WO2006000445A1 - Hochreflektiv beschichteter mikromechanischer spiegel, verfahren zu dessen herstellung sowie dessen verwendung - Google Patents

Hochreflektiv beschichteter mikromechanischer spiegel, verfahren zu dessen herstellung sowie dessen verwendung Download PDF

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Thilo Sandner
Harald Schenk
Alexandre Gatto
Minghong Yang
Jörg HEBER
Norbert Kaiser
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors

Definitions

  • the invention relates to highly reflective micromechanical mirrors for the deep ultraviolet (DUV) and vacuum ultraviolet (VUV) spectral range, based on a substrate, a highly reflective aluminum layer, at least one transparent tempering layer and at least one compensation layer for stress compensation.
  • the invention relates to a method for producing such weaponrefiltively coated mikromechani ⁇ shear mirror and their use u.a. for the manufacture of microsensors, optical data memories or video and data projection displays.
  • MOEMS microoptoelectronic- mechanical systems
  • a completely new application which forms the background of this invention, is UV lithography by means of spatial light modulators (SLM), in which the productivity of conventional optical lithography and the high-resolution properties of electron beam lithography are demonstrated Ljungblad, U. Daudertemperatur, P. Durr, T. Sandström, H. Buhre, H. Lakner, "New laser pattern generator for DUV using spatial light modulator", Microelectronic Engineering 57-58 (2001) 23 T. Sandström, UB Ljungblad, P. Dürr, H. Lakner "High-performance laser pattern generation using spherical light modulators (SLM) and deep-UV radiation, Proceedings of SPIE Vol. 4343 (2001) 35; R.
  • SLM spatial light modulators
  • Dielectric Bragg mirrors i. Stack of layers with high or low Brechungsin ⁇ dex and 2. metallic mirrors
  • a highly reflective coated micromechanical mirror for the deep ultraviolet (DUV) and vacuum ultraviolet (VUV) spectral region is provided with a substrate and aluminum layer deposited thereon, which is coated with at least one transparent tempering layer poses.
  • the coating layer has several functions. On the one hand it protects the aluminum layer against oxidation and corrosion, on the other hand it increases the reflectivity in the desired wavelength range.
  • the mirror has at least one compensation layer for stress compensation.
  • Tempered aluminum mirrors can, with a suitable choice of the deposition parameters with very low layer voltages, be applied to different surfaces. deposits. Together with the required low layer thicknesses of the reflective coatings, this results in stress compensation of the compensation being achieved by the at least one additional compensation layer.
  • a high degree of pa- rency is also made possible for very thin micromirrors with a thickness of ⁇ 1 ⁇ m.
  • the separation between actuator material, ie substrate, and mirroring also makes possible the separate optimization of the functional properties of both components.
  • the mirror according to the invention has a reflectivity R of at least 70%, with at the same time a high planarity D, i. the average deviation of the mirror surface is given by a compensation plane of maximum ⁇ / 4.
  • Substrate in the context of the present invention is also to be understood as a carrier layer. This can be arranged within the stack of mirrors at any position within the layer stack.
  • tempered aluminum coatings have several advantages with regard to the technology of micromirrors.
  • the optimum for each wavelength reflectivity is already at a relative . low overall thickness of the mirroring, ie about 100 to 150 nra in the spectral range of 140 to 400 nm, which makes structuring possible for the first time with difficultly etchable coatings and is particularly essential for the production of narrow structures in the range of ⁇ 1 ⁇ m ,
  • the mirror is in thickness the mechanical and / or thermal properties of substrate and the individual layers symmetrically constructed.
  • the mechanical and thermal properties relate in particular to the layer tension, the modulus of elasticity and the expansion coefficients.
  • the change in the deformation with the temperature is very small.
  • it may preferably be below a value of ⁇ / 4 per 10 Kelvin.
  • Mirrors in which the tempering layer at the same time takes over the puncture of the compensation layer, and which thus deviate from the symmetrical design, are examples of asymmetrical structures that are basically provided as well.
  • layer materials according to claim 18 are used.
  • the stresses of the substrate and the individual layers differ only slightly. This is achieved by the fact that the stresses of the individual layers are adjusted so that the changes in the deformation are minimized in the event of a process-related fluctuation of the thickness or of another parameter of one or more layers.
  • the voltage of the substrate and the individual layers differs by a maximum of 200 MPa.
  • the mirror according to the invention preferably has an average stress which, in the case of a lateral anchoring of the mirror by rotary or tilting joints, excludes spontaneous deformation (so-called "bow tie”). It is therefore particularly preferable for the mirror to be tensely tensioned on average, ie it has a tensile strength. Tension.
  • the substrate preferably consists of a material such that the mechanical stress for the layer thicknesses relevant for the substrate is independent of the layer thickness.
  • monocrystalline, polycrystalline, nanocrystalline or amorphous materials are suitable as the material for the substrate.
  • Preferred materials are, in particular, silicon and / or aluminum.
