CN102449447A - 微机械可调法布里珀罗干涉仪、中间产品及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用微机械(MEMS)技术制造的可控法布里珀罗干涉仪。制造现有技术的干涉仪包括在蚀刻牺牲层(123)期间镜劣化的风险。根据本发明的方案，镜的至少一个层(103，105，114，116)由富硅氮化硅制成。在发明的法布里珀罗干涉仪中，可以避免或减少在镜层中使用氧化硅，从而降低了镜劣化的风险。还可以使用具有较高粗糙度的镜表面，从而降低了镜彼此粘着的风险。
Description
技术领域
本发明涉及法布里珀罗(Fabry-Perot)干涉仪以及法布里珀罗干涉仪的制造方法。更具体地，本发明涉及使用微机械(MEMS)技术制造的可调法布里珀罗干涉仪。本发明的技术领域在独立权利要求的前序中指出。
背景技术
法布里珀罗干涉仪例如用作光学滤波器以及用在光谱传感器中。法布里珀罗干涉仪基于平行镜，从而法布里珀罗腔形成为在镜之间的间隙。可以通过调整镜之间的距离(即间隙宽度)来控制法布里珀罗干涉仪的通带波长。通常使用微机械技术来制造法布里珀罗干涉仪。例如，专利文献FI95838中描述了这样的方案。
微机械干涉仪的现有技术结构通常包括硅层和氧化硅层，其中，干涉仪的多个镜在硅层之间具有一个或多个氧化硅层。通过去除牺牲层来设置可移动镜，牺牲层在最初形成在两个镜层之间。牺牲层可以是例如二氧化硅，可以通过例如用氢氟酸(HF)蚀刻将其去除。为了让蚀刻物质到达牺牲层，在可移动镜中设置多个孔。通过向镜结构中包括的电极施加电压来控制可移动镜的位置。
微机械生产技术允许连续生产干涉仪。然而，用于干涉仪和干涉仪部件的生产的现有技术方案存在一些缺点。
为了防止镜的氧化硅层在蚀刻牺牲层期间被蚀刻，在牺牲层和镜的氧化硅层之间设置了硅层。然而，当通过可移动镜的孔蚀刻牺牲层时，在孔的边缘氧化硅层也可能被蚀刻。为了防止氧化硅层在牺牲层的蚀刻过程中被蚀刻，可以在沉积上层之前通过在孔区域的周围图案化来去除氧化硅层。这样硅层构成通孔的边缘。与孔的直径相比，去除的氧化硅面积可能具有例如三倍大的直径大小。然而，这导致释放的镜并不是在其所有位置都厚度均匀，并且镜具有不均匀结构。在镜不可避免地具有拉伸应力的同时，这将进一步导致镜的弯曲，这降低了镜的性能。由于二氧化硅层必须单独图案化和蚀刻，因此孔的设置也需要多个图案化/蚀刻阶段。
镜的表面的硅层也趋向具有小孔，即，针孔。因此，在牺牲层的蚀刻期间，诸如HF的蚀刻剂有可能通过针孔进入镜的氧化硅层。如果这些层被蚀刻，则镜的结构劣化。
硅层中的针孔的密度取决于硅层表面的粗糙度。为了使针孔密度最小化，使硅层的粗糙度尽可能低。然而，当镜的表面光滑时，如果其彼此接触，则彼此粘贴在一起的风险增大。例如，在使用或运输期间镜可能彼此接触。例如，部件的控制电路的瞬时过电压或高湿度可能导致镜彼此永久地粘贴，这导致部件丧失功能。
另一问题与去除镜之间的牺牲层有关。在现有技术的处理中，去除是必须在干涉仪从晶圆切下并封装之前进行的单独处理。这种单独处理增加了制造过程的复杂性。并且，由于可移动的释放的镜，干涉仪的切下、封装和运输需要特别处理。释放的镜对诸如温度或湿度的变化、污染等的环境影响敏感。
由于这些缺点，生产中干涉仪的成品率可能很低，并且所生产的干涉仪的可靠性不能达不到所要求的水平。
发明内容
本发明的目的在于避免或减小现有技术的缺点。
本发明的目的是用以下方案实现的，其中，可调法布里珀罗干涉仪在镜的至少一个层中具有富硅氮化硅。因此可以避免或减少镜层中氧化硅的使用。借助于该发明方案，可以避免与现有技术相关的上述问题。
根据本发明的可控法布里珀罗干涉仪，包括：衬底；衬底上的第一镜结构；第二可移动镜结构，由此第一和第二镜结构包括基本上平行的第一镜和第二镜；第一镜和第二镜之间的法布里珀罗腔，由此所述腔已经通过在设置第二镜结构之前在第一和第二镜结构之间设置牺牲层，并在设置第二镜结构之后去除牺牲层来形成；用于镜之间的距离的电控制的电极，其特征在于，至少一个所述镜具有富硅氮化硅的层。
根据本发明的用于制造可控法布里珀罗干涉仪的方法，其中，设置衬底；在衬底上设置第一镜；设置第二可移动镜结构，由此第一和第二镜结构包括基本上平行的第一镜和第二镜；在第一镜和第二镜之间设置法布里珀罗腔，由此设置所述腔包括在设置第二镜结构之前在第一和第二镜结构之间设置牺牲层，并在设置第二镜结构之后去除牺牲层；设置用于电控制镜之间的距离的电极；其特征在于，至少一个所述镜的至少一个层由富硅氮化硅制成。
在从属权利要求中描述了本发明的一些优选实施例。
