DE29520171U1 - Mikromechanisches Array insbesondere mikromechanisches Spiegelarray - Google Patents
Mikromechanisches Array insbesondere mikromechanisches SpiegelarrayInfo
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Array insbesondere mikromechanisches Spiegelarray.
Aus der Literatur sind eine Vielzahl von mikromechanischen Aktoren bekannt, die mit Hilfe einer Spiegelanordnung eine
definierte Ablenkung von Lichtstrahlen zum Ziel haben. Im Journal Sensors and Actuators, Vol. A 41 complete (1994),
S. 324-329, „Lineaddressable torsional micromirrors for light
modulator arrays" wird die Präparation eines Spiegelarrays beschrieben. Zur Erzielung des Grundabstandes zwischen Spiegelunterkanten
und Elektroden wird nach der Herstellung der Elektroden eine Opferschicht aus Siliziumdioxid aufgebracht. Um
die Federn, die die Auslenkung des Spiegels ermöglichen, mechanisch auf dem Substrat zu fixieren, werden Fenster in die
Opferschicht geätzt. Bei der nachfolgenden Abscheidung von Polysilizium entsteht somit eine Schicht, die teilweise direkt
mit dem Substrat verbunden ist. Die Spiegel entstehen dann in den Bereichen der Polysiliziumschicht, die mit der Opferschicht
unterlegt sind. Anschließend wird eine Aluminiumschicht als Reflektor aufgebracht. Mit dem naßchemischen Ätzen der Opferschicht
wird der Fertigungsprozeß beendet. Eine flächendeckende Anordnung von Spiegeln wird nicht erreicht.
Die beschriebene Oberflächentechnik verwendet eine Polysiliziumschicht
für die Aktoren.
Im Journal Solid State Technology, July 1994, S. 63-68, „Digital micromirror array for projection TV" wird eine
Entwicklung der Firma Texas Instruments Inc. vorgestellt. Das Array wurde speziell für TV-Anwendungen konzipiert und besteht
aus einer Matrix von 768x576 Einzelspiegeln. Der Grundabstand
zwischen den Spiegeln und den Elektroden wird hierbei durch eine organische Opferschicht realisiert. Diese wird aufgeschleudert
und planarisiert damit Unebenheiten, die durch darunter liegende Strukturen (Elektroden) hervorgerufen werden.
Die Spiegel sowie die Federn werden aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Um die Federn gegenüber dem Substrat
abzustützen, sind spezielle Stützpfosten vorgesehen. Sie entstehen mit Hilfe von kleinen Löchern in der Opferschicht,
welche mit der obengenannten Legierung aufgefüllt werden. Nach dem Vereinzeln der Chips wird die Opferschicht mit einem
Plasmaätzschritt entfernt.
Die beschriebenen Anordnungen erlauben nur zwei Zustände für die Spiegel (Ruhelage bzw. maximale Auslenkung).
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, insbesondere ein mikromechanisches Spiegelarray zu
schaffen, das sich durch eine hohe erzielbare Resonanzfrequenz auszeichnet und gleichzeitig eine große aktive Gesamtfläche
besitzt.
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein mit zwei Schichten unterschiedlicher Ätzcharakteristik
versehener Halbleiterwafer alle Elemente vorzugsweise eines Spiegelarrays einerseits in Form der mechanischen
Bestandteile insbesondere Einzelspiegel· mit integrierten Federn und Stege als Stützelemente und andererseits in Form
elektrischer Anordnungen unter anderem von Elektroden und elektrischen Kontakten enthält, ohne daß ein herkömmlicher Aufbau
aus zusammengefügten Einzelschichten vorhanden ist. Die Oxidschicht unmittelbar auf dem Halbleiterwafer stellt eine
Opferschicht dar. Damit erfordert die Ausbildung der Stege als Stützpfosten keine zusätzlichen technologischen Prozesse, da
diese direkt aus der Oxidschicht durch eine partielle Ätzung gebildet werden. Somit justieren sich die Stege bezüglich der
Spiegellängsachse selbst. Es ergibt sich ein gleiches Oberflächenniveau
der Stege und damit gleichzeitig der Einzelspiegel. Gleichzeitig wird eine Unterbrechung der im Spiegelinnern
verlaufenden Federn vermieden, was ebenfalls zur Verbesserung der Eigenschaften beiträgt.
