DE60118129T2

DE60118129T2 - Mikro-elektromechanische Spiegelstruktur

Info

Publication number: DE60118129T2
Application number: DE60118129T
Authority: DE
Inventors: Eric Fremont Peters; Michel A. San Jose Rosa
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: EP1193524B1; DE60118129D1; JP4920843B2; US6466356B1; EP1193524A3; EP1193524A2; JP2002162581A

Description

Bei optischen Telekommunikationssystemen ist es oft notwendig, den Weg des übertragenen Lichts umzuschalten. Zahlreiche verschiedene Lösungswege wurden vorgeschlagen. Optisches Umschalten, das auf mikro-elektromechanischen Spiegelsystemen (MEMS) basiert, ist insbesondere bei Kommunikationssystemen interessant. Optische Umschalter, die reflektierende MEMS-Spiegel verwenden, sind zweckmäßig, weil eine Freiraum-Lichtübertragung verwendet wird, und das Skalieren zu einem optischen Cross-Connect-System in großem Umfang ist möglich. Das ist wegen der derzeitigen Nachfrage nach optischen Cross-Connect-Systemen in der Größenordnung von 1000 × 1000 wichtig. Die Ansteuerung zur Bewegung der MEMS-Spiegel in einem optischen Cross-Connect-System erfolgt üblicherweise elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch.
Ein Beispiel zur Beschreibung der Herstellung einer linearen Mikrospiegel-Anordnung, die als eine umschaltbare Eintrittsmaske für ein Doppelreihen-Hadamand-Transformations-Spektrometer verwendet werden kann, wird in einem Artikel von Diehl et al. in IEEE J. Sel. Themen in der Quantenelektronik, Band 5, Nr. 1, Seiten 106–110, beschrieben. Bei dieser Herstellung wird eine Spiegelfläche am oberen Teil einer dicken Opferschicht ausgebildet, und mit dem Substrat durch eine biegsame Struktur verbunden, die entlang einer Seite des Spiegels angeordnet ist. Nachdem die Opferschicht entfernt ist wird die Spiegelstruktur deshalb von der biegsamen Struktur über dem Substrat getragen und kann in Erwiderung auf die elektrostatischen Kräfte bewegt werden, die in einer Steuerelektrode, die unter der Spiegelstruktur liegt, erzeugt werden.
Nach dieser Erfindung umfasst eine ansteuerbare Spiegelstruktur. ein Substrat, das eine obere Fläche in einer ersten Ebene aufweist, eine Vielzahl von Aufhängearmen, von denen jeder eine Eigenspannungs-Gradientenschicht aufweist, wobei jeder aus der Vielzahl von Aufhängearmen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und die ersten Enden an dem Substrat befestigt sind, einen Bereich, der eine reflektierende Oberflächenschicht auf weist, wobei der Bereich an den zweiten Enden der Vielzahl von Aufhängearmen befestigt ist, und die Eigenspannungs-Gradientenschicht genügend Spannung in der Vielzahl von Aufhängearmen herstellt, um die reflektierende Oberflächenschicht in einer zweiten Ebene aufrecht zu erhalten, die sich von der ersten Ebene unterscheidet; und eine Vielzahl von Elektroden, die auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Elektroden anliegend an die jeweiligen Aufhängearme angeordnet ist, um ein elektrisches Feld zur Herstellung einer ablenkenden Bewegung des Bereichs zu erzeugen, um eine Neigung um zwei nicht-kollineare Achsen zu ermöglichen, und dass der Bereich aus Silizium gefertigt ist Optische Cross-Connect-Systeme nach einer Ausführungsform der Erfindung beziehen das allgemeine Konzept einer zweidimensionalen Anordnung von geneigten MEMS-Spiegeln ein, die verwendet werden, um Licht, das von einer ersten Lichtleitfaser kommt, zu einer zweiten Lichtleitfaser zu leiten. Jeder geneigte MEMS-Spiegel in der zweidimensionalen Anordnung kann sich um zwei nicht-kollineare Achsen neigen und ist durch eine Vielzahl von Aufhängearmen aufgehängt, die an einem Siliziumsubstrat befestigt sind.
Besondere Ausführungsformen nach dieser Erfindung werden nun unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen folgendes gilt:
1 zeigt eine Ausführungsform eines optischen n × m Cross-Connect-Systems nach der Erfindung.
2a zeigt eine Ausführungsform eines optischen Cross-Connect-Systems mit einer Zwei-Spiegel-Anordnung nach der Erfindung.
2b zeigt eine Ausführungsform eines optischen Umschaltsystems nach der Erfindung.
2c zeigt eine Ausführungsform eines optischen Umschaltsystems nach der Erfindung.
3a zeigt eine Ausführungsform eines optischen n × m Cross-Connect-Systems nach der Erfindung.
3b zeigt die Abhängigkeit der Spiegelform von dem Einfallswinkel.
4a zeigt eine Ausführungsform einer geneigten Spiegelstruktur nach der Erfindung.
4b zeigt eine Ausführungsform einer geneigten Spiegelstruktur nach der Erfindung.
4c zeigt eine Ausführungsform einer geneigten Spiegelstruktur nach der Erfindung.
5 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer geneigten Spiegelstruktur nach einer Ausführungsform der Erfindung.
6a zeigt die Wirkung der Spiegelkrümmung auf die Lichtstrahldivergenz.
6b zeigt die Wirkung der Spiegelkrümmung auf die Lichtstrahldivergenz.
7a zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7b zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7c zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7d zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7e zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7f zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7g zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7h zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7i zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7j zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7k zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7l zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
7m zeigt eine Draufsicht einer gemusterten Maske, die zur Bearbeitung verwendet wird.
8a–8o zeigen die Bearbeitungsschritte nach einem Vergleichsbeispiel, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist.
9 zeigt eine Draufsicht eines Vergleichsbeispiels, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist.
10 zeigt eine Seitenansicht eines Vergleichsbeispiels, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist.
11a–11k zeigen die Bearbeitungsschritte nach einer Ausführungsform der Erfindung.
12 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform nach der Erfindung.
13 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform nach der Erfindung.
14a–14l zeigen die Bearbeitungsschritte nach einer Ausführungsform der Erfindung.
15 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform nach der Erfindung.
16a–16i zeigen die Bearbeitungsschritte nach einer Ausführungsform der Erfindung.
17a–17l zeigen die Bearbeitungsschritte nach einem Vergleichsbeispiel, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist.
18a–18m zeigen die Bearbeitungsschritte nach einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Cross-Connect-Systems 100 nach der Erfindung. Eine zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106 wird verwendet, um einen Lichtstrahl 101, der von einer zweidimensionalen Anordnung 108 von Lichtleitfasern 110 kommt, zu einer zweidimensionalen Anordnung 112 von Lichtleitfasern 111 zu leiten. Jeder Spiegel 106 kann sich im Allgemeinen um zwei nicht-kollineare Achsen drehen. Ein typischer Durchmesser für den Spiegel 106 liegt in dem Bereich von 300 μm bis 1000 μm. Zum Beispiel wird der Lichtstrahl 101, der aus der Lichtleitfaser 110 herauskommt, unter Verwendung einer Linsengruppe 115, die üblicherweise einen Durchmesser von mehr als 50 μm aufweist, parallel gerichtet und auf den geneigten Spiegel 106 projiziert, der den Lichtstrahl 101 auf die Linsengruppe 116 richtet, der den Lichtstrahl 101 in die Lichtleitfaser 111 bündelt Daher kann unter Verwendung eines optischen Cross-Connect-Systems 100 der Lichtstrahl 101, der von einer Lichtleitfaser 110 in der zweidimensionalen Anordnung 108 kommt, durch einen der Spiegel 106 der zweidimensionalen Anordnung 104 in die gewählte Lichtleitfaser 111 der zweidimensionalen Lichtleitfaser-Anordnung 112 geleitet werden. Man beachte, dass die Anzahl der geneigten Spiegel 106 gleich der Anzahl der Lichtleitfasern 110 ist, die in das optische Cross-Connect-System 100 herein führen, die wiederum gleich der Anzahl der Lichtleitfasern 111 ist, die aus dem optischen Cross-Connect-System 100 heraus führen.
