CN102388165A - 具有集成通路和间隔的mems器件 - Google Patents

具有集成通路和间隔的mems器件 Download PDF

Info

Publication number
CN102388165A
CN102388165A CN2010800085404A CN201080008540A CN102388165A CN 102388165 A CN102388165 A CN 102388165A CN 2010800085404 A CN2010800085404 A CN 2010800085404A CN 201080008540 A CN201080008540 A CN 201080008540A CN 102388165 A CN102388165 A CN 102388165A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
base substrate
lower floor
mems
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800085404A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102388165B (zh
Inventor
罗伯特·奥斯特罗姆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Capella Photonics Inc
Original Assignee
Capella Photonics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Capella Photonics Inc filed Critical Capella Photonics Inc
Publication of CN102388165A publication Critical patent/CN102388165A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102388165B publication Critical patent/CN102388165B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0841Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00095Interconnects
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0866Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by thermal means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04Optical MEMS
    • B81B2201/045Optical switches
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05Type of movement
    • B81B2203/058Rotation out of a plane parallel to the substrate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/09Packages
    • B81B2207/091Arrangements for connecting external electrical signals to mechanical structures inside the package
    • B81B2207/094Feed-through, via
    • B81B2207/096Feed-through, via through the substrate
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明公开了MEMS器件和制造方法。具有夹在上层和下层之间的绝缘层的底部衬底可以粘合至器件层。可以选择性地去除上层的一个或多个部分,以形成一个或多个器件空腔。导电通路可以在位于所述一个或多个器件空腔之下的位置处穿过下层形成,并与下层电绝缘。器件可以由器件层形成。每个器件覆盖在对应的器件空腔上。每个器件可以通过由器件层形成的一个或多个对应的铰链连接至器件层的剩余部分。一个或多个电触点可以形成在下层的背侧。每个触点电连接至对应的导电通路。

Description

具有集成通路和间隔的MEMS器件
要求优先权
本申请要求于2009年2月25日递交的美国专利申请序列号12/392,947的优先权权益,通过参考将该美国专利申请的全部内容结合于此。
技术领域
本发明的实施方式涉及MEMS器件的MEMS制造工艺,其用于在使用灵活的后续制造工艺精确地控制间隔的同时实现高的互连密度。更特别地,本发明的实施方式涉及形成MEMS器件阵列的方法。
背景技术
