 4a gezeigte Grundstruktur für Kippspiegel (106 und 107) nach der Erfindung basiert auf spannungskonstruierten Metallschichten. Spiegel (405) und flexible Gelenke (415) sind so konstruiert, dass sie spannungsfrei sind, während die Tragarme (450) entlang des Umfangs des Spiegels (405) aus einem Nickel hergestellt sind, wobei auf ihnen eine MoCr-Schicht mit einem eingebauten Spannungsgefälle aufgetragen ist. Die Tragarme (450) sind an Ankerpunkten (440) an dem Träger verankert. Flexible Gelenke (415) dienen dazu, den Spiegel (405) an Tragarmen (450) anzubringen, während die Spannung und Formänderung von dem Spiegel (405) isoliert wird, um die Planheit für Genauigkeit beim optischen Richten zu wahren und die Drehflexibilität um eine Achse bereitzustellen, die zum Anheben und Betätigen benötigt wird.
Die Betätigungskraft für die Achse (475) und die Achse (476) wird durch die Anziehung zwischen Elektroden (410) erzeugt, die sich auf dem Träger und den Tragarmen (450) befinden. Bei einer anderen Ausführung nach der Erfindung liegen die Elektroden (410) nicht nur unter den Tragarmen (450), sondern erstrecken sich, wie in 4a gezeigt, unter jeden Quadranten des Spiegels (405), um die Gesamtbetätigungskraft zu erhöhen. Jedoch liefert das Beschränken der Betätigungselektroden (410) auf den Bereich unterhalb der Tragarme (450) eine größere Kraft pro Einheitsfläche, da die Betätigung nahe dem Ankerpunkt (440) beginnt, wo die anfängliche Trennung zwischen Elektrode (410) und Tragarmen (450) am geringsten ist, und die Trennung nimmt dann entlang der Länge des Tragarms (450) auf eine „reißverschlussförmige" Weise weiter ab, während der Tragarm (450) zu der Elektrode (410) hingezogen wird.
Bei der Struktur für Kippspiegel (106 und 107) können zwei oder mehr Tragarme (450) verwendet werden, wobei 4 (vier) typisch sind. Wenn die Spiegelbetätigung allein durch Betätigung der Tragarme (450) erreicht wird, sind mindestens 3 (drei) Tragarme (450) erforderlich, um Kippen um zwei nicht kollineare Achsen herum zu ermöglichen. 4b zeigt eine Ausführung nach der Erfindung einer beweglichen Spiegelstruktur mit 3 (drei) Tragarmen (450). Wenn die Spiegelbetätigung um eine Kippachse herum dadurch erreicht wird, dass sich Elektroden (410) unter den Spiegel (405) erstrecken, kann ein Kippen um zwei Achsen mit nur 2 (zwei) Tragarmen (450) erreicht werden.
Andere Ausführungen nach der Erfindung sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel besteht eine Anforderung für alle Tragschemen darin, dass die Tragarme (450) oder die Tragarme (455) (siehe 4c) und/oder flexiblen Gelenke (415) zwischen Ankerpunkten (440) deformierbar sind. Bei den in 4a und 4b gezeigten Ausführungen wird die Deformation erreicht, indem Tragarme (450) verwendet werden, die den Spiegel (405) umschlingen. Bei der in 4c gezeigten Ausführung wird die Deformation durch längliche Verformungselemente (456) in den Tragarmen (455) erreicht. Andere Ausführungen, die Deformation ermöglichen, sind für Personen mit gewöhnlichen Fertigkeiten auf dem Gebiet gut erkennbar.
5 zeigt die Grundstruktur von 4a im Querschnitt, wobei die Platzierung von Elektroden (410) nur unter den Tragarmen (450) gezeigt wird.
Die optische Lichtweglänge (definiert als die optische Distanz zwischen der Austrittsfläche des eingehenden optischen Faserbündels (108) und der Eintrittsfläche des ausgehenden optischen Faserbündels (112)) bewirkt eine Reihe von Konstruktionsparame tern. Typische optische Lichtwege liegen in dem Bereich von etwa 5 cm bis 10 cm. Ein längerer optischer Lichtweg bei den in 1 bis 3 gezeigten Ausführungen ist von Vorteil, da er den Abtastwinkel reduziert, der bei den Spiegeln (106 und 107) erforderlich ist, um die optischen Faseranordnungen (108 bzw. 112) zu erreichen. Mit einem reduzierten Abtastwinkel reduziert sich wiederum die Betätigungsspannung, die bei den Spiegeln (106 und 107) erforderlich ist, um eine gegebene Resonanzfrequenz oder Schaltgeschwindigkeit zu erreichen oder führt zu einer höheren Schaltgeschwindigkeit, wenn dieselbe Betätigungsspannung beibehalten wird. Ein reduzierter Abtastwinkel trägt außerdem zu einer Verringerung der mechanischen Spannungen bei, die auf die Verformungselemente, wie die flexiblen Gelenke (415) und die länglichen Verformungselemente (456), wirken. Mit einer verringerten mechanische Spannung reduzieren sich die potenziellen Probleme von Metallermüdung und Hysterese.
Jedoch steigt mit einer erhöhten optischen Lichtweglänge die Notwendigkeit der Kollimation optischer Bündel. Kollimationsoptikvorrichtungen müssen in der Nähe der Austrittsfläche des eingehenden optischen Faserbündels (108) und der Eintrittsfläche des ausgehenden optischen Faserbündels (112) positioniert werden. Dies erfolgt typischerweise mit Linsenanordnungen (115 und 116), aber auch mit Gradientenindex-(GRIN)-Kollimatoren, Kugellinsen oder sonstigen optischen Elementen, die sich zum Bereitstellen von Kollimation eignen. Bei Kollimationsoptikvorrichtungen bleibt immer eine finite Restdivergenz in dem optischen Bündel zurück, wie beispielsweise bei einem auf dem Markt erhältlichen GRIN-Faserkollimator typischerweise ein Restdivergenzwinkel von 0,1 bis 0,25 Grad zurückbleibt. Der Divergenzwinkel bestimmt in Verbindung mit der optischen Lichtweglänge die bei den Spiegeln (106 und 107) erforderliche Größe. Um Intensitätsverluste zu vermeiden, müssen die Spiegel (106 und 107) größer sein als der maximale Durchmesser des optischen Bündels. Bei einem gegebenen Divergenzwinkel erfordert ein längerer optischer Lichtweg größere Spiegel (106 und 107), was zu größeren Spiegelanordnungen (104, 105 und 165) und einem größeren Anordnungsabstand führt. Ein größerer Anordnungsabstand erfordert wiederum einen größeren Abtastwinkel.
