DE69511919T2

DE69511919T2 - Elektrisch abstimmbarer, durch mikrotechnische Oberflächenbearbeitung hergestellter Fabry-Perot-Interferometer zum optischen Untersuchung von Materialien

Info

Publication number: DE69511919T2
Application number: DE69511919T
Authority: DE
Inventors: Martti Blomberg; Ari Lehto; Markku Orpana
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1995-02-09
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2015-02-10
Also published as: US5561523A; EP0668490B1; EP0668490A2; JPH07286809A; DE69511919D1; FI940742A0; FI94804B; FI94804C; EP0668490A3; JP3742124B2

Description

Die Erfindung betrifft ein mit mikromechanischen Oberflächentechniken hergestelltes, elektrisch abstimmbares Fabry-Perot-Interferometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist für Anwendungen in optischen Materialanalysetechniken im sichtbaren bis infraroten, VIS-IR, Bereich bestimmt.
Nichtdispersive optische Spektralanalysatoren verwenden herkömmlicherweise verschiedene Typen optischer Filter. Eine wichtige Gruppe von diesen besteht aus Bandpaßfiltern, die allgemein auf eine feste Wellenlänge abgestimmt sind. Wenn eine Messung bei zwei Wellenlängen wünschenswert ist, sind zwei Filter mit einem Wechselmechanismus zum Ändern der Filterstellung in einer geeigneten Weise erforderlich, oder es ist alternativ hinter jedem Filter ein separater Detektor angeordnet. Der Filterwechselvorgang wird herkömmlicherweise verwirklicht mittels einer Drehscheibe, an der die Filter befestigt sind. Während der Drehung der Drehscheibe erhält man eine Wechselstrom-Spannung (oder -Strom) als das Detektorausgangssignal, was eine vorteilhaftere Signalform ist als ein Gleichstromsignal.
Ein Problem des Drehscheibenmechanismus ist seine relativ kurze Betriebslebensdauer wegen der Abnutzung der Lager. Eine vorteilhafte Ausführungsform wäre eine Filterkonstruktion, in der die Bandpaßmittenwellenlänge elektrisch abgestimmt werden könnte, ohne Notwendigkeit für irgend welche beweglichen Teile, die eine Abnutzung bei der Verwendung mit sich bringen. Im folgenden wird eine solche Erfindung offenbart.
Elektrostatisch abstimmbare, mit mikromechanischen Techniken hergestellte Interferometer auf Siliziumbasis sind aus Veröffentlichungen von J. H. Herman und D. J. Clift, "Miniature Fabry-Perot Interferometer Micromachined in Silicon for Use in Optical Fiber WDM Systems", Digest of Technical Papers, Transducers 91, S. 372, San Francisco 1991; K. Aratani et al., "Surface Micromachined Tuneable Interferometer Array", Digest of Technical Papers, Transducers 93, S. 678, Yokohama 1993 und Katagiri et al., US-Patent Nr. 4 859 060 bekannt.
Die in den zitierten Veröffentlichungen von J. H. Herman und D. J. Clift offenbarte Konstruktion besteht aus einem mit mikromechanischen Techniken aus drei Siliziumwafern hergestellten Großraumbauteil. Eine solche Konstruktionn erfordert Hilfselektroden zur elektrostatischen Auslenkung für die Parallelitätsregelung der Interferometerspiegel.
Die zitierte Veröffentlichung von K. Aratani et al. offenbart ein mikromechanisches, elektrostatisch abstimmbares Interferometerarray für die Verwendung im Bereich des sichtbaren Lichts. Die Größe der einzelnen Interferometer in dem Array ist so klein wie 20 · 20 um2. Interferometer von solch geringer Größe können nur in Verbindung mit Monomoden-Lichtleitfasern verwendet werden.
Die in dem US-Patent Nr. 4 859 060 offenbarte Konstruktion umfaßt zwei dicke Wafer, die aneinander gebondet sind, so daß ein Interferometer gebildet wird. Die Länge dieser Struktur wird durch Regeln der elektrostatischen Anziehungskraft eingestellt. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, daß die Spiegeloberfläche in eine sphärische Gestalt gebogen wird, weil keine korrigierenden Maßnahmen in der Konstruktion ergriffen werden, um die Spiegelgestalt zu regeln.
