EP4554890A1 - Verfahren zur herstellung eines schichtaufbaus für eine mems-vorrichtung und mems-vorrichtung mit einem derartigen schichtaufbau - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines schichtaufbaus für eine mems-vorrichtung und mems-vorrichtung mit einem derartigen schichtaufbau

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EP4554890A1
EP4554890A1 EP23742034.4A EP23742034A EP4554890A1 EP 4554890 A1 EP4554890 A1 EP 4554890A1 EP 23742034 A EP23742034 A EP 23742034A EP 4554890 A1 EP4554890 A1 EP 4554890A1
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EP
European Patent Office
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layer
functional layer
piezoelectric
mirror
ferroelectric
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23742034.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Senger
Stephan Marauska
Ulrich Hofmann
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Oqmented GmbH
Original Assignee
Oqmented GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for producing a layer structure for a MEMS device, a layer structure for a MEMS device and a MEMS device comprising such a layer structure.
  • a generic method for producing a layer structure for a MEMS device, in particular a piezoelectrically driven MEMS device, as well as a generic layer structure for a MEMS device and a generic MEMS device that includes such a layer structure are, for example, from US 2009/ 0185253 Al known.
  • the mechanically effective functional layer (often referred to as device layer) of the layer structure of the MEMS (micro-electro-mechanical system).
  • Micro-Electro-Mechanical System is formed by a supporting, non-piezoelectric layer (e.g. silicon), in which the movable or oscillating components, such as mirror-bearing support elements as well as the holding spring structure, are structured, e.g. by so-called high-rate etching or Deep Reactive Ion Etching or DRIE for short.
  • piezoelectric material is usually applied or deposited onto the supporting functional layer.
  • a layer structure also called MEMS wafer
  • piezoelectric material must be applied to the later mechanically movable structure (e.g. silicon) of the functional layer through additional processing steps in the manufacturing process and then locally for structuring, e.g. using photolithographic masks and etching processes (e.g. with subsequent etching of the areas unprotected by PhotoLac of the photolithographic mask) must be removed again.
  • the layer thicknesses of the ferro-/piezoelectric layers that are applied by deposition are limited (typically to approx. 0.5 to 5 pm), and thus the generation of forces or torques is also limited and the electrical drive voltage to be applied is also limited (Breakthrough field strength typically approx. 1-2 MV/cm).
  • the present disclosure relates to a method for producing a layer structure for a MEMS device, a layer structure produced by the method, and a MEMS device comprising the layer structure, particularly preferably a vacuum-packed MEMS mirror device.
  • the dependent claims relate to some exemplary preferred embodiments.
  • a method for producing a layer structure for a MEMS device in particular a MEMS mirror device or a vacuum-packed MEMS mirror device, is proposed.
  • the method for producing a layer structure for a MEMS device includes, for example, providing an initial substrate, which, for example, comprises at least one functional layer (i.e., for example one or more functional layers), and/or structuring the at least one functional layer of the initial substrate.
  • an initial substrate which, for example, comprises at least one functional layer (i.e., for example one or more functional layers), and/or structuring the at least one functional layer of the initial substrate.
  • the structuring of the at least one functional layer can preferably be carried out to form one or more movable elements of the MEMS device in the at least one functional layer and / or to form a spring structure, which preferably holds the one or more movable elements of the MEMS device, in the at least one functional layer.
  • the at least one functional layer of the starting substrate can comprise ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • a substrate which comprises ferro- and/or piezoelectric material, and in particular comprises at least one functional layer which comprises ferro- and/or piezoelectric material .
  • the starting substrate may preferably comprise one or more ferroelectric and/or piezoelectric layers or one or more functional layers made of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • ferroelectric and/or piezoelectric substrate can form the at least one functional layer in which the movable elements of the MEMS and/or the spring structure holding them can later be formed.
  • the at least one functional layer can preferably both form the mechanically effective layer and at the same time drive and/or detect the oscillating movements as an actuator and/or sensor.
  • “mechanically effective” is to be understood here in particular as meaning that the mechanically effective layer or the at least one mechanically effective functional layer (device layer) of the MEMS layer structure preferably forms the layer that is designed for this purpose in accordance with its structuring or is designed to carry out a one-dimensional or two-dimensional oscillatory movement, or in such a way that one or more structures or bodies which are formed in the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can carry out a one-dimensional or two-dimensional oscillatory movement (e.g.
  • oscillation - / torsion axis or about two preferably transverse or in particular perpendicular to each other oscillation / torsion axes, for example via springs of a spring structure, for example with bending springs, torsion springs and / or meander springs, in particular for example for Lissajous scanning movements or preferably resonant Lissajous scanning movements).
  • the holding and/or spring structure for the movable structures or bodies of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably also be formed in this mechanically effective layer or mechanically effective functional layer.
  • the holding and/or spring structure can comprise springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which can preferably be designed to hold one or more movable structures or bodies of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer, e.g. in such a way that the movable structures or bodies can carry out a respective oscillating rotational movement about the corresponding axis (e.g. torsional vibrations) about one or more respective oscillation and/or torsion axes.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which can preferably be designed to hold one or more movable structures or bodies of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer, e.g. in such a way that the movable structures or bodies can carry out a respective oscillating rotational movement about the corresponding axis (e.g. torsional vibrations) about one or more respective oscillation and/or torsion axes.
  • the formation of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably include the resonance frequency or resonance frequencies of the MEMS, the deflection amplitudes and / or any dynamic deformations (e.g. in a holding and / or formed in the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer Spring structure or the developed structures or bodies, such as a mirror support element with a mirror plate).
  • the starting substrate or the one or more functional layers in the starting substrate can be provided in some exemplary embodiments as a ferroelectric and/or piezoelectric single crystal or polycrystal and thus optimal ferroelectric /piezoelectric properties with optimal ferro-/piezoelectric coefficients are provided, which is not possible in usual deposition processes due to the process fluctuations and growth conditions.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, can consist of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • one or more functional layers of the starting substrate can consist of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, may comprise one or more piezoelectric layers made of ferro- and/or piezoelectric material, in particular one or more functional layers made of ferro- and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or the at least one functional layer of the starting substrate may comprise a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or consist of a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material .
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or at least one functional layer of the starting substrate can comprise a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or consist of a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material.
  • one or more functional layers of the starting substrate may comprise a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or consist of a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material, with one or more further functional layers of the starting substrate include a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or consist of a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate is not a silicon substrate and preferably the starting substrate does not comprise silicon or a functional layer comprising silicon.
  • the ferroelectric and/or piezoelectric material may be aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3), lead zirconate titanate (PZT), niobium-doped PZT (PZT -Nb) and/or quartz.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or at least one functional layer of the starting substrate may comprise an at least partially amorphous ferro- and/or piezoelectric material and/or an at least partially amorphous ferro- and/or piezoelectric material Material consist.
  • the at least partially amorphous (e.g. (partially) amorphous) ferro- and / or piezoelectric material can include, for example, PVDF (polyvinylidene fluoride (CF2-CH2)n) or consist of PVDF.
  • PVDF polyvinylidene fluoride (CF2-CH2)n
  • the starting substrate can be provided such that the starting substrate, for example, has at least one functional layer that comprises or consists of a ferro- and/or piezoelectric single crystal, at least one functional layer that has a ferro- and/or piezoelectric polycrystal comprises or consists of, and/or at least one functional layer which comprises or consists of an at least partially amorphous ferro- and/or piezoelectric material.
  • a layer thickness of the at least one functional layer of the starting substrate, which comprises ferroelectric and/or piezoelectric material may be substantially greater than or equal to 50 pm, in particular substantially greater than or equal to 100 pm, and/or substantially less than or equal to 1 mm.
  • the layer thickness of each functional layer is preferably substantially greater than or equal to 50 pm, particularly preferably substantially greater than or equal to 100 pm, and/or substantially less than or equal to 1 mm
  • the method may further include: applying and/or providing electrically conductive electrode layers on respective opposite sides (e.g. on the front and back) of the at least one functional layer (e.g. already in the starting substrate between adjacent functional layers of the starting substrate, if the starting substrate comprises more than one ferroelectric and/or piezoelectric functional layer), and/or structuring the electrode layers to form structured electrode surfaces on respective opposite sides (e.g. on the front and back) of the at least one functional layer.
  • the at least one functional layer e.g. already in the starting substrate between adjacent functional layers of the starting substrate, if the starting substrate comprises more than one ferroelectric and/or piezoelectric functional layer
  • a mirror of the MEMS device can be formed when structuring one of the electrode layers, particularly preferably when structuring an external electrode layer or when structuring the upper or front electrode layer.
  • a further mirror layer can also be applied to form a mirror of the MEMS device.
  • the mirror layer can comprise or consist of metal, for example aluminum.
  • an electrode and/or mirror layer made of gold, platinum or silver can be used.
  • a mirror layer made of more expensive metal, such as gold, platinum and/or silver can be applied to an electrode layer made of less expensive metal, such as aluminum).
  • a mirror carrier element when structuring the at least one functional layer of the starting substrate, can be formed in the at least one functional layer, wherein particularly preferably a mirror (e.g. the aforementioned mirror) can be arranged and/or formed on the mirror carrier element.
  • a spring structure that holds the mirror support element with mirror can be formed in the at least one functional layer, in particular in some exemplary embodiments preferably in such a way that the mirror support element with mirror, for example, by one or two Axes, particularly preferably oscillating and/or torsion axes, are held so that they can oscillate, for example by bending springs, torsion springs and/or meander springs.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably meander springs, bending springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • the mirror support element with mirror and/or the spring structure is particularly preferably designed for a two-dimensional Lissajous scanning movement or preferably resonant two-dimensional Lissajous scanning movement of the mirror support element with mirror.
  • the conductive electrode layers for electrical contacting can be formed on opposite sides of the at least one functional layer.
  • one of the electrode layers can be guided to the side of the other (first) electrode layer by means of a through-contact in an area, particularly preferably in a central and/or side area, of the at least one functional layer, preferably in this way that the conductive (first and second) electrode layers for electrical contacting can be formed on the same side of the at least one functional layer.
  • At least one second electrode layer of the conductive electrode layers can be guided by means of a through-contact in a region of the at least one functional layer from a second side of the at least one functional layer to a first side of the at least one functional layer, on which a first electrode layer of the conductive electrode layers is arranged .
  • At least the first electrode layer and the second electrode layer can be designed by means of the through-connection of the second electrode layer to provide electrical contacting of the first and second electrode layers on the same first side of the functional layer.
  • the (second) electrode layer lying on a back side of the at least one functional layer can be connected to the front side on which the other (first) electrode layer is placed by means of a through-connection in an area, in particular in a central or side area, of the at least one functional layer is applied, are guided, preferably in such a way that the conductive (first and second) electrode layers for electrical contacting can be formed on the front side of the at least one functional layer, preferably also the Contacting the (second) electrode layer applied to the back of the at least one functional layer can be done on the front.
  • the starting substrate can comprise one (e.g. exactly one) ferroelectric and/or piezoelectric functional layer.
  • the starting substrate can also comprise several ferroelectric and/or piezoelectric functional layers.
  • the starting substrate can comprise two ferroelectric and/or piezoelectric functional layers, particularly preferably with an intermediate (second) electrode layer.
  • Corresponding (first) electrode layers can be arranged above and below (outside).
  • the starting substrate can comprise, for example, three or more ferroelectric and/or piezoelectric functional layers, wherein a respective electrode layer can preferably be arranged between adjacent ferroelectric and/or piezoelectric functional layers, particularly preferably in such a way that one, several or each ferroelectric and/or piezoelectric functional layer can be arranged. or piezoelectric functional layer is arranged between two corresponding (first and second) electrode layers.
  • a layer structure is further proposed, which can preferably be produced in particular by means of the method according to at least one of the above exemplary embodiments.
  • the layer structure may include: at least one structured functional layer, in which one or more movable elements of the MEMS device and/or a spring structure that holds the one or more movable elements of the MEMS device can preferably be formed.
  • the movable element or elements can, in particular in some exemplary embodiments, comprise a mirror support element, on which, for example, a mirror plate and/or mirror layer can be applied, in particular for reflecting electromagnetic radiation, particularly preferably light in the visible and/or infrared range.
  • a mirror support element on which, for example, a mirror plate and/or mirror layer can be applied, in particular for reflecting electromagnetic radiation, particularly preferably light in the visible and/or infrared range.
  • the at least one functional layer may comprise ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • a MEMS device in particular a MEMS mirror device or vacuum-packed MEMS mirror device, comprising a layer structure which is produced by means of the method according to at least one of the above exemplary embodiments, is further proposed.
  • such MEMS devices can be set up for periodic movements or oscillations in the frequency range from approximately 1 Hz to the kHz range, in exemplary embodiments preferably for frequencies substantially less than or equal to 200 kHz and particularly preferably for frequencies in Substantially less than or equal to 100 kHz.
  • FIG. 1A shows an exemplary sectional view of a layer structure for a MEMS device according to a background example
  • FIG. 1B shows an exemplary sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to FIG. 1A
  • FIG. 2 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows an exemplary functional schematic sectional view of a layer structure produced according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows an exemplary functional schematic sectional view of a layer structure according to a further exemplary embodiment
  • 5 shows an exemplary schematic sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to FIG. 3
  • FIG. 6 shows an exemplary schematic sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to FIG. 4,
  • FIG. 7 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of a further exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows an exemplary schematic sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to FIG. 7,
  • FIG. 9 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of a further exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows an exemplary schematic sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to FIG. 9.
  • Figs. 1A and 1B describe a background example that is intended to facilitate understanding of the exemplary embodiments and the advantages described below.
  • the underlying layer structure is not actually publicly known prior art.
  • Figs. 1A and 1B refers to a background example, any described technical details and/or features of the method, the manufacturing sequence, the layer structure and in particular individual steps and/or layers of the layer structure can also correspond to corresponding details and/or features of the exemplary embodiments described below unless a difference is explicitly pointed out.
  • 1A shows an exemplary sectional view of a layer structure for a MEMS device according to a background example.
  • 1B shows an exemplary sectional view of a MEMS device comprising the layer structure according to the background example from FIG. 1A.
  • the layer structure includes, for example, a substrate layer 1, a functional layer 3, which is applied to the substrate layer 1 (for example with a passivation layer 2 in between), a piezoelectric layer 4 (e.g. with a bottom electrode or counter electrode of the top electrode), which (for example with a passivation layer in between). 2b) is applied to the functional layer 3, and an electrode layer 5, which is applied to the piezoelectric layer 4 or to areas of the functional layer 3.
  • a substrate layer 1 for example with a passivation layer 2 in between
  • a piezoelectric layer 4 e.g. with a bottom electrode or counter electrode of the top electrode
  • 2b is applied to the functional layer 3
  • an electrode layer 5 which is applied to the piezoelectric layer 4 or to areas of the functional layer 3.
  • the electrode layer 5 forms, for example, the top electrode of the piezoelectric layer 4 and, for example, forms a mirror 5a in an area (e.g. in the middle area), which is arranged on the functional layer 3.
  • respective passivation layers 2 and/or 2b can be applied to the top and bottom (or front and back) of the substrate layer 1. Furthermore, on the top of the Substrate layer 1 with, for example, an intermediate passivation layer 2 (intermediate layer), the functional layer 3 (often referred to as device layer) can be applied to the substrate layer 1.
  • the substrate layer 1 can, for example, be made of silicon or comprise silicon.
  • the substrate layer 1 can be provided, for example, as a SCS wafer (SCS, “single-crystal silicon”, i.e., for example, as a crystalline bulk silicon substrate).