  • Another variant provides a substrate or Any artwork least a compensation layer of a mixed layer of Ti x Al y O 2 N d - x -Y- z) with l ⁇ z ⁇ O, 1 ⁇ y ⁇ 0, 1>x> 0, 05 and 1> x + y> 0.7.
  • This also includes a layer of TiN.
  • the substrate or at least one compensation layer preferably consists of a mixed layer of Ta x Si y O z N ⁇ 1 . x . y - z ) with l ⁇ z ⁇ O, 1> y ⁇ 0.05, 1>x> 0.05 and 1> x + y> 0.7, whereby a layer of TaN is also possible.
  • Another preferred embodiment provides a substrate or at least one compensation layer made of Mo siyo x z N (x i - y - z) with l ⁇ z ⁇ O, l ⁇ y ⁇ O, l ⁇ x> 0.05 and 1> x + y> 0.7, whereby a layer of MoN is also possible. It is further preferred that the substrate at least one compensation layer made of a mixed layer of C ⁇ Si y O z N (x i- -y_ z) with 1>y> 0, 1>x> 0.05, 1> x + y> 0.7 and O 7 3>z> 0 contains.
  • the micromechanical mirror according to the invention is preferably highly reflective in the spectral range from 140 to 400 nm. However, the micromechanical mirror also shows excellent results in the spectral range of 400 to 2000 nm due to its high reflectivity.
  • the aluminum layer has a layer thickness of from 10 to 1000 nm, in particular from 50 to 200 nm and particularly preferably from 50 to 100 nm.
  • the tempering layer is preferably a fluoride layer, an oxide layer and / or their mixed layers.
  • layers of magnesium fluoride (MgP 2 ), yttrium fluoride (YF 3 ), lanthanum fluoride (LaF 3 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), neodymium fluoride (NdF 3 ), barium fluoride (BaF 2 ), chiolite, dysprosium fluoride (DyF 3 ), Gadolinium fluoride (GdF 2 ), cryolite, lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), lutetium fluoride (LuF 3 ), samarium fluoride (SmF 3 ), strontium fluoride (SrF 2 ), terbium fluoride (TbF 3 ), yterterbiumfluoride (YbF 3 ), Zirconium fluoride (ZrF 4 ) or mixtures of these materials is
  • Oxides are aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), magnesium oxide (MgO ) or mixtures of these materials are preferred. In this case, mixtures of the materials of the oxides and fluorides may also be present.
  • Such coating layers provide protection against the oxidation of the aluminum around-layer in air and. Thus, the rapid degradation of the reflectivity in the DUV / VUV known from unprotected aluminum mirrors reduces the reflectivity.
  • the compensation layers preferably have a layer thickness in the range from 10 to 200 nm, more preferably in the range from 20 to 100 nm, and particularly preferably from 30 to 60 nm.
  • the compensation layers can be mentioned in claims 9 to 13 and 18 Layer materials, but also other layer materials such as germanium, Tan ⁇ tal, titanium or thorium fluoride include.
  • the aluminum layer i. between the aluminum layer and Vergü ⁇ processing layer yet another layer of gold and / or silver is arranged, whereby a high reflectivity in other wavelength ranges, in particular in the visible range, can be achieved.
  • the aluminum layer, the at least one tempering layer and the at least one compensating layer are preferably structurable lithographically.
  • a method for producing highly reflective micromechanical mirrors, in which a substrate is coated in a high-vacuum deposition chamber with aluminum, at least one compensation layer and at least one annealing layer of a fluoride, oxide or mixtures thereof.
  • the exact arrangement of the individual layers in the layer stack is therefore arbitrary.
  • the deposition of the tempering layer is carried out at low substrate temperature, ie ⁇ 100 0 C, immediately after deposition of the aluminum Layer in the same vacuum cycle.
  • both physical precipitation methods e.g. Sputter deposition, thermal evaporation, or chemical Abscheidever ⁇ drive, e.g. wet chemical techniques, CVD or ALD.
  • the highly reflective coated micromechanical mirrors according to the invention are used in the production of microsensors, optical data memories and video and data projection displays. Further application possibilities are in the area of lap-on-chip applications or telecommunication applications.
  • SLM mirror arrays may be e.g. for the exposure of masks or wafers in semiconductor lithography, as a dispersive element in the shaping of laser pulses, in the measurement of three-dimensional objects by fringe projection methods, for the deflection and modification of laser beams in ophthalmology as well as phase-modulating element in the correction of aberrations in the optical system, are used.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a micromechanical mirror according to the invention.
  • FIG. 2 shows a picture of an integrated area light modulator.
  • FIG. 3 shows a reflection spectrum of an aluminum mirror coating according to the invention with fluoride coating layer.
  • FIG. 4 shows a reflection spectrum of an aluminum mirror coating according to the invention with oxide coating layer.
  • FIG. 5 shows a mirror coating according to the invention, which consists of an aluminum layer with a layer thickness of 90 nm and an oxide coating layer of Al 2 O 3 with a layer thickness of 38 nm.
