NO333724B1 - En mikromekanisk rekke med optisk reflekterende overflater - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en mikromekanisk enhet, særlig et justerbart optisk filter, samt en fremgangsmåte for å produsere denne. Enheten omfatter et første strukturlag og et andre substratlag i det minste delvis fastet til hverandre, der strukturlaget omfattende et antall reflekterende elementer fordelt mellom et antall ikke bevegelige, faste reflekterende elementer, der de faste elementene er forbundet med substratet, og der en kavitet er definert mellom substratet og hvert bevegelige element og hvert bevegelige element er innrettet til å gi en fjærbelastet bevegelse inn i kaviteten, og der et antall dielektriske avstandstykker er plassert i kavitetene mellom hvert bevegelige element og substratet for derved å unngå elektrisk kontakt mellom dem.

Description

Oppfinnelsen angår et mikromekanisk element, særlig et justerbart optisk spektralfilter og en fremgangsmåte for å produsere denne som i henhold til kjent teknikk kan realiseres ved hjelp av en rekke med vekselvis flyttbare og faste optiske mikroreflektorer, særlig der reflektorene har en diffraktiv eller lysavbøyende virkning. Oppfinnelsen består i en praktisk metode for å konstruere en slik rekke, der de faste og flyttbare optisk reflekterende overflatene (101) utgjøres av oversidene av faste (102) og flyttbare bjelker (103) som etses ut av ett og samme materialsjikt. De faste bjelkene er permanent forbundet til et substrat (105) via et tynt dielektrisk sjikt (106), mens de flyttbare bjelkene er spent ut over etsede fordypninger (107) i substratet. Dermed kan de trekkes ned mot substratet av en elektrostatisk kraft inntil bunnen av bjelkene møter avstandsklosser (108) på bunnen av fordypningene. Avstandsklossene er utformet for å gi et lite kontaktareal og dermed svake adhesjonskrefter, noe som sikrer at de flyttbare bjelkene kan returnere til utgangspunktet når den elektrostatiske kraften opphører å virke.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Flyttbare optiske mikroreflektorer anvendt til spektral filtrering er tidligere beskrevet i blant annet internasjonal patentsøknad nr WO 2004/059365, som omhandler konfigurerbare diffraktive optiske elementer bestående av rekker av flyttbare diffraktive mikroreflektorer som går under betegnelsen diffraktive sub-elementer. Reflektorene eller sub-elementene har laterale dimensjoner vesentlig større enn forflytningen, og kan ha form som rektangler (Figur PIA) eller sektorer av konsentriske ringer (Figur P1B). Lys reflektert fra de forskjellige sub-elementene vil interferere, slik at man kan filtrere ut lys med en bestemt spektral sammensetning, og ved å justere elementenes posisjon, vertikalt eller lateralt, kan man fortløpende endre filterets egenskaper.

Et spesialtilfelle av de nevnte konfigurerbare diffraktive elementene kan utgjøres av en

rekke der annenhver reflektor kan flyttes synkront og innta to ulike posisjoner, mens de andre reflektorene er faste. Dette gir et optisk filter som kan veksle mellom to tilstander: Et enkelt båndpassfilter, og et dobbelt båndpassfilter der båndene ligger på hver sin side av det enkle filteret. Et slikt vekslende filter er svært velegnet til anvendelser innenfor

spektroskopi, og spesielt til infrarød gassmåling. Et praktisk utførelse av filteret som et mikro-opto-elektromekanisk system (MOEMS) må tilfredsstille visse krav i en praktisk utførelse. De flyttbare reflektorenes posisjoner må være atskilt av en avstand på en kvart bølgelengde i en retning perpendikulært på de optiske flatene. Bølgelengden er i det infrarøde området, slik at forflytningen er av størrelsesorden 1 mikrometer. Reflektorene må ligge i samme plan. Forflytningen skal skje synkront og kunne repeteres, særlig med en frekvens i kilohertz-området, og med milliarder til billioner av sykler innenfor komponentens levetid. Mellom de flyttbare reflektorene skal det være faste reflektorer som i form og størrelse er tilnærmet like de flyttbare. Reflektorene gis diffraktive egenskaper ved at de preges med et relieffmønster der dybden av dette mønsteret er av samme størrelsesorden som bølgelengden. Et totalt areal på flere kvadratmillimeter bør kunne dekkes av reflektorer med synkron forflytning.