Der Lichtstrahl 101 in 1 dringt im Allgemeinen nicht frontal in die Lichtleitfasern 111 ein, und das kann zu Blendenergebnissen für die Lichtleitfasern 111 führen, insbesondere bei längeren Lichtleitfaseranordnungen oder kürzeren Lichtwegen, die größere Abtastwinkel ergeben. 2a zeigt ein optisches Cross-Connect-System 125 nach der Erfindung. Das optische Cross-Connect-System 125 ermöglicht es, dass der Lichtstrahl 101 frontal in die Lichtleitfasern 111 eindringt. Das optische Cross-Connect-System 125 bezieht eine zweidimensionale Anordnung 105 aus geneigten Spiegeln 107 ein, um zu gewährleisten, dass der Lichtstrahl 101 frontal in die Lichtleitfaser 111 eindringt Der ursprünglich von der Lichtleitfaser 110 stammende Lichtstrahl 101 trifft zunächst auf den geneigten Spiegel 106 und wird auf den geneigten Spiegel 107 reflektiert, der den Lichtstrahl 101 frontal in die Lichtleitfaser 111 reflektiert. Das optische Cross-Connect-System 125 erfordert jedoch eine Anzahl von geneigten Spiegeln, die doppelte so groß ist wie die, die bei dem optische Cross-Connect-System 100 erforderlich ist. Der maximale Spiegel-Neigungswinkel ist die maximale Winkelverschiebung, die von dem Spiegel 106 oder dem Spiegel 107 benötigt wird, um sich jeweils auf die am weitesten entfernten Spiegel in der Anordnung 105 oder 104 auszurichten. Typische maximale Spiegel-Neigungswinkel für diese Konfiguration liegen, unter Annahme eines Lichtweges von 8 cm und eines gegebenen Radius' von 180 μm, für die zweidimensionale Anordnungen 104 und 105 bei ca. 3,25°.
2b zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung für eine optische n × 1 Umschaltung für das Umschalten des optischen Kreislaufs. Der Lichtstrahl 101 besteht von einer der Lichtleitfasern 110 in der Lichtleitfaseranordnung 108 an, um zur Kollimation durch die Linsengruppen-Anordnung 115 zu laufen, und um bis zu der geneigten Spiegelanordnung 104 zu laufen, durch den geneigten Spiegel 106 auf den geneigten Spiegel 107 reflektiert zu werden, der den Lichtstrahl 101 durch die Linsengruppe 117 in eine gewünschte Lichtleitfaser 114 leitet. Eine Anwendung für eine optische n × 1 Umschaltung ist das Multiplexen einer wählbaren Untergruppe aus m verschiedenen Wellenlängen von n (n ≥ m) verschiedenen Lichtleitfasern 110 in der Anordnung 108 in eine gewünschte Lichtleitfaser 114.
2c zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung für eine optische 1 × n Umschaltung für das Umschalten des optischen Kreislaufs. Der Lichtstrahl 101 besteht von der Lichtleitfaser 119 an, läuft zur Kollimation durch die Linsengruppe 118, und wird durch einen geneigten Spiegel 177 auf den gewünschten geneigten Spiegel 107 in der geneigten Spiegelanordnung 105 reflektiert. Der geneigte Spiegel 107 reflektiert den Lichtstrahl 101 zur Kollimation durch die Linsengruppen-Anordnung 116 und in eine gewünschte Lichtleitfaser 111 in der Lichtleitfaser-Anordnung 112. Eine Anwendung für eine optische 1 × n Umschaltung ist das Leiten des Lichtstrahls 101 von einer Lichtleitfaser 119 zu einer beliebigen Lichtleitfaser 111.
Eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung wird in 3a gezeigt. Ein optisches Cross-Connect-System 150 weist eine zweidimensionale Anordnung 165 aus geneigten Spiegeln 106 und 107 auf und eine zweidimensionale Anordnung 155, die aus ankommenden Lichtleitfasern 110 und abgehenden Lichtleitfasern 112 besteht. Zusätzlich enthält das optische Cross-Connect-System 150 einen Reflektor 180. Der Lichtstrahl 101 verlässt zur Kollimation durch die Linsengruppe 115 die Lichtleitfaser 110, und wird von dem geneigten Spiegel 106 weg auf den Reflektor 180 reflektiert. Von dem Reflektor 180 wird der Lichtstrahl 101 von dem geneigten Spiegel 107 weg in die Linsengruppe 115 reflektiert, die den Lichtstrahl 101 frontal in die Lichtleitfasern 112 bündelt.
Die Spiegelform kann so angepasst werden, dass sie kreisförmig, ellipsenförmig oder vieleckig ist. Zum Beispiel können die ellipsenförmigen Spiegel verwendet werden, um die Projektion eines kreisförmigen Strahls zu erfassen, der in einem Winkel einfällt. 3b zeigt einen kreisförmigen Strahl 300, der bezüglich der Strahlen des kreisförmigen Strahlenbün dels 300, in einem Winkel β in einen ellipsenförmigen Spiegel 310 einfällt. Ein optimales Längenverhältnis des ellipsenförmigen Spiegels 310 kann von dem Winkel β abgeleitet werden.
4a zeigt die Grundstruktur der geneigten Spiegel 106 und der geneigten Spiegel 107 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Es sind weitere Geometrien für die geneigte Spiegelstruktur möglich, aber die Geometrie der Alternativen zu den Aufhängearmen 450 muss eine Ausdehnung der geneigten Spiegelstruktur zwischen den Festpunkten 440 ermöglichen. Andernfalls kann sich die geneigte Spiegelstruktur nach dem Ätzen der Ablösungsschicht nicht nach oben heben.
Die Oberfläche des Spiegels 405 in 4a besteht aus einem im Wesentlichen ebenen und spannungsfreien Metall, um ein genaues optisches Scharfstellen zu ermöglichen. Der Spiegel 405 ist durch Biegegelenke 415 an den Aufhängearmen 450 befestigt. Die Aufhängearme 450 sind üblicherweise aus Nickel gefertigt, und stellen einen Abstand bereit für die Drehung des Spiegels 405 um die Achsen 476 und 475 infolge der Ansteuerung durch die Elektroden 410. Der Spiegel 405 wird während eines Ablösungs-Ätzens, das nachfolgend beschrieben wird, automatisch angehoben, und der Spiegel 405 dreht sich leicht in seiner eigenen Ebene, während sich der Spiegel 405 von dem Substrat 499 abhebt (siehe 5). Typische Bauhöhen für den Spiegel 405, der einen Durchmesser von ca. 300 bis 1000 μm aufweist, liegen in der Größenordnung von 20 bis 100 μm. Vier Ansteuerungselektroden 410 können jeweils gemeinsam mit vier Aufhängearmen 450 beansprucht werden, um den Spiegel 405 um die Achse 475 und die Achse 476 zu neigen, wobei typische Ansteuerspannungen bei ca. 10 bis 50 Volt liegen. Zusätzlich können sich die Elektroden 410 wie in 4a gezeigt unter die Spiegelstruktur 405 erstrecken.
Die Ansteuerungselektroden 410 können entweder unter Verwendung eines Gleichstrom- oder eines Wechselstromantriebs angesteuert werden. Wenn eine Wechselstromansteuerung verwendet wird, muss die Frequenz des Wechselstromantriebs deutlich höher sein als die Ansprechzeit des mechanischen Systems, das angesteuert wird. Der Wechselstromantrieb vermeidet die mögliche Zunahme von elektrischen Ladungen in den Isolierwerkstoffen zwischen oder nahe bei den Ansteuerungselektroden 410. Die Ansteuerungselektroden 410 werden günstigerweise mit einem bipolaren Signal angetrieben, das zwischen einer positiven Spannung und einer nahezu gleich großen negativen Spannung wechselt. Die wech selnde Wellenform kann üblicherweise zum Beispiel eine sinusförmige Rechteckform, eine Dreieckform oder eine andere geeignete Form sein, so lange die Anstieg- und Abfallzeiten im Wesentlichen kürzer sind als die mechanischen Ansprechzeit der geneigten Spiegel 106 und 107.
Bei dem Beispiel der rechteckigen Wellenform wäre eine typische Antriebsfrequenz höher als 1 kHz, wenn die mechanische Ansprechfrequenz der geneigten Spiegel 106 und 107 in der Größenordnung von 1 kHz läge. Da die Ansteuerungskraft proportional zu dem Quadrat der Ansteuerungsspannung ist, ist die Ansteuerungskraft unabhängig von dem Vorzeichen der Spannung. Die Ansteuerungskraft verändert sich nur während des Übergangs einer Spannung des einen Vorzeichens zu einer Spannung des entgegengesetzten Vorzeichens. Daher muss der Übergang, zum Beispiel, verglichen mit der Ansprechzeitspanne der geneigten Spiegel 106 und 107 kurz sein. Das bipolare Signal verringert die statische Aufladung in den Isolierwerkstoffen, da die in dem Isolierwerkstoff akkumulierte Gesamtladung im Mittel annähernd null beträgt. Mit einem Gleichstromsignal für die Ansteuerung gibt es die Möglichkeit einer statischen Gesamtladung in dem Isolierwerkstoff während einer Zeitspanne, was dazu führen kann, dass die anliegende Ansteuerungsspannung abgeschirmt oder anderweitig beeinträchtigt wird.