Der typische Durchmesser des optischen Bündels beträgt etwa 0,3 mm bis 0,5 mm. Der Bündeldurchmesser bietet nach den Kollimations- und Expansionsoptiken einen Grad an Konstruktionsfreiheit. Mit der Expansion des optischen Bündeldurchmessers ent spannen sich die Positionstoleranzen aller optischen Elemente, was zu einer vereinfachten Unterbringung führt. Die für die Spiegel (106 und 107) erforderliche Größe wird jedoch größer. Typische Spiegeldurchmesser liegen typischerweise in der Größenordnung von 300 μm bis 1 mm. Bei wachsender Spiegelgröße wird es schwieriger, die Spiegelfläche optisch flach zu halten. Steigende Spiegeldicke erhöht die Fähigkeit, die Spiegelfläche optisch flach zu halten. Eine typische Dicke bei den Spiegeln (106 und 107) liegt in dem Bereich von 1 bis 15 μm.
Die Spiegel (106 und 107) können eine Wölbung aufweisen, die zu Divergenz des optischen Bündels zusammen mit Kollimatorrestdivergenz beiträgt. 6a zeigt einen Querschnitt eines Konkavspiegels (600) mit einem Krümmungshalbmesser R, einem Durchmesser w, einer Wölbung x, einem Durchmesser des eingehenden kollimierten Bündels d0, und Durchmesser d2 ist der Durchmesser des von der Oberfläche des Konkavspiegels (600) weg reflektierten Bündels bei optischer Lichtweglänge L. Der Wölbungswinkel α ≈ arctan (4x/w) ist der Divergenzhalbwinkel auf Grund der Wölbung x. Unter der Annahme, dass die Wölbung x deutlich geringer als der Krümmungshalbmesser R ist, kann nachgewiesen werden, dass der Bündeldurchmesser d als Funktion der optischen Lichtweglänge L ungefähr durch das Folgende angegeben wird: d(L) ~ d0 – 8 × L/w, wenn L < 2R (1), d(L) ~ d0 + 8 × L/w – 2w, wenn L > 2R (2) und d(L) ~ 0, wenn L ~ R.
6b zeigt, dass der Bündeldurchmesser als Funktion der optischen Lichtweglänge L für den Konvexspiegel (610) mit der optischen Lichtweglänge L durch das Folgende angegeben wird: d(L) ~ d0 – 8 × L/w, (3)
Aus dem Vorgenannten wird ersichtlich, dass die Divergenz des optischen Bündels, die sich aus dem Wölbungswinkel α im Bezug auf die Divergenz des optischen Bündels auf Grund des Kollimationsrestwinkels auf Grund der Kollimationsoptikvorrichtungen klein gehalten werden muss, um eine akzeptable Spiegelgröße zu wahren. Wenn beispielsweise der Spiegeldurchmesser w 300 μm beträgt, die optische Lichtweglänge L 10 cm beträgt und d0 250 μm beträgt, ist eine Wölbung x von 10 nm akzeptabel, während eine Wölbung x von 100 nm nicht akzeptabel ist. Das Erhöhen des Spiegeldurchmessers w auf 500 μm ermöglicht eine Wölbung x von 100 nm.
Größere Dicken oder Durchmesser bei den Spiegeln (106 und 107) bedeuten, dass die Spiegel (106 und 107) bei einer gegebenen Betätigungsspannung bei einer festen Tragsteifigkeit langsamer reagieren und für eine schnellere Reaktion bei einer höheren Tragsteifigkeit eine höhere Betätigungsspannung benötigen.
Beispielsweise erfordern größere Durchmesser für die Spiegel (106 und 107) einen höheren Spielraum zum Träger bei einem gegebenen Abtastwinkel. Die für die Spiegel (106 und 107) verwendete Betätigung wird instabil, sobald die Abwärtsablenkung einen gewissen Punkt überschreitet. Die Instabilität tritt typischerweise ein, wenn die Luftstrecke zwischen den Tragarmen (450) und den Elektroden (410) auf etwa 30 % bis 50 % der Luftstrecke für den unbetätigten Zustand sinkt. Beim Betrieb der Spiegel (106 und 107) ist es wünschenswert, den Bereich der Instabilität bei dem Betrieb bei maximalem erforderlichen Kippwinkel zu vermeiden. Zum Vergrößern des Stabilitätsbereichs ist es von Vorteil, die Elektroden (410) nach einer Ausführung der Erfindung zu formen. Beispielsweise können die Elektroden (410) abhängig von dem Abstand zu den Ankerpunkten (440) kegelförmig sein. Eine typische Form ist dann eine dreieckige Form. Durch das allmähliche Reduzieren der Breite der Betätigungselektroden (410) entlang ihrer Länge wird die Betätigungskraft bei einer festen Spannung verringert, während sich die Tragarme (450) in Richtung der Betätigungselektroden (410) nach unten biegen. Durch diese Reduzierung der Betätigungskraft wird die erhöhte Betätigungskraft auf Grund der allmählich abnehmenden Lücke zwischen Tragarm (450) und Betätigungselektrode (410) ausgeglichen. Die abnehmende Lücke ist für das Einsetzen der Instabilität verantwortlich.
Somit bestimmen der Spiegeldurchmesser, der erforderliche Abtastwinkel und die Größe des Instabilitätsbereichs zusammen den Mindestspielraum für die Spiegel (106 und 107) zu dem Träger (499). Der Spielraum wird angepasst durch geeignete Auswahl der Länge beispielsweise der Tragarme (450) und des Ausmaßes des Spannungsgefälles, das in die Tragarme (450) eingeführt wird. Ein typischer Spielraum liegt bei den Spiegeln (106 und 107) typischerweise in dem Bereich von 20 μm bis 200 μm zu dem Träger (499).
