DE4211898C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen Spiegel für La­ seranwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Laserspiegel nach dem Stand der Technik weisen üblicherweise auf ei­ nem Glassubstrat aufgedampfte dielektrische Schichten mit unterschiedli­ chen Brechungsindizes in abwechselnder Reihenfolge auf. Die Schichtdic­ ken sind dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge so auszulegen, daß die an den Grenzflächen der Schichten auftretende Vielstrahlreflexion durch Interferenz zu dem gewünschten Reflexionsgrad führt. Dies ergibt typische Schichtdicken, die bei etwa einem Viertel der Lichtwellenlänge (λ/4) liegen. Ein solcher Spiegel ist aber nicht ohne weiteres minia­ turisierbar und hat auch eine relativ große, träge Masse, so daß er nicht sehr schnell bewegt werden kann. Außerdem sind solche Spiegel re­ lativ kostenintensive Bauteile, da sie einzeln auf hohe optische Quali­ tät poliert, bedampft und montiert oder gehaltert werden müssen.

Moderne Laser zeichnen sich aber insbesondere durch immer kleinere Ab­ messungen bei ausgesprochen hoher Leistungsdichte aus. Am bekanntesten sind hierbei die Halbleiterlaser sowie die von Halbleiterlaser gepumpten Festkörperlaser. Für den Betrieb solcher Laser sind Spiegel mit sehr gu­ ten optischen Eigenschaften und genau definiertem Reflexionsgrad erfor­ derlich. In den meisten Fällen werden die Spiegel in "monolithischer" Bauweise mittels einer dielektrischen Schichtenfolge direkt auf das la­ seraktive Bauelement aufgebracht. Für eine Reihe von Anwendungen ist es jedoch von Vorteil, wenn mindestens ein Spiegel vom laseraktiven Medium getrennt angeordnet ist. Zum einen erhält man hierbei in vielen Fällen eine bessere Strahlungsqualität, zum anderen kann man diesen separaten Spiegel beweglich oder justierbar gestalten. Damit kann beispielsweise eine Frequenzmodulation der Laserstrahlung vorgenommen werden oder im Falle einer leichten Verkippung des Spiegels der Laser ein- oder ausge­ schaltet werden, was bei geeigneter Ansteuerung zur Erzeugung von soge­ nannten Riesenimpulsen (Q-Schaltung) sehr hoher Spitzenleistung führt.

Durch die DE-Zeitschr. "Elektronik", 22. (1990), S. 114-126 ist ein mikromechanischer Spiegel für Laseranwendungen auf einem Silizium-Sub­ strat bekannt, der weitgehend freischwebend aufgehängt ist.

Durch die US-Zeitschr. "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 24 No. 6, Juni 1988, S. 1172-1177 ist es bekannt, Spiegelflächen in Form von dünnen dielektrischen Schichten auf ein Substrat aufzubringen und aus dem DE-Buch "Mikromechanik", von A. Heuberger - Springer Verlag 1989, S. 399-405 sind Lehrbeispiele für die Mikrofertigung mit Methoden der Halbleitertechnologie gegeben.

Durch die zunehmende Forderung weiterer Miniaturisierung von Lasersyste­ men werden aber auch die Anforderungen an die Kompaktheit von Laserspie­ geln immer höher. Durch die DE-OS 39 25 201 der Anmelderin ist ein dioden­ gepumpter, miniaturisierter Festkörperlaser auf einer optischen Bank aus Silizium bekannt, wodurch ein kompaktes Mikrosystem realisierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen miniaturisierten Spiegel der eingangs genannten Art zu schaffen, der neben dem Halbleitersubstrat (Silizium) keine anderen Substratmaterialien mehr aufweist, mikromecha­ nisch auslenkbar ist, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Frequenzen aus­ führen kann und als adaptive Spiegeloptik einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines Spiegel-Ausführungbeispieles auf Silizium­ substratbasis mit dielektrischer Beschichtung, die im optisch aktiven Bereich freischwebend angeordnet ist,

Fig. 2 ein Schemabild eines Querschnittes durch ein dielektrisches Mul­ tischichtsystem vor dem Abdünnen des Siliziumsubstrates,

Fig. 3 ein Schemabild einer Beschichtung eines Laserspiegels mit lokal unterschiedlichen Reflexionseigenschaften zur Formung eines sog. Gauß′schen Spiegels,

Fig. 4 ein Schemabild eines Querschnittes durch ein Ausführungsbei­ spiel für einen beweglichen Laserspiegel mit elektrostatischer Auslenkung,

Fig. 5 ein Schemabild in der Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen beweglichen Spiegel für parallele Auslenkung,

Fig. 6 ein Schemabild in der Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel ei­ nes beweglichen Spiegels für Kippbewegungen,

Fig. 7 ein Schemabild für ein Ausführungsbeispiel eines adaptiven Spie­ gels mit einstellbarer Krümmung der reflektierenden Membran durch gezieltes Anlegen von Unter- oder Überdruck in der Druck­ kammer.