Die in 4a gezeigte Grundstruktur für die geneigten Spiegel 106 und 107 nach der Erfindung basiert auf einer mit mechanischer Spannung ausgeführten dünnen Metallschicht. Ein Spiegel 404 und die Biegegelenke 415 sind so aufgebaut, dass sie spannungsfrei sind, während die Aufhängearme 450 entlang des Umfangs des Spiegels 405 aus Nickel gefertigt sind und eine MoCr-Schicht mit einem integrierten Spannungsgradienten aufweisen, die auf ihnen abgeschieden wird. Die Aufhängearme 450 sind bei den Festpunkten 440 mit dem Substrat verankert. Die Biegegelenke 415 dienen dazu, den Spiegel 405 an den Aufhängearmen 450 zu befestigen, während sie die mechanische Spannung und Belastung von dem Spiegel 405 isolieren, um die Ebenheit für die Genauigkeit des optischen Scharfstellens aufrecht zu erhalten, und um die Drehflexibilität um eine Achse 477 zu gewährleisten, die für das Anheben und die Ansteuerung benötigt wird.
Die Ansteuerungskraft für die Achse 475 und die Achse 476 wird durch die Anziehung zwischen den Elektroden erzeugt, die auf dem Substrat und unter den Aufhängearmen 450 liegen. In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung liegen die Elektroden 410 nicht nur unter den Aufhängearmen 450, sondern sie erstrecken sich auch, wie in 4a gezeigt, unter jeden Quadranten des Spiegels 405, um die Gesamtansteuerungskraft zu vergrößern. Das Beschränken der Ansteuerungselektroden 410 auf den Bereich unter den Aufhängearmen 450 stellt jedoch eine größere Kraft pro Flächeneinheit bereit, da die Ansteuerung bei dem nahe gelegenen Festpunkt 440 beginnt, wo die anfängliche Entfernung zwischen der Elektrode 410 und den Aufhängearmen 450 am geringsten ist, und die Entfernung schreitet dann fort, um entlang der Länge des Aufhängearms 450 in einer „reißverschlussähnlichen" Art abzunehmen, während der Aufhängearm 450 in Richtung Elektrode 410 gezogen wird.
Zwei oder mehr Aufhängearme 450 können in der Struktur für die geneigten Spiegel 106 und 107 verwendet werden, wobei 4 (vier) typisch sind. Wenn die Spiegelansteuerung durch alleinige Ansteuerung der Aufhängearme 450 erreicht wird, ist ein Minimum von 3 (drei) Aufhängearmen 450 erforderlich, um eine Neigung um zwei nicht-kollineare Achsen zu ermöglichen. 4b zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung einer ansteuerbaren Spiegelstruktur, die 3 (drei) Aufhängearme 450 aufweist. Wenn die Spiegelbetätigung um eine geneigte Achse erreicht wird, indem die Elektroden 410 sich unter dem Spiegel 405 erstrecken, kann die Neigung um zwei Achsen mit nur 2 (zwei) Aufhängearmen 450 erreicht werden.
Weitere Ausführungsformen nach der Erfindung sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel ist es eine Anforderung für alle Aufhängeanordnungen, dass die Aufhängearme 450 oder die Aufhängearme 455 (siehe 4c) und/oder die Biegegelenke 415 zwischen den Festpunkten 440 verformbar sind. In den in 4a und 4b gezeigten Ausführungsformen wird die Verformung erreicht, indem Aufhängearme 450 verwendet werden, die um den Spiegel 405 gewickelt werden. In der in 4c gezeigten Ausführungsform wird die Verformung durch die Längsbiegungen 456 in den Aufhängearmen 455 erreicht. Weitere Ausführungsformen, die eine Verformung ermöglichen, sind für einfache Fachleute leicht ersichtlich.
5 zeigt die Grundstruktur von 4a im Querschnitt, wobei die Platzierung der Elektroden 410 nur unter den Aufhängearmen 450 gezeigt wird.
Der Lichtweg (festgelegt als der optische Abstand zwischen dem Ausgang gegenüber dem einfallenden Lichtleitfaser-Bündel 108 und dem Eingang gegenüber dem austretenden Lichtleitfaser-Bündel 112) bewirkt eine Anzahl von Designparametern. Ein typischer Lichtweg liegt in dem Bereich von ca. 5 cm–10 cm. Ein längerer Lichtweg für die in 1–3 gezeigten Ausführungsformen ist günstig, weil er den Abtastwinkel verringert, der für die Spiegel 106 und 107 notwendig ist, um jeweils die Lichtleitfaser-Anordnungen 108 und 112 anzusteuern. Ein verringerter Abtastwinkel verringert wiederum die Ansteuerungsspannung, die für die Spiegel 106 und 107 notwendig ist, um eine gegebene Resonanzfrequenz oder eine Umschaltgeschwindigkeit zu erreichen, oder er führt zu einer höheren Umschaltgeschwindigkeit, wenn die Ansteuerungsspannung gleich gehalten wird. Ein verringerter Abtastwinkel hilft auch dabei mechanische Spannungen zu vermindern, die auf die Biegeelemente, wie die Biegegelenke 415 und die Längsbiegungen 456, wirken. Eine verminderte mechanische Spannung verringert die möglichen Probleme der Metallermüdung oder Hysterese.
Ein vergrößerter Lichtweg erhöht jedoch die Notwendigkeit der Kollimation des Lichtstrahls. Eine Kollimationsoptik muss nahe an dem Ausgang gegenüber dem einfallenden Lichtleitfaser-Bündel 108 und dem Eingang gegenüber dem austretenden Lichtleitfaser-Bündel 112 positioniert sein. Das wird üblicherweise mit den Linsengruppen-Anordnungen 115 und 116 aber auch mit Gradienten-Kollimatoren (GRIN), Kugellinsen oder weiteren optischen Elementen, die für das Bereitstellen der Kollimation geeignet sind, erledigt. Die Kollimationsoptik lässt immer eine begrenzte Restdivergenz in dem Lichtstrahl übrig, zum Beispiel lässt ein handelsüblicher GRIN-Faserkollimator einen Restdivergenzwinkel von 0,1 bis 0,25 Grad übrig. Der Divergenzwinkel legt gemeinsam mit dem Lichtweg den für die Spiegel 106 und 107 erforderlichen Umfang fest. Um Lichtstärkeverluste zu vermeiden, müssen die Spiegel 106 und 107 größer sein als der maximale Lichtstrahldurchmesser. Bei einem gegebenen Divergenzwinkel erfordert ein längerer 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.
Ein typischer Lichtstrahldurchmesser liegt bei ca. 0,3 mm bis 0,5 mm. Der Strahldurchmesser nach der Kollimations- und Expansionsoptik bietet ein gewisses Maß an Designfreiheit. Die Expansion des Lichtstrahldurchmessers entspannt die Positionierungstoleranzen aller optischen Elemente, was zu einer vereinfachten Verpackung führt Der für die Spiegel 106 und 107 erforderliche Umfang ist jedoch erhöht. Typische Spiegeldurchmesser liegen üblicherweise in einer Größenordnung von 300 μm bis 1 mm. Da sich der Spiegelumfang ver größert, ist es schwieriger die Spiegeloberfläche optisch plan zu haften. Die Vergrößerung der Spiegelstärke verbessert die Fähigkeit, die Spiegeloberfläche optisch plan zu hatten. Eine typische Stärke für die Spiegel 106 und 107 liegt in dem Bereich von 1–15 μm.