目前,MEMS双轴反射镜包括精密间隔和电极层。这已经通过多晶片粘合工艺进行,导致差的制造产出。本发明用一个间隔-通孔衬底代替间隔-电极叠层。该工艺允许多种粘合方法用于后续工艺,因此降低制造工艺的复杂性并改善整体成品率。MEMS技术在光学器件领域中被应用,在光学器件中10μm-500μm量级的小尺寸反射镜(微镜)可以由外加电压致动。关于反射镜结构存在大量现有技术(发现的文献)。通常,两轴反射镜更加有用,因为反射镜可以沿二维方向操纵光束。通常,这些设计包括具有双连环的双铰链。存在两种分类致动器结构。第一种分类是使致动器位于MEMS反射镜层的相同表面但位于光学区域之外。这些类型的致动器的例子包括梳状驱动或热致动器。第二种分类是使致动器位于MEMS反射镜下方。这些类型的致动器通常是静电式的。第二种分类的结构在要求高填充因子和/或高密度反射镜的应用中更加普遍地采用。这些结构的一个例子在美国专利6,984,917中描述,并在图1中图示了。
如图1所示,反射镜1和框架2由同一片材形成。反射镜1通过由所述片材形成的薄层构件3连接至框架2。薄层构件3沿着垂直于图1中的平面延伸的旋转轴线放置。薄层构件3用作扭簧铰链。反射镜1被悬挂在空腔4的上方,以便它自由旋转。电极5A和5B设置在空腔4中。电极5A和5B支撑反射镜1的一部分,其中在由薄层构件3限定的旋转轴线的每一侧具有一个电极。
当在反射镜1和下面的电极5A、5B中的一个之间时施加电位,支架围绕其旋转轴线向着带电电极旋转离开平面,即离开由支撑框架2限定的平面。由薄层构件3形成的扭转力倾向于抵消吸引电极和支架之间的静电力。反射镜1可以围绕由薄层构件3限定的轴线旋转角度
Figure BDA0000084608300000021
,角度
Figure BDA0000084608300000022
取决于施加至带电电极的电压、反射镜和电极的间距以及铰链的抗扭刚度。旋转方向取决于哪一个电极带电。例如,如果在反射镜1和电极5B之间施加电位,反射镜1围绕轴线X旋转离开框架2的平面,使得反射镜1的位于电极5B上的部分朝向该电极向下移动。
在图1中示出的类型的器件中,电极5A和5B应当彼此电分离,以避免在施加电压时在它们之间的大电流。实际上,为了允许反射镜沿图1中的顺时针和逆时针方向倾斜,需要两个电极。对于双轴操作,需要3或4个电极。为了简化控制算法,通常每个反射镜采用4个电极。
由于该器件通过静电力操作,电极和反射镜之间的物理间隙非常关键。需要以高精度控制该间隙以确保器件性能。典型地,在间隙较小的情况下,需要较低的电压将反射镜倾斜至某个角度。然而,最大角度(在搭扣行为发生之前)较小。在间隙较大的情况下,将反射镜倾斜至某个角度需要较高的电压,但最大角度也增大。因此,对于每种应用存在最佳间隙。
虽然贯穿晶片(though-wafer)互连在商业上是可用的,但在没有这种集成间隔的情况下集成方案不可用。为了接近位于MEMS镜之下的电极,使用专用电极层来与没有MEMS镜的区域电接触,随后从顶部结构开始进行通道或接近刻蚀(access etch)。这消耗晶片上形成MEMS反射镜的区域的大量部分,这降低每个晶片的管芯的数量。采用商业上可用的通孔或贯穿晶片互连可以改变从横向到垂直的互连方向。然而,不能以足够用于器件操作的厚度精度集成间隔层。结果是,将集成间隔与垂直互连衬底结合提供了大范围的工艺自由余地。竞争者将必须在通孔晶片的顶部上构建间隔层。工艺和材料的选择将限制后续工艺的选择。例如,如果选择有机材料,则后续工艺温度将受限。
在多种应用中,要求高密度的微镜,无论是1×N形式还是N×M形式。反射镜的数量增加控制电极的数量。对于双轴操作,对于每个微镜可能需要3或4个电极。因此,例如,对于10×10微镜阵列,电极的数量会大到300至400。
如在图1中看到的那样,电极位于微镜之下。因此,在至电极的粘合垫之间必须存在电连接(互连)。在大多数情况中,粘合垫的尺寸大于微镜的尺寸。这导致整个管芯的可用面积是整个管芯面积的一小部分,因此极大地降低每个晶片的管芯的数量。作为图示这种问题的例子,图2示出了MEMS 1×N微镜阵列的顶视图。由于微镜的间距通常比用于标准引线粘合工艺的粘合垫的间距窄,扇出形的互连区域6用来电连接光学区域7和粘合垫区域8。如从图2可以看到的那样,通过这种方法不能完全利用MEMS晶片的真实有用区域。解决前述真实有用区域的一种方法是,通过将粘合垫区域8的电极触点放在MEMS晶片的背侧、使用通过焊料凸起工艺进行至驱动器电子元件的电连接,沿垂直方向进行互连。为用于硅(Si)CMOS的倒装晶片组装而开发的焊料凸起工艺提供了高得多的互连密度。为了进行垂直电接触,可行的是集成商业上可用的贯穿晶片互连技术。如在美国专利申请号20080122031、20080157339和20080157361中描述这种互连技术的例子,通过将这些美国专利申请结合于此。
在图3中示出了通常的贯穿晶片互连。贯穿晶片互连技术也可以由标准MEMS制造工艺进行。首先,可以穿过诸如硅(Si)晶片之类的衬底9形成通孔,接着在通孔的侧壁上沉积绝缘钝化层10。随后,导电材料11用来填充剩余的通孔。通孔可以由诸如深反应离子刻蚀(DRIE)之类的各向异性刻蚀工艺形成。绝缘钝化层通常是热生长的SiO2。但是,也可以采用其它沉积技术(PECVD,CVD)。导电材料的选择基于应用。对于其中传导性重要的应用,通常采用电镀金属。如果低传导性是可接受的,为了与衬底具有相似的热膨胀系数,通常采用多晶硅。