Der Regelbereich aller oben beschriebenen Interferometer ist maximal ungefähr 30%, in der Praxis ungefähr 20%, der Ruhelänge des Interferometers.
Die Verwendung einer Temperaturregelung für die Abstimmung eines optischen Interferometers ist aus dem DE-Patent Nr. 39 23 832 bekannt, in dem Silizium als das thermooptische Medium zwischen den Spiegeln des Interferometers verwendet wird. Der Brechungsindex eines thermooptischen Mediums ist eine starke Funktion der Temperatur. Erwärmen/Abkühlen des Mediums wird mittels Peltierelementen verwirklicht, die auf beiden Seiten des Interferometers angeordnet sind. Die optische Länge des Etalons wird so ausgewählt, daß der Abstand der Durchlaßbereichlinienwellenlängen des Etalons der gleiche ist wie der Abstand der spektralen Rotationsschwingungsabsorptionslinien des zu analysierenden Gases. In der EP-Patentanmeldung 0 196 784 macht man sich die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex von Silizium in einer faseroptischen Technik der Temperaturmessung zunutze.
Die in der veröffentlichten DE-Anmeldung 36 11 852 offenbarte Ausführungsform hat eine Unzulänglichkeit einer niedrigen Abstimmgeschwindigkeit wegen der beteiligten großen thermischen Masse. Ferner hat die darin angewandte Herstellungstechnik ein Problem, Parallelität der Interferometerspiegeloberflächen zu erzielen. Außerdem muß das Siliziummedium in dem Interferometeretalon eine exakt richtige Dicke haben. Die Abkühlung/Erwärmung des Interferometers wird mittels Peltierelementen erzielt, die ein Loch an der optischen Achse des Interferometers besitzen. Die Verwendung solcher Bauteile verursacht Probleme in der Produktion, da ihre Montage eine Klebverbindung erfordert. Diese Komponenten sind nichtgenormt und deshalb teuer. Die in der genannten Veröffentlichung gelehrte Ausführungsform verwendet metallisierte Spiegel, wodurch die optische Transmission der Interferometerkomponente ziemlich schwach bleibt.
US 5 142 414 offenbart einen Analysator für sichtbares Licht. Der Analysator besitzt ein Substrat, das für sichtbares Licht transparent ist, und zwei Spiegel, von denen einer beweglich ist. Elektroden sind in den Spiegeln enthalten, um Modifikationen des Spaltes zwischen den Spiegeln zu bewirken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Techniken zu überwinden und einen vollständig neuen Typ eines elektrisch abstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers, das mit mikromechanischen Oberflächentechniken hergestellt wird, zustande zu bringen, wobei dieses Interferometer geeignet ist für die Verwendung als eine abstimmbare Filterkomponente in der optischen Materialanalyse.
Die Erfindung basiert darauf, die Elektroden, die die optische Länge des elektrisch abstimmbaren Fabry-Perot- Interferometerelements regeln, so zu plazieren, daß sich wenigstens eine der Elektroden vollständig außerhalb der optischen Fläche befindet.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Fabry-Perot- Interferometerelement gekennzeichnet durch das, was in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.
Die Erfindung bietet bedeutsame Vorteile.
Der Hauptvorteil ist, daß der Regelbereich des Interferometers gemäß der Erfindung viel breiter ist als derjenige, der mit herkömmlichen Konstruktionen verfügbar ist. Im Extremfall wird die Interferometerlänge auf Null geregelt, d. h., die Interferometeretalonböden, die Teile, die sich einander berühren, sind potentialfrei, und zeigen somit keine größere Neigung, aneinander zu haften.