Die Spiegel 106 und 107 können einen Bogen aufweisen, der zu der Lichtstrahldivergenz zusammen mit der Kollimator-Restdivergenz beiträgt. 6a zeigt einen Querschnitt eines konkaven Spiegels 600, der einen Krümmungsradius R, einen Durchmesser w, einen Bogen x, einen einfallenden kollimierten Strahldurchmesser d0 und einen Durchmesser d2 aufweist, der der Durchmesser des reflektierten Strahls bei dem Lichtweg L ist, der von der Oberfläche des konkaven Spiegels 600 wegführt. Der Bogenwinkel α ≈ arctan(4x/w) ist der Divergenzhalbwinkel aufgrund des Bogens x. Unter der Annahme, dass der Bogen x viel kleiner ist als der Krümmungsradius R, kann gezeigt werden, dass der Strahldurchmesser d als eine Funktion des Lichtweges L annähernd gegeben ist durch: d(L) ~ d0 – 8xL/w wenn L < 2R (1) d(L) ~ d0 + 8xL/w – 2w wenn L > 2R (2)und d(L) ~ 0 wenn L ~ R
6b zeigt, dass der Strahldurchmesser als eine Funktion des Lichtweges L für einen konvexen Spiegel 610 mit dem Lichtweg L gegeben ist durch: d(L) ~ d0 + 8xL/w (3)
Durch das oben Erwähnte wird ersichtlich, dass die Lichtstrahldivergenz, die durch den Bogenwinkel α entsteht, bezüglich der Lichtstrahldivergenz infolge des Kollimations-Restwinkels infolge der Kollimationsoptik, klein gehalten werden muss, um einen annehmbaren Spiegelumfang aufrecht zu erhalten. Wenn der Spiegeldurchmesser w zum Beispiel 300 μm, der Lichtweg L 10 cm und d0 250 μm beträgt, ist ein Bogen x mit 10 nm annehmbar, während ein Bogen x mit 100 nm nicht annehmbar ist. Eine Erhöhung des Spiegeldurchmessers w auf 500 μm ermöglicht einen Bogen x mit 100 nm.
Größere Stärken oder Durchmesser der Spiegel 106 und 107 bedeuten, dass die Spiegel 106 und 107 bei einer festgelegten Aufhängesteifigkeit langsamer auf eine gegebene An steuerungsspannung ansprechen, und für ein schnelleres Ansprechen bei einer höheren Aufhängesteifigkeit eine höhere Ansteuerungsspannung erfordern.
Zum Beispiel erfordern größere Durchmesser für die Spiegel 106 und 107 bei einem gegebenen Abtastwinkel einen größeren Abstand von dem Substrat. Die Ansteuerung, die für die Spiegel 106 und 107 verwendet wird, wird instabil, sobald die Reflexion nach unten einen bestimmten Punkt übersteigt. Die Instabilität tritt üblicherweise auf, sobald der Luftspalt zwischen den Aufhängearmen 450 und den Elektroden 410 bis auf ca. 30% bis 50% des Luftspaltes gegenüber dem nicht angesteuerten Zustand abnimmt. Bei dem Betrieb der Spiegel 106 und 107 ist es wünschenswert, den Instabilitätsbereich zu vermeiden, während bei dem maximalen erforderlichen Neigungswinkel gearbeitet wird. Um den Stabilitätsbereich zu vergrößern, ist es nützlich die Elektroden 410 nach einer Ausführungsform der Erfindung auszubilden. Zum Beispiel können die Elektroden 410 als eine Funktion des Abstandes zu den Festpunkten 440 spitz zulaufen. Eine typische Form ist dann eine Dreieckform. Die Verringerung der Breite der Ansteuerungselektroden 410 entlang ihrer Länge, verringert stufenweise die Ansteuerungskraft bei einer festgelegten Spannung, da die Aufhängearme 450 sich nach unten in Richtung Ansteuerungselektroden 410 neigen. Diese Verringerung der Ansteuerungskraft arbeitet, um die vergrößerte Ansteuerungskraft infolge der stufenweisen Verringerung des Spaltes zwischen dem Aufhängearm 450 und der Ansteuerungselektrode 410, auszugleichen. Der verringerte Spalt ist verantwortlich für den Beginn der Instabilität.
Daher bestimmen der Spiegeldurchmesser, der erforderliche Abtastwinkel und der Umfang des Instabilitätsbereichs gemeinsam den minimalen Abstand der Spiegel 106 und 107 zu dem Substrat 499. Der Abstand wird angepasst durch die geeignete Wahl der Länge von, zum Beispiel, den Aufhängearmen 450 und der Größe des Spannungsgradienten, der in den Aufhängearmen 450 einbezogen ist. Ein typischer Abstand für die Spiegel 106 und 107 von dem Substrat 499 liegt üblicherweise in dem Bereich von 20 μm bis 200 μm.
Die Steifigkeit des Aufhängesystems und die Masse der Spiegel 106 und 107 legen die Resonanzfrequenz der Spiegel 106 und 107 fest. Zum Beispiel wird in 4a die Steifigkeit des Aufhängesystems durch die Breite, die Länge, die Stärke und den Werkstoff der Aufhängearme 450 und der Biegegelenke 415 festgelegt. Eine höhere Steifigkeit führt zu einer höheren Resonanzfrequenz mit einer sich ergebenden höheren Umschaltgeschwindigkeit, sie erfordert jedoch höhere Ansteuerungsspannungen. Die höhere Steifigkeit verringert auch den Abstand des Spiegels 405 über dem Substrat 499 bei demselben Spannungsgradienten und derselben geometrischen Konfiguration. Das Verhältnis der Steifigkeit des Aufhängearms 450 zu der Steifigkeit des Biegegelenks 415 legt fest, welcher Anteil der Ansteuerungskraft die Neigung des Spiegels 405 im Vergleich zu dem Absenken des Spiegels 405 erzeugt. Sowohl die Neigung als auch das Absenken des Spiegels 405 wird vorhanden sein. Daher ist es wünschenswert, das die Steifigkeit der Biegegelenke 415 geringer ist als die Steifigkeit der Aufhängearme 450.
Zweidimensionale Spiegel-Anordnungen, wie die zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106, können in einer Vielzahl von Arten nach der Erfindung hergestellt werden. Verschiedene Substrate, wie zum Beispiel Glas, Bulk-Silizium und Silizium können bei dem Isolator verwendet werden.
Man beachte, das die Anfangsmasken 701–706 in 7a–7f beispielhaft sind, und für eine Zwei/Zwei-Mikrospiegel-Anordnung gezeigt werden, aber sie können an einen beliebigen Mikrospiegel-Anordnungs-Umfang oder an eine Einzelspiegel-Anordnung angepasst werden. 8a–8o zeigen die Herstellungsschritte für eine zweidimensionale Anordnung des geneigten MEMS-Spiegels 106, bei dem Glas als das Substrat verwendet wird, nach einem Vergleichsbeispiel, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist. 8a–8o sind im Wesentlichen Querschnittansichten entlang der Linie 8-8 in 9. Ein ungeglühte Qualitäts-Glassubstrat 801 wird vor der Anwendung der Fotolack-Anfangsmaske 701 gereinigt. Nach der Anwendung wird die Anfangsmaske 701, wie in 7a gezeigt, für die Festpunkte 440, die Ansteuerungselektroden 410 und die (nicht gezeigten) elektrischen Kontakte gemustert Üblicherweise werden 100 nm Chrom 813 durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 701 abgeschieden. 8b zeigt das Entfernen der Fotolack-Anfangsmaske 701 und des Abschnitts der Chromschicht 813, der über der Fotolack-Anfangsmaske 701 liegt, unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wobei die Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und die Festpunkte 440 an ihrem Platz bleiben. Unter Verwendung einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) wird, wie in 8c gezeigt, eine Si₃N₄-Schicht 803, die eine typische Stärke von ca. 150 nm aufweist, über dem Glassubstrat 801, über den Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und den Festpunkten 440 abgeschieden.
Unter Bezug auf 8d wird eine amorphe Siliziumschicht 804 über der Si₃N₄-Schicht 803 mittels LPCVD bis zu einer typischen Stäke von ca. 500 nm abgeschieden. Die Fotolack maske 702 wird über der amorphen Siliziumschicht 804 aufgebracht und wie in 7b gezeigt gemustert. Kontaktlöcher 890 werden unter Verwendung eines O₂/SF₄-Plasmas nach unten zu den Festpunkten 440 und den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten trocken geätzt. Nach dem Entfernen der Fotolackmaske 702 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung wird, wie in 8e gezeigt, eine Kupferschicht 805 bis zu einer typischen Stärke von ca. 200 nm über der amorphen Siliziumschicht 804, den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten und den Festpunkten 440 abgeschieden.
8f zeigt eine Galvanisierungsmaske 703, die über einer Kupferschicht 805 aufgebracht wird, und die in Vorbereitung für das Galvanisieren einer Nickelschicht 806 wie in 7c gezeigt gemustert wird. Die Nickelschicht 806 wird wie in 8g gezeigt bis zu einer typischen Stärke von ca. 1 μm über der Kupferschicht 805 galvanisiert. Die Nickelschicht 806 arbeitet als eine Struktur-Unterstützungsschicht für den Spiegel 405 und die Aufhängearme 450 (siehe 4 und 9). Die Galvanisierungsmaske 703 wird dann entfernt.