Die Erfindung sieht vor, einen Spiegel beispielsweise aus Silizium in mikromechanischer Bauweise herauszuarbeiten, wobei die eigentliche spiegelnde Fläche aus einem dielektrischen Mehrlagen-Dünn­ film besteht. Im optisch aktiven Bereich wird nun das Siliziumsubstrat durch Ätztechnik vollständig entfernt, so daß ein freischwebender, op­ tisch aktiver Film entsteht. Damit wird der Spiegel auch für Lichtwel­ lenlängen im sichtbaren Bereich - in dem Silizium undurchsichtig ist - verwendbar.

In der Fig. 1 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel dieser Erfindung skizziert. In seiner einfachsten Form besteht der Spiegel - ohne von außen vorgebbare Bewegungsmöglichkeit - aus einem hochpolierten Si­ liziumsubstrat der in der Mikroelektronik üblichen Qualität mit der Kri­ stallorientierung (100) oder (110). Auch andere einkristalline Substrate wie z. B. GaAs, InP oder Quarz sind prinzipiell verwendbar. Dieses Sub­ strat wird mit geeigneten mehrlagigen dielektrischen Schichten versehen. Insbesondere bieten sich Beschichtungen aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrit (Si₃N₄) an, da sie mit der Standard-Siliziumtechnolo­ gie sehr gut kompatibel sind. Aber auch Schichtenfolgen von SiO₂ und TiO₂ kommen unter anderem in Frage. Schichten dieser Art können bei­ spielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD, LPCVD) oder mit Plasmaunterstützung (PECVD) hergestellt werden. Auch Aufdampfen und Sputtern ist möglich. Die Dicken sowie die Anzahl der Einzelschichten werden nach den gewünschten optischen Eigenschaften (Reflexion, Trans­ mission) berechnet. Sie bewegen sich typischerweise bei λ/4 (ca. 100 bis 200 nm für sichtbares Licht). Die Fig. 3 veranschaulicht so einen Beschichtungsschritt in einem stark vergrößerten Maßstab.

Nach der Herstellung der optisch aktiven Beschichtung wird das Sili­ ziumsubstrat im aktiven Spiegelbereich ätztechnisch vollständig ent­ fernt, so daß das dielektrische Schichtpaket freischwebend als Spiegel wirkt (Fig. 1). Dies kann mit üblichen naßchemischen Ätzlösungen, wie z. B. KOH, erzielt werden. Durch geeignete Einstellung der schichtkohä­ renten mechanischen Spannungen kann dafür gesorgt werden, daß diese Schicht hochplan ist.

Für manche Anwendungen ist es vorteilhaft, daß die Reflexionseigenschaft des Spiegels über seine Fläche variabel gestaltbar ist, um unerwünschte Beugungseffekte zu eliminieren oder zumindest erheblich zu minimieren. Insbesondere gibt es Anwendungen, bei denen die Reflexionseigenschaften gemäß einer Gauß-Funktion variiert werden sollen (Gauß′scher Spiegel). Durch Einbeziehung der mikroelektronischen Fertigungstechniken, wie bei­ spielsweise Lithographie, selektive naßchemische oder Trocken-Ätzverfah­ ren, ist es möglich, solche Profile durch entsprechende Ausgestaltung der Vielschichtensysteme mit örtlich unterschiedlichen Schichtdicken wirtschaftlich herzustellen. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 veranschaulicht.

Die Fig. 4 zeigt in einem Schemabild eine weiterführende Ausgestaltung, bei der der Spiegel durch einen komplexeren Aufbau auch aktiv bewegt werden kann. Hierzu wird der oben beschriebene Spiegel ätztechnisch so ausgestaltet, daß der optisch aktive Bereich an dünnen Biegebalken aus Silizium oder einem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt ist. Aus Integrationsgründen bietet es sich an, zur Krafteinleitung die Elek­ trostatik zu verwenden. Dazu wird das Siliziumsubstrat elektrisch kon­ taktiert, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung darstellt. Diese Einheit wird mit einem zweiten Siliziumsubstrat verbun­ den, in das eine durchgehende Öffnung zur Transmission des Lichtstrahles hineingearbeitet ist. Ferner ist ein flache Vertiefung vorgesehen, die den Elektrodenabstand zum beweglichen Teil und damit auch die Bewegungs­ freiheit des Spiegels festlegt. Innerhalb dieser Vertiefung sind Konden­ satorelektroden aufgebracht. Diese zwei Substrate werden durch geeignete Verfahren, wie z. B. anodisches Bonden oder direktes Si-Si-Bonden mitein­ ander verbunden. Durch Anlegen einer äußeren Spannung an die Elektroden kann der Spiegel elektrostatisch bewegt werden.

Neben der Elektrostatik können auch andere Kraftprinzipien, wie bei­ spielsweise Piezoelektrik oder Magnetik eingesetzt werden. Dazu kann ein entsprechendes kleines Stellelement, oder ein Dauermagnet der Spiegel­ anordnung hinzugefügt werden.

Je nachdem, ob eine Parallelverschiebung oder eine Kippbewegung des Spiegels gewünscht ist, wird die Aufhängung des beweglichen Teils sowie die Anordnung der Elektroden unterschiedlich ausgelegt. Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung in der Draufsicht, die für eine parallele Auslenkung - z. B. für eine Frequenzmodulation des Lasers - konzipiert ist. In diesem Falle wird beispielsweise eine hochgradig symmetrische, diagonale Anord­ nung der Biegebalken gewählt. Die Gegenelektrode am unteren Deckwafer ist nicht unterteilt.

Im Gegensatz hierzu zeigt die Fig. 6 eine Anordnung, die sich für Kipp­ bewegungen des Spiegels eignet, beispielsweise um einen Q-Schalter zu realisieren. Die Aufhängung wird hier beispielsweise in Form zweier Tor­ sionsbalken gewählt. In diesem Fall werden die Elektrodenflächen in zwei getrennte Hälften geteilt, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

Eine weitere Möglichkeit die sich aus der Dünnfilm-Anordnung des Spie­ gels ergibt, ist die gezielte Verwölbung der Spiegelfläche durch Anlegen eines Unter- oder Überdruckes. Damit läßt sich z. B. die Brennweite des Spiegels einstellen, so daß eine gezielte Fokussierung ermöglicht wird. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in der Fig. 7 skizziert. Das Basis­ spiegelelement wird mit einem transparenten Substrat - beispielsweise Glas - verbunden, so daß ein abgeschlossener Hohlraum entsteht, der le­ diglich durch einen gezielt ansteuerbaren Kanal mit einem externen Druckvorratsbehälter bzw. einer Pumpe verbunden ist.

Damit ist ein Spiegel geschaffen, der aufgrund seiner durch die Bauart bedingten sehr kleinen Masse, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Fre­ quenzen realisieren kann. Aufgrund des fehlenden Substrates im optischen Strahlengang muß keine Entspiegelung der Rückseite durchgeführt werden. Die hier vorgeschlagenen Laserspiegel können mit den Verfahren der Mi­ krosystemtechnik so hergestellt werden, daß sie in ihren Abmessungen in der Größenordnung moderner laseraktiver Elemente im kleinen und mittle­ ren Leistungsbereich liegen (Laserdioden typisch 300 µm · 500 µm · 30 µm, Festkörperlaser typisch 500 µm · 1 mm · 1 mm).

Claims (7)

1. Mikromechanischer Spiegel für Laseranwendungen mit in abwechselnder Reihenfolge aufgedampften Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes, auf einem Silizumsubstrat, wobei der Spiegel weitgehend freischwe­ bend aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus einem Silizium- oder einkristallinen (Halbleiter-)Substrat besteht, welches mit mehrlagigen dielektrischen oder metallischen Schichten versehen wird und das Substrat im aktiven Spiegelbereich ätztechnisch vollständig entfernt wird.

2. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der aktive Spiegelbereich in seinen Reflexionseigenschaften variabel ausgestaltet ist, wobei Profile mit örtlich unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt werden.

3. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich als Gauß′scher Spiegel ausgebildet ist.

4. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich ätztech­ nisch an dünnen Biegestegen aus dem Halbleitersubstrat oder mit einem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt wird.

5. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat elektrisch kontaktiert wird, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung bil­ det, die mit einem zweiten Halbleitersubstrat verbunden wird und eine flache Vertiefung, in der Kondensatorelektroden aufgebracht sind, vorge­ sehen ist, die den Elektrodenabstand zum beweglichen Teil und damit auch die Bewegungsfreiheit des optisch aktiven Spiegelbereichs festlegt.

6. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Halbleitersubstrate durch anodisches Bonden oder direktes Si-Si-Bonden miteinander verbunden werden.

7. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich durch Unter­ druck oder Überdruck gezielt in seiner Wölbung variierbar ist und damit die Brennweite des Spiegels veränderbar ist.