DE102011086596A1

DE102011086596A1 - Fabry-perot interferometer

Info

Publication number: DE102011086596A1
Application number: DE102011086596A
Authority: DE
Inventors: Tomoki TANEMURA; Yukihiro Takeuchi; Takao Iwaki; Megumi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: JP5177209B2; JP2012112777A; US8411281B2; DE102011086596B4; US20120127482A1

Abstract

Ein Fabry-Perot-Interferometer enthält eine feste Spiegelstruktur (30) und eine bewegliche Spiegelstruktur (70). Die feste Spiegelstruktur weist einen festen Spiegel (M1) in einem Spektralbereich (S1) auf. Die bewegliche Spiegelstruktur enthält eine Membran (MEM), die zu der festen Spiegelstruktur beabstandet ist. Die Membran weist einen beweglichen Spiegel (M2) in dem Spektralbereich und mehrere Federn (78a, 78b), die umeinander um den Spektralbereich angeordnet sind, auf. Eine Federkonstante (k2) der inneren Feder ist kleiner als eine Federkonstante (k1) der äußeren Feder. Eines aus der festen Spiegelstruktur und der Membran weist mehrere Elektroden (35a, 35b, 75a, 75b) auf, und das andere aus der festen Spiegelstruktur und der Membran weist mindestens eine Elektrode (35a, 75b, 75a, 75b) auf, die mit den Elektroden gepaart ist, um gegenüberliegende Elektrodenpaare auszubilden, die umeinander um den Spektralbereich angeordnet sind. Die Anzahl der gegenüberliegenden Elektrodenpaare ist gleich der Anzahl der Federn.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer.
Ein Fabry-Perot-Interferometer wurde in der US 5 646 729 , die der JP 3457373 entspricht, und der US 7 733 495 , die der JP-A-2008-134388 entspricht, beschrieben. Das Fabry-Perot-Interferometer weist zwei Spiegel auf. Jeder Spiegel enthält hochbrechende Schichten und eine niedrigbrechende Schicht, die zwischen den hochbrechenden Schichten geschichtet ist. Die hochbrechende Schicht besteht aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium oder Germanium. Die niedrigbrechende Schicht besteht beispielsweise aus Luft, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Ein Spiegel ist als ein fester Spiegel ausgelegt, und der andere Spiegel ist als ein beweglicher Spiegel ausgelegt. In der US 5 646 729 ist die niedrigbrechende Schicht eine Siliziumdioxidschicht. In der US 7 733 495 ist die niedrigbrechende Schicht eine Luftschicht.
Es sind Verunreinigungen in die hochbrechende Schicht dotiert, um eine Elektrode auszubilden. Eine Spannung wird zwischen den Elektroden der Spiegel angelegt, so dass der bewegliche Spiegel durch eine elektrostatische Kraft verschoben werden kann. Somit wird ein Abstand zwischen den Spiegeln eingestellt bzw. angepasst, um wahlweise Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, die dem Abstand entspricht, zu übertragen bzw. durchzulassen.
Ein Spektralband des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers kann durch Erhöhen der Größe der Verschiebung des beweglichen Spiegels vergrößert werden.
Wie es bekannt ist, ist die elektrostatische Kraft, die beim Ausüben der Spannung auf die Elektroden der Spiegel erzeugt wird, umgekehrt proportional zu dem Quadrat aus dem Abstand zwischen den Elektroden. Im Gegensatz dazu ist die Wiederherstellungskraft des beweglichen Spiegels proportional zu einer Änderung des Abstands zwischen den Elektroden. In dem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer, das in der US 5 646 729 und in der US 7 733 495 beschrieben ist, überschreitet die elektrostatische Kraft die Wiederherstellungskraft, wenn die Änderung des Abstands ein Drittel des Anfangsabstands überschreitet (das heißt, wenn die Größe der Verschiebung des beweglichen Spiegels ein Drittel des Anfangsabstands überschreitet), so dass der bewegliche Spiegel an dem festen Spiegel haften bleiben kann. Dieses Phänomen ist als ein Anziehen (pull-in) bekannt. Wenn ein Anziehen einmal auftritt, kann der bewegliche Spiegel auch dann nicht an seine Anfangsposition zurückkehren, nachdem die Spannung entfernt wurde. Daher ist es schwierig, das Spektralband des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers durch Erhöhen der Größe der Verschiebung des beweglichen Spiegels zu vergrößern.
Die JP 2010-8644 A und die JP 2008-517784 A , die der US 2008/0135385 entspricht, beschreiben eine Technik zur Verhinderung des Anziehens. Die Technik, die in der JP 2010-8644 A und in der US 2008/0135385 beschrieben ist, kann für das herkömmliche Fabry-Perot-Interferometer, das in der US 5 646 729 und der US 7 733 495 beschrieben ist, verwendet werden, um das Anziehen zu verhindern. Sogar wenn diese Technik für das herkömmliche Fabry-Perot-Interferometer verwendet wird, kann jedoch die Größe der Verschiebung des beweglichen Spiegels ein Drittel des Anfangsabstands nicht überschreiten. Daher kann das Spektralband nicht vergrößert werden.
Im Hinblick auf Obiges ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fabry-Perot-Interferometer zu schaffen, das ein vergrößertes Spektralband aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Fabry-Perot-Interferometer eine feste Spiegelstruktur, die einen festen Spiegel in einem Spektralbereich aufweist, und eine bewegliche Spiegelstruktur, die eine bewegliche Membran mit einem Abstand der festen Spiegelstruktur gegenüberliegend enthält. Die Membran weist einen beweglichen Spiegel in dem Spektralbereich auf. Die Membran weist mehrere Federn in einem Umfangsbereich außerhalb des Spektralbereichs auf. Die Federn sind umeinanderliegend um den Spektralbereich angeordnet. Eines aus der festen Spiegelstruktur und der Membran weist mehrere feste Elektroden in dem Umfangsbereich auf. Das andere aus der festen Spiegelstruktur und der Membran weist mindestens eine zweite Elektrode in dem Umfangsbereich auf. Die ersten Elektroden und die mindestens eine zweite Elektrode sind einander gegenüberliegend ausgebildet, um mehrere gegenüberliegende Elektrodenpaare auszubilden, die umeinanderliegend um den Spektralbereich angeordnet sind. Die Anzahl der Federn ist gleich der Anzahl der gegenüberliegenden Elektrodenpaare. Die Federn weisen eine erste Feder und eine zweite Feder, die in einer Richtung von einer Außenkante der Membran zu der Mitte der Membran näher bei der Mitte der Membran als die erste Feder angeordnet ist, auf. Eine Federkonstante der zweiten Feder ist kleiner als eine Federkonstante der ersten Feder. Die gegenüberliegenden Elektrodenpaare weisen ein erstes Elektrodenpaar und ein zweites Elektrodenpaar auf. Es wird eine erste Spannung während einer ersten Periode an das erste Elektrodenpaar angelegt, um eine erste elektrostatische Kraft zu erzeugen. Es wird eine zweite Spannung während einer zweiten Periode an das zweite Elektrodenpaar angelegt, um eine zweite elektrostatische Kraft zu erzeugen. Die erste Periode überlappt die zweite Periode, so dass die Membran während der überlappenden Periode sowohl durch die erste elektrostatische Kraft als auch die zweite elektrostatische Kraft verschoben wird.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers darstellt;
2 ein Diagramm, das ein vereinfachtes Modell des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers darstellt;
3 ein Diagramm, das eine Anzugsschwelle (Pull-in-Schwelle) des vereinfachten Modells darstellt;
4 ein Diagramm, das ein vereinfachtes Modell eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem maximalen Wert einer Elektrodenverschiebung und einem Federkonstantenverhältnis des vereinfachten Modells darstellt;
6 ein Diagramm, das das Fabry-Perot-Interferometer gemäß der ersten Ausführungsform darstellt, bei dem Spannungen an die Elektrodenpaare angelegt sind;
7A ein Diagramm, das ein Spektralband des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers zeigt, und 7B ein Diagramm, das ein Spektralband des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der ersten Ausführungsform darstellt, bei dem das Federkonstantenverhältnis auf 7 eingestellt ist;
8A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 8B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt, und 8C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten Ausführungsform entlang der Linie VIIIC-VIIIC der 8A und 8B darstellt;
9A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt, 9B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt, und 9C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform entlang der Linie IXC-IXC der 9A und 9B darstellt;
10A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt, und 10B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt;
11A–11C Diagramme, die ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten Ausführungsform darstellen;
12A–12C Diagramme, die das Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der zweiten Ausführungsform darstellen;
13A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 13B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der dritten Ausführungsform darstellt, und 13C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der dritten Ausführungsform entlang der Linie XIIIC-XIIIC der 13A und 13B darstellt;
14A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 14B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der vierten Ausführungsform darstellt, und 14C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der vierten Ausführungsform entlang der Linie XIVC-XIVC der 14A und 14B darstellt;
15A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 15B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der fünften Ausführungsform darstellt, und 15C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der fünften Ausführungsform entlang der Linie XVC-XVC der 15A und 15B darstellt;
16A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 16B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt, und 16C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der sechsten Ausführungsform entlang der Linie XVIC-XVIC der 16A und 16B darstellt; und
17A ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine feste Spiegelstruktur eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 17B ein Diagramm, das eine Draufsicht auf eine bewegliche Spiegelstruktur des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der siebten Ausführungsform darstellt, und 17C ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht des Fabry-Perot-Interferometers gemäß der siebten Ausführungsform entlang der Linie XVIIC-XVIIC der 17A und 17B darstellt.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Ausführungsformen ist ein Spektralbereich S1 eines Fabry-Perot-Interferometers als ein Bereich definiert, in dem ein fester Spiegel M1 und ein beweglicher Spiegel M2 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Ein Umfangsbereich T1 des Fabry-Perot-Interferometers ist als ein Bereich definiert, der einer Membran MEM einer beweglichen Spiegelstruktur 70 außerhalb des Spektralbereichs S1 entspricht.
Zunächst wird die hinter der vorliegenden Erfindung stehende Geschichte beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das ein herkömmliches Fabry-Perot-Interferometer 100, wie es in der US 7 733 495 beschrieben ist, darstellt, wobei deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme darauf enthalten sind.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 wird mittels MEMS-Prozessen hergestellt. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 enthält ein Substrat 10, eine feste Spiegelstruktur 30 und eine bewegliche Spiegelstruktur 70. Die feste Spiegelstruktur 30 ist auf dem Substrat 10 angeordnet. Die bewegliche Spiegelstruktur 70 wird oberhalb der festen Spiegelstruktur 30 durch ein Trägerelement 50 getragen, so dass eine Luftlücke AG zwischen der festen Spiegelstruktur 30 und der beweglichen Spiegelstruktur 70 ausgebildet werden kann. Die feste Spiegelstruktur 30 weist einen festen Spiegel M1 in einem Spektralbereich S1 auf. Eine bewegliche Spiegelstruktur 70 weist einen beweglichen Spiegel M2 in dem Spektralbereich S1 auf. Ein Abschnitt der beweglichen Spiegelstruktur 70, der die Luftlücke AG überquert, ist als eine bewegliche Membran MEM ausgebildet. Die Membran MEM der beweglichen Spiegelstruktur 70 wird durch eine elektrostatische Kraft, die auf der Grundlage einer Spannung, die zwischen einer Elektrode 35 der festen Spiegelstruktur 30 und einer Elektrode 75 der beweglichen Spiegelstruktur 70 angelegt wird, erzeugt wird, verschoben. Die Luftlücke AG ändert sich mit einer Verschiebung der Membran MEM, so dass sich ein Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 mit einer Verschiebung der Membran MEM ändern kann. Somit überträgt bzw. lässt das Fabry-Perot-Interferometer 100 selektiv Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, die dem Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 entspricht, durch.