Eine Galvanisierungsmaske 704 wird wie in 7d gezeigt aufgebracht und gemustert, wobei nur der Bereich für den Spiegel 405 frei gelassen wird. Die Galvanisierungsmaske 704 ist, wie in 8h gezeigt, die Maske für das Nickel-Galvaniseren des Spiegels 405 bis zu einer typischen Stärke von ca. 2–3 μm. Die Fotolackschicht 704 wird entfernt, um die in 8i gezeigte Struktur zu erzeugen.
Eine MoCr-Fotolack-Anfangsmaske 705 wird wie in 8j gezeigt über dem Spiegel 405 und der Kupferschicht 805 aufgebracht Die Anfangsmaske 705 wird wie in 7e gezeigt gemustert, und dann wird eine MoCr-Schicht 810 durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 705 abgeschieden. Typische Aufsprüh-Parameter für das Abscheiden der MoCr-Schicht 810 werden nachfolgend in der Tabelle 1 gezeigt und führen zu einem Eigenspannungsgradienten von ca. 3,0 GPa über der MoCr-Schicht 810. Die gesamte Hebevorrichtung kann unter Verwendung herkömmlicher Mikrofeder-Rezepturen, wie sie in US-A-5.914.218 offen gelegt werden, aufgebaut sein.
Tabelle 1
Eine Aceton-Einweichung wird durchgeführt, um die Anfangsmaske 705 und die Abschnitte der MoCr-Schicht 810, die über der Anfangsmaske 705 liegen zu entfernen, was zu der in 8k gezeigten Struktur führt.
Eine Fotolack-Anfangsmaske 706 wird über der freiliegenden Kupferschicht 805, der freiliegenden Nickelschicht 806 und dem verbleibenden Abschnitt der MoCr-Schicht 810 aufgebracht Die Anfangsmaske 706 wird wie in 7f gezeigt gemustert, um nur die Oberfläche des Spiegels 405 freizulegen. Eine Goldschicht 815 wird dann durch Aufsprühen abgeschieden, um den Spiegel 405 mit Gold zu beschichten. Nachdem die Goldschicht 815 abgeschieden wurde, wird unter Verwendung einer Aceton-Einweichung die Anfangsmaske 706 gemeinsam mit dem Abschnitt der Goldschicht 815, der über der Anfangsmaske 706 liegt, entfernt. Die sich ergebende Struktur wird in 8m gezeigt. Um die in 8n gezeigte Struktur herzustellen, wird die freiliegende Kupferschicht 805 unter Verwendung einer alkalischen Ätzung, üblicherweise mit einem Gemisch aus 5H₂O : 5NH₄OH : H₂O₂, entfernt. Diese Ätzung verweidet eine Beschädigung des freiliegenden Nickels.
Zuletzt wird die in 8n gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Silizium-Opferschicht 804 entfernt, abgelöst. Man beachte, dass ein Rückstand der Kupferschicht 805 an einer Struktur 899 befestigt verbleibt. Das Entfernen der amorphen Silizium-Opferschicht 804 bewirkt wie in 8o gezeigt das Ablösen der Struktur 899. Die Struktur 899 erhebt sich infolge des Eigenspannungs-Gradienten in der MoCr-Schicht 810 von dem Substrat 801 nach oben. Da die MoCr-Schicht 810 die Oberflächenschicht für die Aufhängearme 450 bildet (siehe auch 4), arbeitet der Eigenspannungs-Gradient in der MoCr-Schicht 810, um alle vier Aufhängearme 450 nach oben zu treiben, wobei der Spiegel 405 angehoben wird. 10 zeigt eine Teil-Schnittansicht des geneigten MEMS-Spiegels 106 auf dem Glassubstrat 801. 10 zeigt eine Teil-Schnittansicht des geneigten MEMS-Spiegels 106 auf dem Glassubstrat 801 und die Lichtstrahlen 1010 und 1020. Der Lichtstrahl 1020 erreicht den Spiegel 405, indem er durch das Glassubstrat 801 hindurch läuft.
11a–11k zeigen die Herstellungsschritte für die zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106 unter Verwendung von Bulk-Silizium als das Substrat nach einer Ausführungsform der Erfindung. Um das Ätzen zu erleichtern, liegt eine typische Stärke für ein Bulk-Silizium-Substrat 1101 in der Größenordnung von 100 μm. 11a–11k sind Querschnittansichten entlang der Linie 12-12 in 12. 11a zeigt das Bulk-Silizium-Substrat 1101 mit dielektrischen Schichten, üblicherweise Si₃N₄-Schichten 1102 und 1103, die auf zwei Seiten des Bulk-Silizium-Substrats 1101 abgeschieden werden. Eine Fotolack-Anfangsmaske 709 wird über der dielektrischen Schicht 1103 aufgebracht und wie in 7i gezeigt gemustert. Eine Cr-Schicht 1105 wird dann durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 709 und der freiliegenden dielektrischen Schicht 1103 abgeschieden. Danach werden die Anfangsmaske 709 und die darüber liegenden Abschnitte der Cr-Schicht 1105 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt.
Auf die Aceton-Einweichung folgend zeigt 11b die Abscheidung einer dielektrischen Schicht 1111 über den Elektroden 410, um die Elektroden 410 elektrisch zu isolieren. Die dielektrische Schicht 1111 kann aus Si₃N₄ oder einem anderen Isolierwerkstoff bestehen. Eine SiO₂-Schicht 1106 wird zu Ablösezwecken über der dielektrischen Schicht 1111 abge schieden. 11c zeigt eine Fotolack-Maskenschicht 711, die über der SiO₂-Schicht 1106 aufgebracht wird und dann wie in 7k gezeigt gemustert wird. Die freiliegenden Abschnitte der dielektrischen Schicht 1111 und der SiO₂-Schicht 1106 werden dann trocken weg geätzt. Eine Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 710 wird in 11d aufgebracht und dann wie in 7j gezeigt gemustert. Wie in 11e gezeigt, wird eine MoCr-Schicht 1108 durch Aufsprühen bis zu einer typischen Stärke von ca. 500 nm über der Masken-Schicht 710 abgeschieden, wie es oben in Tabelle 1 ausführlich beschrieben ist.
Die Fotolack-Anfangsmaske 710 und die darüber liegenden Abschnitte der MoCr-Schicht 1108 werden unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt, um die Struktur in 11f zu erzielen. 11g zeigt eine Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 708, die über der dielektrischen Schicht 1106 und der MoCr-Schicht 1108 aufgebracht und dann wie in 7h gezeigt gemustert wird. Eine Goldschicht 1109 wird durch Aufsprühen über der Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 708 bis zu einer typischen Stärke von ca. 100 nm abgeschieden. Die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 708 wird dann gemeinsam mit den darüber liegenden Abschnitten der Goldschicht 1109 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt. Der gesamte obere Teil der Struktur wird wie in 11h gezeigt mit einer Fotolack-Schicht 1110 bis zu einer Stärke von ca. 5–10 μm bedeckt und ca. 20 Minuten bei etwa 120°C hart gebacken, um das obere Teil der Struktur bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zu schützen.
Unter Bezug auf 11i, wird eine Fotolack-Maske 707 auf einer dielektrischen Schicht 1102 aufgebracht und wie in 7g gezeigt gemustert. Die Fotolack-Maske 707 legt die Bereiche für eine reaktive Ionen-Tiefenätzung (DRIE) frei, die die freiliegenden Bereiche der dielektrischen Schicht 1102 und das darüber liegende Bulk-Silizium-Substrat 1101, die dielektrische Schicht 1103 und die dielektrischen Schicht 1106 entfernt, um den aufgehängten Spiegel 405 auszubilden. 11j zeigt die Ausdehnung der reaktiven Ionen-Tiefenätzung. Die MoCr-Aufhängearme 450 (siehe 4) werden ebenfalls von der dielektrischen Schicht 1106 abgelöst. Wie in 11k gezeigt, werden schließlich die Fotolack Maskenschichten 707 und 1110 unter Verwendung entweder einer Trockenätzung oder einer Aceton-Einweichung entfernt, worauf eine Ätzung in einem Fotolackentferner folgt. Die fertige geneigte MEMS-Spiegelstruktur wird in 13 gezeigt, wo die Pfeile 1310 und 1320 anzeigen, dass sowohl die untere als auch die obere Fläche des Spiegels 405 verwendet werden soll, um Licht zu reflektieren, wenn geringe Veränderungen bei den Bearbeitungsschritten 11a– 11j durchgeführt werden, so dass der untere Teil des Spiegels 405 auch mit Gold beschichtet wird.