  • the HR images were prepared in a high-vacuum steaming chamber from Balzers (type BAK640, equipped with cryopump, electron beam and thermal evaporator, base pressure .beta. '10.sup.- 7 mbar).
  • the mirroring layers consisted of a 75 nm thick aluminum layer (deposited on silicon at a rate of 30 nm / s) and various dielectric coatings, which were deposited at a rate of 1 nm / s in the optimum thickness.
  • FIGS. 3 and 4 show the experimental reflection spectra of the pretranslations specified in Table 1 with the different fluoride or oxide coating layers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft hochreflektiv beschichtete mikromechanische Spiegel für den tief-ultravioletten (DUV)- und vakuum-ultravioletten (VUV)-Spektralbe­reich, basierend auf einem Substrat, das mit einer Aluminium-Schicht und einer transparenten Vergütungsschicht überzogen ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger hochreflek­tiv beschichteter mikromechanischer Spiegel sowie de­ren Verwendung zur Herstellung von Mikrosensoren, op­tischen Datenspeichern oder Video- und Datenprojekti­onsdisplays.

Description

Hochreflektiv beschichteter mikroτnechanischer Spie¬ gel, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft hochreflektiv beschichtete mikromechanische Spiegel für den tief-ultravioletten (DUV) - und vakuum-ultravioletten (VUV) -Spektralbe¬ reich, basierend auf einem Substrat, einer hoch¬ reflektiven Aluminium-Schicht, mindestens einer transparenten VergütungsSchicht und mindestens einer Kompensationsschicht zur Stresskompensation. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger hochreflektiv beschichteter mikromechani¬ scher Spiegel sowie deren Verwendung u.a. zur Her- Stellung von Mikrosensoren, optischen Datenspeichern oder Video- und Datenprojektionsdisplays.
Die Erzeugung, Modulierung, Leitung und Detektion von Licht bilden gegenwärtig Schwerpunkte auf dem Gebiet der Optik-Forschung. Die stetige Steigerung der Modu- lationsgeschwindigkeiten und der Trend zu höheren In¬ tegrationsdichten forcieren die Miniaturisierung mik¬ rooptischer Bauelemente und führten zur Entwicklung von auf Nanostrukturen basierenden funktionellen Schichten für aktive optische Komponenten. Die Syner¬ gie aus Opto-Elektronik und Mikromechanik führte zu einer neuen Klasse integrierter mikrooptoelektro- mechanischer Systeme (MOEMS) mit komplett neuen An¬ wendungsfeldern und großem Potential für die nahe Zu- kunft. Beispiele für MOEMS-Anwendungen sind Phasen- frontkorrekturen durch adaptive Optik, Lab-on-chip- sowie Telekommunikations-Anwendungen.
Eine völlig neue Anwendung, die den Hintergrund die- ser Erfindung bildet, ist die UV-Lithographie mittels Flächenlichtmodulatoren (engl, spatial light modula- tors, SLM) , bei der die Produktivität der herkömmli¬ chen optischen Lithographie und die hochauflösenden Eigenschaften der Elektronenstrahllithographie verei- nigt werden (U. Ljungblad, U. Dauderstädt, P. Dürr, T. Sandström, H. Buhre, H. Lakner, „New laser pattern generator for DUV using spatial light modulator", Microelectronic Engineering 57-58 (2001) 23-29; T. Sandström, U.B. Ljungblad, P. Dürr, H. Lakner „High-performance laser pattern generation using spa¬ tial light modulators (SLM) and deep-UV radiation, Proceedings of SPIE Vol. 4343 (2001) 35; R. Thielsch, „Optical coatings for the DUV/VUV", in Interference Coatings, by N. Kaiser and H. K. Pulker (Hrsg.), Springer Series in Optical Sciences, Volume 88 (2003)) . Anwendungen dieser Technologie sind Masken- belichter zur Herstellung von Photomasken für die Halbleitertechnologie bzw. Direktbelichtungssysfceme für die maskenlose Lithographie, welche gegenüber den existierenden Laser- bzw. Elektronenstrahl-basierten BeIichtungsSystemen deutlich kostengünstiger und schneller sind. Diese Systeme arbeiten im DUV- bzw. VUV-Spektralbereich, wo aufgrund der starken Absorp¬ tion der meisten Materialien Strahlenschäden eine wichtige Rolle spielen. Die Verminderung der Absorp- tion reflektierender Mikroaktuatoren, sog. Mikrospie- gel, bzw. das Erreichen hoher Reflektivitäten im DUV/VUV (>90%) ist daher nicht nur zur Verringerung von Lichtverlusten, sondern vor allem auch zur Ver¬ hinderung von Degradationseffekten an MikroSpiegeln dringend geboten. Obwohl die Technologie massiver Spiegel für den DUV/VUV-Bereich weitgehend bekannt ist, gibt es bisher keine optischen Verspiegelungen für Mikrospiegel im DUV/VUV, welche diese Anforderun¬ gen erfüllen. Grund dafür sind die im Vergleich zu massiven Spiegeln um ein Vielfaches komplexeren Band¬ bedingungen, denen eine zur Technologie der MOEMS kompatible Verspiegelung genügen muss.