Die Reflexions-/Transmissionskurve des Interferometers gemäß der Erfindung behält seine Flankengestalt während der Regelung des Interferometers, da die periphere Perforation der Diaphragmastruktur eine Auslenkung bzw. Durchbiegung an der Perforation gestattet, um somit die ebene Gestalt der optischen Fläche über den gesamten Abstimmbereich zu erhalten.
Ferner stellt das Interferometer ein einfacheres Regelungsverfahren bereit, weil die Auslenkung bzw. Durchbiegung der optischen Spiegelfläche eine glattere Funktion der Regelspannung ist als in einer konventionellen Konstruktion, wo die Spiegelbewegung sehr steil wird, wenn man sich der Schließspannung des Interferometeretalonspaltes annähert.
Silizium ist ein überragendes Material, was seine mechanischen Eigenschaften angeht, da es dem Hookschen Gesetz bis zur Fließspannung genügt und keine Hysterese bei Temperaturen unter 600ºC zeigt.
Ein Oxid oder Nitrid kann auf eine Siliziumschicht aufgewachsen werden, um sie somit widerstandsfähig gegen Chemikalien zu machen. Aus Silizium hergestellte Bauteile können unter Verwendung von Silizium-Silizium- oder -Glasbindungen miteinander verbunden werden.
Herkömmliche Strukturen verwenden entweder Siliziumdioxid oder -nitrid in den elektrischen dielektrischen Schichten. Die vorliegende Erfindung erzielt strukturelle Vorteile, indem sie undotiertes oder schwach dotiertes Polysilizium als die dielektrischen Schichten verwendet, wodurch die obere Oberfläche des Interferometers zu einem höheren Flachheitsgrad hergestellt werden kann, und folglich seine Bindung an andere Bauteile einfacher ist.
Im folgenden wird die Erfindung detaillierter untersucht mit Hilfe veranschaulichender Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1a eine Seitenansicht eines herkömmlichen abstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers ist;
Fig. 1b eine Seitenansicht eines abstimmbaren Fabry- Perot-Interferometers gemäß der Erfindung ist;
Fig. 1c ein Blockdiagramm der Meßkonfiguration für das Interferometer gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die die Durchlaßbereichskurven einer Interferometerausführungsform gemäß der Erfindung bei zwei unterschiedlichen Längen des Interferometers zeigt;
Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß der Erfindung ausgelegt für den Betrieb bei Wellenlängen ist, bei denen Silizium durchlässig ist;
Fig. 4 eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß der Erfindung ausgelegt für den Betrieb bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist;
Fig. 5 eine Seitenschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß der Erfindung ausgelegt für den Betrieb bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist;
Fig. 6 eine Seitenschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß der Erfindung ausgelegt für den Betrieb bei Wellenlängen, bei denen Silizium durchlässig ist, ist;
Fig. 7 eine Draufsicht des in Fig. 6 gezeigten Fabry- Perot-Interferometers geschnitten bei den Elektroden ist.
Die in den obengenannten Diagrammen gegebenen Schnittdarstellungen sind nicht maßstabsgetreu, sondern das Ziel der Diagramme ist vielmehr, das Verfahren zum Herstellen der Elektrode als eine Schichtstruktur unter Verwendung von mikromechanischen Techniken zu erläutern. Die tatsächlichen Dimensionen werden später im Text angegeben.
In bezug auf Fig. 3 sind die die Bauteile bezeichnenden Ausdrücke die folgenden:
Siliumsubstrat 1 bezeichnet einen Siliziumwafer oder Teile davon.
Unterer Spiegel bezeichnet eine Vielfachschichtstruktur 26, die auf dem Siliziumsubstrat 1 hergestellt ist.
Die Interferometerlänge ist durch eine Schicht 7 bestimmt, die auf dem unteren Spiegel 26 hergestellt ist. In der verdeutlichten Struktur hat diese Schicht eine Dicke gleich der optischen Ruhelänge des Interferometers. Der Bereich, in dem Material entfernt worden ist, wird das Etalon 8 des Interferometers genannt.