Die feste Spiegelstruktur 30 enthält eine hochbrechende Bodenschicht 31 und eine hochbrechende obere Schicht 32. Die hochbrechende Bodenschicht 31 ist auf dem Substrat 10 mittels einer Isolierschicht 11 angeordnet. Die hochbrechende obere Schicht 32 ist auf der hochbrechenden Bodenschicht 31 angeordnet. Sowohl die hochbrechende Bodenschicht 31 als auch die hochbrechende obere Schicht 32 bestehen beispielsweise aus Polysilizium. Eine Luftschicht 33 ist als eine niedrigbrechende Schicht zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 31 und der hochbrechenden oberen Schicht 32 in dem Spektralbereich S1 angeordnet, um den festen Spiegel M1 auszubilden. In dem Spektralbereich S1 ist die hochbrechende obere Schicht 32 an Verbindungsabschnitten C1 teilweise mit der hochbrechenden Bodenschicht 31 verbunden, so dass der feste Spiegel M1 in mehrere feste Spiegelabschnitte unterteilt werden kann. In einem Bereich außerhalb des Spektralbereichs S1 weist die hochbrechende obere Schicht 32 einen Kontakt zu der hochbrechenden Bodenschicht 31 auf, um eine gestapelte Schicht auszubilden. Die Elektrode 35 ist in der gestapelten Schicht in einem Umfangsbereich T1, der der Membran MEM außerhalb des Spektralbereichs S1 entspricht, ausgebildet. Die Luftschicht 33 wird durch Ätzen unter Verwendung eines Durchgangslochs 34 ausgebildet.
Die bewegliche Spiegelstruktur 70 enthält eine hochbrechende Bodenschicht 71 und eine hochbrechende obere Schicht 72. Die hochbrechende Bodenschicht 71 wird von dem Trägerelement 50 über der Luftlücke AG getragen. Die hochbrechende obere Schicht 72 ist auf der hochbrechenden Bodenschicht 71 angeordnet. Sowohl die hochbrechende Bodenschicht 71 als auch die hochbrechende obere Schicht 72 bestehen beispielsweise aus Polysilizium. Eine Luftschicht 73 ist als eine niedrigbrechende Schicht zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 in dem Spektralbereich S1 angeordnet, um den beweglichen Spiegel M2 auszubilden. Der feste Spiegel M1 und der bewegliche Spiegel M2 sind in dem Spektralbereich S1 einander gegenüberliegend angeordnet. In dem Spektralbereich S1 ist die hochbrechende obere Schicht 72 an Verbindungsabschnitten C2 teilweise mit der hochbrechenden Bodenschicht 71 verbunden, so dass der bewegliche Spiegel M2 in mehrere bewegliche Spiegelabschnitte unterteilt werden kann. In dem Bereich außerhalb des Spektralbereichs S1 weist die hochbrechende obere Schicht 72 einen Kontakt zu der hochbrechenden Bodenschicht 71 auf, um eine gestapelte Schicht auszubilden. Die Elektrode 75 ist in der gestapelten Schicht in dem Umfangsbereich T1 ausgebildet. Die Luftschicht 73 wird durch Ätzen unter Verwendung eines Durchgangslochs 74 ausgebildet.
Es ist ein Kontaktloch 51 in dem Trägerelement 50 ausgebildet. Das Kontaktloch 51 erreicht die hochbrechende obere Schicht 32. Eine Anschlussfläche 36 ist auf der Elektrode 35 in dem Kontaktloch 51 ausgebildet. Eine Anschlussfläche 76 ist auf der Elektrode 75 ausgebildet. Die Luftlücke AG kommuniziert mit der Außenseite durch ein Durchgangsloch 77 in der Membran MEM. In dem Fabry-Perot-Interferometer 100, das in 1 gezeigt ist, wird die Membran MEM als Ganzes durch die elektrostatische Kraft verschoben.
2 ist ein vereinfachtes Modell des Fabry-Perot-Interferometers 100, das in 1 gezeigt ist. Wie es in 2 gezeigt ist, enthält das Fabry-Perot-Interferometer 100 eine Feder B1 und zwei einander gegenüberliegende Elektroden E1, E2. Die Elektrode E2 ist mit dem Trägerelement 50 mittels der Feder B1 verbunden. Somit ist die Elektrode E1 fixiert, und die Elektrode E2 ist beweglich. Die Elektrode E1 entspricht der Elektrode 35 in 1. Die Elektrode E2 und die Feder B1 entsprechen der Elektrode 75 in 1.
In der folgenden Beschreibung ist k eine Federkonstante der Feder B1, V ist eine Spannung, die an die beiden gegenüberliegenden Elektroden E1, E2 angelegt wird, di ist ein Anfangsabstand (d. h. ein Abstand, wenn keine Spannung angelegt ist) zwischen den Elektroden E1 und E2, x ist eine absolute Verschiebung, um die die Elektrode E2 bei Ausübung der Spannung V verschoben wird, ε ist eine Dielektrizitätskonstante in der Atmosphäre, und S ist ein Überlappungsbereich der Elektroden E1, E2.
Eine Wiederherstellungskraft F1 der Feder B1 und eine elektrostatische Kraft F2, die erzeugt wird, wenn die Elektrode E2 um die Verschiebung x beim Anlegen der Spannung V an die beiden gegenüberliegenden Elektroden E1, E2 verschoben wird, sind wie folgt gegeben: F1 = f(x) = kx (1) F2 = g(x) = εSV²/{2(di – x)²} (2)
Ein Anziehen tritt auf, wenn sich die Graphen der Wiederherstellungskraft F1 und der elektrostatischen Kraft F2 berühren, wie es in 3 gezeigt ist. Eine Anzugsschwelle, die die maximale Verschiebung der Elektrode E2 ohne Anziehen ist, wird wie folgt berechnet: F1 = F2 ∴ kx = εSV²/{2(di – x)²} (3) F1' = F2' ∴ k = εSV²/(di – x)³ (4)
Aus den Gleichungen (3), (4) ergibt sich die Anzugsschwelle x wie folgt: x = di/3 (5)
Wie es oben beschrieben wurde, überschreitet die elektrostatische Kraft F2 gemäß dem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer 100 die Wiederherstellungskraft F1, wenn die Elektrode E2 um mehr als di/3 verschoben wird, so dass die Elektrode E2 an der Elektrode E1 haften bleiben kann. Das heißt, wenn die Elektrode E2 um mehr als di/3 verschoben wird, kann das Anziehen auftreten. Daher ist es schwierig, ein Spektralband des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers 100 durch Erhöhen der Größe der Verschiebung der Membran MEM zu vergrößern.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen basieren auf der obigen Studie.
(Erste Ausführungsform)
4 ist ein Diagramm, das ein vereinfachtes Modell eines Fabry-Perot-Interferometers 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 4 gezeigt ist, enthält das Fabry-Perot-Interferometer 100 eine Feder B1, eine Feder B2, eine Elektrode E1, eine Elektrode E2 und eine Elektrode E3. Die Elektroden E1, E2 sind einander gegenüberliegend angeordnet, um ein erstes Elektrodenpaar auszubilden. Die Elektrode E2 ist mittels der Feder B1 mit einem Trägerelement 50 verbunden, so dass die Elektrode E2 bewegt werden kann (das heißt, verschoben werden kann). Die Elektroden E1, E3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, um ein zweites Elektrodenpaar auszubilden. Die Elektrode E3 ist mittels der Feder B2 mit der Elektrode E2 verbunden, so dass die Elektrode E3 bewegt werden kann (das heißt, verschoben werden kann). Das heißt, das Fabry-Perot-Interferometer 100 weist zwei Federn und zwei Elektrodenpaare auf. Die Elektrode E1 ist fixiert, wohingegen die Elektroden E2, E3 beweglich sind.
In der folgenden Beschreibung ist k1 eine Federkonstante der Feder B1, k2 ist eine Federkonstante der Feder B2, V1 ist eine Spannung, die zwischen den Elektroden E1, E2 angelegt wird, V2 ist eine Spannung, die zwischen den Elektroden E1, E3 angelegt wird, di ist ein Anfangsabstand (d. h. ein Abstand, wenn keine Spannung angelegt ist) zwischen den Elektroden E1 und E2 und ein Anfangsabstand zwischen den Elektroden E1 und E3, x1 ist eine absolute Verschiebung, um die die Elektrode E2 bei Ausübung der Spannungen V1 und V2 verschoben wird, x2 ist eine absolute Verschiebung, um die die Elektrode E3 bei Ausübung der Spannungen V1 und V2 verschoben wird, ε ist eine Dielektrizitätskonstante in der Atmosphäre, S1 ist ein Überlappungsbereich der Elektroden E1 und E2, und S2 ist ein Überlappungsbereich der Elektroden E1 und E3.
Ein Kraftgleichgewicht an der Elektrode E2 ist durch die folgende Gleichung gegeben: k1x1 = k2(x2 – x1) + εS1V1²/{2(di – x1)²} (6)
Die linke Seite der Gleichung (6) repräsentiert eine Wiederherstellungskraft der Feder B1. Die rechte Seite der Gleichung (6) repräsentiert eine elektrostatische Kraft, die bei Ausübung der Spannung V1 erzeugt wird.
Auf ähnliche Weise ist ein Kraftgleichgewicht an der Elektrode E3 durch die folgende Gleichung gegeben: k2(x2 – x1) = εS2V2²/{2(di – x2)²} (7)
Die Anzugsschwelle kann anhand der Gleichung (6), (7) auf dieselbe Weise wie oben beschrieben berechnet werden.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem maximalen Wert der Verschiebung x2 der Elektrode E3 und dem Federkonstantenverhältnis k1/k2 darstellt. Wie es aus der 5 ersichtlich ist, kann, wenn das Federkonstantenverhältnis k1/k2 größer als 1 ist, die Elektrode E3 um mindestens di/3 (≈ 0,33di) ohne Anziehen (pull-in) verschoben werden. Wenn angenommen wird, dass das Federkonstantenverhältnis k1/k2 unendlich ist, kann die Elektrode E3 bis zu 5di/9 (≈ 0,56di) ohne Anziehen verschoben werden. Somit kann die Elektrode E3 idealerweise um bis zu 5di/9 (≈ 0,5di) ohne Anziehen verschoben werden.
Das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden genauer mit Bezug auf 6 beschrieben. Wie es in 6 gezeigt ist, enthält das Fabry-Perot-Interferometer 100 eine feste Spiegelstruktur 30 und eine bewegliche Spiegelstruktur 70. Die feste Spiegelstruktur 30 weist einen festen Spiegel M1 in einem Spektralbereich S1 auf. Die bewegliche Spiegelstruktur 70 weist einen beweglichen Spiegel M2 in dem Spektralbereich S1 auf. Ein Abschnitt der beweglichen Spiegelstruktur 70 ist als eine bewegliche Membran MEM ausgebildet. Die Membran MEM enthält den beweglichen Spiegel M2 und ist gegenüber der festen Spiegelstruktur 30 eine Luftlücke AG überquerend angeordnet. Ein Abschnitt der beweglichen Spiegelstruktur 70 mit Ausnahme der Membran MEM wird von dem Trägerelement 50 getragen. Somit ist die bewegliche Spiegelstruktur 70 oberhalb der festen Spiegelstruktur 30 angeordnet, so dass der bewegliche Spiegel M2 der Membran MEM gegenüber dem festen Spiegel M1 angeordnet werden kann.
Die Membran MEM weist mehrere Federn auf. Die Federn sind in einem Umfangsbereich T1 außerhalb eines Spektralbereichs S1 angeordnet, bei dem der bewegliche Spiegel M2 angeordnet ist. Das heißt, die Federn sind um den Spektralbereich S1 angeordnet. Insbesondere sind die Federn umeinander um den Spektralbereich S1 angeordnet, so dass der bewegliche Spiegel M2 von den Federn umgeben ist. Eine Federkonstante der Feder ist kleiner, wenn die Feder näher bei der Mitte der Membran MEM in einer Richtung von einer Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet ist. In einem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, enthalten die Federn eine Feder B1 und eine Feder B2. Die Feder B2 ist näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder B1 angeordnet. Eine Federkonstante k2 der Feder B2 ist kleiner als eine Federkonstante k1 der Feder B1.