Det optiske prinsippet for det vekslende filteret beskrevet over anses som kjent teknikk, og en konkret mikromekanisk utforming er tidligere publisert i en artikkel av Håkon Sagberg et al "Two-state Optical Filter Based on Micromechanical Diffractive Elements" presented at IEEE/ LEOS International Conference On Optical MEMS and Their Applications in August 2007 (OMEMS2007). Figur P2 viser en utforming i henhold til kjent teknikk, med utgangspunkt i en kommersielt tilgjengelig silsiumskive, bestående av et substrat og et strukturlag som er sammenføyd med et tynt sjikt av silisiumdioksid. Etter at de diffraktive optiske flatene er formet på toppen av strukturlaget, deles dette opp i to sett med bjelker ved hjelp av en etseteknikk. Deretter gjøres annenhver bjelke flyttbar ved å etse bort oksidsjiktet i utvalgte områder. Dette er en enkel prosess, men har tre vesentlige ulemper. For det første må de flyttbare bjelkene gjennomhulles for at gassen eller væsken som brukes til etsing av oksidlaget skal komme ned til dette. For det andre vil overflater med ulikt elektrisk potensial komme i kontakt når bjelkene trekkes inntil substratet, og den elektriske strømmen som går mellom flatene kan gi et stort spenningsfall, eller gjøre at bjelken sveises sammen med substratet ved hjelp av den elektriske strømmen mellom dem. For det tredje blir kontaktarealet mellom bjelkene og substratet stort og uforutsigbart, noe som kan føre til stiksjon. Stiksjon er når adhesjonskreftene mellom to flater blir så store at de tilgjengelige opprettende kreftene ikke klarer å trekke flatene fra hverandre, og det oppstår vedvarende uønsket adhesjon. I dette tilfellet kommer de opprettende kreftene fra elastiske broer i silisium.

For å redusere adhesjonskrefter og unngå stiksjon finnes det flere kjente teknikker, anvendt på ulike typer elektromekaniske systemer. Spesielt viktig er bruk av avstandsklosser, på engelsk omtalt som "landing pads", "stops", "bumps" eller "dimples". Disse skal som regel fylle to funksjoner: Definere en nøyaktig avstand som endestopp for en bevegelse, og å hindre stiksjon ved å unngå at store arealer kommer i kontakt. Se for eksempel US 2001/0055831, US6437965, US6528887 og EP1296171. Andre viktige teknikker er:

- å unngå at flater med ulikt elektrisk potensial kommer i kontakt,

- å unngå at det oppstår parasittisk oppladning av dielektriske materialer

- å behandle overflatene kjemisk eller mekanisk for å introdusere ruhet og redusere kontaktarealet, og - å behandle overflatene kjemisk for å øke deres vannavstøtende egenskaper - å pakke det elektromekaniske systemet hermetisk for å unngå fuktighet, slik at overflatenes vannavstøtende egenskaper blir mindre viktig.

Ovennevnte EP1296171 omtaler bruk av avstandstykker, men disse produseres i et separat prosesstrinn, noe som øker kompleksiteten i produksjonen, og dermed også kostnadene.

De eksisterende løsningene er i stor grad tilpasset de spesielle behov til det enkelte mikromekaniske systemet, og det finnes ingen standard metode. Noen vanlige forekommende problemer med eksisterende løsninger er at: fremstillingsmetoden kan bli svært komplisert når man må bruke avstandsklosser, avstandsklossenes form kan komme til å prege overliggende optiske overflater (spesielt ved bruk av såkalt overflatemikromaskinering med deponerte strukturlag),

kjemisk behandlede vannavstøtende flater kan endre egenskaper over tid, og en eventuell generering av overflateruhet kan komme til å skade andre kritiske flater i systemet enn de flatene som skal få redusert kontaktareal.

Et eksempel på et MEMS som er svært vellykket, men også svært komplisert, er DMD speilmatrisene som produseres av Texas Instruments og som er beskrevet blant annet i US7411717 og mer spesifikt i forhold til problemer relatert til stiksjon i US2009/0170324.1 fremstillingen av dette produktet benyttes nesten alle teknikkene som er nevnt over.