Die zweite Schicht auf der Oxidschicht ist eine weitere Isolierschicht. Diese dient als Träger für die elektrischen
Anordnungen, so daß mit einer Wendung dieses Halbleiterwafers die Unebenheiten, die bei der Ausbildung der Elektroden herkömmlicher
mikromechanischer Spiegelanordnungen entstehen, gegenstandslos sind.
Die mechanischen Bestandteile werden vorzugsweise aus einkristallinem
Silizium gefertigt, das sich dadurch auszeichnet, daß es frei von Ermüdungserscheinungen ist. Dadurch wird
gegenüber polykristallinen Werkstoffen trotz dynamischen Betriebes eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer der mechanischen
Bestandteile erreicht.
Dieser Aufbau zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß sich die Einzelspiegel analog ansteuern lassen und diese somit beliebige
Bewegungsfunktionen (u.a. Sinus, Sägezahn, Dreieck) um ihre Längsachse ausführen können.
Das mikromechanische Spiegelarray ist besonders für Anwendungen in der Bildwiedergabetechnik mittels Laserstrahl geeignet.
Damit kann ein Laserstrahl durch die Drehbewegung mehrerer
parallel angesteuerter Einzelspiegel ausgelenkt werden. Um die hohen Resonanzfrequenzen zu erreichen, wird das Spiegelarray
mit einer großen optisch wirksamen Fläche aus mehreren parallel angeordneten Einzelspiegeln von geringer Breite und vorwiegend
annähernd gleicher Länge zusammengesetzt. Die charakteristischen Parameter der Anordnung, wie Resonanzfrequenz und
Ablenkwinkel, werden durch die dynamischen und statischen Eigenschaften der vielen kleinen Einzelspiegel bestimmt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen
2 bis 8 angegeben.
Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 7 führt zu einem hermetisch abgedichteten mikromechanischen Spiegelarray und
begünstigt damit den Trennprozeß zur Vereinzelung der mikromechanischen Einzelarrays aus dem Waferverbund. Diese
Maßnahme ermöglicht eine effektive Massenproduktion.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 die Draufsicht eines mikromechanischen Spiegelarrays, Figur 2 einen Einzelspiegel,
Figur 3 die perspektivische Darstellung einer Feder mit angeordnetem
Steg und
Figur 4 einen Querschnitt des mikromechanischen Spiegelarrays.
Figur 4 einen Querschnitt des mikromechanischen Spiegelarrays.
Das mikromechanische Array entsprechend den Darstellungen in den Figuren 1 und 4 besteht im wesentlichen aus einem mit zwei
Schichten versehenen Halbleiterwafer 2, der damit alle Elemente
eines Spiegelarrays einerseits in Form der mechanischen Bestandteile
8 Einzelspiegel 6 mit integrierten Federn 7 entsprechend der Figur 2 und Stege 9 und andererseits in Form der
Elektroden 11, Zuleitungen 12 und elektrischen Kontakte enthält.
Die Oxidschicht 14 als Opferschicht besitzt eine Dicke von 3,3 pm, um eine große Auslenkung der Einzelspiegel 6 zu gewährleisten.
Die Dicke wird durch das Verbinden mit einem Silicon Fusion Bondprozeß (SFB) von zwei Halbleiterwafern erreicht,
die eine Oxidschicht von jeweils 1,65 pm Siliziumdioxid aufweisen.
Anschließend wird einer der beiden Halbleiterwafer in einem KOH-Ätzbad entfernt.
Auf der Oxidschicht 14 befindet sich weiterhin eine Isolierschicht
3 aus Siliziumnitrid von 350 nm Dicke. Diese bildet während der Ätzung der Oxidschicht 14 den Zweck einer Ätzstoppschicht.
Die Isolierschicht 3 weist Fenster 13 und weitere vier Fenster auf, die nicht dargestellt sind. Die nicht dargestellten
Fenster, die sich am Rand des Halbleiterwafers 2 befinden,
dienen der Ausbildung von Justiermarken und die Fenster 13 der Realisierung von Bondpads 4. Auf der Isolierschicht 3 befinden
sich weiterhin Elektroden 11 und Zuleitungen 12 zu den Bondpads 4, die aus einer Molybdän-Silizium-Verbindung bestehen, und
eine Dicke von 300 nm besitzen. Die Molybdän-Silizium-Verbindung wurde mit einer Temperung in eine Silicidphase mit geringem
elektrischen Widerstand überführt.
Als Träger für diesen Halbleiterwafer 2 dient ein weiterer
Halbleiterwafer 17, der wiederum eine Oxidschicht 16 aus Siliziumdioxid aufweist und die 1 pm dick ist. Zwischen dieser
Oxidschicht 16 und den elektrischen Anordnungen 8 befindet sich eine weitere Isolierschicht 15 in Form einer Siliziumdioxidschicht
von 200 nm Dicke. Diese Isolierschicht 15 übernimmt zusammen mit der Oxidschicht 16 des Halbleiterwafer 17 die
Funktion eines Isolators zwischen den Elektroden 11 und dem als Träger dienendem Halbleiterwafer 17. Im Verbund gewährleistet
dieser die mechanische Stabilität des Systems. Durch die Umkehrung des Halbleiterwafer 2 werden die Unebenheiten, die
durch die Struktur der Isolierschicht 3 und die elektrischen Anordnungen 8 entstanden sind, für diese Anordnung gegenstandslos
.
Der Halbleiterwafer 2 stellt alle mechanischen Bestandteile 8
in Form der Einzelspiegel 6 mit den integrierten Federn 7 dar. Der Einzelspiegel 6 selbst ist 50 &mgr;&pgr;\ breit und 4 mm lang. Zur
Erzielung eines hohen Bedeckungsgrades der aktiven Schicht beträgt der Abstand der Einzelspiegel 6 zuein-ander 3 &mgr;&pgr;&igr;. Diese
besitzen weiterhin eine Aluminiumschicht von 100 nm Dicke, die die Reflexionsschicht 10 darstellt.
Die Fenster 13 in der Isolierschicht bilden in Verbindung mit einer aufgesputterten 1 &mgr;&pgr;&igr; dicken Aluminiumschicht die Bondpads
4.
Die durch gezieltes Ätzen aus der Oxidschicht 14 entstandenen Stege 9 befinden sich vorzugsweise mittig an den balkenförmigen
Federn 7 und sind als Stütze zu verstehen, die die Feder 7 im Innern der Einzelspiegel 6 gegenüber der Isolierschicht 3 abstützt
und die erforderliche Auslenkung des Einzelspiegels 6
ermöglicht. Die Anordnung Steg 9 und Feder 7 ist in der Figur dargestellt.
Das mikromechanische Spiegelarray besitzt im Ausführungsbeispiel eine Fläche von 4,5x4 mm2 und besteht aus 84 Einzelspiegeln
6.
Der Justierung von erforderlichen Masken dienen Justiermarken, die durch weitere Fenster an den Rändern des Halbleiterwafers
sichtbar werden und die sich in der Symmetrieachse der vier Fenster der Isolierschicht 3 befinden. Mit Hilfe dieser Maßnahme
kann eine Maske zur Strukturierung der Einzelspiegel 6
ohne mehrfache Anwendung der Zweiseitenlithografie zu den Elektroden
11 justiert werden.
Als Schutz der mechanischen Bestandteile 8 des mikromechanischen Spiegels befindet sich ein Glaswafer 1 auf dem System.
Der Glaswafer 1 ist im Bereich der jeweiligen Chips so abgedünnt, daß keine Berührung mit den Einzelspiegeln &bgr; bei deren
Auslenkung erfolgen kann und der anodische Bondprozeß sich auf den äußeren Rahmen des mikromechanischen Spiegelarrays beschränkt.
Weiterhin besitzt der Glaswafer 1 Sollbruchstellen, so daß nach dem Vereinzeln das Innenteil entfernt werden kann.
Der Glaswafer 1 erfüllt während des Vereinzeins mit einer Diamantsäge eine Schutzfunktion gegenüber dem Kühlwasser.
Claims (8)
1. Mikromechanisches Array insbesondere mikromechanisches Spiegelarray aus mehreren parallel angeordneten Einzelspiegeln,
die elektrostatisch angesteuert werden, gekennzeichnet dadurch, daß ein mit einer Oxidschicht (14) versehener Halbleiterwafer
(2), der vorzugsweise aus einkristallinem Silizium besteht und insbesondere eine Vielzahl mikromechanischer Spiegelarrays aufweist,
selbst pro mikromechanischem Spiegelarray die mechanischen Bestandteile (8) in Form der Einzelspiegel (6) mit
integrierten Federn (7) darstellt, daß die Oxidschicht (14) auf der dem Halbleiterwafer gegenüberliegenden Seite eine Elektroden
(11) und Zuleitungen (12) tragende und zum einen Fenster
(13) zum elektrischen Kontakt zwischen Bondpads (4) und den
Zuleitungen (12) und zum anderen Fenster für Justiermarken enthaltene Isolierschicht (3) aufweist, daß durch gezieltes Unterätzen
der mechanischen Bestandteile (8) aus der Oxidschicht
(14) entstandene Stege (9) vorzugsweise mittig an den Federn (7) zwischen den mechanischen Bestandteilen (8) und der
Isolierschicht (3) angeordnet sind und daß der Halbleiterwafer (2) mit der Oxidschicht (16) eines als Stützelement dienenden
weiteren Halbleiterwafer (17) verbunden ist.
2. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die durch eine partielle Ätzung der Oxidschicht
(14) entstandenen Stege (9) und damit die Sinzelspiegel (6) das gleiche Oberflächenniveau besitzen.
3. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
bestehende Schicht auf den Einzelspiegeln (6) und den Bondpads (4) angeordnet ist.
• J· &psgr; «
4. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Metallschichten aus Gold, Aluminium,
einer Aluminiumlegierung oder einem dielektrischen Schichtstapel aus Titanoxid/Chromoxid auf den Einzelspiegeln (6) und
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf den Kontaktstrukturen angeordnet sind.
5. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Isolierschicht (3) aus Siliziumnitrid
besteht.
6. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden (11), Zuleitungen (12) und
die Fenster (13) zum elektrischen Kontakt zwischen Bondpads (4) und den Zuleitungen aus einer der Verbindungen Molybdän-Silizium,
Wolfram-Silizium, Tantal-Silizium oder Titan-Silizium bestehen.
7. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf der dem Halbleiterwafer (17) gegenüberliegenden
Seite ein Glaswafer (1) angeordnet ist.
8. Mikromechanisches Array nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Glaswafer (1) an dem den Einzelspiegeln
(6) gegenüberliegenden Bereich abgedünnt ist und daß dieser Sollbruchstellen aufweist.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2013174680A2 (en) | 2012-05-22 | 2013-11-28 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Adjustment device and mask inspection device with such an adjustment device |
-
1995
- 1995-12-20 DE DE29520171U patent/DE29520171U1/de not_active Expired - Lifetime
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