14a–14l zeigen die Herstellungsschritte für die zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106, bei denen ein Silizium-Isolatorsubstrat nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. 14a–14l sind Querschnittansichten entlang der Linie 12-12 in 12. 14a zeigt ein Silizium-Isolatorsubstrat 1401 mit dielektrischen Schichten 1402 und 1403, üblicherweise Si₃N₄-Schichten, die auf zwei Seiten des Silizium-Isolatorsubstrats 1401 abgeschieden werden. Die Fotolack-Anfangsmaske 709 wird über der dielektrischen Schicht 1403 aufgebracht und wie in 7i gezeigt gemustert. Eine Cr-Schicht 1405 wird durch Aufsprühen über der gemusterten Fotolack-Anfangsmaske 709 bis zu einer typischen Stärke von ca. 100 nm abgeschieden. Die Fotolack-Anfangsmaske 709 und die darüber liegenden Abschnitte der Cr-Schicht 1405 werden wie in 14b gezeigt unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Standard-Anfangsverfahrens entfernt. In 14c wird eine dielektrische Schicht 1411 über den Ansteuerungselektroden 410 abgeschieden, um die Elektroden 410 elektrisch zu isolieren. Die dielektrische Schicht 1411 kann aus Si₃N₄ oder einem anderen Isolierwerkstoff bestehen. Üblicherweise wird eine durchlässige SiO₂-Schicht 1406 zu Ablösezwecken über der dielektrischen Schicht 1411 abgeschieden. 14d zeigt die Fotolack-Maskenschicht 711, die über der SiO₂-Schicht 1408 aufgebracht wird und dann wie in 7k gezeigt gemustert wird. Die freiliegenden Abschnitte der SiO₂-Schicht 1406 und die darunter liegenden Abschnitte der dielektrischen Schicht 1411 werden dann trocken weg geätzt. Die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 710 wird über den verbleibenden Abschnitten der SiO₂-Schicht 1406 und den freiliegenden Abschnitten der Schicht 1411 in 14e aufgebracht und wie in 7j gezeigt gemustert. Wie in 14f gezeigt, wird eine MoCr-Schicht 1408 durch Aufsprühen bis zu einer typischen Stärke von ca. 500 nm über der Masken-Schicht 710 abgeschieden, wie es oben in Tabelle 1 ausführlich beschrieben ist.
Die Fotolack-Anfangsmaske 710 und die darüber liegenden Abschnitte der MoCr-Schicht 1408 werden unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Anfangsverfahrens entfernt, um die in 14g gezeigte Struktur zu erzielen. 14h zeigt die Fotolack-Anfangsmaske 708, die über der dielektrischen Schicht 1406 und der MoCr-Schicht 1408 aufgebracht wird und dann wie in 7h gezeigt gemustert wird. Eine Goldschicht 1409 wird durch Aufsprühen über der Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 708 bis zu einer typischen Stärke von ca. 100 nm abgeschieden. Die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 708 wird dann gemeinsam mit den darüber liegenden Abschnitten der Goldschicht 1409 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Anfangsverfahrens entfernt. Der gesamte obere Teil der Struktur wird wie in 14i gezeigt mit einer Fotolack-Schicht 1410 bis zu einer Stärke von ca. 5–10 nm bedeckt und ca. 20 Minuten bei 120°C hart gebacken, um als Schutz bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zu fungieren. Eine Fotolack-Masken-Schicht 713 wird über der dielektrischen Schicht 1402 aufgebracht und wie in 7m gezeigt gemustert. Der freiliegende Abschnitt der dielektrischen Schicht 1402 wird unter Verwendung einer gepufferten Fluorwasserstoffsäurenätzung entfernt, um die nachfolgende Kaliumhydroxid-Ätzung zu ermöglichen. Die Fotolack-Masken-Schicht 713 wird dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung ebenfalls entfernt. Das Silizium-Isolatorsubstrat 1401 wird unter Verwendung einer 45%igen Kaliumhydroxid-Lösung bei einer Temperatur von ca. 60°C auf der Rückseite geätzt, bis eine bedeckende Oxidschicht 1475 erreicht wird, die in 14j gezeigt wird. Die bedeckende Oxidschicht 1475 wirkt als Ätzstopp. Der verbleibende Abschnitt der dielektrischen Schicht 1402 und der freiliegende Abschnitt der bedeckenden dielektrischen Schicht 1475 werden mit der Fotolack-Maske 707 beschichtet, die wie in 7g gezeigt gemustert wird. Die freiliegenden Seitenwände in einem Hohlraum 1450 werden ebenfalls mit einer Fotolackschicht 1451 beschichtet. Die freiliegenden Bereiche werden dann mit einer reaktiven Ionen-Tiefenätzung bearbeitet, um den freiliegenden Abschnitt der bedeckenden dielektrischen Schicht 1475 ebenso wie die Abschnitte des Silizium-Isolatorsubstrats 1401, der dielektrischen Schicht 1403 und der dielektrischen Schicht 1406, die über dem freiliegenden Abschnitt der bedeckten dielektrischen Schicht 1475 liegen, zu entfernen. Die sich ergebende Struktur wird in 14k gezeigt. Zuletzt wird, wie in 11l gezeigt, die Fotolack-Masken-Schichten 707 gemeinsam mit den Fotolackschichten 1410 wird 1451 unter Verwendung entweder einer Trockenätzung oder einer Aceton-Einweichung entfernt, worauf eine Ätzung in einem Fotolackentferner folgt. Eine fertige geneigte MEMS-Spiegelstruktur 1500 wird in 15 gezeigt, wo die Pfeile 1510 und 1520 anzeigen, dass sowohl die untere als auch die obere Fläche des Spiegels 405 verwendet werden soll, um Licht zu reflektieren, wenn geringe Veränderungen bei den Bearbeitungsschritten 14a–14l durchgeführt werden, so dass der untere Teil des Spiegels 405 mit Gold beschichtet wird.
16a–16i zeigen die Herstellungsschritte für die zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106, bei denen eines der zuvor erwähnten Substrate unter Verwendung von Polysilizium als mechanischem Spiegelwerkstoff, nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. 16a–16i sind Querschnittansichten entlang der Linie 9-9 in 9. 16a zeigt die Anwendung der Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 701 auf einem Substrat 1601. Nach der Anwendung wird die Anfangsmasken-Schicht 701, wie in 7a gezeigt, für die Festpunkte 440, die Ansteuerungselektroden 410 und die (nicht gezeigten) elektrischen Kontakte gemustert. Eine Cr-Schicht 1613 wird über der Anfangsmasken-Schicht 701 bis zu einer typischen Stärke von ca. 100 nm abgeschieden. 16b zeigt das Entfernen der Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 701 und des Abschnitts der Cr-Schicht 1613, die über der Fotolack-Anfangsmaske 701 liegt, unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Anfangsverfahrens, wobei die Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und die Festpunkte 440 an ihrem Platz bleiben. Unter Verwendung einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) wird, wie in 16c gezeigt, eine Si₃N₄-Schicht 1603 bis zu einer typischen Stärke von ca. 200 nm über dem Substrat 1601, über den Festpunkten 440 und den Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) abgeschieden, gefolgt von der Abscheidung einer durchlässigen SiO₂-Schicht 1604 über der Si₃N₄-Schicht 1603 bis zu einer typischen Stärke von ca. 150 nm.
Unter Bezug auf 16d wird die Fotolackmasken-Schicht 702 auf der amorphen SiO₂-Schicht 1604 aufgebracht und wie in 7b gezeigt gemustert. Kontaktlöcher 1630 werden unter Verwendung eines O₂/SF₄-Plasmas nach unten zu den Festpunkten 440 und den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten trocken geätzt. Nach dem Entfernen der Fotolackmasken-Schicht 702 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wird eine Polysiliziumschicht 1605 bis zu einer typischen Tiefe von ca. 6 μm abgeschieden, um als die mechanische Schicht für den Spiegel 405 zu fungieren. Dann wird ein chemisch-mechanisches Polieren auf die Polysiliziumschicht 1605 angewendet, um die obere Fläche der Polysiliziumschicht 1605 zu glätten, was zu der in 16e gezeigten Struktur führt.