Problemet med å produsere avstandsklosser og samtidig unngå ruhet på overflater som senere skal sammenføyes eller lamineres er behandlet blant annet i US2009/0170312. Ulempen med løsningen som her presenteres er at overflaten på avstandsklossene også blir glatt.

Mange av eksemplene på kjent teknikk med avstandsklosser benytter et såkalt offerlag. Under fremstillingen av mikrosystemet ligger offerlaget mellom det som skal bli bevegelige mikrostrukturer og fikserer disse. Offerlaget består ofte av silisiumdioksid, men kan også være et annet materiale, for eksempel en polymer. Offerlaget fjernes mot slutten av prosesseringen, ved bruk av etsing. En utfordring ved fjerning av oksidlaget kan være å få etseprosessen til å være selektiv nok, det vil si at den bare fjerner offerlaget og ikke annet materiale. Ytterlige to utfordringer oppstår dersom en etsende væske må brukes: Å få væsken til å trenge inn i mikrokaviteter, og å få tørket kavitetene etter etsing.

US6528887 presenterer en middels kompleks fremgangsmåte for å lage avstandsklosser på undersiden av et strukturlag. I innledningen til det nevnte patentet (2-8) hevdes at det generelt ikke er mulig å prosessere undersiden av et MEMS-strukturlag for å danne avstandsklosser før dette lamineres med et substrat. Videre vises hvordan avstandsklossene kan dannes ved prosessering fra oversiden av strukturlaget, sammen med bruk av et offerlag mellom substratet og strukturlaget (en ofte anvendt teknikk).

I beskrivelsen som følger vises at det faktisk er mulig, på en praktisk gjennomførbar og forholdsvis enkel måte, å danne avstandsklosser ved å prosessere oversiden av substratet og/eller undersiden av strukturlaget før sammenføying/laminering, på en slik måte at man oppnår både gode lamineringsegenskaper og gode, stiksjonsfrie avstandsklosser. Løsningen som presenteres er særlig godt egnet for å danne rekker av vekselvis faste og flyttbare strukturer. Disse formålene er oppnådd med en løsning som angitt i de selvstendige kravene.

Oppfinnelsen er beskrevet nedenfor med henvisning til de øvrige figurene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler, der

Fig. Pl-P2 illustrerer den kjente teknikk.

Fig. 1 A,B illustrerer et tverrsnitt av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 2 illustrerer en alternativ utførelse.

Fig. 3 illustrerer en utførelsen av oppfinnelsen sett ovenfra.

Fig. 4 illustrerer en detalj ved oppfinnelsen illustrert i fig. 1.

Fig. 5A-H illustrerer en produksjonsmetode for produksjon av utførelsen illustrert i

fig. 1.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen består i en ny metode for å fremstille et mikroelektromekanisk system som fungerer som et vekslende optisk filter som beskrevet i ovennevnte artikkel på OMEMS2007. Sentralt i den nye metoden er bruken av et substrat og et tynnere materialsjikt, gjerne med en tykkelse i størrelsesorden 5-50nm, begge fortrinnsvis av silisium, som prepareres på en slik måte at når de sammenføyes vil noen områder få maksimal adhesjon, og andre områder minimal adhesjon. I områdene med minimal adhesjon brukes avstandsklosser for å redusere adhesjonskrefter og unngå stiksjon.

De faste og flyttbare optiske mikroreflektorene (101) nevnt innledningsvis utgjøres av oversidene av faste (102) og flyttbare elementer eller bjelker (103) som skjæres/maskineres/etses ut av et materialsjikt. Bjelkene er illustrert som rette, men kan også ha andre former slik som vist i ovennente WO-publikasjon. De faste bjelkene er permanent forbundet til et substrat (105) via et tynt dielektrisk sjikt (106), mens de flyttbare bjelkene er spent ut over etsede fordypninger (107) i substratet. Dermed kan de trekkes ned mot substratet av en elektrostatisk kraft inntil de stoppes av avstandsklosser

(108), som kan være på bunnen av fordypningene eller på undersiden av bjelkene (som vist i Figur 2). Avstandsklossene er utformet for å gi et lite kontaktareal og dermed svake adhesjonskrefter, noe som sikrer at de flyttbare bjelkene kan returnere til utgangspunktet når den elektrostatiske kraften opphører å virke.