  • SCS single-crystal silicon
  • the substrate layer can also be provided by means of an SOI wafer (SOI, English: “silicon-on-insulator”), which can already include the substrate layer 1 and, for example, also the functional layer 3 and/or the intermediate layer(s) 2.
  • SOI wafer SOI, English: “silicon-on-insulator”
  • Exemplary SOI wafers may include a handling wafer, which may, for example, consist of a crystalline bulk silicon substrate, for example followed by an intermediate layer (typically a silicon oxide, e.g. 100 - 2000 nm).
  • a handling wafer which may, for example, consist of a crystalline bulk silicon substrate, for example followed by an intermediate layer (typically a silicon oxide, e.g. 100 - 2000 nm).
  • the intermediate layers can also consist of other (e.g. dielectric) layers, such as silicon nitride, silicon oxynitride or aluminum oxide.
  • different intermediate layers can consist of different materials.
  • the functional layer 3 (for example with layer thicknesses of e.g. 5-300 pm) forms the later mechanically effective layer.
  • the functional layer 3 can, for example, be made of silicon or include silicon, and can, for example, also consist of a pure crystalline substrate (e.g. SCS, English: "single-crystal silicon") or by means of epitaxial deposition processes, e.g. also in polycrystalline form, be applied.
  • a piezoelectric layer 4 can be applied to the functional layer 3, for example with a further passivation layer 2b in between.
  • an electrically conductive layer can preferably be provided on the underside of the piezoelectric layer 4, which can be used as a bottom electrode of the piezoelectric layer 4.
  • the piezoelectric layer 4 can preferably comprise piezoelectric material or be formed from piezoelectric material, which preferably has high piezoelectric and/or ferroelectric constants.
  • the piezoelectric layer 4 may comprise aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lead zirconate titanate (PZT) or niobium-doped PZT (PZT-Nb).
  • the piezoelectric layer 4 can also include semi-crystalline polymer materials such as PVDF (polyvinylidene fluoride (CF2-CH2)n).
  • the piezoelectric layer 4, which is applied on or above the functional layer 3, can be structured in the next step or in later process steps, particularly preferably by means of a wet and/or dry etching process.
  • the remaining areas of the piezoelectric layer 4 preferably define the piezoelectric elements and/or drive and/or detection elements (e.g. actuator and/or sensor surfaces) in the later MEMS structure for generating, driving, controlling and/or detecting the movements or vibrations the movably held components or elements of the MEMS.
  • drive and/or detection elements e.g. actuator and/or sensor surfaces
  • an electrode layer 5 can be applied to the piezoelectric layer 4 (which can optionally be structured beforehand).
  • the electrode layer 5, which is applied on or above the piezoelectric layer 4 can be structured.
  • a mirror 5a e.g. a mirror layer with a reflective surface
  • a mirror 5a can be formed in an area, for example in the middle of the layer structure, for example using the material of the electrode layer 5.
  • the electrode layer can comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the electrode layer 5 already has a reflective surface and is suitable for forming the mirror 5a.
  • a top electrode layer deposited over the entire surface for example made of metal, in particular for example aluminum, can be structured wet and/or dry chemically via photolithographic steps, for example by means of spray-coat lithography, via a lift-off process in which the lithography takes place before the Metal deposition takes place, or for example using positive photoresist lithography.
  • the functional layer 3 can be structured in areas 3a.
  • the mechanically effective structures of the MEMS device can be formed in the functional layer.
  • oscillation/torsion axis or about two oscillation/torsion axes which are preferably transverse or in particular perpendicular to one another, for example via springs of the spring structure , for example with bending springs, torsion springs and/or meander springs, in particular for example for Lissajous scanning movements or preferably resonant Lissajous scanning movements).
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • so-called high-rate etching or deep reactive ion etching or DRIE for short is usually used when structuring the functional layer 3 in order to create the deep trenches in the functional layer 3 (e.g. areas 3a).
  • the reactive ion deep etching for structuring the functional layer 3 can be carried out using a photolithography mask.
  • the layer structure can be opened at the back in order to expose the functional layer 3 on the side (back) that is opposite the piezoelectric layer 4.
  • the fabricated layer structure can be provided in a vacuum-packed MEMS device 100 according to FIG. 1B.
  • the layer structure can be constructed from above with a translucent cover element 6 (eg a translucent dome element or a glass dome) and/or from below with a base element or base body element 7 under a vacuum atmosphere be hermetically sealed (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 6 eg a translucent dome element or a glass dome
  • a base element or base body element 7 under a vacuum atmosphere be hermetically sealed (e.g. vacuum encapsulation).
  • differently shaped cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (eg angular or planar, eg also an inclined window or a planar window).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example made of glass or other optically transparent materials (eg approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (eg Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • a vacuum-packed (or vacuum-encapsulated) MEMS mirror device 100 e.g. a MEMS mirror scanner
  • a piezoelectrically driven, deflectable or controllable mirror 5a according to FIG. 1B.
  • FIG. 2 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of an exemplary embodiment.
  • the sequences of the steps can also be different, steps can be omitted and/or additional steps can be added.
  • the at least one functional layer which later forms the mechanically effective layer of the MEMS device, is formed from piezoelectric and/or ferroelectric material, in contrast to the background example above.
  • the mechanically acting functional layer ie in particular the layer or layers that form or form the movable or oscillating elements of the MEMS
  • this ferroelectrically and/or piezoelectrically formed functional layer also being formed also the amplitude and/or frequency of the movements or vibrations in the MEMS as an actuator drives functioning and/or detects functioning as a sensor.
  • the starting substrate which includes the functional layer 3
  • the starting substrate can be provided as a single or multilayer piezoelectric single crystal or polycrystal. This enables improved or optimized piezoelectric properties with optimized piezoelectric coefficients, especially in comparison to previously known methods in which the piezoelectric layer is deposited onto the starting substrate in the process.
  • a substrate layer 10 of a ferro-/piezoelectric material can be provided directly, hereinafter referred to as piezoelectric functional layer 10; see e.g. Fig. 2 (i).
  • the piezoelectric functional layer 10 may be provided as a substrate of a ferro/piezoelectric single crystal or polycrystal. However, the piezoelectric functional layer 10 can also be at least partially amorphous.
  • the layer thickness of the piezoelectric functional layer 10 can be substantially greater than or equal to 50 pm, preferably substantially greater than or equal to 100 pm, for example even substantially greater than or equal to 200 pm.
  • the piezoelectric functional layer 10 can be provided with a layer thickness of substantially greater than or equal to 100 pm and/or substantially less than or equal to 1 mm.
  • the piezoelectric functional layer 10 may comprise ferroelectric and/or piezoelectric material or be formed from ferroelectric and/or piezoelectric material, which preferably has high piezoelectric and/or ferroelectric constants.
  • the piezoelectric functional layer 10 can be aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3), lead zirconate titanate (PZT), niobium-doped PZT (PZT-Nb) and/or quartz or consist of one of the materials mentioned.
  • an electrically conductive layer hereinafter referred to as first electrode layer 11, can be applied to or deposited on one side of the piezoelectric functional layer 10 provided; see e.g. Fig. 2 (ii).
  • the first electrode layer 11 can be structured; see e.g. Fig. 2 (iii).
  • the upper (front) electrode surfaces can be designed for the deflection of the piezoelectric crystal or the piezoelectric functional layer 10.
  • the desired structure of the upper electrode (top electrode) for the upper (front-side) electrical contacting of the piezoelectric functional layer 10 can be formed.
  • one or more mirrors or mirror plates can also be machined out in this step.
  • a mirror 111 e.g. a mirror layer with a surface that reflects electromagnetic radiation
  • a mirror 111 can be formed in areas, for example in the middle, of the layer structure using the material of the electrode layer 11.
  • the first electrode layer 11 can, for example, comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the first electrode layer 11 can preferably already have a reflective surface and/or is suitable for forming the mirror 111.
  • a top electrode layer deposited over the entire surface for example made of metal, in particular for example aluminum, can be structured wet and/or dry chemically via photolithographic steps, for example using spray-coat lithography or alternatively via a lift-off process in which the lithography takes place the metal deposition takes place.
  • the electrode layer can also be applied using a shadow mask deposition.
  • non-reflective electrode layer or, for example, a less well-reflective electrode layer, for example reflection essentially less than or equal to 60% in the relevant wavelength range
  • a non-metallic electrode layer for example doped polycrystalline silicon
  • a further, for example metallic, mirror layer eg as a thin-layer metal film
  • the material of the (front) metallic electrode layer 11 or mirror layer 111 can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application (e.g. essentially greater than or equal to 85% in the relevant Wavelength range), for example aluminum or silver for visible light (e.g. essentially at wavelengths of 400-700nm) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • a further electrically conductive layer hereinafter referred to as second electrode layer 12 (or counterelectrode) can be applied or deposited on one side of the piezoelectric functional layer 10 that lies opposite the first electrode layer 11 (i.e. on the back). ; see e.g. Fig. 2 (iv).
  • the second electrode layer 12 may comprise metal, in particular aluminum, for example.
  • a bottom electrode layer deposited over the entire surface for example made of metal, in particular for example aluminum, can be structured wet and/or dry chemically via photolithographic steps, for example using spray-coat lithography or alternatively via a lift-off process in which the lithography takes place the metal deposition takes place.
  • the electrode layer can also be applied using a shadow mask deposition.
  • non-reflective or non-metallic electrode layer e.g. doped polycrystalline silicon
  • the second electrode layer 12 can be structured; see e.g. Fig. 2 (v).
  • the lower electrode surfaces can be used for the deflection of the piezo crystal or the piezoelectric functional layer 10 can be formed.
  • the desired structure of the underlying electrode eg rear bottom electrode
  • the structured electrode layer 12 can thus be used as a counter electrode or counter electrode surface(s) to the electrodes of the first electrode layer 11, for example for the negative potential.
  • the piezoelectric functional layer 3 can be structured; see e.g. Fig. 2 (vi).
  • the mechanically effective structures of the MEMS device can be formed in the functional layer.
  • oscillation/torsion axis or about two oscillation/torsion axes which are preferably transverse or in particular perpendicular to one another (e.g. via springs of the Spring structure, e.g. with bending springs, torsion springs and/or meander springs), in particular e.g. for Lissajous scanning movements or preferably resonant Lissajous scanning movements).
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • the functional layer 10 can be structured wet or dry chemically using photolithographic steps.
  • the structuring of the functional layer 10 can take place together with the structuring of the second electrode layer 12 or at least with the same mask.
  • the structuring of the functional layer 10 can also take place independently of the structuring of the second electrode layer 12 and/or with a further photolithographic mask (e.g with a subsequent etching of the areas unprotected by the photoresist of the photolithographic mask).
  • LIDE method Laser Induced Deep Etching
  • the crystal is changed chemically and physically in areas in which the crystal is exposed or irradiated, such that significantly higher etching rates occur there (e.g. in wet chemistry) than in those areas that were not exposed or irradiated.
  • the electrode layers 11 and 12 are applied or deposited on respective sides (e.g. front and back) of the ferroelectric and/or piezoelectric functional layer 10.
  • an initial substrate which comprises the ferroelectric and/or piezoelectric functional layer 10 and in which, for example, one or both of the electrode layers 11 and 12 are already applied, for example glued to the functional layer 10, or as a laminated layer composite which already includes the functional layer 10 as well as the first electrode layer 11 and/or the second electrode layer 12.
  • FIG. 3 shows an exemplary schematic functional sectional view of a layer structure, which is produced for example according to FIG. 2, in an exemplary electrical circuit for the drive.
  • At least one alternating voltage can preferably be applied between at least one electrode of the first electrode layer 11 and at least one electrode of the second electrode layer 12, for example in order to control the voltage generation or the voltage drop across the piezo substrate or .to control (and/or detect) the piezoelectric functional layer 10.
  • several alternating voltage sources can also be used for different actuator surfaces (e.g. with different frequencies for oscillations in torsion or oscillation axes that are transverse or perpendicular to one another (e.g. via springs of a spring structure, e.g. with bending springs, torsion springs and/or meander springs), e.g.
  • the thin dashed arrows in Fig. 3 illustrate schematically, by way of example, the controllable or excitable and/or detectable deflection of the piezoelectric functional layer 10, whereby a vibration or oscillating movement of the mirror support element of the piezoelectric functional layer 10, which is arranged under the mirror 111, is driven and /or can be recorded.
  • the thick dashed arrow in FIG. 3 schematically illustrates, by way of example, the reflection of a light beam on the (oscillating or moving) mirror 111.
  • FIG. 4 shows an exemplary schematic functional sectional view of a layer structure according to a further exemplary embodiment in a further exemplary electrical circuit for the drive.
  • the second electrode layer 12 (for example on the left side in FIG. 4) or at least a section of the second electrode layer 12 (or an electrode section electrically connected to the second electrode layer 12) is guided to the side (front side) of the functional layer 10, on which the first electrode layer 11 is arranged.
  • a via can be made, for example, through or along one or more structured areas of the functional layer 10 (e.g. on one or more side walls of one or more structured areas or structured trenches of the functional layer 10).
  • At least one alternating voltage can preferably be applied between at least one electrode of the first electrode layer 11 and at least one electrode of the second electrode layer 12 with exemplary contacting on the top side (front side), for example in order to generate the voltage or .the voltage drop across the piezo substrate or the piezoelectric functional layer 10 to control (and/or detect).
  • several alternating voltage sources can also preferably be used for different actuator surfaces (e.g. with different frequencies for oscillations in transverse or perpendicular torsion or oscillation axes (e.g. via springs of a spring structure, e.g. with bending springs, torsion springs and/or meander springs) , e.g. for 2D Lissajous scanning movements or preferably resonant 2D Lissajous scanning movements of the mirror 111).
  • the layer structure can be hermetically sealed from above with a translucent cover element 6 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and/or from below with a base element or base body element 7 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 6 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • the layer structure can be hermetically sealed from above with a translucent cover element 6 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and/or from below with a base element or base body element 7 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 6 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar, e.g. also an inclined window or a planar window).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • a vacuum-packed (or vacuum-encapsulated) MEMS mirror device 200 or 300 which includes the layer structure produced in each case, can be provided with a piezoelectrically deflectable or controllable mirror 111, which is used, for example, for ID and/or or 2D scanning movements of the mirror 111 (e.g.
  • FIGS. 3 and 4 shows an exemplary fixed clamping of the layer structure (in particular to hold the spring structures in the outside area that hold the mirror support element or the mirror 111), which is shown in FIGS. 3 and 4 is shown schematically only by way of example, provided for example by the attachment to the exemplary floor element or base body element 7.
  • FIG. 7 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of a further exemplary embodiment.
  • the order of the steps can also be different, steps can be omitted and/or additional steps can be added.
  • the respective starting substrate is provided, for example, with a ferroelectric or piezoelectric functional layer 10
  • an initial substrate according to FIG. 7 (i) is now provided, for example, which has two ferroelectric or piezoelectric functional layers 10a and 10b includes.
  • These two ferro- or piezoelectric functional layers 10a and 10b (or the ferro- or piezoelectric layers 10a and 10b that form the functional layer) can comprise the same ferro- or piezoelectric material and/or also different ferro- or piezoelectric ones Materials.
  • the starting substrate according to FIG. By way of example, the starting substrate according to FIG.
  • Respective (first) electrode layers 11a and 11b are arranged, for example, on opposite outer sides (eg front and back) of the starting substrate according to FIG. 7 (i). These (first) electrode layers 11a and 11b can, for example, either be applied to the starting substrate (eg by deposition processes) or, for example, already included in the starting substrate (eg glued or laminated to the respective functional layer 10a/10b).
  • the (first) electrode layer 11a located on the top (front side) can also be structured (eg analogous to electrode layer 11 in FIG. 2 (iii)); see e.g. Fig. 7 (ii).