在授权给Kubena的美国专利号7,015,060中描述的采用贯穿晶片互连的MEMS微陀螺仪的例子在图4中示出,通过引用将该美国专利结合于此。采用4个晶片形成该陀螺仪。共振器23由绝缘体上硅(SOI)晶片的顶部硅层形成。支柱12由该SOI晶片的底部硅层形成。结合到第一晶片的第二晶片用来形成另一个支柱13。具有硅衬底15的第三晶片14被刻蚀以形成柱子和通孔。衬底15被氧化以在其正面和背面形成涂层,并用SiO2层16给通孔的壁加衬里。通过用金属填充通孔形成导电互连17。在这种情况中,由于器件的电学要求,电镀铜或铜合金对导电材料是优选的。金属形成在柱子和互连17上,并被图案化以形成连接至互连的电极。随后在第三晶片14中形成孔以容纳支柱。13。共振器23随后在柱子上的金属处结合至第三晶片14。空腔18形成在第四晶片20(另一SOI晶片)的基层19中以容纳共振器23和支柱12。随后采用密封金属环21和焊料22将第四晶片20结合至第三晶片14。第四晶片20用作共振器23的盖子。如在图4中看到的那样,贯穿晶片互连比图2中的互连复杂的多。这是因为它不是直接将垂直互连概念直接集成至MEMS器件的多种工作模式。
具体地,如果图1中示出类型的MEMS反射镜器件将与垂直贯穿晶片互连相结合,将希望精确地控制形成反射镜的层和位于反射镜之下且在贯穿晶片互连的顶部上的电极之间的间距。不幸的是,采用像美国专利7,015,060中描述的工艺难以在高成品率的情况下获得这种精度。
在微镜阵列应用中利用贯穿晶片互连也存在挑战。这些挑战包括,例如,互连密度、电极位置以及电极和反射镜之间的间隙的精度要求。微镜阵列的间距典型地在50μm-500μm之间。标准焊料凸起工艺的间距典型地约200μm。如果每个反射镜需要4个电极,很明显地,要求某些形式的布线,以从由MEMS器件的操作所要求的图案到焊料凸起工艺可接受的接触图案分配电极。
本发明的实施方式在这种背景中发生。
发明内容
通过本发明的制造微机电系统(MEMS)器件的方法和MEMS器件的实施方式克服现有技术的不足。
根据第一实施方式,可以穿过底部衬底的下层形成一个或多个导电通路,底部衬底具有夹在上层和下层之间的绝缘层。每个通路与下层电绝缘。通路电连接至形成在下层的背侧上的一个或多个对应的电触点。选择性地去除上层的覆盖在一个或多个通路上面的一个或多个部分以形成一个或多个器件空腔。器件层粘合至底部衬底。一个或多个器件由器件层形成。每个器件覆盖在所述器件空腔中对应的一个。每个器件通过由器件层形成的一个或多个对应的铰链连接至器件层的剩余部分。每个器件与通路电绝缘。
在第一实施方式的一些形式中,在形成器件空腔之后且在将通路连接至触点之前,可以在所述一个或多个器件空腔中形成一个或多个器件电极。每个器件电极可以电连接至所述通路中对应的一个。在这些形式中,器件电极可以形成在绝缘层的已经通过去除上层的一个或多个部分而暴露的一个或多个部分上。
在第一实施方式的一些形式中,底部衬底可以为绝缘体上硅衬底。
在第一实施方式的一些形式中,可以通过去除器件层的选定部分以形成器件和铰链来形成器件。
在第一实施方式的一些形式中,一个或多个器件可以包括一个或多个反射镜。
在第一实施方式的一些形式中,形成空腔的步骤可以包括在去除上层的选定部分期间保护下层的背侧。
在第一实施方式的一些形式中,器件层可以为顶部衬底的层,该顶部衬底具有夹在器件层和附加层之间的绝缘层。在这些形式中,在形成器件之前可以去除所述附加层。
在第一实施方式的一些形式中,器件层和底部衬底可以通过高温粘合过程粘合在一起。在这些形式中,在将器件层粘合至底部衬底之后,可以在形成在下层的背侧上的电触点上设置导电粘合材料。
在第一实施方式的一些形式中,可以通过低温粘合过程粘合器件层和底部衬底。在这些形式中,在将器件层粘合至底部衬底之前,可以在形成在下层的背侧上的电触点上设置导电粘合材料。
根据第二实施方式,微机电系统(MEMS)器件可以包括底部衬底和粘合至底部衬底的器件层。底部衬底具有夹在上层和下层之间的绝缘层。在位于所述一个或多个器件空腔之下的位置处穿过下层形成一个或多个导电通路。每个通路与下层电绝缘。上层的一个或多个部分已经被选择性地去除以形成一个或多个器件空腔。一个或多个器件由器件层形成。每个器件覆盖在对应的器件空腔上。每个器件通过由器件层形成的一个或多个对应的铰链连接至器件层的剩余部分。一个或多个电触点形成在下层的背侧上。每个触点电连接至对应的导电通路。
在第二实施方式的一些形式中,底部衬底可以为绝缘体上硅衬底。
在第二实施方式的一些形式中,反射镜层的选定部分已经被去除以形成器件和铰链。
在第二实施方式的一些形式中,一个或多个器件包括一个或多个反射镜。
在第二实施方式的一些形式中,一个或多个器件电极可以形成在所述一个或多个器件空腔中。每个器件电极可以电连接至所述一个或多个通路中对应的一个。在这些形式中,器件电极可以形成在绝缘层的通过去除上层的一个或多个部分以形成所述一个或多个空腔而暴露的一个或多个部分上。
附图说明
图1为现有技术的MEMS反射镜(现有技术,US 6984917)的剖面图。
图2为根据现有技术的MEMS 1×N微镜阵列的顶视图的例子。
图3为现有技术的典型贯穿晶片互连的横截面。
图4为将贯穿晶片互连用于现有的MEMS器件的例子。
图5-19为详细描述根据本发明的实施方式的制造MEMS器件的工艺的一系列剖视图。
具体实施方式
虽然接下来的详细描述包含用于图示目的的多个具体细节,本领域技术人员将会认识到,对接下来的细节的多种变化和改变在本发明的范围之内。因此,在不丧失对要求保护的发明的概括和不对要求保护的发明施加限制的情况下,提出了本发明的在下文描述的实施方式的例子。
导言
在本发明的实施方式中,贯穿晶片互连可以与在MEMS器件中提供精确的间隔层的底部衬底集成在一起。在本文中间隔层有时称为具有贯穿晶片互连(STW)的间隔壁。
MEMS器件制造