Außerdem weisen die Membran MEM und die feste Spiegelstruktur 30 Elektroden in dem Umfangsbereich T1 auf. Die Elektroden der Membran MEM und der festen Spiegelstruktur 30 sind einander gegenüberliegend angeordnet, um mehrere Elektrodenpaare auszubilden. Die Elektrodenpaare sind umeinander um den Spektralbereich S1 angeordnet. Die Anzahl der Elektrodenpaare ist gleich der Anzahl der Federn. Dei Elektrodenpaare sind elektrisch gegeneinander isoliert, so dass eine Spannung unabhängig an jedes Elektrodenpaar angelegt werden kann. In einem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, weist die Membran MEM der beweglichen Spiegelstruktur 70 zwei Elektroden E2, E3 auf. Die Elektroden E2, E3 sind umeinander um den Spektralbereich S1 angeordnet, d. h. den beweglichen Spiegel M2. Insbesondere sind die Feder B1, die Elektrode E2, die Feder B2, die Elektrode E3 und der bewegliche Spiegel M2 in dieser Reihenfolge in der Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet. Die feste Spiegelstruktur 30 weist eine Elektrode E1 auf. Die Elektrode E1 ist gegenüber den Elektroden E2, E3 angeordnet, um zwei Elektrodenpaare, d. h. ein erstes Elektrodenpaar der Elektroden E1 und E2 und ein zweites Elektrodenpaar der Elektroden E2 und E3 auszubilden. Somit sind die Federn und die Elektrodenpaare abwechselnd in der Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet. Die Steifigkeit jeder der Elektroden E2, E3 ist größer als die Steifigkeit jeder der Federn B1, B2.
Wenn eine Spannung V1 an das äußerste Elektrodenpaar der Elektroden E1 und E2, das der äußersten Feder B1 entspricht, angelegt wird, wird die Feder B1 durch eine elektrostatische Kraft, die in dem Elektrodenpaar der Elektroden E1 und E2 erzeugt wird, verformt. Somit wird die Membran MEM als Ganzes bei der Anlegung der Spannung V1 an das Elektrodenpaar der Elektroden E1, E2 verschoben. Wenn im Gegensatz dazu eine Spannung V2 an das Elektrodenpaar der Elektroden, E3, das innerhalb des Elektrodenpaars der Elektroden E1, E2 angeordnet ist, angelegt wird, wird die Feder B2 durch eine elektrostatische Kraft, die in dem inneren Elektrodenpaar E1, E3 erzeugt wird, verformt. Da die Federkonstante k1 der äußersten Feder B1 größer als die Federkonstante k2 der inneren Feder B2 ist, wird in diesem Fall die innere Feder B2 ohne oder wenig Verformung der äußersten Feder B1 verformt. Im Hinblick auf die Federkonstantenbeziehung (d. h. k1 > k2) wird die elektrostatische Kraft, die in dem Elektrodenpaar E1, E3 bei der Anlegung der Spannung V2 erzeugt wird, auf kleiner als die elektrostatische Kraft eingestellt, die in dem Elektrodenpaar E1, E2 bei der Anlegung der Spannung V1 erzeugt wird.
Wenn daher, wie es in 6 gezeigt ist, die Spannung V2 an das innere Elektrodenpaar E1, E3 während einer Zeitdauer, während der der bewegliche Spiegel M2 der Membran MEM durch die elektrostatische Kraft, die in dem äußersten Elektrodenpaar E1, E2 bei der Anlegung der Spannung V1 an das äußerste Elektrodenpaar E1, E2 erzeugt wird, verschoben wird, angelegt wird, kann der bewegliche Spiegel M2 durch die elektrostatische Kraft, die in dem inneren Elektrodenpaar E1, E3 bei der Anlegung der Spannung V2 an das innere Elektrodenpaar E1, E3 erzeugt wird, weiter verschoben werden. Idealerweise wird der bewegliche Spiegel M2 um di/3 durch die elektrostatische Kraft, die in dem Elektrodenpaar E1, E2 erzeugt wird, verschoben, so dass der Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 2di/3 sein kann, wobei di ein Anfangsabstand (d. h. ein Abstand, wenn keine Spannung angelegt wird) zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 ist. Außerdem wird der bewegliche Spiegel M2 um (2di/3)/3 durch die elektrostatische Kraft, die in dem Elektrodenpaar E1, E3 erzeugt wird, verschoben, so dass der Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 endgültig 4di/9 sein kann. Das heißt, die gesamte Verschiebung der Membran MEM (d. h. des beweglichen Spiegels M2) beträgt 5di/9, was größer als die herkömmliche Anzugsschwelle (di/3). Auf diese Weise wird die Membran MEM gemäß der ersten Ausführungsform stufenweise verschoben (beispielsweise in zwei Stufen). Bei einem derartigen Ansatz kann die Membran MEM um mehr als die herkömmliche Anzugsschwelle (di/3) ohne Anziehen verschoben werden. Somit kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der ersten Ausführungsform ein vergrößertes Spektralband aufweisen.
Außerdem ist gemäß der ersten Ausführungsform die Steifigkeit jeder der Elektroden E2, E3 größer als die Steifigkeit jeder der Federn B1, B2. Außerdem sind die Elektroden E2, E3 von den Federn B1, B2 elektrisch isoliert. Das heißt, die Elektroden E2, E3 sind von den Federn B1, B2 strukturell getrennt. Wenn daher die Federn B1, B2 verformt werden, wird die Membran MEM mit den parallelen Elektroden E2, E3 verschoben. Somit kann der Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2, der mit der Elektrode E3 verbunden ist, flexibel gesteuert werden. Daher kann die volle Breite eines halben Maximums (FWHM) der Wellenlängen des übertragenen bzw. durchgelassenen Lichts klein werden, so dass die Auflösung verbessert werden kann.
Alternativ können die Elektroden E2, E3 mit den Federn B1, B2 strukturell verbunden sein. Das heißt, die Elektrode E2 kann als die Feder B1 dienen, und die Elektrode E3 kann als die Feder B2 dienen. Bei einem derartigen Ansatz kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 hinsichtlich der Struktur vereinfacht werden, und dessen Größe kann verringert werden.
Außerdem weist die bewegliche Spiegelstruktur 70 gemäß der ersten Ausführungsform mehrere Elektroden E2, E3 auf, die elektrisch voneinander isoliert sind, und die feste Spiegelstruktur 30 weist eine Elektrode E1 auf, die den Elektroden E2, E3 gegenüberliegend angeordnet ist. Alternativ kann die feste Spiegelstruktur 30 mehrere Elektroden E2, E3 aufweisen, die elektrisch voneinander isoliert sind, und die bewegliche Spiegelstruktur 70 kann eine Elektrode E1 aufweisen, die den Elektroden E2, E3 gegenüberliegend angeordnet ist. Alternativ können die feste Spiegelstruktur 30 und die bewegliche Spiegelstruktur 70 dieselbe Anzahl von Elektroden aufweisen, um mehrere Elektrodenpaare auszubilden.
Weiterhin weist das Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß der ersten Ausführungsform zwei Federn und zwei Elektrodenpaare auf. Alternativ kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 drei oder mehr Federn und drei oder mehr Elektrodenpaare aufweisen. Wenn die Anzahl der Federn und der Elektrodenpaare größer ist, ist die Anzugsschwelle größer. Das heißt, wenn die Anzahl der Federn und der Elektrodenpaare größer ist, wird das Spektralband des Fabry-Perot-Interferometers 100 breiter.
Außerdem ist gemäß der ersten Ausführungsform die Federkonstante k1 der Feder B1 größer als die Federkonstante K2 der Feder B2. Es ist vorteilhaft, wenn die Federkonstante k1 der Feder B1 aus dem folgenden Grund siebenmal oder noch größer als die Federkonstante k2 der Feder B2 (d. h. k1/k2 > 7) ist.
Das Spektralband kann unter Verwendung von interferierendem Licht unterschiedlicher Ordnungen (beispielsweise interferierendes Licht erster Ordnung und interferierendes Licht zweiter Ordnung) vergrößert werden. Eine Wellenlänge λ des übertragenen bzw. durchgelassenen Lichts ist wie folgt gegeben: λ = 2 × d/m
In der obigen Gleichung ist d ein Abstand zwischen den Spiegeln, und m ist die Ordnung des interferierenden Lichts. Daher ist das wellenlängenvariable Band des interferierenden Lichts der ersten Ordnung nahezu zweimal größer als eine Änderung des Abstands d zwischen den Spiegeln. In dem herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer 100 beträgt die Anzugsschwelle jedoch di/3. Daher ist, wie es in 7A gezeigt ist, ein Nicht-Spektralband zwischen dem variablen Band des interferierenden Lichts der ersten Ordnung und dem variablen Band des interferierenden Lichts der zweiten Ordnung vorhanden. Aufgrund des Nicht-Spektralbands ist es schwierig, das Spektralband des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers 100 zu vergrößern.
Im Gegensatz dazu kann gemäß der ersten Ausführungsform, wie es in 5 gezeigt ist, die Änderung des Abstands zwischen den Elektroden E1 und E3 durch Einstellen des Federkonstantenverhältnisses k1/k2 auf 7 oder mehr größer als di/2 sein. Insbesondere wenn das Federkonstantenverhältnis k1/k2 gleich 6 ist, ist die Änderung des Abstands zwischen den Elektroden E1 und E3 etwas kleiner als di/2, und wenn das Federkonstantenverhältnis k1/k2 gleich 7 ist, überschreitet die Änderung des Abstands zwischen den Elektroden E1 und E3 di/2. Somit wird, wie es in 7B gezeigt ist, das variable Band des interferierenden Lichts der ersten Ordnung vergrößert, so dass das variable Band des interferierenden Lichts der zweiten Ordnung kontinuierlich zu dem variablen Band des interferierenden Lichts der ersten Licht sein kann. Daher wird das Nicht-Spektralband entfernt. Auf diese Weise kann der Spektralbereich durch die interferierenden Lichter unterschiedlicher Ordnungen verbessert werden.
(Zweite Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 8A–8C beschrieben. In den 8A, 8B sind Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Die zweite Ausführungsform entspricht einem konkreten Beispiel der ersten Ausführungsform.
Wie es in 8C gezeigt ist, ist gemäß der zweiten Ausführungsform die feste Spiegelstruktur 30 auf einer Vorderfläche eines Substrats 10 mittels einer Isolierschicht 11 angeordnet. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein rechtwinkliges Halbleitersubstrat aus einem monokristallinen Silizium sein. Die Isolierschicht 11 weist eine näherungsweise einheitliche Dicke auf und besteht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Ähnlichem. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, kann ein Absorptionsbereich in einem Oberflächenabschnitt der Vorderfläche des Substrats 10 außerhalb des Spektralbereichs S1 durch Dotieren von Verunreinigungen in das Substrat 10 wahlweise ausgebildet werden. Bei einem derartigen Ansatz kann die Transmittanz von Licht außerhalb des Spektralbereichs S1 verringert oder verhindert werden.
Die feste Spiegelstruktur 30 enthält eine hochbrechende Bodenschicht 31 und eine hochbrechende obere Schicht 32. Die hochbrechende Bodenschicht 31 ist auf der gesamten Vorderfläche des Substrats 10 mittels der Isolierschicht 11 ausgebildet. Die hochbrechende obere Schicht 32 ist auf der hochbrechenden Bodenschicht 31 ausgebildet. Sowohl die hochbrechende Bodenschicht 31 als auch die hochbrechende obere Schicht 32 sind eine dünne Halbleiterschicht aus einem Material, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Luft ist. Die hochbrechende Bodenschicht 31 und die hochbrechende obere Schicht 32 können beispielsweise aus mindestens einem aus Silizium und Germanium bestehen. Gemäß der zweiten Ausführungsform bestehen die hochbrechende Bodenschicht 31 und die hochbrechende obere Schicht 32 aus Polysilizium.