  • a mirror 111 e.g. mirror layer with a reflective surface
  • a mirror 111 can be formed using the material of the electrode layer 11a.
  • the (first) electrode layer 11a can, for example, comprise metal, in particular aluminum, so that the surface of the (first) electrode layer 11a, for example, already comprises a reflective surface and/or is suitable for forming the mirror 111.
  • the material of the metallic (first) electrode layer 11a or mirror layer 111 can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application, for example aluminum or silver for visible light (e.g. in Essentially at wavelengths of 400-700nm) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • the first ferroelectric or piezoelectric functional layer 10a can also be structured analogously to FIG. 2 (vi); see for example Fig. 7 (iii).
  • the (front) structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10a can be carried out using wet and/or dry chemical methods using photolithographic steps.
  • the structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10a can take place together with the structuring of the electrode layer 12 or at least with the same mask.
  • the structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10a can be carried out independently of the structuring of the electrode layers 11a and/or 12 and/or with a further photolithographic mask (for example with a subsequent etching of the areas unprotected by photoresist of the photolithographic mask).
  • Other structuring methods are also possible in further exemplary embodiments, for example structure using laser ablation or also using the so-called LIDE method (Laser Induced Deep Etching).
  • the (first) electrode layer 11b located at the bottom (back) can also be structured; see e.g. Fig. 7 (iv).
  • the (first) electrode layer 11b may comprise, for example, metal, in particular aluminum.
  • the second ferroelectric or piezoelectric functional layer 10b (analogous to the functional layer 10a) can also be structured; see for example Fig. 7 (v).
  • the (back) structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10b can be carried out using wet or dry chemical methods using photolithographic steps.
  • the structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10b can take place together with the structuring of the electrode layer 12 or at least with the same mask.
  • the structuring of the ferroelectric or piezoelectric functional layer 10b can be carried out independently of the structuring of the electrode layers 11b and/or 12 and/or with a further photolithographic mask (e.g. with a subsequent etching of the areas unprotected by photoresist of the photolithographic mask).
  • Other structuring methods are also possible in further exemplary embodiments, for example by means of laser ablation or by means of the so-called LIDE method (Laser Induced Deep Etching).
  • the (second) electrode layer 12 (counter electrode) can also be structured; see e.g. Fig. 7 (vi).
  • the (second) electrode layer 12 may comprise metal, in particular aluminum, for example.
  • the mechanically effective structures of the MEMS device in the ferro - or piezoelectric functional layers 10a and 10b are formed.
  • oscillation/torsion axis or about two oscillation/torsion axes that are preferably transverse or in particular perpendicular to one another, for example via springs of the spring structure, for example with bending springs, T orsion springs and/or meander springs, in particular, for example, for Lissajous scanning movements or preferably resonant Lissajous scanning movements).
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • the drive voltage can advantageously be reduced if necessary with constant deflection angles, if this is necessary or desired depending on the application.
  • one or more alternating voltages can be applied between the (first) electrode layer 11a and the (second) electrode layer 12 (counterelectrode) and/or between the (first) electrode layer 11b and the (second) electrode layer 12 (counterelectrode), whereby the AC voltages applied to the (first) electrode layers 11a and 11b can be in phase or out of phase relative to one another, can be at the same or different frequency and / or can also be at the same or different amplitude.
  • several alternating voltage sources can also be used for different actuator surfaces (e.g. with different frequencies for oscillations in transverse or perpendicular torsion or oscillation axes, e.g. via springs of a spring structure, e.g.
  • FIG. 7 shows an exemplary schematic sectional view of a MEMS device 400, which exemplifies the layer structure according to FIG. 7 (vi).
  • the layer structure can be hermetically sealed from above with a translucent cover element 6 (e.g. a translucent dome element or a glass dome) and/or from below with a base element or base body element 7 under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 6 e.g. a translucent dome element or a glass dome
  • a vacuum atmosphere e.g. vacuum encapsulation
  • cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar, e.g. also an inclined window or a planar window).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • a vacuum-packed (or vacuum-encapsulated) MEMS mirror device 400 (e.g. a MEMS mirror scanner), which includes the layer structure produced, can be provided with piezoelectrically deflectable or controllable mirror 111, which is exemplary for ID and/or 2D scanning movements of the mirror 111 (e.g. 2D scanning movements or preferably resonant 2D scanning movements for Lissajous scans, i.e. for example a bi-resonant mirror 111 with two resonant axes for Lissajous scans, for example via springs of a spring structure, for example with bending springs, torsion springs and/or meander springs ) can be set up.
  • 2D scanning movements or preferably resonant 2D scanning movements for Lissajous scans i.e. for example a bi-resonant mirror 111 with two resonant axes for Lissajous scans, for example via springs of a spring structure, for example
  • FIG. 9 shows exemplary sectional views of the layer structure during a manufacturing method according to an exemplary manufacturing sequence of a further exemplary embodiment.
  • exemplary starting substrate see Fig. 9 (i)
  • exemplary finished layer structure see Fig. 9 (ii)
  • Any intermediate structuring steps of the functional and electrode layer can be carried out in various possible ways and sequences, analogous to the above exemplary embodiments.
  • an initial substrate according to FIG. 9 (i) is now provided, which exemplarily comprises three ferroelectric or piezoelectric functional layers 10a, 10b and 10c.
  • These three ferro- or piezoelectric functional layers 10a, 10b and 10c (or the ferro- or piezoelectric layers 10a, 10b and 10c that form the functional layer) can have the same ferro- or piezoelectric layers.
  • Piezoelectric material include and / or different ferro- or piezoelectric materials.
  • the starting substrate according to FIG. 9 (i) can also already be provided in such a way that a respective electrode layer 11b (first electrode layer) or electrode layer 12a (second electrode layer), e.g. as a metallic electrode layer (s), is provided between respective adjacent ferroelectric or piezoelectric functional layers ), are arranged.
  • the starting substrate according to FIG or laminated can also already be provided in such a way that a respective electrode layer 11b (first electrode layer) or electrode layer 12a (second electrode layer), e.g. as a metallic electrode layer (s), is provided between respective adjacent ferroelectric or piezoelectric functional layers ), are arranged.
  • the starting substrate according to FIG or laminated can also already be provided in such a way that a respective electrode layer 11b (first electrode layer) or electrode layer 12
  • Respective electrode layers 11a (first electrode layer) and 12b (second electrode layer) are arranged, for example, on opposite outer sides (e.g. front and back) of the starting substrate according to FIG. 9 (i).
  • the electrode layers 11a and 12b can, for example, either be applied to the starting substrate (e.g. by deposition processes) or, for example, already included in the starting substrate (e.g. glued or laminated to the respective functional layer 10a/10c).
  • the (second) electrode layers 12a and 12b each form the corresponding counter electrodes to the respective (first) electrode layers 10a, 10b and 10c, so that, for example, each ferroelectric or piezoelectric functional layer is between a respective first electrode layer and a respective second electrode layer (corresponding Counter electrode) is arranged.
  • the electrode layers 12a and/or 12b can, for example, be structured analogously to the electrode layers 11a and/or 11b. In general, the electrode layers 11a and/or 12a and/or the electrode layers 11b and/or 12b do not have to be symmetrical.
  • the mechanically effective structures of the MEMS device are formed in the ferroelectric or piezoelectric functional layers 10a, 10b and 10c; see e.g. Fig. 9 (ii).
  • the mirror carrier element formed from (eg central) areas of the ferroelectric or piezoelectric functional layers 10a, 10b and 10c (here, for example, the area under the mirror layer 111) as well as the holding webs, which consist of the functional layers 10a, 10b and 10c can be formed and can act, for example, as a holding spring structure, and which can, for
  • the ferroelectric or piezoelectric functional layers 10a, 10b and/or 10c do not have to be structured symmetrically.
  • the spring structure can comprise springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element has an oscillating rotational movement about the respective oscillation and/or torsion axis Axis (e.g. torsional vibrations) can execute.
  • the respective electrode layers 11a, 12a, 11b and/or 12b can, for example, consist of metal, preferably aluminum, or comprise metal, preferably aluminum, for example either of the same metal or of different metals.
  • the material of the metallic electrode layer 11a or mirror layer 111 can be selected depending on the desired application for the respective wavelength range, in particular with very good reflection behavior in the wavelength range of the desired application, for example aluminum or silver for visible light (e.g. essentially at wavelengths from 400-700nm) or gold for infrared light or infrared radiation (e.g. essentially at wavelengths of 850-2000nm).
  • the layer structure can be connected from above with a translucent cover element 6 (eg a translucent dome element or a glass dome) and/or from below a base element or base element 7 can be hermetically sealed under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • a translucent cover element 6 eg a translucent dome element or a glass dome
  • a base element or base element 7 can be hermetically sealed under a vacuum atmosphere (e.g. vacuum encapsulation).
  • cover elements or 3D-shaped cover elements are also possible (e.g. angular or planar, e.g. also an inclined window or a planar window).
  • the material of the cover elements is preferably translucent, for example glass or other optically transparent materials (e.g. approx. 400-2500 nm), such as borosilicate glass (e.g. Borofloat® BF33 from SCHOTT).
  • a vacuum-packed (or vacuum-encapsulated) MEMS mirror device 500 (e.g. a MEMS mirror scanner), which includes the layer structure produced, can be provided with piezoelectrically deflectable or controllable mirrors 111, which are used, for example, for (preferably resonant) ID and/or or 2D scanning movements of the mirror 111 (e.g. 2D scanning movements for Lissajous scans, i.e. for example a bi-resonant mirror 111 with two resonant axes for Lissajous scans, for example via springs of a spring structure, for example with bending springs, torsion springs and/or meander springs).
  • 2D scanning movements for Lissajous scans i.e. for example a bi-resonant mirror 111 with two resonant axes for Lissajous scans, for example via springs of a spring structure, for example with bending springs, torsion springs and/or meander
  • such layer structures described above as examples with one, two, three or more ferroelectric and/or piezoelectric functional layers for a MEMS device or such MEMS devices according to some exemplary embodiments can be used for periodic movements or oscillations in the frequency range of approximately 1 Hz can be set up into the kHz range, in exemplary embodiments preferably for frequencies essentially less than or equal to 200 kHz and particularly preferably for frequencies essentially less than or equal to 100 kHz. This distinguishes such MEMS devices, among other things, from so-called oscillating quartz devices, which are set up for the frequency range in the MHz range.
  • a substrate which comprises ferro- and/or piezoelectric material, and in particular comprises at least one functional layer which comprises ferro- and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate may preferably comprise one or more ferroelectric and/or piezoelectric layers or one or more functional layers made of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • the ferroelectric and/or piezoelectric substrate can form the at least one functional layer in which the movable elements of the MEMS and/or the spring structure holding them can later be formed.
  • the at least one functional layer can preferably both form the mechanically effective layer and at the same time drive and/or detect the oscillating movements as an actuator and/or sensor.
  • mechanically effective is to be understood here in particular as meaning that the mechanically effective layer or the at least one mechanically effective functional layer (device layer) of the MEMS layer structure preferably forms the layer that is designed for this purpose in accordance with its structuring or is designed to carry out a one-dimensional or two-dimensional oscillatory movement, or in such a way that one or more structures or bodies that are formed in the mechanically active layer or mechanically effective functional layer can carry out a one-dimensional or two-dimensional oscillatory movement (e.g. around a oscillation - / torsion axis or around two preferably transverse or in particular perpendicular to each other oscillation / torsion axes, e.g.
  • springs of a spring structure e.g. with bending springs, torsion springs and / or meander springs, in particular e.g. for Lissajous scanning movements or preferably resonant Lissajous scanning movements).
  • the holding and/or spring structure for the movable structures or bodies of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably also be formed in this mechanically effective layer or mechanically effective functional layer.
  • the formation of the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer can preferably include the resonance frequency or resonance frequencies of the MEMS, the deflection amplitudes and / or any dynamic deformations (e.g. in a holding and / or formed in the mechanically effective layer or mechanically effective functional layer Spring structure or the formed structures or bodies, such as the mirror support element with the mirror plate 111).
  • the starting substrate or the one or more functional layers in the starting substrate in the exemplary embodiments described above can be provided as a ferro- and / or piezoelectric single crystal or polycrystal and thus optimal ferro-/piezoelectric properties can be provided with optimal ferro-/piezoelectric coefficients, which in usual separation processes due to the Process fluctuations and growth conditions are not possible.
  • ferro-/piezoelectric layers are deposited on a silicon substrate, in some embodiments comparatively thicker ferro-/piezoelectric layers can be provided in the starting substrate, so that a higher force development is advantageously made possible.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer
  • the starting substrate can consist of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • one or more functional layers of the starting substrate can consist of ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate, which comprises the at least one functional layer may comprise one or more piezoelectric layers made of ferro- and/or piezoelectric material, in particular one or more functional layers made of ferro- and/or piezoelectric material.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or the at least one functional layer of the starting substrate can comprise a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or of a single crystal of a ferro- and/or piezoelectric material consist.
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or at least one functional layer of the starting substrate can comprise a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material and/or consist of a polycrystal of a ferro- and/or piezoelectric material .
  • the starting substrate is not a silicon substrate and preferably the starting substrate does not comprise silicon or a functional layer comprising silicon.
  • the ferroelectric and/or piezoelectric material can be aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AlScN), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3), lead zirconate titanate (PZT), niobium-doped PZT ( PZT-Nb) and/or quartz.
  • AIN aluminum nitride
  • AlScN aluminum scandium nitride
  • LiNbO3 lithium niobate
  • LiTaO3 lithium tantalate
  • PZT lead zirconate titanate
  • PZT-Nb niobium-doped PZT
  • the starting substrate which comprises the at least one functional layer, and/or at least one functional layer of the starting substrate comprise an at least partially amorphous ferro- and / or piezoelectric material and / or consist of an at least partially amorphous ferro- and / or piezoelectric material.
  • the (partially) - at least partially amorphous (eg (partially) amorphous) ferro- and / or piezoelectric material can include, for example, PVDF (polyvinylidene fluoride (CF2-CH2)n) or consist of PVDF.
  • the starting substrate can be provided in such a way that the starting substrate, for example, has at least one functional layer which comprises or consists of a ferroelectric and/or piezoelectric single crystal, at least one functional layer which comprises a ferroelectric and/or piezoelectric single crystal comprises or consists of piezoelectric polycrystal, and/or at least one functional layer which comprises or consists of an at least partially amorphous (e.g. (partially) amorphous) ferroelectric and/or piezoelectric material.
  • amorphous e.g. (partially) amorphous
  • a layer thickness of the at least one functional layer of the starting substrate, which comprises ferroelectric and/or piezoelectric material can be substantially greater than or equal to 50 pm, in particular substantially greater than or equal to 100 pm, and/or substantially smaller or equal to 1mm.
  • the layer thickness of each functional layer is preferably substantially greater than or equal to 50 pm, particularly preferably substantially greater than or equal to 100 pm, and/or substantially less than or equal to 1 mm
  • a spring structure that holds the mirror support element with mirror can be formed in the at least one functional layer, in particular in some exemplary embodiments preferably in such a way that the mirror support element with mirror is, for example, by one or two axes, in particular e.g. oscillation and/or torsion axes, are held swingably, e.g. via springs of a spring structure, e.g. with torsion springs and/or meander springs.
  • the spring structure can include, for example, springs, particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element can carry out an oscillating rotational movement about the corresponding axis (eg torsional vibrations) about the respective oscillation and/or torsion axis.
  • springs particularly preferably bending springs, meander springs and/or torsion springs, which are preferably designed to hold the mirror support element in such a way that the mirror support element can carry out an oscillating rotational movement about the corresponding axis (eg torsional vibrations) about the respective oscillation and/or torsion axis.