相比于现有的已知方案，本发明可以获得显著的优势。在本发明的法布里珀罗干涉仪中，无需在镜中使用氧化硅层。因此，牺牲层的蚀刻不会使镜层劣化。因此，可以在已经沉积了光学区域的所有镜层之后进行可移动镜中的孔的蚀刻，由此可以在同一蚀刻阶段蚀刻至少两个不同材料层，优选蚀刻可移动镜的所有层。由于蚀刻不会使可移动镜的层劣化，因此可以保持用于蚀刻牺牲层的可移动镜的孔中的直边。由此，可移动镜具有均质结构并保持其均匀形式。还可以在可移动镜中包括更高密度的蚀刻孔，这改善了蚀刻加工，从而可以使用HF蒸汽蚀刻。
当牺牲层用HF蒸汽蚀刻去除时，这可以在切割芯片之后执行，并且还可以在封装芯片之后执行。由于可移动镜无需在切割和封装阶段释放并且因此对诸如温度或湿度的变化、污染等环境影响不敏感，从而允许简化的切割和封装过程。此外，由于可移动镜可以在运输之后释放，因此还可以以常规运输方式来运输干涉仪。
其次，由于蚀刻剂对任何镜层都无害，因此可以允许镜层中的针孔密度更高。因此，可以在镜表面应用更高的粗糙度，从而降低了镜彼此粘贴的风险。由于存在这些优点，所以在制造法布里珀罗干涉仪时能够获得更高的成品率，并且可以实现干涉仪的高功能可靠性。
还可以进一步通过调整富硅氮化硅中的硅含量来确定折射率。通过在氮化硅中加入硅，相比于纯氮化硅，增大了折射率的值。
通过应用其中折射率的值接近多晶硅层的相应值的富硅氮化硅，通过用更大量的λ/4层来配备镜，实现了相同的光学效果。这样，相比于例如使用氧化硅层的结构，可以实现更厚和更坚固的镜结构。优选地，镜层的富硅氮化硅具有的硅比例使得材料的折射率值在多晶硅和氮化硅的相应值之间。
还可以通过调整层中的硅含量来调整富硅氮化硅层的拉伸应力。通过调整拉伸应力，可以使静电可控镜的控制特性最优化。可以用例如低压化学气相沉积(LPCVD)处理来制造富硅氮化硅的层，其中可以控制层中的硅含量。例如，在文献[1]J.Vac.Sci.Technol.A 14(5)Sep/Oct 1996，第2879-2892页描述了用LPCVD处理制造富硅氮化硅膜时控制硅含量的原则。该文献还公开了折射率和拉伸应力作为富硅氮化硅膜中的硅含量的函数如何变化。
根据本发明的干涉仪非常适于靠近红外辐射(NIR)，但是他们也可以设计为用于光学范围内的任何其他辐射；红外辐射(IR)和可见光。只需选择用于对操作波长透明的衬底和镜结构的材料。
在本专利申请中，术语“镜”表示有反射光的一层或一组层的结构。
在本专利申请中，术语“辐射”或“光”用于表示波长的光学范围内的任何射线。
在本专利申请中，“间隙宽度”表示有关位置处的镜之间的距离。
在本专利申请中，“牺牲层”表示在最终产品中至少部分被去除的材料层。
附图说明
在以下部分，通过参照附图更详细地说明本发明的优选示例性实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的示例性法布里珀罗干涉仪的截面；
图2示出了根据本发明的示例性电可调法布里珀罗干涉仪的顶视图；
图3示出了根据本发明的制造电可调法布里珀罗干涉仪的示例性处理的流程图；
图4示出了用于通过镜层提供电连接的示例性处理。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性法布里珀罗干涉仪的截面。干涉仪具有例如单晶硅材料的衬底130，其上有例如氧化硅的光学匹配层101。通过层102～105来设置固定镜的反射层，其中，层102和104是多晶硅，层103和105是富硅氮化硅。图案化层106由掺杂多晶硅制成，并且用作固定镜的控制电极。
干涉仪具有第二可移动镜，其具有反射层114～117。层115和117是多晶硅，层114和116是富硅氮化硅。层113a、113b由掺杂多晶硅制成并用作固定镜的导电控制电极。
下部固定镜的电极106电连接至连接110b。可移动镜的中心电极113b连接至与下部电极相同的电势。这样，可以防止可移动镜和固定镜的中心部分的电势差。如果存在电势差，则可导致到可移动镜的中心部分位置的不均匀偏移。可移动镜的中心电极113b用引入端(lead-in)152通过可移动镜的其他层，并经由可移动镜顶部的掺杂多晶硅的图案化导体层118连接至电接头(electrical contact)110b。可移动镜的外电极113a电连接至干涉仪的另一控制连接110a。电连接110a、110b例如由铝制成。可移动镜还具有用于蚀刻牺牲层的通孔151。如图1所示，孔周围的可移动镜的所有层都到达孔的边缘。
镜的掺杂导体结构可以可选地位于相对镜，即，双层结构可以位于下部固定镜，并且单层结构可以位于上部可移动镜。