通过举例的方式而不是通过限制的方式,图5至图19图示了用于制造根据本发明的实施方式的MEMS器件的可行的操作顺序。注意到,在图5至图19中,尺寸未按比例绘制。特别地,已经将层厚和宽度绘制为可见以图示相关概念。在图5至图19中图示的例子中,为了简化和清楚目的,描绘了1×N阵列。本领域技术人员将会认识到,本发明的实施方式不限于1×N结构。
制造工艺可以分成三个主要部分:1)底部(STW)衬底的制造;2)另一个衬底(如,SOI衬底)上的器件层的制造;以及3)将底部衬底和器件层粘合在一起并释放器件。
如图5所示,从具有位于顶层102和底层104之间的绝缘层103的底部衬底101开始制造STW的过程。顶层102和底层104可以由导电或半导体材料制成。通过举例的方式,底部衬底可以为商业上可用的绝缘体上半导体(SOI)晶片,如具有夹在由硅形成的上、下层之间的二氧化硅(SiO2)层。由于用在SOI晶片的制造中的先进的晶片抛光工艺,可以精确地获得顶层102和下面的绝缘层103的厚度。顶层的厚度可以从几微米到数百微米。通过举例的方式,底层104的厚度可以在500μm的量级,从而提供足够的强度以避免在后续制造工艺期间破坏衬底。然而,当必要时,衬底101可以形成为较薄,以简化贯穿晶片的蚀刻工艺。
在图示的实施方式中,首先进行底层的处理。为了避免在底层104的处理期间对顶层102的损坏,通常在顶层102的暴露面(有时称为前侧)上沉积某种保护层。适合顶部保护层的材料的例子包括但不限于聚合物、二氧化硅、氮化硅和金属。然而,为了简单起见,这里未图示该保护工艺。
底层104的暴露面(本文中有时称为后侧)可以由标准光刻法图案化,以形成蚀刻掩膜。随后通过掩膜中的一个或多个开口从后侧刻蚀掉底层104,以形成一个或多个通孔105,如图6所示。通过举例的方式,各向异性刻蚀,如深反应离子刻蚀(DRIE)可以用来刻蚀通孔105。刻蚀工艺可以具有足够的刻蚀选择率,使得绝缘层103用作蚀刻停止层。例如,取决于所采用的刻蚀工艺,SiO2和Si的刻蚀速率可以与硅和氧化硅非常不同(例如,1∶100的SiO2∶Si刻蚀选择率)。当采用这种刻蚀工艺刻蚀在顶部和底部硅层之间具有SiO2的SOI晶片时,SiO2层可以用作刻蚀停止层。在图6,刻蚀的孔图示为具有直的侧壁106。然而,实际上,侧壁在微观尺度上可能不是直的。
在彻底清洗之后,绝缘材料层107(如,SiO2)可以形成在底层104的背侧和通孔105的侧壁106上,如图7所示。通过举例的方式,绝缘层107可以包括热生长氧化物以确保良好的覆盖。然而,由于热氧化物的生长速率非常慢,附加的绝缘材料可以沉积在热氧化物的顶部,以增加底部衬底和随后沉积在绝缘层107上的电极之间的击穿电压。
随后导电材料108沉积或以其它方式形成以涂覆底部衬底104的背侧并填充或涂覆通孔,如图8所示。通孔中的导电材料提供通过绝缘材料107与底部衬底电绝缘的导电通路109。通孔105的尺寸通常是关键参数,取决于用来形成导电材料108的工艺。例如,如果采用电镀法,由于通孔的开口的颈缩,有时可能形成空洞。多晶硅是用于实现良好覆盖的好的导电材料,因为它可以通过化学汽相沉积(CVD)进行沉积。在形成导电材料108之后,背侧可以不如图8中示出的那样光滑。对于其他的光刻工艺,可以实施抛光步骤,以平坦化背侧,同时去除孔区域之外的导电材料,如图9所示。
在平坦化之后,可以沉积互连金属并对其进行图案化,以形成与通路109电接触的一个或多个电极110,如图10所示。随后可以在底层104的背侧沉积另一绝缘层111,并图案化,如图11所示。绝缘层可以被图案化,以便露出电极111的凸起焊盘区域。导电性凸起材料112,如焊料,可以选择性地沉积在由第二绝缘层111中的开口暴露的凸起区域上,如图12所示。可选地,如果方便,可以在稍后的制造阶段沉积凸起材料。还可行的是,采用喷射印刷工艺施加导电环氧树脂代替焊盘。而且,注意到,如下文讨论的那样,也可以在制造的稍后阶段形成和图案化互连金属110和绝缘层111。
一旦已经形成通路109,则可以开始处理底部衬底101的前侧。在翻转底部衬底101上并去除保护层之后,例如通过光刻和刻蚀工艺的组合,可以选择性地去除顶层102的一部分,留下暴露绝缘层103的一部分的间隙113,如图13所示。由于在底部衬底101的制造期间可以精确地控制顶层102的厚度(如,小于0.5μm),顶层102的刻蚀产生具有精确厚度(例如,小于0.5μm)的间隙。
顶层102的厚度精度对于小于5μm的层可以在0.05um内,而顶层102的厚度精度对于较厚的层可以在0.3μm内。对于类似的间隙厚度范围,间隙113的厚度精度可以相同。优选地,间隙113的厚度精度好于0.5μm。
如图14所示,可以去除底部衬底101的绝缘层103的选定部分以暴露通孔中的形成通路109的导体。注意到,由于背侧上的互连金属,可以方便地定位通孔的位置。一种可能性是将导电通路109(即,通孔中的导电材料)用作用于器件操作的控制电极。然而,可以期望采用其它导电层形成电极图案。在这种情况中,导电电极材料114可以沉积在绝缘层103的与通路109电接触的暴露部分上,并被图案化以形成电极,如图15所示。
在分离的衬底115(本文中称为器件衬底)上制造器件结构。一个或多个MEMS器件通过器件衬底制成。通过举例的方式且不是通过限制性的方式,MEMS器件可以为MEMS反射镜。然而,在可替换的实施方式中,可以制造其它MEMS器件。其它MEMS器件的例子包括但限于加速计、陀螺仪、压力传感器、化学传感器和开关。
对于器件结构和器件衬底存在多种设计选项。通过举例的方式且不是通过限制性的方式,器件衬底115可以为复合晶片,例如,SOI晶片,其具有夹在顶层116(本文中称为器件层)和底层118之间的绝缘层117。可以设计顶层116的厚度以实现最佳器件性能。