  • the mirror support element with mirror and/or the spring structure is particularly preferably designed for a (preferably resonant) two-dimensional Lissajous scanning movement of the mirror support element with mirror.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellten Schichtaufbau ist, und eine MEMS-Vorrichtung (200), die einen derartigen Schichtaufbau umfasst. Für den Schichtaufbau bzw. die MEMS-Vorrichtung (200) wird im Herstellungsprozess beispielhaft ein Ausgangssubstrat verwendet, das die mechanisch wirksame Funktionsschicht (10) ausbildet, wobei die mechanisch wirksame Funktionsschicht (10) ein ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SCHICHTAUFBAUS FÜR EINE MEMS-VORRICHTUNG UND MEMS-VORRICHTUNG MIT EINEM DERARTIGEN SCHICHTAUFBAU
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau für eine MEMS-Vorrichtung und eine MEMS-Vorrichtung, die einen derartigen Schichtaufbau umfasst.
Hintergrund
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS- Vorrichtung, insbesondere eine piezoelektrisch angetriebene MEMS-Vorrichtung, sowie ein gattungsgemäßer Schichtaufbau für eine MEMS-Vorrichtung und eine gattungsgemäße MEMS- Vorrichtung, die einen derartigen Schichtaufbau umfasst, sind beispielsweise aus der US 2009/0185253 Al bekannt.
Bei den im Stand der Technik, z.B. gemäß US 2009/0185253 Al, bekannten piezoelektrisch angetriebenen MEMS-Vorrichtungen wird üblicherweise die mechanisch wirksame Funktionsschicht (engl. oftmals als Device Layer bezeichnet) des Schichtaufbaus des MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches System, engl. Micro-Electro-Mechanical System) durch eine tragende, nicht-piezoelektrische Schicht (z.B. Silizium) ausgebildet, in der die beweglichen bzw. schwingenden Bauteile, wie z.B. spiegeltragende Trägerelemente als auch die haltende Federstruktur, strukturiert werden, z.B. durch das sogenannte Hochratenätzen bzw. reaktive lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE).
Im Herstellungsverfahren des Schichtaufbaus wird piezoelektrisches Material üblicherweise auf die tragende Funktionsschicht aufgebracht bzw. darauf abgeschieden. Es wird somit ein Schichtaufbau (auch MEMS-Wafer genannt) verwendet, bei dem piezoelektrisches Material durch zusätzliche Bearbeitungsschritte im Herstellungsverfahren auf die spätere mechanisch bewegliche Struktur (z.B. Silizium) der Funktionsschicht aufgebracht werden muss und danach zur Strukturierung lokal, z.B. durch photolithographische Masken und Ätzprozesse (z.B. mit einer nachgelagerten Ätzung der durch PhotoLack der photolithographischen Maske ungeschützten Flächen), wieder entfernt werden muss.
Hierbei sind sämtliche Prozessschritte mit Kosten und Zeit verbunden. Zudem ist das Aufwachsen der ferro-/piezoelektrischen Schichten vom jeweiligen Abscheideprozess und auch vom jeweiligen Wachstumsuntergrund abhängig, so dass sich herstellungsbedingte Schwankungen als auch integrationsbedingte Limitierungen ergeben, und dies auch betreffend die resultierenden Piezokoeffizienten der antreibenden piezoelektrischen Schicht.
Zudem sind die Schichtdicken der ferro-/piezoelektrischen Schichten, die durch Abscheidung aufgebracht werden, limitiert (typischerweise auf ca. 0,5 bis 5 pm), und somit wird auch das Erzeugen von Kräften bzw. Drehmomenten begrenzt als auch die anzulegende elektrische Antriebsspannung eingeschränkt (Durchbruchfeldstärke typischerweise ca. 1-2 MV/cm).
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Nachteile ist es ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung bereitzustellen, insbesondere mit Kosten- und/oder Zeitersparnis und/oder verbesserten Eigenschaften des hergestellten Schichtaufbaus.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, und eine MEMS-Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, insbesondere bevorzugt eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung.
Insbesondere werden zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung und ein Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens hergestellt ist, gemäß den unabhängigen Ansprüchen sowie eine MEMS- Vorrichtung, die den Schichtaufbau umfasst, insbesondere bevorzugt eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung, vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen einige beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen. Gemäß einem ersten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere eine MEMS- Spiegelvorrichtung bzw. eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung, vorgeschlagen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung umfasst beispielhaft ein Bereitstellen eines Ausgangssubstrats, das beispielhaft zumindest eine Funktionsschicht (d.h. z.B. eine oder mehrere Funktionsschichten) umfasst, und/oder ein Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht des Ausgangssubstrats.
Das Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht kann bevorzugt zum Ausbilden von einem oder mehreren beweglichen Elementen der MEMS-Vorrichtung in der zumindest einen Funktionsschicht ausgeführt werden und/oder zum Ausbilden einer Federstruktur, die vorzugsweise die einen oder mehreren beweglichen Elemente der MEMS-Vorrichtung hält, in der zumindest einen Funktionsschicht.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen.
Hierbei liegt unter anderem in einigen Ausführungsbeispielen eine Idee zugrunde, dass beispielsweise statt eines Siliziumsubstrats als Ausgangssubstrat ein Substrat verwendet werden kann, welches ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, und insbesondere zumindest eine Funktionsschicht umfasst, die ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst. Insbesondere kann das Ausgangssubstrat in einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt eine oder mehrere ferro- und/oder piezoelektrische Schichten bzw. eine oder mehrere Funktionsschichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material umfassen.
So können zahlreiche Prozessschritte kosten- und zeitsparend eingespart werden, insbesondere da Abscheideprozesse, z.B. einer piezoelektrischen Schicht, vermieden werden können.
Zudem kann das ferro- und/oder piezoelektrische Substrat die zumindest eine Funktionsschicht ausbilden, in der später die beweglichen Elemente des MEMS und/oder die diese haltende Federstruktur ausgebildet werden kann.
Die zumindest eine Funktionsschicht kann vorzugsweise sowohl die mechanisch wirksame Schicht ausbilden und gleichzeitig auch als Aktuator und/oder Sensor die schwingenden Bewegungen antreiben und/oder erfassen. Unter „mechanisch wirksam" ist hier in Bezug auf ein MEMS insbesondere zu verstehen, dass die mechanisch wirksame Schicht bzw. die zumindest eine mechanisch wirksame Funktionsschicht (engl. Device Layer) des MEMS-Schichtaufbaus bevorzugt diejenige Schicht ausbildet, die entsprechend ihrer Strukturierung dazu ausgelegt bzw. ausgebildet ist, eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung auszuführen, bzw. derart, dass ein oder mehrere Strukturen oder Körper, die in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht herausgebildet sind, eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung ausführen können (z.B. um eine Schwing- /Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen).
Bevorzugt kann hierfür auch die Halte- und/oder Federstruktur für die beweglichen Strukturen oder Körper der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht in dieser mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Halte- und/oder Federstruktur Federn umfassen, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, die bevorzugt dazu ausgelegt sein können, ein oder mehrere bewegliche Strukturen oder Körper der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht zu halten, z.B. derart, dass die beweglichen Strukturen oder Körper um ein oder mehrere jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachsen eine jeweilige schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen können.
Weiterhin kann die Ausbildung der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht bevorzugt die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen des MEMS, die Auslenkamplituden und/oder etwaige dynamische Deformationen (z.B. in einer in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildeten Halte- und/oder Federstruktur bzw. der herausgebildeten Strukturen bzw. Körper, wie z.B. eines Spiegelträgerelements mit einer Spiegelplatte) bestimmen.
Zudem kann das Ausgangssubstrat bzw. die eine oder mehreren Funktionsschichten im Ausgangssubstrat in einigen Ausführungsbeispielen als ferro- und/oder piezoelektrisches Einkristall oder Polykristall bereitgestellt werden und somit können optimale ferro- /piezoelektrische Eigenschaften mit optimalen ferro-/piezoelektrischen Koeffizienten bereitgestellt werden, was in üblichen Abscheideprozessen aufgrund der Prozessschwankungen und Aufwachsbedingungen nicht möglich ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material bestehen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Funktionsschichten des Ausgangssubstrats aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material bestehen.
Bevorzugt kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material umfassen, insbesondere eine oder mehrere Funktionsschichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder die zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen.
Zudem können in Ausführungsbeispielen mit mehreren Funktionsschichten im Ausgangssubstrat eine oder mehrere Funktionsschichten des Ausgangssubstrats ein Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen, wobei eine oder mehrere weitere Funktionsschichten des Ausgangssubstrats ein Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen.
Insbesondere bevorzugt ist das Ausgangssubstrat kein Siliziumsubstrat und vorzugsweise umfasst das Ausgangssubstrat kein Silizium bzw. keine Silizium umfassende Funktionsschicht. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das ferro- und/oder piezoelektrisches Material Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN), Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), Niob-dotiertes PZT (PZT-Nb) und/oder Quarz umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein zumindest teilweise amorph vorliegendes ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen und/oder aus einem zumindest teilweise amorph vorliegenden ferro- und/oder piezoelektrischen Material bestehen.
Hierbei kann das zumindest teilweise amorph (z.B. (teil)-amorph) vorliegende ferro- und/oder piezoelektrische Material beispielhaft PVDF (Polyvinylidenfluorid (CF2-CH2)n) umfassen oder aus PVDF bestehen.
In einigen Ausführungsbeispielen mit mehreren Funktionsschichten im Ausgangssubstrat kann das Ausgangssubstrat derart bereitgestellt werden, dass das Ausgangssubstrat beispielsweise zumindest eine Funktionsschicht, die ein ferro- und/oder piezoelektrisches Einkristall umfasst oder daraus besteht, zumindest eine Funktionsschicht, die ein ferro- und/oder piezoelektrisches Polykristall umfasst oder daraus besteht, und/oder zumindest eine Funktionsschicht, die ein zumindest teilweise amorph vorliegendes ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst oder daraus besteht, umfasst.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine Schichtdicke der zumindest einen Funktionsschicht des Ausgangssubstrats, die ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, insbesondere im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, sein und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1mm.
Insbesondere bevorzugt ist in Ausführungsbeispielen mit mehreren ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassenden Funktionsschichten die Schichtdicke jeder Funktionsschicht jeweils bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1mm
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren weiterhin umfassen: Aufbringen und/oder Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten (z.B. auf Vorder- und Rückseite) der zumindest einen Funktionsschicht (z.B. bereits im Ausgangssubstrat zwischen benachbarten Funktionsschichten des Ausgangssubstrats, falls das Ausgangssubstrat mehr als eine ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschicht umfasst), und/oder Strukturieren der Elektrodenschichten zur Ausbildung von strukturierten Elektrodenflächen auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten (z.B. auf Vorder- und Rückseite) der zumindest einen Funktionsschicht.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann bei dem Strukturieren einer der Elektrodenschichten ein Spiegel der MEMS-Vorrichtung ausgebildet werden, insbesondere bevorzugt beim Strukturieren einer außen liegenden Elektrodenschicht bzw. beim Strukturieren der oberen bzw. vorderseitigen Elektrodenschicht.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine weitere Spiegelschicht zur Ausbildung eines Spiegel der MEMS-Vorrichtung aufgebracht werden. Die Spiegelschicht kann Metall, z.B. Aluminium, umfassen oder daraus bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann je nach Anwendungsbereich bzw. Wellenlängenbereich eine Elektroden- und/oder Spiegelschicht aus Gold, Platin oder Silber verwendet werden. Beispielsweise kann eine Spiegelschicht aus kostspieligerem Metall, wie z.B. Gold, Platin und/oder Silber, auf eine aus kostengünstigerem Metall bestehende Elektrodenschicht, z.B. Aluminium, aufgebracht werden).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann bei dem Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein Spiegelträgerelement in der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet werden, wobei insbesondere bevorzugt ein Spiegel (z.B. der vorstehend genannte Spiegel) auf dem Spiegelträgerelement angeordnet und/oder ausgebildet werden bzw. sein kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann, insbesondere bei dem Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht, eine Federstruktur, die das Spiegelträgerelement mit Spiegel hält, in der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet werden, insbesondere ein einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt derart, dass das Spiegelträgerelement mit Spiegel beispielsweise um eine oder zwei Achsen, insbesondere bevorzugt Schwing- und/oder Torsionsachsen, z.B. durch Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern, schwingbar gehalten wird.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Meanderfedern, Biegefedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann. In AusführungsbeispieLen mit zwei Achsen, insbesondere zwei Schwing- und/oder Torsionsachsen, ist das SpiegeLträgerelement mit Spiegel und/oder die Federstruktur insbesondere bevorzugt für eine zweidimensionale Lissajous-Scanbewegung oder bevorzugt resonante zweidimensionale Lissajous-Scanbewegung des Spiegelträgerelements mit Spiegel ausgelegt.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die leitfähigen Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung auf gegenüberliegenden Seiten der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet sein.
In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine der Elektrodenschichten (z.B. eine zweite Elektrodenschicht) mittels einer Durchkontaktierung in einem Bereich, insbesondere bevorzugt in einem mittigen und/oder seitlichen Bereich, der zumindest einen Funktionsschicht auf die Seite der anderen (ersten) Elektrodenschicht geführt werden, vorzugsweise derart, dass die leitfähigen (ersten und zweiten) Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung auf der gleichen Seite der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet sein können.
Insbesondere bevorzugt kann zumindest eine zweite Elektrodenschicht der leitfähigen Elektrodenschichten mittels einer Durchkontaktierung in einem Bereich der zumindest einen Funktionsschicht von einer zweiten Seite der zumindest einen Funktionsschicht auf eine erste Seite der zumindest einen Funktionsschicht, auf der eine erste Elektrodenschicht der leitfähigen Elektrodenschichten angeordnet ist, geführt werden.
Insbesondere bevorzugt können zumindest die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht mittels der Durchkontaktierung der zweiten Elektrodenschicht dazu ausgebildet sein, eine elektrische Kontaktierung der ersten und zweiten Elektrodenschichten auf der gleichen ersten Seite der Funktionsschicht bereitzustellen.
Beispielsweise kann in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen die auf einer Rückseite der zumindest einen Funktionsschicht liegende (zweite) Elektrodenschicht mittels einer Durchkontaktierung in einem Bereich, insbesondere in einem mittigen oder seitlichen Bereich, der zumindest einen Funktionsschicht auf die Vorderseite, auf der die andere (erste) Elektrodenschicht aufgebracht ist, geführt werden, vorzugsweise derart, dass die leitfähigen (ersten und zweiten) Elektrodenschichten zur elektrischen Kontaktierung auf Vorderseite der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet sein können, indem bevorzugt auch die Kontaktierung der auf der Rückseite der zumindest einen Funktionsschicht aufgebrachten (zweiten) ELektrodenschicht auf der Vorderseite erfolgen kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat eine (z.B. genau eine) ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschicht umfassen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat auch mehrere ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschichten umfassen.
Beispielsweise kann das Ausgangssubstrat zwei ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschichten, insbesondere bevorzugt mit einer dazwischenliegenden (zweiten) Elektrodenschicht, umfassen. Hierbei können entsprechende (erste) Elektrodenschichten oben und unten (außen) angeordnet sein.