Kraften som får bjelkene til å returnere til utgangspunktet er i en utførelse av oppfinnelsen (vist i Figur 3) generert ved at de flyttbare bjelkene (303) er koblet sammen til en felles (flyttbar) ramme (304), og denne rammen er forbundet til et fast, ytre område (302) gjennom smale, elastiske broer (fjærer) (305). Disse fjærene vil bøyes når rammen beveges og således gi opphav til en opprettende kraft som prøver å bringe rammen tilbake til utgangspunktet. For å bevege rammen med de optiske flatene den ønskede avstanden vekk fra utgangsstillingen benyttes et elektrostatisk felt som skapes ved å sette på en spenning mellom substratet og strukturlaget og dermed i hvert fall de bevegelige bjelkene. Dersom spenningen er tilstrekkelig høy vil rammen trekkes helt inntil avstandsklossene som ligger i fordypningene i substratet, som vist i Figur IB.

Oppfinnelsen gir en enkel og robust løsning på den mekaniske utfordringen som ligger i forflytningen av de optiske flatene. Kombinasjonen av prosesstrinn, som beskrives i detalj under, sørger for at: 1) Den ønskede forflytningsavstanden kan fritt bestemmes, gjennom dybden av de etsede fordypningene,

2) Kontaktarealet reduseres på nano-skala, ved at etsingen skaper en ru overflate,

3) Kontaktarealet reduseres på mikro-skala ved at avstandsklossenes utstrekning gjøres minimal, 4) God permanent adhesjon til de faste bjelkene sikres, blant annet ved beskyttelse av utvalgte polerte overflater under etsing, 5) Avstandsklossenes form, tykkelse og plassering fritt kan bestemmes uten at de optiske flatene påvirkes. 6) De optiske flatene ligger på overflaten av tykke bjelker som er tilnærmet frie for indre mekaniske spenninger 7) Mikrosystemet kan ferdigstilles uten kompliserende fjerning av et "offerlag", slik som ofte er tilfelle i kjent teknikk, for eksempel som vist i Figur P2.

Figur 4 viser i større detalj forskjellen på substratets (401) overflate under en fast (402) og flyttbar (403) bjelke. Substratet har i utgangspunktet en glatt (polert) flate (404) som vist under det dielektriske sjiktet (405). Etsing av fordypningene vil gi en ruere overflate (406), og denne ruheten blir for en stor grad bevart etter pålegging av det dielektriske sjiktet som skal bli til avstandsklosser (407). Det kan være en stor fordel at avstandsklossene har ru overflate for å ytterligere redusere kontaktarealet og adhesjonskreftene. Det totale kontaktarealet mellom avstandsstykkene bør følgelig være så lite som mulig, fortrinnsvis mindre enn 1%, men de må også være tilstrekkelig store til at de ikke gir for mye etter når bjelkene legges an mot dem og ha en fordeling langs bjelken som hindrer bøyning av denne.

Det dielektriske sjiktet som ligger på substratet utenfor fordypningene, vil ha en mye glattere overflate enn avstandsklossene, ettersom det er dannet oppå en polert overflate. Her er det ønskelig med stor adhesjonskraft/energi for å oppnå en god sammenføyning med de statiske delene av strukturlaget.

Selv om det samme dielektriske sjikt kan danne både sammenføyningssjikt og avstandsklosser, kan den forutgående etseprosessen gi overflaten av sjiktet ulike egenskaper i de to områdene.

I en foretrukket utførelse (Figur 5A-H) består oppfinnelsen i en metode der man begynner med et substrat (105) som har polert overside (Figur 5A). I substratet etses fordypninger (107) med en dybde som tilsvarer bjelkenes forflytningsavstand (Figur 5B), f.eks 830nm hvis lys med bølgelengde omkring 3,3(im skal måles, for eksempel ved måling av metan eller andre hydrokarboner, men tilpasset ca Va av bølgelengden på lyset elementet skal brukes på. Etseprosessen kan være en reaktiv-ione-ets, med en blanding av SF6og C4F8, og med kalibrering av etsetid kan man oppnå en dybdenøyaktighet i størrelsesorden ± 5%. Deretter pålegges eller gros et dielektrisk sjikt