Zur Herstellung von Verspiegelungen gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte:
1. dielektrische Bragg-Spiegel, d.h. Stapel aus Schichten mit hohem bzw. niedrigem Brechungsin¬ dex und 2. metallische Spiegel
Speziell für den DUV/VUV-Bereich wurden in der Lite¬ ratur sowohl Bragg-Spiegel (Zs. Czigany, M. Adamik, N. Kaiser, „248 nm laser interaction studies on LaF3/MgF2 optical coatings by cross-sectional trans- mission electron microscopy", Thin Solid Films 312 (1998) 176-181; A. Gatto, J. Heber, N. Kaiser, D. Ristau, S. Günster, J. Kohlhaas, M. Marsi. M Tro- vo, R.P. Walker, „High-performance DUV/VUV optics for the Storage Ring FEL at ELETTRA", Nuclear Instruments and Methode in Physics Reasearch A 483 (2002) 357- 362; N. Kaiser, H.K. Pulker (Editors) , Optical Inter- ference Coatings (Springer Series in Optical Scien¬ ces, 88), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003) als auch vergütete Aluminiumspiegel vor- gestellt. Es existieren integrierte Mikrospiegel- Arrays mit unvergüteten Aluminium-Spiegeln für Anwen¬ dungen im sichtbaren Spektralbereich (VIS) , die in Projektionsdisplays eingesetzt werden. Mikrospiegel- Arrays für Anwendungen im UV (u.a. maskenlose Litho- graphie bei 248 nm) werden vom Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme Dresden gefertigt. Als Material kommt hier eine unvergütete Aluminium-Legie¬ rung zum Einsatz. Nur wenige Arbeiten beschäftigen sich mit vergüteten Verspiegelungen für mikromechani- sehe Aktuatoren. Die existierenden Arbeiten beschrän¬ ken sich dabei auf den sichtbaren Spektralbereich (400-800 nm) . Bisher sind keine Arbeiten zu vergüte¬ ten Mikrospiegeln für das DUV/VUV bekannt.
Die Anwendung reflektierender Mikroaktuatoren im DUV und VUV (140-400 nm) erfordert deren Beschichtung mit hochreflektierenden Schichtsystemen, um einerseits den Intensitätsverlust durch Absorption und Streuung zu minimieren, und andererseits den Leistungseintrag in das Aktuatormaterial sowie dadurch verursachte strukturelle Instabilitäten, wie z.B. das Verbiegen freitragender Strukturen, aber auch Oxidation bzw. Korrosion der Aktuatormaterialien zu vermeiden. Im Gegensatz zu den massiven großflächigen hochreflek- tierenden (HR) Spiegeln müssen Spiegelschichten auf freitragenden Mikroaktuatoren zusätzlichen Anforde¬ rungen genügen: Die HR-Verspiegelung muss mit Verfah¬ ren der Halbleitertechnologie strukturierbar sein, wobei sich ihre Reflektivität nicht durch Anwendung dieser Verfahren verringern darf. Um die Ebenheit der Mikroaktuatoren in einem Temperaturintervall um den Arbeitspunkt zu gewährleisten, müssen die im allge¬ meinen aus zwei und mehr Schichten aufgebauten ver¬ spiegelten Aktuatσren in Bezug auf SchichtSpannungen und thermische Ausdehnung kompensiert sein.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Er¬ findung planare mikromechanische Spiegel bereitzu¬ stellen, die strukturierbare hochreflektive Beschich- tungen im Spektralbereich des DUV und VUV aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch den hochreflektiv beschich¬ teten mikromechanischen Spiegel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung derartiger Spiegel mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vor¬ teilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 21 und 22 werden die Verwendungen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Spiegel beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein hochreflektiv beschichteter mikromechanischer Spiegel für den tief-ultravioletten (DUV) - und vakuum-ultravioletten (VUV) -Spektral¬ bereich mit einem Substrat und darauf abgeschiedener Aluminium-Schicht, die mit mindestens einer transpa- renten VergütungsSchicht überzogen ist, bereitge¬ stellt . Die Vergütungsschicht hat dabei mehrere Funk¬ tionen. Einerseits schützt sie die Aluminium-Schicht vor Oxidation und Korrosion, andererseits erhöht sie die Reflektivität im angestrebten Wellenlängenbe- reich.