Der obere Spiegel 41 besteht aus einer Vielfachschichtstruktur, die auf dem Etalon 8 hergestellt ist.
Sowohl die Mittenelektroden 6 und 22 als auch die Ringelektrode 20 sind durch Dotieren des Siliziums des unteren Spiegels 26 oder des oberen Spiegels 41 in gegebe nen Bereichen in leitende Elektroden ausgeformt, an die die Auslenkungsspannung der Spiegel angelegt wird. Typischerweise besitzt die Form der Elektroden kreisförmige Symmetrie, obwohl auch andere Formen möglich sind.
Die optische Fläche 24 bezeichnet das Gebiet des oberen Spiegels 41, das während der Auslenkung bzw. der Durchbiegung der Spiegel eben bleibt.
Ein Kurz-Etalon-Interferometer bezeichnet ein solches Interferometer, in dem die optische Länge des Etalons maximal einige halbe Wellenlängen beträgt.
Ruhewellenlänge bezeichnet die längste Wellenlänge, die der Ruhelänge des Interferometeretalons entspricht.
Ruhelänge bezeichnet die Ruhelänge des Interferometeretalons, wenn keine Auslenkungsspannung angelegt ist.
Die optische Fläche 24 des oberen Spiegels 41 ist mikrobearbeitet, so daß sie Löcher 28 enthält, durch die Material weggeätzt werden kann, um das Etalon 8 des Interferometers zu bilden.
Der ausgedünnte Bereich 15 des oberen Spiegels 41 wirkt als der auslenkende Unterbereich der optischen Fläche.
Ein Fabry-Perot-Interferometer gemäß der Erfindung besitzt eine solche Konstruktion, in der die Etalonlänge durch elektrostatische Auslenkung geregelt werden kann. Auf diese Weise kann die Mittenwellenlänge des Interferometerdurchlaßbereichs auch geregelt werden. Die grundlegende Gleichung des Fabry-Perot-Interferometers kann geschrieben werden als
2nd = ml (1),
dabei ist d die Etalonlänge zwischen den Spiegeln, m ist eine ganze Zahl (d. h., axiale Moduszahl des Interferometeretalons oder Ordnungszahl der Interferenz), n ist der Brechungsindex des Etalonmediums, und l ist die Wellenlänge. In herkömmlichen Interferometern liegt der Wert von m im Bereich von 10-100000. Die vorliegende Erfindung nutzt ein Kurz-Etalon-Interferometer, in dem m = 1 ist. Die Breite des Durchlaßbereichs B (= FWHM) des Interferometers ist eine Funktion des Reflexionsgrades r der Spiegel und der Etalonlänge d:
Der freie Spektralbereich FSR zwischen den Spektrallinien entsprechend unterschiedlichen Werten der Interferometerordnungszahl bedeutet den Abstand zwischen benachbarten transmittierten Wellenlängen. Der FSR kann aus der Gleichung (2) für Werte m und m + 1 der Ordnungszahl m berechnet werden:
Wie aus der Gleichung (3) klar ist, nimmt der FSR zu, wenn m verringert wird. Ein großer Wert des FSR macht die Aufhebung von Spektrallinien benachbarter Interferometerordnungszahlen mittels beispielsweise einem Cut-Off-Filter einfach. In einem mittels Oberflächenmikrobearbeitungstechniken aus Silizium hergestellten Interferometer kann der Abstand d 2 um und m = 1 sein. Der Wert des FSR wird dann 2 um sein. Die Breite des Durchlaßbereichs des Interferometers kann durch die Anzahl der Schichten in dem Vielfachschichtspiegel gesteuert werden.
Die herkömmliche Elektrodenkonfiguration des in Fig. 1a gezeigten Interferometers kann höchstens einen Regelbereich von einem Drittel der Ruhelänge des Interferometeretalons bieten. Ein solches Fabry-Perot-Interferometer umfaßt typischerweise ein Substrat 1, eine Schicht 7, die die Ruhelänge des Interferometeretalons bestimmt, eine Elektrode 6, die auf dem Substrat 1 hergestellt ist, und ein beweglicher, transparenter Spiegel, der auf der Schicht 7 hergestellt ist 3 mit einer solchen Struktur, daß die Mittenfläche 24 des Spiegels sowohl die optische Fläche als auch die bewegliche Elektrode darstellt. Wie aus Fig. 