DE60223785T2

DE60223785T2 - Struktur mit thermischem Aktuator mit einem aus der Fläche biegenden Balken

Info

Publication number: DE60223785T2
Application number: DE60223785T
Authority: DE
Inventors: J. Michael Kirkland Sinclair
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: EP1331201A3; US6708492B2; EP1331201A2; JP2003260697A; DE60223785D1; US20020088224A1; EP1331201B1; TW200302202A; KR20030067491A; TW550237B; JP4544823B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft MEMS-Aktuatoren (Microelectromechanical System MEMS, mikroelektromechanisches System) und insbesondere thermische MEMS-Aktuatoren, die mittels Joule'scher Erwärmung aktiviert bzw. betätigt werden.
Hintergrund der Erfindung
MEMS-Aktuatoren ermöglichen die Steuerung sehr kleiner Bauelemente, die auf Halbleitersubstraten mittels herkömmlicher Halbleiterherstellungsprozesse (beispielsweise CMOS) hergestellt werden. MEMS-Systeme und Aktuatoren werden bisweilen als mikrogefertigte chipinterne Systeme (micromachined systems-on-a-chip) bezeichnet.
Einer der gängigen MEMS-Aktuatoren ist der elektrostatische Aktuator oder Kammtreiber. Üblicherweise umfassen derartige Aktuatoren zwei Kammstrukturen, die jeweils mehrere Kammzinken aufweisen, die in einer parallel zu einem Substrat verlaufenden Ebene ausgerichtet sind. Die Zinken der beiden Kammstrukturen stehen miteinander in Wechselwirkung. Potenzialdifferenzen, die an die Kammstrukturen angelegt werden, bewirken eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen beiden, wodurch sich die Kammstrukturen aufeinander zu und voneinander weg bewegen.
Die Vorteile eines derartigen elektrischen Aktuators liegen darin, dass er einen niedrigen Strom benötigt, was zu einer niedrigen Betätigungsenergie führt, und er ein vergleichsweise hohes Frequenzansprechvermögen aufweist. Die Nachteile liegen darin, dass er hohe Treiberspannungen (so beispielsweise Dutzende oder Hunderte von Volt) benötigt, große Flächen einnimmt und niedrige Ausgabekräfte bereitstellt. (Elektrostatische) Kammantriebsaktuatoren, die in Mikrostrukturanwendungen Verwendung finden, nehmen üblicherweise ein Vielfaches der Fläche der Vorrichtung ein, bei der sie eingesetzt sind. Zudem können die Hochspannungen (von beispielsweise Dutzenden oder Hunderten von Volt), die zum Betreiben der elektrostatischen Aktuatoren erforderlich sind, inkompatibel sein und eine Integration mit gängigen logischen elektronischen Niederspannungsbauelementen verhindern.
Ein pseudo-bimorpher thermischer Aktuator stellt eine Alternative zu einem elektrostatischen Aktuator dar. Diese Aktuatoren bedienen sich einer differenziellen Wärmeausdehnung von zwei unterschiedlich bemessenen Polysiliziumarmen, um einen pseudo-bimorphen Körper zu bilden, der sich in einem Bogen parallel zu dem Substrat verbiegt. Ein derartiger thermischer Aktuator erzeugt viel höhere Kräfte (100 bis 400 Mal) pro Einheitsvolumen als Kammantriebsaktuatoren und kann bei sehr niedrigen Spannungen betrieben werden. Derartige Aktuatoren sind auf eine Schwenk- oder Bogenbewegung in der Ebene des Aktuators beschränkt.
Der Beitrag „1D and 2D Scanning Mirros Using Thermal Buckle-Beam Actuation" von M. J. Sinclair, veröffentlicht bei Device and Process Technologies for MEMS and Microelectronic II, Proceedings of SPIE, Band 4592 (2001), Seiten 307 bis 314, beschreibt Mikrospiegel mit linearem Ablenkverhalten für Systeme, die eindimensionale und zweidimensionale optische Abtastmuster benötigen.
25 der Druckschrift WO98/35258 zeigt ein Zeilenrastersystem bzw. Rasterscannersystem, das zwei aktivierte Spiegel und einen stationären Spiegel umfasst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte thermische mikroelektromechanische Aktuatorstruktur bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Beanspruchung in dem unabhängigen Anspruch gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein mikroelektromechanischer Aktuator in Form von thermischen sich aus einer Ebene herausbiegenden Stäben verwendet, wobei der Aktuator auf einem planaren Substrat eines Halbleitermaterials (beispielsweise Silizium) ausgebildet ist. Der Aktuator enthält erste und zweite Verankerungen, die an dem Substrat befestigt sind, sowie mehrere längliche thermische Biegestäbe, die zwischen den Verankerungen befestigt sind. Die Biegestäbe sind aus einem Halbleitermaterial, so beispielsweise aus Silizium, gebildet.
