DE102023204477B4 - MEMS with an optical component and several stacked integrated circuits - Google Patents
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Abstract
Mikroelektromechanisches System (MEMS) für eine Vorrichtung mit einem oder mehreren optischen Bauteilen (20) mit
1.1. einer Aufhängung für ein optisches Bauteil (20),
1.2. einem oder mehreren Aktor-Elementen (62) zum Verlagern des optischen Bauteils (20) und/oder einem oder mehreren Sensorelementen (61) zum Erfassen einer Verlagerung des optischen Bauteils (20) und
1.3. einer Vielzahl von integrierten Schaltkreisen (ICs) (64, 65, 68),
1.4. wobei die integrierten Schaltkreise (64, 65, 68) gestapelt angeordnet sind und
1.5. wobei die integrierten Schaltkreise (64, 65, 68)
1.5.1. mindestens zwei verschiedene Arten aus folgender Liste: Aktor-Elektronik, Sensorelektronik und Steuerelektronik und/oder
1.5.2. mindestens zwei verschiedene Arten von Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass es verschiedene Arten von elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen ICs (64, 65, 68) umfasst, wobei die Arten der elektrischen Verbindungen aus der Liste von Silizium-Durchkontaktierungen (63), Drahtbonds (72) und Draht- und Bump-Verbindungen (66) ausgewählt sind.
Microelectromechanical system (MEMS) for a device with one or more optical components (20) with
1.1. a suspension for an optical component (20),
1.2. one or more actuator elements (62) for displacing the optical component (20) and/or one or more sensor elements (61) for detecting a displacement of the optical component (20) and
1.3. a variety of integrated circuits (ICs) (64, 65, 68),
1.4. wherein the integrated circuits (64, 65, 68) are arranged in a stacked manner and
1.5. wherein the integrated circuits (64, 65, 68)
1.5.1. at least two different types from the following list: actuator electronics, sensor electronics and control electronics and/or
1.5.2. comprising at least two different types of silicon vias (TSVs), characterized in that it comprises different types of electrical connections between different ICs (64, 65, 68), wherein the types of electrical connections are selected from the list of silicon vias (63), wire bonds (72) and wire and bump connections (66).
Description
Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System (MEMS), insbesondere ein MEMS für eine Vorrichtung mit einer oder mehreren optischen Bauteilen, insbesondere in Form eines Mikrospiegels. Die Erfindung betrifft ferner einen Mikrospiegel und ein optisches Bauteil, welches ein Array einer Vielzahl von Mikrospiegeln umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsoptik und ein Beleuchtungssystem für ein Lithographiesystem, eine Projektionsoptik für ein Lithographiesystem und ein Lithographiesystem. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils.The invention relates to a microelectromechanical system (MEMS), in particular a MEMS for a device with one or more optical components, in particular in the form of a micromirror. The invention further relates to a micromirror and an optical component which comprises an array of a multiplicity of micromirrors. The invention further relates to an illumination optics and an illumination system for a lithography system, a projection optics for a lithography system and a lithography system. Finally, the invention relates to a method for producing an optical component.
Die ständig steigenden Anforderungen des Halbleitermarktes erfordern die Weiterentwicklung und kontinuierliche Verbesserung von Lithographiesystemen, insbesondere der Beleuchtungsoptiken für die Lithographiesysteme. Derartige Beleuchtungsoptiken können aus einem Facettenmodul mit mehreren hundert dicht gestapelten Spiegelelementen bestehen, die jeweils in zwei Kippachsen verkippbar sind.The ever-increasing demands of the semiconductor market require the further development and continuous improvement of lithography systems, in particular the illumination optics for the lithography systems. Such illumination optics can consist of a facet module with several hundred densely stacked mirror elements, each of which can be tilted in two tilt axes.
Derartige Module mit einer großen Anzahl von einzeln ansteuerbaren Mikrospiegeln sind aus der
Eine elektronische Einheit mit einem ersten Substrat, einem zweiten Substrat und mindestens einem Abstandssubstrat, das zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordnet ist, ist aus
Die
Die
Die
Die
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikroelektromechanisches System (MEMS) für eine Vorrichtung zu verbessern, welche ein oder mehrere optische Bauteile umfasst, insbesondere einen oder mehrere Mikrospiegel, insbesondere einen oder mehrere kreisförmige kardanische Spiegel.It is the object of the present invention to improve a microelectromechanical system (MEMS) for a device which comprises one or more optical components, in particular one or more micromirrors, in particular one or more circular gimbal mirrors.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the subject matter of claim 1.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das mikro-elektromechanische System (MEMS) mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) unterschiedlichen Typs und/oder mit unterschiedlichen Typen von Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs), wobei die ICs gestapelt angeordnet sind.According to one aspect of the invention, the micro-electromechanical system (MEMS) comprises a plurality of integrated circuits (ICs) of different types and/or with different types of silicon vias (TSVs), wherein the ICs are arranged in a stacked manner.
Die ICs können insbesondere Aktor-Elektronik und/oder Sensorelektronik und/oder Steuerelektronik umfassen.The ICs may in particular comprise actuator electronics and/or sensor electronics and/or control electronics.
Die Aktor-Elektronik kann insbesondere aus Verstärkern und/oder Treibern bestehen oder diese enthalten.The actuator electronics can in particular consist of or contain amplifiers and/or drivers.
Die Aktor-Elektronik kann insbesondere eine Hochspannungselektronik (HV) umfassen oder daraus bestehen, insbesondere für Spannungen von mindestens 50 V, insbesondere mindestens 100 V, insbesondere mindestens 140 V, insbesondere mindestens 180 V, insbesondere mindestens 200 V.The actuator electronics can in particular comprise or consist of high-voltage electronics (HV), in particular for voltages of at least 50 V, in particular at least 100 V, in particular at least 140 V, in particular at least 180 V, in particular at least 200 V.
Die Aktor-Elektronik kann insbesondere Hochspannungs-ASICs umfassen oder daraus bestehen.The actuator electronics can in particular include or consist of high-voltage ASICs.
Die Sensorelektronik kann insbesondere eine analoge Front-End-Elektronik umfassen oder daraus bestehen.The sensor electronics can in particular comprise or consist of analog front-end electronics.
Die Sensorelektronik kann insbesondere eine Niederspannungselektronik (NV) umfassen oder daraus bestehen, insbesondere für Spannungen von höchstens 50 V, insbesondere höchstens 36 V.The sensor electronics can in particular comprise or consist of low-voltage electronics (LV), in particular for voltages of at most 50 V, in particular at most 36 V.
Die Sensorelektronik kann insbesondere ASICs mit niedriger Spannung (NV) umfassen oder daraus bestehen.The sensor electronics may in particular include or consist of low voltage (NV) ASICs.
Der Controller kann z. B. einen geschlossenen Regelkreis, eine Feedback- oder Feedforward-Funktion bereitstellen, kann Kalibrierungsdaten speichern und die Ansteuerung auf der Grundlage dieser Daten und mehrerer erfasster externer oder interner Parameter neu berechnen.For example, the controller can provide a closed loop, a feedback or feedforward function, can store calibration data and recalculate the control based on this data and several detected external or internal parameters.
Die ICs können auch als Chips, Dies oder Wafer bezeichnet werden, insbesondere als Chips mit ICs, Dies mit ICs oder Wafer mit ICs.The ICs may also be referred to as chips, dies or wafers, especially as chips with ICs, dies with ICs or wafers with ICs.
Nachfolgend wird die Erfindung im Hinblick auf einen verlagerbaren Mikrospiegel beschrieben. Dies ist nicht als einschränkend zu verstehen. Der Mikrospiegel dient vor allem als ein explizites Beispiel für ein optisches Bauteil. Anstelle eines Mikrospiegels kann die Erfindung vorteilhaft mit jedem anderen verlagerbaren optischen Bauteil verwendet werden.The invention is described below with regard to a displaceable micromirror. This is not to be understood as limiting. The micromirror serves primarily as an explicit example of an optical component. Instead of a micro mirror, the invention can advantageously be used with any other displaceable optical component.
Das MEMS kann insbesondere vorteilhaft mit einem kreisförmigen kardanischen Spiegel (CCM) verwendet werden.The MEMS can be used particularly advantageously with a circular gimbal mirror (CCM).
Durch die Anordnung mehrerer integrierter Schaltkreise in gestapelter Form wird der verfügbare Platz für elektronische Schaltkreise innerhalb einer bestimmten Grundfläche eines Mikrospiegels vergrößert. Dies ermöglicht die Erzeugung einer größeren Treiberspannung für einen Aktor zur Verlagerung eines Mikrospiegels und/oder eine Verbesserung der Elektronik zur Erfassung der Verlagerung eines Mikrospiegels und/oder eine Verbesserung der Elektronik einer Steuerlogikvorrichtung.By arranging multiple integrated circuits in a stacked form, the available space for electronic circuitry within a given footprint of a micromirror is increased. This allows for the generation of a larger drive voltage for an actuator to displace a micromirror and/or an improvement in the electronics for sensing the displacement of a micromirror and/or an improvement in the electronics of a control logic device.
Darüber hinaus kann die Wärmeableitung von einem Mikrospiegel verbessert werden.In addition, the heat dissipation from a micromirror can be improved.
Vorteilhafterweise sind die elektronischen Schaltkreise der Ansteuerungsvorrichtungen und/oder der Sensorvorrichtungen und/oder der Steuerlogik-vorrichtungen für einen einzelnen Mikro-Minus-Spiegel innerhalb der Grundfläche eines solchen Mikro-Spiegels angeordnet. Dadurch kann die Notwendigkeit der individuellen Positionierung jedes Spiegels erfüllt und die dichte Belegung des Arrays mit Spiegeln verbessert werden.Advantageously, the electronic circuits of the control devices and/or the sensor devices and/or the control logic devices for a single micro-minus mirror are arranged within the footprint of such a micro-mirror. This can meet the need for individual positioning of each mirror and improve the dense coverage of the array with mirrors.
Insbesondere kann durch eine gestapelte Anordnung integrierter Schaltkreise eine höhere Treiberspannung bzw. ein stärkeres Kraft-/Drehmoment für eine Verlagerung eines Mikro-Lichtspiegels erreicht werden. Die integrierten Schaltkreise können dreidimensional oder vertikal gestapelt angeordnet sein. Sie können insbesondere in mehreren Schichten hinter dem Mikrospiegel angeordnet sein. Die einzelnen Schichten können schräg, insbesondere senkrecht, zu einer Flächennormalen des Mikrospiegels angeordnet sein. Die Dies können insbesondere so angeordnet werden, dass ihre Oberfläche parallel zu der des Spiegels verläuft.In particular, a higher driver voltage or a stronger force/torque for moving a micro-light mirror can be achieved by a stacked arrangement of integrated circuits. The integrated circuits can be arranged three-dimensionally or stacked vertically. In particular, they can be arranged in several layers behind the micro-mirror. The individual layers can be arranged obliquely, in particular perpendicularly, to a surface normal of the micro-mirror. The dies can in particular be arranged so that their surface runs parallel to that of the mirror.
Erfindungsgemäß kann eine starke Kraft zum Kippen eines Spiegels erzeugt werden, obwohl der Raum unterhalb des Spiegels sehr begrenzt ist.According to the invention, a strong force for tilting a mirror can be generated even though the space below the mirror is very limited.
Insbesondere können hohe Treiberspannungen von über 100 V, insbesondere über 140 V, insbesondere über 180 V zur Verlagerung eines Spiegels erzeugt werden, obwohl der Raum unterhalb des Spiegels, in dem die elektronischen Bauteile zur Erzeugung und/oder Verstärkung der Treiberspannung anzuordnen sind, insbesondere dessen Querschnittsfläche, sehr begrenzt ist.In particular, high drive voltages of over 100 V, in particular over 140 V, in particular over 180 V can be generated to move a mirror, although the space below the mirror in which the electronic components for generating and/or amplifying the drive voltage are to be arranged, in particular its cross-sectional area, is very limited.
Insbesondere die gestapelte Anordnung der ICs ermöglicht es, die notwendigen Treiberspannungen an der Spiegelgrundfläche zu erzeugen und/oder zu steuern.In particular, the stacked arrangement of the ICs makes it possible to generate and/or control the necessary driver voltages at the mirror base surface.
Zudem können die Sensorsignale verstärkt und so nah wie möglich am Wandler für die Umwandlung der Bewegung in ein elektrisches Signal ausgelesen werden.In addition, the sensor signals can be amplified and read as close as possible to the transducer for converting the movement into an electrical signal.
Außerdem kann ein Regelkreis zwischen den Sensoren und den Aktoren vorgesehen werden, um die Ausrichtung des Spiegels stabil zu halten.In addition, a control loop can be provided between the sensors and the actuators to keep the alignment of the mirror stable.
Es wurde erkannt, dass höhere Treiberspannungen bzw. mehr Kraft und damit die erfolgreiche Realisierung von 2D-kippbaren Spiegeln für Anwendungen mit hoher thermischer Belastung, wie z.B. EUV-Systeme, durch erweiterte 3D- oder vertikale Stapelung der Front-End (FE)-Treiber- und/oder FE-Sensorelektronik und/oder der Back-End (BE)-Regelkreiselektronik erreicht werden können.It was recognized that higher drive voltages or more force and thus the successful realization of 2D tilting mirrors for high thermal load applications, such as EUV systems, can be achieved by extended 3D or vertical stacking of the front-end (FE) driver and/or FE sensor electronics and/or the back-end (BE) control loop electronics.
Eine gestapelte Anordnung kann insbesondere bedeuten, dass mindestens zwei integrierte Schaltkreise in verschiedenen Ebenen, insbesondere in parallelen Ebenen, angeordnet sind. Dies schließt nicht aus, dass mehrere integrierte Schaltkreise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.A stacked arrangement can in particular mean that at least two integrated circuits are arranged in different planes, in particular in parallel planes. This does not exclude the possibility of several integrated circuits being arranged in a common plane.
Das mikroelektromechanische System kann mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens sechs, insbesondere mindestens 12 separate integrierte Schaltkreise umfassen.The microelectromechanical system can comprise at least two, in particular at least three, in particular at least four, in particular at least six, in particular at least 12 separate integrated circuits.
Die integrierten Schaltkreise können in mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens sechs verschiedenen Schichten oder Ebenen angeordnet sein. Eine große Anzahl von Ebenen ermöglicht eine größere Anzahl von separaten integrierten Schaltkreisen.The integrated circuits can be arranged in at least two, in particular at least three, in particular at least four, in particular at least six different layers or levels. A large number of levels enables a larger number of separate integrated circuits.
Bei den integrierten Schaltkreisen kann es sich um anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) handeln.The integrated circuits can be application-specific integrated circuits (ASICs).
Die integrierten Schaltkreise können aus einzelnen integrierten Schaltkreisen und/oder doppelseitigen integrierten Schaltkreisen bestehen. Dies bezieht sich auf die Anordnung von elektronischen Schaltkreisen auf den integrierten Schaltkreisen.The integrated circuits may consist of single integrated circuits and/or double-sided integrated circuits. This refers to the arrangement of electronic circuits on the integrated circuits.
Die verfügbare Grundfläche zur Anordnung der integrierten Schaltkreise kann kleiner als 1 cm × 1 cm, insbesondere kleiner als 0,5 cm × 0,5 cm, insbesondere kleiner als 0,3 cm × 0,3 cm, insbesondere kleiner als 0,2 cm × 0,2 cm, insbesondere höchstens 1 mm2, insbesondere höchstens 0,65 mm2 sein.The available area for arranging the integrated circuits can be smaller than 1 cm × 1 cm, in particular smaller than 0.5 cm × 0.5 cm, in particular smaller than 0.3 cm × 0.3 cm, in particular smaller than 0.2 cm × 0.2 cm, in particular not more than 1 mm 2 , in particular not more than 0.65 mm 2 .
Die verfügbare Grundfläche kann durch die Abmessungen, insbesondere durch eine Querschnittsfläche, eines Mikrospiegels, insbesondere seines Substrats oder seiner Reflexionsfläche, gegeben sein.The available base area can be given by the dimensions, in particular by a cross-sectional area, of a micromirror, in particular its substrate or its reflection surface.
Die integrierten Schaltkreise können alle höchstens so groß wie die verfügbare Grundfläche sein. Sie können insbesondere höchstens halb so groß sein wie die verfügbare Grundfläche. Das Verhältnis zwischen der verfügbaren Grundfläche und der Größe eines einzelnen integrierten Schaltkreises kann mindestens 3, insbesondere mindestens 4, insbesondere mindestens 6 betragen.The integrated circuits can all be no larger than the available floor space. In particular, they can be no larger than half the available floor space. The ratio between the available floor space and the size of an individual integrated circuit can be at least 3, in particular at least 4, in particular at least 6.
Es ist auch möglich, dass sich ein oder mehrere ICs über die verfügbare Grundfläche erstrecken, insbesondere über die durch einen Mikrospiegel definierte verfügbare Grundfläche. Ein oder mehrere ICs können insbesondere größer sein als die verfügbare Grundfläche, insbesondere größer als die Querschnittsfläche des Mikrospiegels, insbesondere seines Substrats oder größer als seine Reflexionsfläche. Dies kann insbesondere für elektronische Schaltkreise nützlich sein, die mehr als einen einzelnen Mikrospiegel ansteuern. Zum Beispiel können die ICs auch bis zu doppelt so groß sein wie die Grundfläche, da ein IC 2 Spiegel oder 2x1 Spiegel ansteuern kann, oder bis zu viermal so groß, da ein IC 4 Spiegel, insbesondere 2x2 Spiegel, ansteuern kann, oder bis zu 6 Spiegel, insbesondere 3x2 Spiegel, oder bis zu 9 Spiegel, insbesondere 3x3 Spiegel, oder bis zu 16 Spiegel, insbesondere 4x4 Spiegel oder mehr.It is also possible for one or more ICs to extend over the available floor area, in particular over the available floor area defined by a micromirror. One or more ICs may in particular be larger than the available floor area, in particular larger than the cross-sectional area of the micromirror, in particular its substrate, or larger than its reflection area. This may be particularly useful for electronic circuits that drive more than a single micromirror. For example, the ICs may also be up to twice the floor area, since one IC may drive 2 mirrors or 2x1 mirrors, or up to four times the floor area, since one IC may drive 4 mirrors, in particular 2x2 mirrors, or up to 6 mirrors, in particular 3x2 mirrors, or up to 9 mirrors, in particular 3x3 mirrors, or up to 16 mirrors, in particular 4x4 mirrors or more.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das MEMS eine Aufhängung für einen Mikrospiegel. Vorzugsweise ist die Aufhängung aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit λ wie kristallinem Silizium, Aluminium, Gold oder Kupfer gebaut. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem die Aufhängung besteht, kann mindestens 140 W/m.K, insbesondere mindestens 200 W/m.K, insbesondere mindestens 300 W/m.K und insbesondere mindestens 380 W/m.K betragen.According to one aspect of the invention, the MEMS comprises a suspension for a micromirror. Preferably, the suspension is constructed from a material with high thermal conductivity λ such as crystalline silicon, aluminum, gold or copper. The thermal conductivity of the material from which the suspension is made can be at least 140 W/m.K, in particular at least 200 W/m.K, in particular at least 300 W/m.K and in particular at least 380 W/m.K.