接下来的步骤是将底部衬底101和器件衬底115组合在一起。存在多种方式执行这种操作。基于SOI的方法的一个优点在于,整个衬底可以几乎都可以由硅制成,只有小部分的不同材料。这允许非常宽的处理温度窗口。
例如,如果选择熔接粘合(其中工艺温度高达>1000℃),形成通路109的填充导电材料108可以为多晶硅。在粘合工艺完成之后,可以形成并图案化互连金属110和绝缘层111。然而,如果选择低温粘合工艺,如共熔粘合,则在背侧工艺完成之后,可以沉积粘合材料,如图16所示。
粘合工艺可以将底部衬底101和器件衬底115结合在一起,其中它们相应的顶层102、116彼此面对,如图17所示。器件衬底115的厚底层118在粘合工艺期间为器件层116和绝缘层117提供结构支撑。在粘合之后,标准工艺可以用于去除器件衬底115的底层118,如图18所示。随后绝缘层117的暴露面(或者,如果绝缘层的一部分被去除,则是器件层116的暴露的下侧)可以被图案化,以限定将由器件衬底115的器件层116形成的器件119。该器件形成在由底部衬底101的绝缘层103和器件衬底115的器件层116之间的间隙113形成的空腔之上。只要在底部衬底101的初始制造期间足够精确地控制顶层102的厚度,则可以将空腔的厚度形成至期望的精度。
通过去除器件层116的选定部分的另一刻蚀工艺,可以将器件119从顶层116释放,如图19所示。器件119可以由可以用作扭转铰链的一个或多个薄的部分120连接至器件层116的其它部分。器件119通过绝缘层103和绝缘材料107与电极114和通路109电绝缘。当电压施加至电极114中的一个时,器件可以围绕铰链120朝向电极114旋转。底部衬底101的顶层102的精确厚度提供了位于器件119和电极114之间精确的间隙。
本发明的实施方式提供了用于以在改善的成品率(每晶片的管芯数量)和更大的工艺灵活性的情况下实现MEMS器件的新颖方法。虽然为了清楚起见示出单个器件的制造,但本领域技术人员将会认识到,上文描述的工艺可以扩展至在公共衬底上同时制造任意数量的器件。
虽然上文是本发明的优选实施方式的完整描述,但能够采用多种替换、修改和等同物。因此不应当参考上文描述确定本发明的范围,代替的是,应当参考随附权利要求以及它们的等同物的完整保护范围确定本发明的范围。任何特征(无论是否是优选的)都可以与任何其它特征(无论是否是优选的)组合。在接下来的权利要求中,除非以其它方式明确指明,不定冠词“A”或“An”涉及跟随该冠词的一个或多个物件的数量。随附权利要求不是要解释为包括装置+功能限定,除非采用术语“用于......的装置”在给定权利要求中明确地引用了这种限定。

Claims (19)

1.一种用于制造微机电系统(MEMS)器件的方法,包括下述步骤:
a)穿过底部衬底的下层形成一个或多个导电通路,底部衬底具有夹在上层和下层之间的绝缘层,其中每个通路与下层电绝缘;
b)将通路电连接至形成在下层的背侧上的一个或多个对应的电触点;
c)选择性地去除上层的覆盖在所述一个或多个通路上面的一个或多个部分,以形成一个或多个器件空腔;
d)将器件层粘合至底部衬底;以及
e)由器件层形成一个或多个器件,其中所述一个或多个器件中的每一个覆盖在所述一个或多个器件空腔中的对应的一个上,并且其中所述一个或多个器件中的每一个由一个或多个对应的铰链连接至器件层的剩余部分,其中每个铰链由器件层形成,并且其中所述一个或多个器件中的每一个都与所述一个或多个通路电绝缘。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括下述步骤:
在步骤c)之后且在步骤b)之前,在所述一个或多个器件空腔中形成一个或多个器件电极,其中每个器件电极电连接至所述一个或多个通路中对应的一个。
3.根据权利要求2所述的方法,其中一个或多个器件电极形成在绝缘层的通过去除上层的一个或多个部分而暴露的一个或多个部分上。
4.根据权利要求1所述的方法,其中底部衬底为绝缘体上硅衬底。
5.根据权利要求1所述的方法,其中步骤e)包括去除器件层的选定部分以形成所述一个或多个器件和一个或多个铰链。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述一个或多个器件包括一个或多个反射镜。
7.根据权利要求1所述的方法,其中步骤c)包括在去除上层的选定部分期间保护下层的背侧。
8.根据权利要求1所述的方法,其中器件层为顶部衬底的层,所述顶部衬底具有夹在器件层和附加层之间的绝缘层。
9.根据权利要求7所述的方法,还包括在步骤e)之前去除附加层的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法,其中步骤d)包括高温粘合过程。
11.根据权利要求9所述的方法,还包括下述步骤:
在步骤d)之后,在形成在下层的背侧上的电触点上形成导电粘合材料。
12.根据权利要求1所述的方法,其中步骤d)包括低温粘合过程。
13.根据权利要求11所述的方法,还包括下述步骤:
在步骤d)之前,在形成在下层的背侧上的电触点上形成导电粘合材料。
14.一种微机电系统(MEMS)器件,包括:
a)底部衬底,具有夹在上层和下层之间的绝缘层,其中已经选择性地去除上层的一个或多个部分以形成一个或多个器件空腔;
b)在位于所述一个或多个器件空腔之下的位置处穿过下层形成的一个或多个导电通路,其中每个通路与下层电绝缘;
c)形成在下层的背侧上的一个或多个电触点,其中所述一个或多个电触点中的每一个都电连接至所述一个或多个导电通路中的对应的一个;