Weiterhin kann das Ausgangssubstrat beispielsweise drei oder mehr ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschichten umfassen, wobei bevorzugt jeweils zwischen benachbarten ferro- und/oder piezoelektrischen Funktionsschichten eine jeweilige Elektrodenschicht angeordnet sein kann, insbesondere bevorzugt derart, dass eine, mehrere oder jede ferro- und/oder piezoelektrischen Funktionsschicht jeweils zwischen zwei entsprechenden (ersten und zweiten) Elektrodenschichten angeordnet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen weiterhin ein Schichtaufbau vorgeschlagen, der bevorzugt insbesondere mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele hergestellt sein kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Schichtaufbau umfassen: zumindest eine strukturierte Funktionsschicht, in der vorzugsweise ein oder mehrere bewegliche Elemente der MEMS-Vorrichtung und/oder eine Federstruktur, die die einen oder mehreren beweglichen Elementen der MEMS-Vorrichtung hält, ausgebildet sein können.
Das bzw. die beweglichen Elemente können insbesondere in einigen Ausführungsbeispielen ein Spiegelträgerelement umfassen, auf dem beispielhaft eine Spiegelplatte und/oder Spiegelschicht aufgebracht sein kann, insbesondere zur Reflektion von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere bevorzugt Licht im sichtbaren und/oder infraroten Bereich.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die zumindest eine Funktionsschicht ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen. Gemäß einem dritten Aspekt wird in einigen Ausführungsbeispielen weiterhin eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere MEMS-Spiegelvorrichtung bzw. vakuumgepackte MEMS- Spiegelvorrichtung, umfassend einen Schichtaufbau, der mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele hergestellt ist, vorgeschlagen.
Im Betrieb können derartige MEMS-Vorrichtungen gemäß einigen Ausführungsbeispielen für periodische Bewegungen bzw. Schwingungen im Frequenzbereich von ca. 1 Hz bis in den kHz-Bereich eingerichtet werden, in Ausführungsbeispielen bevorzugt für Frequenzen im Wesentlichen kleiner oder gleich 200 kHz und insbesondere bevorzugt für Frequenzen im Wesentlichen kleiner oder gleich 100 kHz.
Dies unterscheidet derartige MEMS-Vorrichtungen unter anderem auch im Anwendungsbereich von sog. Schwingquarzvorrichtungen, die für den Frequenzbereich im MHz-Bereich eingerichtet sind.
Weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele als auch Vorteile und speziellere Ausführungsmöglichkeiten der vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale können weiterhin den folgenden, jedoch in keinster Weise einschränkend aufzufassenden Beschreibungen und Erläuterungen zu den angehängten Figuren entnommen werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1A zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS- Vorrichtung gemäß einem Hintergrundbeispiel,
Fig. 1B zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß Fig. 1A umfassenden MEMS-Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte funktionale schematische Schnittdarstellung eines gemäß Fig. 2 hergestellten Schichtaufbaus,
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte funktionale schematische Schnittdarstellung eines Schichtaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 5 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß Fig. 3 umfassenden MEMS-Vorrichtung,
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß Fig. 4 umfassenden MEMS-Vorrichtung,
Fig. 7 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß Fig. 7 umfassenden MEMS-Vorrichtung,
Fig. 9 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
Fig. 10 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß Fig. 9 umfassenden MEMS-Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung jedoch in keinster Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt sind, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfassen, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Zunächst wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figs. 1A und 1B ein Hintergrundbeispiel beschrieben, dass das Verständnis der darauffolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und der Vorteile erleichtern soll. Bei dem den Figs. 1A und 1B zugrundeliegenden Schichtaufbau handelt es sich jedoch nicht um tatsächlich bereits öffentlich bekannten Stand der Technik.
Ein gattungsgemäßer Schichtaufbau aus dem Stand der Technik sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren kann beispielsweise in US 2009/0185253 Al nachgelesen werden.
Auch wenn die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figs. 1A und 1B sich auf ein Hintergrundbeispiel bezieht, so können dennoch etwaige beschriebene technische Details und/oder Merkmale des Verfahrens, der Herstellungsabfolge, des Schichtaufbaus und insbesondere zu einzelnen Schritten und/oder Schichten des Schichtaufbaus auch entsprechende Details und/oder Merkmale der darauffolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen, es sei denn es wird explizit auf einen Unterschied hingewiesen.
Fig. 1A zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS- Vorrichtung gemäß einem Hintergrundbeispiel. Fig. 1B zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer den Schichtaufbau gemäß dem Hintergrundbeispiel aus Fig. 1A umfassenden MEMS-Vorrichtung.
Der Schichtaufbau umfasst beispielhaft eine Substratschicht 1, eine Funktionsschicht 3, die (beispielhaft mit einer dazwischenliegenden Passivierungsschicht 2) auf der Substratschicht 1 aufgebracht ist, eine piezoelektrische Schicht 4 (z.B. mit Bodenelektrode bzw. Gegenelektrode der Topelektrode), die (beispielhaft mit einer dazwischenliegenden Passivierungsschicht 2b) auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, und eine Elektrodenschicht 5, die auf der piezoelektrischen Schicht 4 bzw. auf Bereichen der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist.
Die Elektrodenschicht 5 bildet einerseits beispielhaft die Topelektrode der piezoelektrischen Schicht 4 und bildet beispielhaft in einem Bereich (z.B. im mittleren Bereich) einen Spiegel 5a, der auf der Funktionsschicht 3 angeordnet ist.
Im Folgenden werden Erläuterungen zum möglichen Herstellungsprozess für einen Schichtaufbau gemäß Fig. 1A beispielhaft wiedergegeben.
Es können im beispielhaften Herstellungsprozess an Ober- und Unterseite (bzw. Vorder- und Rückseite) der Substratschicht 1 jeweilige Passivierungsschichten 2 und/oder 2b (beispielhafte Zwischenschichten) aufgebracht werden. Weiterhin kann auf der Oberseite der Substratschicht 1 mit beispielhaft dazwischenliegender Passivierungsschicht 2 (Zwischenschicht) die Funktionsschicht 3 (engl. oftmals als Device Layer bezeichnet) auf die Substratschicht 1 aufgebracht werden.
Die Substratschicht 1 kann beispielsweise aus Silizium ausgebildet sein oder Silizium umfassen. In zweckmäßigen Ausführungen kann die Substratschicht 1 beispielsweise als SCS- Wafer (SCS, engl.: „single-crystal-silicon", d.h. z.B. als kristallines Bulk-Siliziumsubstrat) bereitgestellt werden.
Weiterhin kann die Substratschicht auch mittels eines SOI-Wafers (SOI, engl.: „silicon- on-insulator") bereitgestellt werden, der bereits die Substratschicht 1 und beispielhaft auch die Funktionsschicht 3 und/oder die Zwischenschicht(en) 2 umfassen kann.
Beispielhafte SOI-Wafer können einen Handlingswafer umfassen, welcher z.B. aus kristallinem Bulk-Siliziumsubstrat bestehen kann, beispielhaft gefolgt von einer Zwischenschicht (typischerweise einem Siliziumoxid, z.B. 100 - 2000 nm).
Die Zwischenschichten (z.B. die Zwischenschichten 2 und/oder 2b) können in anderen Beispielen auch aus anderen (beispielsweise dielektrischen) Schichten bestehen, wie z.B. Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder aber Aluminiumoxid. Insbesondere können verschiedene Zwischenschichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Funktionsschicht 3 (beispielsweise bei Schichtdicken von z.B. 5-300 pm) bildet die später mechanisch wirksame Schicht aus. Die Funktionsschicht 3 kann beispielsweise aus Silizium ausgebildet sein oder Silizium umfassen, und kann beispielsweise ebenfalls aus einem reinen kristallinen Substrat bestehen (z.B. SCS, engl.: „single-crystal-silicon") oder aber mittels epitaktischen Abscheideverfahren, z.B. auch in polykristalliner Form, aufgebracht werden.
Weiterhin kann, beispielhaft mit einer weiteren dazwischenliegenden Passivierungsschicht 2b, eine piezoelektrische Schicht 4 auf der Funktionsschicht 3 aufgebracht werden. Hierbei kann bevorzugt auf der Unterseite der piezoelektrischen Schicht 4 eine elektrisch leitfähige Schicht bereitgestellt werden, die als Bodenelektrode der piezoelektrischen Schicht 4 verwendet werden kann.
Die piezoelektrische Schicht 4 kann bevorzugt piezoelektrisches Material umfassen bzw. aus piezoelektrischem Material ausgebildet sein, das bevorzugt hohe piezoelektrische und/oder ferroelektrische Konstanten hat. Beispielsweise kann die piezoelektrische Schicht 4 Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium- Scandium-Nitrid (AlScN), Bleizirkonat-Titanat (PZT) oder Niob-dotiertes PZT (PZT-Nb) umfassen. Die piezoelektrische Schicht 4 kann auch teilkristalline Polymerwerkstoffe wie z.B. PVDF (Polyvinylidenfluorid (CF2-CH2)n) umfassen.
Weiterhin kann beispielhaft die piezoelektrische Schicht 4, die auf bzw. über der Funktionsschicht 3 aufgebracht ist, im nächsten Schritt oder auch in späteren Verfahrensschritten strukturiert werden, insbesondere bevorzugt mittels eines Nass- und/oder Trockenätzverfahrens.
Die stehenbleibenden Bereiche der piezoelektrischen Schicht 4 definieren bevorzugt im späteren MEMS-Aufbau die piezoelektrischen Elemente und/oder Antriebs- und/oder Erfassungselemente (z.B. Aktuator- und/oder Sensorflächen) zum Erzeugen, Antreiben, Steuern und/oder Erfassen der Bewegungen bzw. Schwingungen der beweglich gehaltenen Bauteile bzw. Elemente des MEMS.
In einem weiteren Schritt kann beispielhaft eine Elektrodenschicht 5 auf der piezoelektrischen Schicht 4 (die optional vorher bereits strukturiert werden kann) aufgebracht werden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt kann beispielhaft die Elektrodenschicht 5, die auf bzw. über der piezoelektrischen Schicht 4 aufgebracht ist, strukturiert werden. Im beispielhaften Schritt des Strukturierens der Elektrodenschicht 5 kann beispielsweise die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die obere elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 4 ausgebildet werden.
Weiterhin kann im Schritt des Strukturierens der Elektrodenschicht 5 in einem Bereich, z.B. in der Mitte des Schichtaufbaus, beispielhaft mittels des Materials der Elektrodenschicht 5 ein Spiegel 5a (z.B. eine Spiegelschicht mit reflektierender Oberfläche) ausgebildet werden.
In derartigen Beispielen kann z.B. die Elektrodenschicht Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der Elektrodenschicht 5 bereits eine reflektierende Oberfläche hat und zur Ausbildung des Spiegels 5a geeignet ist. Beispielsweise kann hierbei eine ganzflächig abgeschiedene Topelektrodenschicht, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium, über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch strukturiert werden, z.B. mittels einer Spray-Coat-Lithographie, über einen Lift-Off-Prozess, in dem die Lithographie vor der Metallabscheidung erfolgt, oder beispielweise mittels Positiv-Fotolack-Lithographie. In einem weiteren beispielhaften Schritt kann beispielhaft die Funktionsschicht 3 in Bereichen 3a strukturiert werden. Hierbei können insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet werden. Dies umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des z.B. aus mittleren Bereichen der Funktionsschicht 3 gebildeten Spiegelträgerelements (hier beispielhaft der Bereich der Funktionsschicht 3 unter der Spiegelschicht 5a) sowie etwaige Haltestege, die aus der Funktionsschicht 3 herausgebildet werden können und die beispielsweise als haltende Federstruktur wirken können, und die das Spiegelträgerelement beispielsweise um eine, zwei oder mehrere Schwing- bzw. Torsionsachsen schwingbar halten können (z.B. um eine Schwing- /Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, z.B. über Federn der Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen).
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
Bei den im Stand der Technik üblichen Verfahren wird bei der Strukturierung der Funktionsschicht 3 üblicherweise das sogenannte Hochratenätzen bzw. reaktive lonentiefenätzen (engl. Deep Reactive Ion Etching bzw. kurz DRIE) angewendet, um die tiefen Gräben (engl. Trenches) in der Funktionsschicht 3 (z.B. Bereiche 3a) auszubilden. Beispielsweise kann das reaktive lonentiefenätzen zum Strukturieren der Funktionsschicht 3 unter der Verwendung einer Photolithographiemaske durchgeführt werden.
In einem weiteren beispielhaften Schritt kann der Schichtaufbau rückseitig geöffnet werden, um die Funktionsschicht 3 auf der Seite (Rückseite), die der piezoelektrischen Schicht 4 gegenüberliegt, freizulegen.
In einem weiteren beispielhaften Schritt kann der hergestellte Schichtaufbau in einer vakuumgepackten MEMS-Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1B bereitgestellt werden.
Hierbei kann beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 6 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und/oder von unten mit einem Bodenelement bzw. Grundkörperelement 7 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen werden (z.B. Vakuumverkapselung). In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar, z.B. auch ein schräges Fenster oder ein planares Fenster). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. aus Glas bzw. anderen optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Somit kann eine vakuumgepackte (bzw. vakuumverkapselte) MEMS-Spiegelvorrichtung 100 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch angetriebenem, auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 5a gemäß Fig. 1B bereitgestellt werden.
Im Folgenden werden verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben. Etwaige Details bzw. beispielhafte Merkmale aus den vorstehenden Beispielen, insbesondere zu einzelnen Verfahrensschritten und Materialien, können auch für die untenstehenden Ausführungsbeispiele analog gelten, es sei denn, es wird explizit auf Unterschiede hingewiesen. Weiterhin können auch Beschreibungen zu Details bzw. beispielhaften Merkmale aus den folgenden Ausführungsbeispielen, insbesondere zu einzelnen Verfahrensschritten und Materialien, auch für andere Ausführungsbeispiele analog gelten, es sei denn, es wird explizit auf Unterschiede hingewiesen.
Fig. 2 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines Ausführungsbeispiels. In weiteren möglichen Ausführungsbeispielen können auch die Reihenfolgen der Schritte unterschiedlich sein, Schritte weggelassen und/oder zusätzliche Schritte hinzugefügt werden.
Eine Grundidee einiger Ausführungsbeispiele ist, dass die zumindest eine Funktionsschicht, die später die mechanisch wirksame Schicht der MEMS-Vorrichtung ausbildet, im Unterschied zu dem vorstehenden Hintergrundbeispiel aus piezoelektrischem und/oder ferroelektrischem Material ausgebildet wird.
Somit wird beispielhaft bereits die mechanisch wirkende Funktionsschicht (d.h. insbesondere die Schicht oder die Schichten, die die beweglichen bzw. schwingenden Elemente des MEMS ausbildet bzw. ausbilden) ferro- und/oder piezoelektrisch ausgebildet, wobei diese ferro- und/oder piezoelektrisch ausgebildete Funktionsschicht zudem auch die Amplitude und/oder Frequenz der Bewegungen bzw. Schwingungen im MEMS als Aktuator funktionierend antreibt und/oder als Sensor funktionierend erfasst. Es muss somit keine weitere piezoelektrische Schicht auf der Funktionsschicht abgeschieden werden.
Dies ermöglicht somit beispielhaft im Unterschied zum vorstehenden Hintergrundbeispiel und insbesondere auch im Gegensatz zum Stand der Technik vorteilhaft die Einsparung vieler Herstellungsschritte, einschließlich verschiedener Abscheidungsschritte, wie z.B. der Abscheidung der Funktionsschicht 3 und die Abscheidung der piezoelektrischen Schicht 4, und auch das rückseitige Öffnen bzw. Freilegen der Funktionsschicht 3 (z.B. durch rückseitiges Öffnen der Substratschicht 1 im vorstehenden Hintergrundbeispiel). Folglich können erhebliche Kosten- und Zeitersparnisse im Herstellungsprozess ermöglicht werden.