Die Aufhängung kann eine oder mehrere Federn, insbesondere Torsionsfedern oder Biegungen, umfassen oder daraus bestehen.The suspension may comprise or consist of one or more springs, in particular torsion springs or bends.
Die Aufhängung kann als Biegeelement oder Gelenk, insbesondere als Kardangelenk, ausgeführt sein. Die Spiegel werden dementsprechend auch als kardanische Spiegel bezeichnet.The suspension can be designed as a bending element or joint, in particular as a cardan joint. The mirrors are therefore also called gimbal mirrors.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfassen die elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen ICs und/oder zwischen einem IC und einem Substrat zur Aufhängung eines oder mehrerer Mikrospiegel Silizium-Durchkontaktierungen (Through Silicon Vias, TSVs) und/oder Drahtbonds und/oder Draht- und Bump-Verbindungen. Verschiedene ICs können auch durch Stapeln von gebondeten Dies elektrisch verbunden werden. Unterschiedliche ICs können auch durch gestapelte, elektrisch verbundene Dies elektrisch verbunden werden.According to one aspect of the invention, the electrical connections between different ICs and/or between an IC and a substrate for suspending one or more micromirrors comprise through silicon vias (TSVs) and/or wire bonds and/or wire and bump connections. Different ICs may also be electrically connected by stacking bonded dies. Different ICs may also be electrically connected by stacked, electrically connected dies.
Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs) können insbesondere aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden, wie dem oben erwähnten Material für die Aufhängung, z. B. Cu, Si/Poly-Si, Al, Au. TSVs können insbesondere aus Kupfer oder Poly-Si hergestellt werden.In particular, silicon vias (TSVs) can be made of a material with high thermal conductivity, such as the suspension material mentioned above, e.g. Cu, Si/poly-Si, Al, Au. TSVs can be made of copper or poly-Si in particular.
Kupfer-TSVs sind besonders gute thermische und elektrische Leiter, während Poly-Si-TSVs die elektrischen Signale gut und Wärme mäßig gut leiten. Andererseits ermöglichen Poly-Si-TSVs spätere Hochtemperaturprozesse, zum Beispiel für die Implantation und das Annealing von CMOS-Schaltkreisen. Die ICs können als dreidimensionaler gestufter Stapel angeordnet werden. Die Stapelrichtung kann insbesondere senkrecht zur Oberfläche der IC-Chips verlaufen.Copper TSVs are particularly good thermal and electrical conductors, while poly-Si TSVs conduct electrical signals well and heat moderately well. On the other hand, poly-Si TSVs enable later high-temperature processes, for example for the implantation and annealing of CMOS circuits. The ICs can be arranged as a three-dimensional stepped stack. The stacking direction can in particular be perpendicular to the surface of the IC chips.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das MEMS einen oder mehrere Interposer-Chips. Solche Interposer-Chips können nur elektrische und/oder thermische Verbindungen, aber keinen aktiven elektronischen Schaltkreis aufweisen. Ein Interposer-Chip kann insbesondere als Wafer mit vertikalen Zwischenverbindungen ausgestaltet sein. Die vertikalen Zwischenverbindungen können durch TSVs hergestellt werden.According to one aspect of the invention, the MEMS comprises one or more interposer chips. Such interposer chips can only have electrical and/or thermal connections, but no active electronic circuit. An interposer chip can in particular be designed as a wafer with vertical interconnections. The vertical interconnections can be produced by TSVs.
Die Interposer-Chips können insbesondere TSVs verschiedener Typen umfassen. Für Einzelheiten wird auf die obige Beschreibung verwiesen.In particular, the interposer chips may comprise TSVs of different types. For details, see the description above.
Es ist insbesondere möglich, dass ein oder mehrere Interposer-Chips TSVs unterschiedlichen Typs umfassen können. Insbesondere ist es auch möglich, dass ein oder mehrere Interposer-Chips nur TSVs eines einzigen Typs umfassen.In particular, it is possible that one or more interposer chips can comprise TSVs of different types. In particular, it is also possible that one or more interposer chips only comprise TSVs of a single type.
Insbesondere können elektrische und/oder thermische Verbindungen von und/oder zu dem optischen Bauteil teilweise oder vollständig durch die TSVs gewährleistet werden. Die TSVs können insbesondere eine Brücke zwischen der Aktor-Elektronik und/oder Sensorelektronik dem optischen Bauteil und einer Schnittstelle zum Anschluss an eine externe Vorrichtung und/oder Quelle bilden. Die elektrische Stromversorgung und mögliche digitale und/oder analoge Eingangs- und/oder Ausgangssignale können von/zu einem rückseitig angeordneten elektrischen Anschluss durch die Controller-Chips, dann durch die FE-Chips und dann durch den Körper/das Substrat des optischen Bauteils zu den Sensoren und Aktoren und zurückgeleitet werden. Thermische Pfade können vom optischen Element durch sein Substrat, durch das FE, durch das Steuergerät zu einem rückseitig angeordneten Kühlkörper führen.In particular, electrical and/or thermal connections from and/or to the optical component can be ensured partially or completely by the TSVs. The TSVs can in particular form a bridge between the actuator electronics and/or sensor electronics, the optical component and an interface for connection to an external device and/or source. The electrical power supply and possible digital and/or analog input and/or output signals can be provided from/to a rear-mounted electrical connection by the controller chips, then through the FE chips and then through the body/substrate of the optical component to the sensors and actuators and back. Thermal paths can lead from the optical element through its substrate, through the FE, through the control unit to a heat sink located at the rear.
Die Interposer-Chips können auch integrierte elektronische Schaltkreise auf einer oder beiden Seiten enthalten. Es ist auch möglich, hybride Elektronikchips zu verwenden, die auf einem Die einseitige oder doppelseitige elektronische Schaltkreise und TSVs enthalten. Die TSVs können insbesondere die Funktion haben, elektrische Signale und/oder Wärme zu leiten.The interposer chips can also contain integrated electronic circuits on one or both sides. It is also possible to use hybrid electronic chips containing single-sided or double-sided electronic circuits and TSVs on a die. The TSVs can in particular have the function of conducting electrical signals and/or heat.
Die Elektronikbauteile, insbesondere die ICs, können kaskadiert angeordnet werden.The electronic components, especially the ICs, can be arranged in a cascade.
Die Elektronikbauteile, insbesondere die ICs, können teilweise oder vollständig durch Interposer-Chips mit vertikalen Zwischenverbindungen (TSVs) und/oder Via-Bonds und/oder Via- und Bump-Verbindungen elektrisch und/oder thermisch mit einem Spiegelelement verbunden werden.The electronic components, in particular the ICs, can be partially or completely electrically and/or thermally connected to a mirror element by interposer chips with vertical interconnects (TSVs) and/or via bonds and/or via and bump connections.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind ein oder mehrere Sensor-Auslese-ASICs und/oder ein oder mehrere Aktor-Treiber und/oder ein oder mehrere Steuerlogik-Vorrichtungen auf verschiedenen integrierten Schaltkreisen enthalten, wobei diese verschiedenen integrierten Schaltkreise hintereinander gestapelt angeordnet sind.According to one aspect of the invention, one or more sensor readout ASICs and/or one or more actuator drivers and/or one or more control logic devices are included on different integrated circuits, wherein these different integrated circuits are arranged stacked one behind the other.
Hierdurch kann die Größe der einzelnen ICs reduziert werden.This allows the size of the individual ICs to be reduced.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die ICs für die Aktor-Elektronik Treibersignale von mindestens 100 V, insbesondere von mindestens 140 V, insbesondere von mindestens 170 V, insbesondere von mindestens 200 V bereitstellen.According to one aspect of the invention, the ICs for the actuator electronics can provide driver signals of at least 100 V, in particular of at least 140 V, in particular of at least 170 V, in particular of at least 200 V.
Für jeden Freiheitsgrad können zwei Treibersignale bereitgestellt werden. Das optische Bauteil kann um zwei unabhängige Kippachsen verkippbar sein.Two drive signals can be provided for each degree of freedom. The optical component can be tilted about two independent tilt axes.
Die ICs für die Aktor-Elektronik können jeweils eine Querschnittsfläche von höchstens 4 mm2, insbesondere von höchstens 2,5 mm2, insbesondere von höchstens 1 mm2, insbesondere von höchstens 0,7 mm2 aufweisen.The ICs for the actuator electronics can each have a cross-sectional area of at most 4 mm 2 , in particular at most 2.5 mm 2 , in particular at most 1 mm 2 , in particular at most 0.7 mm 2 .
Bei den ICs für die Aktor-Elektronik kann es sich insbesondere um Verstärkerschaltkreise und/oder Treiberschaltkreise handeln.The ICs for the actuator electronics can in particular be amplifier circuits and/or driver circuits.
Die ICs für die Aktor-Elektronik können elektrisch mit einem externen Spannungsgenerator verbunden sein.The ICs for the actuator electronics can be electrically connected to an external voltage generator.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das MEMS einen Träger aus Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC) mit integrierten ICs umfasst. Diese Technologie ermöglicht eine robuste Montage und Verpackung elektronischer Bauteile. Die keramischen Bauteile werden in einem Mehrschichtverfahren hergestellt. Das Ausgangsmaterial sind rohe Kompositbänder, die aus Keramikpartikeln bestehen, die mit polymeren Bindemitteln gemischt sind. Die Bänder sind flexibel und können bearbeitet werden, z. B. durch Schneiden, Fräsen, Stanzen und Prägen. Den Schichten können Metallstrukturen hinzugefügt werden, was üblicherweise durch Via Filling und Siebdruck geschieht. Hohlräume werden verstärkt. Die einzelnen Bänder werden dann in einem Laminiervorgang miteinander verbunden, bevor die Bauteile in einem Ofen gebrannt werden, wo der Polymeranteil des Bandes verbrennt und die Keramikpartikel zusammensintern, so dass ein hartes und dichtes Keramikbauteil entsteht.One aspect of the invention is that the MEMS comprises a low-temperature single-fired ceramic (LTCC) carrier with integrated ICs. This technology enables robust assembly and packaging of electronic components. The ceramic components are manufactured in a multi-layer process. The starting material is raw composite tapes consisting of ceramic particles mixed with polymeric binders. The tapes are flexible and can be processed, e.g. by cutting, milling, punching and embossing. Metal structures can be added to the layers, which is usually done by via filling and screen printing. Voids are reinforced. The individual tapes are then bonded together in a lamination process before the components are fired in a furnace, where the polymer portion of the tape burns and the ceramic particles sinter together, creating a hard and dense ceramic component.
Der LTCC-Träger kann als Halterung dienen und/oder zur elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit beitragen.The LTCC carrier can serve as a support and/or contribute to electrical and/or thermal conductivity.
Der LTCC-Träger kann aus verschiedenen Schichten bestehen, insbesondere aus Schichten mit unterschiedlichen Typen von ICs. Für Einzelheiten zu den verschiedenen ICs wird auf die entsprechende Beschreibung verwiesen.The LTCC carrier can consist of different layers, in particular layers with different types of ICs. For details on the different ICs, please refer to the corresponding description.
Verschiedene LTCC- Schichten können horizontal verschoben angeordnet werden, insbesondere so, dass sich die in benachbarten Schichten eingebauten ICs in einer vertikalen Projektion höchstens teilweise überlappen. Insbesondere können verschiedene LTCC- Schichten horizontal verschoben angeordnet werden, so dass sich die in benachbarten Schichten eingebauten ICs in einer vertikalen Projektion nicht überlappen.Different LTCC layers can be arranged horizontally shifted, in particular such that the ICs built into adjacent layers overlap at most partially in a vertical projection. In particular, different LTCC layers can be arranged horizontally shifted so that the ICs built into adjacent layers do not overlap in a vertical projection.
Die ICs können auf die jeweiligen Schichten der LTCC gebondet oder geklebt werden.The ICs can be bonded or glued to the respective layers of the LTCC.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das MEMS einen Aktor und/oder einen Sensor mit einer Kammstruktur, insbesondere mit einer radialen Kammstruktur, umfassen. Zu Einzelheiten einer solchen Kammstruktur wird auf die
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das MEMS einen Kühlkörper umfassen. Der Kühlkörper steht vorzugsweise in thermischer Verbindung mit dem Mikrospiegel.According to one aspect of the invention, the MEMS may comprise a heat sink. The heat sink per is preferably in thermal connection with the micromirror.
Der Kühlkörper kann auf einer Seite angeordnet sein, die einer Reflexionsfläche der Mikrospiegel in Bezug auf die Elektronikbauteile gegenüberliegt. Er kann auch zwischen verschiedenen elektronischen Bauteilen, insbesondere zwischen verschiedenen ICs, angeordnet sein.The heat sink can be arranged on a side opposite a reflection surface of the micromirrors with respect to the electronic components. It can also be arranged between different electronic components, in particular between different ICs.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die Chips, insbesondere der Front-end-Elektronik-Chip und/oder der Controller-Elektronik-Chip, sehr dünn ausgeführt sein. Sie können insbesondere eine Dicke von höchstens 100 µm, insbesondere von höchstens 80 µm, insbesondere von höchstens 60 µm aufweisen. Sie können zum Beispiel eine Dicke im Bereich von 50 µm bis 100 µm aufweisen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sie von der Standard-Waferdicke, z. B. 525 µm für einen Wafer mit 100 mm Durchmesser bis zu 775 µm für einen Wafer mit 300 mm Durchmesser, ausgedünnt werden. Die Ausdünnung kann durch Schleifen und optionales anschließendes Polieren erfolgen.According to a further aspect, the chips, in particular the front-end electronic chip and/or the controller electronic chip, can be made very thin. They can in particular have a thickness of at most 100 µm, in particular of at most 80 µm, in particular of at most 60 µm. They can for example have a thickness in the range from 50 µm to 100 µm. This can be achieved in particular by thinning them from the standard wafer thickness, e.g. 525 µm for a wafer with a diameter of 100 mm to 775 µm for a wafer with a diameter of 300 mm. The thinning can be carried out by grinding and optional subsequent polishing.
Ausgedünnte Wafer sind sehr biegsam, ähnlich wie dünne Bleche, und passen sich daher leicht den Oberflächen an, auf die sie gebondet werden. Die Substrate, die die Front-End-Elektronik und/oder die Controller-Elektronik enthalten, können insbesondere flexibel sein. Sie können insbesondere reversibel verformbar sein.Thinned wafers are very flexible, similar to thin sheets, and therefore easily conform to the surfaces to which they are bonded. The substrates containing the front-end electronics and/or the controller electronics can be particularly flexible. In particular, they can be reversibly deformable.
Gemäß einem weiteren Aspekt können benachbarte Substrate, die insbesondere zwischen den Mikrospiegeln und der Trägerstruktur angeordnet sind, durch vollflächige mechanische / thermische Verbindungen verbunden sein; elektrische Verbindungen sind aus naheliegenden Gründen in der Regel nicht vollflächig. Darunter ist zu verstehen, dass die Substrate über eine breite, ebene, im Wesentlichen ununterbrochene Fläche miteinander gebondet sind.According to a further aspect, adjacent substrates, which are arranged in particular between the micromirrors and the carrier structure, can be connected by full-surface mechanical/thermal connections; electrical connections are generally not full-surface for obvious reasons. This means that the substrates are bonded to one another over a wide, flat, essentially uninterrupted surface.
Dadurch kann der Wärmeübergang zwischen benachbarten Substraten erheblich verbessert werden. Eines oder mehrere, insbesondere alle, der Substrate zwischen den Spiegeln und der Trägerstruktur können eine Auswahl von einer oder mehreren der folgenden Schichten aufweisen:
- - eine oder mehrere Verbindungsschichten, die insbesondere auf der Vorderseite eines Substrats angeordnet sind,
- - eine oder mehrere Umverteilungsschichten, die insbesondere auf der Rückseite eines Substrats angeordnet sind,
- - eine oder mehrere elektronische Bauelementeschichten, insbesondere mit integrierten Schaltkreisen,
- - mindestens eine Bonding-Interface-Schicht, insbesondere auf seiner Vorderseite und/oder auf seiner Rückseite.
- - one or more connecting layers, which are arranged in particular on the front side of a substrate,
- - one or more redistribution layers, which are arranged in particular on the back of a substrate,
- - one or more electronic component layers, in particular with integrated circuits,
- - at least one bonding interface layer, in particular on its front side and/or on its back side.
Dabei ist die „Vorderseite“ die Seite, auf der sich die Bauelementeschicht befindet.The “front side” is the side on which the component layer is located.
Die Rückseite bezeichnet die Seite, auf der die Wafer bearbeitet werden.The back side refers to the side on which the wafers are processed.
Durch die großflächige thermische Verbindung zwischen benachbarten Substraten wird der vertikale Wärmewiderstand stark reduziert. Im Falle einer Lot-Bump-Verbindung kann der Wärmewiderstand über die Bondschicht insbesondere zwischen 49 mK/(Wcm2) und 280 mK/(Wcm2) unter den folgenden angenommenen typischen Werten liegen: Die Bump-Höhe liegt zwischen 50 µm und 1000 µm, die Wärmeleitfähigkeit des Lots liegt zwischen 50 W/(m K) und 70 W/(m K), die Wärmeleitfähigkeit des Epoxid-Füllmaterials liegt zwischen 0,3 W/(m K) und 0,7 W/(m K) und die Oberflächenbedeckung des Lotbumps liegt zwischen 0,2 und 0,5. Diese reduziert sich auf praktisch null, was in der Praxis einige mK/(Wcm2) bedeutet.Due to the large-area thermal connection between adjacent substrates, the vertical thermal resistance is greatly reduced. In the case of a solder bump connection, the thermal resistance across the bond layer can be between 49 mK/(Wcm 2 ) and 280 mK/(Wcm 2 ) under the following assumed typical values: the bump height is between 50 µm and 1000 µm, the thermal conductivity of the solder is between 50 W/(m K) and 70 W/(m K), the thermal conductivity of the epoxy filler is between 0.3 W/(m K) and 0.7 W/(m K) and the surface coverage of the solder bump is between 0.2 and 0.5. This reduces to practically zero, which in practice means several mK/(Wcm 2 ).
Außerdem kann der thermische Widerstand über die laterale Ausdehnung der Substrate sehr homogen gehalten werden, da eine Reduzierung der Variation des absoluten thermischen Widerstands um dieselbe Größenordnung zu erwarten ist.In addition, the thermal resistance can be kept very homogeneous over the lateral extension of the substrates, since a reduction of the variation of the absolute thermal resistance by the same order of magnitude is to be expected.