d)粘合至底部衬底的器件层;和
e)由器件层形成的一个或多个器件,其中一个或多个器件中的每一个覆盖在一个或多个器件空腔中的对应的一个上,并且其中一个或多个器件中的每一个通过一个或多个对应的铰链连接至器件层的剩余部分,其中每个铰链都由器件层形成。
15.根据权利要求14所述的器件,其中底部衬底为绝缘体上硅衬底。
16.根据权利要求14所述的器件,其中器件层的选定部分已经被去除以形成一个或多个器件和一个或多个铰链。
17.根据权利要求14所述的器件,其中一个或多个器件包括一个或多个反射镜。
18.根据权利要求14所述的器件,还包括形成在一个或多个器件空腔中的一个或多个器件电极,其中每个器件电极电连接至一个或多个通路中对应的一个。
19.根据权利要求18所述的器件,其中一个或多个器件电极形成在绝缘层的通过去除上层的一个或多个部分而暴露的一个或多个部分上。
CN2010800085404A 2009-02-25 2010-02-18 具有集成通路和间隔的mems器件 Expired - Fee Related CN102388165B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/392,947 2009-02-25
US12/392,947 US7863752B2 (en) 2009-02-25 2009-02-25 MEMS device with integrated via and spacer
PCT/US2010/024621 WO2010099027A1 (en) 2009-02-25 2010-02-18 Mems device with integrated via and spacer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102388165A true CN102388165A (zh) 2012-03-21
CN102388165B CN102388165B (zh) 2013-12-04

Family

ID=42630748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010800085404A Expired - Fee Related CN102388165B (zh) 2009-02-25 2010-02-18 具有集成通路和间隔的mems器件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7863752B2 (zh)
EP (1) EP2401421A4 (zh)
JP (1) JP5192088B2 (zh)
CN (1) CN102388165B (zh)
CA (1) CA2752746C (zh)
WO (1) WO2010099027A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103879950A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 微机电科技香港有限公司 Mems器件真空封装结构
CN111527043A (zh) * 2017-10-23 2020-08-11 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 微机电部件及其制造方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE537406C2 (sv) * 2012-06-21 2015-04-21 Silex Microsystems Ab Halvledaranordning och metod för tillverkning av halvledaranordning med skivgenomgående anslutningar
US8723280B2 (en) * 2012-08-01 2014-05-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Hybrid MEMS bump design to prevent in-process and in-use stiction
US20140299674A1 (en) * 2013-04-08 2014-10-09 Nuventix, Inc. Micro synthetic jet ejector
FI127042B (en) 2015-09-09 2017-10-13 Murata Manufacturing Co Electrode of a microelectromechanical device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020046985A1 (en) * 2000-03-24 2002-04-25 Daneman Michael J. Process for creating an electrically isolated electrode on a sidewall of a cavity in a base
US20020146200A1 (en) * 2001-03-16 2002-10-10 Kudrle Thomas David Electrostatically actuated micro-electro-mechanical devices and method of manufacture