(501), for eksempel termisk grodd silisiumdioksid, som deretter etses vekk i noen områder for å danne avstandsklossene (108) (Figur 5C-D). Figur 5E viser hvordan strukturlaget (502) sammenføyes med substratet(105) ved hjelp av en skivelamineirngsteknikk (for eksempel fusjonsbonding/"fusion bonding") og en håndteringsskive (503) som slipes eller etses bort (Figur 5F). Når strukturlaget føyes sammen med substratet, vil det oppstå svært god adhesjon i de områdene uten fordypninger, blant annet på grunn av at overflaten er svært glatt etter poleringen, også etter deponering/vekst av det dielektriske sjiktet.

De optiske flatene (101) preges, for eksempel ved hjelp av reaktiv-ione-etsing, med et diffraktivt relieffmønster (Figur 5G) før strukturlaget gjennomskjæres og det oppstår smale gjennomgående grøfter (104) som skiller de faste og flyttbare bjelkene (Figur 5H). Gjennomskjæringen gjøres på en slik måte at det noen steder finnes smale forbindelser (broer) fra de flyttbare segmentene til faste segmenter, slik som vist i Figur 3. Den foretrukne måten å utføre denne gjennomskjæringen er en reaktiv-ioneetsing som er kjent som "Bosch-prosessen".

I en alternativ løsning blir prosesstrinnene vist i Figur 5C og 5D utført på undersiden av strukturlaget, slik at substratet før sammenføyningen er uten et dielektrisk sjikt, og avstandsklossene sitter under de flyttbare bjelkene. I andre alternative løsninger kan de etsede fordypningene, eller både fordypninger og avstandsklosser, være på undersiden av strukturlaget. En ulempe med de nevnte alternative løsningene er at strukturlaget må opplinjeres nøyaktig mot substratet.

Strukturlagets overflate dekkes til slutt med et tynt metallsjikt (metallfilm) for at lyset skal reflekteres. Dette sjiktet må være svært tynt og/eller ha lav indre mekanisk spenning for at de optiske flatene skal være tilstrekkelig plane. Et tykt sjikt med høy indre mekanisk spenning vil gjøre at strukturlaget krummes. Den termiske utvidelseskoeffisienten til metallsjiktet bør heller ikke være for ulikt koeffisienten for strukturlaget. En mulig løsning er å bruke to filmer (f. eks. Al og Si02) for å oppnå stressbalanse og ikke minst termisk kompensasjon (balansert utvidelse).

Både substratet og strukturlaget er på forhånd gitt en ønsket elektrisk ledningsevne ved hjelp av doping. Når en elektrisk spenning settes på mellom substratet og strukturlaget, vil det oppstå en elektrostatisk kraft som trekker de flyttbare segmentene av strukturlaget ned mot substratet. I utformingen vist i Figur 3 vil det elektriske potensialet på de isolerte faste bjelkene (301) være udefinert (flytende), såfremt det ikke lages en forbindelse, for eksempel med gjennometsing ned til substratet og deponering av et ledende materiale. Så lenge gapet mellom bjelkene er tilstrekkelig stort, og bjelkene er vesentlig bredere enn de er tykke, vil det udefinerte elektriske potensialet ikke påvirke bevegelsen til de flyttbare bjelkene. Når undersiden av de flyttbare segmentene møter oversiden av de dielektriske avstandsklossene, vil forflytningen stoppe. Samtidig med forflytningen skjer en elastisk deformasjon av broforbindelser fira strukturlagets flyttbare til faste områder, slik at når den elektriske potensialforskj ellen tas bort, vil den opprettende kraften fra den elastiske deformasjonen få de flyttbare segmentene til å returnere til utgangspunktet. Imidlertid er det en betingelse for at dette skal skje: Adhesjonskreftene mellom avstandsklossene og silisiumsegmentene må være svakere enn de opprettende kreftene fra bjelkene/broene/fjærene. Oppfinnelsen sørger for at dette er tilfelle ved, gjennom de beskrevne etseprosessene på substratet og dielektrikumet, å minimere kontaktarealet på både nanoskala (ruhet) og mikroskala (avgrensing av avstandsklosser). Det samme materialet (silisiumoksid) vil ha helt ulik adhesjon til silisium, avhengig av de etseprosessene som er utført, og dermed fungere både som sammenføyningssjikt og avstandsklosser.

I tillegg til å minimere kontaktarealet, er det også en annen grunn til at avstandsklossene bør dekke et begrenset areal: Parasittisk oppladning av dielektriske materialer kan føre til uønskede elektrostatiske adhesjonskrefter. Dette er blant annet beskrevet i en artikkel av Wibbeler et al."parasitic charging of dielectric surfaces in capacitive microelectromachanical systems (MEMS)" published in Sensors and Activators A 71

(1998) ,page 74-80.

Plassering av avstandsklossene kan gjøres nesten vilkårlig, og i en foretrukket løsning er de plassert slik at de flyttbare rammene løftes vekk fra et lite antall klosser av gangen, slik som prinsippet er for en borrelås. Selv om adhesjonsenergien er stor, kan adhesjonskraften gjøres liten ved at den virker på et lite område av gangen. Oppfinnelsen gir en løsning der avstandsklossenes tykkelse og plassering ikke påvirker strukturlaget og de optiske flatenes egenskaper, noe som gjør at plasseringen kan gjøres nesten utelukkende med hensyn til stiksjonsegenskaper og bjelkenes deformasjon når de er i flyttet tilstand. Tykkelsen på det dielektriske sjiktet som danner både avstandsklosser og sammenføyningssjikt (mellom substrat og strukturlag) er en fri parameter som kan brukes til å justere den elektriske feltstyrken i luftgapet.

I utformingen vist i Figur 3 består overflaten av strukturlaget av fem forskjellige typer område: Statisk, passivt område; flyttbart passivt område; statisk aktivt område; flyttbart aktivt område; samt fjærbjelker (overgang mellom statisk og bevegelig område). Forskjellen på passive og aktive områder er at sistnevnte har en periodisk eller nesten-periodisk relieffstruktur som bøyer av lyset i ønsket retning.

De vedlagte figurene illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler, og størrelsesforholdene og dimensjonene i tegningene er kun valgt av illustrasjonshensyn og kan avvike fra realiserte utførelser. Figur Pl (teknikkens stand) viser prinsippet med optisk filtrering ved hjelp av flyttbare optiske flateelementer. Figur P2 (teknikkens stand) viser en eksisterende metode for å lage en rekke med flyttbare optiske flateelementer. En foretrukket utførelse av oppfinnelsen er vist i Figur IA (initialtilstand, tilstand A) og Figur IB (forflyttet tilstand, tilstand B). De optiske flatene (101) befinner seg på toppen av faste (102) og flyttbare (103) bjelker, der bjelkene er fremstilt av det samme materialsjiktet/strukturlaget (dopet silisium) ved gjennomskjæring (104) (med reaktiv ione-etsing). De faste bjelkene er permanent forbundet til et substrat (105) (av silisium) via et dielektrisk sjikt (106) (silisiumdioksid). Under de flyttbare bjelkene er det fordypninger (107) i substratet, og på bunnen av fordypningene ligger det spredte områder med et dielektrisk sjikt, i form av avstandsklosser (108). Figur IB viser hvordan rekken av bjelker ser ut i forflyttet tilstand. De flyttbare bjelkene trekkes nedover mot substratet av en elektrostatisk kraft inntil de stopper på avstandsklossene (108) I en foretrukket utforming er sammenføyningssjiktet (106) og avstandsklossene (108) dannet av det samme sjiktet og er jevntykke. Tykkelsen på avstandsklossene vil dermed ikke påvirke forflytningsavstanden, som bare er definert av fordypningene i substratet. Riktig forflytningsavstand kan oppnås ved at fordypningene etses med nøyaktig tidtaking og en kalibrert etseprosess. Figur 2 viser en alternativ utførelse der avstandsklossene (201) sitter fast på undersiden av de flyttbare bjelkene (202). Figur 3 viser en mulig utforming av rekken av bjelker, sett ovenfra. Et vilkårlig antall N (her: N = 4) faste bjelker (301) er fast forbundet til substratet via et dielektrisk sjikt. I tillegg er også et ytre område (302) forbundet til substratet. Et antall N +1 (her: N + 1 = 5) flyttbare bjelker (303) er koblet sammen til en felles (flyttbar) ramme (304), og denne rammen er forbundet til det faste, ytre området (302) gjennom smale, elastiske broer (fjærer) (305). Disse fjærene vil bøyes når rammen beveges og således gi opphav til en opprettende kraft som prøver å bringe rammen tilbake til utgangspunktet. For å bevege rammen med de optiske flatene den ønskede avstanden vekk fira utgangsstillingen benyttes et elektrostatisk felt som skapes ved å sette på en spenning mellom substratet og strukturlaget. Figur 4 viser i større detalj forskjellen på substratets (401) overflate under en fast (402) og flyttbar (403) bjelke. Substratet har i utgangspunktet en glatt (polert) flate (404) som vist under det dielektriske sjiktet (405). Etsing av fordypningene vil gi en ruere overflate (406), og denne ruheten blir for en stor grad bevart etter pålegging av det dielektriske sjiktet som skal bli til avstandsklosser (407). Figur 5 viser en foretrukket utførelse der man begynner med et substrat (105) som har polert overside (Figur 5A). I substratet etses fordypninger (107) med en dybde som tilsvarer bjelkenes forflytningsavstand (Figur 5B). Deretter pålegges eller gros et dielektrisk sjikt (501) som deretter etses vekk i noen områder for å danne

avstandsklossene (108) (Figur 5C-D). Figur 5E viser hvordan strukturlaget (502) sammenføyes med substratet(105) ved hjelp av en håndterings skive (503) som slipes eller etses bort (Figur 5F) slik at man for eksempel får en tykkelse på 15jim. Den ønskede tykkelsen kan oppnås som vist på figuren ved å bruke en såkalt SOI-skive, som er et laminat med et begravd oksidsjikt, der tykkelsen på strukturlaget (502) er forholdsvis nøyaktig spesifisert. Slipingen og etsingen av SOI-skiven kan stoppes på oksidsjiktet. Et annet alternativ er å bruke en homogen skive i stedet for laminatet 502/503/504. Da må slipingen/etsingen kontrolleres ved måling av det gjenværende sjiktet, og overflaten på strukturlaget må poleres til slutt.) Etterpå blir de optiske flatene

(101) preget med et diffraktivt relieffmønster (Figur 5G) før strukturlaget gjennomskjæres og det oppstår smale gjennomgående grøfter (104) som skiller de faste og flyttbare bjelkene (Figur 5H).

For å sammenfatte oppfinnelsen angår den et mikromekanisk system og en

fremgangsmåte for å konstruere et mikroelektromekanisk system bestående av en rekke av vekselvis faste og flyttbare (diffraktive) optiske reflektorer, der reflektorene utgjøres av oversidene av faste og flyttbare bjelker som er dannet av ett og samme materialsjikt, og der de nevnte bjelkene er direkte eller indirekte forbundet til et substrat, og der forbindelsen mellom materialsjikt og substrat dannes etter at undersiden av materialsjiktet eller oversiden av substratet til sammen er behandlet med en etsing av fordypninger i utvalgte områder, en pålegging av et tynt dielektrisk sjikt, og en etsing av nevnte sjikt i utvalgte områder, med hensikt å oppnå sterk og permanent adhesjon mellom substratet og de faste bjelkene og svak adhesjon mellom substratet og undersiden av de flyttbare bjelkene.

Fortrinnsvis består substratet og materialsjiktet av silisium, men andre materialer kan også benyttes avhengig av produksjonsmetodene og anvendelsene.

De optiske reflektorene har fortrinnvis et diffraktivt relieffmønster/syntetisk hologram, for eksempel lineært eller buede, men rent reflekterende flater kan også tenkes. Forbindelsen mellom substrat og materialsjikt skapes fortrinnsvis ved hjelp av fusjonsbonding ("fusion bonding"), og det dielektriske laget kan deponeres eller gros på det nevnte substratet og/eller på materialskiktet. Tilsvarende kan fordypningene enten etses i subtratet og/eller i materialskiktet, for eksempel med reaktive ioner.

I en realisert utførelse kan antallet bjelker pr. ramme være mellom 2 og 20, og skillet mellom flyttbare og faste deler av materialsjiktet skapes ved en dyp reaktiv-ione-ets. Lateral utstrekning på avstandsklosser 0,5-5 um og tykkelsen på avstandsklossene 100 nm - 2 fim.

Hver ramme kan ha fire fjærer, som kan gi et symmetrisk oppheng slik at den løftes fira eller senkes mot avstandsstykkene likt, eller opphenget kan være asymmetrisk slik at en side av rammen kommer lettere opp enn den andre.

Som nevnt over oppnås bevegelsen mellom de bevegelige reflekterende bjelkene/elementene og det underliggende substratet ved å påtrykke en spenning mellom dem. De ikke-bevegelige bjelkene kan holdes på en flytende spenning eller gis en konkret spenning avhengig av hvordan dette vil påvirke bevegelsen til de bevegelige bjelkene.

Figurene illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler, og størrelsesforholdene og dimensjonene i tegningene er kun valgt av illustrasjonshensyn og kan avvike fra realiserte utførelser.

Claims (10)

1. Mikromekanisk enhet omfattende et første strukturlag (502) og et andre substratlag (105,401) i det minste delvis fastet til hverandre, der strukturlaget omfatter et antall reflekterende elementer fordelt mellom et antall bevegelige og festede reflekterende elementer (102,402;103,403), der de festede elementene (102,402) er forbundet med substratet via et dielektrisk lag (106,405), og der en kavitet (107) er definert mellom substratet (105,401) og hvert bevegelige element (103,403) er innrettet til å gi en fjærbelastet bevegelse inn i kaviteten (107), karakterisert vedat et antall dielektriske avstandstykker (108,407) er plassert i kavitetene mellom hvert bevegelige element (103,403) og substratet (105,401) for derved å unngå elektrisk kontakt mellom dem, der avstandstykkene (108,407) er laget i det samme materialet som det dielektriske laget (106,405).

2. Enhet ifølge krav 1, der de bevegelige elementene (103,403) og substratet (105,401) er koblet til en spenningskilde for å påtrykke en spenning mellom de bevegelige elementene og substratet for å gi en elektrostatisk kraft mellom dem og derved bevege elementet i forhold til substratet.

3. Enhet ifølge krav 1, der et dielektrisk lag (106,405) skiller alle elementene (102,402; 103,403) fra substratet (105,401), der det dielektriske laget har en jevn tykkelse og der det mellom de bevegelige elementene (103,403) og substratet (105,401) utgjør avstandstykkene (108,407).

4. Enhet ifølge krav 1, der avstandstykkene (108,407) har en kontaktflate mot de bevegelige elementene (103,403) som utgjør fortrinnsvis mindre enn 1% del av elementenes totale areal,

5. Enhet ifølge krav 1, der enheten er et optisk filter og der dybden på kavitetene (107) er i størrelsesorden lA av bølgelengden til lyset i det aktuelle området.

6. Fremgangsmåte for å produsere en enhet ifølge krav 1, med et antall bevegelige bjelker (103) med forutbestemt form bestående av følgende trinn: a) i en substratskive (105) av et valgt materiale dannelse av et antall fordypninger (107) med en valgt dybde i en overflate på substratskiven, der fordypningene (107) gir et mønster i substratets overflate tilsvarende plassering og form på de bevegelige bjelkene (103), b) deponering av et dielektrisk lag (501) på overflaten av substratskiven (105) med fordypningene (107), c) fjerning av en vesentlig del av nevnte dielektriske lag (501) i fordypningene (107) for derved å tilveiebringe et mønster som definerer avstandstykker (108) i forutbestemte posisjoner, d) festing av et øvre strukturlag (502) på nevnte dielektriske laget (106), e) deling av det øvre strukturlaget (502) for å danne bevegelige elementer (103) i nevnte mønster.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, der trinn c) omfatter etsing av det dielektriske (106) laget i fordypningene for å danne separate avstandstykker (108) med en høyde som tilsvarer tykkelsen på det dielektriske laget og innrettet til å ha en kontaktflate mot de bevegelige bjelkene (103) som utgjør en vesentlig mindre del enn bjelkens areal.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, der trinn d) innbefatter en såkalt fusion bonding process.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6 der det øvre strukturlaget (502) forsynes med en reflekterende overflate.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 6, der det øvre strukturlaget (502) forsynes med et diffraktivt relieffmønster (101).