Der thermische Widerstand kann über die Bondschicht höchstens um den Faktor 6, insbesondere höchstens um den Faktor 4, insbesondere höchstens um den Faktor 2, variieren.The thermal resistance can vary across the bonding layer by a maximum factor of 6, in particular by a maximum factor of 4, in particular by a maximum factor of 2.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikrospiegel und/oder ein Mikrospiegel-Array und/oder ein optisches Bauteil mit einem Mikrospiegel-Array zu verbessern.A further object of the invention is to improve a micromirror and/or a micromirror array and/or an optical component with a micromirror array.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrospiegel, ein Mikrospiegel-Array und ein optisches Bauteil mit einem Mikrospiegel-Array mit einem MEMS gemäß der vorstehenden Beschreibung gelöst.This object is achieved by a micromirror, a micromirror array and an optical component with a micromirror array with a MEMS according to the above description.
Die MEMS können insbesondere vollständig innerhalb der Grundfläche eines einzelnen Spiegelsubstrats angeordnet werden.In particular, the MEMS can be arranged entirely within the footprint of a single mirror substrate.
Die MEMS können auch zu einem Array von z.B. 2 × 2, 2 × 3, 3 × 3, 4 × 4 oder mehr Spiegeln verbunden sein.The MEMS can also be connected to an array of e.g. 2 × 2, 2 × 3, 3 × 3, 4 × 4 or more mirrors.
Die MEMS können eine maximale Querschnittsfläche von höchstens 1 cm2, insbesondere 0,1 cm2, insbesondere höchstens 1 mm2 aufweisen.The MEMS may have a maximum cross-sectional area of at most 1 cm 2 , in particular 0.1 cm 2 , in particular at most 1 mm 2 .
Die integrierten Schaltkreise können Front-End-ASICs mit einer Gesamtgröße von weniger als 9 mm2, insbesondere weniger als 5 mm2, insbesondere weniger als 3 mm2, insbesondere weniger als 1 mm2 umfassen.The integrated circuits may comprise front-end ASICs with a total size of less than 9 mm 2 , in particular less than 5 mm 2 , in particular less than 3 mm 2 , in particular less than 1 mm 2 .
Die Reflexionsfläche des Spiegelsubstrats kann eine EUV-Reflexionsbeschichtung aufweisen. Die EUV-Reflexionsbeschichtung kann als Si-Mo-Mehrschichtstruktur ausgeführt sein.The reflection surface of the mirror substrate may have an EUV reflection coating. The EUV reflection coating may be designed as a Si-Mo multilayer structure.
Der Mikrospiegel kann einen Kippbereich von mindestens 50 mrad, insbesondere von mindestens 70 mrad, insbesondere von mindestens 100 mrad, insbesondere von mindestens 120 mrad haben. Der Kippbereich kann höchstens 500 mrad betragen.The micromirror can have a tilt range of at least 50 mrad, in particular of at least 70 mrad, in particular of at least 100 mrad, in particular of at least 120 mrad. The tilt range can be at most 500 mrad.
Die Kippgenauigkeit des Mikrospiegels kann besser als 100 µrad, insbesondere besser als 50 µrad, insbesondere besser als 30 µrad und insbesondere besser als 10 µrad sein.The tilt accuracy of the micromirror can be better than 100 µrad, in particular better than 50 µrad, in particular better than 30 µrad and in particular better than 10 µrad.
Der Mikrospiegel kann einen oder mehrere Aktoren, insbesondere elektrostatische Aktoren, umfassen. Die Aktoren können insbesondere Kammstrukturen, insbesondere radiale Kammstrukturen, umfassen.The micromirror can comprise one or more actuators, in particular electrostatic actuators. The actuators can in particular comprise comb structures, in particular radial comb structures.
Die Aufhängung des Mikrospiegels kann über eine kardanische Aufhängung, insbesondere über ein Kardangelenk erfolgen. Für Einzelheiten wird auf die
Mikrospiegel mit einer radialen Elektrodenstruktur und einem Kardangelenk werden auch als kreisförmige kardanische Spiegel (CCM) bezeichnet.Micromirrors with a radial electrode structure and a gimbal joint are also called circular gimbal mirrors (CCM).
Vorzugsweise werden die Aktoren aus Piezokeramik hergestellt. Vorzugsweise sind die Aktoren als elektrostatische Kämme ausgeführt. Diese können auch aus Piezokeramik bestehen.The actuators are preferably made of piezoceramic. The actuators are preferably designed as electrostatic combs. These can also be made of piezoceramic.
Der Mikrospiegel kann einen oder mehrere Sensoren enthalten.The micromirror can contain one or more sensors.
Die Sensoren können die Verlagerung, insbesondere die Verkippung, des Mikrospiegels mit einer Genauigkeit von besser als 100 µrad, insbesondere besser als 50 µrad, insbesondere besser als 30 µrad, insbesondere sogar besser als 10 µrad erfassen.The sensors can detect the displacement, in particular the tilt, of the micromirror with an accuracy of better than 100 µrad, in particular better than 50 µrad, in particular better than 30 µrad, in particular even better than 10 µrad.
Die Sensoren können als elektrostatische Kämme oder als piezoresistive Sensoren ausgeführt sein.The sensors can be designed as electrostatic combs or as piezoresistive sensors.
Die MEMS können vorteilhaft eine Temperaturmessung mit einer Genauigkeit im mK-Bereich umfassen.The MEMS can advantageously include temperature measurement with an accuracy in the mK range.
Vorzugsweise sind die Spiegel so ausgeführt, dass sie für einen Einsatz in einer Niederdruckumgebung geeignet sind, insbesondere in einer Vakuumumgebung, insbesondere in einer Umgebung mit einem verbleibenden Partialdruck von Wasserstoff von höchstens einigen Pascal, insbesondere höchstens 3 Pa.Preferably, the mirrors are designed so that they are suitable for use in a low-pressure environment, in particular in a vacuum environment, in particular in an environment with a remaining partial pressure of hydrogen of at most a few Pascals, in particular at most 3 Pa.
Der Mikrospiegel kann insbesondere so ausgeführt werden, dass er für eine ionisierte Umgebung geeignet ist, insbesondere für eine EUV-Umgebung.In particular, the micromirror can be designed to be suitable for an ionized environment, in particular an EUV environment.
Die vorgenannten Eigenschaften gelten für einen einzelnen Mikrospiegel oder, im Falle eines Spiegel-Arrays, für jeden der Mikrospiegel eines derartigen Arrays.The above properties apply to a single micromirror or, in the case of a mirror array, to each of the micromirrors of such an array.
Ein optisches Bauteil, das ein derartiges Array von Mikrospiegeln umfasst, kann als Facettenspiegel einer Beleuchtungsoptik für ein Lithographiesystem verwendet werden. Es kann insbesondere als Feldfacettenspiegel oder als Pupillenfacettenspiegel einer solchen Beleuchtungsoptik verwendet werden. Ein solches optisches Bauteil kann auch als Kondensorspiegel verwendet werden.An optical component comprising such an array of micromirrors can be used as a facet mirror of an illumination optics for a lithography system. It can be used in particular as a field facet mirror or as a pupil facet mirror of such an illumination optics. Such an optical component can also be used as a condenser mirror.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsoptik für ein Lithographiesystem und ein Beleuchtungssystem für ein Lithographiesystem oder eine Projektionsoptik für ein Lithographiesystem und ein Lithographiesystem mit einer solchen Beleuchtungsoptik und/oder einer solchen Projektionsoptik zu verbessern.A further object of the invention is to improve an illumination optics for a lithography system and an illumination system for a lithography system or a projection optics for a lithography system and a lithography system with such an illumination optics and/or such a projection optics.
Diese Aufgaben werden durch entsprechende Beleuchtungsoptiken, Beleuchtungssysteme, Projektionsoptiken oder Lithographiesysteme gelöst, die ein oder mehrere optische Bauteile gemäß der vorangegangenen Beschreibung umfassen.These tasks are solved by corresponding illumination optics, illumination systems, projection optics or lithography systems, which comprise one or more optical components according to the preceding description.
Die Beleuchtungsoptik bietet flexible Beleuchtungseinstellungen. Sie kann insbesondere ein kleines Pupillenfüllverhältnis bereitstellen.The illumination optics offer flexible illumination settings. In particular, it can provide a small pupil fill ratio.
Das Pupillenfüllverhältnis kann höchstens 50 %, insbesondere weniger als 25 %, insbesondere weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 % betragen.The pupil filling ratio may not exceed 50%, in particular less than 25%, in particular less than 10%, in particular less than 5%.
Die Projektionsoptik kann insbesondere eine objektseitige numerische Apertur von mindestens 0,3, insbesondere von mindestens 0,5 aufweisen. Hierdurch kann eine hohe Auflösung der Projektionsoptik erreicht werden.The projection optics can in particular have an object-side numerical aperture of at least 0.3, in particular of at least 0.5. This makes it possible to achieve a high resolution of the projection optics.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS für ein optisches Bauteil zu verbessern.Another object of the present invention is to improve a method for manufacturing a MEMS for an optical component.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren erfüllt, welches folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Vielzahl von separaten integrierten Schaltkreisen (ICs) oder Chips,
- Providing a multitude of separate integrated circuits (ICs) or chips,
Anordnen der integrierten Schaltkreise in einer gestapelten Form, wobei mindestens zwei unterschiedliche integrierte Schaltkreise mit unterschiedlichen Technologien hergestellt oder bearbeitet werden und/oder wobei mindestens zwei verschiedene integrierte Schaltkreise TSVs unterschiedlichen Typs aufweisen.Arranging the integrated circuits in a stacked form, wherein at least two different integrated circuits are manufactured or processed using different technologies and/or wherein at least two different integrated circuits have TSVs of different types.
Mindestens zwei verschiedene Chips können in unterschiedlichen Temperaturbereichen hergestellt oder verarbeitet werden.At least two different chips can be manufactured or processed in different temperature ranges.
Insbesondere ist es möglich, mindestens einen Chip in einem Hochtemperaturprozess zu bearbeiten, insbesondere bei einer Temperatur von mindestens 400 °C, insbesondere bei einer Temperatur von mindestens 500 °C, insbesondere bei einer Temperatur von mindestens 700 °C, insbesondere bei einer Temperatur von mindestens 900 °C.In particular, it is possible to process at least one chip in a high-temperature process, in particular at a temperature of at least 400 °C, in particular at a temperature of at least 500 °C, in particular at a temperature of at least 700 °C, in particular at a temperature of at least 900 °C.
Es ist insbesondere möglich, mindestens einen Chip in einem Niedertemperaturverfahren zu bearbeiten, insbesondere bei einer Temperatur von höchstens 400 °C, insbesondere bei einer Temperatur von höchstens 350 °C, insbesondere bei einer Temperatur von höchstens 300 °C, insbesondere bei einer Temperatur von höchstens 250 °C.It is in particular possible to process at least one chip in a low-temperature process, in particular at a temperature of at most 400 °C, in particular at a temperature of at most 350 °C, in particular at a temperature of at most 300 °C, in particular at a temperature of at most 250 °C.
Mindestens zwei verschiedene ICs können TSVs unterschiedlichen Typs, insbesondere mit unterschiedlichen Funktionen und/oder aus unterschiedlichen Materialien enthalten.At least two different ICs can contain TSVs of different types, in particular with different functions and/or made of different materials.
The TSVs can in particular fulfil at least two of the following functions:
- - TSVs, die nur als thermisch leitende Strukturen dienen,
- - TSVs, die als thermisch leitende Strukturen und zur Übertragung von NV-(digitalen) Signalen dienen,
- - TSVs, die als thermisch leitende Strukturen und zur Übertragung von HV-(Analog-/Treiber-)Signalen dienen,
- - TSVs, die nur zur Übertragung von NV-(digitalen) Signalen dienen und
- - TSVs, die nur zur Übertragung von HV-(Analog-/Treiber-)Signalen dienen.
- - TSVs that only serve as thermally conductive structures,
- - TSVs, which serve as thermally conductive structures and for the transmission of NV (digital) signals,
- - TSVs, which serve as thermally conductive structures and for the transmission of HV (analog/driver) signals,
- - TSVs that only serve to transmit NV (digital) signals and
- - TSVs that only serve to transmit HV (analog/driver) signals.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage und ihrer Bestandteile, -
2 eine schematische Darstellung eines optischen Bauteils mit einer Aktorvorrichtung und einer Sensorvorrichtung, -
3 eine alternative Darstellung des optischen Bauteils gemäß2 , bei der die Spiegelplatte mit den darauf angeordneten Gegenelektroden oder Abschirmelementen zur Seite geklappt ist, -
4 schematisch einen Querschnitt durch einen Mikrospiegel mit einer gestapelten Anordnung von elektronischen Bauteilen, -
5 schematisch einen Querschnitt durch einen Mikrospiegel mit einer weiteren gestapelten Anordnung von elektronischen Bauteilen, -
6 schematisch einen Querschnitt durch einen Mikrospiegel mit noch einer weiteren gestapelten Anordnung von elektronischen Bauteilen, -
7 schematisch einen Querschnitt durch einen Mikrospiegel mit einer weiteren gestapelten Anordnung von elektronischen Bauteilen, -
8A bis 8G schematisch die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines LTCC-Trägers mit eingebauten Chips, -
9 schematisch einen Querschnitt durch einen Spiegel, der einen Teil des Signalflusses auf dem Array abbildet, -
10 schematisch einen Querschnitt durch ein Spiegel-Array, der einige Merkmale der 3D-Architektur der Elektronik veranschaulicht, -
11A bis 11G schematisch einen Fertigungsablauf für ein elektronisches Bauteil, bei dem zunächst eine Silizium-Durchkontaktierung und dann ASICs erzeugt werden, -
12A bis 12G schematisch einen Fertigungsablauf für ein elektronisches Bauteil, bei dem zunächst ein ASIC bearbeitet wird und dann Silizium-Durchkontaktierungen erzeugt werden, -
13A bis 13K schematisch einen Prozessablauf für die Erstellung einer kombinierten Architektur mit ASICs, Poly-Si-Silizium-Durchkontaktierungen und Kupfer-Silizium-Durchkontaktierungen, -
14 schematisch einen Querschnitt durch einen Mikrospiegel mit einer weiteren gestapelten Anordnung von elektronischen Bauteilen und -
15 eine Explosionsdarstellung der gestapelten Anordnung gemäß14 zur Hervorhebung der verschiedenen Teilsubstrate.
-
1 a schematic representation of a projection exposure system and its components, -
2 a schematic representation of an optical component with an actuator device and a sensor device, -
3 an alternative representation of the optical component according to2 , in which the mirror plate with the counter electrodes or shielding elements arranged on it is folded to the side, -
4 schematically a cross-section through a micromirror with a stacked arrangement of electronic components, -
5 schematically a cross-section through a micromirror with another stacked arrangement of electronic components, -
6 schematically a cross-section through a micromirror with yet another stacked arrangement of electronic components, -
7 schematically a cross-section through a micromirror with another stacked arrangement of electronic components, -
8A to 8G schematically the processing steps for producing an LTCC carrier with built-in chips, -
9 schematically a cross-section through a mirror that images part of the signal flow on the array, -
10 schematically shows a cross-section through a mirror array, illustrating some features of the 3D architecture of the electronics, -
11A to 11G schematically shows a manufacturing process for an electronic component, in which first a silicon via and then ASICs are produced, -
12A to 12G schematically shows a manufacturing process for an electronic component, in which an ASIC is first processed and then silicon vias are created, -
13A to 13K schematically shows a process flow for the creation of a combined architecture with ASICs, poly-Si-silicon vias and copper-silicon vias, -
14 schematically a cross-section through a micromirror with a further stacked arrangement of electronic components and -
15 an exploded view of the stacked arrangement according to14 to highlight the different sub-substrates.