Eine Quelle für zyklischen Strom leitet zyklischen elektrischen Strom durch die thermischen Biegestäbe über die Verankerungen, um eine Wärmeausdehnung der Biegestäbe und somit eine zyklische Biegebewegung derselben aus der Ebene des Substrates heraus (das heißt von diesem weg) zu bewirken. Bei einer Implementierung weist der Aktuator einen charakteristischen Resonanzablenkfrequenzbereich auf, und der zyklische Strom ist von einer ersten Frequenz innerhalb des Resonanzablenkfrequenzbereiches.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Aktuatoren ermöglichen eine aus der Ebene heraus erfolgende Bewegung mit Kräften, die mit herkömmlichen thermischen Aktuatoren vergleichbar sind. Die Resistivität von Silizium ermöglicht, dass die Aktuatoren bei Spannungen und Strömen arbeiten, die mit integrierten Standardschaltkreisen (beispielsweise CMOS) verträglich sind. Darüber hinaus sind die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Aktuatoren der Fläche nach sehr klein und bieten eine vergleichsweise hohe Kraft. Das Verständnis der vorliegenden Erfindung wird durch den Umstand vertieft, dass diese elektrisch angeregte Bewegung in Mikromotoren, optischen Abtastvorrichtungen, optischen MEMS-Anwendungsmechanismen und anderen Bereichen, in denen eine mechanische Bewegung im Mikromaßstab von Nöten ist, eingesetzt werden kann. Die Aktuatorstruktur der vorliegenden Erfindung umfasst ein Paar von Queraktuatoren und einen aus der Ebene heraus klappbaren Spiegel, die derart zusammenwirken, dass sie einen Videorasterscanner bilden.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der Detailbeschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles derselben, die sich unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung anschließt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 bis 15 sind Querschnittsansichten eines allgemeinen MEMS-Multiuserprozesses, der aus dem Stand der Technik zur Herstellung von mikroelektromechanischen Vorrichtungen bekannt ist. Die Querschraffuren sind weggelassen, um die dargestellte Struktur und den dargestellten Prozess aus dem Stand der Technik deutlicher zu machen.
16 ist eine diagrammartige Planansicht eines zum Verständnis nützlichen mikroelektromechanischen Aktuators in Form von thermischen sich aus einer Ebene herausbiegenden Stäben.
17 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Aktuators von 16 in einem entspannten Zustand.
18 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Aktuators von 16 in einem aktivierten bzw. betätigten Zustand.
19 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die einen zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Biegestab in einem entspannten Zustand mit Vorspannungsstrukturen darstellt, die eine Vorspannung oder Vorneigung bzw. Prädisposition für den Biegestab derart bereitstellen, dass sich dieser von dem Substrat weg biegt.
20 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die einen zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Biegestab in einem betätigten Zustand mit Vorspannungsstrukturen darstellt, die eine Vorspannung oder Vorneigung bzw. Prädisposition für den Biegestab derart bereitstellen, dass sich dieser von dem Substrat weg biegt.
21 ist ein Graph, der obere und untere Winkelablenkgrenzen als Funktion der Frequenz darstellt, um einen Resonanzbetrieb eines zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Aktuators zu erläutern.
22 ist eine diagrammartige Planansicht einer Beispielsimplementierung einer mikroelektromechanischen Aktuatorbaugruppe mit mehreren zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Aktuatoren in Form von sich aus der Ebene heraus biegenden Stäben.
23 ist eine diagrammartige Planansicht eines Paares von mikroelektromechanischen Aktuatoren in Form von thermischen sich aus einer Ebene heraus biegenden Stäben, die derart angeordnet sind, dass sie zusammen als Teil eines Videorasterscanners arbeiten.
24 ist eine schematische Seitenansicht, die den Betrieb der Aktuatoren von 23 als Videorasterscanner darstellt.
25 und 26 sind eine Plan- bzw. Seitenansicht eines Klappspiegels, der bei dem Videorasterscanner von 24 Verwendung findet.
27 ist eine Planansicht des Videorasterscanners von 24.
28A bis 28D zeigen schematisch eine Implementierung von aufeinanderfolgenden Schritten zur Herstellung und zum Betrieb des Videorasterscanners von 24 und 27.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu verbessern, wird anhand von 1 bis 15 die allgemeine Vorgehensweise bei der Herstellung von mikromechanischen Vorrichtungen bei Verwendung eines MUMPs-Prozesses erläutert.
Der MUMPs-Prozess stellt drei Schichten von konformem Polysilizium bereit, die geätzt werden, um eine gewünschte physikalische Struktur zu erzeugen. Die erste Schicht, die mit POLY 0 bezeichnet wird, wird mit einem Trägerwafer verbunden, wobei die zweite Schicht POLY 1 und die dritte Schicht POLY 2 jeweils mechanische Schichten darstellen, die von der darunterliegenden Struktur durch die Verwendung von Hilfs- bzw. Opferschichten getrennt werden können und während des Prozesses beseitigt werden.
Die begleitenden Figuren zeigen einen allgemeinen Prozess der Herstellung eines Mikromotors, wie er von MEMS Technology Applications Center, 3021 Cornwallis Road, Research Triangle Park, North Carolina, hergestellt wird.
Der MUMPs-Prozess beginnt mit einem Siliziumwafer 10 vom n-Typ mit 100 mm. Die Waferoberfläche wird mit Phosphor in einem Standarddiffusionsofen unter Verwendung von POCl 3 als Dotierquelle stark dotiert. Hierdurch wird der Ladungsdurchfluss zum Silizium von elektrostatischen Vorrichtungen, die anschließend auf dem Wafer angebracht werden, verringert. Als Nächstes wird eine LPCVD-Siliziumnitridschicht 12 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition LPCVD, chemische Dampfaufbringung bei niedrigem Druck) mit geringer Spannung und 600 nm als elektrische Isolationsschicht auf das Silizium aufgebracht. Der Siliziumwafer und die Siliziumnitridschicht bilden ein Substrat.
Als Nächstes wird eine LPCVD-Polysiliziumschicht 14 mit 500 nm – POLY 0 – auf das Substrat aufgebracht. Die POLY-0-Schicht 14 wird anschließend mittels Fotolithografie gemustert, das heißt mittels eines Prozesses, der umfasst: das Beschichten der POLY-0-Schicht mit einem Fotoresist 16, das Freilegen des Fotoresist mit einer Maske (nicht gezeigt) und das Entwickeln des freiliegenden Fotoresist zum Zwecke der Herstellung der gewünschten Ätzmaske für eine nachfolgende Musterübertragung in die POLY-0-Schicht (2). Nach der Musterung des Fotoresist wird die POLY-0-Schicht 14 in einem RIE-System (Reactive Ion Etch RIE, reaktives Ionenätzen) geätzt (3).
Wie in 4 gezeigt ist, wird eine PSG-Hilfs- bzw. Opferschicht 18 (phosphosilicate glass PSG, Phosphosilikatglas) mit 2,0 μm mittels LPCVD auf die POLY-0-Schicht 14 und freiliegende Abschnitte der Nitridschicht 102 aufgebracht. Diese PSG-Schicht, die hier als erstes Oxid bezeichnet wird, wird am Ende des Prozesses entfernt, um die erste mechanische Polysiliziumschicht POLY 1 (nachstehend noch beschrieben) von der Barunterliegenden Struktur, nämlich POLY 0 und den Siliziumnitridschichten, zu befreien. Die Hilfs- bzw. Opferschicht wird mit einer DIMPLES-Maske lithografisch gemustert, sodass Marken (Dimples) 20 in der Schicht des ersten Oxides durch RIE (5) mit einer Tiefe von 750 nm gebildet werden. Der Wafer wird anschließend mit einer dritten Maskenschicht ANCHOR 1 gemustert und geätzt (6), um Verankerungslöcher 22 bereitzustellen, die sich durch die Schicht des ersten Oxides zu der POLY-0-Schicht erstrecken. Die Löcher ANCHOR 1 werden im nächsten Schritt durch die POLY-1-Schicht 24 gefüllt.
Nach dem ANCHOR-1-Ätzen wird die erste Strukturschicht des Polysiliziums (POLY 1) 24 mit einer Dicke von 2,0 μm aufgebracht. Eine dünne PSG-Schicht 26 mit 200 nm wird anschließend auf die POLY-1-Schicht 24 aufgebracht, und der Wafer wird erwärmt und abgekühlt (7), um die POLY-1-Schicht mit Phosphor aus den PSG-Schichten zu dotieren. Das Erwärmen und Abkühlen verringert darüber hinaus Spannungen in der POLY-1-Schicht. Die POLY-1- und PSG-Maskierschichten 24 und 26 werden lithografisch gemustert, um die Struktur der POLY-1-Schicht zu bilden. Nach dem Ätzen der POLY-1-Schicht (8) wird der Fotoresist abgestreift, und es wird die verbleibende Oxidmaske durch RIE entfernt.
Nachdem die POLY-1-Schicht 24 geätzt worden ist, wird eine zweite PSG-Schicht 28 (nachstehend als „zweites Oxid" bezeichnet) aufgebracht (9). Das zweite Oxid wird unter Verwendung von zwei verschiedenen Ätzmasken mit verschiedenen Absichten gemustert.
Zunächst stellt eine POLY1_POLY2_VIA-Ätzung (mit 30 bezeichnet) Ätzlöcher in dem zweiten Oxid bis hinunter zur POLY-1-Schicht 24 bereit. Diese Ätzung bildet eine me chanische und elektrische Verbindung zwischen der POLY-1-Schicht und einer nachfolgenden POLY-2-Schicht. Die POLY1_POLY2_VIA-Schicht wird lithografisch gemustert und durch RIE geätzt (10).
Als zweites wird eine ANCHOR2-Ätzung (mit 32 bezeichnet) vorgenommen, um sowohl die Schicht 18 des ersten Oxides wie auch die Schicht 28 des zweiten Oxides sowie die POLY-1-Schicht 24 in einem Schritt zu ätzen (11). Für die ANCHOR2-Ätzung wird die zweite Oxidschicht lithografisch gemustert und durch RIE auf dieselbe Weise wie bei der POLY1_POLY2_VIA-Ätzung geätzt. 11 zeigt den Waferquerschnitt, nachdem sowohl die POLY1_POLY2_VIA- wie auch die ANCHOR2-Ätzung fertiggestellt worden sind.
Eine zweite Strukturschicht POLY 2 34 wird anschließend mit einer Dicke von 1,5 μm, gefolgt von der Aufbringung von PSG mit 200 nm aufgebracht. Der Wafer wird anschließend erwärmt und wieder abgekühlt, um die POLY-2-Schicht zu dotieren und die restlichen Schichtspannungen zu verringern. Als nächstes wird die POLY-2-Schicht lithografisch mit einer siebten Maske gemustert, und es werden die PSG- und POLY-2-Schichten durch RIE geätzt. Der Fotoresist kann anschließend abgestreift werden, und es wird das Maskieroxid entfernt (13).
Die letzte aufgebrachte Schicht in dem MUMPs-Prozess ist eine Metallschicht 36 mit 0,5 μm, die das Sondenbilden (probing), das Anschließen (bonding), das elektrische Routen sowie hochreflektive Spiegelflächen ermöglicht. Der Wafer wird lithografisch mit der achten Maske gemustert, und das Metall wird unter Verwendung einer Lift-off-Technik aufgebracht und gemustert. Die fertige nichtfreigelegte Beispielsstruktur ist in 14 gezeigt.
Als letztes werden die Wafer einer Hilfs- bzw. Opferfreisetzung und einem Test unter Verwendung bekannter Verfahren unterzogen. 15 zeigt die Vorrichtung, nachdem die Hilfs- bzw. Opferoxide freigesetzt worden sind.
Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durch den MUMPs-Prozess entsprechend den vorbeschriebenen Schritten hergestellt. Gleichwohl werden bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht die spezifischen Maskenmuster, die in dem allgemeinen Prozess in 1 bis 15 gezeigt sind, eingesetzt, sondern vielmehr Maskenmuster, die spezifisch für die Struktur der vorlie genden Erfindung sind. Zudem können sich die vorstehend für den MUMPs-Prozess beschriebenen Schritte gemäß Vorgabe durch das MEMS Technology Applications Center ändern. Der Herstellungsvorgang ist kein Teil der vorliegenden Erfindung und stellt nur einen von mehreren Prozessen dar, die zur Herstellung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
16 ist eine diagrammartige Planansicht eines zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen mikroelektromechanischen Aktuators 50 in Form von thermischen sich aus einer Ebene herausbiegenden Stäben. Der Aktuator 50 enthält ein Paar von Strukturverankerungen 52 und 54, die an einem Substrat (beispielsweise einem Substrat 10 oder einer Nitridschicht 12, nicht gezeigt) befestigt sind, sowie einen oder mehrere thermische Biegestäbe 56 (es sind mehrere gezeigt), die an ihren Basisenden 60 und 62 an Verankerungen 52 beziehungsweise 54 befestigt sind. Die Biegestäbe 56 sind im Wesentlichen dieselben, erstrecken sich im Wesentlichen parallel zum Substrat und in einem Abstand von diesem und sind außerhalb der Verankerungen 52 und 54 von diesem freigegeben.
Ein Schwenkrahmen 64 enthält ein Rahmenunterteil 66, das an Biegestäben 56 an Verbindungspunkten 68 befestigt ist, die bei einer Implementierung zwischen den Biegestabmittelpunkten (mit der gestrichelten Linie 70 bezeichnet) und einer der Verankerungen 52 und 54 (beispielsweise Verankerung 54) befestigt sind. Der Schwenkrahmen 64 enthält darüber hinaus wenigstens einen Schwenkarm 72 (es sind zwei gezeigt), der mit dem Rahmenunterteil 66 an einem Ende verbunden ist und sich zu einem freien Ende 74 hin erstreckt, das aus der Ebene herausschwenkt, wenn der Aktuator 50 aktiviert bzw. betätigt wird. Der Schwenkrahmen 64 ist freigegeben und kann sich überall dort bewegen, wo das Rahmenunterteil 66 nicht mit den Verbindungspunkten 68 verbunden ist. 17 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Aktuators 50 in einem entspannten Zustand, wo ein Schwenkrahmen 64 als im Allgemeinen parallel und koplanar zu den Biegestäben 56 dargestellt ist.
Die Strukturverankerungen 52 und 54 sowie die Biegestäbe 56 weisen Eigenschaften von elektrischen Halbleitern und Eigenschaften einer thermischen Ausdehnung mit positivem Koeffizienten auf. Die Biegestäbe 56 sind beispielsweise aus Silizium gebildet. Der Aktuator 50 wird betätigt, wenn ein elektrischer Strom von einer Stromquelle 80 durch die Biegestäbe 56 jeweils über die elektrisch leitenden Verbindungen 82 und 84 und die Strukturverankerungen 52 und 54 geleitet wird. Der fließende Strom induziert eine Jou le'sche Erwärmung der Biegestäbe 56, wodurch diese veranlasst werden, sich thermisch der Länge nach auszudehnen, was von dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Siliziums herrührt. Da die Verankerungen 52 und 54 die Basisenden 60 und 62 der Biegestäbe 56 festhalten, biegen sich die sich ausdehnenden Stäbe 56 letztendlich von dem Substrat weg. Bei einer Implementierung sind die Biegestäbe 56 derart ausgebildet, dass sie ein vergrößertes Seitenverhältnis aufweisen, wobei die Breiten (parallel zum Substrat) größer als die Dicken (senkrecht zum Substrat) sind, um eine Vorspannung oder Vorneigung bzw. Prädisposition dahingehend bereitzustellen, dass eine Biegung nicht parallel zum Substrat erfolgt. Die Biegestäbe 56 weisen beispielsweise ein vergrößertes Querschnittsseitenverhältnis von 3:2 auf, mit Breiten von 3 μm, Dicken von 2 μm und Längen von 194 μm. 18 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Aktuators 50 in einem aktivierten Zustand, der das aus einer Ebene heraus erfolgende Biegen der Stäbe 56 darstellt.
Das Biegen der Biegestäbe 56 von dem Substrat weg im aktiven Zustand des Aktuators 50 bewirkt, dass das freie Ende 74 des Schwenkrahmens 64 von dem Substrat weg schwenkt. Der Schwenkrahmen 64 dreht sich um das Rahmenunterteil 66, das ebenfalls von dem Substrat durch die Biegestäbe 56 abgehoben wird. Im Ergebnis bewegt sich das freie Ende 74 und übt eine Schwenk- oder Drehkraft von dem Substrat weg nach außen aus. Endet der Aktivierungsstrom, so kühlen sich die Biegestäbe 56 ab und ziehen sich zusammen, was bewirkt, dass die freien Enden 74 des Schwenkrahmens 64 in ihre Anfangsstellung zurückkehren. Derartige Drehablenkungen des Schwenkrahmens 64 können bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, darunter die Bereitstellung einer Anwendung mit einer aus einer Ebene heraus erfolgenden Biegung bei anderen mikromechanischen Strukturen, so beispielsweise denjenigen, die in mikrooptischen Vorrichtungen eingesetzt werden. Bei den in 16 bis 18 dargestellten Implementierungen wird ein Spiegel 86 beispielsweise an dem freien Ende 74 befestigt und schwenkt mit dem Schwenkrahmen 64, um Licht selektiv in Abhängigkeit davon abzulenken, ob der Aktuator 50 in seinem entspannten oder aktivierten Zustand befindlich ist.
Die vergrößerten Seitenverhältnisse der Biegestäbe 56 verhindern im Allgemeinen, dass sich diese parallel zum Substrat verbiegen. Bei Nichtvorhandensein einer Vorspannung oder Vorneigung bzw. Prädisposition kann ein senkrecht zum Substrat erfolgendes Biegen der Biegestäbe 56 (siehe beispielsweise 18) willkürlich von dem Substrat weg oder auf dieses zu erfolgen, wobei ersteres für den Betrieb des Aktuators 50 notwendig ist. Entsprechend zeigen 19 und 20 Vorspannungsstrukturen, die eine Vorspan nung oder Vorneigung bzw. Prädisposition für den Biegestab 56 derart bereitstellen, dass sich dieser von dem Substrat weg und nicht zu diesem hin biegt.
19 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die einen als Beispiel angegebenen Biegestab 56 in einem entspannten Zustand und mit einer Erstreckung über einen Abstandsblock 90 zeigt, der an einem Substrat 10 befestigt ist und sich von dem Substrat (so beispielsweise die Nitridschicht 12) in der Nähe der Mitte des Biegestabes 56 weg erstreckt. Es ist aus Gründen der einfacheren Darstellung kein Schwenkrahmen gezeigt. 20 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die einen als Beispiel angegebenen Biegestab 56 in einem aktivierten Zustand zeigt. Der Abstandsblock 90 kam als P0-Schicht mit einer mittleren Dicke von 0,5 μm gebildet werden, und der Biegestab 56 kann aus einer anderen (freigegebenen) Schicht gebildet werden. Der Abstandsblock 90 erzwingt eine kleine Erhebung (von beispielsweise 0,5 μm) oder eine Ablenkung 94 in jedem der Biegestäbe 56 aufgrund der konformen Natur der Herstellung. Eine Marke 52 ist zudem in der Nähe jedes Endes des Biegestabes 56 ausgebildet. Die Marken 92 können in Form von Vorsprüngen oder Dimples, die sich von einer unteren Fläche des Biegestabes 56 erstrecken, oder in Form von Aussparungen in deren obere Fläche hinein, oder in Form von beidem, wie dargestellt ist. ausgebildet sein. Bei einer MUMPs-Implementierung kann die Marke 92 beispielsweise als Vertiefung von 0,5 μm in einer POLY-1-Schicht von 2 μm ausgebildet sein und berührt das Substrat nicht.
Der Abstandsblock 90 und die Marken 92 bewirken, dass sich die Biegestäbe 56 von dem Substrat weg biegen und verringern die Haftreibung zwischen den Biegestäben 56 und dem Substrat (beispielsweise der Nitridschicht 12). Es ist einsichtig, dass für die Mehrzahl von Biegestäben 56 bei einem typischen Aktuator 50 ein getrennter Abstandsblock 90 für jeden Biegestab 56 ausgebildet sein kann, oder es kann ein Abstandsblock 90 als einzelner durchgehender Block ausgebildet sein, der sich unter allen Biegestäben 56 erstreckt. Der Abstandsblock 90 und die Marken 92 können – entweder einzeln oder zusammen – allein oder mit einem vergrößerten Seitenverhältnis für die Biegestäbe 56 verwendet werden, um eine Vorspannung oder Vorneigung bzw. Prädisposition für diese dahingehend bereitzustellen, dass sich diese von dem Substrat weg biegen.
Anfängliche Experimente haben gezeigt, dass der Aktuator 50 in der Lage ist, ein Verschwenken oder Ablenken des Schwenkrahmens 64 mit wenigstens ungefähr 15° relativ zum Substrat auszuführen. Bei einer Implementierung ermöglicht das Befestigen des Rahmenunterteiles 66 an den Verbindungspunkten 68, die in der Mitte zwischen den Mittelpunkten der Biegestäbe und einer der Verankerungen 52 und 54 befindlich sind, die größte Verschwenkung oder Ablenkung des Schwenkrahmens 64. Derartige Verbindungspunkte 68 entsprechen den Ablenkungspunkten in den Stäben 56, wenn diese gebogen werden, und stellen damit die größte Ablenkung des Schwenkrahmens 64 bereit.
Im Allgemeinen kann ein beliebiger Herstellungsprozess zum Einsatz kommen, bei dem wenigstens eine freisetzbare Schicht vorhanden ist, die einen positiven Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist und in der Lage ist, einen Strom für eine Ohm'sche Erwärmung zu führen. Darüber hinaus besteht keine theoretische Grenze bezüglich der Anzahl der Biegestäbe 56, solange nur der Aktuator und die zugehörigen Leiter mit dem Strom oder der Wärme umgehen und die Stäbe die Wärme rasch abgeben können. Bei einer Implementierung wurde die Erwärmungstemperatur unter 800°C gehalten, um ein Selbsterwärmen und -abkühlen zu vermeiden, das irreversiblen Schaden anrichten kann.
Die Biegestäbe 56 wie auch die Verankerungen 52 und 54 können entweder einzeln oder beide aus freisetzbaren MUMPs-Polysiliziumschichten hergestellt werden, wobei die Verankerungen 52 und 54 jedoch nicht freiliegen. Bei derartigen MUMPs-Implementierungen kann der Aktuator 50 mögliche Dicken von 1,5, 2,0 oder 3,5 μm aufweisen. Die Resistivität des Polysiliziums ermöglicht, dass der Aktuator bei Spannungen und Strömen arbeitet, die mit integrierten Standardschaltkreisen (beispielsweise CMOS) verträglich sind. Darüber hinaus sind die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden Aktuatoren der Fläche nach sehr klein und stellen eine vergleichsweise hohe Kraft bereit.
Bei einigen Betriebsmodi können der Spiegel 86 und der Schwenkrahmen 64 ein Pendel bilden, das um das Rahmenunterteil 66 oszilliert, wodurch es möglich wird, dass der Aktuator 50 als Resonanzoszillator arbeitet. Bei einer Implementierung tritt eine derartige Resonanzmode bei 14 kHz auf und stellt eine maximale Ablenkung des Spiegels 86 bei ungefähr 25° relativ zum entspannten Zustand bereit. In diesem Modus scheinen die Biegestäbe 56 eine nahezu einem stationären Zustand gleichende Biegestellung anzunehmen, was eine statische Ablenkung des Spiegels 86 und des Schwenkrahmens 64 bewirkt. Demgegenüber weist im Nichtresonanzmodus dieser Implementierung der Aktuator 50 eine Halbamplitudenreaktion von ungefähr 2 kHz und eine Ablenkung von ungefähr 5° auf.
21 ist ein Graph 150, der obere und untere Winkelablenkgrenzen als Funktion der Frequenz zeigt, um den Resonanzbetrieb eines zum Verständnis der Erfindung nützlichen Aktuators 50 darzustellen. Bei dieser Darstellung wird der Aktuator 50 mit einer 4-V-Rechteckwelle erregt. Der Graph 150 zeigt eine Halbamplitudenbandbreite bei etwa 1 kHz (Datenpunkte 152) und eine Resonanzaktuatorablenkung von ungefähr 8 kHz (Datenpunkte 154). Bei dieser Implementierung weist die Resonanzaktuatorablenkung (beispielsweise der Spiegel 86) eine maximale Gesamtauslenkung von etwa 18° optisch (das heißt aus der Ebene heraus) auf.
Die Resonanzaktuatorablenkung tritt innerhalb eines Resonanzablenkfrequenzbereiches 156 auf, der einem Frequenzbereich von abnehmenden Winkelablenkungen folgt. Der Resonanzablenkfrequenzbereich 156 kann des Weiteren durch eine steile Zunahme (oder Abnahme) bei der Winkelablenkung charakterisiert werden.
Man beachte, dass bei Frequenzen über der Resonanz (das heißt über 8 kHz) die zyklische Aktuatorablenkung schnell abnimmt, bis die Ablenkung einen statischen Ablenkungswert (Datenpunkt 158) annimmt. Man geht davon aus, dass der Aktuator 50 in diesem Zustand nicht in der Lage ist, mechanisch auf eine schnelle Erwärmung und Abkühlung der Biegestäbe 56 zu reagieren. Der statische Ablenkungswert ist gleich einem der Ruhelage entsprechenden Restspannungsversatz von 4,5° (Datenpunkt 160) plus eine Ablenkung aufgrund eines RMS-Erwärmungswertes von 2 V für die anliegende Rechteckwelle, was einen Gesamtversatz von 10° an dem Datenpunkt 158 ergibt. Die Vorspannungen aufgrund der Restspannung und der durchschnittliche Erwärmungswert des Antriebssignals tragen zu einer Anhebung des Spiegels 86 nach oben bei und verhindern so einen Zusammenstoß mit dem Substrat.
22 ist eine diagrammartige Planansicht einer zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Beispielsimplementierung einer mikroelektromechanischen Aktuatorbaugruppe 100 mit sich aus einer Ebene herausbiegenden Biegestäben, wobei die Baugruppe mit mehreren (beispielsweise zwei) Aktuatoren 102A, 1026 versehen ist, die senkrecht zueinander in Ausrichtung mit den benachbarten Seiten eines rechteckigen (beispielsweise quadratischen) Spiegels 120 befindlich sind. Die Aktuatoren 102A, 102B sind jeweils zu dem vorbeschriebenen Aktuator 50 analog, mit der Ausnahme, dass die Aktuatoren 102A, 102B Schwenkrahmen 110A, 110B umfassen, die von dem Schwenkrahmen 64 verschieden sind. Auf ähnliche Weise ist der Spiegel 120 analog zu dem Spiegel 86, unterscheidet sich jedoch hinsichtlich seiner Anbringung und Verbindung mit den Schwenkrahmen 110A, 110B. Die nachfolgende Beschreibung betrifft den Aktuator 102A, ist jedoch auch auf den Aktuator 102B anwendbar, wobei gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der Aktuator 102A umfasst ein Paar von Strukturverankerungen 52A und 54A, die an einem Substrat (beispielsweise einem Substrat 10 oder einer Nitridschicht 12, nicht gezeigt) befestigt sind, sowie mehrere thermische Biegestäbe 56A, die an ihren Basisenden mit den Verankerungen 52 und 54 verbunden sind. Ein Schwenkrahmen 110A umfasst ein Basisunterteil 112A, das an den Biegestäben 56A befestigt ist, sowie einen Schwenkarm 114A, der mit dem Rahmenunterteil 112A an einem Ende verbunden ist und sich zu einem freien Ende 116A hin erstreckt, das sich aus der Ebene herausbiegt, wenn der Aktuator 102A aktiviert wird. Das freie Ende 116A ist an einer Ecke eines Spiegels 120 angebracht, die von einem Vorspannungsglied 122 mit der Spiegelverankerung 124 verbunden und ansonsten von dem Substrat freigegeben ist.
Der Aktuator 102A wird aktiviert, wenn ein elektrischer Strom von einer Stromquelle 124A durch die Biegestäbe 56A jeweils über die elektrisch leitenden Verbindungen 126A und 128A und die Strukturverankerungen 52A und 54A geleitet wird. Der fließende Strom bewirkt eine Ohm'sche oder Joule'sche Erwärmung der Biegestäbe 56A, wodurch diese sich auf vorbeschriebene Weise der Länge nach auszudehnen, was von dem positiven Temperaturausdehnungskoeffizienten des Siliziums herrührt.
Die Aktuatoren 102A und 1026 wirken dahingehend, dass sie den Spiegel 120 um Kippachsen 130A beziehungsweise 130B kippen. Die Aktuatoren 102A und 102B mit jeweiligen Stromquellen 124A und 124B können getrennt betrieben werden, um den Spiegel 120 beliebig um die Kippachsen 130A und 130B zu kippen. Bei einem koordinierten Betrieb können die Aktuatorbaugruppe 100 und der Spiegel 120 als Scansteuerspiegel in einem Barcode- oder Vektorbildscanner oder zur Bereitstellung eines Rasterscanmusters zur Bilderstellung eingesetzt werden.
23 zeigt eine diagrammartige Planansicht eines Paares von mikroelektromechanischen Aktuatoren 50H und 50V mit thermischen sich aus einer Ebene heraus biegenden Biegestäben, die derart angeordnet sind, dass sie zusammen als Teil eines Videorasterscanners 200 arbeiten (24 und 27). Die Aktuatoren 50H und 50V weisen im Wesentlichen denselben Aufbau wie der Aktuator 50 von 16 auf, weshalb entspre chende ähnliche Komponenten dieselben Bezugszeichen tragen. Die Aktuatoren 50H und 50V enthalten beispielsweise die jeweiligen Spiegel 86H und 86V.
Die Aktuatoren 50H und 50V mit den Spiegeln 86H und 86V wirken derart, dass sie eine horizontale beziehungsweise vertikale Abtastung eines Bildanzeigelichtstrahles 202 24) aus einer Anzeigelichtquelle 204, wie nachstehend detaillierter beschrieben ist, bereitstellen. Der Aktuator 50H stellt eine hochfrequente horizontale Abtastung bereit, wohingegen der Aktuator 50V eine niederfrequente vertikale Abtastung bereitgestellt. Im NTSC-Standardanzeigeformat stellt beispielsweise der Aktuator eine horizontale Abtastung mit einer Frequenz von ungefähr 15 kHz bereit, wohingegen der Aktuator 50V eine Abtastung mit einer Frequenz von 60 Hz bereitstellt. Entsprechend kann der Aktuator 50H mit einem Resonanzablenkfrequenzbereich 156 versehen ist, der eine Nennbetriebsfrequenz von 15 kHz aufweist. Die Anzeigelichtquelle 204 kann eine einfarbige oder mehrfarbige, fokussierte oder parallelgerichtete Quelle sein, die pixelweise moduliert wird.
24 ist eine schematische Seitenansicht, die den Betrieb der Aktuatoren 50H und 50V mit der Lichtquelle 204 und einem im Allgemeinen statischen Klappspiegel 206 darstellt. Die Aktuatoren 50H und 50V werden zusammen mit dem Klappspiegel 206 in einem gemeinsamen Substrat 208 (wie gezeigt) oder alternativ auf getrennten im Allgemeinen koplanaren Substraten gebildet. Gemäß 24 oszillieren die Aktuatoren 50H und 50V aus der Ebene des Substrates 208 heraus um jeweilige Querachsen (das heißt senkrechte Achsen, wie gezeigt) 210 und 212. Der Lichtstrahl 202 aus der Lichtquelle 204 wird von dem Spiegel 86H zu dem Klappspiegel 206 als Lichtstrahlsegment 202A reflektiert und sodann von dem Klappspiegel 206 zu 86V als Lichtstrahlsegment 202 reflektiert.
25 und 26 sind eine Plan- bzw. eine Seitenansicht des Spiegels 206, der aus darstellerischen Gründen freistehend gezeigt ist. Der Klappspiegel 206 ist an einem Körper 220 ausgebildet, der relativ zu dem Substrat 208 gekippt oder gekrümmt ist. Eine Öffnung 222 (schematisch in 24 dargestellt) erstreckt sich durch den Körper 220, damit Licht aus der Lichtquelle 204 durch den Körper 220 zu dem Spiegel 86H des Aktuators 50H gelangen kann.
Der Körper 220 ist als eine Halbleiterschicht oder mehrere Halbleiterschichten entsprechend den Halbleiterherstellungsvorgängen ausgebildet, die zur Herstellung der Aktuato ren 50H und 50V verwendet werden. Der Klappspiegel 206 kann daher einfach eine Oberfläche eines Halbleitermaterials sein. Darüber hinaus enthält der Körper 220 einen Hauptoberflächenbereich 224, auf dem eine Materialschicht (beispielsweise aus Gold) mit einem Ausdehnungskoeffizienten vorhanden ist, der sich von demjenigen des Halbleitermaterials des Körpers 220 unterscheidet.
Der Unterschied zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Körpers 220 und der Schicht in dem Bereich 224 induziert bei der Herstellung eine Restspannung, die bewirkt, dass der Körper 220 aus der Ebene des Substrates 208 kippt oder sich biegt. Bei einer Implementierung enthält der Körper 220 einen Endbereich 226, der als versteifte Mehrschichtenstruktur ausgebildet ist, wodurch das Auftreten von Problemen hinsichtlich einer Restspannungsverwölbung in dem Spiegelbereich 226 vermieden wird. Bei einer Anordnung hiervon in Ausrichtung mit dem Spiegel 206 ermöglicht der Endbereich 226, dass der Körper 220 und der Klappspiegel 206 im Allgemeinen eben bleiben. Im Ergebnis kann der Spiegel 206 das Licht von dem Spiegel 86H des Aktuators 50H genauer zu dem Spiegel 86V des Aktuators 50V reflektieren.
27 ist eine Planansicht eines Videorasterscanners 200, die einen Körper 220 zeigt, der den Klappspiegel 206 stützt, der über dem Aktuator 50H angeordnet ist. Die Lichtquelle 204 (24) leitet einen Lichtstrahl 202 durch eine Öffnung 222 zu dem Spiegel 86H des Aktuators 50H.
28A bis 28D zeigen schematisch eine Implementierung von aufeinanderfolgenden Schritten bei der Herstellung und beim Betrieb eines Videorasterscanners 200. 28A zeigt ein Anfangsherstellungslayout 250 der Aktuatoren 50H und 50V relativ zu dem Körper 220 des Klappspiegels. Es ist einsichtig, dass bei der anfänglichen Herstellung die Aktuatoren 50H und 50V und der Klappspiegelkörper 220 in einer Ebene mit dem Substrat 208 ausgebildet sind.
28B und 28C zeigen jeweilige Herstellungslayouts 252 und 254, die nacheinander dem Anfangsherstellungslayout 250 folgen. Die Herstellungslayouts 252 und 254 zeigen den Klappspiegelkörper 220, wie dieser sich entlang wenigstens eines Paares von Führungen 256 in die jeweiligen Zwischen- und Endherstellungsstellungen bewegt (das heißt verschoben wird). Die Führungen 256 sind an dem Substrat 208 befestigt, erstrecken sich von diesem weg und erstrecken sich über Seitenränder des Körpers 220, der relativ zu dem Substrat 208 und den Führungen 256 verschiebbar ist.
Bei einer Implementierung sind die Führungen 256 entlang der Länge des Körpers 220 in einem Anfangsherstellungslayout 250 ausgebildet. Wird der Körper 220 aus der Anfangsherstellungsstellung (Layout 250) in die Zwischen- und Endherstellungsstellungen (Layouts 252 und 254) bewegt, so erstreckt sich aufeinanderfolgend immer mehr des Bereiches 224 über die Führungen 256 hinaus, und die Restspannung in dem Bereich 224 bewirkt, dass der Körper 220 von dem Substrat 208 weg kippt oder sich biegt. Es ist einsichtig, dass der Körper 220 aus seiner Anfangs- in seine Endherstellungsstellung mittels automatischer Steuerungen (Aktuator) oder mittels einer Handbedienung, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, bewegt werden kann. 28D ist eine schematische Planansicht, die den Betrieb des Videorasterscanners 200 zeigt.
Es ist einsichtig, dass die Spiegel 86H, 86V und 206 groß genug bemessen sein müssen, um dem Bewegungsbereich des Lichtstrahls 202 relativ zu den einzelnen sich bewegenden Spiegeln und der Bewegung der Lichtstrahlsegmente 202A oder 202B gerecht zu werden.
Teile der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles betreffen Schritte des vorstehend beschriebenen MUMPs-Herstellungsprozesses. MUMPs ist jedoch, wie ausgeführt worden ist, ein allgemeiner Herstellungsprozesses, der einen weiten Bereich von MEMS-Vorrichtungsausgestaltungen abdeckt. Infolgedessen enthält ein Herstellungsprozess, der spezifisch für die vorliegende Erfindung konzipiert ist, wahrscheinlich andere Schritte, zusätzliche Schritte, andere Abmessungen und Dicken sowie andere Materialien. Derartige spezifische Herstellungsprozesse erschließen sich einem Fachmann auf dem Gebiet fotolithografischer Prozesse und stellen keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar.
Eingedenk der vielen möglichen Ausführungsbeispiele, auf die die Prinzipien der Erfindung anwendbar sind, ist einsichtig, dass die detaillierten Ausführungsbeispiele rein illustrativ sind und keine Beschränkung des Schutzumfanges der Erfindung darstellen.

Claims

Thermische mikroelektromechanische Aktuatorstruktur, die auf einem planaren Substrat ausgebildet ist, wobei sie umfasst: einen ersten und einen zweiten Aktuator (50H, 50V) in Form von sich aus der Ebene heraus biegenden Stäben, wobei jeder Aktuator enthält: mehrere längliche Wärme-Biegestäbe (56H, 56V), die erste und zweite Enden haben, die an ersten und zweiten Verankerungen (52H, 52V, 54H, 54V) befestigt sind, die an dem Substrat befestigt sind, einen Schwenkrahmen (64H, 64V), der ein Rahmenunterteil (66H, 66V), das an den Biegestäben befestigt ist, sowie wenigstens einen Schwenkarm (72H, 72V) enthält, der mit dem Rahmenunterteil an einem Ende verbunden ist und ein freies Ende enthält, das einen optischen Reflektor (86H, 86V) enthält und aus der Ebene heraus geschwenkt wird, wenn der Aktuator betätigt wird, und elektrische Verbindungen (82H, 82V, 84H, 84V), die elektrischen Strom über die Verankerung durch die Wärme-Biegestäbe leiten, um Wärmeausdehnung der Wärme-Biegestäbe und Bewegung derselben von dem Substrat weg zu bewirken und so jeden der Aktuatoren zu aktivieren; wobei die Struktur des Weiteren einen Spiegel (206) umfasst, der aus der Ebene des Substrats geklappt wird und an einem Körper (220) gehalten wird, der an dem Substrat angebracht und so über dem ersten sowie dem zweiten Aktuator positioniert ist, dass der Klappspiegel so ausgerichtet ist, dass er Licht zwischen den optischen Reflektoren des ersten und des zweiten Akuators reflektiert, wobei der Körper eine Öffnung (222) enthält, durch die sich Licht zu oder von den optischen Reflektoren ausbreiten kann.
Struktur nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung für zyklische Aktivierung des ersten und des zweiten Aktuators umfasst.
Struktur nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung für zyklische Aktivierung des ersten und des zweiten Aktuators mit jeweils verschiedenen ersten und zweiten Frequenzen umfasst.
Struktur nach Anspruch 3, die des Weiteren eine Einrichtung für zyklische Aktivierung des ersten und des zweiten Aktuators umfasst, wobei wenigstens der erste oder der zweite Aktuator einen charakteristischen Resonanz-Ablenkfrequenzbereich hat und die zyklische Aktivierung wenigstens des ersten oder des zweiten Aktuators bei einer Frequenz innerhalb des Resonanz-Ablenkfrequenzbereiches stattfindet.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Aktuator im Allgemeinen senkrecht zueinander sind.
Struktur nach Anspruch 5, die des Weiteren eine Einrichtung für zyklische Aktivierung des ersten und des zweiten Aktuators bei jeweils verschiedenen ersten und zweiten Frequenzen umfasst.
Struktur nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Aktuator so eingerichtet sind, dass sie zusammenwirken und ein Zeilenraster eines Lichtstrahls bilden.
Struktur nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite Frequenz zyklischer Aktivierung horizontalen und vertikalen TV-Abtastfrequenzen des NTSC-Standards entsprechen.