Als weiteres wesentliches Merkmal weist der Spiegel mindestens eine Kompensationsschicht zur Stresskom¬ pensation auf. Vergütete Aluminium-Spiegel lassen sich bei geeigneter Wahl der Abscheideparameter mit sehr geringen SchichtSpannungen auf verschiedenen Un- terlagen abscheiden. Gemeinsam mit den benötigten ge¬ ringen Schichtdicken der Verspiegelungen bewirkt dies, dass eine Stresskompensation der Vergütung durch die mindestens eine zusätzliche Kompensations- schicht erreicht werden kann. So wird eine hohe PIa- narität auch für sehr dünne Mikrospiegel mit einer Dicke < 1 μm ermöglicht. Die Trennung zwischen Aktua- tor-Material, d.h. Substrat, und Verspiegelung ermög¬ licht zudem die getrennte Optimierung der funktionel- len Eigenschaften beider Bestandteile.
Der erfindungsgemäße Spiegel weist eine Reflektivität R von mindestens 70 % auf, wobei gleichzeitig eine hohe Planarität D, d.h. die mittlere Abweichung der Spiegelfläche von einer Ausgleichsebene, von maximal λ/4 gegeben ist.
Unter Substrat ist im Rahmen der vorliegenden Erfin¬ dung auch eine Trägerschicht zu verstehen. Diese kann innerhalb des auf einem SchichtStapel bestehenden Spiegels an beliebiger Position innerhalb des Schichtstapels angeordnet sein.
Verglichen mit den alternativ anwendbaren dielektri- sehen Schichtsystemen haben vergütete Aluminium-Ver¬ spiegelungen im Hinblick auf die Technologie von Mik- rospiegeln mehrere Vorteile. Die für die jeweilige Wellenlänge optimale Reflektivität wird bereits bei einer relativ. geringen Gesamtdicke der Verspiegelung, d.h. etwa 100 bis 150 nra im Spektralbereich von 140 bis 400 nm, erreicht, was bei schwer ätzbaren Vergü¬ tungen die Strukturierung überhaupt erst ermöglicht und insbesondere für die Herstellung schmaler Struk¬ turen im Bereich von < 1 μm essentiell ist.
Vorzugsweise ist der Spiegel hinsichtlich der Dicke der mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften von Substrat und den einzelnen Schichten symmetrisch aufgebaut. Die mechanischen und thermischen Eigen¬ schaften betreffen hierbei insbesondere die Schicht- Spannung, das E-Modul und den Ausdehnungskoeffizien¬ ten.
Beim symmetrischen Aufbau des Spiegels ist die Ände¬ rung der Deformation mit der Temperatur sehr gering. So kann sie vorzugsweise unter einem Wert von λ/4 pro 10 Kelvin liegen.
Spiegel, in denen die Vergütungsschicht gleichzeitig die Punktion der Kompensationsschicht übernimmt, und die damit vom symmetrischen Design abweichen, sind Beispiele für grundsätzlich ebenso vorgesehene asym¬ metrische Aufbauten. Es kommen vorzugsweise Schicht¬ materialien nach Anspruch 18 zum Einsatz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unter¬ scheiden sich die Spannungen von Substrat und den einzelnen Schichten nur geringfügig. Dies wird da¬ durch erreicht, dass die Spannungen der Einzelschich¬ ten so eingestellt werden, dass die Änderungen der Deformation bei einer prozessbedingten Schwankung der Dicke oder eines anderen Parameters einer oder mehre¬ rer Schichten minimiert wird. Besonders bevorzugt un¬ terscheidet sich die Spannung von Substrat und den einzelnen Schichten um maximal 200 MPa.
Der erfindungsgemäße Spiegel weist bevorzugt eine mittlere Spannung auf, die im Falle einer seitlichen Verankerung des Spiegels durch Dreh- oder Kippgelenke eine spontane Deformation (sog. Bückling) aus- schließt. Besonders bevorzugt ist der Spiegel daher im Mittel tensil verspannt, d.h. er weist eine Zug- Spannung auf .
Hinsichtlich des zu verwendenden Substrates gibt es grundsätzlich keinerlei Beschränkungen. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem Material, dass die me¬ chanische Spannung für die für das Substrat relevan¬ ten Schichtdicken unabhängig von der Schichtdicke ist. Als Material für das Substrat kommen dabei so¬ wohl einkristalline, polykristalline, nanokristalline oder amorphe Materialien in Frage. Als bevorzugte Ma¬ terialien sind hier insbesondere Silizium und/oder Aluminium zu nennen.
In einer bevorzugten Variante besteht das Substrat oder mindestens eine Konzentrationsschicht aus einer Mischschicht aus SixAlyOzN(i_x-y_Z) mit 1 > z ≥ 0, 1 > y > 0, 1 > x > 0,05 und 1 > x+y > 0.7.
Eine andere Variante sieht ein Substrat oder mindes- tens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus TixAIyO2Nd-x-y-z) mit l ≥ z ≥ O, 1 ≥ y ≥ 0, 1 > x > 0,05 und 1 > x+y > 0.7 vor. Dies schließt auch eine Schicht aus TiN ein.
Vorzugsweise besteht das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus TaxSiyOzN{1.x.y-z) mit l ≥ z ≥ O, 1 > y ≥ 0,05, 1 > x > 0,05 und 1 > x+y > 0.7, wobei auch eine Schicht aus TaN möglich ist.