Zudem kann in einigen Ausführungsbeispielen das Ausgangssubstrat, das die Funktionsschicht 3 umfasst, in einigen Ausführungsbeispielen als ein oder mehrschichtiges piezoelektrisches Einkristall oder Polykristall bereitgestellt werden. Dies ermöglicht verbesserte bzw. optimierte piezoelektrische Eigenschaften mit optimierten piezoelektrischen Koeffizienten, insbesondere im Vergleich zu vorbekannten Verfahren, in denen die piezoelektrische Schicht im Prozess auf das Ausgangssubstrat abgeschieden wird.
Hierbei kann (z.B. statt eines Schichtaufbaus mit Substratschicht 1 und Funktionsschicht 3) direkt eine Substratschicht 10 eines ferro-/piezoelektrischen Materials bereitgestellt werden, im Folgenden piezoelektrische Funktionsschicht 10 genannt; siehe z.B. Fig. 2 (i).
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die piezoelektrische Funktionsschicht 10 als Substrat eines ferro-/piezoelektrischen Einkristalls oder Polykristalls bereitgestellt werden. Die piezoelektrische Funktionsschicht 10 kann jedoch auch zumindest teilweise amorph vorliegen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Schichtdicke der piezoelektrischen Funktionsschicht 10 im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, beispielhaft sogar im Wesentlichen größer oder gleich 200 pm betragen. In Ausführungsbeispielen kann die piezoelektrischen Funktionsschicht 10 mit einer Schichtdicke von im Wesentlichen größer oder gleich 100pm und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1 mm bereitgestellt werden.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die piezoelektrische Funktionsschicht 10 ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen bzw. aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material ausgebildet sein, das bevorzugt hohe piezoelektrische und/oder ferroelektrische Konstanten hat. Beispielsweise kann die piezoelektrische Funktionsschicht 10 Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN), Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), Niob-dotiertes PZT (PZT-Nb) und/oder Quarz umfassen oder aus einem der genannten Materialien bestehen.
In einem weiteren Schritt kann auf einer Seite der bereitgestellten piezoelektrischen Funktionsschicht 10 eine elektrisch leitende Schicht, im Folgenden als erste Elektrodenschicht 11 bezeichnet, aufgebracht bzw. auf dieser abgeschieden werden; siehe z.B. Fig. 2 (ii).
In einem weiteren Schritt kann die erste Elektrodenschicht 11 strukturiert werden; siehe z.B. Fig. 2 (iii). Hierbei können in Ausführungsbeispielen die oberen (vorderseitigen) Elektrodenflächen für die Auslenkung des Piezokristalls bzw. der piezoelektrischen Funktionsschicht 10 ausgebildet werden. Im beispielhaften Schritt des Strukturierens der ersten Elektrodenschicht 11 kann so die gewünschte Struktur der oben liegenden Elektrode (Topelektrode) für die obere (vorderseitige) elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Funktionsschicht 10 ausgebildet werden.
In einigen Ausführungsbeispielen, z.B. bei der Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Spiegelvorrichtung, können in diesem Schritt auch ein oder mehrere Spiegel bzw. Spiegelplatten, wie z.B. Spiegel 111 in Fig. 2(iii), herausgearbeitet werden. So kann im Schritt des Strukturierens der ersten Elektrodenschicht 11 in Bereichen, z.B. in der Mitte, des Schichtaufbaus mittels des Materials der Elektrodenschicht 11 beispielhaft ein Spiegel 111 (z.B. eine Spiegelschicht mit elektromagnetische Strahlung reflektierender Oberfläche) ausgebildet werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Elektrodenschicht 11 beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 11 bevorzugt bereits eine reflektierende Oberfläche haben kann und/oder zur Ausbildung des Spiegels 111 geeignet ist.
Beispielsweise kann hierbei eine ganzflächig abgeschiedene Topelektrodenschicht, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium, über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch strukturiert werden, z.B. mittels einer Spray-Coat-Lithographie oder alternativ über einen Lift-Off-Prozess, in dem die Lithographie vor der Metallabscheidung erfolgt. Das Aufbringen der Elektrodenschicht kann in einigen Ausführungsbeispielen auch mittels einer Schattenmaskenabscheidung erfolgen. In weiteren Beispielen ist es möglich, eine nicht-reflektierende Elektrodenschicht (oder auch z.B. eine weniger gut reflektierende Elektrodenschicht, z.B. Reflektion im Wesentlichen kleiner oder gleich 60% im relevanten Wellenlängenbereich) und/oder eine nicht-metallische Elektrodenschicht vorzusehen (z.B. dotiertes polykristallines Silizium), wobei dann eine weitere, beispielsweise metallische, Spiegelschicht (z.B. als dünnschichtiger Metallfilm) in einem weiteren Prozessschritt, z.B. in der Mitte, zur Ausbildung eines Spiegels aufgebracht werden kann.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der (vorderseitigen) metallischen Elektrodenschicht 11 bzw. Spiegelschicht 111 je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung (z.B. im Wesentlichen größer oder gleich 85% im relevanten Wellenlängenbereich), beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400- 700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm).
In einem weiteren Schritt kann auf einer Seite der piezoelektrischen Funktionsschicht 10, die der ersten Elektrodenschicht 11 gegenüberliegt (d.h. z.B. rückseitig), eine weitere elektrisch leitende Schicht, im Folgenden als zweite Elektrodenschicht 12 (bzw. Gegenelektrode) bezeichnet, aufgebracht bzw. auf dieser abgeschieden werden; siehe z.B. Fig. 2 (iv).
In einigen Ausführungsbeispielen kann die zweite Elektrodenschicht 12 beispielweise Metall, insbesondere Aluminium, umfassen.
Beispielsweise kann hierbei eine ganzflächig abgeschiedene Bodenelektrodenschicht, z.B. aus Metall, insbesondere beispielsweise Aluminium, über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch strukturiert werden, z.B. mittels einer Spray-Coat-Lithographie oder alternativ über einen Lift-Off-Prozess, in dem die Lithographie vor der Metallabscheidung erfolgt. Das Aufbringen der Elektrodenschicht kann in einigen Ausführungsbeispielen auch mittels einer Schattenmaskenabscheidung erfolgen.
In weiteren Beispielen ist es möglich, eine nicht-reflektierende bzw. eine nichtmetallische Elektrodenschicht vorzusehen (z.B. dotiertes polykristallines Silizium).
In einem weiteren Schritt kann die zweite Elektrodenschicht 12 strukturiert werden; siehe z.B. Fig. 2 (v). Hierbei können in Ausführungsbeispielen die unteren Elektrodenflächen für die AusLenkung des PiezokristaLLs bzw. der piezoelektrischen Funktionsschicht 10 ausgebildet werden. Im beispielhaften Schritt des Strukturierens der zweiten Elektrodenschicht 12 kann so die gewünschte Struktur der unten liegenden Elektrode (z.B. rückseitige Bodenelektrode) für die untere elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Funktionsschicht 10 ausgebildet werden. Die strukturierte Elektrodenschicht 12 kann somit als Gegenelektrode bzw. Gegenelektrodenfläche(n) zu den Elektroden der ersten Elektrodenschicht 11 verwendet werden, z.B. für das negative Potential.
In einem weiteren Schritt kann die piezoelektrische Funktionsschicht 3 strukturiert werden; siehe z.B. Fig. 2 (vi). Hierbei können insbesondere die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in der Funktionsschicht ausgebildet werden. Dies umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des aus (z.B. mittleren) Bereichen der Funktionsschicht 10 gebildeten Spiegelträgerelements (hier beispielhaft der Bereich der Funktionsschicht 10 unter der Spiegelschicht 111) sowie der Haltestege, die aus der Funktionsschicht 10 herausgebildet werden können und beispielsweise als haltende Federstruktur wirken können, und die das Spiegelträgerelement beispielsweise um eine, zwei oder mehrere Schwing- bzw. Torsionsachsen schwingbar halten können (z.B. um eine Schwing- /Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen (z.B. über Federn der Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern), insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen).
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
Die Strukturierung der Funktionsschicht 10 kann über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch erfolgen. Hierbei kann die Strukturierung der Funktionsschicht 10 zusammen mit der Strukturierung der zweiten Elektrodenschicht 12 oder zumindest mit der gleichen Maske erfolgen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Strukturierung der Funktionsschicht 10 auch unabhängig von der Strukturierung der zweiten Elektrodenschicht 12 und/oder mit einer weiteren photolithographischen Maske erfolgen (z.B. mit einer nachgelagerten Ätzung der durch Photolack der photolithographischen Maske ungeschützten Flächen).
Auch andere Strukturierungsverfahren sind in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, z.B. mittels Laserabtragung oder auch mittels des sog. LIDE-Verfahrens (engl.: Laser Induced Deep Etching), bei dem beispielsweise der Kristall chemisch-physikalisch verändert wird, in Bereichen, in denen der Kristall belichtet bzw. bestrahlt wurde, derart, dass dort wesentlich höhere Ätzraten auftreten (z.B. in Nasschemie) als in denjenigen Bereichen, die nicht belichtet bzw. bestrahlt worden sind.
In vorstehenden Ausführungsbeispielen kann beispielhaft vorgesehen sein, dass die Elektrodenschichten 11 und 12 auf jeweiligen Seiten (z.B. vorderseitig und rückseitig) der ferro- und/oder piezoelektrischen Funktionsschicht 10 aufgebracht bzw. abgeschieden werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist es zweckmäßig möglich, bereits ein Ausgangssubstrat bereitzustellen, das die ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschicht 10 umfasst und bei dem beispielsweise eine oder beide der Elektrodenschichten 11 und 12 bereits aufgebracht sind, z.B. mit der Funktionsschicht 10 verklebt, bzw. als ein laminierter Schichtverbund, der bereits die Funktionsschicht 10 sowie die erste Elektrodenschicht 11 und/oder die zweite Elektrodenschicht 12 umfasst.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte schematische funktionale Schnittdarstellung eines Schichtaufbaus, der beispielsweise gemäß Fig. 2 hergestellt ist, in einer beispielhaften elektrischen Verschaltung für den Antrieb.
Auf der rechten Seite in Fig. 3 ist beispielhaft schematisch gezeigt, dass zwischen zumindest einer Elektrode der ersten Elektrodenschicht 11 und zumindest einer Elektrode der zweiten Elektrodenschicht 12 bevorzugt mindestens eine Wechselspannung angelegt werden kann, um beispielsweise die Spannungserzeugung bzw. den Spannungsabfall über das Piezosubstrat bzw. die piezoelektrische Funktionsschicht 10 zu steuern (und/oder zu erfassen). In weiteren Ausführungsbeispielen können auch mehrere Wechselspannungsquellen für unterschiedliche Aktuator-Flächen verwendet werden (z.B. mit unterschiedlichen Frequenzen für Schwingungen in quer bzw. senkrecht zueinanderstehenden Torsions- bzw. Schwingachsen (z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern), z.B. für 2D-Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante 2D- Lissajous-Scanbewegungen des Spiegels 111). Die dünn gestrichelten Pfeile in Fig. 3 illustrieren beispielhaft schematisch die steuerbare bzw. anregbare und/oder erfassbare Auslenkung der piezoelektrischen Funktionsschicht 10, wodurch eine Schwingung bzw. oszillierende Bewegung des Spiegelträgerelements der piezoelektrischen Funktionsschicht 10, das unter dem Spiegel 111 angeordnet ist, angetrieben und/oder erfasst werden kann. Der dicke gestrichelte Pfeil in Fig. 3 illustriert beispielhaft schematisch die Reflektion eines Lichtstrahls auf dem (schwingenden bzw. bewegten) Spiegel 111.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte schematische funktionale Schnittdarstellung eines Schichtaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer weiteren beispielhaften elektrischen Verschaltung für den Antrieb.
Im Unterschied zu dem Beispiel aus Fig. 3 kann in weiteren Ausführungsbeispielen, wie z.B. in Fig. 4 beispielhaft gezeigt ist, eine Durchkontaktierung der zweiten (rückseitigen) Elektrodenschicht 12 erfolgen, bei der zumindest in einem beispielhaft seitlichen (oder mittleren) Bereich der Funktionsschicht 10 die zweite Elektrodenschicht 12 (beispielhaft auf der linken Seite in Fig. 4) bzw. zumindest ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht 12 (oder ein mit der zweiten Elektrodenschicht 12 elektrisch verbundener Elektrodenabschnitt) auf die Seite (Vorderseite) der Funktionsschicht 10 geführt wird, auf der die erste Elektrodenschicht 11 angeordnet ist. Eine derartige Durchkontaktierung kann beispielsweise durch oder entlang eines oder mehrerer strukturierter Bereiche der Funktionsschicht 10 erfolgen (z.B. an einer oder mehreren Seitenwänden eines oder mehrerer strukturierten Bereiche bzw. strukturierter Gräben der Funktionsschicht 10).
Dies ermöglicht vorteilhaft, die elektrische Kontaktierung der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenschichten 11 und 12 auf der gleichen Seite (vorderseitig) der Funktionsschicht 10 bereitzustellen. So kann die Komplexität des Aufbaus des MEMS und insbesondere der Kontaktierung- bzw. Verbindungstechnik vereinfacht werden. Beispielsweise können einfache Drahtbonds auf der Vorderseite gesetzt werden und/oder einfache Solderballs auf der Rückseite bereitgestellt werden.
Auf der Oberseite (Vorderseite) ist beispielhaft schematisch gezeigt, dass zwischen zumindest einer Elektrode der ersten Elektrodenschicht 11 und zumindest einer Elektrode der zweiten Elektrodenschicht 12 mit beispielhafter Kontaktierung auf der Oberseite (Vorderseite) bevorzugt mindestens eine Wechselspannung angelegt werden kann, um beispielsweise die Spannungserzeugung bzw. den Spannungsabfall über das Piezosubstrat bzw. die piezoelektrische Funktionsschicht 10 zu steuern (und/oder zu erfassen). In Ausführungsbeispielen können auch hier bevorzugt mehrere Wechselspannungsquellen für unterschiedliche Aktuator-Flächen verwendet werden (z.B. mit unterschiedlichen Frequenzen für Schwingungen in quer bzw. senkrecht zueinanderstehenden Torsions- bzw. Schwingachsen (z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern), z.B. für 2D-Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante 2D- Lissajous-Scanbewegungen des Spiegels 111).
Fig.5 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer MEMS-Vorrichtung 200, die beispielhaft den Schichtaufbau gemäß Fig. 3 umfasst. Hierbei kann beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 6 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und/oder von unten mit einem Bodenelement bzw. Grundkörperelement 7 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen werden (z.B. Vakuumverkapselung).
Fig.6 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer MEMS-Vorrichtung 300, die beispielhaft den Schichtaufbau gemäß Fig. 4 umfasst. Hierbei kann beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 6 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und/oder von unten mit einem Bodenelement bzw. Grundkörperelement 7 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen werden (z.B. Vakuumverkapselung).
In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar, z.B. auch ein schräges Fenster oder ein planares Fenster). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Folglich kann beispielhaft eine vakuumgepackte (bzw. vakuumverkapselte) MEMS- Spiegelvorrichtung 200 bzw. 300 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den jeweils hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 111 bereitgestellt werden, die beispielhaft für ID- und/oder 2D-Scanbewegungen des Spiegels 111 (z.B. 2D-Scanbewegungen für Lissajous-Scans oder bevorzugt resonante 2D-Scanbewegungen für Lissajous-Scans, d.h. z.B. ein bi-resonanter Spiegel 111 mit zwei resonanten Achsen für Lissajous-Scans, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern) eingerichtet sein kann. In Figs. 5 und 6 wird eine beispielhafte feste Einspannung des Schichtaufbaus (insbesondere um im Außenbereich die Federstrukturen zu halten, die das Spiegelträgerelement bzw. den Spiegel 111 halten), die in den Figs. 3 und 4 nur beispielhaft schematisch dargestellt ist, beispielhaft durch die Befestigung an dem beispielhaften Bodenelement bzw. Grundkörperelement 7 bereitgestellt.