CN1763582A (zh) * 2005-10-14 2006-04-26 李凌 基于soi(绝缘硅)的mems二维振镜及其制作方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6715733B2 (en) * 2001-08-08 2004-04-06 Agilent Technologies, Inc. High temperature micro-machined valve
US6984917B2 (en) * 2002-06-06 2006-01-10 Lucent Technologies Inc. Optical element having two axes of rotation for use in tightly spaced mirror arrays
US20050094241A1 (en) * 2003-11-01 2005-05-05 Fusao Ishii Electromechanical micromirror devices and methods of manufacturing the same
JP3975194B2 (ja) * 2003-12-02 2007-09-12 株式会社フジクラ パッケージの製造方法
JP2005228863A (ja) * 2004-02-12 2005-08-25 Seiko Epson Corp 半導体装置の製造方法、半導体装置及びセンサ
US7015060B1 (en) * 2004-12-08 2006-03-21 Hrl Laboratories, Llc Cloverleaf microgyroscope with through-wafer interconnects and method of manufacturing a cloverleaf microgyroscope with through-wafer interconnects
JP4736420B2 (ja) * 2004-12-22 2011-07-27 パナソニック電工株式会社 微小電気機械デバイス
WO2006073111A1 (ja) * 2005-01-05 2006-07-13 Nippon Telegraph And Telephone Corporation ミラー装置、ミラーアレイ、光スイッチ、ミラー装置の製造方法及びミラー基板の製造方法
JP4670427B2 (ja) * 2005-03-28 2011-04-13 パナソニック電工株式会社 半導体センサおよびその製造方法
US7989915B2 (en) * 2006-07-11 2011-08-02 Teledyne Licensing, Llc Vertical electrical device
JP2008039867A (ja) * 2006-08-02 2008-02-21 Hitachi Metals Ltd マイクロミラー、マイクロミラーアレイおよびそれを用いた光スイッチ
JP2008049438A (ja) * 2006-08-24 2008-03-06 Osaka Univ 半導体装置の製造方法、半導体装置、及び感圧センサ
JP4957123B2 (ja) * 2006-08-25 2012-06-20 大日本印刷株式会社 センサーユニットおよびその製造方法
DE102006059073A1 (de) * 2006-12-14 2008-06-19 Robert Bosch Gmbh Mikrospiegelanordnung
WO2008079887A2 (en) * 2006-12-21 2008-07-03 Analog Devices, Inc. Stacked mems device
US7538413B2 (en) * 2006-12-28 2009-05-26 Micron Technology, Inc. Semiconductor components having through interconnects
EP1988575A3 (en) * 2007-03-26 2008-12-31 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device
JP2008244169A (ja) * 2007-03-27 2008-10-09 Matsushita Electric Works Ltd センサエレメント
JP4542117B2 (ja) * 2007-04-27 2010-09-08 富士通株式会社 可変フィルタ素子、可変フィルタモジュール、およびこれらの製造方法
SE533992C2 (sv) * 2008-12-23 2011-03-22 Silex Microsystems Ab Elektrisk anslutning i en struktur med isolerande och ledande lager

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020046985A1 (en) * 2000-03-24 2002-04-25 Daneman Michael J. Process for creating an electrically isolated electrode on a sidewall of a cavity in a base