Eine Luftschicht 33 ist als eine niedrigbrechende Schicht zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 31 und der hochbrechenden oberen Schicht 32 in dem Spektralbereich S1 angeordnet. Die hochbrechende Bodenschicht 31, die hochbrechende obere Schicht 32 und die Luftschicht 33 in dem Spektralbereich S1 bilden den festen Spiegel M1. Auf diese Weise ist der feste Spiegel M1 als ein Luftspiegel mit einer Luftschicht ausgebildet.
Die hochbrechende obere Schicht 32 weist ein Durchgangsloch 34 auf, das mit der Luftschicht 33 kommuniziert. Wie es später beschrieben wird, wird die Luftschicht 33 durch Ätzen unter Verwendung des Durchgangslochs 34 ausgebildet.
Die Membran MEM der beweglichen Spiegelstruktur 70 weist eine kreisförmige ebene Gestalt auf. Der bewegliche Spiegel M2 ist in dem Mittenbereich der Membran MEM angeordnet, so dass der feste Spiegel M1 und der bewegliche Spiegel M2 einander gegenüberliegend angeordnet sein können. In dem Umfangsbereich C1 um den Spektralbereich S1 weisen die hochbrechende Bodenschicht 31 und die hochbrechende obere Schicht 32 einen Kontakt zueinander auf, um eine gestapelte Schicht auszubilden, und es sind Elektroden in der gestapelten Schicht ausgebildet. Die Elektroden sind elektrisch gegeneinander isoliert.
Insbesondere sind, wie es in 8A gezeigt ist, zwei Elektroden 35a, 35b umeinander um den Spektralbereich S1 (d. h. um den festen Spiegel M1) derart angeordnet, dass die Elektrode 35b innerhalb der Elektrode 35a vorhanden sein kann. Die Elektroden 35a, 35b werden durch Dotieren von p-Verunreinigungen (beispielsweise Arsen) in die gestapelte Schicht der hochbrechenden Bodenschicht 31 und der hochbrechenden oberen Schicht 32 ausgebildet. Die Elektroden 35a, 35b weisen im Wesentlichen eine C-Gestalt auf. Die Elektrode 35a ist durch einen Draht 37a mit einer Anschlussfläche 36a elektrisch verbunden. Die Elektrode 35b ist durch einen Draht 37b mit einer Anschlussfläche 36b elektrisch verbunden. Die äußere Elektrode 35a entspricht der Elektrode E2 der ersten Ausführungsform, und die innere Elektrode 35b entspricht der Elektrode E3 der ersten Ausführungsform.
Abschnitte 38a, 38b der hochbrechenden Bodenschicht 31 und der hochbrechenden oberen Schicht 32 in dem Umfangsbereich T1 sind gegenüber von Federn 78a, 78b der Membran MEM angeordnet. N-Verunreinigungen (beispielsweise Phosphor) sind in die Abschnitte 38a, 38b dotiert, um eine elektrische Isolierung zwischen den Elektroden 35a, 35b zu gewährleisten. Außerdem sind N-Verunreinigungen in Lücken der C-förmigen Elektroden 35a, 35b dotiert. Man beachte, dass die N-Verunreinigungen nicht in die Drähte 37a, 37b dotiert sind. Außerdem sind gemäß der Ausführungsform N-Verunreinigungen in die hochbrechende Bodenschicht 31 und die hochbrechende obere Schicht 32 in dem Spektralbereich S1 mit einer kleineren Konzentration als eine Konzentration, mit der N-Verunreinigungen in die Abschnitte 38a, 38b dotiert sind, dotiert. Auf diese Weise werden der feste Spiegel M1 und die Abschnitte 38a, 38b, die gegenüber von den Federn 78a, 78b angeordnet sind, elektrisch miteinander verbunden. Ein Draht 37c ist mit dem Abschnitt 38a, der gegenüber von der Feder 78a angeordnet ist, verbunden. Der Draht 37c ist mit einer Anschlussfläche 36c verbunden. Die Anschlussflächen 36a–36c können beispielsweise aus Au/Cr bestehen. Die Anschlussflächen 36a–36c sind auf der hochbrechenden oberen Schicht 32 ausgebildet und bilden einen ohmschen Kontakt mit den jeweiligen Drähten 37a–37c.
Ein Trägerelement 50 ist auf der hochbrechenden oberen Schicht 32 der festen Spiegelstruktur 30 ausgebildet. Das Trägerelement 50 ist nicht gegenüber von der Membran MEM angeordnet. Das Trägerelement 50 trägt die bewegliche Spiegelstruktur 70 oberhalb der festen Spiegelstruktur 30 derart, dass eine Luftlücke AG zwischen der festen Spiegelstruktur 30 und der beweglichen Spiegelstruktur 70 ausgebildet werden kann. Gemäß der zweiten Ausführungsform besteht das Trägerelement 50 aus Siliziumdioxid und weist einen Hohlraum in seiner Mitte, der der Membran MEM der beweglichen Spiegelstruktur 70 entspricht, auf. Der Hohlraum des Trägerelements dient als die Luftlücke AG. Das heißt, das Trägerelement 50 ist eine Opferschicht. Das Trägerelement 50 weist Durchgangslöcher 51a–51c außerhalb der Membran MEM auf. Die Durchgangslöcher 51a–51c werden verwendet, um die Anschlussflächen 36a–36c auszubilden.
Die bewegliche Spiegelstruktur 70 enthält eine hochbrechende Bodenschicht 71 und eine hochbrechende obere Schicht 72. Die hochbrechende Bodenschicht 71 ist auf dem Trägerelement 50 über der Luftlücke AG ausgebildet. Die hochbrechende obere Schicht 72 ist auf der hochbrechenden Bodenschicht 71 ausgebildet. Sowohl die hochbrechende Bodenschicht 71 als auch die hochbrechende obere Schicht 72 ist eine dünne Halbleiterschicht aus einem Material wie beispielsweise Silizium oder Germanium, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Luft ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform bestehen die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 jeweils aus Polysilizium.
Eine Luftschicht 73 ist als eine niedrigbrechende Schicht zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 in dem Spektralbereich S1 angeordnet. Die hochbrechende Bodenschicht 71, die hochbrechende obere Schicht 72 und die Luftschicht 73, die zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 in dem Spektralbereich S1 angeordnet ist, bilden den beweglichen Spiegel M2. Auf diese Weise ist der bewegliche Spiegel M2 als ein Luftspiegel mit einer Luftschicht ausgebildet. Die hochbrechende Bodenschicht 71 des beweglichen Spiegels M2 und die hochbrechende Bodenschicht 71 des festen Spiegels M1 sind bei einer Bedingung, bei der keine Spannung an die Elektroden 35a, 35b, 75a und 75b angelegt ist, parallel zueinander.
Die hochbrechende obere Schicht 72 weist ein Durchgangsloch 74 auf, das mit der Luftschicht 73 kommuniziert. Das Durchgangsloch 74 wird verwendet, um die Luftschicht 73 mittels Ätzen auszubilden.
Wie es in 8B gezeigt ist, ist der bewegliche Spiegel M2 in dem Mittenbereich der Membran MEM ausgebildet. In dem Umfangsbereich T1 um den Spektralbereich S1 sind zwei Federn 78a, 78b der Membran MEM umeinander um den Spektralbereich S1 angeordnet. Die Feder 78b ist näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 78a angeordnet. Mit anderen Worten ist die Feder 78a näher bei der Außenkante der Membran MEM als die Feder 78b angeordnet. Eine Federkonstante k2 der Feder 78b ist kleiner als eine Federkonstante k1 der Feder 78a. Insbesondere ist eine Dicke der Feder 78b kleiner als eine Dicke der Feder 78a, so dass die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann. Genauer gesagt ist die Feder 78b eine einzelne Schicht der hochbrechenden Bodenschicht 71, wohingegen die Feder 78a eine gestapelte Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ist. Jede der Federn 78a, 78b ist ringförmig.
Die Elektroden 75a, 75b der Membran MEM sind ringförmig und umeinander in dem Umfangsbereich T1 um den Spektralbereich S1 angeordnet. Die Elektroden 75a, 75b weisen dasselbe Potenzial auf und entsprechen der Elektrode E1 der ersten Ausführungsform. Die Elektrode 75a wird durch Implantieren von P-Verunreinigungen oder N-Verunreinigungen in einen Bereich zwischen der Feder 78a und der Feder 78b ausgebildet. Die Elektrode 75b wird durch Implantieren von P-Verunreinigungen oder N-Verunreinigungen in einen Bereich zwischen der Feder 78b und dem Spektralbereich S1 ausgebildet. Somit sind die Feder 78a, die Elektrode 75a, die Feder 78b, die Elektrode 75b und der bewegliche Spiegel M2 in dieser Reihenfolge in der Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet. Die Elektroden 35a, 35b der festen Spiegelstruktur 30 sind jeweils gegenüber von den Elektroden 75a, 75b der beweglichen Spiegelstruktur 70 angeordnet. Somit sind die Federn 78a, 78b und die Elektrodenpaare (d. h. die beiden Elektroden 35a, 75b und die beiden Elektroden 35b, 75b) abwechselnd in der Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet.
In der Membran MEM sind P-Verunreinigungen in den beweglichen Spiegel M2 in dem Spektralbereich S1 und die Federn 78a, 78b in dem Umfangsbereich T1 zusätzlich zu den Elektroden 75a, 75b dotiert. Die Menge der Verunreinigungen, die in den beweglichen Spiegel M2 dotiert sind, ist kleiner als die Menge der Verunreinigungen, die in die Elektroden 75a, 75b oder die Federn 78a, 78b dotiert sind, um zu verhindern, dass die dotierten Verunreinigungen eine Lichttransmittanz des beweglichen Spiegels M2 beeinflussen. Außerdem wird die Menge der Verunreinigungen, die in den beweglichen Spiegel M2 dotiert werden, derart eingestellt, dass der bewegliche Spiegel M2 dasselbe Potenzial wie die Elektroden 75a, 75b aufweisen kann. Die äußere Feder 78a ist mit einem Draht 79 verbunden. Der Draht 79 ist mit einer Anschlussfläche 76 verbunden. Die Anschlussfläche 76 kann beispielsweise aus Au/Cr bestehen. Die Anschlussfläche 76 ist auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 angeordnet und bildet einen ohmschen Kontakt mit dem Draht 79.
Jede der Elektroden 75a, 75b ist mit der hochbrechenden Bodenschicht 71, der hochbrechenden oberen Schicht 72 und einer niedrigbrechenden Schicht 73a, die zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 angeordnet ist, aufgebaut. Die niedrigbrechende Schicht 73a ist fest und weist einen Brechungsindex auf, der kleiner als der jeweilige Brechungsindex der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ist. Die niedrigbrechende Schicht 73a kann beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen. Auf diese Weise weist jede der Elektroden 75a, 75b der Membran MEM eine Dreischichtstruktur auf, die die hochbrechende Bodenschicht 71, die hochbrechende obere Schicht 72 und die niedrigbrechende Schicht 73a enthält. Somit ist die Steifigkeit jeder der Elektroden 75a, 75b größer als die Steifigkeit der jeweiligen Federn 78a, 78b.
Die Membran MEM weist ein Durchgangsloch 77 auf. Wie es später beschrieben wird, werden das Trägerelement 50 und die niedrigbrechende Schicht des festen Spiegels M1 unter Verwendung des Durchgangslochs 77 geätzt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform bestehen die hochbrechenden Schichten 31, 32, 71, 72 aus Polysilizium. Bei einem derartigen Ansatz sind die Spiegel für Infrarotlicht eines Wellenlängenbereichs von etwa 2 μm bis etwa 10 μm transparent. Daher kann das Fabry-Perot-Interferometer geeignet als ein selektives Wellenlängenfilter für einen Infrarot-Gassensor verwendet werden. Dieselbe Wirkung kann erwartet werden, wenn die hochbrechenden Schichten 31, 32, 71, 72 aus einem Material bestehen, das mindestens eines aus Silizium und Germanium aufweist, beispielsweise Polygermanium oder Polysiliziumgermanium.
Außerdem werden gemäß der zweiten Ausführungsform die Luftschichten 33, 73 als niedrigbrechende Schichten der Spiegel M1, M2 verwendet. Bei einem derartigen Ansatz wird ein Brechungsindexverhältnis zwischen der hochbrechenden Schicht und der niedrigbrechenden Schicht groß. Daher kann das Fabry-Perot-Interferometer 100, das in der Lage ist, wahlweise Infrarotlicht eines Wellenlängenbereichs von etwa 2 μm bis etwa 10 μm zu übertragen bzw. durchzulassen, mit niedrigen Kosten hergestellt werden.
Außerdem weisen gemäß der zweiten Ausführungsform die Federn 78a, 78b unterschiedliche Dicken und somit unterschiedliche Federkonstanten auf. Insbesondere ist die Feder 28b näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 28a angeordnet, die Dicke der Feder 28b ist kleiner als die Dicke der Feder 28a, so dass die Federkonstante der Feder 28b kleiner als die Federkonstante der Feder 28a sein kann. Daher wird ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, wenn die Spannung V2 an das innere Elektrodenpaar der Elektroden 35b, 75b bei einer Bedingung angelegt wird, bei der der Bewegliche Spiegel M2 der Membran MEM bei einem Anlegen der Spannung V1 an das äußere Elektrodenpaar der Elektroden 35a, 75a verschoben wird, die innere Feder 78b mit einer geringen oder keiner Verformung der äußeren Feder 78a aufgrund der Tatsache verformt, dass die Federkonstante k1 der äußeren Feder 78a größer als die Federkonstante k2 der inneren Feder 78b ist. Dementsprechend wird der bewegliche Spiegel M2 der Membran MEM weiter verschoben.
Außerdem sind gemäß der zweiten Ausführungsform die Elektroden 75a, 75b von den Federn 78a, 78b strukturell getrennt, so dass die Steifigkeit der Elektroden 75a, 75b größer als die Steifigkeit der Federn 78a, 78b sein kann. Wenn daher die Federn 78a, 78b verformt werden, wird die Membran MEM verschoben, wobei die Elektroden 75a, 75b parallel zueinander sind. Somit kann der Abstand zwischen dem festen Spiegel M1 und dem beweglichen Spiegel M2 flexibel gesteuert werden. Daher kann die volle Breite bei dem halben Maximum (FWHM) der Wellenlängen des übertragenen bzw. durchgelassenen Lichts klein werden, so dass die Auflösung verbessert werden kann.
Außerdem weist die feste Spiegelstruktur 30 gemäß der zweiten Ausführungsform mehrere Elektroden 35a, 35b auf, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, und die bewegliche Spiegelstruktur 70 weist die Elektroden 75a, 75b auf. Da die Elektroden 75a, 75b dasselbe Potenzial aufweisen, können die Elektroden 75a, 75b als eine Elektrode betrachtet werden. Das heißt, es kann angenommen werden, dass die Membran MEM eine Elektrode aufweist. Daher kann die Anzahl der Drähte 79, die die Federn 78a, 78b kreuzen, verringert werden. Dementsprechend weisen die Federn 78a, 78b eine gute Symmetrie auf, so dass die Membran MEM verformt werden kann, wobei der bewegliche Spiegel M2 parallel zu dem festen Spiegel M1 ist. Daher kann die volle Breite bei dem halben Maximum (FWHM) der Wellenlängen des übertragenen bzw. durchgelassenen Lichts klein sein, so dass die Auflösung verbessert werden kann.
Außerdem kann gemäß der zweiten Ausführungsform, wenn das Federkonstantenverhältnis k1/k2 auf 7 oder größer eingestellt wird, die Änderung des Abstands zwischen den inneren Elektroden 35b, 75b di/2 überschreiten. Somit wird, wie es in der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 7B beschrieben wurde, das variable Band des interferierenden Lichts der ersten Ordnung vergrößert, so dass das variable Band des interferierenden Lichts der zweiten Ordnung kontinuierlich zu dem variablen Band des interferierenden Lichts der ersten Ordnung sein kann. Daher wird das Nicht-Spektralband entfernt. Auf diese Weise kann der Spektralbereich durch die interferierenden Lichter unterschiedlicher Ordnungen verbessert werden.
Außerdem können gemäß der zweiten Ausführungsform die Spiegel M1, M2 ein hohes Reflexionsvermögen über ein breites Band aufweisen, da die Luftschichten 33, 73 als niedrigbrechende Schichten der Spiegel M1, M2 verwendet werden. Somit kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 ein breites Spektralband aufweisen.
Außerdem sind gemäß der zweiten Ausführungsform die Elektroden 35a, 35b der festen Spiegelstruktur 30 mittels einer PN-Übergangs-Isolierung elektrisch gegeneinander isoliert. Somit werden die Elektroden 35a, 35b sicher gegeneinander isoliert. Alternativ können die Elektroden 35a, 35b durch eine Grabenisolierung gegeneinander isoliert sein. In diesem Fall ist eine niedrigbrechende Schicht (nicht gezeigt) zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 31 und der hochbrechenden oberen Schicht 32 angeordnet, und es ist ein Graben in der hochbrechenden oberen Schicht 32 unter Verwendung der niedrigbrechenden Schicht als Ätzstopper ausgebildet. Wenn mehrere Elektroden in der beweglichen Spiegelstruktur 70 ausgebildet werden, können die Elektroden durch Ausbilden eines Grabens in der hochbrechenden oberen Schicht 32 unter Verwendung der niedrigbrechenden Schicht 73a als Ätzstopper elektrisch gegeneinander isoliert werden.
Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform können die Elektroden 75a, 75b strukturell mit den Federn 78a, 78b verbunden sein. Das heißt, die Elektrode 75a kann als die Feder 78a dienen, und die Elektrode 75b kann als die Feder 78b dienen. In diesem Fall sind die Elektrode 75a, die Elektrode 75b und der bewegliche Spiegel M2 in dieser Reihenfolge in der Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM angeordnet.
Alternativ kann, wie es in den 9A–9C gezeigt ist, die bewegliche Spiegelstruktur 70 mehrere Elektroden 75a, 75b aufweisen, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, und die feste Spiegelstruktur 30 kann eine Elektrode aufweisen, die mit Elektroden 35, 35b aufgebaut ist, die dasselbe Potenzial aufweisen und gegenüber von den Elektroden 75a, 75b angeordnet sind. Bei einem derartigen Ansatz kann die Anzahl der Durchgangslöcher 51, die in dem Trägerelement 50 ausgebildet werden, verringert werden. Somit wird die Steifigkeit des Trägerelements 50 verbessert, so dass die Steifigkeit des Fabry-Perot-Interferometers 100 erhöht werden kann. Man beachte, dass Durchgangslöcher 34, 74 und 77 in den 9A, 9B aus Vereinfachungsgründen weggelassen sind.
Alternativ können die feste Spiegelstruktur 30 und die bewegliche Spiegelstruktur 70 dieselbe Anzahl von Elektroden aufweisen, um mehrere Elektrodenpaare auszubilden, die elektrisch gegeneinander isoliert sind. Das heißt, das Elektrodenpaar der Elektroden 75a, 35a kann gegenüber dem Elektrodenpaar der Elektroden 75b, 35b elektrisch isoliert sein.
Gemäß der zweiten Ausführungsform weist das Fabry-Perot-Interferometer 100 zwei Federn 78a, 78b und zwei Elektrodenpaare auf. Alternativ kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 drei oder mehr Federn und drei oder mehr Elektrodenpaare aufweisen.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden die Verunreinigungen in einige Abschnitte der Membran MEM und in die feste Spiegelstruktur 30 zusätzlich zu den Elektroden 35a, 35b, 75a, 75b und den Drähten 37a, 37b dotiert. Alternativ können, wie es in den 10A, 10B gezeigt ist, die Verunreinigungen nur in die Elektroden 35a, 35b, 75a, 75b und die Drähte 37a, 37b dotiert werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die 11A–11C und 12A–12C beschrieben. Hier wird ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der 8A–8C beschrieben.
Zunächst wird in einem Prozess, der in 11A gezeigt ist, ein Halbleitersubstrat aus monokristallinem Silizium als das Substrat 10 vorbereitet bzw. hergestellt. Nach Bedarf werden dann Verunreinigungen wie beispielsweise Arsen in die Vorderfläche des Substrats 10 in einem Bereich außerhalb des Spektralbereichs S1 dotiert, um einen Absorptionsbereich auszubilden. Dann wird die Isolierschicht 11, die beispielsweise aus Siliziumnitrid besteht, einheitlich auf der gesamten Vorderfläche des Substrats 10 ausgebildet.
Dann wird die hochbrechende Bodenschicht 31, die beispielsweise aus Polysilizium besteht, auf der Isolierschicht 11 ausgebildet, und die niedrigbrechende Schicht 33a, die beispielsweise aus Siliziumoxid besteht, wird auf der hochbrechenden Bodenschicht 31 ausgebildet. Dann wird eine Maske 39, die beispielsweise aus einem Resist besteht, auf der niedrigbrechenden Schicht 33a ausgebildet. Dann wird die niedrigbrechende Schicht 33a geätzt und unter Verwendung der Maske 39 in eine vorbestimmte Gestalt gemustert. Dann wird die Maske 39 entfernt. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die niedrigbrechende Schicht 33a durch ein isotropes Nassätzverfahren in einen Kegelstumpf oder einen hexagonalen Pyramidenstumpf gemustert. Nach Bedarf kann ein anisotropes Trockenätzverfahren zusätzlich zu dem Nassätzverfahren durchgeführt werden. Die niedrigbrechende Schicht 33a wird durch Ätzen in einem Post-Prozess entfernt, um die Luftschicht 33 des festen Spiegels M1 auszubilden.
Dann wird in einem Prozess, der in 11B gezeigt ist, die hochbrechende obere Schicht 32, die beispielsweise aus Polysilizium besteht, auf der hochbrechenden Bodenschicht 31 ausgebildet, so dass die niedrigbrechende Schicht 33a mit der hochbrechenden oberen Schicht 32 bedeckt werden kann. Dann wird eine Maske 40, die beispielsweise aus einem Resist besteht, auf der hochbrechenden oberen Schicht 32 ausgebildet. Dann wird ein anisotropes Trockenätzverfahren unter Verwendung der Maske 40 durchgeführt, um das Durchgangsloch 34 in der hochbrechenden oberen Schicht 32, die auf der niedrigbrechenden Schicht 33a angeordnet ist, in dem Spektralbereich S1 auszubilden. Dann wird die Maske 40 entfernt.
Dann wird in einem Prozess, der in 11C gezeigt ist, eine andere Maske (nicht gezeigt) auf der hochbrechenden oberen Schicht 32 ausgebildet. Danach werden Verunreinigungen in die hochbrechende obere Schicht 32 unter Verwendung der anderen Maske dotiert, um die Elektroden 35a, 35b und die Drähte 37a, 37b auszubilden. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden P-Verunreinigungen wie beispielsweise Bor in die hochbrechende obere Schicht 32 dotiert, um die Elektroden 35a, 35b und die Drähte 37a, 37b auszubilden. Weiterhin werden N-Verunreinigungen wie beispielsweise Phosphor in die Abschnitte 38a, 38b, die gegenüber von den Federn 78a, 78b der Membran MEM angeordnet sind, dotiert, um die Elektroden 35a, 35b mittels eines PN-Übergangs elektrisch gegeneinander zu isolieren. Man beachte, dass, wenn Verunreinigungen in dem Spektralbereich S1 vorhanden sind, Licht durch die Verunreinigungen absorbiert wird. Daher können keine Verunreinigungen in den Spektralbereich S1 dotiert werden. Alternativ kann die Menge an Verunreinigungen, die in den Spektralbereich S1 dotiert werden, kleiner als die Menge der Verunreinigungen sein, die in die Abschnitte 38a, 38b datiert werden.
Dann wird, nachdem die andere Maske entfernt wurde, das Trägerelement 50 auf der gesamten Oberfläche der hochbrechenden oberen Schicht 32 ausgebildet, so dass das Durchgangsloch 34 der hochbrechenden oberen Schicht 32 mit dem Trägerelement 50 gefüllt werden kann. Das Trägerelement 50 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Siliziumdioxid. Es ist vorteilhaft, wenn das Trägerelement 50 aus demselben Material wie die niedrigbrechende Schicht 33a besteht. Die Dicke des Trägerelements 50 ist gleich dem Anfangsabstand (d. h. dem Abstand, wenn keine Spannung angelegt ist) zwischen der festen Spiegelstruktur 30 und der beweglichen Spiegelstruktur 70 (d. h. der Membran MEM).
Dann wird nach Bedarf ein Einebnungsprozess durchgeführt, um die Oberfläche des Trägerelements 50 zu glätten. Danach wird in einem Prozess, der in 12A gezeigt ist, die hochbrechende Bodenschicht 71, die beispielsweise aus Polysilizium besteht, auf der gesamten Oberfläche des Trägerelements 50 ausgebildet. Dann wird die niedrigbrechende Schicht 73a auf der hochbrechenden Bodenschicht 71 ausgebildet. Die niedrigbrechende Schicht 73a besteht aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Siliziumdioxid. Es ist vorteilhaft, wenn die niedrigbrechende Schicht 73a aus demselben Material wie das Trägerelement 50 besteht. Dann wird eine Maske 80, die beispielsweise aus einem Resist besteht, auf der niedrigbrechenden Schicht 73a ausgebildet. Danach wird die niedrigbrechende Schicht 73a geätzt und unter Verwendung der Maske 80 in eine vorbestimmte Gestalt gemustert. Dann wird die Maske 80 entfernt. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die niedrigbrechende Schicht 73a in einen Kegelstumpf oder einen hexagonalen Pyramidenstumpf mittels eines isotropen Nassätzverfahrens gemustert. Nach Bedarf kann ein anisotropes Trockenätzverfahren zusätzlich zu dem Nassätzverfahren durchgeführt werden. Die niedrigbrechende Schicht 73a in dem Spektralbereich S1 wird durch Ätzen in einem Post-Prozess entfernt, um die Luftschicht 73 des beweglichen Spiegels M2 auszubilden. Im Gegensatz dazu wird die niedrigbrechende Schicht 73a in dem Umfangsbereich T1 verwendet, um die Elektroden 75a, 75b auszubilden.
Danach wird die Maske 80 entfernt. Dann wird in einem Prozess, der in 12B gezeigt ist, ein Resist 81 an einer Position, bei der die Feder 78b auszubilden ist, ausgebildet. Danach wird die hochbrechende obere Schicht 72, die beispielsweise aus Polysilizium besteht, auf der hochbrechenden Bodenschicht 71 ausgebildet, so dass die niedrigbrechende Schicht 73a und der Resist 81 mit der hochbrechenden oberen Schicht 72 bedeckt werden können.
Danach wird in einem Prozess, der in 12C gezeigt ist, der Resist 81 entfernt, so dass die hochbrechende obere Schicht 72 auf dem Resist 81 abgehoben werden kann (das heißt, entfernt werden kann). Danach wird eine andere Maske (nicht gezeigt) auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet. Anschließend werden Verunreinigungen in die hochbrechende obere Schicht 72 unter Verwendung der anderen Maske dotiert, um die Elektroden 75a, 75b und den Draht 79 auszubilden. Zu diesem Zeitpunkt können die Verunreinigungen in den Spektralbereich S1 und in die Federn 78a, 78b der Membran MEM dotiert werden. Man beachte, dass, wenn Verunreinigungen in dem Spektralbereich S1 vorhanden sind, Licht durch die Verunreinigungen absorbiert wird. Daher können bzw. müssen keine Verunreinigungen in den Spektralbereich S1 dotiert werden. Alternativ kann die Menge an Verunreinigungen, die in den Spektralbereich S1 dotiert werden, kleiner als die Menge der Verunreinigungen sein, die in die anderen Bereiche (d. h. die Elektroden 75a, 75b und in die Federn 78a, 78b) dotiert werden.
Danach wird in einem Prozess, der in 12C gezeigt ist, eine Maske 82 auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet. Dann werden die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 selektiv unter Verwendung der Maske 82 geätzt, um das Durchgangsloch 77 in der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 auszubilden. Das Durchgangsloch 77 wird verwendet, um das Trägerelement 50 zu ätzen. Weiterhin wird in dem Spektralbereich S1 das Durchgangsloch 74 in der hochbrechenden oberen Schicht 72, die auf der niedrigbrechenden Schicht 73a angeordnet ist, ausgebildet, so dass die niedrigbrechende Schicht 73a durch das Durchgangsloch 74 freigelegt werden kann. Weiterhin werden Öffnungen 83a–83c an Positionen, an denen die Durchgangslöcher 51a–51c auszubilden sind, ausgebildet.
Danach wird, obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ein anisotropes Ätzverfahren unter Verwendung der hochbrechenden oberen Schicht 72 als Maske durchgeführt, nachdem die Maske 82 entfernt wurde. Somit wird das Trägerelement 50 teilweise entfernt, so dass die Durchgangslöcher 51a–51c in dem Trägerelement 50 ausgebildet werden können. Dann wird eine Au/Cr-Schicht unter Verwendung einer Metallmaske ausgebildet, und die Anschlussflächen 36a–36c werden jeweils in den Löchern 51a–51c ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Anschlussfläche 76 auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 außerhalb der Membran MEM ausgebildet. Nach Bedarf werden die Anschlussflächen 36a–36c und 76 poliert. Danach wird die Luftlücke AG durch Ätzen des Trägerelements 50 durch das Durchgangsloch 77 ausgebildet Zu diesem Zeitpunkt wird die Luftschicht 33 durch Ätzen der niedrigbrechenden Schicht 33a in dem Spektralbereich S1 durch das Durchgangsloch 34 ausgebildet, und die Luftschicht 73 wird durch Ätzen der niedrigbrechenden Schicht 73a in dem Spektralbereich S1 durch das Durchgangsloch 74 ausgebildet. Die niedrigbrechende Schicht 73a außerhalb des Spektralbereichs S1 wird nicht geätzt, da die niedrigbrechende Schicht 73a außerhalb des Spektralbereichs S1 ein Teil der Elektroden 75a, 75b ist. Auf diese Weise wird das Fabry-Perot-Interferometer 100 der 8A–8C hergestellt.
In dem oben beschriebenen Verfahren wird die Feder 78b durch Entfernen des Resists 81 durch einen Abhebungsprozess verdünnt. Alternativ kann die Feder 78b wie folgt verdünnt werden. Die niedrigbrechende Schicht 73a wird anstelle des Resists 81 angeordnet, und die hochbrechende obere Schicht 72 wird durch Ätzen der hochbrechenden oberen Schicht 72 unter Verwendung der niedrigbrechenden Schicht 73a als Ätzstopper entfernt. Danach wird die niedrigbrechende Schicht 73a entfernt. Alternativ kann die Feder 78b wie folgt verdünnt werden. Die hochbrechende obere Schicht 72 wird an einer Position, bei der die Feder 78b auszubilden ist, thermisch oxidiert, und der thermisch oxidierte Abschnitt der hochbrechenden oberen Schicht 72 wird selektiv entfernt.
(Dritte Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 13A–13C beschrieben. In den 13A und 13B sind die Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der dritten Ausführungsform ähnelt dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform, die in den 8A–8C gezeigt ist. Die Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform sind die folgenden.
Gemäß der dritten Ausführungsform werden Durchgangslöcher 84a, 84b in der gestapelten Schicht der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 der Membran MEM ausgebildet, so dass jede der Federn 78a, 78b eine Balkenstruktur aufweisen kann. Die Federn 78a, 78b unterscheiden sich zumindest hinsichtlich der Anzahl der Balken, der Länge des Balkens in einer Richtung von der Außenkante der Membran MEM zu der Mitte der Membran MEM und der Breite des Balkens derart voneinander, dass die Federkonstante k2 der Feder 78b, die näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 78a angeordnet ist, kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann.
Wie es in den 13B, 13C gezeigt ist, werden die Durchgangslöcher 84a, 84b nicht in den Elektroden 75a, 75b in dem Umfangsbereich T1 ausgebildet. Somit ist die Steifigkeit der Elektroden 75a, 75b größer als diejenige der Federn 78a, 78b. Gemäß der zweiten Ausführungsform weist jede der Federn 78a, 78b vier Balken auf. Die Länge des Balkens der inneren Feder 78b ist größer als die Länge des Balkens der äußeren Feder 78a, und die Breite des Balkens der inneren Feder 78b ist kleiner als die Breite des Balkens der äußeren Feder 78a. Man beachte, dass die Federkonstante größer ist, wenn die Anzahl der Balken größer ist, die Länge des Balkens kleiner ist und die Breite des Balkens größer ist. Somit ist die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a.
Auf diese Weise können, wenn die Federn 78a, 78b Balkenstrukturen aufweisen, die Federkonstanten der Federn 78a, 78b auf einfache Weise durch Ändern der Anzahl der Balken, der Länge des Balkens und der Breite des Balkens eingestellt werden. Somit kann die Flexibilität bei dem Entwurf der Federkonstanten verbessert werden. Die Durchgangslöcher 84a, 84b können in dem Trägerelement 50 in demselben Prozess wie die Luftlücke AG, die in dem Trägerelement 50 ausgebildet wird, ausgebildet werden. Somit können die Balkenstrukturen der Federn 78a, 78b ohne einen zusätzlichen Prozess ausgebildet werden. Somit kann der Herstellungsprozess des Fabry-Perot-Interferometers 100 vereinfacht werden.
In einem Beispiel, das in den 13A–13C gezeigt ist, ist die niedrigbrechende Schicht 73a zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 angeordnet, um die Elektroden 75a, 75b auszubilden. Alternativ können die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 ohne die niedrigbrechende Schicht 73a einen Kontakt zueinander aufweisen. Ein Grund dafür liegt darin, dass die Durchgangslöcher 84a, 84b nicht in den Elektroden 75a, 75b ausgebildet werden, so dass die Steifigkeit der Elektroden 75a, 75b ohne die niedrigbrechende Schicht 73a größer als diejenige der Federn 78a, 78b sein kann.
Ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der dritten Ausführungsform ist nahezu dasselbe wie das Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der zweiten Ausführungsform mit der Ausnahme der folgenden Punkte: Der erste Punkt besteht darin, dass der Prozess zum Ausbilden des Resists 81 und der Prozess zum Verdünnen der Feder 78a durch den Abhebungsprozess in der dritten Ausführungsform nicht benötigt werden. Der zweite Punkt besteht darin, dass in der dritten Ausführungsform ein zusätzlicher Prozess zum Ausbilden der Durchgangslöcher 84a, 84b benötigt wird.
Insbesondere wird, nachdem die hochbrechende obere Schicht 72 ausgebildet wurde, eine Maske, die Öffnungen aufweist, die den Durchgangslöchern 84a, 84b entsprechen, auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet. Danach werden die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 durch ein anisotropes Trockenätzverfahren unter Verwendung der Maske geätzt. Somit werden die Durchgangslöcher 84a, 84b ausgebildet, so dass die Federn 78a, 78b die Balkenstrukturen aufweisen können. Danach wird, nachdem die Maske entfernt wurde, die Maske 82 auf der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet, so dass die Durchgangslöcher 84a, 84b mit der Maske 82 bedeckt werden können. Dann werden, wie es in 12C gezeigt ist, die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende Obere Schicht 72 selektiv durch Ätzen entfernt, so dass das Durchgangsloch 77 in der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet werden kann. Das Durchgangsloch 77 wird verwendet, um das Trägerelement 50 zu ätzen. Außerdem wird in dem Spektralbereich S1 das Durchgangsloch 74 in der hochbrechenden oberen Schicht 72, die auf der niedrigbrechenden Schicht 73a angeordnet ist, ausgebildet, so dass die niedrigbrechende Schicht 73a durch das Durchgangsloch 74 freigelegt werden kann. Weiterhin werden die Öffnungen 83a–83c an Positionen, an denen die Durchgangslöcher 51a–51c auszubilden sind, ausgebildet.
(Vierte Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 14A–14C beschrieben. In den 14A und 14B sind die Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vierten Ausführungsform ähnelt dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform, die in den 8A–8C gezeigt ist. Die Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der vierten Ausführungsform sind die folgenden.
Gemäß der vierten Ausführungsform werden die Durchgangslöcher 77 anstelle der Durchgangslöcher 84a, 84b der dritten Ausführungsform in der gestapelten Schicht der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 der Membran MEM ausgebildet. Das Durchgangsloch 77 ist kleiner als die Durchgangslöcher 84a, 84b. Insbesondere ist das Durchgangsloch 77 klein genug, um zu verhindern, dass die Federn 78a, 78b die Balkenstruktur aufweisen. Die Federn 78a, 78b unterscheiden sich in mindestens einem aus der Größe und der Dichte der Durchgangslöcher 77 voneinander, so dass die Federkonstante k2 der Feder 78b, die näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 78a angeordnet ist, kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann.
Wie es in den 14B und 14C gezeigt ist, werden die Durchgangslöcher 77 nicht in den Elektroden 75a, 75b in dem Umfangsbereich T1 ausgebildet. Somit ist die Steifigkeit der Elektroden 75a, 75b größer als diejenige der Federn 78a, 78b. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden viele Durchgangslöcher 77 in den Federn 78a, 78b derart ausgebildet, dass die Dichte der Durchgangslöcher 77 in der inneren Feder 78b größer als die Dichte der Durchgangslöcher 77 in der äußeren Feder 78a sein kann. Man beachte, dass die Federkonstante kleiner ist, wenn die Dichte der Durchgangslöcher 77 größer ist und die Größe des Durchgangslochs 77 größer ist. Somit ist die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a.
Auf diese Weise können die Federkonstanten der Federn 78a, 78b auf einfache Weise durch Ändern der Größe und der Dichte der Durchgangslöcher 77 eingestellt werden. Somit kann die Flexibilität bei dem Entwurf der Federkonstanten verbessert werden. Ähnlich wie in den vorhergehenden Ausführungsformen werden die Durchgangslöcher 77 verwendet, um die Luftlücke AG in dem Trägerelement 50 auszubilden. Somit können die Durchgangslöcher 77 ohne einen zusätzlichen Prozess ausgebildet werden. Dementsprechend kann der Herstellungsprozess des Fabry-Perot-Interferometers 100 vereinfacht werden. Ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der vierten Ausführungsform ist nahezu dasselbe wie das Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der zweiten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass der Prozess zum Ausbilden des Resists 81 und der Prozess zum Verdünnen der Feder 78a durch den Abhebungsprozess in der vierten Ausführungsform nicht benötigt werden. Daher kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 der vierten Ausführungsform noch einfacher als das Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform hergestellt werden.
In einem Beispiel, das in den 14A–14C gezeigt ist, ist die niedrigbrechende Schicht 73a zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet, um die Elektroden 75a, 75b auszubilden. Alternativ können die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 ohne die niedrigbrechende Schicht 73a einen Kontakt zueinander aufweisen. Ein Grund dafür liegt darin, dass die Durchgangslöcher 77 in den Elektroden 75a, 75b nicht ausgebildet werden, so dass die Steifigkeit der Elektroden 75a, 75b ohne die niedrigbrechende Schicht 73a größer als diejenige der Federn 78a, 78b sein kann.
(Fünfte Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 15A–15C beschrieben. In den 15A, 15B sind die Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründe weggelassen. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der fünften Ausführungsform ähnelt dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform, die in den 8A–8C gezeigt ist. Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der fünften Ausführungsform sind die folgenden.
Gemäß der fünften Ausführungsform unterscheiden sich die Federn 78a, 78b hinsichtlich der Menge der dotierten Verunreinigungen voneinander, so dass die Federkonstante k2 der Feder 78b, die näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 78a angeordnet ist, kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann.
Wie es in den 15B, 15C gezeigt ist, werden die Federn 78a, 78b von der gestapelten Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 der Membran MEM in dem Umfangsbereich T1 ausgebildet. Die innere Spannung in der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ist eine Zugspannung, um ein Ausbeulen der Membran MEM zu verhindern. Die Menge an Verunreinigungen, die in die innere Feder 78b dotiert sind, ist größer als die Menge der Verunreinigungen, die in die äußere Feder 78a dotiert sind. Man beachte, dass die innere Spannung (d. h. Zugspannung) kleiner ist, so dass die Steifigkeit kleiner sein kann, wenn die Menge der dotierten Verunreinigungen größer ist. Das heißt, die Federkonstante ist kleiner, wenn die Menge der dotierten Verunreinigungen größer ist. Somit ist die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a. Mindestens eines aus der Menge der dotierten Verunreinigungen und der inneren Spannung muss eingestellt werden, um ein Ausbeulen der Membran MEM zu verhindern.
Auf diese Weise können die Federkonstanten der Federn 78a, 78b durch Ändern der Menge der dotierten Verunreinigungen auf einfache Weise eingestellt werden. Somit kann die Flexibilität bei dem Entwurf der Federkonstanten verbessert werden. Ähnlich wie in den vorangehenden Ausführungsformen sind die Verunreinigungen dotiert, um PN-Übergänge auszubilden, um die Elektroden 75a, 75b elektrisch gegeneinander zu isolieren. Daher können die Verunreinigungen ohne einen zusätzlichen Prozess in die Federn 78a, 78b dotiert werden. Dementsprechend kann der Herstellungsprozess des Fabry-Perot-Interferometers 100 vereinfacht werden.
Die Verunreinigungen können bzw. brauchen nur in die Feder 78b dotiert werden. Mit anderen Worten besteht kein Bedarf, Verunreinigungen in die Feder 78a zu dotieren. Sogar bei einem derartigen Ansatz kann die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein.
Wenn die feste Spiegelstruktur 30 mehrere Elektroden 35a, 35b aufweist, kann die Menge der Verunreinigungen, die in die innere Feder 78b dotiert werden, größer als die Menge der Verunreinigungen, die in die äußere Feder 78a dotiert werden, sein, so dass die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann. In diesem Fall kann sich ein Leitungstyp (beispielsweise P-Typ) der Verunreinigungen, die dotiert sind, um die Elektroden 35a, 35b gegeneinander zu isolieren, von einem Leitungstyp (beispielsweise N-Typ) der Verunreinigungen, die in die Federn 78a, 78b dotiert sind, unterscheiden.
Die Elektroden 75a, 75b werden durch Anordnen der niedrigbrechenden Schicht 73a zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet. Dadurch ist die Steifigkeit jeder der Elektroden 75a, 75b größer als die Steifigkeit der jeweiligen Federn 78a, 78b, obwohl Verunreinigungen in die Elektroden 75a, 75b dotiert sind.
(Sechste Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 16A–16C beschrieben. In den 16A, 16B sind die Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der sechsten Ausführungsform ähnelt dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform, die in den 8A–8C gezeigt ist. Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der sechsten Ausführungsform sind die folgenden.
Gemäß der sechsten Ausführungsform bestehen die Federn 78a, 78b aus unterschiedlichen Materialien, die einen unterschiedlichen Young'schen Modul aufweisen, so dass die Federkonstante k2 der Feder 78b, die näher bei der Mitte der Membran MEM als die Feder 78a angeordnet ist, kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a sein kann.
Insbesondere wird, wie es in 16C gezeigt ist, die innere Feder 78b als eine gestapelte Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und einer Harzschicht 85 ausgebildet, wohingegen die äußere Feder 78a als eine gestapelte Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet wird. Die Dicke der äußeren Feder 78a ist nahezu gleich der Dicke der inneren Feder 78b. Die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 bestehen beispielsweise aus Polysilizium, und die Harzschicht 85 besteht beispielsweise aus Polyimid. Der Young'sche Modul von Polysilizium (Silizium) beträgt etwa 160 GPa, und der Young'sche Modul von Polyimid beträgt etwa 10 GPa. Somit ist die Federkonstante k2 der Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der Feder 78a.
Außerdem ist gemäß der sechsten Ausführungsform die Dicke der Membran MEM über den gesamten Umfangsbereich T1 einheitlich. Bei einem derartigen Ansatz wird die Konzentration einer lokalen Spannung auf die Membran MEM während der Verschiebung der Membran MEM verringert, so dass die Membran MEM vor einer Beschädigung geschützt werden kann. Somit kann das Fabry-Perot-Interferometer 100 eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der sechsten Ausführungsform ist nahezu dasselbe wie das Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der zweiten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Harzschicht 85 auf der hochbrechenden Bodenschicht 71 ausgebildet wird, um die Feder 78b auszubilden, nachdem die hochbrechende obere Schicht 72 durch den Abhebungsprozess entfernt wurde.
Die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 können aus einem anderen Material als Polysilizium bestehen. Die hochbrechende Bodenschicht 71 und die hochbrechende obere Schicht 72 können beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen, das einen Young'schen Modul von etwa 300 GPa aufweist. Die Harzschicht 85 kann aus einem anderen Material als Polyimid bestehen. Die Harzschicht 85 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen, das einen Young'schen Modul von etwa 70 GPa aufweist.
(Siebte Ausführungsform)
Im Folgenden wird ein Fabry-Perot-Interferometer 100 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 17A–17C beschrieben. In den 17A, 17B sind die Durchgangslöcher 34, 74 und 77 aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Das Fabry-Perot-Interferometer 100 der siebten Ausführungsform ähnelt dem Fabry-Perot-Interferometer 100 der zweiten Ausführungsform, die in den 8A–8C gezeigt ist. Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der siebten Ausführungsform sind die folgenden.
Gemäß der siebten Ausführungsform wird die innere Feder 78b als eine gestapelte Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71, der hochbrechenden oberen Schicht 72 und der Luftschicht 73, die zwischen der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 angeordnet ist, ausgebildet, wohingegen die äußere Feder 78a als eine gestapelte Schicht aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 ausgebildet wird.
Bei einem derartigen Ansatz kann die Federkonstante k2 der inneren Feder 78b kleiner als die Federkonstante k1 der äußeren Feder 78a sein.
Außerdem werden gemäß der siebten Ausführungsform Verunreinigungen in mindestens eine aus der hochbrechenden Bodenschicht 71 und der hochbrechenden oberen Schicht 72 der Feder 78b stark dotiert. Somit neigt die Feder 78b weniger dazu, Licht durchzulassen, so dass eine Apertur durch die Feder 78b eingestellt werden kann. Daher kann die volle Breite bei einem halben Maximum (FWHM) der Wellenlängen des übertragenen bzw. durchgelassenen Lichts klein sein, so dass die Auflösung verbessert werden kann.
Ein Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der siebten Ausführungsform ist nahezu dasselbe wie das Verfahren zum Herstellen des Fabry-Perot-Interferometers 100 der zweiten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass der Prozess zum Ausbilden des Resists 81 und der Prozess zum Verdünnen der Feder 78a durch den Abhebungsprozess in der siebten Ausführungsform nicht benötigt werden und ein Prozess zum Entfernen der niedrigbrechenden Schicht 73a der Feder 78b in der siebten Ausführungsform benötigt wird. Insbesondere wird ein Durchgangsloch 86 in der hochbrechenden oberen Schicht 72 zu demselben Zeitpunkt ausgebildet, zu dem das Durchgangsloch 74 ausgebildet wird, und die niedrigbrechende Schicht 73a der Feder 78b wird unter Verwendung des Durchgangslochs 86 zu derselben Zeit entfernt, zu der die niedrigbrechende Schicht 73a des beweglichen Spiegels M2 unter Verwendung des Durchgangslochs 74 entfernt wird.
(Modifikationen)
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weisen beispielsweise wie folgt modifiziert werden.
In den Ausführungsformen ist das Substrat 10 ein Halbleitersubstrat mit der Isolierschicht 11. Das Substrat 10 ist nicht auf ein Halbleitersubstrat beschränkt. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein Isoliersubstrat wie beispielsweise ein Glassubstrat sein. Bei einem derartigen Ansatz kann die Isolierschicht 11 unnötig sein.