Zunächst wird der allgemeine Aufbau einer Projektionsbelichtungsanlage 1 (auch Lithographiesystem genannt) und dessen Bestandteile beschrieben. Für Einzelheiten in dieser Hinsicht wird auf die
Die Maske, die von einem Maskenhalter (nicht dargestellt) gehalten wird, und der Wafer, der von einem Waferhalter (nicht dargestellt) gehalten wird, werden während des Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage 1 synchron in y-Richtung abgetastet. Je nach Abbildungsmaßstab der optischen Projektionseinheit 7 ist es auch möglich, dass die Maske in umgekehrter Richtung relativ zum Wafer abgetastet wird.The mask, which is held by a mask holder (not shown), and the wafer, which is held by a wafer holder (not shown), are scanned synchronously in the y-direction during operation of the projection exposure system 1. Depending on the image scale of the
Die Strahlungsquelle 3 ist eine EUV-Strahlungsquelle mit einer emittierten Nutzstrahlung im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Dabei kann es sich um eine Plasmaquelle handeln, beispielsweise eine GDPP (Gas Discharge Produced Plasma=durch Gasentladung erzeugtes Plasma)-Quelle oder eine LPP (Laser Produced Plasma=durch Laser erzeugtes Plasma)-Quelle. Andere EUV-Strahlungsquellen, beispielsweise auf der Grundlage eines Synchrotrons oder eines Freie-Elektronen-Lasers (FEL), sind ebenfalls möglich.The
Die aus der Strahlungsquelle 3 austretende EUV-Strahlung 10 wird durch einen Kollektor 11 gebündelt. Ein entsprechender Kollektor ist zum Beispiel aus der
Die EUV-Strahlung 10 wird im Folgenden auch als Nutzstrahlung, Beleuchtungsstrahlung oder als Abbildungslicht bezeichnet.The
Stromabwärts des Feldfacettenspiegels 13 wird die EUV-Strahlung 10 an einem Pupillenfacettenspiegel 14 reflektiert. Der Pupillenfacettenspiegel 14 liegt entweder in der Eintrittspupillenebene der optischen Projektionseinheit 7 oder in einer dazu optisch konjugierten Ebene. Er kann auch in einem Abstand zu einer solchen Ebene angeordnet sein.Downstream of the
Der Feldfacettenspiegel 13 und der Pupillenfacettenspiegel 14 sind aus einer Vielzahl von Einzelspiegeln aufgebaut, die im Folgenden noch näher beschrieben werden. In diesem Fall kann die Unterteilung des Feldfacettenspiegels 13 in Einzelspiegel so erfolgen, dass jede der Feldfacetten, die das gesamte Objektfeld 5 selbst beleuchten, durch genau einen der Einzelspiegel repräsentiert wird. Alternativ ist es möglich, zumindest einige oder alle der Feldfacetten durch eine Vielzahl solcher Einzelspiegel zu konstruieren. The
Entsprechendes gilt für die Ausgestaltung der den Feldfacetten jeweils zugeordneten Pupillenfacetten des Pupillenfacettenspiegels 14, die jeweils durch einen einzelnen Einzelspiegel oder durch eine Mehrzahl solcher Einzelspiegel gebildet werden können.The same applies to the design of the pupil facets of the
Die EUV-Strahlung 10 trifft auf die beiden Facettenspiegel 13, 14 unter einem definierten Einfallswinkel auf. Insbesondere erfolgt die Beaufschlagung der beiden Facettenspiegel mit EUV-Strahlung 10 im Bereich des Normaleinfalls, d.h. mit einem Einfallswinkel, der kleiner oder gleich 25° zur Spiegelnormalen ist. Auch eine Beaufschlagung mit streifendem Einfall ist möglich. Der Pupillenfacettenspiegel 14 ist in einer Ebene der optischen Beleuchtungseinheit 4 angeordnet, die eine Pupillenebene der optischen Projektionseinheit 7 darstellt oder optisch zu einer Pupillenebene der optischen Projektionseinheit 7 konjugiert ist. Mit Hilfe des Pupillenfacettenspiegels 14 und einer Abbildungsoptik in Form einer optischen Transfereinheit 15 mit Spiegeln 16, 17 und 18, die in der Reihenfolge des Strahlengangs der EUV-Strahlung 10 bezeichnet sind, werden die Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 13 in das Objektfeld 5 überlagernd abgebildet. Der letzte Spiegel 18 der optischen Transfereinheit 15 ist ein Spiegel für streifenden Einfall („grazing incidence mirror“). Die optische Transfereinheit 15 wird zusammen mit dem Pupillenfacettenspiegel 14 auch als sequentielle optische Einheit zur Übertragung der EUV-Strahlung 10 vom Feldfacettenspiegel 13 in das Objektfeld 5 bezeichnet. Das Beleuchtungslicht 10 wird von der Strahlungsquelle 3 über eine Vielzahl von Beleuchtungskanälen zum Objektfeld 5 geführt. Jedem dieser Beleuchtungskanäle ist eine Feldfacette des Feldfacettenspiegels 13 und eine Pupillenfacette des Pupillenfacettenspiegels 14 zugeordnet, wobei die Pupillenfacette stromabwärts der Feldfacette angeordnet ist. Die einzelnen Spiegel des Feldfacettenspiegels 13 und des Pupillenfacettenspiegels 14 sind durch ein Aktorsystem verkippbar, so dass eine Änderung der Zuordnung der Pupillenfacetten zu den Feldfacetten und entsprechend eine veränderte Konfiguration der Beleuchtungskanäle erreicht werden kann. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Beleuchtungseinstellungen, die sich in der Verteilung der Beleuchtungswinkel des Beleuchtungslichts 10 über das Objektfeld 5 unterscheiden.The
Um die Erläuterung der Lagebeziehungen zu erleichtern, wird im Folgenden u. a. ein globales kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft senkrecht zur Zeichenebene in Richtung des Betrachters in
Durch eine Verkippung der Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 und eine entsprechende Änderung der Zuordnung dieser Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 zu den Einzelspiegeln des Pupillenfacettenspiegels 14 können unterschiedliche Beleuchtungssysteme erzielt werden. Je nach Verkippung der Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 werden die den Einzelspiegeln neu zugeordneten Einzelspiegel des Pupillenfacettenspiegels 14 durch Verkippung nachgeführt, so dass wieder eine Abbildung der Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 13 in das Objektfeld 5 gewährleistet ist.Different lighting systems can be achieved by tilting the individual mirrors of the
Weitere Aspekte der optischen Beleuchtungseinheit 4 werden nachfolgend beschrieben.Further aspects of the
Der Feldfacettenspiegel 13 in Form eines Multi- oder Mikrospiegelarrays (MMA) bildet ein Beispiel für eine optische Baugruppe zur Führung der Nutzstrahlung 10, d.h. des EUV-Strahls. Der Feldfacettenspiegel 13 ist als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Der Feldfacettenspiegel 13 ist aus einigen hundert MEMS MMA (micro mirror array) oder MMA-Bausteinen zusammengesetzt. Jedes MMA weist eine Vielzahl von Einzelspiegeln 20 auf, die matrixartig in Zeilen und Spalten in einem Spiegelarray 19 angeordnet sind. Eine andere Anordnung ist ebenfalls möglich, beispielsweise sechseckig. Die Spiegelarrays 19 können modular ausgeführt sein. Sie können auf einer Tragstruktur angeordnet werden, die als Grundplatte ausgebildet ist. Dabei ist es möglich, im Wesentlichen beliebig viele der Spiegelarrays 19 nebeneinander anzuordnen. Somit ist die Gesamtreflexionsfläche, die durch die Gesamtheit aller Spiegelarrays 19, insbesondere deren Einzelspiegel 20, gebildet wird, beliebig erweiterbar. Insbesondere sind die Spiegelarrays so ausgebildet, dass sie eine im Wesentlichen spaltfreie Tesselierung einer Ebene ermöglichen. Das Verhältnis der Summe der Reflexionsflächen 26 der Einzelspiegel 20 zur Gesamtfläche, die von den Spiegelarrays 19 abgedeckt wird, wird auch als Integrationsdichte oder Füllfaktor bezeichnet. Insbesondere beträgt diese Integrationsdichte mindestens 0,5, insbesondere mindestens 0,6, insbesondere mindestens 0,7, insbesondere mindestens 0,8, insbesondere mindestens 0,9.The
Die Spiegelarrays 19 sind mittels Befestigungselementen 29 auf der Grundplatte befestigt. Für Details wird z.B. auf die
Die Einzelspiegel 20 sind so gestaltet, dass sie durch ein Aktorsystem verkippt werden können, wie weiter unten noch erläutert wird. Insgesamt verfügt der Feldfacettenspiegel 13 über ca. 100 000 Einzelspiegel 20. Je nach Größe der Einzelspiegel 20 kann der Feldfacettenspiegel 13 auch eine andere Anzahl von Einzelspiegeln 20 aufweisen. Die Anzahl der Einzelspiegel 20 des Feldfacettenspiegels 13 beträgt insbesondere mindestens 1000, insbesondere mindestens 5000, insbesondere mindestens 10 000. Sie kann bis zu 100 000, insbesondere bis zu 300 000, insbesondere bis zu 500 000, insbesondere bis zu 1 000 000 betragen.The individual mirrors 20 are designed in such a way that they can be tilted by an actuator system, as will be explained further below. In total, the
Ein Spektralfilter kann vor dem Feldfacettenspiegel 13 angeordnet sein und trennt die Nutzstrahlung 10 von anderen Wellenlängenanteilen der Emission der Strahlungsquelle 3, die für die Projektionsbelichtung nicht nutzbar sind. Der Spektralfilter ist nicht dargestellt.A spectral filter can be arranged in front of the
Der Feldfacettenspiegel 13 wird von Nutzstrahlung 10 mit einer Leistung von beispielsweise 840 W und einer Leistungsdichte von 6,5 kW/m2 beaufschlagt.The
Das gesamte Einzelspiegelarray des Facettenspiegels 13 hat beispielsweise einen Durchmesser von 500 mm und ist mit den Einzelspiegeln 20 dicht gepackt ausgeführt. Insofern eine Feldfacette durch jeweils genau einen Einzelspiegel realisiert wird, stellen die Einzelspiegel 20 die Form des Objektfeldes 5 dar, abgesehen vom Skalierungsfaktor. Der Facettenspiegel 13 kann aus 500 Einzelspiegeln 20 gebildet werden, die jeweils eine Feldfacette darstellen und eine Abmessung von etwa 5 mm in y-Richtung und 100 mm in x-Richtung haben. Alternativ zur Realisierung jeder Feldfacette durch genau einen Einzelspiegel 20 kann jede der Feldfacetten durch Gruppen von kleineren Einzelspiegeln 20 angenähert werden. Eine Feldfacette mit Abmessungen von 5 mm in y-Richtung und von 100 mm in x-Richtung kann beispielsweise durch ein 1 × 20 Array von Einzelspiegeln 20 mit Abmessungen von 5 mm × 5 mm bis hin zu einem 10 × 200 Array von Einzelspiegeln 20 mit Abmessungen von 0,5 mm × 0,5 mm aufgebaut werden. The entire individual mirror array of the
Zur Veränderung der Beleuchtungseinstellungen werden die Kippwinkel der Einzelspiegel 20 eingestellt. Insbesondere haben die Kippwinkel einen Verlagerungsbereich von mindestens ± 50 mrad, insbesondere mindestens ± 100 mrad, insbesondere mindestens ± 120 mrad. Bei der Einstellung der Kippstellung der Einzelspiegel 20 wird eine Genauigkeit von besser als 0,2 mrad, insbesondere besser als 0,1 mrad, erreicht. Bei der Einstellung der Kippstellung der Einzelspiegel 20 ist eine Genauigkeit von besser als 0,1 mrad, insbesondere von besser als 0,05 mrad, insbesondere von besser als 0,02 mrad erforderlich. Die Einzelspiegel 20 des Feldfacettenspiegels 13 und des Pupillenfacettenspiegels 14 tragen in der Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinheit 4 gemäß
Die Einzelspiegel 20 der optischen Beleuchtungseinheit 4 sind in einer evakuierbaren Kammer 21 untergebracht, deren Begrenzungswand 22 in
Der Spiegel mit der Vielzahl von Einzelspiegeln 20 bildet zusammen mit der evakuierbaren Kammer 21 eine optische Baugruppe zur Führung eines Bündels der EUV-Strahlung 10.The mirror with the plurality of
Jeder der Einzelspiegel 20 kann eine Reflexionsfläche 26 mit Abmessungen von 0,1 mm × 0,1 mm, 0,5 mm × 0,5 mm, 0,6 mm × 0,6 mm oder auch bis zu 5 mm × 5 mm oder größer aufweisen. Die Reflexionsfläche 26 kann auch kleinere Abmessungen haben. Insbesondere hat sie Seitenlängen im µm-Bereich oder im niedrigen mm-Bereich. Die Einzelspiegel 20 werden daher auch als Mikrospiegel bezeichnet. Die Reflexionsfläche 26 ist Teil eines Spiegelsubstrats 27 des Einzelspiegels 20. Das Spiegelsubstrat 27 trägt die Mehrfachbeschichtung.Each of the individual mirrors 20 can have a
Mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird mindestens ein Teil der Maske auf einen Bereich einer lichtempfindlichen Schicht auf dem Wafer zur lithografischen Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauteils, insbesondere eines Halbleiterbauelements, beispielsweise eines Mikrochips, abgebildet. Je nach Ausgestaltung der Projektionsbelichtungsanlage 1 als Scanner oder als Stepper werden die Maske und der Wafer zeitlich synchronisiert in y-Richtung kontinuierlich im Scannerbetrieb oder schrittweise im Stepperbetrieb bewegt.With the help of the projection exposure system 1, at least a part of the mask is imaged onto an area of a light-sensitive layer on the wafer for the lithographic production of a micro- or nanostructured component, in particular a semiconductor component, for example a microchip. Depending on the design of the projection exposure system 1 as a scanner or as a stepper, the mask and the wafer are moved in a temporally synchronized manner in the y-direction, continuously in scanner mode or stepwise in stepper mode.
Nachfolgend werden weitere Details und Aspekte des Spiegelarrays 19, insbesondere der optischen Bauteile, die die Einzelspiegel 20 umfassen, beschrieben.Further details and aspects of the
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die
Die Darstellung gemäß
Das optische Bauteil umfasst den Einzelspiegel 20, der insbesondere als Mikrospiegel ausgebildet ist. Der Einzelspiegel 20 umfasst das oben beschriebene Spiegelsubstrat 27, auf dessen Vorderseite die Reflexionsfläche 26 ausgebildet ist. Die Reflexionsfläche 26 ist insbesondere durch einen mehrschichtigen Aufbau gebildet. Sie hat insbesondere eine strahlungsreflektierende Eigenschaft für die Beleuchtungsstrahlung 10, insbesondere für EUV-Strahlung.The optical component comprises the
Gemäß der in den Figuren dargestellten Variante hat die Reflexionsfläche 26 eine quadratische Ausführung; sie ist jedoch teilweise geschnitten dargestellt, um auch das Aktorsystem zu zeigen. Sie hat im Allgemeinen eine rechteckige Ausgestaltung. Sie kann auch eine dreieckige oder sechseckige Form haben. Insbesondere hat sie eine solche kachelartige Ausgestaltung, dass eine spaltfreie Tesselierung einer Ebene über die Einzelspiegel 20 möglich ist. Die Befestigung des Einzelspiegels 20 erfolgt mittels eines Gelenks 32, das weiter unten noch näher beschrieben wird. Insbesondere ist er so gelagert, dass er zwei Freiheitsgrade der Verkippung aufweist. Insbesondere ermöglicht das Gelenk 32 das Verkippen des Einzelspiegels 20 um zwei Kippachsen 33, 34. Die Kippachsen 33, 34 stehen senkrecht zueinander. Sie schneiden sich in einem zentralen Schnittpunkt, der als effektiver Schwenkpunkt 35 bezeichnet wird.According to the variant shown in the figures, the
Soweit sich der Einzelspiegel 20 in einer nicht verschwenkten Neutralstellung befindet, liegt der effektive Schwenkpunkt 35 auf einer Flächennormalen 36, die durch einen zentralen Punkt, insbesondere den geometrischen Schwerpunkt der Spiegelfläche 26, verläuft.As long as the
Soweit nicht anders angegeben, ist unter der Richtung der Flächennormalen 36 im folgenden Text stets die Richtung derselben in der nicht verkippten Neutralstellung des Einzelspiegels 20 zu verstehen.Unless otherwise stated, the direction of the surface normal 36 in the following text is always to be understood as the direction thereof in the non-tilted neutral position of the
Zunächst wird die Verlagerungsvorrichtung 31 im Folgenden näher beschrieben.First, the
Die Verlagerungsvorrichtung 31 umfasst eine Elektrodenstruktur mit Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i und Aktor-Wandler-Spiegelelektroden 42. Gemäß der in den
Alle Aktor-Wandler-Elektroden 37i, 42 sind als Kamm-Elektroden mit einer Vielzahl von Kammfingern 38 ausgestaltet. Die jeweils komplementären Kammfinger von Spiegel und Stator greifen dabei ineinander. Die Kämme der einzelnen Aktor-Elektroden 37i umfassen jeweils 30 Aktor-Wandler-Stator-Kammfinger 38, die im Folgenden auch als Stator-Kammfinger oder lediglich als Kammfinger abgekürzt werden. Eine jeweils andere Anzahl ist ebenfalls möglich. Die Anzahl der Kammfinger 38 der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i beträgt insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 3, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 10. Sie kann bis zu 50, insbesondere bis zu 100 betragen.All actuator-
Die Kämme der Aktor-Wandler-Spiegelelektroden 42 bestehen dementsprechend aus Aktor-Wandler-Spiegel-Kammfingern 43, die im Folgenden auch als Spiegel-Kammfinger oder lediglich als Kammfinger abgekürzt werden. Die Anzahl der Spiegel-Kammfinger 43 entspricht der Anzahl der Stator-Kammfinger. Sie kann auch jeweils um eins von der Anzahl der Stator-Kammfinger abweichen.The combs of the actuator-
Die Kammfinger 38 sind so angeordnet, dass sie sich in radialer Richtung in Bezug auf die Flächennormale 36 bzw. den effektiven Schwenkpunkt 35 erstrecken. Gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Variante können die Kammfinger 38, 43 auch tangential zu Kreisen um den effektiven Schwenkpunkt 35 angeordnet sein. Sie können auch eine Ausführungsform aufweisen, die Abschnitten von konzentrischen Kreiszylinder-Seitenflächen um die Flächennormale 36 entspricht.The
Alle Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i sind auf einer Trägerstruktur in Form eines Substrats 39 angeordnet. Insbesondere sind sie stationär auf dem Substrat 39 angeordnet. Sie sind insbesondere in einer einzigen Ebene angeordnet, die durch die Vorderseite des Substrats 39 definiert ist. Diese Ebene wird auch als Aktor-Ebene 40 oder als Kamm-Ebene bezeichnet.All actuator-converter stator electrodes 37i are arranged on a support structure in the form of a
Als Substrat 39 dient insbesondere ein Wafer. Das Substrat 39 wird auch als Grundplatte bezeichnet.A wafer serves in particular as
Die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i sind jeweils in einem Bereich auf dem Substrat 39 angeordnet, der zum einen eine quadratische Außenkontur und zum anderen eine kreisförmige Innenkontur aufweist. Alternativ dazu können die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i auch in einem kreisringförmigen Bereich auf dem Substrat 39 angeordnet sein. In diesem Fall ist die Außenkontur ebenfalls kreisförmig ausgebildet. Insbesondere sind die einzelnen Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i jeweils in kreisringsegmentförmigen Bereichen angeordnet. Die Elektrodenstruktur insgesamt, d.h. alle Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i, ist in einem Bereich angeordnet, der eine Außenkontur aufweist, die im Wesentlichen derjenigen der Reflexionsfläche des Einzelspiegels 20 entspricht. Sie kann auch in einem etwas kleineren Bereich angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich, der um etwa 5 % bis 25 % kleiner ist.The actuator-converter stator electrodes 37 i are each arranged in an area on the
Die Elektrodenstruktur weist eine radiale Symmetrie auf. Insbesondere weist sie eine vierfache radiale Symmetrie auf. Die Elektrodenstruktur kann auch eine andere radiale Symmetrie aufweisen. Insbesondere kann sie eine dreifache radiale Symmetrie aufweisen. Insbesondere weist sie eine k-fache radiale Symmetrie auf, wobei k die Anzahl der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i angibt. Abgesehen von der Unterteilung der Elektrodenstruktur in die verschiedenen Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i weist die Elektrodenstruktur eine n-fache radiale Symmetrie auf, wobei n genau der Gesamtzahl der Kammfinger 38 aller Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i entspricht.The electrode structure has a radial symmetry. In particular, it has a fourfold radial symmetry. The electrode structure can also have a different radial symmetry. In particular, it can have a threefold radial symmetry. In particular, it has a k-fold radial symmetry, where k indicates the number of actuator-converter stator electrodes 37 i . Apart from the subdivision of the electrode structure into the various actuator-converter-stator electrodes 37 i , the electrode structure has an n-fold radial symmetry, where n corresponds exactly to the total number of
Abgesehen von ihrer unterschiedlichen Anordnung auf dem Substrat 39 sind die einzelnen Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i identisch ausgestaltet. Dies ist nicht unbedingt erforderlich. Sie können auch eine andere Ausgestaltung haben. Insbesondere können sie in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des Gelenks 32 ausgeführt werden.Apart from their different arrangement on the
Die Kammfinger 38 sind radial in Bezug auf den effektiven Schwenkpunkt 35 oder radial in Bezug auf die Ausrichtung der Flächennormalen 36 im nicht verschwenkten Neutralzustand des Einzelspiegels 20 angeordnet.The
Bei Einzelspiegeln 20, deren Spiegelsubstrate 27 Abmessungen von 1 mm · 1 mm aufweisen, haben die Kammfinger 38 an ihrem äußeren Ende in radialer Richtung eine Dicke d von höchstens 5 µm. Im Allgemeinen liegt die maximale Dicke d der Kammfinger 38 an ihrem äußeren Ende in radialer Richtung im Bereich von 1 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich von 3 µm bis 10 µm.In the case of
Die Kammfinger 38 haben eine Höhe h, d.h. eine Ausdehnung in Richtung der Oberflächennormale 36, die im Bereich von 10 µm bis 300 µm, insbesondere im Bereich von 50 µm bis 150 µm liegt. Andere Werte sind ebenfalls denkbar. Die Höhe h ist in radialer Richtung konstant. Sie kann auch in radialer Richtung abnehmen. Dadurch können größere Kippwinkel ermöglicht werden, ohne dass dies zu einem Aufschlagen der Kammfinger der Aktor-Spiegelelektrode 42 auf der Grundplatte führt.The
Benachbarte Kammfinger 38, 43 der Aktor-Elektroden 37i einerseits und der Aktor-Spiegelelektroden 42 andererseits haben im unverschwenkten Zustand des Einzelspiegels 20 einen Mindestabstand im Bereich von 1 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich von 3 µm bis 10 µm, insbesondere etwa 5 µm. Diese Werte können für Einzelspiegel 20 mit kleineren oder größeren Abmessungen entsprechend skaliert werden.