1b klar ist, stellt die Interferometerkonstruktion gemäß der Erfindung einen viel breiteren Regelbereich bereit als die herkömmliche Konfiguration. Dies wird erreicht, indem man die Mittenfläche 24 des oberen Spiegels so anordnet, daß sie sich durch eine Hebelwirkung bei einer viel größeren Amplitude als die mittlere Auslenkung des Spiegelteils, der den Elektroden 20 gegenüber liegt, bewegt, wobei die Auslenkungsamplitude höchstens ungefähr ein Drittel der Ruhelänge des Interferometeretalons sein kann. Das elektrische Feld, das die elektrostatische Anziehungskraft bewirkt, ist schematisch durch punktierte Linien dargestellt.
In bezug auf Fig. 1c ist die Meßkonfiguration eine Lichtquelle 31, die Strahlung zu einem optischen Meßkanal 33 hin emittiert. Mit Hilfe des abstimmbaren Fabry-Perot- Interferometers 35 kann die durch den optischen Meßkanal hindurchgehende Strahlung in einer gewünschten Weise gefiltert werden, indem die Länge des regelbaren Interferometers 35 eingestellt wird. Das optisch gefilterte Signal wird mittels eines Detektors 39 als die Signalintensität, -phase oder andere geeignete Variable detektiert.
In bezug auf Fig. 2 wird der Durchlaßbereich eines Fabry-Perot-Interferometers für zwei unterschiedliche Längen des Interferometeretalons geplottet. Bei Auslenkungsspannung Null ist der Durchlaßbereich des Interferometers bei 2 um zentriert, und mit angelegter Auslenkungsspannung bei 1,7 um.
Ein Fabry-Perot-Interferometer kann sowohl in einem Transmissions- als auch einem Reflexionsmodus betrieben werden. Der erstere Modus umfaßt die Verwendung des Interferometers als ein Schmalbändpaßfilter, während der letztere Modus den Interferometerbetrieb als ein Bandsperrfilter bietet, was bedeutet, daß alle anderen spektralen Wellenlängen mit Ausnahme eines schmalen Wellenlängenbandes zurück reflektiert werden.
In bezug auf Fig. 3 ist die Interferometerstruktur auf einem Siliziumwafer 1 hergestellt, der als das Körperstück des Interferometers fungiert. Die Schicht 2 besteht aus Siliziumnitrid und die Schicht 3 besteht aus Polysilizium. Die Schicht 4 besteht aus Siliziumdioxid und die Schicht 5 besteht aus Polysilizium, von dem ein Gebiet 6 in eine leitende Bodenelektrode mit einer kreisförmigen Gestalt dotiert ist. Die Schicht 7, die die Ruhelänge des Interferometers bestimmt, besteht aus Siliziumdioxid, von der ein innerer Teil weggeätzt ist, um eine Etalonkavität 8 zu bilden. In der hier diskutierten Ausführungsform ist die Schicht 7 vollständig weggeätzt (im Gegensatz zu dem, was in dem Diagramm verdeutlicht ist), weil die Ätzlöcher 28 nahe bei dem Randgebiet der Etalonkavität 8 angeordnet sind. Die Kavität, die durch das Wegätzen des Siliziumdioxids gebildet wird, wirkt als das Etalon zwischen den Interferometerspiegeln. Die Schicht 9 besteht aus Polysilizium, von der die in dem Diagramm dunkel schraffierten Ge biete in der gleichen Art dotiert sind, wie das Gebiet 6 der Schicht 5. Die Schicht 10 besteht aus Siliziumdioxid, das strukturiert ist. Die Schicht 11 besteht aus Polysilizium, dessen dotierte Gebiete in dem Diagramm dunkel schraffiert sind. Der obere Spiegel 41 des Interferometers wird durch die Mittelteile der Schichten 9, 10 und 11 gebildet. Der untere Spiegel 26 wird durch die Schichten 2, 3, 4 und 5 gebildet. Die Siliziumnitridschicht 13 ist eine Antireflexschicht. Die hier beschriebene Struktur ist verwendbar im IR-Bereich von 1 um bis zu längeren Wellenlängen.
Das undotierte Silizium der Schichten 5, 9 und 11 dient sowohl als mechanischer Träger als auch als isolierende dielektrische Schicht. Dies erlaubt, daß die unterschiedlichen Teile der gleichen Siliziumschicht auf unterschiedliche Potentiale gebracht werden können ohne irgend eine Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den Teilen.
Das Interferometer kann geregelt werden durch Anlegen einer Spannung über die Metallkontakte 12, wodurch die elektrostatische Kraft den oberen Spiegel nach unten zieht, um somit das Interferometeretalon zu verkürzen. Wenn die Elektroden der optischen Fläche aus dotiertem Polysilizium bestehen und die dielektrische Isolierung zwischen den Elektroden aus undotiertem oder schwach dotiertem Silizium besteht, wird eine vollständig ebene Struktur erzielt. Da die optischen Eigenschaften einer schwach dotierten Polysiliziumschicht fast identisch mit denen einer undotierten Polysiliziumschicht sind, kann auch das Elektrodengebiet als ein Teil der optischen Fläche genutzt werden.
Weil der Siliziumsubstratwafer 1 die ganze Strahlung des VIS-Bereichs (sichtbares Licht) absorbieren würde, wird dies überwunden, indem die Interferometerstruktur mit einem Loch 14 ausgestattet wird, das durch Ätzen in der in Fig. 4 gezeigten Art gebildet wird. Die Löcher 28 dienen dazu, das Wegätzen des Siliziumdioxids aus dem Inneren des Interferometeretalons zu gestatten. Die optische Fläche 24 des Interferometers befindet sich innerhalb des Umfangs bzw. Perimeters der Löcher 28. Die optische Fläche 24 ist von einem ausgedünnten Ringspalt 15 umgeben, innerhalb dessen der obere Spiegel 41 über den gesamten Regelbereich der Interferometeretalonlänge eben bleibt. Die Regelspannung wird an die Mittenelektrode 22 des oberen Spiegels 41 über die leitenden Gebiete der Schicht 11 angelegt. Die Löcher 28 müssen außerhalb der optischen Fläche 24 des Interferometers angeordnet sein, vorteilhafterweise in gleichen Abständen entlang eines Kreises verteilt. Die Form der Löcher 28 kann in einem weiten Bereich variiert werden von kleinen kreisförmigem Löchern bis zu schlitzförmigen Löchern, die länglich in der radialen Richtung der Interferometerfläche verlaufen.
Das Etalon 8 des Interferometers wird vorteilhafterweise durch Wegätzen über die Löcher 28 gebildet. Um die optische Fläche 24 eben zu halten, muß ein ausgedünntes ringförmiges Gebiet 15, das als das Biegungsgebiet fungiert, um die optische Fläche 24 herum hergestellt werden.
Das Interferometer hat typischerweise einen Durchmesser von ungefähr 1 mm, wovon der Durchmesser der optischen Fläche annähernd 0,5 mm ist. Die äußeren Abmessungen des Interferometers können z. B. 2 mm mal 2 mm sein. Die unterschiedlichen Schichten der Spiegel sind einige hundert Nanometer dick und die Länge des Etalons beträgt von weniger als einem Mikrometer bis einige Mikrometer, in Abhängigkeit von dem erforderlichen Wellenlängenbereich.
Der mechanische Regelbereich geht von der Etalonruhelänge bis Null. Der optische Regelbereich hängt ab von der Struktur der Spiegel, die ihren Reflexionskoeffizienten als eine Funktion der Wellenlänge bestimmt. Metallisierte Spiegel bieten den breitesten optischen Regelbereich, während dielektrische Vielfachschichtspiegel einen Regelbereich erreichen, der annähernd die Hälfte der Ruhewellenlänge ist.
In bezug auf Fig. 5 ist eine alternative Interferometerkonstruktion gezeigt. Die an eine Mittenelelektrode 29 angelegte Spannung wird über eine Leiterbahn 38, die durch Dotieren gebildet ist, an die untere Siliziumschicht des unteren Spiegels gebracht. Die Mittenelektrode 29 ist durch eine dielektrische Schicht 27 von der Ringelektrodenstruktur 25 des unteren Spiegels isoliert. Die Mittenelektrode 29 des unteren Spiegels 26 wird auf das gleiche Potential mit der Elektrodenstruktur 22 des oberen Spiegels 41 gebracht, um statische Aufladungen von der Mittenelektrodenstruktur 29 zu entladen.
In bezug auf Fig. 6 wird eine alternative Interferometerkonstruktion 2 gezeigt. In dieser Konstruktion werden die an die obere Mittenelektrode 22 und die Ringelektrode 20 angelegten Spannungen über siliziumgefüllte Hilfslöcher 36 gemacht zu der Siliziumdioxidschicht gebracht. Diese Struktur kann in eine dreipolige Schaltung konfiguriert werden.
Für diejenigen, die im Stand der Technik bewandert sind, ist es offensichtlich, daß die elektrischen Durchkontaktierungen auf vielfache unterschiedliche Weisen implementiert werden können, von denen die oben beschriebenen als Beispiele des Standes der Technik und nicht als beschränkend für den Geist der Erfindung verstanden werden müssen.
Demgemäß schließen die charakterisierenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung einen breiteren Regelbereich erreicht mittels der Ringelektrodenstruktur, einen ausgedünnten Ringspalt 15, der die optische Fläche 24 umgibt, mittels dessen die optische Fläche 24 über den gesamten Regelbereich eben bleibt, und die Verwendung von undotiertem oder schwach dotiertem Polysilizium als die dielektrische Isolierung ein.
In bezug auf Fig. 3 werden die Einzelheiten der Interferometerkonstruktion unten in einer mit Beispielen belegenden Weise, die den Herstellungsprozess des Interferometers erläutert, beschrieben.
Das Trägersubstratmaterial ist ein Siliziumwafer 1 mit einer typischen Dicke von 0,5 mm, einem Dotierpegel von weniger als 1015 Atome/cm3 und einer (100)-Kristallorientierung. Auf die obere Oberfläche dieses Wafers wird eine l/4- Schicht 2 aus Siliziumnitrid aufgewachsen.
Als nächstes wird auf die Siliziumnitridschicht 2 eine l/4-Schicht 3 aus undotiertem polykristallinem Silizium aufgewachsen, auf die dann eine l/4-Schicht 4 aus Siliziumdioxid aufgewachsen wird. Auf die Siliziumdioxidschicht 4 wird eine l/4-Schicht 5 aus undotiertem Polysilizium aufgewachsen.
Auf die Schicht 5 wird eine Photolackschicht aufgebracht und der Photolack wird gemustert bzw. strukturiert. Darauffolgend wird das Silizium einer Ionenstrahlimplantierung von Phosphor-, Bor- oder Arsenatomen unter Verwendung einer Dotandenkonzentration von ungefähr 1014 Atomen/cm3 unterworfen. Der Lack wird als nächstes entfernt. Auf die strukturierte Schicht 5 wird eine l/2-Schicht 7 aus Siliziumdioxid aufgewachsen, von der gewünschte Teile des Dioxids entfernt werden, bis die in Fig. 3 gezeigte Struktur 7 übrig bleibt.
Auf diese Struktur wird eine l/4-Schicht 9 aus undotiertem Polysilizium aufgewachsen, auf die eine Photolackschicht aufgebracht und der Photolack gemustert bzw. strukturiert wird. Ionenstrahlimplantierung wird mit Phosphor-, Bor- oder Arsenatomen durchgeführt und der Photolack wird entfernt.
Als nächstes wird eine l/4-Schicht 10 aus Siliziumdioxid aufgewachsen und gemustert bzw. strukturiert, so daß sich die in Fig. 3 gezeigte Struktur 10 ergibt. Auf diese Schicht wird eine l/4-Schicht 11 aus undotiertem Polysilizium aufgewachsen, eine Photolackschicht aufgebracht und der Photolack gemustert bzw. strukturiert. Ionenstrahlimplantierung wird mit Phosphor-, Bor- oder Arsenatomen durchgeführt und der Photolack wird entfernt.
Nachfolgend werden neue Photolacke aufgebracht und gemustert bzw. strukturiert für die Mikrobearbeitung der Löcher 28 und des ausgedünnten Gebiets 15 und das Wegätzen des Dioxids von der Schicht 7 über die Löcher 28, um die Etalonkavität 8 zu bilden. Als nächstes werden die Metallanschlußflächen 12 mittels beispielsweise Vakuumverdampfen oder Sputtern durch eine mechanische Maske hindurch hergestellt. Die Metallschicht 12 kann eine Vielfachschichtmetallisierung sein. Schließlich werden sämtliche möglicherweise an der unteren Oberfläche des Wafers aufgebrachten Filme entfernt und durch Aufwachsen einer l/4-Schicht 13 aus Siliziumnitrid auf die untere Oberfläche ersetzt.

Claims

1. Elektrostatisch abstimmbares Fabry-Perot-Tnterferometer, hergestellt mit mikromechanischen Oberflächentechniken, in dem die optische Meßwellenlänge bei einer Wellenlänge l zentriert ist, wobei die Sensorstruktur vom Typ Fabry-Perot-Interferometer folgendes aufweist:

- einen Grundkörperblock (1),

- zwei im wesentlichen parallele Spiegel (41,26), die an dem Grundkörperblock (1) befestigt sind, wobei von diesen Spiegeln wenigstens einer (41) halbdurchlässig und in Bezug auf den Grundkörperblock (1) beweglich ist, und wobei die Spiegel (41,26) in einem Abstand von maximal einigen halben Wellenlängen, l/2, voneinander angeordnet sind,

- integrierte erste und zweite Elektrodenstrukturen (6, 20), eingeschlossen in beiden der Spiegelstrukturen (41, 26) und dazu in der Lage, eine elektrostatische Kraft zwischen den Spiegelstrukturen (41, 26) hervorzurufen,

- wobei die bewegliche Spiegelstruktur (41) mit strukturell geschwächten Bereichen (15) ausgestattet ist, die den optischen Bereich (24) des beweglichen Spiegels so umgeben, daß es ermöglicht wird, den optischen Bereich auf einem maximalen Planheitsgrad zu halten, und

- wobei wenigstens eine (20) der Elektrodenstrukturen dafür ausgelegt ist, den optischen Bereich (24) so zu umgeben, daß eine mechanische Hebelwirkung erzielt und ein galvanischer Kontakt zwischen der Elektrode (20) der beweglichen Spiegelstruktur (41) und der Elektrode (6) der festen Spiegelstruktur (26) vermieden wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Interferometer zum Einsatz in der optischen Materialuntersuchung als ein optisches Abtastfilter dient und für Infrarot-Strahlung verwendet werden kann und

- der Grundkörperblock (1) aus Silizium besteht, und

- jeder Spiegel (41, 6) wenigstens eine Polysiliziumschicht (3, 11) umfaßt.

2. Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) der beweglichen Spiegelstruktur (41) dafür ausgelegt ist, den optischen Bereich (24) zu umschließen.

3. Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) der beweglichen Spiegelstruktur (41) eine Ringelektrode mit einer kreisförmigen Gestalt ist.

4. Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (25) der festen Spiegelstruktur (26) dafür ausgelegt ist, den optischen Bereich (24) zu umschließen.

5. Fabry-Perot-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich innerhalb einer den optischen Bereich (24) umgebenden Ringelektrode (20,25) einen Isolierbereich (27) und einen leitenden Bereich (29) umfaßt, so daß der Isolierbereich (27) die Ringelektrode (25) von dem leitenden Bereich (29) trennt, der mit dem Potential einer Gegenelektrode (22) verbunden ist.

6. Fabry-Perot-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturell geschwächten Bereiche ringförmig ausgedünnte Bereiche (15) des Spiegelmaterials sind.

7. Fabry-Perot-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Isolierung der verschiedenen Bereiche einer vorgegebenen Siliziumschicht unter Verwendung von undotiertem oder schwach dotiertem Polysilizium als das dielektrische Material ausgeführt ist.

8. Fabry-Perot-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (22,29) des optischen Bereiches (24) unter Verwendung von dotiertem Polysilizium als das leitfähige Material und undotiertem oder schwach dotiertem Polysilizium als das dielektrische Material ausgeführt sind.