CN101101370A

CN101101370A - 隐藏铰链微机电装置

Info

Publication number: CN101101370A
Application number: CNA2006101054273A
Authority: CN
Inventors: 彼得·伊诺克森; 马丁·布林格
Original assignee: Micronic Laser Systems AB
Current assignee: Micronic Laser Systems AB
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-09

Abstract

本发明提供了一种微机电装置的制造方法，所述方法包括：通过从基板除去材料而在所述基板中界定至少一个隐藏支撑；将所述至少一个隐藏支撑贴附到包括至少一个致动电极的晶片，所述致动电极能致动所述基板的至少一部分，其中所述基板的旋转轴基本垂直于所述隐藏支撑。

Description

隐藏铰链微机电装置

技术领域

本发明总体而言涉及一种形成集成装置例如半导体装置的技术，且具体而言涉及一种具有隐藏铰链的微镜的制造方法及包括这样的微镜的空间光调制器。

背景技术

在当前技术中制造美国专利4566935、美国专利4710732、美国专利4956619的微镜型的空间光调制器(SLM)是公知的。通常采用制造集成装置例如微镜SLM的两个主要原理。

制造完成状态的集成电路(IC)，然后在所述IC上制造微镜。该微镜建立在IC晶片上。此方法的优点在于可以使用所谓的IC代工厂，这代表非常高效的电子器件晶片制造。缺点在于材料和可用于制造微镜的方法的选择非常受限，因为存在约400℃的温度上限，在该温度以上电子器件将被破坏。这使得制造具有最佳性能的微镜更加困难。

建立微镜SLM的另一方法是在制造IC工艺的末尾，可以在同一晶片上开始微镜的制造。此方法的优点在于材料、制造具有良好性能微镜的方法和温度的选择具有较大自由度。缺点在于不能在标准IC代工厂制造该IC晶片，因为它们在制造工艺上具有非常严格的要求，以便能在工艺中保持质量。

建立微镜SLM的再一方法是在第一晶片上制造IC和在第二晶片上制造微镜阵列。所述第一和第二晶片可以通过结合方法彼此贴附。此方法的一个问题是对所述第一和第二晶片之间对准的严格要求，不对准可能影响一个或几个像素的功能。

由于铝的良好光学性能，SLM中的微镜可以由铝制成。然而，使用由铝制成的反射镜具有一些缺点，例如：镜可能不能完全平坦；镜高度可能在镜之间有所不同；镜在倾斜时可能弯折；镜在倾斜时可能下垂；镜可能具有彼此不同的预偏转(predeflection)；铰链可能具有滞弹性(anelastic)性能。

因此，本领域需要微电子/机械/光学集成装置的改进制造方法。

发明内容

考虑到上述背景，制造集成装置例如微镜SLM的方法对于该装置的性能是关键的。

因此，本发明的目的是提供一种集成装置的改进的制造方法和/或设计，其克服或至少减少上述问题。

在示范性实施例中，本发明提供了一种制造微机电MEMS装置的方法，该方法包括：通过从基板除去材料而在所述基板中界定至少一个隐藏支撑；将所述至少一个隐藏支撑贴附到包括至少一个致动电极(actuation electrode)的晶片，所述致动电极能致动所述基板的至少一部分，其中所述基板的旋转轴基本垂直于所述隐藏支撑。

在另一示范性实施例中，本发明提供了一种微机电装置，该装置包括具有至少一个反射表面的基板；至少一个隐藏支撑，由与所述基板相同的材料形成；设置在所述晶片上能致动所述反射表面的至少一个致动电极，其中所述晶片连接到所述基板且所述反射表面的旋转轴基本垂直于所述隐藏支撑。

附图说明

为了对本发明及其优点的更完整的理解，通过下面结合附图的描述提供了参考，在附图中：

图1-20按照连续顺序示出了根据本发明制造具有隐藏铰链的微镜的工艺步骤的示范性实施例；

图21示出了根据本发明的微镜的示范性实施例的3D视图；

图22-32示出了本发明的微机电装置的发明制造工艺的另一示范性实施例；以及

图33-40示出了根据本发明的工艺步骤的示范性实施例的掩模图案，其中虚线为剖面线。

具体实施方式

为了此申请的目的，术语“晶片”和“基板”可互换地使用，它们之间的差别仅在于其尺度。

根据本发明的方法特别适用于制造微镜空间光调制器。然而，其可以应用于多种微机电装置、热探测器和非热探测器装置例如量子阱探测器、热电(pyroelectric)探测器、测辐射热仪等，但不限于此。当不能在具有另一结构(例如转向(steering)电子装置)的基板上直接处理/构图/沉积一结构(例如微镜阵列)时，本发明特别适用。例如，如果设置在所述基板上的结构对于将在其上提供的结构的处理的工艺温度敏感，或者当该基板是多晶体且在该基板上生长的元件必须是单晶时，情况如此。

图1示意性地示出了根据形成具有隐藏铰链的MEMS装置的本发明的示范性实施例的第一工艺步骤。隐藏铰链是当从上面例如顶部观察MEMS装置时被所述MEMS装置中的反射表面隐藏了的铰链。开始材料是晶片130，其由单晶硅或SOI(绝缘体上硅)制成。在所述晶片130顶上设置有例如氧化硅的掩模材料层120。所述掩模材料层120可以被抗蚀剂膜110至少部分覆盖。在所述第一工艺步骤中，可以采用标准光刻工艺在掩模材料120中界定铰链140。可以是CF₄的反应离子蚀刻RIE可以用于除去抗蚀剂膜110和下面的掩模材料120的暴露区域。

在基板130中铰链的界定可以通过使用深反应离子蚀刻(DRIE)而进行(图2)。在所述基板130中界定铰链之前，抗蚀剂膜110可以在抗蚀剂移除器中被除去。在基板130中的铰链界定之前，所述基板可以浸在2％的HF中。DRIE可以是公知的Bosch工艺。最简化的工艺仅包括各向异性DRIE蚀刻，之后跟随各向同性RIE以形成铰链。在所述基板130中的铰链界定之前，氧化硅层150可以设置在所述基板130相对于界定所述铰链处的相对侧，作为选择，所述氧化硅层150可以在基板130中的所述铰链界定之后设置在所述相对侧。

在下面的步骤中，可以进行对处理过的表面的钝化(图2)。可以进行干氧化以释放局域氧化期间在硅中的应力(在图3中未示出)。所述氧化是可选的以提高精度并减少表面粗糙。可以进行氮化硅的PECVD(等离子增强化学气相沉积)以作为后续LOCOS(硅的局域氧化)步骤中的氧化屏障。可以进行作为蚀刻保护的氧化硅170的PECVD，作为后续DRIE步骤中的保护。

在图4中，除去了水平表面上的钝化层(氮化硅160和氧化硅170)，并界定了基板130中铰链的长度。钝化层可以通过高方向性(低压和高射频功率)的RIE方法除去。基板130的露出的表面可以通过DRIE(Bosch工艺)的方法蚀刻，从而界定所述铰链的所述长度。

在下面的步骤中，如图5所示，进行热氧化以界定铰链的宽度。LOCOS可以用于把铰链中的基板130的部分转变为氧化硅180。

在图6中，除去了钝化层和掩模材料并进行基板的平坦化。钝化层160、170、180和掩模材料120可以在BOE(缓冲氧化蚀刻)中被蚀刻掉。聚酰亚胺(PI)190可以旋转施加在基板130顶部以填充其中的腔。可以使用减小的压力或真空以确保所述PI将填充所述腔。所述PI可以在提高的温度下被硬化。可以用O₂等离子体除去不希望的PI。

掩模材料200沉积在所述基板130顶部上(图7)。所述掩模材料可以是铝且可以通过蒸发进行沉积。

在所述掩模材料顶部上，可以提供抗蚀剂膜。标准光刻可以在基板130中界定区域220，在该处将界定镜分离沟槽(见图8)。在暴露的抗蚀剂下面的铝可以通过RIE(SiCL₄/Cl₂)除去。还可以通过使用具有沟槽(通常填充有氧化物)的SOI晶片而将分离沟槽作为电子设备的沟槽隔离的第一步骤形成。

未暴露的抗蚀剂膜可以通过丙酮除去。在掩模材料200和所述释放的基板130的顶部上，提供氧化硅层(见图9)。所述层可以通过PECVD方法提供。

在所述氧化硅层230顶部上，提供抗蚀剂层245。标准光刻可以在掩模材料230(氧化硅)中限定镜分离沟槽240和电极沟槽250。氧化硅230可以通过例如CF₄的RIE方法蚀刻。

在图11中，镜分离沟槽260已经形成在基板130中。抗蚀剂245已经通过使用例如丙酮而除去。所述基板130中的所述镜沟槽260可以通过使用Bosch工艺而形成。

在图12中，已经界定了铝层中的电极沟槽255。所述电极沟槽可以通过例如SiCl₄/Cl₂的RIE方法界定。

在图13中PI已经被引入所述镜沟槽260中。不希望的PI可以通过使用O₂等离子体除去。

在图14中已经在基板130中形成电极沟槽257。所述电极沟槽257可以通过使用Bosch工艺而形成。

在图15中，已经等离子增强化学气相沉积了氧化硅270，以作为后续各向同性DRIE步骤中的蚀刻保护。

在图16中，已经除去了水平表面上的钝化层270。可以通过使用RIE除去所述钝化层。

在图17中释放了底部结构(foot structure)。通过铰链之间材料的下蚀刻进行了基板130的各向同性RIE(也可以由湿法各向同性或各向异性蚀刻取代)，以释放镜的底部。通过除去铰链之间的材料，可以大大减小把镜偏转到某偏转状态的施加的致动力。各向同性蚀刻也除去镜中不必要的材料即减轻了其重量，其可以影响把镜从一个状态置于另一状态的速度及其自身振荡频率。

在图18中，已经除去了钝化层230、270和掩模层200。这些层可以通过BOE方法除去。

在图19中，具有致动电子装置310的基板300已经贴附到所述基板130。至少一个铰链贴附到所述基板300。该基板300具有用于贴附所述铰链的升高的结构320(作为选择可以降低基板130的电极区)。除了所述升高的结构320之外，提供致动电子装置310。这里可以容易地看出，存在基板130贴附到所述基板300的大的贴附区。即使所述两基板之间存在轻微不匹配，仍然可以进行成功的贴附。所述贴附可以是低温氧等离子体辅助结合、粘结结合(胶合)、锡焊、共晶焊接、熔焊(直接结合)、玻璃釉料结合、阳极结合。

在图20中，掩埋氧化物280已经从基板130除去。该掩埋的氧化物可以通过BOE方法除去。镜132可以通过除去PI而释放。PI可以通过使用O₂等离子体除去。从图20可以看出镜结构相当硬。这是由于将大大影响镜表面刚性和平坦性的垂直部分136。铰链134可以根据希望设计为硬的或软的。镜可以由纯单晶材料制成，例如硅。镜的其他可选材料可以是多晶硅、石英、III-V族材料、SiC。为了提高电导，如果所述镜材料由半导体材料形成，则可以掺杂镜材料。面对基板300中的电子设备的表面可以涂覆有导电材料。

图22-32图示了本发明的MEMS器件的制造工艺的另一可选实施例。在图22中，初始材料是晶片130，其可以由单晶硅或SOI制成。在所述晶片130表面上设置有例如氧化硅的掩模材料层120。所述掩模材料120可以被抗蚀剂膜110至少部分覆盖。在所述第一工艺步骤中，可以采用标准光刻工艺在掩模材料120中界定沟槽隔离300。可以是CF₄的RIE(反应离子蚀刻)可以用于除去抗蚀剂膜110和下面的掩模材料120的暴露区域。

在基板130中的沟槽隔离界定可以通过DRIE(深RIE)进行。在所述沟槽隔离300界定在所述基板130中之前，所述抗蚀剂膜110可以在抗蚀剂移除器中被除去。在基板130中的铰链界定之前，所述基板可以浸在2％的HF中。DRIE可以是公知的Bosch工艺。最简化的工艺仅包括各向异性DRIE蚀刻，之后跟随各向同性RIE以形成所述沟槽。在所述基板130中界定所述沟槽之前，氧化硅层150可以设置在所述基板130相对于将界定所述沟槽300处的相对侧，作为选择所述氧化硅层150可以在基板130中界定所述沟槽之后设置在所述相对侧。

可以通过首先在基板130顶部上旋转施加聚酰亚胺(PI)310填充其中的腔而填充所述沟槽300。可以采用减小的压力或真空以确保所述PI将填充所述腔。所述PI可以在升高的温度被硬化。不希望的PI可以用O₂等离子体除去，见图24。

图25-29示出了用于界定掩埋或隐藏铰链的工艺步骤。在图25中，可以采用标准光刻在掩模材料120中界定入口孔310。可以是CF₄的RIE(反应离子蚀刻)可以用于除去抗蚀剂膜110和下面的掩模材料120的暴露区域。

在图26中，干法蚀刻可以用于在基板130中界定孔320。在所述孔已经界定在所述基板130中之后，可以进行所述抗蚀剂110的剥离。在抗蚀剂剥离之后，可以沉积氧化物层以在所述孔320中设置氧化物层。

在图27中，干法蚀刻可以用于蚀刻所述氧化物层的水平表面。

在图28中，各向同性干法蚀刻可以用于在所述基板130中产生腔330和掩埋铰链340。在图29中，已经在BOE中除去了氧化物层。在图30中，示出了可选的结构剖面图，该剖面图在图30的左边示出。在图31中，基板130可以结合到具有致动电极410的晶片400。氧化物层150可以通过BOE方法除去，且聚酰亚胺通过O₂等离子体中的干法蚀刻除去，见图32。

图21示出了根据本发明的镜结构132的示范性实施例的透视图。所述镜结构包括镜表面135、支撑134、腔131、底座元件136、第一支腿142和第二支腿144。镜结构132可以具有至少一个与初始基板130一样厚的剖面，该厚度在此具体实施例中可以是从镜表面135到静电吸引表面145、147的距离。这可以赋予镜结构好的机械性质例如高刚度，即反射镜表面在处于偏转位置时基本是刚性的。支撑134可以是细柱。支撑可以支撑反射镜结构132且同时充当铰链。在图21中示出的示范性实施例中，设置所述支撑使得旋转轴基本处于结构的中间。在可选的示范性实施例中，所述旋转轴可以设置得偏离中心，这可以通过把所述支撑从中心位置偏移而实现。镜表面135的旋转轴可以平行于镜表面并垂直于所述支撑134。

底座元件136和支撑134可以代表隐藏铰链。在另一实施例中，底座元件136被最小化，从而仅支撑134代表隐藏铰链(隐藏支撑)。所述柱的剖面可以是多边形，例如三角形或矩形。底座元件136可以贴附到支撑134。底座元件134的表面可以贴附到另一表面，例如具有转向电子装置的晶片。支腿142、144可以具有基本垂直于镜表面135的表面146、148。腔131可以通过根据上述示范性实施例的各向同性蚀刻工艺而形成。镜结构132可以被掺杂。掺杂优选在界定腔131和支撑134之前进行，即可以对用于界定所述镜结构的基板掺杂。在此实施例中，静电吸引表面147可以用于顺时针旋转镜结构132。静电吸引表面145可以用于逆时针旋转镜结构132，即所述结构可以从非致动状态顺时针或逆时针旋转。与静电吸引表面145、147相比，底座元件136的表面143可以处于另一水平。

在上面公开的实施例中，镜元件的致动是静电的。然而，致动镜元件的其他方法是可能的，例如本领域的技术人员公知的热、压电或磁。

因此，虽然已经公开了结合元件以形成集成装置的方法的具体实施例，但本发明并非旨在将这些具体的参考作为对本发明范围的限制，本发明的范围由权利要求限定。此外，结合本发明的特定实施例描述了本发明，这应该理解为进一步的改进可能启发本领域的技术人员，本发明旨在覆盖所有这些落入所附权利要求范围内的改进。

Claims

1、一种微机电装置的制造方法，所述方法包括：

通过从基板除去材料而在所述基板中界定至少一个隐藏支撑；

将所述至少一个隐藏支撑贴附到包括至少一个致动电极的晶片，所述致动电极能致动所述基板的至少一部分，

其中所述基板的旋转轴基本垂直于所述隐藏支撑。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述隐藏支撑基本垂直于所述背表面或前表面。

3、根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在所述基板中界定至少一个镜，其中所述镜和和所述至少一个隐藏支撑中的至少一个彼此连接。

4、根据权利要求1所述的方法，其中所述隐藏支撑通过结合方法连接到所述晶片。

5、根据权利要求1所述的方法，其中所述基板是单晶基板。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述微机电装置是空间光调制器。

7、根据权利要求5所述的方法，其中所述空间光调制器中的镜结构具有基本等于基板厚度的厚度。

8、根据权利要求7所述的方法，其中所述镜结构当被偏转时基本是刚性的。

9、根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在所述背表面或前表面顶部形成反射材料的层。

10、根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

掺杂单晶材料的所述基板。

11、根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

通过氧化和/或蚀刻工艺步骤控制所述隐藏支撑的尺度。

12、根据权利要求1所述的方法，其中所述反射表面能从非致动状态在第一和第二方向转动。

13、根据权利要求1所述的方法，其中所述致动电极能静电、磁力、压电或热地致动所述基板的至少一部分。

14、一种微机电装置，包括：

基板，具有至少一个反射表面；

至少一个隐藏支撑，由与所述基板相同的材料形成；

设置在所述晶片上能致动所述反射表面的至少一个致动电极，其中所述晶片连接到所述基板且所述反射表面的旋转轴基本垂直于所述隐藏支撑。

15、根据权利要求14所述的微机电装置，其中所述隐藏支撑基本垂直于所述反射表面。

16、根据权利要求14所述的微机电装置，其中所述微机电装置是空间光调制器。

17、根据权利要求16所述的微机电装置，其中所述空间光调制器包括至少一个镜元件，其基本具有反射表面。

18、根据权利要求17所述的微机电装置，其中所述至少一个镜元件可以通过弯曲所述隐藏支撑而偏转，同时所述至少一个镜元件当被偏转时基本保持刚性。

19、根据权利要求16所述的微机电装置，其中所述空间光调制器包括至少一个镜元件，其表面具有衍射性能。

20、根据权利要求19所述的微机电装置，其中所述至少一个镜元件可以通过弯曲所述隐藏支撑而偏转，同时所述至少一个镜元件当被偏转时基本保持刚性。

21、根据权利要求14所述的微机电装置，其中所述基板是掺杂的。

22、根据权利要求14所述的微机电装置，其中所述反射表面能从非致动状态在第一和第二方向转动。

23、根据权利要求14所述的微机电装置，其中所述致动电极能静电、磁力、压电或热地致动所述基板的至少一部分。