Fig. 7 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines weiteren Ausführungsbeispiels. In weiteren möglichen Abfolgen können auch die Reihenfolgen der Schritte unterschiedlich sein, Schritte weggelassen und/oder zusätzliche Schritte hinzugefügt werden.
Während in vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen das jeweilige Ausgangssubstrat beispielhaft mit einer ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10 bereitgestellt ist, wird nun im Unterschied zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen beispielhaft ein Ausgangssubstrat gemäß Fig. 7 (i) bereitgestellt, das beispielhaft zwei ferro- bzw. piezoelektrische Funktionsschichten 10a und 10b umfasst. Diese beiden ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b (bzw. die ferro- bzw. piezoelektrischen Schichten 10a und 10b, die die Funktionsschicht ausbilden) können das gleiche ferro- bzw. piezoelektrische Material umfassen und/oder auch unterschiedliche ferro- bzw. piezoelektrische Materialien.
Beispielhaft kann das Ausgangssubstrat gemäß Fig. 7 (i) auch bereits derart bereitgestellt sein, dass zwischen den zwei ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b eine (zweite) Elektrodenschicht 12, z.B. eine metallische Elektrodenschicht, angeordnet ist. Beispielhaft kann das Ausgangssubstrat gemäß Fig. 7 (i) in einigen Ausführungsbeispielen derart bereitgestellt werden, dass die zwei ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b und die beispielhaft dazwischenliegende (zweite) Elektrodenschicht 12 geklebt bzw. laminiert verbunden sind.
Auf gegenüberliegenden äußeren Seiten (z.B. Vorder- und Rückseite) des Ausgangssubstrats gemäß Fig. 7 (i) sind beispielhaft jeweilige (erste) Elektrodenschichten 11a und 11b angeordnet. Diese (ersten) Elektrodenschichten 11a und 11b können beispielsweise entweder auf das Ausgangssubstrat aufgebracht werden (z.B. durch Abscheideprozesse) oder auch beispielhaft bereits im Ausgangssubstrat umfasst bereitgestellt werden (z.B. an der jeweiligen Funktionsschicht 10a/10b verklebt bzw. laminiert). Im beispielhaften Herstellungsverfahren gemäß Fig. 7 kann weiterhin die oben (vorderseitig) liegende (erste) Elektrodenschicht 11a strukturiert werden (z.B. analog zu Elektrodenschicht 11 in Fig. 2 (iii)); siehe z.B. Fig. 7 (ii).
So kann im Schritt des Strukturierens der (ersten) Elektrodenschicht 11a, z.B. in der Mitte des Schichtaufbaus, mittels des Materials der Elektrodenschicht 11a beispielhaft ein Spiegel 111 (z.B. Spiegelschicht mit reflektierender Oberfläche) ausgebildet werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die (erste) Elektrodenschicht 11a beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium, umfassen, so dass die Oberfläche der (ersten) Elektrodenschicht 11a beispielsweise bereits eine reflektierende Oberfläche umfasst und/oder zur Ausbildung des Spiegels 111 geeignet ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der metallischen (ersten) Elektrodenschicht 11a bzw. Spiegelschicht 111 je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung, beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400- 700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm).
Im beispielhaften Herstellungsverfahren gemäß Fig. 7 kann weiterhin die erste ferro- bzw. piezoelektrische Funktionsschicht 10a analog zu Fig. 2 (vi) strukturiert werden; siehe beispielsweise Fig. 7 (iii).
Die (vorderseitige) Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10a kann über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch erfolgen. Hierbei kann die Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10a in einigen Ausführungsbeispielen zusammen mit der Strukturierung der Elektrodenschicht 12 oder zumindest mit der gleichen Maske erfolgen.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10a unabhängig von der Strukturierung der Elektrodenschichten 11a und/oder 12 und/oder mit einer weiteren photolithographischen Maske erfolgen (z.B. mit einer nachgelagerten Ätzung der durch Photolack der photolithographischen Maske ungeschützten Flächen) . Auch andere Strukturierungsverfahren sind in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, z.B. Struktmittels Laserabtragung oder auch mittels des sog. LIDE-Verfahrens (engl.: Laser Induced Deep Etching). Im beispielhaften Herstellungsverfahren gemäß Fig. 7 kann weiterhin die unten (rückseitig) liegende (erste) Elektrodenschicht 11b strukturiert werden; siehe z.B. Fig. 7 (iv). In einigen Ausführungsbeispielen kann die (erste) Elektrodenschicht 11b beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium, umfassen.
Im beispielhaften Herstellungsverfahren gemäß Fig. 7 kann weiterhin die zweite ferro- bzw. piezoelektrische Funktionsschicht 10b (analog zur Funktionsschicht 10a) strukturiert werden; siehe beispielsweise Fig. 7 (v).
Die (rückseitige) Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10b kann über photolithographische Schritte nass- und oder trockenchemisch erfolgen. Hierbei kann die Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10b zusammen mit der Strukturierung der Elektrodenschicht 12 oder zumindest mit der gleichen Maske erfolgen.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Strukturierung der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht 10b unabhängig von der Strukturierung der Elektrodenschichten 11b und/oder 12 und/oder mit einer weiteren photolithographischen Maske erfolgen (z.B. mit einer nachgelagerten Ätzung der durch Photolack der photolithographischen Maske ungeschützten Flächen). Auch andere Strukturierungsverfahren sind in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, z.B. mittels Laserabtragung oder auch mittels des sog. LIDE-Verfahrens (engl.: Laser Induced Deep Etching).
Im beispielhaften Herstellungsverfahren gemäß Fig. 7 kann weiterhin die (zweite) Elektrodenschicht 12 (Gegenelektrode) strukturiert werden; siehe z.B. Fig. 7 (vi). In einigen Ausführungsbeispielen kann die (zweite) Elektrodenschicht 12 beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium, umfassen.
Hierbei können durch das Strukturieren der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht(en), insbesondere durch das Strukturieren der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b (und die Strukturierung der Elektrodenschicht 12), die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in den ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b ausgebildet werden.
Dies umfasst beispielsweise das Ausbilden bzw. Freilegen des aus (z.B. mittleren) Bereichen der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a und 10b gebildeten Spiegelträgerelements (hier beispielhaft der Bereich unter der Spiegelschicht 111) sowie die Haltestege, die aus den Funktionsschichten 10a und 10b herausgebildet werden können und beispielsweise als haltende Federstruktur wirken können, und die beispielsweise das SpiegeLträgereLement um eine, zwei oder mehrere Schwing- bzw. Torsionsachsen schwingbar halten können (z.B. um eine Schwing-/Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, z.B. über Federn der Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, T orsionsfedern und/oder Meanderfedern, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen).
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das SpiegeLträgereLement derart zu halten, dass das SpiegeLträgereLement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
In einigen Ausführungsbeispielen mit zwei oder mehr ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten können im Vergleich zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit einer ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht bei Bedarf vorteilhaft noch größere Auslenkungen und/oder noch größere wirkende Kräfte bzw. Drehmomente ermöglicht werden, falls dies je nach Anwendungsfall erforderlich oder gewünscht ist. In weiteren Ausführungsbeispielen mit zwei oder mehr ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten kann im Vergleich zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit einer ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht bei Bedarf vorteilhaft die Antriebsspannung bei gleichbleibenden Auslenkwinkeln verringert werden, falls dies je nach Anwendungsfall erforderlich oder gewünscht ist.
Bevorzugt können hierbei zwischen der (ersten) Elektrodenschicht 11a und der (zweiten) Elektrodenschicht 12 (Gegenelektrode) und/oder zwischen der (ersten) Elektrodenschicht 11b und der (zweiten) Elektrodenschicht 12 (Gegenelektrode) jeweilige ein oder mehrere Wechselspannungen angelegt werden, wobei die an den (ersten) Elektrodenschichten 11a und 11b angelegten Wechselspannungen relativ zueinander phasengleich oder phasenverschoben sein können, bei gleicher oder unterschiedlicher Frequenz liegen können und/oder auch bei gleicher oder unterschiedlicher Amplitude liegen können. In einigen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Wechselspannungsquellen für unterschiedliche Aktuator-Flächen verwendet werden (z.B. mit unterschiedlichen Frequenzen für Schwingungen in quer bzw. senkrecht zueinanderstehenden Torsions- bzw. Schwingachsen z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern, z.B. für 2D-Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante 2D-Lissajous-Scanbewegungen des Spiegels 111). Fig. 8 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer MEMS- Vorrichtung 400, die beispielhaft den Schichtaufbau gemäß Fig. 7 (vi) umfasst. Auch hierbei kann beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 6 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und/oder von unten mit einem Bodenelement bzw. Grundkörperelement 7 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen werden (z.B. Vakuumverkapselung).
In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar, z.B. auch ein schräges Fenster oder ein planares Fenster). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Folglich kann beispielhaft eine vakuumgepackte (bzw. vakuumverkapselte) MEMS- Spiegelvorrichtung 400 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 111 bereitgestellt werden, die beispielhaft für ID- und/oder 2D-Scanbewegungen des Spiegels 111 (z.B. 2D- Scanbewegungen oder bevorzugt resonanten 2D-Scanbewegungen für Lissajous-Scans, d.h. z.B. ein bi-resonanter Spiegel 111 mit zwei resonanten Achsen für Lissajous-Scans, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern) eingerichtet sein kann.
Fig. 9 zeigt beispielhafte Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus während eines Herstellungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Herstellungsabfolge eines weiteren Ausführungsbeispiels. Hierbei ist beispielhaft nur das beispielhafte Ausgangssubstrat (siehe Fig- 9 (i)) und der beispielhaft fertige Schichtaufbau (siehe Fig. 9 (ii)) gezeigt. Etwaige dazwischenliegende Strukturierungsschritte der Funktions- und Elektrodenschichte können analog zu vorstehenden Ausführungsbeispielen in verschiedenen möglichen Weisen und Reihenfolgen ausgeführt werden.
Beispielhaft wird nun im Unterschied zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen beispielhaft ein Ausgangssubstrat gemäß Fig. 9 (i) bereitgestellt, das beispielhaft drei ferro- bzw. piezoelektrische Funktionsschichten 10a, 10b und 10c umfasst. Diese drei ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und 10c (bzw. die ferro- bzw. piezoelektrischen Schichten 10a, 10b und 10c, die die Funktionsschicht ausbilden) können das gleiche ferro- bzw. piezoelektrische Material umfassen und/oder auch unterschiedliche ferro- bzw. piezoelektrische Materialien.
Beispielhaft kann das Ausgangssubstrat gemäß Fig. 9 (i) auch bereits derart bereitgestellt sein, dass zwischen jeweiligen benachbarten ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten eine jeweilige Elektrodenschicht 11b (erste Elektrodenschicht) bzw. Elektrodenschicht 12a (zweite Elektrodenschicht), z.B. als metallische Elektrodenschicht(en), angeordnet sind. Beispielhaft kann das Ausgangssubstrat gemäß Fig. 9 (i) in einigen Ausführungsbeispielen derart bereitgestellt werden, dass die ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und 10c und die beispielhaft jeweils dazwischenliegenden (ersten und/oder zweiten) Elektrodenschichten 11b bzw. 12a bereits geklebt bzw. laminiert verbunden sind.
Auf gegenüberliegenden äußeren Seiten (z.B. Vorder- und Rückseite) des Ausgangssubstrats gemäß Fig. 9 (i) sind beispielhaft jeweilige Elektrodenschichten 11a (erste Elektrodenschicht) und 12b (zweite Elektrodenschicht) angeordnet. Die Elektrodenschichten 11a und 12b können beispielsweise entweder auf das Ausgangssubstrat aufgebracht werden (z.B. durch Abscheideprozesse) oder auch beispielhaft bereits im Ausgangssubstrat umfasst bereitgestellt werden (z.B. an der jeweiligen Funktionsschicht 10a/10c verklebt bzw. laminiert).
Die (zweiten) Elektrodenschichten 12a und 12b bilden beispielhaft jeweils die entsprechenden Gegenelektroden zu den jeweiligen (ersten) Elektrodenschichten 10a, 10b und 10c, so dass beispielhaft jede ferro- bzw. piezoelektrische Funktionsschicht jeweils zwischen einer jeweiligen ersten Elektrodenschicht und einer jeweiligen zweiten Elektrodenschicht (entsprechende Gegenelektrode) angeordnet ist. Die Elektrodenschichten 12a und/oder 12b können beispielweise analog zu den Elektrodenschichten 11a und/oder 11b strukturiert werden. Im Allgemeinen müssen die Elektrodenschichten 11a und/oder 12a und/oder die Elektrodenschichten 11b und/oder 12b nicht symmetrisch ausgeprägt sein.
Hierbei können durch das Strukturieren der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschicht(en), insbesondere durch das Strukturieren der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und 10c (und z.B. auch die Strukturierung der Elektrodenschichten 12a und 11b), die mechanisch wirksamen Strukturen der MEMS-Vorrichtung in den ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und 10c ausgebildet werden; siehe z.B. Fig. 9 (ii). Dies umfasst beispielsweise das Ausbilder) bzw. Freilegen des aus (z.B. mittleren) Bereichen der ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und 10c gebildeten Spiegelträgerelements (hier beispielhaft der Bereich unter der Spiegelschicht 111) sowie die Haltestege, die aus den Funktionsschichten 10a, 10b und 10c herausgebildet werden können und beispielsweise als haltende Federstruktur wirken können, und die beispielsweise das Spiegelträgerelement um eine, zwei oder mehrere Schwing- bzw. Torsionsachsen schwingbar halten können (z.B. um eine Schwing-/Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, z.B. über Federn der Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, T orsionsfedern und/oder Meanderfedern, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen). Im Allgemeinen müssen die ferro- bzw. piezoelektrischen Funktionsschichten 10a, 10b und/oder 10c nicht symmetrisch strukturiert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur Federn, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
Die jeweiligen Elektrodenschichten 11a, 12a, 11b und/oder 12b können beispielhaft aus Metall, bevorzugt Aluminium, bestehen oder Metall, bevorzugt Aluminium, umfassen, z.B. entweder aus dem gleichen Metall oder auch aus unterschiedlichen Metallen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Material der metallischen Elektrodenschicht 11a bzw. Spiegelschicht 111 je nach gewünschter Anwendung für den jeweiligen Wellenlängenbereich gewählt werden, insbesondere mit sehr gutem Reflexionsverhalten im Wellenlängenbereich der gewünschten Anwendung, beispielweise Aluminium oder Silber für sichtbares Licht (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 400- 700nm) oder Gold für Infrarotlicht bzw. Infrarotstrahlung (z.B. im Wesentlichen bei Wellenlängen von 850-2000nm).
Fig. 10 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung einer MEMS- Vorrichtung 500, die beispielhaft den Schichtaufbau gemäß Fig. 9 (ii) umfasst. Auch hierbei kann beispielhaft der Schichtaufbau von oben mit einem lichtdurchlässigen Abdeckelement 6 (z.B. ein lichtdurchlässiges Kuppelelement bzw. eine Glaskuppel) und/oder von unten mit einem BodeneLement bzw. GrundkörpereLement 7 unter Vakuumatmosphäre hermetisch abgeschlossen werden (z.B. Vakuumverkapselung).