Eine andere bevorzugte Variante sieht ein Substrat oder mindestens eine KompensationsSchicht aus MoxSiyOzN(i-x-y-z) mit l ≥ z ≥ O, l ≥ y ≥ O, l ≥ x > 0,05 und 1 > x+y > 0.7, wobei auch eine Schicht aus MoN möglich ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Substrat mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus CθχSiyOzN(i-x-y_z) mit 1 > y > 0, 1 > x > 0,05, 1 > x+y > 0.7 und O73 > z > 0 enthält.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße mikromechani¬ sche Spiegel im Spektralbereich von 140 bis 400 nm hochreflektiv. Der mikromechanische Spiegel zeigt aber auch hervorragende Ergebnisse im Spektralbereich von 400 bis 2000 nm aufgrund seiner hohen Reflektivi- tat.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Alu¬ minium-Schicht eine Schichtdicke von 10 bis 1000 nm, insbesondere von 50 bis 200 nm und besonders bevor¬ zugt von 50 bis 100 nm.
Die Vergütungsschicht ist bevorzugt eine Fluorid- schicht, eine Oxid-Schicht und/oder deren Misch- schichten. Als Fluoridschichten sind insbesondere Schichten aus Magnesiumfluorid (MgP2) , Yttriumfluorid (YF3) , Lanthanfluorid (LaF3) , Aluminiumfluorid (AlF3) , Neodymfluorid (NdF3) , Bariumfluorid (BaF2) , Chiolith, Dysprosiumflourid (DyF3) , Gadoliniumflourid (GdF2) , Kryolith, Lithiumfluorid (LiF) , Natriumfluorid (NaF) , Lutetiumfluorid (LuF3) , Samariumfluorid (SmF3) , Strontiumfluorid (SrF2) , Terbiumfluorid (TbF3) , Yt- terbiumfluαrid (YbF3) , Zirkoniumfluorid (ZrF4) oder Mischungen dieser Materialien bevorzugt. Als Oxide sind Aluminiumoxid (Al2O3) , Siliziumoxid (SiO2) , Tan¬ taloxid (Ta2O5) , Niobiumoxid (Nb2O5) , Hafniumoxid (HfO2) , Titanoxid (TiO2) , Magnesiumoxid (MgO) oder Mischungen dieser Materialien bevorzugt. Es können hierbei auch Mischungen der Materialien der Oxide und Fluoride vorliegen. Derartige Vergütungsschichten bilden einen Schutz gegen die Oxidation der Alumini- um-Schicht an Luft und. verringern so die von unge¬ schützten Aluminium-Spiegeln bekannte rasche Degrada¬ tion der Reflektivität im DUV/VUV.
Vorzugsweise weisen die Vergütungsschichten eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 100 nm auf und beson¬ ders bevorzugt von 30 bis 60 nm. Die Kompensations- schichten können dabei aus den Ansprüchen 9 bis 13 und 18 genannten Schichtmaterialien, aber auch andere Schichtmaterialien wie beispielsweise Germanium, Tan¬ tal, Titan oder Thoriumfluorid beinhalten.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass auf der Aluminium- schicht, d.h. zwischen Aluminium-Schicht und Vergü¬ tungsschicht noch eine weitere Schicht aus Gold und/oder Silber angeordnet ist, wodurch eine hohe Reflektivität auch in anderen Wellenlängenbereichen, insbesondere im sichtbaren Bereich, erreicht werden kann.
Vorzugsweise sind die Aluminiumschicht, die mindes¬ tens eine Vergütungsschicht und die mindestens eine Kompensationsschicht lithographisch strukturierbar.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Her¬ stellung hochreflektiv beschichteter mikromechani¬ scher Spiegel bereitgestellt, bei dem ein Substrat in einer Hochvakuum-Bedampfungskammer mit Aluminium, mindestens einer Kompensationsschicht und mindestens einer Vergütungsschicht aus einem Fluorid, Oxid oder deren Gemischen beschichtet wird. Die genaue Anord¬ nung der einzelnen Schichten im Schichtstapel ist da¬ bei beliebig. Die Abscheidung der Vergütungsschicht erfolgt dabei bei niedriger Substrattemperatur, d.h. < 1000C, unmittelbar nach Abscheidung der Aluminium- Schicht im selben Vakuum-Zyklus .
Grundsätzlich sind für die Abscheidung sowohl physi¬ kalische Abscheideverfahren, z.B. Sputter-Deposition, thermische Verdampfung, oder chemische Abscheidever¬ fahren, z.B. nasschemische Techniken, CVD oder ALD, geeignet .