Die Steifigkeit des Tragsystems und die Masse der Spiegel (106 und 107) bestimmt die Resonanzfrequenz der Spiegel (106 und 107). Zum Beispiel wird in 4a die Steifigkeit des Tragsystems durch die Breite, die Länge, die Dicke und das Material der Tragarme (450) und der flexiblen Gelenke (415) bestimmt. Eine höhere Steifigkeit führt zu einer höheren Resonanzfrequenz mit einer resultierenden höheren Schaltgeschwindigkeit, erfordert aber höhere Betätigungsspannungen. Durch höhere Steifigkeit wird außerdem der Spielraum des Spiegels (405) über dem Träger (499) bei gleichem Spannungsgefälle und gleicher geometrischer Gestaltung verringert. Das Verhältnis der Steifigkeit des Tragarms (450) zu der Steifigkeit des flexiblen Gelenks (415) bestimmt, welcher Anteil der Betätigungskraft das Kippen des Spiegels (405) gegenüber dem Senken des Spiegels (405) erzeugt. Es besteht sowohl ein Kippen als auch ein Senken des Spiegels (405). Somit ist es wünschenswert, dass die Steifigkeit der flexiblen Gelenke (415) geringer ist als die Steifigkeit der Tragarme (450).
Zweidimensionale Mikrospiegelanordnungen, wie die zweidimensionale Anordnung (104) der MEMS-Kippspiegel (106), können auf eine Reihe von Arten nach der Erfindung hergestellt werden. Es können verschiedene Silizium-auf-Isolator-Träger verwendet werden. Bei einer Alternative zu der Erfindung können andere Träger, wie beispielsweise Glas und Massensilizium, verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass die Abhebemasken (701 bis 706) in den 7a bis 7f beispielhaft sind und für eine zwei mal zwei Mikrospiegelanordnung gezeigt werden, aber auf eine willkürliche Mikrospiegelanordnungsgröße oder auf eine Einzelspiegelstruktur angepasst werden können. Die 8a bis 8o zeigen die Herstellschritte für die zweidimensionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106), wobei Glas als der Träger als eine Alternative zu der Erfindung verwendet wird. Die 8a bis 8o sind im Schnitt ausgeführte Ansichten, die im Wesentlichen entlang der Linie 8–8 in 9 angelegt sind. Der hochwertige ungetemperte Glasträger (801) wird vor dem Aufbringen der Photoresist-Abhebemaske (701) gereinigt. Nach dem Aufbringen ist die Abhebemaske (701), wie in 7a gezeigt, nach Ankerpunkten (440), Betätigungselektroden (410) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) gemustert. Typischerweise werden 100 nm Chrom (813) gesputtert auf die Abhebemaske (701) aufgetragen. 8b zeigt das Entfernen der Photoresist-Abhebemaske (701) und des Abschnitts der Chromschicht (813), der auf der Photoresist-Abhebemaske (701) liegt, wobei eine Acetonweiche verwendet wird und die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) am Platz zurückbleiben. Unter Verwendung von chemischer Niederdruck-Aufdampfung (LPCVD) wird eine Si₃N₄-Schicht (803) mit einer typischen Dicke von etwa 150 nm, wie in 8c gezeigt, auf den Glasträger (801), auf die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) aufgetragen.
Unter Bezugnahme auf 8d wird die amorphe Siliziumschicht (804) per LPCVD auf die Si₃N₄-Schicht (803) zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm aufgetragen. Die Photoresist-Maske (702) wird auf die amorphe Siliziumschicht (804) aufgebracht und ist gemustert wie in 7b gezeigt. Kontaktlöcher (890) werden unter Verwendung eines O₂/SF₆-Plasmas bis hinunter zu den Ankerpunkten (440) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) trockengeätzt. Nach Entfernen der Photoresist-Maske (702) unter Verwendung einer Acetonweiche wird, wie in 8e gezeigt, eine Kupferimpfschicht (805) zu einer typischen Dicke von etwa 200 nm auf die amorphe Siliziumschicht (804), die elektrischen Kontakte (nicht gezeigt) und die Ankerpunkte (440) aufgetragen.
8f zeigt eine Galvanisiermaske (703), die zur Vorbereitung des Galvanisierens der Nickelschicht (806) auf die Kupferschicht (805) aufgebracht wird und gemustert ist wie in 7c gezeigt. Die Nickelschicht (806) wird, wie in 8g gezeigt, auf der Kupferschicht (805) zu einer typischen Dicke von etwa 1 μm galvanisiert. Die Nickelschicht (806) fungiert als Strukturtragschicht für den Spiegel (405) und die Tragarme (450) (siehe 4 und 9). Dann wird die Galvanisiermaske (703) entfernt. Die Galvanisiermaske (704) wird aufgebracht und ist gemustert wie in 7d gezeigt, wobei nur der Bereich für den Spiegel (405) freigelegt bleibt. Die Galvanisiermaske (704) ist die Maske für das Nickelgalvanisieren des Spiegels (405) zu einer typischen Dicke von etwa 2 bis 3 μm, wie in 8h gezeigt. Die Photoresist-Schicht (704) wird entfernt, um die in 8i gezeigte Struktur zu erzeugen.
Die MoCr-Photoresist-Abhebemaske (705) wird, wie in 8j gezeigt, auf den Spiegel (405) und die Kupferschicht (805) aufgebracht. Die Abhebemaske (705) ist gemustert wie in 7e gezeigt, und dann wird die MoCr-Schicht (810) gesputtert auf die Abhebemaske (705) aufgetragen. Typische Sputterparameter zum Auftragen der MoCr-Schicht (810) werden in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben und führen zu einem Eigenspannungsgefälle von etwa 3,0 GPa über die gesamte MoCr-Schicht (810). Der Gesamthub kann unter Verwendung konventioneller Mikrofederformulierungen, wie sie in US-A-5.914.218 offenbart werden, konstruiert werden.
Tabelle 1
Zum Entfernen der Abhebemaske (705) und der Abschnitte der MoCr-Schicht (810), die auf der Abhebemaske (705) liegen, erfolgt eine Acetonweiche, was zu der in 8k gezeigten Struktur führt.
Die Photoresist-Abhebemaske (706) wird auf die freigelegte Kupferschicht (805), die freigelegte Nickelschicht (806) und den verbleibenden Abschnitt der MoCr-Schicht (810) aufgebracht. Die Abhebemaske (706) ist gemustert wie in Fig. F gezeigt, um nur die Oberfläche des Spiegels (405) freizulegen. Dann wird die Goldschicht (815) gesputtert aufgetragen, um den Spiegel (405) mit Gold zu beschichten. Nachdem die Goldschicht (815) aufgetragen wurde, wird die Abhebemaske (706) zusammen mit dem Abschnitt der Goldschicht (815), der auf der Abhebemaske (706) liegt, unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt. Die resultierende Struktur wird in 8m gezeigt. Zum Herstellen der in 8n gezeigten Struktur wird die freigelegte Kupferschicht (805) unter Verwendung eines alkalischem Ätzmittels, typischerweise ein Gemisch von 5 H₂O : 5 NH₄OH N₂O₂, entfernt. Dieses Ätzmittel verhindert die Beschädigung des freigelegten Nickels.