干涉仪的腔由已经从其去除了牺牲氧化硅层的空间123形成。例如，通过穿过第二镜结构的通孔151的蒸汽HF来蚀刻牺牲层。第二镜由此变得可移动。氧化硅层已经从干涉仪的光学区域被去除，但是其并未从氧化硅层的边缘112被去除。可移动上部镜和下部固定镜的边缘之间的剩余氧化硅层用作可移动上部镜的支撑件。氧化硅将可移动镜保持在竖直且均一的位置。因此优选还使用氧化硅层作为可移动层的支撑件，但是还可以可选地通过在可移动镜边缘的上面和上方应用支撑层来设置可移动镜的支撑件。例如，这种支撑件可以由铝制成。
在衬底的相对面上有富硅氮化硅的保护层122，其还用作抗反射层。通过例如铝或在干涉仪的操作范围内不透过辐射的一些其他材料的图案化层123来形成用于辐射的窗孔。
在上述结构中，辐射穿过衬底130，因此衬底对于干涉仪的操作波长范围的辐射线必须是透明的。然而，还可以在诸如PIN二极管的检测器上直接沉积两个镜的干涉仪结构。在该情况下，无需使用透明衬底。
图2示出了根据本发明的示例性电可调法布里珀罗干涉仪20的顶视图。上部镜和下部镜的电极的接头110a和110b位于干涉仪的角落。光学区域261是圆形的，并且上部的第二镜设置有已经用于去除牺牲层的孔。这些孔优选在第二镜的整个光学区域上均匀分布。每个孔的直径可以是例如100nm～5μm。这些孔可以覆盖第二镜的光学区域的0.01％～5％的面积。这种孔主要用作反射镜，并因此对干涉仪的性能不会有实质影响。
图3示出了根据本发明的用于制造诸如图1和图2的干涉仪的电可调法布里珀罗干涉仪的示例性方法的流程图。在以下描述中，图1和图2的参考标号在括号中示出。
在阶段11中通过提供晶圆(130)来开始制造过程。晶圆材料可以是例如单晶硅或熔凝石英。在衬底上设置第一固定镜结构的后几层(102～106)。在阶段12可以通过例如在衬底上沉积多晶硅和富硅氮化硅的连续层来制造第一镜结构。例如，在三层多晶硅(102，104，106)之间可以有两层富硅氮化硅(103，105)。层的厚度可以是例如10nm～2μm。层的实际厚度取决于干涉仪需要作用的波长范围。层的厚度通常是相关层的材料中的辐射的操作波长的四分之一或一半。例如，这些层可以通过LPCVD法沉积在衬底上。第一固定镜的最上层(106)是掺杂多晶硅的图案化层，并用作用于控制可移动镜的电极。在图3的方法中，该导电层在阶段13制造。
在阶段14，设置图案化牺牲层(112)。在固定镜的电极的电接头区域去除牺牲层。牺牲层将限定法布里珀罗腔。牺牲层是氧化硅，并且牺牲层的厚度由干涉仪的镜之间所需的距离限定。
在阶段15，设置掺杂多晶硅的图案化层(113a，113b)。该导电层用作法布里珀罗腔的边缘处的电极(113a)，用于控制可移动镜的位置。该层还用作电极(113a)，用于避免可移动镜的中心部分的充电现象。该层进一步用作第二可移动镜的光学层。
然后，在阶段16，在多晶硅层上制造了例如氧化铝的图案化层，用于在电极的电接头位置提供停蚀层。该设置电接头的过程结合图4进一步描述。
在阶段17，形成第二可移动镜的另外的层(114～117)。例如，这些另外的层可以包括富硅氮化硅层(114)、多晶硅层(115)、富硅氮化硅层(116)以及多晶硅层(117)。层的厚度可以是例如10nm～2μm。层的实际厚度取决于干涉仪需要作用的波长范围。层的厚度通常是相关层的材料中的辐射的操作波长的四分之一或一半。例如，可以通过LPCVD法沉积这些层。
接下来，在阶段18，通过蚀刻可移动镜的层直到例如氧化铝的停蚀层来打开电接头区域(110a，110b)和所需的通孔(151)和引入端(152)。结合图4进一步描述该过程。在蚀刻通孔时，将孔在同一蚀刻阶段蚀刻到至少两个不同材料层，优选蚀刻到围绕可移动镜的孔的所有层。在阶段19，形成电极接头。首先，设置掺杂多晶硅的导电层(118)用于布线，然后，设置铝的图案化层用于形成接头。
在阶段20，例如在晶圆的表面上沉积例如富硅氮化硅的层(122)，其表面与上面提到的多个干涉仪层相对。该保护层还可以用作抗反射层。设置例如铝的另一图案化层(123)用于形成用于辐射的窗孔。
在阶段21，从晶圆切下芯片。然后在阶段22，用蒸汽HF通过第二镜的孔来蚀刻牺牲层。当牺牲层从镜之间的光学区域被去除时，形成了法布里珀罗腔(123)，并且释放第二可移动镜。最终，在阶段23封装芯片。电接头可以是粘着的，但是也可以使用法布里珀罗干涉仪芯片的接头进行焊接，而不用粘着。
有多个可以去除牺牲层的阶段：在从晶圆切下芯片之前，或者在从晶圆切下芯片之后但是在封装芯片之前。当牺牲层没有在从晶圆切下芯片之前被去除时，由于第二镜对诸如温度或湿度变化、污染等的环境影响不敏感，因此可以使用正常的切割过程。
图4示出了通过镜的层设置电接头的示例性子处理。首先，已经在衬底41上沉积了固定镜的层42以及可移动和固定镜的电极层。构成导电电极的最上层是掺杂多晶硅。然后，通过例如ALD处理沉积氧化铝的停蚀层43。尽管氧化铝是优选材料，可选地，还可以使用其他材料用于设置停蚀层，诸如二氧化硅或氧化钽。然后图案化停蚀层，从而该层保持在电接头44的位置。然后沉积氮化硅的层45以及镜的可能的其他氮化硅层或多晶硅层。镜的这些层在电接头46的位置用等离子蚀刻。在同一蚀刻阶段，可以蚀刻多个氮化硅和多晶硅的层。通过蚀刻在层中实现的开口可以包括例如小窗孔或较大区域，也可能在层的边缘。然后，隔离氧化铝的层47用不会去除硅的BHF湿蚀刻。最终，沉积掺杂多晶硅或铝的导电层48。结果，通过镜的非导电层制造了导电接头。
已经参照上述实施方式描述了本发明。然而，很显然，本发明不仅限于这些实施方式，而是包括可以从发明思想和所附权利要求书中想到的所有实施例。
例如，已经提到了一些材料、尺寸和形式作为实例用于实施本发明。然而，很显然，根据特定需求，可以为各个实施方案改变及优化尺寸、形式和材料以及结构的细节或制造的阶段。
在上文中，描述了使用铝作为形成电极电线和连接的导电材料。然而，必须注意到，极有可能使用其他可选的导电材料，诸如铜。同样，已经提到了单晶硅作为用于衬底的示例性优选材料。然而，自然可以使用其他可选材料。
本发明的干涉仪具有多个优选应用。他们可以用作光谱仪、色彩分析仪、成像仪、光学数据通信中的可控滤波器，以及用于多种用于测量例如特定气体或液体的含量的装置中的可控滤波器。
Claims (25)
1.一种电可调法布里珀罗干涉仪，包括：
衬底(130)，
第一镜结构(101～106)，在所述衬底上，
第二可移动镜结构(113a～118)，其中所述第一和第二镜结构包括基本上平行的第一镜和第二镜，
法布里珀罗腔(123)，在所述第一镜和第二镜之间，其中通过在设置所述第二镜结构之前在所述第一和第二镜结构之间设置牺牲层并且在设置所述第二镜结构之后去除所述牺牲层而形成所述腔，
电极(106，113a，113b)，用于电控制所述镜之间的距离，
其特征在于，
至少一个镜具有富硅氮化硅的层(103，105，114，116)。
2.根据权利要求1所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述干涉仪的至少一个镜具有至少三个材料层，包括硅的第一层(102，115)、在所述第一层上的富硅氮化硅的第二层(103，116)，并且在所述第二层上设置硅的第三层(104，117)。
3.根据权利要求1或2所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，由于加入的硅含量，所述富硅氮化硅的折射率值高于纯氮化硅的折射率值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，已经增加了所述富硅氮化硅中的硅含量，以调整结构的拉伸应力。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述干涉仪具有用于所述电极的电接头(110a，110b)，其中，至少一个电接头被导引穿过富硅氮化硅的层(114，116)中的开口。
6.根据权利要求5所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述开口已通过等离子蚀刻设置，其中，采用了停蚀层(43)限制所述开口的深度。
7.根据权利要求6所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述停蚀层(43)是氧化铝、二氧化硅或氧化钽。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括已经从晶圆切下的干涉仪芯片。
9.根据权利要求8所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，在所述干涉仪芯片已从所述晶圆切下之后，所述牺牲层的至少一部分已被去除。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述第二镜包括不同材料的至少两层以及穿过所述至少两层的多个孔(151)，从而所述至少两层中的每层，优选围绕所述第二镜的所述孔的所有层，到达所述多个孔的边缘。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电可调法布里珀罗干涉仪，其特征在于，所述第二镜包括多个孔(151)，其中所述牺牲层的至少一部分已经用蒸汽HF通过所述第二镜的所述多个孔蚀刻而去除。
12.一种电可调法布里珀罗干涉仪的中间产品，包括：
衬底(130)，
第一镜结构(101～106)，在所述衬底上，
第二可移动镜结构(113a～118)，其中所述第一和第二镜结构包括基本上平行的第一镜和第二镜，
牺牲层(123)，在所述第一和第二镜结构之间，
电极(106，113a，113b)，用于电控制所述镜之间的距离，
其特征在于，
至少一个镜具有富硅氮化硅的层(103，105，114，116)。
13.一种用于制造可控法布里珀罗干涉仪的方法，其中，
设置衬底(11)，
在所述衬底上设置第一镜(12，13)，
设置第二可移动镜结构(15～17)，其中所述第一和第二镜结构包括基本上平行的第一镜和第二镜，
在所述第一镜和所述第二镜之间设置法布里珀罗干涉仪腔，其中设置所述腔包括在设置所述第二镜结构之前在所述第一和第二镜结构之间设置牺牲层(14)，并在设置所述第二镜结构之后去除所述牺牲层(22)，
设置用于电控制所述镜之间的距离的电极(13，15，19)，
其特征在于，
至少一个镜的至少一个层由富硅氮化硅制成。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述干涉仪的至少一个镜由至少三个材料层制造，包括设置硅的第一层、在所述第一层上设置富硅氧化硅的第二层、以及在所述第二层上设置硅的第三层。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在所述富硅氮化硅中设置加入的硅含量，以提供高于纯氮化硅的折射率值的折射率值。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，增大所述富硅氮化硅中的硅含量，以调整结构的拉伸应力。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，通过等离子蚀刻将富硅氮化硅和/或硅的层图案化，用于提供穿过该层的电接头。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在掺杂多晶硅层上设置停蚀层(16)，用于限制所述等离子蚀刻的深度。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，设置氧化铝、二氧化硅或氧化钽的层作为用于等离子蚀刻的所述停蚀层。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，在所述电接头的位置所述停蚀层基本上被去除。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底是形成有多个干涉仪芯片的晶圆，其中所述干涉仪芯片从所述晶圆被切下(21)。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的至少一部分在所述干涉仪芯片从所述晶圆被切下之后被去除(22)。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的方法，其特征在于，多个孔被蚀刻到所述第二可移动镜中。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，孔在同一蚀刻阶段被蚀刻到所述第二镜的至少两层中，优选被蚀刻到所述第二镜的所有层中。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，用HF蒸汽通过所述第二镜的所述多个孔通过蚀刻来去除所述牺牲层的至少一部分(22)。
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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 | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160119 Address after: Espoo, Finland Patentee after: VTT OY Technology Research Center Address before: Finland Ouo Remy Hentig Patentee before: Teknologian Tutkimuskeskus Vtt |