Verwendung finden die erfindungsgemäßen hochreflektiv beschichteten mikromechanischen Spiegel bei der Her¬ stellung von Mikrosensoren, optischen Datenspeichern und Video- und Datenprojektionsdisplays. Weitere An¬ wendungsrαöglichkeiten liegen im Bereich von lap-on- chip-Anwendungen bzw. Telekommunikations-Anwendungen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten des mikromechanischen Spiegels betreffen den Einsatz in einem Flächenlicht- modulator (SLM) -Spiegelarray. Derartige SLM-Spiegel- arrays können z.B. für die Belichtung von Masken oder Wafern in der Halbleiter-Lithographie, als dispersi- ves Element bei der Formung von Laserpulsen, bei der Vermessung von dreidimensionalen Gegenständen durch Streifenprojektionsverfahren, zur Ablenkung und Modi¬ fikation von Laserstrahlen in der Augenheilkunde so- wie als phasenmodulierendes Element bei der Korrektur von Abbildungsfehlern im optischen System, eingesetzt werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren und dem folgenden Beispiel soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen zu beschränken. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines er¬ findungsgemäßen mikromechanischen Spiegels.
Fig. 2 zeigt eine Aufnahme eines integrierten Flä- chenlichtmodulators.
Fig. 3 zeigt ein Reflektionsspektrum einer erfin¬ dungsgemäßen Aluminium-Verspiegelung mit Fluorid-Ver- gütungsschicht.
Fig. 4 zeigt ein Reflektionsspektrum einer erfin¬ dungsgemäßen Aluminium-Verspiegelung mit Oxid-Vergü- tungsschicht .
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Verspiegelung, die aus einer Aluminium-Schicht mit einer Schichtdicke von 90 nm und einer Oxid-Vergütungsschicht aus Al2O3 mit einer Schichtdicke von 38 nm, besteht.
Beispiel
Für die Anwendung in einer weltweit neuen Generation von DV-Maskenbelichtern wurden am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden quad¬ ratische, IS μm breite, um die Mittelachse kippbare Mikrospiegel in SLM-Mikrospiegel-Arrays (z.B. 1024 x 512 Spiegel) integriert. Jeder einzelne Spiegel ist hierbei über eine Streuelektrode individuell auslenk- bar. In den maskenlosen Lithographieanlagen der schwedischen Firma Micronic sind SLM-Arrays Bestand¬ teil der Projektionsoptik und arbeiten als program¬ mierbares optisches 2D-Gitter bei Wellenlängen von 248 nm bzw. 193 nm. Am Fraunhofer Institut für'Präzi- sionsoptik und Feinmechanik Jena (IOF) wurden spe¬ ziell für Wellenlängen von 193 nm und 157 nm vergü- tete Aluminium-VerSpiegelungen entwickelt. Die HR- VerSpiegelungen wurden in einer Hochvakuum-Bedampf- ungskammer der Firma Balzers (Typ BAK640, ausgerüstet mit Kryopumpe, Elektronenstrahl- und thermischem Ver¬ dampfer, Basisdruck β«10'7mbar) hergestellt. Die Ver- spiegelungsschichten bestanden aus einer 75 nm dicken Aluminiumschicht (abgeschieden auf Silizium mit einer Rate von 30 nm/s) und verschiedenen dielektrischen Vergütungen, die bei einer Rate von 1 nm/s in der je¬ weils optimalen Dicke abgeschieden wurden. Die maxi¬ mal erreichten Reflektivitäten betrugen hierbei 91.2% für 193 nm bzw. 88.9% für 157 nm. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die experimentellen Reflexionsspektren der in Tabelle 1 spezifizierten Vorspiegelungen mit den ver¬ schiedenen Fluorid- bzw. Oxidvergütungsschichten.
Tabelle 1
Figure imgf000015_0001

Claims

15Patentansprüche
1. Hochreflektiv beschichteter mikromechanischer Spiegel für den tief-ultravioletten (DUV) und vakuum-ultravioletten (VUV) Spektralbereich mit einem Substrat und darauf abgeschiedener Alumi- nium-Schicht, die mit mindestens einer transpa¬ renten Vergütungsschicht überzogen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel mindes¬ tens eine KompensationsSchicht zur Stresskompen- sation aufweist und der Spiegel eine hohe Re- flektivität R von mindestens 70 % bei gleichzei¬ tig hoher Planarität D von maximal λ/4 aufweist.
2. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel hin¬ sichtlich der Dicke, der mechanischen und ther¬ mischen Eigenschaften vom Substrat und den Schichten symmetrisch ausgestaltet ist.
3. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel hin¬ sichtlich mindestens eines der Merkmale - der Dicke, der mechanischen und thermischen Eigen¬ schaften vom Substrat und den Schichten - asym¬ metrisch ausgestaltet ist. 16
4. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütungs¬ schicht gleichzeitig die Funktion der Kompensa¬ tionsschicht übernimmt .
5. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Deformation des Spiegels mit der Temperatur ma¬ ximal λ/4 pro 10 Kelvin beträgt.
6. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher- gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spannung von Substrat und den Schichten um maximal 200 MPa unterscheiden.
7. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Span- nung des Spiegels in einem Bereich liegt, der im Falle einer seitlichen Verankerung des Spiegels durch Dreh- oder Kippgelenke eine spontane De¬ formation ausschließt.
8. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel im Mit- 17
tel tensil verspannt ist.
9. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Material besteht, dessen mechanische Span¬ nung unabhängig von der Schichtdicke des Materi¬ als ist.
10. Mikromechanischer Spiegel nach dem vorhergehen¬ den Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem einkristallinen, polykristallinen, na- nokristallinen oder amorphen Material besteht.
11. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus SixAl7O2N{χ-x.y-Z) mit 1 > x ≥ 0,05, l ≥ y ≥ O, 1 > z ≥ 0 und 1 > x+y > 0.7 be- steht.
12. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus TiχAly02N(i-x-y-z) mit 1 > x > 0,05, l ≥ y ≥ O, l ≥ z ≥ O und 18
1 > x+y > 0.7 besteht .
13. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus TaxSiyOzN(i-x-y-z) mit 1 > x > 0,05, 1 > y > 0, l ≥ z ≥ O und 1 > x+y > 0.7 besteht.
14. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus MoxSiyOzN(1_x_y_z) mit 1 ≥ x > 0,05, 1 > y ≥ 0, l ≥ z ≥ O und 1 > x+y ≥ 0.7 besteht.
15. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder mindestens eine Kompensationsschicht aus einer Mischschicht aus CoxSiy0zN{i-x-y-2) mit 1 > x > 0, l ≥ y ≥ O, 0,3 > z > 0 und 1 > x+y ≥ 0.7 be¬ steht.
16. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechani- 19
sehe Spiegel im Spektralbereich, von 140 bis 400 nm hochreflektiv ist.
17. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher- gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechani¬ sche Spiegel auch im Spektralbereich von 400 bis 2000 nm hochreflektiv ist.
18. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium- Schicht eine Schichtdicke von 10 bis 1000 nm, insbesondere von 50 bis 200 nm besitzt.
19. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütungs- schicht aus einer Fluorid-Schicht, einer Oxid- Schicht und/oder deren Mischschichten besteht.
20. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die einzige bzw. mindestens eine Vergütungsschicht aus einem Ma- terial der Gruppe bestehend aus den Fluoriden MgF2, YF3, LaF3, AlF3, NdF3, BaF2, Chiolith, DyF3, GdF3, Kryolith, LiF, NaF, LuF3, SmF3, SrF2, TbF3, YbF3, ZrF4, den Oxiden Al2O3, SiO2/ Ta2O5, Nb2O5, 20
HfO2, TiO2, MgO oder einer Mischungen dieser Ma¬ terialien besteht.
21. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher- gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütungs- schicht eine Schichtdicke von 10 bis 200 nm, insbesondere von 20 bis 100 nm aufweist.
22. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aluminiutn- Schicht und Vergütungsschicht noch eine weitere Schicht aus Gold und/oder Silber angeordnet ist .
23. Mikromechanischer Spiegel nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium- Schicht, die mindestens eine Vergütungsschicht und die mindestens eine Kompensationsschicht li¬ thographisch strukturierbar sind.
24. Verfahren zur Herstellung hochreflektiver be¬ schichteter mikromechanisehen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem der den Spiegel bildende SchichtStapel aus Substrat, Reflexions- Schicht sowie der mindestens einen Kompensati- ons- und der mindestens einen Vergütungsschicht ganz oder teilweise mittels Hochvakuum-Bedam¬ pfung, Dioden- oder Magnetron-Sputtern, Ionen- 21
strahl-Sputtern, Atomic-Layer Deposition, CVD oder Elektroplating hergestellt wird.
25. Verwendung der hochreflektiv beschichteten mik- romechanischen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 23 in der Augenheilkunde.
26. Verwendung der hochreflektiv beschichteten mik- romechanisehen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 23 für Lab-on-chip- und/oder Telekommuni¬ kationsanwendungen.
27. Verwendung der hochreflektiv beschichteten mik¬ romechanischen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Herstellung von Mikrosensoren, op¬ tischen Datenspeichern und/oder Video- und Da¬ tenprojektionsdisplays .
28. Verwendung der hochreflektiv beschichteten τnik- romechanischen Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 23 in einem Flächenlichtmodulator (SLM) - Spiegelarray.
29. Verwendung der SLM-Spiegelarrays nach Anspruch 28 für die Belichtung von Masken oder Wafern in der Halbleiter-Lithographie.
30. Verwendung nach Anspruch 28 als dispersives Ele¬ ment bei der Formung von Laser-Pulsen. 22
31. Verwendung nach Anspruch 28 bei der Vermessung von dreidimensionalen Gegenständen durch Strei¬ fenprojektionsverfahren.
32. Verwendung nach Anspruch 28 zur Ablenkung und Modifikation von Laserstrahlen in der Augenheil¬ kunde.
33. Verwendung nach Anspruch 28 als phasenmodulie- rendes Element bei der Korrektur von Abbildungs¬ fehlern in optischen Systemen.
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