Zuletzt wird die in 8n gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Siliziumopferschicht (804) entfernt, freigegeben. Es ist zu beachten, dass der Rest der Kupferschicht (805) an der Struktur (899) befestigt bleibt. Das Entfernen der amorphen Siliziumschicht (804) verursacht das Freigeben der Struktur (899), wie in 8o gezeigt. Auf Grund des Eigenspannungsgefälles in der MoCr-Schicht (810) richtet sich die Struktur (899) von dem Träger (801) auf. Da die MoCr-Schicht (810) die Oberflächenschicht für die Tragarme (450) ist (siehe auch 4), wirkt das Eigenspannungsgefälle so, dass alle vier Tragarme (450) nach oben gezwungen werden, wodurch der Spiegel (405) angehoben wird. 10 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Darstellung des MEMS-Kippspiegels (106) auf dem Glasträger (801). 10 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Darstellung des MEMS-Kippspiegels (106) auf dem Glasträger (801) und zeigt optische Bündel (1010 und 1020). Das optische Bündel (1020) erreicht den Spiegel (405), indem es den Glasträger (801) durchläuft.
Die 11a bis 11k zeigen die Herstellschritte für die zweidimensionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106) unter Verwendung von Massensilizium als Träger als eine Alternative zu der Erfindung. Die typische Dicke des Massensiliziumträgers (1101) liegt in der Größenordnung 100 μm, um das Ätzen zu erleichtern. Die 11a bis 11k sind im Schnitt ausgeführte Ansichten entlang der Linie 12–12 in 12. 11a zeigt einen Massensiliziumträger (1101) mit dielektrischen Schichten (1102 und 1103), typischerweise Si₃N₄, die auf zwei Seiten des Massensiliziumträgers (1101) aufgetragen sind. Die Photoresist-Abhebemaske (709) wird auf die dielektrische Schicht (1103) aufgebracht und ist gemustert wie in 7i gezeigt. Dann wird die Cr-Schicht (1105) gesputtert auf die Abhebemaske (709) und die freigelegte dielektrische Schicht (1103) aufgetragen. Nachfolgend werden die Abhebemaske (709) und die aufliegenden Abschnitte der Cr-Schicht (1105) unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt.
Nach der Acetonweiche zeigt 11b das Auftragen der dielektrischen Schicht (1111) auf die Elektroden (410) zum elektrischen Isolieren der Elektroden (410). Die dielektrische Schicht (1111) kann aus Si₃N₄ oder einem anderen dielektrischen Material bestehen. Die SiO₂-Schicht (1106) wird zu Freigabezwecken auf die dielektrische Schicht (1111) aufgetragen. 11c zeigt die Photoresist-Maskenschicht (711), die auf die SiO₂-Schicht aufgebracht wird und dann gemustert ist wie in 7k gezeigt. Dann werden die freigelegten Abschnitte der dielektrischen Schicht (1111) und der SiO₂-Schicht (1106) trocken weggeätzt. Die Photoresist-Abhebemaskenschicht (710) wird in 11d aufgebracht und ist gemustert wie in 7i gezeigt. Wie in 11e gezeigt, wird die MoCr-Schicht (1108) gesputtert zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm auf die Maskenschicht (710) aufgetragen, wie dies in der vorgenannten Tabelle 1 dargelegt wird.
Die Photoresist-Abhebemaske (710) und die aufliegenden Abschnitte der MoCr-Schicht (1108) werden unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt, um die Struktur in 11f zu erreichen. 11g zeigt die Photoresist-Abhebemaskenschicht (708), die auf die dielektrische Schicht (1106) und MoCr-Schicht (1108) aufgebracht wird und dann, wie in 7k gezeigt, gemustert ist. Die Goldschicht (1109) wird gesputtert auf die Photoresist-Abhebemaskenschicht (708) zu einer typischen Dicke von etwa 100 nm aufgetragen. Dann wird die Photoresist-Abhebemaskenschicht (708) zusammen mit den aufliegenden Abschnitten der Goldschicht (1109) unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt. Der gesamte obere Teil der Struktur wird, wie in 11h gezeigt, mit einer Photoresist-Schicht (1110) zu einer Dicke von etwa 5 bis 10 μm bedeckt und etwa 20 Minuten bei ungefähr 120 °C festgebrannt, um den oberen Teil der Struktur gegen nachfolgende Verarbeitungsschritte zu schützen.
Unter Bezugnahme auf 11i wird die Photoresist-Maske (707) auf die dielektrische Schicht (1102) aufgebracht und ist gemustert wie in 7g gezeigt. Die Photoresist-Maske (707) legt die Bereiche für das reaktive Ionentiefätzen frei, mit dem die freigelegten Abschnitte der dielektrischen Schicht (1102) und der Massensiliziumträger (1101), die dielektrische Schicht (1103) und die dielektrische Schicht (1106), die aufliegen, entfernt werden, um den getragenen Spiegel (405) auszubilden. 11j zeigt das Ausmaß des reaktiven Ionentiefätzens. Außerdem werden die MoCr-Tragarme (450) (siehe 4) aus der dielektrischen Schicht (1106) freigegeben. Zuletzt werden, wie in 11k gezeigt, die Photoresist-Maskenschichten (707 und 1110) entfernt, indem entweder Tro ckenätzen oder eine Acetonweiche gefolgt von einem Ätzen in einem Photoresistablöser verwendet wird. Die fertige MEMS-Kippspiegelstruktur wird in 13 gezeigt, wo Pfeile (1310 und 1320) anzeigen, dass die untere wie auch die obere Fläche des Spiegels (405) dazu verwendet werden können, Licht zu reflektieren, wenn geringfügige Änderungen an den Verarbeitungsschritten 11a bis 11j so vorgenommen werden, dass auch der untere Teil des Spiegels (405) mit Gold beschichtet wird.
Die 14a bis 14l zeigen die Herstellschritte für die zweidimensionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106) unter Verwendung eines Silizium-auf-Isolator-Trägers nach einer Ausführung der Erfindung. Die 14a bis 14l sind im Schnitt ausgeführte Ansichten entlang der Linie 12–12 in 12. 14a zeigt den Silizium-auf-Isolator-Träger (1401) mit dielektrischen Schichten (1402 und 1403), typischerweise Si₃N₄, die auf zwei Seiten des Silizium-auf-Isolator-Trägers (1401) aufgetragen sind. Die Photoresist-Abhebemaske (709) wird auf die dielektrische Schicht (1403) aufgebracht und ist gemustert wie in 7i gezeigt. Die Cr-Schicht (1405) wird zu einer typischen Dicke von etwa 100 nm gesputtert auf die gemusterte Photoresist-Abhebemaske (709) aufgetragen. Die Photoresist-Abhebemaske (709) und die aufliegenden Abschnitte der Cr-Schicht (1405) werden, wie in 14b gezeigt, unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Standard-Abhebetechnik entfernt. In 14c wird die dielektrische Schicht (1411) auf die Betätigungselektroden (410) aufgetragen, um die Elektroden (410) elektrisch zu isolieren. Die dielektrische Schicht (1411) kann aus Si₃N₄ oder einem anderen dielektrischen Material bestehen. Typischerweise wird eine poröse SiO₂-Schicht (1406) zu Freigabezwecken auf die dielektrische Schicht (1411) aufgetragen. 14d zeigt die Photoresist-Maskenschicht (711), die auf die SiO₂-Schicht (1406) aufgetragen wird und dann gemustert ist wie in 7k gezeigt. Dann werden die freigelegten Abschnitte der SiO₂-Schicht (1406) und die darunter liegenden Abschnitte der dielektrischen Schicht (1411) trocken weggeätzt. Die Photoresist-Abhebemaske (710) wird in 14e auf die verbleibenden Abschnitte der SiO₂-Schicht (1406) und die freigelegten Abschnitte der Schicht (141) aufgebracht und ist gemustert wie in 7j gezeigt. Wie in 14f gezeigt, wird die MoCr-Schicht (1408), wie in der vorgenannten Tabelle 1 dargelegt, gesputtert zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm auf die Maskenschicht (710) aufgetragen.
Die Photoresist-Abhebemaske (710) und die aufliegenden Abschnitte der MoCr-Schicht (1408) werden unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Abhebetechnik entfernt, um die in 14g gezeigte Struktur zu erreichen. 14h zeigt die Photoresist-Abhebemaske (708), die auf die dielektrische Schicht (1406) und die MoCr-Schicht (1408) aufgebracht wird und dann gemustert ist wie in 7h gezeigt. Die Goldschicht (1409) wird gesputtert auf die Photoresist-Abhebemaskenschicht (708) zu einer typischen Dicke von etwa 100 nm aufgetragen. Die Photoresist-Abhebemaskenschicht (708) wird dann zusammen mit den aufliegenden Abschnitten der Goldschicht (1409) unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Abhebetechnik entfernt. Der gesamte obere Teil der Struktur wird, wie in 14i gezeigt, mit einer Photoresist-Schicht (1410) zu einer Dicke von etwa 5 bis 10 nm bedeckt und etwa 20 Minuten bei ungefähr 120 °C festgebrannt, um als Schutz gegen nachfolgende Verarbeitungsschritte zu dienen. Die Photoresist-Maskenschicht (713) wird auf die dielektrische Schicht (1402) aufgebracht und ist gemustert wie in 7m gezeigt. Der freigelegte Abschnitt der dielektrischen Schicht (1402) wird unter Verwendung eines gepufferten Flusssäureätzmittels entfernt, um das folgende Ätzen mit Kaliumhydroxid zu ermöglichen. Die Photoresist-Maskenschicht (713) wird dann ebenfalls unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt.
Der Silizium-auf-Isolator-Träger (1401) wird unter Verwendung einer 45%igen Kaliumhydroxidlösung bei einer Temperatur von ungefähr 60 °C rückseitig geätzt, bis, wie in 14j gezeigt, die beerdigte Oxidschicht (1475) erreicht ist. Die beerdigte Oxidschicht (1475) fungiert als Ätzbegrenzung. Der verbleibende Abschnitt der dielektrischen Schicht (1402) und der freigelegte Abschnitt der beerdigten dielektrischen Schicht (1475) werden mit der Photoresist-Maske (707) beschichtet, die gemustert ist wie in 7g gezeigt. Außerdem werden die freigelegten Seitenwände in dem Hohlraum (1450) mit der Photoresist-Schicht (1451) beschichtet. Die freigelegten Bereiche werden dann mit reaktiver Ionentiefätzung geätzt, um den freigelegten Abschnitt der beerdigten dielektrischen Schicht (1475) sowie die Abschnitte des Silizium-auf-Isolator-Trägers (1401), der dielektrischen Schicht (1403) und der dielektrischen Schicht (1406), die auf dem freigelegten Abschnitt der beerdigten dielektrischen Schicht (1475) liegen, zu entfernen. Die resultierende Struktur wird in 14k gezeigt. Zuletzt werden, wie in 11l gezeigt, die Photoresist-Maskenschichten (707) zusammen mit den Photoresist-Schichten (1410 und 1451) entfernt, indem entweder Trockenätzen oder eine Acetonweiche ge folgt von einem Ätzen in einem Photoresistablöser verwendet wird. Die fertige MEMS-Kippspiegelstruktur (1500) wird in 15 gezeigt, wo Pfeile (1510 und 1520) anzeigen, dass die untere wie auch die obere Fläche des Spiegels (405) dazu verwendet werden können, Licht zu reflektieren, wenn geringfügige Änderungen an den Verarbeitungsschritten 14a bis 14l so vorgenommen werden, dass der untere Teil des Spiegels (405) mit Gold beschichtet wird.
Die 16a bis 16i zeigen die Herstellschritte für die zweidimensionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106) unter Verwendung von einem der zuvor genannten Träger unter Verwendung von Polysilizium als mechanisches Spiegelmaterial nach einem Aspekt der Erfindung. Die 16a bis 16i sind im Schnitt ausgeführte Ansichten entlang der Linie 9–9 in 9. 16a zeigt das Aufbringen der Photoresist-Abhebemaskenschicht (701) auf den Träger (1601). Nach dem Aufbringen ist die Abhebemaskenschicht (701), wie in 7a gezeigt, nach Ankerpunkten (440), Betätigungselektroden (410) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) gemustert. Die Cr-Schicht (1613) wird zu einer typischen Dicke von etwa 100 nm auf die Abhebemaskenschicht (701) aufgetragen. 16b zeigt das Entfernen der Photoresist-Abhebemaskenschicht (701) und des Abschnitts der Cr-Schicht (1613), der auf der Photoresist-Abhebemaske (701) liegt, unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Abhebetechnik, wobei die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) am Platz zurückbleiben. Unter Verwendung von chemischer Niederdruck-Aufdampfung (LPCVD) wird eine Si₃N₄-Schicht (1603) zu einer typischen Dicke von etwa 200 nm auf den Träger (1601), die Ankerpunkte (440) und die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) aufgetragen, worauf, wie in 16c gezeigt, das Auftragen einer porösen SiO₂-Schicht (1604) zu einer typischen Dicke von etwa 150 nm auf die Si₃N₄-Schicht (1603) folgt.
Unter Bezugnahme auf 16d wird die Photoresist-Maskenschicht (702) auf die SiO₂-Schicht (1604) aufgebracht und ist gemustert wie in 7b gezeigt. Kontaktlöcher (1690) werden unter Verwendung eines O₂/SF₆-Plasmas bis hinunter zu den Ankerpunkten (440) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) trockengeätzt. Nach Entfernen der Photoresist-Maskenschicht (702) unter Verwendung einer Acetonweiche wird eine Polysiliziumschicht (1605) zu einer typischen Dicke von etwa 6 μm aufgetragen, um als die mechanische Schicht für den Spiegel (405) zu fungieren. Dann wird eine chemisch-me chanische Politur auf die Polysiliziumschicht (1605) aufgebracht, um die Oberfläche der Polysiliziumschicht (1605) zu planarisieren, was zu der in 16e gezeigten Struktur führt.
Die Photoresist-Maskenschicht (1611) wird auf die Polysiliziumschicht (1605) aufgebracht und ist als Photonegativ der in 7c gezeigten Photoresist-Maske (703) gemustert. Dann werden die freigelegten Abschnitte der Polysiliziumschicht (1605) trocken weggeätzt, wodurch sich die Struktur in 16f ergibt. Dann wird die Photoresist-Maskenschicht (1611) entfernt, indem entweder eine Acetonweiche oder ein Trockenätzen verwendet wird. Dann wird die Photoresist-Abhebemaskenschicht (705) auf die freigelegte SiO₂-Schicht (1604) und die verbleibende Polysiliziumschicht (1605) aufgetragen. Unter Bezugnahme auf 16g ist die Photoresist-Abhebemaskenschicht (705) wie in 7e gezeigt gemustert, und dann wird die MoCr-Schicht (1610) gesputtert zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm auf die Photoresist-Abhebemaskenschicht (705) und auf freigelegte Abschnitte der Polysiliziumschicht (1605) aufgetragen, wie in Tabelle 1 beschrieben. Dann werden die Photoresist-Abhebemaskenschicht (705) und die aufliegenden Abschnitte der MoCr-Schicht (1610) unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Abhebetechnik entfernt.
Die Photoresist-Abhebemaskenschicht (704) wird auf die Polysiliziumschicht (1605) und den freigelegten Abschnitt der SiO₂-Schicht (1604) aufgebracht und ist gemustert wie in 7f gezeigt. Eine Goldschicht (1615) wird, wie in 16h gezeigt, gesputtert zu einer typischen Dicke von etwa 100 nm auf die Photoresist-Abhebemaske (706) aufgetragen. Dann werden die Photoresist-Abhebemaske (706) und die aufliegende Goldschicht (1615) unter Verwendung einer Acetonweiche oder einer anderen Abhebetechnik entfernt, wobei die Goldschicht (1615) auf dem Spiegel (405) zurückbleibt. Zuletzt erfolgt ein Nassätzen unter Verwendung einer 49%igen Flusssäure für etwa 15 Minuten auf der porösen SiO₂-Schicht, um, wie in 16i gezeigt, den Spiegel (405) freizugeben. Die resultierende Struktur ähnelt der, die in der teilweise aufgeschnittenen Darstellung von
10 gezeigt wird.
Ebenheit des Kippspiegels (106) kann erreicht werden, indem die Kippspiegel (106) aus zwei angrenzenden Spannungsmetallschichten mit gegensätzlichen Spannungsgefällen hergestellt werden. Die 17a bis 17l zeigen die Herstellschritte für die zweidimen sionale Anordnung (104) von MEMS-Kippspiegeln (106), wobei Glas als der Träger nach einer Alternative zu der Erfindung verwendet wird, um gegensätzliche Spannung zu erzeugen. Die 17a bis 17m sind im Schnitt ausgeführte Ansichten, die im Wesentlichen entlang der Linie 8–8 in 9 angelegt sind. Der hochwertige ungetemperte Glasträger (801) wird vor dem Aufbringen der Photoresist-Abhebemaske (701) gereinigt. Nach dem Aufbringen ist die Abhebemaske (701), wie in 17a gezeigt, nach Ankerpunkten (440), Betätigungselektroden (410) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) gemustert. Typischerweise werden 100 nm Chrom (813) gesputtert auf die Abhebemaske (701) aufgetragen. 17b zeigt das Entfernen der Photoresist-Abhebemaske (701) und des Abschnitts der Chromschicht (813), der auf der Photoresist-Abhebemaske (701) liegt, wobei eine Acetonweiche verwendet wird und die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) am Platz zurückbleiben. Unter Verwendung von chemischer Niederdruck-Aufdampfung (LPCVD) wird, wie in 17c gezeigt, eine Si₃N₄-Schicht (803) mit einer typischen Dicke von etwa 150 nm auf den Glasträger (801), auf die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) aufgetragen.
Unter Bezugnahme auf 17d wird die amorphe Siliziumschicht (804) per LPCVD zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm auf die Si₃N₄-Schicht (803) aufgetragen. Die Photoresist-Maske (702) wird auf die amorphe Siliziumschicht (804) aufgebracht und ist gemustert wie in 7b gezeigt. Kontaktlöcher (890) werden unter Verwendung eines O₂/SF₆-Plasmas bis hinunter zu den Ankerpunkten (440) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) trockengeätzt. Nach Entfernen der Photoresist-Maske (702) unter Verwendung einer Acetonweiche wird eine Titanhaftschicht (1701) zu einer typischen Dicke von etwa 50 nm auf die amorphe Siliziumschicht (804), die elektrischen Kontakte (nicht gezeigt) und die Ankerpunkte (440) aufgetragen, worauf, wie in 17e gezeigt, das Auftragen der Goldreflexionsschicht (1705) auf die Titanhaftschicht (1701) folgt.
17f zeigt die Abhebemaske (703), die zur Vorbereitung des Auftragens der MoCr-Schicht (1710) auf die Goldreflexionsschicht (1705) aufgebracht wird und gemustert ist wie in 7c gezeigt. 17g zeigt das Sputterauftragen von fünf Unterschichten von MoCr, was zu einer typischen Gesamtdicke der MoCr-Schicht (1712) von 1 μm führt. Typische Sputterparameter zum Auftragen der MoCr-Schicht (1712) werden in der vorge nannten Tabelle 1 gezeigt und führen zu einer MoCr-Schicht (1712) mit einem Eigenspannungsgefälle von etwa 3,0 GPa.
Die Photoresist-Abhebemaske (704) wird auf die MoCr-Schicht (1712) aufgebracht. Die Abhebemaske (704) ist gemustert wie in 7d gezeigt, wobei nur die Spiegelfläche freigelegt zurückbleibt. Dann wird, wie in 17h gezeigt, die MoCr-Schicht (1714) gesputtert auf die Abhebemaske (704) mit einem eingebauten Spannungsgefälle, das dem der MoCr-Schicht (1712) entgegengesetzt ist, aufgetragen. Das führt zu einer Restkraft in dem Spiegel (405) von im Wesentlichen Null. Es erfolgt eine Acetonweiche, um die Abhebemaske (704) und die Abschnitte der MoCr-Schicht (1714), die auf der Abhebemaske (704) liegen, zu entfernen. Der freigelegte Abschnitt der Goldreflexionsschicht (1705) wird unter Verwendung von TRANSENE-Goldätzmittel entfernt, worauf ein Gemisch aus HF : H₂O folgt, um den freigelegten Abschnitt der Titanhaftschicht (1712), wie in 17i gezeigt, zu entfernen.
Die Photoresist-Abhebemaske (706) wird auf den verbleibenden Abschnitt der MoCr-Schicht (1714) und den freigelegten Abschnitt der MoCr-Schicht (1712) aufgebracht. Die Abhebemaske (706) ist gemustert wie in 7f gezeigt, um nur die Oberfläche des Spiegels (405) freizulegen. Dann wird die Goldschicht (815) gesputtert aufgetragen, um den Spiegel (405), wie in 17j gezeigt, mit Gold zu beschichten. Nachdem die Goldschicht (815) aufgetragen wurde, wird die Abhebemaske (706) zusammen mit dem Abschnitt der Goldschicht (815), der auf der Abhebemaske (706) liegt, unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt. Die resultierende Struktur wird in 17k gezeigt. Zuletzt wird die in 17l gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Siliziumopferschicht (804) entfernt, freigegeben. Das Entfernen der amorphen Siliziumschicht (804) verursacht das Freigeben der Struktur (1750). Auf Grund des Eigenspannungsgefälles in der MoCr-Schicht (1712) richtet sich die Struktur (1750) von dem Träger (801) auf. Da die MoCr-Schicht (1712) die Tragarme (450) ausbildet (siehe auch 4), wirkt das Eigenspannungsgefälle in der MoCr-Schicht (1712) so, dass alle vier Tragarme (450) nach oben gezwungen werden, wodurch der Spiegel (405) angehoben wird.
Ebenheit des Kippspiegels (106) kann außerdem erreicht werden, indem die Kippspiegel (106) aus zwei angrenzenden Spannungspolysiliziumschichten mit gegensätzlichen Spannungsgefällen hergestellt werden. Polysilizium kann durch Anpassen der Auftragtemperatur (im Gegensatz zu Druck bei MoCr) während LPCVD gespannt werden. Wie von Arthur Heuer von der Case Western Reserve University nachgewiesen wurde, lassen sich Spannungen in der Größenordnung von 500 MPa gut erreichen.
Die 18a bis 18m zeigen die Herstellschritte für MEMS-Kippspiegel (106), wobei Glas als der Träger nach einer Alternative zu der Erfindung verwendet wird, um gegensätzliche Spannung zu erzeugen. Die 18a bis 18m sind im Schnitt ausgeführte Ansichten, die im Wesentlichen entlang der Linie 8–8 in 9 angelegt sind. Der hochwertige ungetemperte Glasträger (801) wird vor dem Aufbringen der Photoresist-Abhebemaske (701) gereinigt. Nach dem Aufbringen ist die Abhebemaske (701), wie in 17a gezeigt, nach Ankerpunkten (440), Betätigungselektroden (410) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) gemustert. Typischerweise werden 100 nm Chrom (813) gesputtert auf die Abhebemaske (701) aufgetragen. 18b zeigt das Entfernen der Photoresist-Abhebemaske (701) und des Abschnitts der Chromschicht (813), der auf der Photoresist-Abhebemaske (701) liegt, wobei eine Acetonweiche verwendet wird und die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440) am Platz zurückbleiben. Unter Verwendung von chemischer Niederdruck-Aufdampfung (LPCVD) wird eine Si₃N₄-Schicht (803) mit einer typischen Dicke von etwa 150 nm auf den Glasträger (801), auf die Betätigungselektroden (410) (siehe 4) und die Ankerpunkte (440), wie in 18c gezeigt, aufgetragen.
Unter Bezugnahme auf 18d wird die amorphe Siliziumschicht (804) per LPCVD zu einer typischen Dicke von etwa 500 nm auf die Si₃N₄-Schicht (803) aufgetragen. Dann wird die Si₃N₄-Schicht (1803) per LPCVD auf die amorphe Siliziumschicht (804) aufgetragen, um als erste Isolierschicht gegen das später aufzutragende XeF₂ für die Polysiliziumstruktur zu dienen. Die Photoresist-Maske (702) wird auf die Si₃N₄-Schicht (1803) aufgebracht und ist gemustert wie in 7b gezeigt. Kontaktlöcher (890) werden unter Verwendung eines O₂/SF₆-Plasmas bis hinunter zu den Ankerpunkten (440) und elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) trockengeätzt. Nach Entfernen der Photoresist-Maske (702) unter Verwendung einer Acetonweiche wird eine gespannte Polysiliziumschicht (1804) per LPCVD aufgetragen, und die Photoresist-Schicht (2004) wird unter Verwendung von LPCVD auf die Polysiliziumschicht (1804) aufgetragen und ist, wie in 7c gezeigt, als Umkehrung der Maske (703) gemustert. Der freigelegte Abschnitt der Poly siliziumschicht (1804) wird in einer O₂/SF₆-Plasma-Ätzvorrichtung trockengeätzt, und die Photoresist-Schicht (2004) wird entfernt, was zu der in 18f gezeigten Struktur führt.
Die Photoresist-Schicht (2005) wird auf die Polysiliziumschicht (1804) aufgetragen und ist, wie in 7c gezeigt, als Umkehrung der Maske (703) gemustert, wird jedoch geringfügig optisch vergrößert, um einen Überhang von ungefähr 1 μm zu erzeugen. Dann erfolgt unter Verwendung einer HF-Lösung, wie in 18g gezeigt, ein zeitlich abgestimmtes Nassätzen der freigelegten Si₃N₄-Schicht (1803). Dann wird die Photoresist-Schicht (2004) unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt. Die Si₃N₄-Schicht (1809) wird zum Verkapseln der Polysiliziumschicht (1804) aufgetragen. Wie in 18h gezeigt, wird die Photoresist-Maske (704) auf die Si₃N₄-Schicht (1809) aufgetragen und ist gemustert wie in 7d gezeigt, um den Spiegelbereich freizulegen. Dann wird die Si₃N₄-Schicht (1809) unter Verwendung eines HF-Ätzmittels geätzt.
Nach Entfernen der Photoresist-Maske (704) unter Verwendung einer Acetonweiche wird eine Polysiliziumschicht (1805) mit einem der Polysiliziumschicht (1804) entgegengesetzten Spannungsgefälle aufgetragen. Wie in 18i gezeigt, wird dann die Photoresist-Schicht (2006) auf die Polysiliziumschicht (1805) aufgetragen und ist, wie in 7d gezeigt, als Umkehrung der Maske (704) gemustert. Dann werden die freigelegten Abschnitte der Polysiliziumschicht (1805) trockengeätzt, wobei dies an der Si₃N₄-Schicht (1809) endet. Dann wird die Photoresist-Schicht (2006) unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt. Wie in 18j gezeigt, wird die Photoresist-Schicht (2007) auf die Polysiliziumschicht (1805) und auf die freigelegte Si₃N₄-Schicht (1809) aufgetragen und ist, wie in 7c gezeigt, als Umkehrung der Photomaske (703) gemustert. Dann wird die freigelegte Si₃N₄-Schicht (1809), wie in 18j gezeigt, weggeätzt. Dann wird die Photoresist-Schicht (2007) unter Verwendung einer Acetonweiche entfernt.
Die Photoresist-Maske (704) wird auf die freigelegten Abschnitte der Polysiliziumschicht (1805), der amorphen Siliziumschicht (804) und der Si₃N₄-Schicht (1809) aufgebracht und ist gemustert wie in 7d gezeigt. Dann wird die Goldschicht (1825), wie in 18k gezeigt, auf die Photoresist-Maske (704) aufgetragen. Nachfolgend wird die Photoresist-Maske (704) unter Verwendung eines Abhebeverfahrens entfernt, um die in 18l gezeigte Struktur zurückzulassen. Es ist zu beachten, dass alle Polysiliziumschichten gegen das kommende Xenondifluorid-Ätzen verkapselt werden. Zuletzt wird die in
17m gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Siliziumopferschicht (804) entfernt, freigegeben. Das Entfernen der amorphen Siliziumschicht (804) verursacht das Freigeben der Struktur (1850). Auf Grund des Eigenspannungsgefälles in der Polysiliziumschicht (1803) richtet sich die Struktur (1850) von dem Träger (801) auf. Da die Polysiliziumschicht (1803) die Tragarme (450) ausbildet (siehe auch 4), wirkt das Eigenspannungsgefälle in der Polysiliziumschicht (1803) so, dass alle vier Tragarme (450) nach oben gezwungen werden, wodurch der Spiegel (405) angehoben wird.

Claims

Bewegliche Spiegelstruktur (106), umfassend: – einen Silizium-auf-Isolator-Träger (499); – eine Vielzahl von Metalltragarmen (450), wobei jeder eine Eigenspannungsgefälleschicht (1408) umfasst und jede Vielzahl von Metalltragarmen (450) ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende an dem Silizium-auf-Isolator-Träger angebracht ist; – eine Siliziumfläche mit einer reflektierenden Oberflächenschicht (405), wobei die Siliziumfläche an dem zweiten Ende der Vielzahl von Metalltragarmen (450) angebracht ist; und – eine Vielzahl von Elektroden (410), die auf dem Silizium-auf-Isolator-Träger (499) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Elektroden (410) mit jeweiligen Metalltragarmen (450) verbunden und an diese angrenzend angeordnet ist, um ein elektrisches Feld zum Hervorrufen von Ablenkbewegung der Siliziumfläche mit der reflektierenden Oberflächenschicht (405) zu erzeugen.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Metalltragarmen (450) die Anzahl drei aufweist oder die Anzahl vier aufweist.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Siliziumfläche eine im Wesentlichen rechtwinklige Form aufweist.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Eigenspannungsgefälleschicht (1408) MoCr enthält.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach Anspruch 4, wobei ein Eigenspannungsgefälle die Größenordnung 3 GPa über die gesamte Spannungsgefälleschicht (1712) aufweist.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die reflektierende Oberflächenschicht (405) Gold ist.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jede der Vielzahl von Elektroden (410) eine im Wesentlichen kegelförmige Form aufweist.
Bewegliche Spiegelstruktur (106) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Silizium-auf-Isolator-Träger (499) eine Aussparung aufweist; und wobei die Siliziumfläche mit einer reflektierenden Oberflächenschicht (405) über der Aussparung positioniert ist.
Anordnung (104) von beweglichen Spiegelstrukturen (106), wobei jede der beweglichen Spiegelstrukturen (106) eine Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.
Anordnung (104) nach Anspruch 9, wobei die Anordnung (104) eine zweidimensionale geradlinige Anordnung (104) ist.