Eine Fotolackmasken-Schicht 1611 wird über der Polysiliziumschicht 1605 aufgebracht und wie das Fotonegativ der in 7c gezeigten Fotolackmaske 703 gemustert. Die freiliegenden Abschnitte der Polysiliziumschicht 1605 werden dann trocken geätzt, was die Struktur in 16f ergibt. Die Fotolackmasken-Schicht 1611 wird dann entweder unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder einer Trockenätzung entfernt. Die Fotolack- Anfangsmasken-Schicht 705 wird dann über der freiliegenden SiO₂-Schicht 1604 und der verbleibenden Polysiliziumschicht 1605 abgeschieden. Unter Bezug auf 16g wird die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 705 wie in 7e gezeigt gemustert, und dann wird eine MoCr-Schicht 1610 durch Aufsprühen auf der Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 705 und auf den freiliegenden Abschnitten der Polysiliziumschicht 1605 bis zu einer typischen Stärke von ca. 500 nm abgeschieden, wie es in Tabelle 1 beschrieben ist. Die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 705 und die darüber liegenden Abschnitte der MoCr-Schicht 1610 werden dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Anfangsverfahrens entfernt.
Die Fotolack-Anfangsmasken-Schicht 704 wird über der Polysiliziumschicht 1605 und dem freiliegenden Abschnitt der SiO₂-Schicht 1604 aufgebracht und wie in 7f gezeigt gemustert. Eine Goldschicht 1615 wird wie in 16h gezeigt durch Aufsprühen auf der Fotolack-Anfangsmaske 706 bis zu einer typischen Stärke von ca. 100 nm abgeschieden. Die Fotolack-Anfangsmaske 706 und die darüber liegende Goldschicht 1615 werden dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung oder eines anderen Anfangsverfahrens entfernt, wobei die Goldschicht 1615 auf dem Spiegel 405 bleibt. Zuletzt wird unter Verwendung einer 49%igen Fluorwasserstoffsäure ca. 15 Minuten lang eine Nassätzung auf der durchlässigen SiO₂-Schicht durchgeführt, um wie in 16i gezeigt den Spiegel 405 abzulösen. Die sich ergebende Struktur gleicht der, die in dem Teilausschnitt von 10 gezeigt wird.
Die Ebenheit des geneigten Spiegels 106 kann erreicht werden durch Fertigung der geneigten Spiegel 106 aus zwei angrenzenden Spannungs-Metallschichten mit entgegengesetzten Spannungsgradienten. 17a–17l zeigen, unter Verwendung von Glas als das Substrat, zur Erzeugung von entgegengesetzter Spannung die Herstellungsschritte für eine zweidimensionale Anordnung 104 von geneigten MEMS-Spiegeln 106 nach einem Vergleichsbeispiel, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist. 17a–17m sind Querschnittansichten entlang der Linie 8-8 in 9. Das ungeglühte Qualitäts-Glassubstrat 801 wird vor der Anwendung der Fotolack-Anfangsmaske 701 gereinigt. Nach der Anwendung wird die Anfangsmaske 701, wie in 17a gezeigt, für die Festpunkte 440, die Ansteuerungselektroden 410 und die (nicht gezeigten) elektrischen Kontakte gemustert. Üblicherweise werden 100 nm Chrom 813 durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 701 abgeschieden. 17b zeigt das Entfernen der Fotolack-Anfangsmaske 701 und des Abschnitts der Chromschicht 813, der über der Fotolack-Anfangsmaske 701 liegt, unter Verwendung einer Aceton- Einweichung, wobei die Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und die Festpunkte 440 an ihrem Platz bleiben. Unter Verwendung einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) wird, wie in 17c gezeigt, die Si₃N₄-Schicht 803, die eine typische Stärke von ca. 150 nm aufweist, über dem Glassubstrat 801, über den Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und den Festpunkten 440 abgeschieden.
Unter Bezug auf 17d wird die amorphe Siliziumschicht 804 über der Si₃N₄-Schicht 803 mittels LPCVD bis zu einer typischen Stäke von ca. 500 nm abgeschieden. Die Fotolackmaske 702 wird über der amorphen Siliziumschicht 804 aufgebracht und wie in 7b gezeigt gemustert. Kontaktlöcher 880 werden unter Verwendung eines O₂/SF₄-Plasmas nach unten zu den Festpunkten 440 und den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten trocken geätzt. Nach dem Entfernen der Fotolackmaske 702 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wird eine Titan-Haftschicht 1701 bis zu einer typischen Stärke von ca. 50 nm über der amorphen Siliziumschicht 804, den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten und den Festpunkten 440 abgeschieden, und es folgt wie in 17e gezeigt die Abscheidung einer Gold-Reflexionsschicht 1705 über der Titan-Haftschicht 1701.
17f zeigt die Anfangsmaske 703, die über der Gold-Reflexionsschicht 1705 aufgebracht und, wie in 7c gezeigt, in Vorbereitung für die Abscheidung einer MoCr-Schicht 1710 gemustert wird. 17g zeigt die Abscheidung durch Aufsprühen von fünf Teilschichten aus MoCr, was zu einer typischen MoCr-Gesamtschicht 1712 mit einer Stärke von 1 um führt. Typische Aufsprühparameter für die Abscheidung der MoCr-Schicht 1712 werden in Tabelle 1 gezeigt und führen zu einer MoCr-Schicht 1712, die einen Eigenspannungsgradienten von ca. 3,0 GPa aufweist.
Die Fotolack-Anfangsmaske 704 wird über der MoCr-Schicht 1712 aufgebracht. Die Anfangsmaske 704 wird wie in 7d gezeigt gemustert und lässt nur den Spiegelbereich frei. Dann wird eine MoCr-Schicht 1714 durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 704 abgeschieden, mit einem ausgebildeten Eigenspannungsgradienten, der wie in 17h gezeigt dem der MoCr-Schicht 1712 entgegengesetzt ist Das führt zu einer Nettokraft in dem Spiegel 405, die im Wesentlichen gleich null ist. Eine Aceton-Einweichung wird durchgeführt, um die Anfangsmaske 704 und die Abschnitte der MoCr-Schicht 1714, die über der Anfangsmaske 704 liegen, zu entfernen. Der freiliegende Abschnitt der Gold-Reflexionsschicht 1705 wird, wie in 17i gezeigt, unter Verwendung von TRANSENE-Gold-Ätzmittel entfernt, gefolgt von einem Gemisch aus HF : H₂O, um den freiliegenden Abschnitt der Titan-Haftschicht 1701 zu entfernen.
Die Fotolack-Anfangsmaske 706 wird über der verbleibenden MoCr-Schicht 1714 und dem freiliegenden Abschnitt der MoCr-Schicht 1712 aufgebracht. Die Anfangsmaske 706 wird wie in 7f gezeigt gemustert, um nur die Fläche des Spiegels 405 freizulassen. Dann wird die Goldschicht 815 wie in 17j gezeigt durch Aufsprühen abgeschieden, um den Spiegel 405 mit Gold zu beschichten. Nachdem die Goldschicht 815 abgeschieden wurde, wird unter Verwendung einer Aceton-Einweichung die Anfangsmaske 706 gemeinsam mit dem Abschnitt der Goldschicht 815, der über der Anfangsmaske 706 liegt, entfernt. Die sich ergebende Struktur wird in 17k gezeigt. Zuletzt wird die in 17l gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Silizium-Opferschicht 804 entfernt, abgelöst. Das Entfernen der amorphen Silizium-Opferschicht 804 bewirkt das Ablösen der Struktur 1750. Die Struktur 1750 hebt sich infolge des Eigenspannungsgradienten in der MoCr-Schicht 1712 von dem Substrat 801 nach oben. Da die MoCr-Schicht 1712 die Aufhängearme 450 ausbildet (siehe auch 4), wirkt der Eigenspannungsgradient in der MoCr-Schicht 1712, indem er alle vier Aufhängearme 450 nach oben treibt, wodurch sich der Spiegel 405 anhebt.
Die Ebenheit des geneigten Spiegels 106 kann auch erreicht werden durch Fertigung der geneigten Spiegel 106 aus zwei angrenzenden Spannungs-Polysiliziumschichten mit entgegengesetzten Spannungsgradienten. Polysilizium kann durch Anpassen der Abscheidetemperatur (in Gegensatz zu dem Druck für MoCr) während der LPCVD beansprucht werden. Spannungen in der Größenordnung von 500 mPa können leicht erreicht werden, wie es von Arthur Heuer von der Case Western Reserve University gezeigt wurde.
18a–18m zeigen, unter Verwendung von Glas als das Substrat, zur Erzeugung von entgegengesetzter Spannung die Herstellungsschritte für geneigte MEMS-Spiegel 106 nach einer Ausführungsform der Erfindung. 18a–18m sind im Wesentlichen Querschnittansichten entlang der Linie 8-8 in 9. Das ungeglühte Qualitäts-Glassubstrat 801 wird vor der Anwendung der Fotolack-Anfangsmaske 701 gereinigt. Nach der Anwendung wird die Anfangsmaske 701, wie in 18a gezeigt, für die Festpunkte 440, die Ansteuerungselektroden 410 und die (nicht gezeigten) elektrischen Kontakte gemustert. Üblicherweise werden 100 nm Chrom 813 durch Aufsprühen über der Anfangsmaske 701 abgeschieden. 18b zeigt das Entfernen der Fotolack Anfangsmaske 701 und des Abschnitts der Chromschicht 813, die über der Fotolack-Anfangsmaske 701 liegt, unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wobei die Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und die Festpunkte 440 an ihrem Platz bleiben. Unter Verwendung einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) wird, wie in 18c gezeigt, die Si₃N₄-Schicht 803, die eine typische Stärke von ca. 150 nm aufweist, über dem Glassubstrat 801, über den Ansteuerungselektroden 410 (siehe 4) und den Festpunkten 440 abgeschieden.
Unter Bezug auf 18d wird die amorphe Siliziumschicht 804 über der Si₃N₄-Schicht 803 mittels LPCVD bis zu einer typischen Stäke von ca. 500 nm abgeschieden. Eine Si₃N₄-Schicht 1803 wird dann mittels LPCVD über der amorphen Siliziumschicht 804 abgeschieden, um für die Polysiliziumstruktur, die später abgeschieden wird, als eine erste Isolationsschicht gegenüber XeF₂ zu dienen. Die Fotolackmaske 702 wird über der Si₃N₄-Schicht 1803 aufgebracht und wie in 7b gezeigt gemustert. Kontaktlöcher 890 werden unter Verwendung eines O₂/SF₄-Plasmas nach unten zu den Festpunkten 440 und den (nicht gezeigten) elektrischen Kontakten trocken geätzt. Nach dem Entfernen der Fotolackmaske 702 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wird eine unter Spannung stehende Polysiliziumschicht 1804 unter Verwendung von LPCVD abgeschieden, und eine Fotolackschicht 2004 wird über der Polysiliziumschicht 1804 aufgebracht und wie die Umkehrung der in 7c gezeigten Maske 703 gemustert. Der freiliegende Abschnitt der Polysiliziumschicht 1804 wird in einer O₂/SF₄-Plasma-Ätzvorrichtung trocken geätzt, und die Fotolackschicht 2004 wird entfernt, was zu der in 18f gezeigten Struktur führt.
Eine Fotolackschicht 2005 wird über der Polysiliziumschicht 1804 aufgebracht und wie die Umkehrung der in 7c gezeigten Maske 703 gemustert, aber optisch leicht vergrößert, um einen Überhang von etwa 1 μm zu erzeugen. Dann wird, wie in 18g gezeigt, unter Verwendung einer HF-Lösung eine zeitlich festgelegte Nassätzung der freiliegenden Si₃N₄-Schicht 1803 durchgeführt. Die Fotolackschicht 2004 wird dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt. Eine Si₃N₄-Schicht 1809 wird auf der verkapselten Polysiliziumschicht 1804 abgeschieden. Wie in 18h gezeigt, wird die Fotolackmaske 704 über der Si₃N₄-Schicht 1809 abgeschieden und wie in 7d gezeigt gemustert, um den Spiegelbereich freizulegen. Die Si₃N₄-Schicht 1809 wird dann unter Verwendung eines HF-Ätzmittels geätzt.
Nach dem Entfernen der Fotolackmaske 704 unter Verwendung einer Aceton-Einweichung, wird eine Polysiliziumschicht 1805 mit einem Spannungsgradienten, der dem der Polysiliziumschicht 1804 entgegengesetzt ist, abgeschieden. Wie in 18i gezeigt, wird dann eine Fotolackschicht 2006 über der Polysiliziumschicht 1805 aufgebracht und so gemustert, dass sie die Umkehrung der in 7d gezeigten Maske 704 ist. Die freiliegenden Abschnitte der Polysiliziumschicht 1805 werden dann trocken geätzt, wobei bei der Si₃N₄-Schicht 1809 gestoppt wird. Die Fotolackschicht 2006 wird dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt. Wie in 18j gezeigt, wird eine Fotolackschicht 2007 über der Polysiliziumschicht 1805 und über der freiliegenden Si₃N₄-Schicht 1809 aufgebracht und wie die Umkehrung der in 7c gezeigten Maske 703 gemustert. Die freiliegende Si₃N₄-Schicht 1809 wird dann wie in 18j gezeigt weg geätzt. Die Fotolackschicht 2007 wird dann unter Verwendung einer Aceton-Einweichung entfernt.
Die Fotolackmaske 704 wird über den freiliegenden Abschnitten der Polysiliziumschicht 1805, der amorphen Siliziumschicht 804 und der Si₃N₄-Schicht 1809 aufgebracht und wie in 7d gezeigt gemustert. Eine Goldschicht 1825 wird dann wie in 18k gezeigt über der Fotolackmaske 704 abgeschieden. Danach wird die Fotolackmaske 704 unter Verwendung eines Anfangsverfahrens entfernt, um die in 18l gezeigte Struktur übrig zu lassen. Man beachte, dass alle Polysiliziumschichten gegen die bevorstehende Xenondifluorid-Ätzung verkapselt werden. Zuletzt wird die in 17m gezeigte Struktur unter Verwendung von Xenondifluorid (XeF₂), das die amorphe Silizium-Opferschicht 804 entfernt, abgelöst. Das Entfernen der amorphen Siliziumschicht 804 bewirkt das Ablösen einer Struktur 1850. Die Struktur 1850 erhebt sich infolge des Eigenspannungs-Gradienten in der Polysiliziumschicht 1803 von dem Substrat 801 nach oben. Da die Polysiliziumschicht 1803 die Aufhängearme 450 ausbildet (siehe auch 4), arbeitet der Eigenspannungs-Gradient in der Polysiliziumschicht 1803, um alle vier Aufhängearme 450 nach oben zu treiben, wobei der Spiegel 405 angehoben wird.

Claims

Ansteuerbare Spiegelstruktur, die umfasst: ein Substrat (1101), das eine obere Fläche in einer ersten Ebene aufweist; eine Vielzahl von Aufhängearmen (450), von denen jeder eine Eigenspannungs-Gradientenschicht aufweist, wobei jeder aus der Vielzahl von Aufhängearmen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und die ersten Enden an dem Substrat befestigt sind; einen Bereich (405), der eine reflektierende Oberflächenschicht (1109) aufweist, wobei der Bereich an den zweiten Enden der Vielzahl von Aufhängearmen befestigt ist, und die Eigenspannungs-Gradientenschicht genügend Spannung in der Vielzahl von Aufhängearmen herstellt, um die reflektierende Oberflächenschicht in einer zweiten Ebene aufrecht zu erhalten, die sich von der ersten Ebene unterscheidet; und eine Vielzahl von Elektroden (410), die auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Elektroden anliegend an die jeweiligen Aufhängearme (450) angeordnet ist, um ein elektrisches Feld zur Herstellung einer ablenkenden Bewegung des Bereichs (405) zu erzeugen, um eine Neigung um zwei nicht-kollineare Achsen zu ermöglichen, und dass der Bereich (405) aus Silizium gefertigt ist.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Aufhängearmen (450) drei oder vier beträgt.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin der Siliziumbereich eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Eigenspannungs-Gradientenschicht aus MoCr besteht.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach Anspruch 4, worin ein Eigenspannungs-Gradient über der Eigenspannungs-Gradientenschicht eine Größe von 3 Gigapascal aufweist.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Substrat (1101) einen Aussparungsabschnitt aufweist; und worin der Siliziumbereich, der eine reflektierende Oberflächenschicht aufweist, über dem Aussparungsabschnitt positioniert ist.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die reflektierende Oberflächenschicht (1109) aus Gold besteht.
Ansteuerbare Spiegelstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin jede aus der Vielzahl von Elektroden (410) eine im Wesentlichen konische Form aufweist.
Regelmäßige Anordnung von ansteuerbaren Spiegelstrukturen, worin jede der ansteuerbaren Spiegelstrukturen eine Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Regelmäßige Anordnung nach Anspruch 9, worin die regelmäßige Anordnung eine zweidimensionale geradlinige Anordnung ist.