In den Ausführungsformen werden die Luftschichten 33, 37 als niedrigbrechende Schichten der Spiegel M1, M2 verwendet. Die niedrigbrechenden Schichten der Spiegel M1, M2 sind nicht auf eine Luftschicht beschränkt. Die niedrigbrechenden Schichten der Spiegel M1, M2 können beispielsweise eine feste oder flüssige Schicht, die beispielsweise aus Siliziumdioxid besteht, eine Gasschicht, die aus einem anderen Gas als Luft besteht, eine Solschicht, eine Gelschicht oder eine Vakuumschicht sein.
In den Ausführungsformen weist jede der Federn 78a, 78b und jede der Elektroden 75a, 75b eine kontinuierliche Ringgestalt oder eine C-Gestalt auf, so dass der Spektralbereich S1 von jeder der Federn 78a, 78b und jeder der Elektroden 75a, 75b unabhängig umgeben sein kann. Die Gestalt jeder der Federn 78a, 78b und jeder der Elektroden 75a, 75b ist nicht auf eine kontinuierliche Ringgestalt oder eine C-Gestalt beschränkt. Mindestens eine aus den Federn 78a, 78b und den Elektroden 75a, 75b kann separate Abschnitte aufweisen, und die separaten Abschnitte können mit einem Abstand um den Spektralbereich S1 angeordnet sein. Wenn die Elektroden 75a, 75b derartige separate Abschnitte aufweisen, wird ein Verbindungselement wie beispielsweise ein Draht zum elektrischen Verbinden der separaten Abschnitte miteinander benötigt.
In den Ausführungsformen sind mehrere Elektrodenpaare elektrisch gegeneinander isoliert, um eine Spannung an jedes Elektrodenpaar unabhängig anzulegen. Bei einem derartigen Ansatz können sich Spannungen, die an die Elektrodenpaare angelegt werden, voneinander unterscheiden, so dass sich elektrostatische Kräfte, die in den Elektrodenpaaren erzeugt werden, voneinander unterscheiden können. Man beachte, dass die elektrostatische Kraft, die in dem Elektrodenpaar erzeugt wird, proportional zu dem überlappenden Bereich des Elektrodenpaars ist. Daher können die überlappenden Bereiche der Elektrodenpaare unterschiedlich ausgebildet werden, anstatt dass die Spannungen, die an die Elektrodenpaare angelegt werden, voneinander unterschieden werden. Bei einem derartigen Ansatz können sich die elektrostatischen Kräfte, die in den Elektrodenpaaren erzeugt werden, sogar wenn dieselbe Spannung an die Elektrodenpaare angelegt wird, voneinander unterscheiden. Da kein Bedarf besteht, die Elektrodenpaare voneinander zu unterscheiden, kann in diesem Fall die Verdrahtung vereinfacht werden. Zusätzlich zu den unterschiedlichen Spannungen, die an die Elektrodenpaare angelegt werden, können sich die überlappenden Bereiche der Elektrodenpaare voneinander unterscheiden.
In den Ausführungsformen wird die bewegliche Spiegelstruktur 70 durch das Trägerelement 50 oberhalb der festen Spiegelstruktur 30 getragen. Alternativ kann ein Abschnitt der beweglichen Spiegelstruktur 70 außerhalb der Membran MEM einen Kontakt zu der festen Spiegelstruktur 30 aufweisen, so dass die bewegliche Spiegelstruktur 70 durch den Abschnitt oberhalb der festen Spiegelstruktur 30 getragen werden kann. Bei einem derartigen Ansatz kann das Trägerelement 50 nicht notwendig sein. In diesem Fall wird eine Opferschicht auf nur einem Abschnitt der hochbrechenden oberen Schicht 32, der gegenüber der Membran MEM angeordnet ist, in dem Herstellungsprozess ausgebildet werden. Dann wird die bewegliche Spiegelstruktur 70 ausgebildet, so dass die Opferschicht mit der beweglichen Spiegelstruktur 70 bedeckt werden kann. Dann wird die Opferschicht durch Ätzen vollständig entfernt, um die Luftlücke AG auszubilden.
Derartige Änderungen und Modifikationen sind als innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, der durch die zugehörigen Ansprüche definiert wird, liegend zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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JP 2008-134388 A [0002]
JP 2010-8644 A [0006, 0006]
JP 2008-517784 A [0006]
US 2008/0135385 [0006, 0006]

Claims

Fabry-Perot-Interferometer, das aufweist: eine feste Spiegelstruktur (30), die einen festen Spiegel (M1) in einem Spektralbereich (S1) aufweist; und eine bewegliche Spiegelstruktur (70), die eine bewegliche Membran (MEM) enthält, die der festen Spiegelstruktur mit einem Abstand gegenüberliegt, wobei die Membran in dem Spektralbereich einen beweglichen Spiegel (M2) aufweist, wobei die Membran mehrere Federn (78a, 78b) in einem Umfangsbereich (T1) außerhalb des Spektralbereichs aufweist, wobei die Federn umeinander um den Spektralbereich angeordnet sind, eines aus der festen Spiegelstruktur und der Membran mehrere erste Elektroden (35a, 35b, 75a, 75b) in dem Umfangsbereich aufweist, das andere aus der festen Spiegelstruktur und der Membran mindestens eine zweite Elektrode (35a, 35b, 75a, 75b) in dem Umfangsbereich aufweist, die ersten Elektroden und die mindestens eine zweite Elektrode einander gegenüberliegend angeordnet sind, um mehrere gegenüberliegende Elektrodenpaare auszubilden, die umeinander um den Spektralbereich angeordnet sind, eine Anzahl der Federn gleich einer Anzahl der gegenüberliegenden Elektrodenpaare ist, die Federn eine erste Feder (78a) und eine zweite Feder (78b), die in einer Richtung von einer Außenkante der Membran zu der Mitte der Membran näher bei einer Mitte der Membran als die erste Feder angeordnet ist, aufweisen, eine Federkonstante (k2) der zweiten Feder kleiner als eine Federkonstante (k1) der ersten Feder ist, die gegenüberliegenden Elektrodenpaare ein erstes Elektrodenpaar und ein zweites Elektrodenpaar aufweisen, eine erste Spannung (V1) an das erste Elektrodenpaar während einer ersten Periode angelegt wird, um eine erste elektrostatische Kraft zu erzeugen, eine zweite Spannung (V2) an das zweite Elektrodenpaar während einer zweiten Periode angelegt wird, um eine zweite elektrostatische Kraft zu erzeugen, und die erste Periode die zweite Periode überlappt, so dass die Membran während der überlappenden Periode durch sowohl die erste elektrostatische Kraft als auch die zweite elektrostatische Kraft verschoben wird.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, wobei eine der Federn näher bei der Außenkante der Membran als die jeweiligen gegenüberliegenden Elektrodenpaare angeordnet ist, die Federn und die gegenüberliegenden Elektrodenpaare abwechselnd in der Richtung von der Außenkante der Membran zu der Mitte der Membran angeordnet sind, wenn die Membran die ersten Elektroden aufweist, eine Steifigkeit jeder der ersten Elektroden größer als eine Steifigkeit der jeweiligen Federn ist, und wenn die Membran die mindestens eine zweite Elektrode aufweist, eine Steifigkeit der mindestens einen zweiten Elektrode größer als die Steifigkeit der jeweiligen Federn ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, wobei die Membran mehrere erste Elektroden aufweist, und jede der ersten Elektroden als eine entsprechende Feder dient.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zweite Elektrodenpaar innerhalb des ersten Elektrodenpaars angeordnet ist, die erste Feder durch die erste elektrostatische Kraft, die von dem ersten Elektrodenpaar bei Anlegung der ersten Spannung erzeugt wird, verformt wird, und die zweite Feder hauptsächlich durch die zweite elektrostatische Kraft, die durch das zweite Elektrodenpaar bei Anlegung der zweiten Spannung erzeugt wird, verformt wird.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Federkonstante der ersten Feder siebenmal oder mehr größer als die Federkonstante der zweiten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Membran Durchgangslöcher (84a, 84b) definiert, die bewirken, dass die Federn eine Balkenstruktur aufweisen, und die Federn sich in zumindest einem aus einer Anzahl der Balken, die in der Balkenstruktur enthalten sind, einer Länge jedes Balkens in einer Richtung von der Außenkante der Membran zu der Mitte der Membran und einer Breite jedes Balkens derart voneinander unterscheiden, dass die Federkonstante der zweiten Feder kleiner als die Federkonstante der ersten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Federn ein Durchgangsloch (77) aufweisen, und die Federn sich in zumindest einem aus einer Größe und einer Dichte des Durchgangslochs derart voreinander unterscheiden, dass die Federkonstante der zweiten Feder kleiner als die Federkonstante der ersten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Federn einen mit einer Verunreinigung dotierten Abschnitt aufweisen, und die Federn sich hinsichtlich einer Konzentration des mit einer Verunreinigung dotierten Abschnitts derart voneinander unterscheiden, dass die Federkonstante der zweiten Feder kleiner als die Federkonstante der ersten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Federn eine unterschiedliche Dicke derart aufweisen, dass die Federkonstante der zweiten Feder kleiner als die Federkonstante der ersten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Federn einen unterschiedlichen Young'schen Modul derart aufweisen, dass die Federkonstante der zweiten Feder kleiner als die Federkonstante der ersten Feder ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die erste Feder eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine erste Schicht (71) und eine zweite Schicht (72) auf der ersten Schicht enthält, die zweite Feder eine Dreischichtstruktur aufweist, die eine dritte Schicht (71), eine vierte Schicht (73) auf der dritten Schicht und eine fünfte Schicht (72) auf der vierten Schicht enthält, die erste Schicht, die zweite Schicht, die dritte Schicht und die fünfte Schicht jeweils eine dünne Halbleiterschicht aus mindestens einem aus Silizium und Germanium sind, die vierte Schicht eine Luftschicht ist, und ein Brechungsindex der vierten Schicht kleiner als ein Brechungsindex jeweils der ersten Schicht, der zweiten Schicht, der dritten Schicht und der fünften Schicht ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 11, wobei mindestens eine aus der dritten Schicht und der fünften Schicht der zweiten Feder einen mit einer Verunreinigung dotierten Abschnitt aufweist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 1, wobei die feste Spiegelstruktur auf einem Substrat (10) angeordnet ist, der feste Spiegel und der bewegliche Spiegel jeweils eine erste Schicht (31), eine zweite Schicht (33) auf der ersten Schicht und eine dritte Schicht (32) auf der zweiten Schicht aufweisen, die erste Schicht und die dritte Schicht jeweils eine dünne Halbleiterschicht aus mindestens einem aus Silizium und Germanium sind, ein Brechungsindex der zweiten Schicht kleiner als ein Brechungsindex jeweils der ersten Schicht und der dritten Schicht ist, jede Elektrode der gegenüberliegenden Elektrodenpaare der festen Spiegelstruktur eine gestapelte Schicht aus der ersten Schicht und der dritten Schicht aufweist, und die gestapelte Schicht einen mit einer Verunreinigung dotierten Abschnitt aufweist.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 13, wobei die gegenüberliegenden Elektrodenpaare elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 14, wobei die ersten Elektroden durch einen PN-Übergang elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach Anspruch 14, wobei die ersten Elektroden durch einen Graben elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 14–16, wobei die feste Spiegelstruktur mehrere erste Elektroden aufweist, die Membran eine zweite Elektrode aufweist, und die ersten Elektroden elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 13–17, wobei die gegenüberliegenden Elektrodenpaare einen unterschiedlichen gegenüberliegenden Bereich aufweisen.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 13–18, wobei die zweite Schicht eine Luftschicht ist.
Fabry-Perot-Interferometer nach einem der Ansprüche 13–19, wobei jede Elektrode in der Membran eine vierte Schicht (73a) aufweist, die zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht angeordnet ist, ein Brechungsindex der vierten Schicht kleiner als der Brechungsindex jeweils der ersten Schicht und der dritten Schicht ist, und die vierte Schicht ein Feststoff ist.