In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch anders geformte Abdeckelemente bzw. 3D-geformte Abdeckelemente möglich (z.B. eckig oder planar, z.B. auch ein schräges Fenster oder ein planares Fenster). Das Material der Abdeckelemente ist bevorzugt lichtdurchlässig, z.B. Glas bzw. andere optisch transparente Materialien (z.B. ca. 400-2500 nm), wie z.B. Borosilikatglas (z.B. Borofloat® BF33 der Fa. SCHOTT).
Folglich kann beispielhaft eine vakuumgepackte (bzw. vakuumverkapselte) MEMS- Spiegelvorrichtung 500 (z.B. ein MEMS-Spiegelscanner), die den hergestellten Schichtaufbau umfasst, mit piezoelektrisch auslenkbaren bzw. steuerbaren Spiegel 111 bereitgestellt werden, die beispielhaft für (bevorzugt resonante) ID- und/oder 2D-Scanbewegungen des Spiegels 111 (z.B. 2D-Scanbewegungen für Lissajous-Scans, d.h. z.B. ein bi-resonanter Spiegel 111 mit zwei resonanten Achsen für Lissajous-Scans, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern) eingerichtet sein kann.
Im Betrieb können derartige vorstehend beispielhaft beschriebene Schichtaufbauten mit ein, zwei, drei oder mehr ferro- und/oder piezoelektrischen Funktionsschichten für eine MEMS-Vorrichtung bzw. derartige MEMS-Vorrichtungen gemäß einigen Ausführungsbeispielen für periodische Bewegungen bzw. Schwingungen im Frequenzbereich von ca. 1 Hz bis in den kHz-Bereich eingerichtet werden, in Ausführungsbeispielen bevorzugt für Frequenzen im Wesentlichen kleiner oder gleich 200 kHz und insbesondere bevorzugt für Frequenzen im Wesentlichen kleiner oder gleich 100 kHz. Dies unterscheidet derartige MEMS-Vorrichtungen unter anderem auch im Anwendungsbereich von sog. Schwingquarzvorrichtungen, die für den Frequenzbereich im MHz-Bereich eingerichtet sind.
In vorstehenden Ausführungsbeispielen liegt insbesondere eine Idee zugrunde, dass beispielsweise statt eines Siliziumsubstrats als Ausgangssubstrat ein Substrat verwendet werden kann, welches ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, und insbesondere zumindest eine Funktionsschicht umfasst, die ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst. Insbesondere kann das Ausgangssubstrat in einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt eine oder mehrere ferro- und/oder piezoelektrische Schichten bzw. eine oder mehrere Funktionsschichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material umfassen.
So können zahlreiche Prozessschritte kosten- und zeitsparend eingespart werden, insbesondere da Abscheideprozesse, z.B. einer piezoelektrischen Schicht, vermieden werden können. Zudem kann das ferro- und/oder piezoelektrische Substrat die zumindest eine Funktionsschicht ausbilden, in der später die beweglichen Elemente des MEMS und/oder die diese haltende Federstruktur ausgebildet werden kann. Die zumindest eine Funktionsschicht kann vorzugsweise sowohl die mechanisch wirksame Schicht ausbilden und gleichzeitig auch als Aktuator und/oder Sensor die schwingenden Bewegungen antreiben und/oder erfassen.
Unter „mechanisch wirksam" ist hier in Bezug auf ein MEMS insbesondere zu verstehen, dass die mechanisch wirksame Schicht bzw. die zumindest eine mechanisch wirksame Funktionsschicht (engl. Device Layer) des MEMS-Schichtaufbaus bevorzugt diejenige Schicht ausbildet, die entsprechend ihrer Strukturierung dazu ausgelegt bzw. ausgebildet ist, eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung auszuführen, bzw. derart, dass ein oder mehrere Strukturen oder Körper, die in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht herausgebildet sind, eine eindimensionale oder zweidimensionale Schwingungsbewegung ausführen können (z.B. um eine Schwing- /Torsionsachse oder um zwei bevorzugt quer bzw. insbesondere senkrecht zueinander stehenden Schwing-/Torsionsachsen, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Biegefedern, Torsionsfedern und/oder Meanderfedern, insbesondere z.B. für Lissajous-Scanbewegungen oder bevorzugt resonante Lissajous-Scanbewegungen).
Bevorzugt kann hierfür auch die Halte- und/oder Federstruktur für die beweglichen Strukturen oder Körper der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht in dieser mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildet sein.
Weiterhin kann die Ausbildung der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht bevorzugt die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen des MEMS, die Auslenkamplituden und/oder etwaige dynamische Deformationen (z.B. in einer in der mechanisch wirksamen Schicht bzw. mechanisch wirksamen Funktionsschicht ausgebildeten Halte- und/oder Federstruktur bzw. der herausgebildeten Strukturen bzw. Körper, wie z.B. des Spiegelträgerelements mit der Spiegelplatte 111) bestimmen.
Zudem kann das Ausgangssubstrat bzw. die eine oder mehreren Funktionsschichten im Ausgangssubstrat in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen als ferro- und/oder piezoelektrisches Einkristall oder Polykristall bereitgestellt werden und somit können optimale ferro-/piezoelektrische Eigenschaften mit optimalen ferro-/piezoelektrischen Koeffizienten bereitgestellt werden, was in üblichen Abscheideprozessen aufgrund der Prozessschwankungen und Aufwachsbedingungen nicht möglich ist. Weiterhin können im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem ferro-/piezoelektrische Schichten auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden werden, in einigen Ausführungsbeispielen vergleichsweise dickere ferro-/piezoelektrische Schichten im Ausgangssubstrat bereitgestellt werden, so dass vorteilhaft eine höhere Kraftentwicklung ermöglicht wird.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material bestehen. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Funktionsschichten des Ausgangssubstrats aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material bestehen. Bevorzugt kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material umfassen, insbesondere eine oder mehrere Funktionsschichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder die zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfassen und/oder aus einem Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials bestehen.
Insbesondere bevorzugt ist das Ausgangssubstrat kein Siliziumsubstrat und vorzugsweise umfasst das Ausgangssubstrat kein Silizium bzw. keine Silizium umfassende Funktionsschicht.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das ferro- und/oder piezoelektrisches Material Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN), Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), Niob-dotiertes PZT (PZT-Nb) und/oder Quarz umfassen.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht des Ausgangssubstrats ein zumindest teilweise amorph vorliegendes ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassen und/oder aus einem zumindest teilweise amorph vorliegenden ferro- und/oder piezoelektrischen Material bestehen. Hierbei kann das (teil)- zumindest teilweise amorph (z.B. (teil)-amorph) vorliegende ferro- und/oder piezoelektrische Material beispielhaft PVDF (Polyvinylidenfluorid (CF2-CH2)n) umfassen oder aus PVDF bestehen.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit mehreren Funktionsschichten im Ausgangssubstrat kann das Ausgangssubstrat derart bereitgestellt werden, dass das Ausgangssubstrat beispielsweise zumindest eine Funktionsschicht, die ein ferro- und/oder piezoelektrisches Einkristall umfasst oder daraus besteht, zumindest eine Funktionsschicht, die ein ferro- und/oder piezoelektrisches Polykristall umfasst oder daraus besteht, und/oder zumindest eine Funktionsschicht, die ein zumindest teilweise amorph (z.B. (teil)-amorph) vorliegendes ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst oder daraus besteht, umfasst.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Schichtdicke der zumindest einen Funktionsschicht des Ausgangssubstrats, die ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, insbesondere im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, sein und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1mm. Insbesondere bevorzugt ist in Ausführungsbeispielen mit mehreren ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfassenden Funktionsschichten die Schichtdicke jeder Funktionsschicht jeweils bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1mm
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann, insbesondere bei dem Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht, eine Federstruktur, die das Spiegelträgerelement mit Spiegel hält, in der zumindest einen Funktionsschicht ausgebildet werden, insbesondere ein einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt derart, dass das Spiegelträgerelement mit Spiegel beispielsweise um eine oder zwei Achsen, insbesondere z.B. Schwing- und/oder Torsionsachsen, schwingbar gehalten wird, z.B. über Federn einer Federstruktur, z.B. mit Torsionsfedern und/oder Meanderfedern.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Federstruktur beispielsweise Federn, insbesondere bevorzugt Biegefedern, Meanderfedern und/oder Torsionsfedern, umfassen, die bevorzugt dazu ausgelegt sind, das Spiegelträgerelement derart zu halten, dass das Spiegelträgerelement um die jeweilige Schwing- und/oder Torsionsachse eine schwingende Rotationsbewegung um die entsprechende Achse (z.B. Torsionsschwingungen) ausführen kann.
In Ausführungsbeispielen mit zwei Achsen, insbesondere Schwing- und/oder Torsionsachsen, ist das Spiegelträgerelement mit Spiegel und/oder die Federstruktur insbesondere bevorzugt für eine (bevorzugt resonante) zweidimensionale Lissajous- Scanbewegung des Spiegelträgerelements mit Spiegel ausgelegt.
Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele von Schichtaufbaustrukturen mit mehreren Schichten beschrieben. Hierbei ist festzustellen, dass derartige Ausführungen nicht dahingehend beschränkend aufgefasst werden sollen, dass keine weiteren Zwischenschichten in weiteren Ausführungsbeispielen vorhanden sein können. Im Gegenteil, in weiteren Ausführungsbeispielen können weitere Schichten und/oder Zwischenschichten vorgesehen sein und/oder beschriebene Schichten weggelassen werden.
Es sei darauf verwiesen, dass vorstehend lediglich Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sowie technische Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben wurden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale bzw. deren beschriebene Kombinationen begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern umfasst weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination bzw. Teilkombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Liste der Bezugszeichen
1 Substratschicht
2 Passivierungsschicht(en)
2b Passivierungsschicht
3 Funktionsschicht (engl. Device Layer)
3a Gräben bzw. strukturierte Bereiche der Funktionsschicht
4 piezoelektrische Schicht
5 ELektrodenschicht
5a Spiegel
6 Abdeckelement
7 Bodenelement
10 piezoelektrische Funktionsschicht (engl. Device Layer)
10a erste piezoelektrische Funktionsschicht
10b zweite piezoelektrische Funktionsschicht
10c dritte piezoelektrische Funktionsschicht
11 erste Elektrodenschicht (Topelektrode)
11a erste Elektrodenschicht
11b erste Elektrodenschicht
111 Spiegel
12 zweite Elektrodenschicht (Bodenelektrode; Gegenelektrode)
12a zweite Elektrodenschicht (Gegenelektrode)
12b zweite Elektrodenschicht (Gegenelektrode)
100 MEMS-Vorrichtung
200 MEMS-Vorrichtung
300 MEMS-Vorrichtung
400 MEMS-Vorrichtung
500 MEMS-Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere eine vakuumgepackte MEMS-Spiegelvorrichtung, umfassend:
- Bereitstellen eines Ausgangssubstrats, das zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) umfasst, wobei die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, und
- Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats zum Ausbilden von einem oder mehreren beweglichen Elementen der MEMS-Vorrichtung (200; 300; 400; 500) in der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) und/oder zum Ausbilden einer Federstruktur, die die einen oder mehreren beweglichen Elemente der MEMS-Vorrichtung (200; 300; 400; 500) hält, in der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) umfasst, aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material besteht.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) umfasst, eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material umfasst, insbesondere eine oder mehrere Funktionsschichten (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) aus ferro- und/oder piezoelektrischem Material.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b,
10c) umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats ein Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfasst und/oder aus einem Einkristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials besteht.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b,
10c) umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats ein Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials umfasst und/oder aus einem Polykristall eines ferro- und/oder piezoelektrischen Materials besteht.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferro- und/oder piezoelektrisches Material Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-
Scandium-Nitrid (AlScN), Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Bleizirkonat- Titanat (PZT), Niob-dotiertes PZT (PZT-Nb) und/oder Quarz umfasst.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat, das die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b,
10c) umfasst, und/oder zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats ein zumindest teilweise amorph vorliegendes ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst und/oder aus einem zumindest teilweise amorph vorliegenden ferro- und/oder piezoelektrischen Material besteht.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats, die ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst, im Wesentlichen größer oder gleich 50 pm, insbesondere im Wesentlichen größer oder gleich 100 pm, ist und/oder im Wesentlichen kleiner oder gleich 1mm.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Aufbringen und/oder Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten (11, 12; 11a, 12, 11b; 11a, 12a, 11b, 12b) auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c), und
- Strukturieren der Elektrodenschichten (11, 12; 11a, 12, 11b; 11a, 12a, 11b, 12b) zur Ausbildung von strukturierten Elektrodenflächen auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c).
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strukturieren einer der Elektrodenschichten (11; 11a), insbesondere einer außen liegenden Elektrodenschicht (11; 11a), ein Spiegel (111) der MEMS-Vorrichtung ausgebildet wird.
11. Verfahren einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) des Ausgangssubstrats ein Spiegelträgerelement in der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) ausgebildet wird, wobei ein Spiegel (111) auf dem Spiegelträgerelement angeordnet und/oder ausgebildet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Strukturieren der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) eine Federstruktur, die das Spiegelträgerelement mit Spiegel (111) hält, in der zumindest einen Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) ausgebildet wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Federstruktur derart ausgebildet wird, dass das Spiegelträgerelement mit Spiegel (111) um eine oder zwei Achsen, insbesondere Schwing- und/oder Torsionsachsen, schwingbar gehalten wird, insbesondere bevorzugt für eine zweidimensionale Lissajous- Scanbewegung des Spiegelträgerelements mit Spiegel (111).
14. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Elektrodenschichten (11, 12) zur elektrischen Kontaktierung auf gegenüberliegenden Seiten der Funktionsschicht (10) ausgebildet sind.
15. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Elektrodenschicht (12) der leitfähigen Elektrodenschichten mittels einer Durchkontaktierung in einem Bereich der zumindest einen Funktionsschicht (10) von einer zweiten Seite der zumindest einen Funktionsschicht (10) auf eine erste Seite der zumindest einen Funktionsschicht (10), auf der eine erste Elektrodenschicht (11) der leitfähigen Elektrodenschichten angeordnet ist, geführt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Elektrodenschicht (11) und die zweite Elektrodenschicht (12) mittels der Durchkontaktierung der zweiten Elektrodenschicht (12) dazu ausgebildet sind, eine elektrische Kontaktierung der ersten und zweiten ELektrodenschichten (11, 12) auf der gleichen ersten Seite der Funktionsschicht (10) bereitzustellen.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat eine ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschicht (10) umfasst.
18. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat zwei ferro- und/oder piezoelektrische Funktionsschichten (10a,
10b) mit einer dazwischenliegenden Elektrodenschicht (12) umfasst.
19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat drei oder mehr ferro- und/oder piezoelektrische
Funktionsschichten (10a, 10b, 10c) umfasst, wobei jeweils zwischen benachbarten ferro- und/oder piezoelektrischen Funktionsschichten (10a, 10b, 10c) eine jeweilige Elektrodenschicht (12a, 11b) angeordnet ist.
20. Ein Schichtaufbau, der insbesondere mittels des Verfahrens gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist, umfassend:
- zumindest eine strukturierte Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c), in der ein oder mehrere bewegliche Elemente der MEMS-Vorrichtung (200; 300; 400; 500) und/oder eine Federstruktur, die die einen oder mehreren beweglichen Elemente der MEMS-Vorrichtung (200; 300; 400; 500) hält, ausgebildet sind, wobei die zumindest eine Funktionsschicht (10; 10a, 10b; 10a, 10b, 10c) ferro- und/oder piezoelektrisches Material umfasst.
21. MEMS-Vorrichtung, insbesondere MEMS-Spiegelvorrichtung (200; 300; 400; 500), umfassend einen Schichtaufbau gemäß Anspruch 20.
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