Dieser Mindestabstand m ist der Mindestabstand zwischen benachbarten Spiegel-Kammfingern und Stator-Kammfingern, gemessen im neutralen, nicht verschwenkten Zustand des Einzelspiegels 20. Die Kammfinger können sich einander annähern, wenn der Einzelspiegel 20 verkippt wird. Der Mindestabstand m ist so gewählt, dass es auch bei maximaler Verkippung des Einzelspiegels 20 zu keiner Kollision zwischen benachbarten Spiegelkammfingern und Stator-Kammfingern kommt. Dabei sind auch Fertigungstoleranzen berücksichtigt worden. Solche Fertigungstoleranzen liegen bei wenigen Mikrometern, insbesondere bei höchstens 3 µm, insbesondere bei höchstens 2 µm, insbesondere bei höchstens 1 µm.This minimum distance m is the minimum distance between adjacent mirror comb fingers and stator comb fingers, measured in the neutral, non-pivoted state of the
Die maximal mögliche Annäherung benachbarter Kammfinger 38, 43 lässt sich leicht aus den geometrischen Details derselben und ihrer Anordnung sowie der maximal möglichen Verkippung des Einzelspiegels 20 bestimmen. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die maximale Annäherung benachbarter Kammfinger 38, 43 bei einer Verkippung des Einzelspiegels 20 um 120 mrad etwa 2 µm. Insbesondere ist die maximale Annäherung kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 7 µm, insbesondere kleiner als 5 µm, insbesondere kleiner als 3 µm.The maximum possible approach of
Die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i wirken jeweils mit einer Aktor-Spiegelelektrode 42 zusammen. Die Aktor-Spiegelelektrode 42 ist mit dem Spiegelsubstrat 27 verbunden. Insbesondere ist die Aktor-Spiegelelektrode 42 mechanisch fest mit dem Spiegelsubstrat 27 verbunden. Die Aktor-Spiegelelektroden 42 bilden eine Gegenelektrode zu den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i. Sie werden daher auch einfach als Gegenelektrode bezeichnet.The actuator-converter stator electrodes 37 i each interact with an
Die Aktor-Spiegelelektrode 42 bildet eine passive Elektrodenstruktur. Dies ist so zu verstehen, dass die Aktor-Spiegelelektrode 42 mit einer festen, konstanten Spannung beaufschlagt wird.The
Die Aktor-Spiegelelektrode 42 ist komplementär zu den Statorelektroden 37i des Aktor-Wandlers ausgestaltet. Sie bildet insbesondere einen Ring mit Aktor-Wandler-Spiegelkammfingern 43, die im Folgenden zur Vereinfachung auch als Spiegelkammfinger oder nur als Kammfinger 43 bezeichnet werden. Die Spiegelkammfinger 43 der Aktor-Spiegelelektrode 42 entsprechen in ihren geometrischen Eigenschaften im Wesentlichen den Statorkammfingern 38 der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i.The
Alle Kammfinger 38, 43 können die gleiche Höhe haben, d.h. identische Abmessungen in Richtung der Flächennormale 36. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess.All
In Richtung der Flächennormalen 36 können die Spiegelkammfinger 43 der Aktor-Spiegelelektrode 42 auch eine andere Höhe haben als die Stator-Kammfinger 38 der aktiven Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i.In the direction of the surface normal 36, the
Die Kammfinger 38, 43 können eine Höhe h aufweisen, die in radialer Richtung abnimmt. Es ist auch möglich, die Kammfinger 38, 43 im Bereich der Ecken des optischen Bauteils 30 kürzer auszuführen als die übrigen Kammfinger 38, 43. Dadurch kann ein größerer Kippwinkel des Einzelspiegels 20 ermöglicht werden.The
Insbesondere ist die Aktor-Spiegelelektrode 42 so ausgestaltet, dass jeweils einer der Kammfinger 43 der Aktor-Spiegelelektrode 42 in einen Zwischenraum zwischen zwei der Kammfinger 38 der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i eintauchen kann.In particular, the
Die Aktor-Spiegelelektrode 42 ist elektrisch leitend mit dem Spiegelsubstrat 27 verbunden. Ihre Kammfinger 43 sind daher äquipotential. Das Spiegelsubstrat 27 ist über eine elektrisch leitende Gelenkfeder niederohmig mit der Grundplatte verbunden. Prinzipiell ist es auch möglich, das Spiegelsubstrat, d.h. das Spiegelsubstrat 27, die Aktor-Spiegelelektroden 42 und die Sensor-Spiegelelektroden 45, mit separaten Zuleitungen über das Gelenk 32 einzeln elektrisch zu verbinden und so beispielsweise auf unterschiedliche Potentiale zu legen bzw. im Hinblick auf Störungen und/oder Übersprechen zu entkoppeln. Die Grundplatte kann, muss aber nicht, geerdet sein. Alternativ kann der Spiegel über eine leitende Gelenkfeder mit einer Spannungsquelle auf einem anderen Potential verbunden, aber von der Spiegelplatte elektrisch isoliert sein. Dadurch ist es möglich, eine feste oder variable Vorspannung an den Spiegel anzulegen.The
An die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i kann eine Aktorspannung UA angelegt werden, um den Einzelspiegel 20 zu verschwenken. Daher werden die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i auch als aktive Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i bezeichnet. Zum Anlegen der Aktorspannung UA an die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i ist eine in den Figuren nicht dargestellte Spannungsquelle vorgesehen. Die Aktorspannung UA kann bis zu 200 Volt oder mehr betragen. Sie kann insbesondere größer als 100 Volt sein. Durch geeignetes Anlegen der Aktorspannung UA an eine Auswahl der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i kann der Einzelspiegel 20 um bis zu 50 mrad, insbesondere um bis zu 100 mrad, insbesondere um bis zu 150 mrad, aus einer Neutralstellung heraus verkippt werden. Alternativ können die Aktoren auch durch eine Ladungsquelle (Stromquelle) angesteuert werden.An actuator voltage U A can be applied to the actuator-converter stator electrodes 37 i in order to pivot the
An den verschiedenen Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i können unterschiedliche Aktorspannungen UAi zum Verschwenken des Einzelspiegels 20 angelegt werden. Zur Steuerung der Aktorspannungen UAi ist eine in den Figuren nicht dargestellte Steuervorrichtung vorgesehen.Different actuator voltages U Ai can be applied to the various actuator converter stator electrodes 37 i for pivoting the
Zum Verkippen eines der Einzelspiegel 20 wird eine Aktorspannung UA an eine der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i angelegt. Gleichzeitig wird eine davon abweichende Aktorspannung UA2 ≠ UA1 an die in Bezug auf die Flächennormale 36 gegenüberliegende Aktor-Wandler Statorelektrode 37j angelegt. Dabei kann UA2 = 0 Volt sein. Insbesondere ist es möglich, die Aktorspannung UA1 nur an eine der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i anzulegen, während alle anderen Aktor-Wandler-Statorelektroden 37j auf einer Spannung von 0 Volt gehalten werden.To tilt one of the individual mirrors 20, an actuator voltage U A is applied to one of the actuator-converter stator electrodes 37 i . At the same time, a different actuator voltage U A2 ≠ U A1 is applied to the actuator-converter stator electrode 37 j opposite in relation to the surface normal 36. U A2 can be = 0 volts. In particular, it is possible to apply the actuator voltage U A1 only to one of the actuator-converter stator electrodes 37 i , while all other actuator-converter stator electrodes 37 j are kept at a voltage of 0 volts.
Beim Verkippen des Einzelspiegels 20 tauchen die Kammfinger der Aktor-Spiegelelektrode 47 auf einer Seite tiefer zwischen die Kammfinger 38 der Aktor-Wandler-Statorelektrode 37i ein, insbesondere in dem Bereich dieser Aktor-Wandler-Statorelektrode 37i, an dem die Aktorspannung UA angelegt wurde. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kippachse 33 ist die Aktor-Spiegelelektrode 42 weniger tief in die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37j eingetaucht. Die Aktor-Spiegelelektrode 42 kann sogar zumindest bereichsweise aus den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37j herausragen.When the
Die Kammüberlappung, d. h. die Eintauchtiefe der Aktor-Spiegelelektrode 42 zwischen den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i, liegt zwischen 0 µm und 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 30 µm, vorzugsweise 10 µm in der Neutralstellung des Einzelspiegels 20 bei einer Spiegelabmessung zwischen 0,5 mm2 × 0,5 mm2 und 1,0 mm2 x 1,0 mm2.The comb overlap, ie the immersion depth of the
Bei einer Verkippung des Spiegels 20 um 120 mrad verringert sich der (seitliche) Abstand zwischen den Kammfingern 43 der Aktor-Spiegelelektrode 42 und den Kammfingern 38 der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i um maximal 1 µm bis 10 µm bzw. 3 µm bis 7 µm gegenüber der Neutralstellung. Somit sind die Kammfinger 43 der Aktor-Spiegelelektrode 42 und die Kammfinger 38 der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i in jeder Schwenkstellung des Spiegels 20 voneinander beabstandet, insbesondere berührungslos. Insbesondere die Eintauchtiefe, d.h. die Kammüberlappung, ist so gewählt, dass dies gewährleistet ist.When the
Gemäß einer Alternative sind die Kammfinger 38, 43 im äußeren Bereich etwas kürzer und haben daher eine relativ geringe Überlappung, d. h. eine geringere Eintauchtiefe. So kann beispielsweise die Eintauchtiefe im äußersten Bereich etwa halb so tief sein wie die Eintauchtiefe im inneren Bereich. Diese Angaben beziehen sich auch auf die Neutralstellung des Spiegels 20.According to an alternative, the
Über eine Abhängigkeit der Eintauchtiefe der Kammfinger 38, 43 von deren radialer Position kann auch die Charakteristik, insbesondere die Linearität der Ansteuerung, beeinflusst werden. Da alle Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i in einer einzigen Ebene, der Aktor-Ebene 40, angeordnet sind, kann auf eine komplizierte Reihenkinematik verzichtet werden. Die Verlagerungsvorrichtung 31 zeichnet sich durch eine Parallelkinematik aus. Insbesondere weist die Verlagerungsvorrichtung 31 keine beweglich angeordneten aktiven Komponenten auf. Alle Aktor-Wandler Statorelektroden 37i, an die die Aktorspannung UA angelegt werden kann, sind unbeweglich stationär auf dem Substrat 39 angeordnet. Zur Erfassung der Schwenkposition des Einzelspiegels 20 ist eine Sensorvorrichtung vorgesehen. Die Sensorvorrichtung kann einen Bestandteil der Verlagerungsvorrichtung 31 bilden.By determining the dependence of the immersion depth of the
Die Sensorvorrichtung umfasst Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 und Sensor-Wandler-Stator-Elektroden 44i.The sensor device comprises sensor-transducer mirror electrodes 45 and sensor-transducer stator electrodes 44 i .
Die Sensoreinheit besteht aus vier Sensor-Wandler-Statorelektroden 441 bis 441. Zur Vereinfachung werden die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i auch nur als Sensorelektroden bezeichnet. Für die Ansteuerung ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i ziemlich genau der Anzahl der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i entspricht. Die Anzahl der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i kann aber auch von der Anzahl der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i abweichen.The sensor unit consists of four sensor-converter stator electrodes 44 1 to 44 1 . For the sake of simplicity, the sensor-converter stator electrodes 44 i are also referred to as sensor electrodes. For control purposes, it is advantageous if the number of sensor-converter stator electrodes 44 i corresponds almost exactly to the number of actuator-converter stator electrodes 37 i . However, the number of sensor-converter stator electrodes 44 i can also differ from the number of actuator-converter stator electrodes 37 i .
Die Sensor-Wandler-Statorelektroden 441 bis 444 sind bei der Variante nach den
Die Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i sind jeweils in Quadranten 541 bis 544 auf dem Substrat 39 angeordnet. Die Sensor-Wandler Statorelektroden 44i sind jeweils in demselben Quadranten 541 bis 544 angeordnet wie jeweils eine der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i. Die Aktorvorrichtung 31, insbesondere die Anordnung und Ausgestaltung der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i, weist im Wesentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften auf wie die Reflexionsfläche 26 des Einzelspiegels 20. Die Sensorvorrichtung, insbesondere die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i, hat im Wesentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die Reflexionsfläche 26 des Einzelspiegels 20.The actuator-converter stator electrodes 37 i are each arranged in quadrants 54 1 to 54 4 on the
Jeweils zwei Sensor-Wandler Statorelektroden 44i, die sich in Bezug auf den effektiven Schwenkpunkt 35 gegenüberliegen, sind differentiell miteinander verbunden. Eine solche Verschaltung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Generell ist es vorteilhaft, wenn jeweils zwei in Bezug auf den effektiven Schwenkpunkt 35 einander gegenüberliegende Sensorelektroden 44i so ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie differentiell ausgelesen werden können.Two sensor-converter stator electrodes 44 i each, which are opposite one another with respect to the effective pivot point 35, are differentially connected to one another. However, such a connection is not absolutely necessary. In general, it is advantageous if two sensor electrodes 44 i each, which are opposite one another with respect to the effective pivot point 35, are designed and arranged in such a way that they can be read out differentially.
Die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i sind als Kamm-Elektroden ausgebildet. Insbesondere können die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i entsprechend den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i ausgebildet sein, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i umfassen jeweils eine Sensor-Wandler-Stator-Senderelektrode 47, die im Folgenden auch als Senderelektrode abgekürzt wird, und eine Sensor-Wandler-Stator-Empfängerelektrode 48, die im Folgenden auch als Empfängerelektrode abgekürzt wird. Sowohl die Sensor-Wandler-Stator-Senderelektrode 47 als auch die Sensor-Wandler-Stator-Empfängerelektrode 48 weisen eine Kammstruktur auf. Sie bestehen insbesondere aus einer Vielzahl von Kammfingern. Insbesondere sind die Kammfinger der Sensor-Wandler-Stator-Senderelektrode 47 abwechselnd mit den Kammfingern der Sensor-Wandler-Stator-Empfängerelektrode 48 angeordnet.The sensor-converter stator electrodes 44 i are designed as comb electrodes. In particular, the sensor-converter stator electrodes 44 i can be designed corresponding to the actuator-converter stator electrodes 37 i , to the description of which reference is hereby made. The sensor-converter stator electrodes 44 i each comprise a sensor-converter
Die Sensorvorrichtung umfasst eine Sensor-Wandler-Spiegelelektrode 45 für jede der Sensor-Wandler-Stator-Elektroden 44i. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 jeweils eine Abschirmeinheit der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i. Die Sensor-Wandler-Spiegelelektrode 45 umfasst jeweils Kamm-Elemente mit mehreren Kamm-Fingern 46. Die Sensor-Wandler-Spiegelelektrode 45 ist entsprechend einer zu den Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i passenden Gegenelektrode ausgebildet. Insbesondere können die Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 entsprechend den Aktor-Wandler-Spiegelelektroden 42 ausgebildet sein, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird.The sensor device comprises a sensor-converter mirror electrode 45 for each of the sensor-converter stator electrodes 44 i . According to an advantageous embodiment, the sensor-converter mirror electrodes 45 each form a shielding unit of the sensor-converter stator electrodes 44 i . The sensor-converter mirror electrode 45 each comprises comb elements with
Die Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 sind jeweils fest mit dem Spiegelsubstrat 27 verbunden. Sie sind im Bereich der Diagonale des Spiegelsubstrats 27 angeordnet. Beim Verkippen des Einzelspiegels 20 kann die Sensor-Wandler-Spiegelelektrode 45 jeweils unterschiedlich tief zwischen den Kammfingern der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i, insbesondere zwischen der Senderelektrode 47 und der Empfängerelektrode 48, eintauchen. Dadurch ergibt sich eine variable Abschirmung benachbarter Kammfinger, insbesondere eine variable Abschirmung der Empfängerelektrode 48 gegenüber der Senderelektrode 47. Dies führt zu einer Kapazitätsänderung zwischen den benachbarten Kammfingern der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i, wenn der Einzelspiegel 20 verschwenkt wird. Diese Kapazitätsänderung kann gemessen werden. Dazu werden die Eingänge eines Messgerätes abwechselnd mit den Kammfingern der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i verbunden.The sensor-converter mirror electrodes 45 are each firmly connected to the
Die anfängliche Eintauchtiefe der Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 zwischen den Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i, insbesondere zwischen den Senderelektroden 47 und den Empfängerelektroden 48, beträgt zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 60 µm, bei einem Spiegel mit 1 mm Größe vorzugsweise etwa 40 µm. Damit ist sichergestellt, dass die Kammfinger 46 auch in der maximal verkippten Schwenkstellung überall zwischen den Senderelektroden 47 und den Empfängerelektroden 48 noch eine Rest-Eintauchtiefe haben, d.h. sie treten nie ganz heraus. Damit ist die differentielle Sensorfunktion über den gesamten Kippbereich gewährleistet. Andererseits ist die Eintauchtiefe der Sensor-Wandler-Spiegelelektrode 45 so gewählt, dass es auch in der maximal verkippten Schwenkstellung des Einzelspiegels 20 zu keiner Kollision derselben mit dem Substrat 39 kommt.The initial immersion depth of the sensor-converter mirror electrodes 45 between the sensor-converter stator electrodes 44 i , in particular between the
Zur Messung der Kapazität zwischen der Senderelektrode 47 und der Empfängerelektrode 48 der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i wird eine elektrische Spannung, insbesondere eine Sensorspannung US, an die Senderelektrode 47 angelegt. Insbesondere dient eine Wechselspannung als Sensorspannung US.To measure the capacitance between the
Die Sensorvorrichtung ist empfindlich im Hinblick auf die Eintauchtiefe der Kammfinger 46 zwischen benachbarten Kammfingern der Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i.The sensor device is sensitive to the immersion depth of the
Die Sensorvorrichtung ist unempfindlich gegenüber einer reinen Verschwenkung des Kammfingers 46 relativ zur Senderelektrode 47 und zur Empfängerelektrode 48.The sensor device is insensitive to a mere pivoting of the
Die Sensorvorrichtung ist unempfindlich gegenüber einer seitlichen Verlagerung des Abschirmelements, die dessen Abstand zur Senderelektrode 47 und zur Empfängerelektrode 48 verändert, aber die Eintauchtiefe des Kammfingers 46 zwischen den benachbarten Sender- und Empfängerelektroden 47, 48 unverändert lässt.The sensor device is insensitive to a lateral displacement of the shielding element, which changes its distance from the
Weitere Einzelheiten der Sensorvorrichtung sind in der
Die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i sind innerhalb des Rings der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i angeordnet. In diesem Bereich sind die absoluten Bewegungen der Kammfinger 46 in Richtung parallel zur Flächennormalen 36 geringer als außerhalb des Rings der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i. Der absolute Bewegungsumfang bezieht sich auf den Abstand zum effektiven Schwenkpunkt 35.The sensor-converter stator electrodes 44 i are arranged within the ring of the actuator-converter stator electrodes 37 i . In this area, the absolute movements of the
In den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen ragen die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i in radialer Richtung nach innen über die Innenkontur der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i hinaus. Es ist auch möglich, die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i so auszuführen, dass sie nicht über die Innenkontur der Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i herausragen.In the embodiments shown in the figures, the sensor-converter stator electrodes 44 i protrude radially inwards beyond the inner contour of the actuator-converter stator electrodes 37 i . It is also possible to design the sensor-converter stator electrodes 44 i such that they do not protrude beyond the inner contour of the actuator-converter stator electrodes 37 i .
Die Sensor-Wandler-Statorelektroden 44i sind radial zum effektiven Schwenkpunkt 35 ausgebildet und angeordnet. Sie weisen insbesondere Kammfinger auf, die sich in radialer Richtung erstrecken. Dadurch wird die Empfindlichkeit gegenüber einer möglichen thermischen Ausdehnung des Einzelspiegels 20 reduziert.The sensor-converter stator electrodes 44 i are designed and arranged radially to the effective pivot point 35. In particular, they have comb fingers that extend in the radial direction. This reduces the sensitivity to a possible thermal expansion of the
Wie bereits oben erläutert, weist die Sensorvorrichtung aufgrund ihres Aufbaus allenfalls eine geringe Empfindlichkeit gegenüber parasitären Bewegungen des Einzelspiegels 20 auf, insbesondere gegenüber Verlagerungen senkrecht zur Flächennormalen 36 und/oder Drehungen um die Flächennormale 36. Aufgrund des Abschirmungsprinzips der Sensorvorrichtung weist diese zudem bestenfalls eine minimale Empfindlichkeit gegenüber einer möglichen thermischen Ausdehnung des Einzelspiegels 20 auf. Zudem ist das Sensorprinzip wenig empfindlich gegenüber einer thermischen Verformung des Spiegels.As already explained above, due to its structure, the sensor device has at best a low sensitivity to parasitic movements of the
Jeweils zwei in Bezug auf den effektiven Schwenkpunkt 35 gegenüberliegende Sensoreinheiten mit je einer Senderelektrode 47 und einer Empfängerelektrode 48 sind differentiell miteinander verschaltet oder zumindest differentiell auslesbar. Dadurch lassen sich Fehler bei der Messung der Position des Spiegels 20, insbesondere aufgrund von Eigenmoden des Einzelspiegels 20, ausschließen.Two sensor units each having a
Die aktiven Bestandteile der Sensorvorrichtung sind auf dem Substrat 39 angeordnet. Dadurch ist es möglich, den Neigungswinkel des Einzelspiegels 20 direkt relativ zum Substrat 39 zu messen. Außerdem kann durch die Anordnung der Senderelektroden 47 und der Empfängerelektroden 48 auf dem Substrat 39 die Länge der Signalleitung 56 und/oder der Zuleitungen 57 reduziert, insbesondere minimiert werden. Dadurch werden mögliche Störeinflüsse reduziert. Dies gewährleistet konstante Betriebsbedingungen.The active components of the sensor device are arranged on the
Die Senderelektroden 47 sind jeweils als aktive Abschirmung, insbesondere als Abschirmring, um die Empfängerelektroden 48 ausgebildet. Dadurch wird ein kapazitives Übersprechen zwischen den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i und der Sensorvorrichtung reduziert, insbesondere minimiert, insbesondere verhindert.The
An die Senderelektrode 47 kann eine Wechselspannung aus einer Spannungsquelle 48 angelegt werden. Die Spannungsquelle 58 hat eine niedrige Impedanz. Insbesondere weist die Spannungsquelle 58 eine Ausgangsimpedanz auf, die im Bereich der Erregerfrequenz kleiner als 1 Promille der Koppelkapazitäten von den Aktor-Wandler-Statorelektroden 37i zu den Senderelektroden 47 ist. Die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle ist kleiner als 1 Promille der Kapazitäten zwischen den Senderelektroden 47 und den Sensor-Wandler-Spiegelelektroden 45 oder den Empfängerelektroden 48. Damit ist sichergestellt, dass die an den Senderelektroden 47 anliegende Wechselspannung nicht oder zumindest nicht wesentlich von den variablen Aktorspannungen UA oder der variablen Sensorkapazität beeinflusst wird.An alternating voltage from a
Zum Auslesen des Sensor-Wandlers kann im Allgemeinen ein Netzwerkanalysator verwendet werden. Mit diesem ist es möglich, die Impedanz des Sensor-Wandlers zu bestimmen und daraus mittels eines Umrechnungsfaktors die Position der Verlagerung des Einzelspiegels 20 zu ermitteln. Ein solcher Netzwerkanalysator besteht in der Regel aus einer Anregungsquelle, beispielsweise der oben beschriebenen Spannungsquelle 58, und einer Antwortmessung, beispielsweise einer Strommessung oder einer Messung der transportierten Ladung während einer Signalperiode. Aus dem Quotienten von Erregerspannung und Strom kann die Netzimpedanz und damit die Sensorkapazität bestimmt werden.A network analyzer can generally be used to read the sensor transducer. This makes it possible to determine the impedance of the sensor transducer and from this to determine the position of the displacement of the
Im Folgenden werden zwei Varianten des Gelenks 32 ausführlicher beschrieben.In the following, two variants of the joint 32 are described in more detail.
Das Gelenk 32 kann als Kardan-Gelenk ausgeführt sein.The joint 32 can be designed as a cardan joint.
Gemäß einer ersten Variante ist das Gelenk 32 als Torsionsfederelementstruktur ausgeführt. Insbesondere umfasst es zwei Torsionsfedern 50, 51. Die beiden Torsionsfedern 50, 51 sind einstückig ausgebildet. Sie sind insbesondere rechtwinklig zueinander ausgerichtet und bilden eine kreuzförmige Struktur 49.According to a first variant, the joint 32 is designed as a torsion spring element structure. In particular, it comprises two torsion springs 50, 51. The two torsion springs 50, 51 are formed in one piece. In particular, they are aligned at right angles to one another and form a
Die Torsionsfedern 50, 51 haben eine Länge von etwa 100 µm, eine Breite von etwa 60 µm und eine Dicke von etwa 1 µm bis 5 µm. Solche Torsionsfedern 50, 51 sind als Einzelspiegel 20 mit Abmessungen von 0,6 mm · 0,6 mm geeignet. Die Abmessungen der Torsionsfedern 50, 51 hängen von den Abmessungen der Einzelspiegel 20 ab. Im Allgemeinen erfordern größere Spiegel größere, insbesondere steifere Torsionsfedern 50, 51.The torsion springs 50, 51 have a length of about 100 µm, a width of about 60 µm and a thickness of about 1 µm to 5 µm. Such torsion springs 50, 51 are suitable as
Die Torsionsfeder 50 erstreckt sich in Richtung der Kippachse 33. Die Torsionsfeder 50 ist mechanisch mit dem Substrat 39 verbunden. Zur Verbindung der Torsionsfeder 50 mit dem Substrat 39 dienen Anschlussblöcke 52. Die Anschlussblöcke 52 haben jeweils eine quaderförmige Ausgestaltung. Sie können auch zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet sein. Andere geometrische Formen sind ebenfalls möglich.The
Die Anschlussblöcke 52 sind jeweils in einem Endbereich der Torsionsfeder 50 angeordnet.The connection blocks 52 are each arranged in an end region of the
Neben der Verbindung des Gelenks 32 mit dem Substrat 39 dienen die Anschlussblöcke 52 auch als Abstandshalter zwischen der Torsionsfeder 50 und dem Substrat 39.In addition to connecting the joint 32 to the
Entsprechend der Verbindung der Torsionsfeder 50 mit dem Substrat 39 ist die Torsionsfeder 51 mechanisch mit dem Spiegelsubstrat 27 des Einzelspiegels 20 verbunden. Zu diesem Zweck sind Anschlussblöcke 53 vorgesehen. Die Anschlussblöcke 53 entsprechen in ihrer Ausgestaltung den Anschlussblöcken 52. Die Anschlussblöcke 53 sind jeweils in einem Endbereich der Torsionsfeder 51 angeordnet.Corresponding to the connection of the
In Richtung der Flächennormalen 36 sind die Anschlussblöcke 53 und die Anschlussblöcke 52 auf gegenüberliegenden Seiten der kreuzförmigen Struktur 49 angeordnet.In the direction of the surface normal 36, the connection blocks 53 and the connection blocks 52 are arranged on opposite sides of the
Die Torsionsfedern 50, 51 des Gelenks 32 weisen im Bereich der an den Mittelbereich angrenzenden Schenkel der kreuzförmigen Struktur 49 ein T-förmiges Profil auf. Hierdurch werden die Torsionsfedern 50, 51 insbesondere gegenüber Auslenkungen in Richtung der Flächennormalen 36 versteift. Dadurch wird erreicht, dass die Eigenfrequenz des Spiegels 20 in vertikaler Richtung zu hohen Frequenzen verschoben wird und somit ein Frequenzabstand der geregelten Kippmoden und der parasitären Vertikalschwingungsmoden von mehr als einer Dekade im Frequenzraum erreicht wird, was aus steuerungstheoretischer Sicht vorteilhaft ist. Außerdem kann durch das kreuzförmige Versteifungselement 55 die Wärmeleitfähigkeit des Gelenks 32 erhöht werden.The torsion springs 50, 51 of the joint 32 have a T-shaped profile in the area of the legs of the
Grundsätzlich ist es möglich, ein entsprechendes Versteifungselement 55 auch auf der gegenüberliegenden Seite der kreuzförmigen Struktur 49 anzuordnen. In diesem Fall haben die Schenkel der Torsionsfedern 50, 51 einen kreuzförmigen Querschnitt.In principle, it is possible to arrange a
Durch eine gezielte Gestaltung der Versteifungselemente 55 können die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Gelenks gezielt beeinflusst werden. Das Profil, insbesondere die Versteifungselemente 55, dienen der Erhöhung der Steifigkeit in der Aktor-Ebene. Sie dienen insbesondere der Realisierung einer Bindungssteifigkeit des Einzelspiegels 20 gegenüber der Grundplatte 39 in den horizontalen Freiheitsgraden, d.h. bei einer horizontalen Verlagerung und einer Drehung um die vertikale Achse. Hierdurch werden die Eigenfrequenzen der parasitären Moden des Einzelspiegels 20 erhöht. Dadurch erhält man einen regelungstheoretisch vorteilhaften Modenabstand zwischen den angesteuerten Kippmoden und den parasitären Moden. Insbesondere liegen die Eigenfrequenzen der parasitären Moden vorzugsweise mindestens eine Dekade über den betätigten Kippmoden.Through a targeted design of the
Darüber hinaus sollen die zwischen dem Spiegel 20 und den Aktor-Wandler-Stator-Kammfingern 38 wirkenden Kräfte und die dadurch entstehende elektrostatische Erweichung (negative Steifigkeit) durch die hohe horizontale Steifigkeit aufgefangen werden. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass aus Sicht der Kammfinger 38 kein transversaler Einzug erfolgt.In addition, the forces acting between the
Die Versteifungselemente 55, die auch als Versteifungsrippen, insbesondere als senkrechte Versteifungsrippen, bezeichnet werden, dienen der Verschiebung der Durchbiegungssteifigkeit und damit der Verschiebung der Eigenfrequenz von vertikalen Schwingungen, d.h. Schwingungen in Richtung der Flächennormalen 36, zu höheren Frequenzen.The
Das Gelenk 32 ist steif im Hinblick auf Drehungen um die Flächennormale 36. Das Gelenk 32 ist steif im Hinblick auf die lineare Verlagerung in Richtung der Flächennormale 36. Steif bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Eigenfrequenz der Drehschwingungen um die Flächennormale 36 und die Eigenfrequenz der Schwingungen in Richtung der Flächennormale um mehr als eine Frequenzdekade über den angesteuerten Moden liegen. Die angesteuerten Kippmoden des Einzelspiegels liegen insbesondere bei Frequenzen unter 1 kHz, insbesondere unter 600 Hz. Die Eigenfrequenz der Drehschwingungen um die Flächennormale 36 liegt bei mehr als 10 kHz, insbesondere bei mehr als 30 kHz.The joint 32 is stiff with respect to rotations about the surface normal 36. The joint 32 is stiff with respect to the linear displacement in the direction of the surface normal 36. In this context, stiff means that the natural frequency of the rotational oscillations about the surface normal 36 and the natural frequency of the oscillations in the direction of the surface normal are more than a frequency decade above the controlled modes. The controlled tilting modes of the individual mirror are in particular at frequencies below 1 kHz, in particular below 600 Hz. The natural frequency of the rotational oscillations about the surface normal 36 is more than 10 kHz, in particular more than 30 kHz.
Das Gelenk 32 hat eine bekannte Flexibilität im Hinblick auf das Verschwenken um die beiden Kippachsen 33, 34. Die Steifigkeit des Gelenks 32 im Hinblick auf das Verschwenken um die Kippachsen 33, 34 kann durch eine gezielte Ausgestaltung der Torsionsfedern 50, 51 beeinflusst werden.The joint 32 has a known flexibility with regard to pivoting about the two tilting
Das Gelenk 32, insbesondere die Anschlussblöcke 52, 53 und die Torsionsfedern 50, 51, dienen der Wärmeabfuhr aus dem Spiegelsubstrat 27. Die Bestandteile des Gelenks 32 bilden Wärmeleitungsabschnitte.The joint 32, in particular the connection blocks 52, 53 and the torsion springs 50, 51, serve to dissipate heat from the
Das Gelenk 32 mit den Anschlussblöcken 52, 53 hat eine Vielzahl von Funktionen. Erstens: die Bindung der nicht angesteuerten Freiheitsgrade, zweitens: der Wärmetransport vom Spiegel 20 zur Grundplatte 39 und drittens: die elektrische Verbindung zwischen dem Spiegel 20 und der Grundplatte 39. Die Blöcke 52, 53 dienen in erster Linie dazu, Raum für die vertikale Bewegung des Gelenkelements zu schaffen. Es versteht sich von selbst, dass die Blöcke 52, 53 dann auch die mechanischen, thermischen und elektrischen Funktionen der Federn 50, 51 übernehmen müssen.The joint 32 with the connection blocks 52, 53 has a variety of functions. Firstly: the binding of the non-controlled degrees of freedom, secondly: the heat transport from the
Die Grundplatte 39 kann einen Kühlkörper bilden. Es ist auch möglich, einen separaten Kühlkörper vorzusehen. Ein derartiger Kühlkörper ist vorzugsweise mit der Grundplatte 39, insbesondere mit dem Spiegel 20, thermisch verbunden.The
Die Torsionsfedern 50, 51 bestehen aus einem Material mit einem Wärmeleitkoeffizienten von mindestens 50 W/(mK), insbesondere von mindestens 100 W/(mK), insbesondere von mindestens 140 W/(mK).The torsion springs 50, 51 consist of a material with a thermal conductivity coefficient of at least 50 W/(mK), in particular of at least 100 W/(mK), in particular of at least 140 W/(mK).
Die Torsionsfedern 50, 51 können aus Silizium oder einer Siliziumverbindung hergestellt sein. Das Gelenk 32 wird vorzugsweise aus hochdotiertem monokristallinem Silizium hergestellt. Dies eröffnet eine Prozesskompatibilität des Herstellungsverfahrens mit etablierten MEMS-Fertigungsprozessen. Zudem führt dies zu einer vorteilhaft hohen thermischen Leitfähigkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit.The torsion springs 50, 51 can be made of silicon or a silicon compound. The joint 32 is preferably made of highly doped monocrystalline silicon. This enables process compatibility of the manufacturing process with established MEMS manufacturing processes. In addition, this leads to an advantageously high thermal conductivity and good electrical conductivity.
Bei einer absorbierten Leistungsdichte von 10 kW/(m2) und Spiegelabmessungen von 600 µm × 600 µm ergibt sich bei den angegebenen Werten der Abmessungen, insbesondere bei einer Dicke der Torsionsfedern 50, 51 von 4 µm, und der Wärmeleitfähigkeit der Torsionsfedern 50, 51 eine Temperaturdifferenz von 11 K zwischen dem Spiegelsubstrat 27 und dem Substrat 39.With an absorbed power density of 10 kW/(m 2 ) and mirror dimensions of 600 µm × 600 µm, the specified values of the dimensions, in particular with a thickness of the torsion springs 50, 51 of 4 µm, and the thermal conductivity of the torsion springs 50, 51, result in a temperature difference of 11 K between the
Die Torsionsfedern 50, 51 können auch eine geringere Dicke haben. Haben die Torsionsfedern 50, 51 eine Dicke von 2,4 µm, so ergibt sich zwischen dem Spiegelsubstrat 27 und dem Substrat 39 - bei sonst gleichen Parameterwerten - eine Temperaturdifferenz von 37 K.The torsion springs 50, 51 can also have a smaller thickness. If the torsion springs 50, 51 have a thickness of 2.4 µm, a temperature difference of 37 K results between the
Insbesondere liegt die Wärmeleitfähigkeit der Torsionsfeder im Bereich von 0,5 K/kW/m2 bis 10 K/kW/m2, wobei sich die Wärmeleistungsdichte auf die vom Spiegel absorbierte mittlere Wärmeleistung bezieht. Durch derartige Torsionsfedern könnte erreicht werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Spiegelsubstrat 27 und dem Substrat 39 weniger als 50 K, insbesondere weniger als 40 K, insbesondere weniger als 30 K, insbesondere weniger als 20 K beträgt.In particular, the thermal conductivity of the torsion spring is in the range of 0.5 K/kW/m 2 to 10 K/kW/m 2 , where the thermal power density refers to the average thermal power absorbed by the mirror. Such torsion springs could make the temperature difference between the
In einer anderen Variante des Gelenks 32 sind anstelle der Torsionsfedern 50, 51 Blattfedern vorgesehen. Für weitere Einzelheiten wird auf die
Das Gelenk 32 weist auch in dieser Variante eine hohe Steifigkeit in den horizontalen Freiheitsgraden auf. Diesbezüglich wird auf die Beschreibung der vorstehenden Alternative verwiesen. Die konstruktiven Aspekte im Hinblick auf die horizontale Steifigkeit und im Hinblick auf den Frequenzabstand der parasitären Eigenmoden entsprechen ebenfalls dem oben Beschriebenen.In this variant, the joint 32 also has a high degree of rigidity in the horizontal degrees of freedom. In this regard, reference is made to the description of the above alternative. The design aspects with regard to the horizontal rigidity and with regard to the frequency spacing of the parasitic eigenmodes also correspond to those described above.
Die Variante des Gelenks 32 ist ein Kardan-Gelenk mit orthogonal angeordneten, horizontalen Biegefedern, die als Blattfedern ausgebildet sind. Jeweils zwei der Biegefedern sind über eine plattenförmige Struktur, die auch als Zwischenplatte bezeichnet wird, miteinander verbunden.The variant of the joint 32 is a cardan joint with orthogonally arranged, horizontal bending springs, which are designed as leaf springs. Two of the bending springs are connected to each other via a plate-shaped structure, which is also referred to as an intermediate plate.
Das Gelenk 32 bringt folgende Vorteile mit sich: Es ist weich in der Ansteuerungsrichtung. Es ist sehr steif in den eingeschränkten Freiheitsgraden DoF. Es ermöglicht eine klare Abgrenzung der Eigenmoden. Es führt zu einer praktisch perfekten Trennung der Rx- und Ry-Verkippungen.The joint 32 has the following advantages: It is soft in the control direction. It is very stiff in the restricted degrees of freedom DoF. It enables a clear delimitation of the eigenmodes. It leads to a practically perfect separation of the Rx and Ry tilts.
Horizontale Blattfedern sind aus verfahrenstechnischer Sicht vorteilhaft. Sie vereinfachen insbesondere die Herstellung des Gelenks 32.Horizontal leaf springs are advantageous from a process engineering point of view. In particular, they simplify the manufacture of the joint 32.
In der Variante sind die Anschlussblöcke 52, 53 jeweils langgestreckt und stabförmig ausgebildet. Sie erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Erstreckung des Gelenks 32 in Richtung der Kippachsen 33, 34.In the variant, the connection blocks 52, 53 are each elongated and rod-shaped. They extend essentially over the entire extent of the joint 32 in the direction of the tilting axes 33, 34.
Zwischen zwei der Anschlussblöcke 52, 53 kann jeweils ein Trennschlitz vorgesehen sein. Das Gelenk 32 kann also zweiteilig ausgeführt sein.A separating slot can be provided between two of the connection blocks 52, 53. The joint 32 can therefore be designed in two parts.
Das Gelenk 32 ist vorzugsweise axialsymmetrisch in Bezug auf die Flächennormale 36. Es kann also eine zweifache Rotationssymmetrie aufweisen. Insbesondere die Biegefedern können jeweils spiegelsymmetrisch zur Flächennormalen 36 ausgebildet sein.The joint 32 is preferably axially symmetrical with respect to the surface normal 36. It can therefore have a two-fold rotational symmetry. In particular, the bending springs can each be designed to be mirror-symmetrical to the surface normal 36.
Die verschiedenen Varianten der Verlagerungsvorrichtung 31, der Sensorvorrichtung, des Gelenks 32 und der übrigen Bestandteile des optischen Bauteils 30 sind im Wesentlichen frei miteinander kombinierbar.The different variants of the
Gemäß einer weiteren Variante können die Aktoren auch gleichzeitig als Sensoren verwendet werden. Dazu ist vorgesehen, die neigungswinkelabhängige Kapazität des Aktors mit einer Frequenz auszulesen, die deutlich, insbesondere um mindestens eine Dekade, höher ist als die Ansteuerungsfrequenz (Regelbandbreite). In diesem Fall kann auf eine separate Sensorvorrichtung verzichtet werden. Es ist auch möglich, zusätzlich eine gesonderte Sensorvorrichtung vorzusehen, insbesondere gemäß der vorangegangenen Beschreibung.According to a further variant, the actuators can also be used as sensors at the same time. For this purpose, the inclination angle-dependent capacitance of the actuator is read out at a frequency that is significantly higher, in particular by at least a decade, than the control frequency (control bandwidth). In this case, a separate sensor device can be dispensed with. It is also possible to additionally provide a separate sensor device, in particular in accordance with the previous description.
Die Verlagerungsvorrichtung 31 ist vorzugsweise mittels eines MEMS-Verfahrens herstellbar. Insbesondere weist sie einen Aufbau auf, der für eine Herstellung mittels MEMS-Verfahrensschritten ausgelegt ist. Insbesondere weist sie überwiegend, insbesondere ausschließlich, horizontale Schichten auf, die in vertikaler Richtung strukturiert sein können.The
Insbesondere sind die Elektroden 37i, 42, 44i, 45 mittels MEMS-Verfahrensschritten herstellbar. Das Gelenk 32 ist vorzugsweise ebenfalls mittels MEMS- Verfahrensschritten herstellbar.In particular, the
Der Feldfacettenspiegel 13 und/oder der Pupillenfacettenspiegel 14 können aus einem oder mehreren Modulen von MEMS-Multi-Mirror-Array-Bausteinen (MMA) bestehen, von denen jeder z. B. 24x24 Mikrospiegel umfasst, die jeweils über eigene unabhängige elektrostatische Kamm-Aktoren zum Verkippen des Spiegels in zwei orthogonale Richtungen und Kamm-Sensoren zum Auslesen der Ausrichtung verfügen. Jeder Spiegel kann mit zwei, vier oder mehr Aktoren und/oder zwei, vier oder mehr Sensoren ausgestattet sein.The
Im Folgenden werden weitere Details der Mikrospiegel, insbesondere der elektronischen Teile der Mikrospiegel, beschrieben. Diese Details können vorteilhaft mit den oben beschriebenen konstruktiven Details kombiniert werden. Sie sind jedoch unabhängig und nicht notwendigerweise mit diesen Details verknüpft. Auch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen der Veranschaulichung verschiedener Aspekte der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Auch beliebige Kombinationen zwischen den Beispielen oder Teilen der dort gezeigten Ausführungsformen sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.Further details of the micromirrors, in particular the electronic parts of the micromirrors, are described below. These details can advantageously be combined with the structural details described above. However, they are independent and not necessarily linked to these details. The following exemplary embodiments also serve to illustrate various aspects of the invention. However, the invention is not limited to these examples. Any combinations between the examples or parts of the embodiments shown there are also the subject of the present invention.
Im Ausführungsbeispiel von
Das Substrat 39 umfasst TSVs 63 (Through-Silicon-Vias 63=Silizium-Durchkontaktierungen 63).The
Auf der Rückseite des Substrats 39 sind zwei Typen von Chips, Typ-1-Chips 64, auch als Chips_1 64 bezeichnet, und Typ-2-Chips 65, auch als Chips_2 65 bezeichnet, angebracht und durch Bumps 66 elektrisch verbunden. Die Bumps 66 können zum Beispiel aus CuSn bestehen.On the back side of the
Die Chips können aus Silizium hergestellt sein. Sie weisen ICs (integrated circuits=integrierte Schaltkreise) auf, die durch Ätzen, Abscheiden und lokale Dotierung durch selektive Implantation gebildet werden, und haben eine Auflösung/Merkmale von nur 10 nm bis 100 nm. Die Chips werden auch als ICs, Dies oder Wafer bezeichnet. Die aktive Seite 67 der Chips, auf der insbesondere CMOS-Schaltkreise ausgebildet sind, ist in den Figuren durch eine gestrichelte Kontur hervorgehoben. Beide Chips 64 und 65 haben eine aktive Fläche.The chips can be made of silicon. They comprise ICs (integrated circuits) formed by etching, deposition and local doping by selective implantation and have a resolution/features of only 10 nm to 100 nm. The chips are also referred to as ICs, dies or wafers. The
Die Chips_1 64 haben die aktive Seite 67 nach oben (in Richtung des Spiegels 20), die mit dem Aktor TSV 63 durch Bumps verbunden ist. Außerdem haben die Chips_1 64 Durchgangs-TSVs 63, die die elektrischen Signale der Chips_2 65 durch die Chips_1 64 hindurch bis zu den Sensor-TSVs 63 und ggf. zu den Verdrahtungspads für andere Strukturen übertragen und damit eine vertikale Stapelung ermöglichen.The
In
Die Chips_2 64 und Chips_3 68 befinden sich hinter den Chips_1 63. Sie können mit Hilfe von Interposer-Chips 69 verbunden werden. Anders als im vorigen Beispiel sind die Chips_2 und Chips_3 hinter Chips_1 hier nicht durch TSVs in Chips_1 verbunden, sondern mit Hilfe von Interposer-Chips 69.Chips_2 64 and
Die Interposer-Chips 69 können keine aktiven elektronischen Schaltungen haben, sondern nur TSVs 63, um die Signale durch die Schicht der Chips_1 63 in Richtung des Substrats 39 des Spiegels 20 zu verbinden.The interposer chips 69 may not have active electronic circuits, but only TSVs 63 to connect the signals through the layer of
Die Elektronik auf der dahinterliegenden zweiten Ebene kann als Einzelchip, aber auch auf einem kompletten Controller/CMOS-Wafer 70 (als schwarz gestricheltes Rechteck dargestellt), ausgeführt und durch die Interposer-Chips 69 verbunden sein.The electronics on the underlying second level can be implemented as a single chip, but also on a complete controller/CMOS wafer 70 (shown as a black dashed rectangle) and connected by the interposer chips 69.
Die Interposer-Chips 69 und Chip_4 68 sind der Einfachheit halber mit nur einem Bump 66 dargestellt. Dies würde zu mechanischer Instabilität führen.The interposer chips 69 and
Bei allen Metall/Metall-gebondeten oder gebumpten Chips können vorteilhaft zwei Reihen in x/y-Richtung verwendet werden.For all metal/metal bonded or bumped chips, two rows in the x/y direction can be advantageously used.
Vorzugsweise haben die Chips 64, 65, 68, 69 eine Größe, die eine maschinelle Bearbeitung ermöglicht. Kleinere Dies sind von Vorteil für eine höhere Ausbeute, aber es kann besser sein, Chips in einer ähnlichen Größe wie der MEMS-Spiegel 20 zu verwenden. Dies führt zu einer vereinfachten Stapelung (weniger Chips).Preferably, the
Die TSVs 63 des Substrats 39 des Spiegels 20 und diese von den Chips 64, 65, 68, 69 können neben der elektrischen auch eine andere wichtige Funktion haben: Sie können die an den Spiegeln 20 absorbierte Wärme nach hinten und wegleiten, um die Spiegel 20 auf einer angemessenen Temperatur zu halten, insbesondere unter 200 °C, vorzugsweise unter 100 °C. Dadurch wird sichergestellt, dass das Reflexionsvermögen der Beschichtung nicht abnimmt und die Lebensdauer des Spiegels 20 verlängert wird. Dieser Punkt ist besonders wichtig für EUV-Systeme, bei denen selbst die besten Beschichtungen nur etwa 2/3 der einfallenden Strahlung reflektieren.The
Je nach dem Material des TSV 63 und seiner Isolierung vom Substrat des Chips können die TSVs 63 thermische, elektrische oder beide Leitfunktionen haben.Depending on the material of the
Dementsprechend können die Bumps 66 oder die Verbindungsbereiche aus thermisch, elektrisch oder thermisch und elektrisch leitendem Material hergestellt werden.Accordingly, the
Im Ausführungsbeispiel nach
Der Wärmeleitungsaufbau ist nur schematisch dargestellt. Zwischen den Chips_2 65, den Chips_3 68 und dem Kühlkörper 71 können weitere Elemente wie Umverdrahtungsplatten, Halteplatten, Controller usw. angeordnet werden, wobei auf die korrekte Ausbreitung der elektrischen und thermischen Pfade zu achten ist.The heat conduction structure is only shown schematically. Between the
Die TSVs 63 können aus Kupfer, Poly-Si oder anderen Stoffen bestehen oder diese enthalten. Kupfer-TSVs sind besonders gute thermische und elektrische Leiter, während Poly-Si-TSVs gut elektrische Signale und mäßig gut Wärme leiten. Auf der anderen Seite erlauben Poly-Si-TSVs spätere Hochtemperaturprozesse, beispielsweise für die Implantation und das Annealing von CMOS-Schaltkreisen.The TSVs 63 can consist of or contain copper, poly-Si or other materials. Copper TSVs are particularly good thermal and electrical conductors, while poly-Si TSVs conduct electrical signals well and heat moderately well. On the other hand, poly-Si TSVs allow later high-temperature processes, for example for the implantation and annealing of CMOS circuits.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Qualität der seitlichen Isolierung der TSVs 63, wenn sie eine elektrische Funktion haben. Die TSVs 63 können in drei Hauptschritten hergestellt werden: Ätzen des Lochs durch DRIE (deep reactive ion etching=reaktives Ionenätzen), Isolierung der Seitenwände und Auffüllen (insbesondere mit Cu/Poly-Si).Another important aspect is the quality of the side insulation of the
Wenn ein Die sowohl Elektronik als auch TSVs 63 enthält, müssen die Prozesse mit dem thermischen Gesamtbudget übereinstimmen, was erfordert, dass die höchsten thermischen Schritte wie beispielsweise trockene thermische Oxidation (Hochspannungs-(HV)-Isolation) und hochdotierte Implantation und Annealing (bei Temperaturen im Bereich von etwa 1000 °C bis 1100 °C) zu Beginn durchgeführt werden. Danach folgen Prozesse mit niedrigeren Temperaturen, beispielsweise die Nassoxidation, die Implantation und das Annealing von (Piezo)-Widerständen usw., bei ca. 950 °C, dann die LPCVD-Beschichtung (Low Pressure Chemical Vapor Deposition=chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung) bei 650-800 °C für die Isolierung mittlerer Qualität bei moderaten Temperaturen. Die Abscheidung und das Annealing von Al für Kontakte und Verdrahtung erfolgt bei 420 °C bis 450 °C. Die PECVD-Abscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition=plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) von Dielektrika erfolgt auch bei niedrigeren Temperaturen von etwa 250 °C bis 400 °C und wird zur Passivierung und Niederspannungsisolierung (bis zu 200 V) verwendet. Je niedriger die Abscheidetemperatur der Isolierung ist, desto schlechter ist ihre dielektrische Festigkeit (die Durchschlagsspannung). Daher besitzen TSVs, die nach dem CMOS-Teil hergestellt werden, eine geringere Isolationsfähigkeit und sind für die Niederspannung (Digitalteil) und die Wärmeleitfähigkeit geeignet. Die Hochspannungstreiber sollten besser auf der den Spiegeln 20 zugewandten Seite der Chips platziert werden (z. B. auf Typ-1-Chips 64) und nicht durch Hybridchips mit CMOS und TSVs geleitet werden. Die Speisung für die HV-Digital-Analog-Konverter (DACs) kann von der Rückseite über Poly-Si-TSVs angeschlossen werden oder auf dem Chip durch eine Kaskade niedrigerer Spannungen erzeugt werden.When a die contains both electronics and
Die in
Chips_3 68 mit doppelseitiger aktiver elektrischer Fläche/Elektronik können durch doppelseitige CMOS-Bearbeitung der Si-Wafer oder durch Rücken-an-Rücken-Verbindung zweier einseitiger Chips, z. B. durch Kleber oder Klebeband, umgesetzt werden.
Eine weitere Lösung zur Verbindung von Chips ist in
Die elektrischen Verbindungen können so beschaffen sein, dass das Signal durch TSVs und Bumps und Drahtbonding durch die Chips zu einer oder mehreren Verdrahtungs-/Stacking-Ebenen geleitet werden kann.The electrical connections can be designed to route the signal through TSVs and bumps and wire bonding through the chips to one or more wiring/stacking levels.
Andere Kontakte der Rückseite der Chips_3 68 sind mit den dafür vorgesehenen Pads 73 auf dem Spiegelsubstrat 27 drahtverbunden. Die Signale von der Vorderseite der Chips_3 68 können mit der Rückseite der Chips_1 64 verbunden oder durch die Chips_1 64 geleitet werden, wie in
In dem in
Die Strukturen von der Oberseite werden auf das Spiegelsubstrat 27 mit Bumps aufgebracht.The structures from the top side are applied to the
Die Strukturen von der Rückseite werden über TSVs 63 auf die gegenüberliegende Chipseite geleitet.The structures from the back are routed to the opposite side of the chip via
Ein Chip_4 74 ist als einseitig aktiver Flip-Chip dargestellt, der über Bumps 66 oder durch Metall-Metall-Bonding mit dem Substrat 27 des Spiegelelements verbunden ist.A Chip_4 74 is shown as a single-sided active flip chip which is connected to the
Ein weiteres Beispiel ist in
Der Träger 76 kann z. B. aus Keramik, z. B. Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC), hergestellt werden. Dies kann für die robuste Montage und das Packaging von elektronischen Komponenten, insbesondere für das Multilayer-Packaging, verwendet werden.The
Einbrand-Keramikbauelemente werden mit Hilfe eines Mehrschichtverfahrens hergestellt. Das Ausgangsmaterial sind grüne Kompositbänder, die aus Keramikpartikeln in Verbindung mit polymeren Bindemitteln bestehen. Die Bänder sind flexibel und können bearbeitet werden, zum Beispiel durch Schneiden, Fräsen, Stanzen und Prägen. Den Schichten können Metallstrukturen hinzugefügt werden, was üblicherweise durch Via Filling und Siebdruck geschieht. Hohlräume werden verstärkt. Die einzelnen Bänder werden dann in einem Laminiervorgang miteinander verbunden, bevor die Bauteile in einem Ofen gebrannt werden, wo der Polymeranteil des Bandes verbrennt und die Keramikpartikel zusammensintern, so dass ein hartes und dichtes Keramikbauteil entsteht.Single-fired ceramic components are manufactured using a multi-layer process. The starting material is green composite tapes, which consist of ceramic particles combined with polymeric binders. The tapes are flexible and can be processed, for example by cutting, milling, punching and embossing. Metal structures can be added to the layers, which is usually done by via filling and screen printing. Voids are reinforced. The individual tapes are then bonded together in a lamination process before the components are fired in a furnace, where the polymer part of the tape burns and the ceramic particles sinter together, creating a hard and dense ceramic component.
Die Schritte zur Herstellung eines solchen LTCC-Trägers 76 mit eingebauten Chips 75 sind in den
Zunächst wird eine erste Schale 81 des LTCC 76 mit Kontaktlöchern 77 und drahtgespreizten Schichten 78 sowie Hohlräumen 79 für die erste Reihe 80 der Elektronikchips 75 erstellt (vgl.
Die Chips 75 sind gebondet oder mit Bumps 66 versehen („bumped“).The
Anschließend wird eine zweite LTCC-Schale 82 mit Kontaktlöchern 77, Verdrahtungsschichten 78 und Hohlräumen 79 angebracht und durch Laminierung über der ersten Schale 81 oder durch Face-to-Face-Bonding, Bumps usw. elektrisch verbunden (vgl.
Das Feindrahtbonden mit kleinen Drahtschleifen ist ebenfalls eine Option, da in diesem Fall die Bondpads der Chips auf ihrer Rückseite liegen müssen und somit bis zu den entsprechenden Pads in den LTCC-Hohlräumen gebondet werden müssen.Fine wire bonding with small wire loops is also an option, since in this case the bond pads of the chips must be on their backside and thus must be bonded to the corresponding pads in the LTCC cavities.
Die 2. und 3. Reihe von Chips werden angebracht und F2F (face-to-face) gebondet (vgl.
Es wurde erkannt, dass eine höhere On-Die-Integration durch die Kombination von TSVs 63 und ASICs oder anderen CMOS-Schaltkreisen auf demselben Die (Chip) erreicht werden kann.It has been recognized that higher on-die integration can be achieved by combining
Vorzugsweise werden die einzelnen Prozessschritte in der Reihenfolge der abnehmenden Prozesstemperatur durchgeführt.Preferably, the individual process steps are carried out in the order of decreasing process temperature.
TSVs 63 können durch die folgende Prozessfolge hergestellt werden:
- 1) - Ätzen von Kontaktlöchern (DRIE),
- 2) - Seitenisolierung,
- 3) - Auffüllen und
- 4) - Planarisierung, insbesondere durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP).
- 1) - Contact hole etching (DRIE),
- 2) - side insulation,
- 3) - Filling and
- 4) - Planarization, in particular by chemical mechanical polishing (CMP).
Die TSVs 63 können zunächst mit SiO2 isoliert und dann mit dotiertem Poly-Si oder mit Metall, insbesondere Cu, aufgefüllt werden.The TSVs 63 can first be insulated with SiO2 and then filled with doped poly-Si or with metal, especially Cu.
Eine Kompatibilität der Ausrichtungsmarkierungen ist möglich. Vor oder zusammen mit der Herstellung der TSVs werden auf dem Wafer Markierungen für die Ausrichtung der verschiedenen Lithographieschritte erstellt. Diese Markierungen gewährleisten die Kompatibilität und die Feinausrichtung des TSV-Prozesses mit der nachfolgenden MEMS- oder CMOS-Bearbeitung.Alignment mark compatibility is possible. Before or together with TSV fabrication, marks are created on the wafer for the alignment of the various lithography steps. These marks ensure compatibility and fine alignment of the TSV process with the subsequent MEMS or CMOS processing.
Die dielektrische Festigkeit (Kurzschlussspannung) der TSVs 63 Seitenisolierung kann auf folgende Weise erreicht werden:
- a) durch nasse thermische Oxidation bei 1100 °C: ~400V @ 1µm thermisches SiO2
- b) durch PECVD (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) von SiO2 bei 300 °C bis 350 °C: <~100V @ 1µm PECVD SiO2
- a) by wet thermal oxidation at 1100 °C: ~400V @ 1µm thermal SiO2
- b) by PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) of SiO2 at 300 °C to 350 °C: <~100V @ 1µm PECVD SiO2
Es wurde herausgefunden, dass ASICs die Wärmebelastung und die elektromagnetischen HF- und MW-Felder während des DRIE-Prozesses (deep RIE / reactive ion etching) überstehen können.It has been found that ASICs can withstand the thermal stress and the RF and MW electromagnetic fields during the DRIE (deep RIE / reactive ion etching) process.
Die oben erwähnten TSVs 63 lassen sich nach ihrer Struktur und ihrem Verfahren einteilen:
- a) TSVs als rein thermisch leitende Strukturen. Keine Anforderungen an die Seitenisolation. Material: z.B. Cu.
- b) TSVs als thermisch leitende Strukturen und Übertragung von Niederspannungs- (digitalen) Signalen. Geringe Anforderungen an die Seitenisolation. Material: z.B. Cu.
- c) TSVs als thermisch leitende Strukturen und Übertragung von HV-(Analog-/Treiber-) Signalen. Hohe Anforderungen an die Seitenisolation. Eine mögliche Lösung umfasst: Poly-Si-TSVs vor CMOS für die HV-Signale und separate Cu-TSVs vor/nach CMOS für die thermische Verbindung. Material: Poly-Si und Cu.
- d) TSVs nur zur Übertragung von NV (digitalen) Signalen. Geringe Anforderungen an die Seitenisolation. Material: z.B. Cu oder Poly-Si.
- e) TSVs nur zur Übertragung von HV-(Analog-/Treiber-)Signalen. Hohe Anforderungen an die Seitenisolation (nur thermische Oxidation, 1 µm SiO2 ~400V). Material: z.B. Cu oder Poly-Si. Die ASICs müssen als nächstes kommen.
- a) TSVs as purely thermally conductive structures. No requirements for side insulation. Material: e.g. Cu.
- b) TSVs as thermally conductive structures and transmission of low voltage (digital) signals. Low requirements for side insulation. Material: e.g. Cu.
- c) TSVs as thermally conductive structures and transmission of HV (analog/driver) signals. High requirements for side isolation. A possible solution includes: Poly-Si TSVs before CMOS for the HV signals and separate Cu TSVs before/after CMOS for the thermal connection. Material: Poly-Si and Cu.
- d) TSVs only for the transmission of NV (digital) signals. Low requirements for side insulation. Material: e.g. Cu or Poly-Si.
- e) TSVs only for transmitting HV (analog/driver) signals. High requirements for side isolation (only thermal oxidation, 1 µm SiO2 ~400V). Material: e.g. Cu or Poly-Si. The ASICs must come next.
Hinsichtlich der Reihenfolge der Bearbeitung wird erfindungsgemäß Folgendes vorgeschlagen:
- Wenn die TSVs zuerst bearbeitet werden und dann die ASICs:
- Isolierung der TSV bis 400V, aber TSV muss alle folgenden Hochtemperatur-CMOS-Prozesse überstehen TSV-Material: zum Beispiel Poly-Si.
- Wenn zuerst ASICs und dann TSVs bearbeitet werden.
- Eine Herausforderung ist das direkte Testen der ASICs nach der CMOS-Gießerei. Die ICs können nicht an der Oberfläche mit Verdrahtung und Pads fertiggestellt werden, da eine CMP-Planarisierung (chemisch-mechanisches Polieren) für die TSVs, die später erforderlich ist, diese zerstören würde. Daher sind zusätzliche Maßnahmen notwendig: Bearbeitung eines Teils der Wafer, um die Ausbeute der ASICs zu testen, oder Einbeziehung von komplett fertigen Test-ASICs neben den funktionalen Chips, die für Zwischentests verwendet und durch die TSV-Bearbeitung verkratzt werden. Vorzugsweise werden keine Hochtemperaturprozesse, z.B. thermische Oxidation für die TSVs verwendet, um die Isolation der TSVs nicht zu verschlechtern, was zu Kurzschlüssen der HVs führen könnte.
- ASICs müssen den TSV-Prozess überstehen; DRIE mit MW- und RF-Feldern, Plasma, Hitze, Gase, späteres Bonden, etc.
- If the TSVs are processed first and then the ASICs:
- Isolation of TSV up to 400V, but TSV must survive all following high temperature CMOS processes TSV material: for example Poly-Si.
- When ASICs are processed first and then TSVs.
- One challenge is the direct testing of the ASICs after the CMOS foundry. The ICs cannot be finished on the surface with wiring and pads, as CMP (chemical mechanical polishing) planarization for the TSVs, which is required later, would destroy them. Therefore, additional measures are necessary: processing a portion of the wafers to test the yield of the ASICs, or including fully finished test ASICs alongside the functional chips, which are used for intermediate testing and scratched by the TSV processing. Preferably, no high temperature processes, e.g. thermal oxidation, are used for the TSVs in order not to degrade the insulation of the TSVs, which could lead to short circuits of the HVs.
- ASICs must survive the TSV process; DRIE with MW and RF fields, plasma, heat, gases, subsequent bonding, etc.
Drei bevorzugte Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die folgende Abfolge von Bearbeitungsschritten:
- 1. zuerst werden Poly-Si-TSVs bearbeitet und dann ASICs
- 2. Poly-Si-TSVs werden für die HV-Speisung für die HV-/Treibersignale, dann CMOS-ASICs und schließlich Cu-TSVs für NV und für die thermische Leitfähigkeit vorgesehen.
- 3. ASICs und dann PECVD-SiO2/Cu-TSVs sind für die NV-Signale (digital) und als thermisch leitende Strukturen vorgesehen. HV-Signale werden durch eine Kaskade von NV-Speisungen erzeugt.
- 1. First, poly-Si TSVs are processed and then ASICs
- 2. Poly-Si TSVs are used for HV supply for the HV/driver signals, then CMOS ASICs and finally Cu TSVs for NV and for thermal conductivity.
- 3. ASICs and then PECVD SiO2/Cu TSVs are provided for the NV signals (digital) and as thermally conductive structures. HV signals are generated by a cascade of NV supplies.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in
Aus
Die TSVs 63 können für jeden Aktor für jeden Spiegel aus dem Array über Bumps 66 direkt mit dem MMA-Chip 87 und innerhalb des MMA-Chips über Poly-Si-TSVs verbunden werden.The TSVs 63 can be connected for each actuator for each mirror from the array via
Auf der Oberseite des mittleren Wafers befinden sich die Cores (Ausgänge der ADCs), die die Ansteuerspannungen bilden.On the top of the middle wafer are the cores (outputs of the ADCs), which form the control voltages.
Bei 4 Aktoren für einen synthetischen Spiegel sind 4 Ansteuerspannungen erforderlich. Für 24 x 24 Spiegel werden 4 x 24 x 24 Ansteuersignale benötigt. Sie werden über Bumps mit dem Spiegelsubstrat und den TSVs HVactj verbunden. Es sind keine zusätzlichen HV-TSVs in den Front-End-ASICs erforderlich.For 4 actuators for a synthetic mirror, 4 drive voltages are required. For 24 x 24 mirrors, 4 x 24 x 24 drive signals are required. They are connected to the mirror substrate and the TSVs HVact j via bumps. No additional HV TSVs are required in the front-end ASICs.
Aber diese ADCs benötigen eine HV-Speisung, oder zwei: links und rechts, für mehr Sicherheit - bereitgestellt durch TSVs 63*. Nur diese 2 x 2 oder 2 × 1 TSVs müssen HV-kompatibel sein. Die übrigen HV-Signale werden über die Bumps direkt an das Spiegelelement geleitet.But these ADCs require a HV feed, or two: left and right, for greater safety - provided by
Die restlichen TSVs 63 bestehen aus Cu, um die verstärkten Sensor-NV-Signale 89 (sensi; sensj) zu leiten.The remaining
Sie können auch eine Verbindungsfunktion zwischen der Frontend-Elektronik 91 und der Backend-Elektronik 92, insbesondere dem Controller 90, haben.They may also have a connection function between the front-
Sie können auch Dummy-TSVs bilden, die nur eine Wärmeleitfunktion (thermisch) haben.They can also form dummy TSVs that only have a heat conduction (thermal) function.
Im Folgenden wird ein vereinfachter Fertigungsablauf für Chips mit TSVs und CMOS-Schaltkreisen unter Bezugnahme auf die
Die
Die Herstellung von
Anschließend werden Ausrichtungsmarkierungen 101 für verschiedene Strukturierungsebenen gebildet: Abscheidung von Fotolack (PR), Lithographie, Entwicklung, Ätzen (RIE) der Markierungen im Silizium und PR-Strippen (vgl.
In Schritt 3 (vgl.
Weiterhin wird der Wafer 100 mit den Kontaktlöchern 102 zur TSV-Isolation oxidiert (Bildung einer thermischen SiO2-Schicht 103 bei 1100 °C (vgl.
Dann werden die TSVs durch (mehrfache) Abscheidung eines Füllstoffs 104 aufgefüllt, der z. B. aus hochdotiertem Poly-Si und CMP mit Polierstopp auf dem Oxid besteht (vgl.
Im nächsten Schritt (vgl.
Danach folgt die CMOS-Bearbeitung für die ASICs 106, die mit einer Oberflächenpassivierung aus PECVD-SiO2 bei 350 °C abgeschlossen wird (vgl.
Die
Der Fertigungsablauf in
Danach (vgl.
Nun sind die Wafer bereit für die Ausbildung von Kontaktlöchern 102 (vgl.
Die TSVs müssen im nächsten Prozess isoliert werden (vgl.
Ferner werden die TSVs durch einen Füllstoff 107 aufgefüllt, insbesondere durch galvanische Abscheidung von Cu und Cu CMP mit Stopp auf dem Oxid (vgl.
Schließlich wird die Oberfläche durch PECVD von SiO2 bei 350 °C wieder passiviert (vgl.
Beide Abläufe sind verkürzt und vereinfacht dargestellt. Was nicht gezeigt wird, sind Schritte wie die Bildung der Kontakte und planaren Zwischenverbindungen, Bonding / Bumping Pads usw.Both processes are shown in an abbreviated and simplified manner. What is not shown are steps such as the formation of contacts and planar interconnects, bonding / bumping pads, etc.
Die
Die Bearbeitung beginnt wie in
Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel für die Anordnung der elektronischen Bauteile der Mikrospiegel 20, insbesondere der Frontend-Elektronik 91 und der Controller-Elektronik 92, unter Bezugnahme auf die
Die allgemeinen Details entsprechen denen der oben beschriebenen Varianten, auf die verwiesen wird.The general details correspond to those of the variants described above, to which reference is made.
In der in den
Die Kontaktfläche zwischen jeweils zwei dieser benachbarten Strukturen kann mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, insbesondere mindestens 90 % ihrer Querschnittsfläche betragen.The contact area between any two of these adjacent structures may be at least 50%, in particular at least 70%, in particular at least 90% of their cross-sectional area.
Zur Abgrenzung zwischen dem Interposer-Chip 69 und dem Interposer-Chip 208 wird letzterer im Folgenden auch lediglich als Interposer 208 bezeichnet.To distinguish between the
Die Chips 205, 206, 207 zwischen dem Spiegelsubstrat 27 und dem Interposer 208 sind vorzugsweise dünn. Sie können insbesondere eine Dicke von höchstens 100 µm aufweisen. Ihre Dicke kann zum Beispiel im Bereich von 50 µm bis 200 µm liegen.The
Die Chips 205, 206, 207, 208 können flexibel sein, um sich außerhalb der Ebene biegen und verdrehen zu können. Sie können insbesondere reversibel verformbar sein.The
Diese Chips 205, 206, 207, 208 sind durch Hybridbonding miteinander verbunden. Sie können insbesondere eine oder mehrere vollflächige Verbindungen aufweisen.These
Dadurch wird der vertikale thermische Widerstand stark reduziert. Die Hauptfunktion der TSVs und der elektrischen Bondpads besteht darin, einen elektrischen Kontakt und einen vertikalen Pfad für den Signalfluss zu bilden. Die mechanische und/oder thermische Verbindung zwischen benachbarten Chips 205, 206, 207, 208 kann über die gesamte seitliche Ausdehnung der Chips 205, 206, 207, 208 hergestellt werden. Insbesondere können auch die dielektrischen Bereiche zur mechanischen und/oder thermischen Verbindung von benachbarten Chips beitragen. Hierdurch kann ein sehr geringer thermischer Widerstand erreicht werden. Zudem kann der thermische Widerstand über die laterale Ausdehnung der Chips 205, 206, 207, 208 sehr homogen gehalten werden.This greatly reduces the vertical thermal resistance. The main function of the TSVs and the electrical bond pads is to form an electrical contact and a vertical path for the signal flow. The mechanical and/or thermal connection between neighboring
Hinsichtlich der mechanischen Stabilität der Mikrospiegel 20, insbesondere ihrer genauen Positionierung, insbesondere relativ zu den Kippachsen, sind sie auf die darunterliegende Trägerstruktur 60 bezogen.With regard to the mechanical stability of the
Die Anordnung der gestapelten Chips kann mittels des Interposers 208 zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, insbesondere vollständig, von der Trägerstruktur 60 entkoppelt werden.The arrangement of the stacked chips can be at least partially, in particular predominantly, in particular completely, decoupled from the
Zu Einzelheiten des Interposers 208 wird auf die
Wie in den
Jedes der Substrate (Chips) kann mindestens eine Umverteilungsschicht 202 aufweisen. Die Umverteilungsschicht 202 kann auf der Rückseite des Substrats (Chips) angebracht werden. Die Umverteilungsschichten 202 ermöglichen eine von der Positionierung der TSVs unabhängige Platzierung von elektrischen Bondstellen. Im Gegensatz zu den
Each of the substrates (chips) may have at least one
Vorzugsweise sind die Cu-Cu-Bondstellen seitlich versetzt zu den elektronischen Bauelementen der elektronischen Bauelementeschichten 203 angeordnet.Preferably, the Cu-Cu bonding points are arranged laterally offset from the electronic components of the electronic component layers 203.
Dadurch werden die Robustheit und Zuverlässigkeit der Anordnung erhöht.This increases the robustness and reliability of the arrangement.
Die Substrate (Chips) können ferner eine oder mehrere elektronische Bauelementeschichten 203 enthalten.The substrates (chips) may further contain one or more electronic component layers 203.
Die elektronischen Schaltkreise der Controller-Elektronik 92 können in den Controller-Elektronik-Chip 207 integriert werden. Sie können insbesondere in den elektronischen Bauelementeschichten 203 des Controller-Elektronik-Chips 207 enthalten sein.The electronic circuits of the
Die elektronischen Schaltkreise der Frontend-Elektronik 91 können in den Frontend-Elektronik-Chip 206 integriert sein. Sie können insbesondere in den elektronischen Bauelementeschichten 203 des Frontend-ElektronikChips 206 enthalten sein.The electronic circuits of the front-
Weitere elektronische Schaltkreise können in den Interposer 69 integriert sein. Sie können insbesondere in das Layout der elektronischen Bauelemente 203 des Interposers 69 integriert werden.Further electronic circuits can be integrated into the
Die Verbindungsschichten 201 können für eine laterale Verteilung von Signalen innerhalb eines Substrats (Chips) sorgen.The connection layers 201 can provide a lateral distribution of signals within a substrate (chip).
Die Chips können die Fläche eines Arrays von Spiegeln 20 überspannen. Insbesondere können die Chips seitliche Abmessungen aufweisen, die mindestens dem zweifachen, insbesondere mindestens dem vierfachen, insbesondere mindestens dem sechsfachen, insbesondere mindestens dem zehnfachen Durchmesser eines Einzelspiegelsubstrats 27 entsprechen.The chips can span the area of an array of
Auch wenn die flächige Verbindung zwischen benachbarten Substraten zu Vorteilen in Bezug auf die mechanische und/oder thermische Leitfähigkeit benachbarter Substrate führen kann, sind neben einer oder mehreren flächigen Verbindungen auch Verbindungen durch Bumps 66 und/oder Drahtverbindungen 72 wie oben beschrieben möglich.Even though the planar connection between adjacent substrates can lead to advantages in terms of the mechanical and/or thermal conductivity of adjacent substrates, in addition to one or more planar connections, connections by
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