US20020146200A1 (en) * 2001-03-16 2002-10-10 Kudrle Thomas David Electrostatically actuated micro-electro-mechanical devices and method of manufacture
CN1763582A (zh) * 2005-10-14 2006-04-26 李凌 基于soi(绝缘硅)的mems二维振镜及其制作方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103879950A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 微机电科技香港有限公司 Mems器件真空封装结构
CN103879950B (zh) * 2012-12-19 2016-01-20 上海矽睿科技有限公司 Mems器件真空封装结构
CN111527043A (zh) * 2017-10-23 2020-08-11 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 微机电部件及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5192088B2 (ja) 2013-05-08
CA2752746A1 (en) 2010-09-02
EP2401421A4 (en) 2013-07-03
US7863752B2 (en) 2011-01-04
CN102388165B (zh) 2013-12-04
EP2401421A1 (en) 2012-01-04
CA2752746C (en) 2012-09-25
WO2010099027A1 (en) 2010-09-02
JP2012517913A (ja) 2012-08-09
US20100214643A1 (en) 2010-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI275168B (en) Semiconductor device and method for making the same
CN102388165B (zh) 具有集成通路和间隔的mems器件
JP4726489B2 (ja) 集積構造体の製造方法
US7557441B2 (en) Package of MEMS device and method for fabricating the same
EP2631939B1 (en) Method for manufacturing mems device
US7615394B2 (en) Method for fabricating MEMS device package that includes grinding MEMS device wafer to expose array pads corresponding to a cap wafer
CN103508410B (zh) 用于制造具有电覆镀通孔的构件的方法
JP2007215177A (ja) 容量性マイクロマシン加工超音波トランスジューサ並びにその製作方法
KR20030074444A (ko) 광 스위치 장치
CN102718179A (zh) 微机电系统装置及其制造方法
EP1945562A2 (en) Wafer level packaging process
TW200900731A (en) MEMS structures, methods of fabricating MEMS components on separate substrates and assembly of same
SE533579C2 (sv) Metod för mikrokapsling och mikrokapslar
SE533992C2 (sv) Elektrisk anslutning i en struktur med isolerande och ledande lager
US8482843B2 (en) MEMS device and method of manufacturing the same
JP4539155B2 (ja) センサシステムの製造方法
EP1898462A2 (en) Semiconductor apparatus
US20170081173A1 (en) Mems devices and methods of manufacturing the same
JP5276036B2 (ja) Mems素子とその製造方法
TW202132205A (zh) 微機電系統及其製造方法
JP5151569B2 (ja) 圧電発振器
JP5285030B2 (ja) マイクロミラー素子、ミラーアレイおよびその製造方法
KR100396664B1 (ko) 마이크로 미러 및 그 제조방법
JP2003270554A (ja) 光スイッチ装置及び光スイッチ装置の製造方法
JP2002001954A (ja) インクジェットヘッド

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20131204

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee