CN111629991A - 内插器衬底、mems设备以及相应的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内插器衬底、一种MEMS设备以及一种相应的制造方法。内插器衬底(1)配备有前侧(VS)和后侧(RS)；从所述后侧(RS)出发的腔(K1a；K1b)，该腔延伸直至第一深度(t1)；贯通开口(V)；和布置在所述腔(K1a；K1b)和所述贯通开口(V)之间的沉降区域(ST1；ST2)，所述沉降区域从所述后侧(RS)出发相对于所述后侧(RS)沉降直至第二深度(t2)；其中，所述第一深度(t1)大于所述第二深度(t2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种内插器衬底、MEMS设备以及相应的制造方法。
背景技术
虽然可以应用于任意的微机械设备和系统，但本发明和基于本发明的问题参照微镜设备进行阐释。
具有相应的驱动部的微镜设备例如由DE 10 2012 219 591 A1、DE 10 2010 062118 A1和WO 2013/091939 A1已知。
WO 2004/017371 A2描述了一种用于MEMS设备的内插器衬底以及相应的制造方法。
已知的微镜设备具有位于后侧(背离微镜的一侧)上的罩晶片，该罩晶片机械地并且严密地遮盖驱动致动器。该罩晶片具有腔，以便确保微镜的运动自由度，以及具有止挡部，所述止挡部引起驱动致动器的稳固性。
用于运动自由度的腔和这种电磁驱动致动器或PZT驱动致动器的止挡部通常通过深反应离子蚀刻过程(Deep Reactive Ion Etching)制造。这种时间控制的蚀刻过程具有典型的+/-15％的制造公差。对于具有大的扫描区的镜，该扫描区引起例如500μm的大的蚀刻深度。
此外，在微镜设备中需要密封的壳体和合适的窗来避免图像中的直接反射。这是在制造技术上的要求，并且特定的制造步骤、如在晶片中的用于运动自由度的腔和止挡或斜的窗损害密封性和玻璃表面的无缺陷性。
发明内容
本发明实现一种根据权利要求1所述的内插器衬底、根据权利要求5所述的MEMS设备以及相应的根据权利要求10所述的制造方法。
优选的扩展方案是相应从属权利要求的主题。
基于本发明的想法设置有内插器衬底，该内插器衬底设置有用于运动自由度的至少一个后侧的腔和用于致动器的止挡的至少一个后侧的沉降区域。此外，在简单的过程步骤中能够形成贯通开口，该贯通开口用作为用于MEMS设备的进入开口。
根据本发明，所有这些功能能够在单个内插器衬底中实现。内插器衬底的制造方法可以充分利用具有几微米的小的公差的晶片厚度以用于运动自由度并且由此减小蚀刻时间并且因此减小制造过程的费用。
通过沉降区域限定的止挡平面能够以任意的深度并且以任意的设计自由度制造。贯通开口同样可以形成用于机械结构的运动自由度的空间。为了实现例如20μm的止挡深度，这20μm的蚀刻是单个必要的生产步骤。由此可以实现非常小的公差。存在两个平的表面、即内插器衬底的前侧和后侧，所述平面相应于衬底材料、例如硅材料的原始表面。这是用于内插器衬底和MEMS设备的另外的部件、如光学底座和微镜之间的密封连接的重要前提。所述制造能够在晶片复合部中实现。
根据优选的扩展方案，沉降区域形成在腔和贯通开口之间的连续的过渡区域。这增大了可供使用的自由空间。
根据另外的优选的扩展方案，设置有多个腔，所述腔延伸直至第一深度。这样能够包含多个运动结构。
根据另外的优选的扩展方案，在腔和贯通开口之间布置有多个沉降区域，所述沉降区域从后侧出发相对于后侧沉降直至第二深度。这能够实现与相应的运动结构的精确适配。
根据另外的优选的扩展方案，MEMS衬底具有可运动的微镜装置，该微镜装置可以运动到贯通开口中，并且，其中，贯通开口用作为微镜装置的光出口区域。优选地，第一运动结构和第二运动结构包括用于微镜装置的驱动元件，其中，在内插器衬底上键合有光学窗装置。这样能够使用于微镜装置的空间需求保持小。
根据另外的优选的扩展方案，在内插器衬底中集成有光学感测装置以用于感测微镜装置的至少一个运动参量、尤其是偏移。这能够提供关于驱动运动的信息，所述信息对于调节设备是有用的。
附图说明
下面根据实施方式参照附图阐释本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1a)-i)用于阐释根据本发明的第一实施方式的、用于内插器衬底的制造方法的过程阶段的示意性横截面示图；
图2根据本发明的第二实施方式的具有内插器衬底的MEMS设备的示意性横截面示图；和
图3根据本发明的第三实施方式的具有内插器衬底的MEMS设备的示意性横截面示图。
具体实施方式
在附图中相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。
图1a)-i)是用于阐释根据本发明的第一实施方式的、用于内插器衬底的制造方法的过程阶段的示意性横截面示图。
根据图1a)的用于根据第一实施方式的制造方法的起点是具有前侧VS和后侧RS的未结构化的内插器衬底1。例如可以使用常见的未加工的硅晶片作为内插器衬底。晶向可以按照应用选择，例如110-方向，其中，在该110-方向的情况下在各向异性的蚀刻工序期间产生沿110-方向的方形孔。
参见图1b)，例如通过热氧化或通过SiN的沉积进一步实现第一保护层10的全面的施加。然后将第一掩模M1施加到前侧VS上，该前侧限定之后要制造的贯通开口V(参见图1h))。
在随后的过程步骤中，将第二掩模M2施加到后侧RS上，该后侧限定之后要制造的腔(参见图1e))的区域。
附加地，在施加第一掩模M1和第二掩模M2之后例如通过常见的平版印刷以边缘漆层MR进行边缘涂覆，以便在之后的结构化步骤中保护晶片边缘。然后移除在前侧VS和后侧RS上的第一保护层10，如在图1c)中示出的那样，在那里第一或第二掩模M1、M2敞开。
根据图1d)，随后移除第一掩模M1和第二掩模M2以及边缘漆层MR，并且在后侧RS上设置第三掩模M3，该第三掩模用于要形成的腔的紧接着的结构化。
此外参见图1e)，通过深反应离子蚀刻过程从后侧RS开始直至中间深度t0地形成第一腔K1a、K1b和第二腔K2。在此，第三掩模M3保护之后要形成的沉降区域ST1、ST2。紧接着该第一深反应离子蚀刻步骤，在达到中间深度t0之后从后侧RS移除第三掩模M3。
在根据图1f)的过程步骤中，进行第二深反应离子蚀刻步骤，其中，第一腔K1a、K1b和第二腔K2从后侧RS开始同时直至第一深度t1地形成，并且其中，在此同时形成沉降区域ST1、ST2，所述沉降区域相对于后侧RS沉降直至第二深度t2，其中，第一深度t1大于第二深度t2。
随后，根据图1g)，在具有第一腔K1a、K1b和第二腔K2的后侧RS上沉积第二保护层M4，例如借助于PECVD沉积的氮化硅层(SiN)。
然后借助于KOH进行前侧的湿蚀刻以用于形成从前侧VS出发的贯通开口V，其中，KOH蚀刻在保护层M4上停止，如在图1h)中示出的那样。
最后，参照图1i)，将保护层M4从后侧RS移除，以及将保护层10从内插器衬底1的其余部分移除，这导致内插器衬底1的最终结构。在移除保护层M4之后不再存在第二腔K2。
借助于所描述的制造方法可能的是，使沉降区域ST1、ST2和第一腔K1a、K1b结构化有任意的设计，其中，所选择的设计取决于之后位于其下的MEMS设备的结构。
两个深反应离子蚀刻步骤与位于中间的第三掩模M3的移除的组合能够实现，第一腔K1a、K1b以第一深度t1沉降，该第一深度大于沉降区域ST1、ST2的第二深度t2。
图2是根据本发明的第二实施方式的具有内插器衬底的MEMS设备的示意性横截面示图。
如在图2中示出，将根据图1i)的内插器衬底1以其后侧RS键合到MEMS衬底S0上，该MEMS衬底具有第一运动结构B1a、B1b和第二运动结构B2a、B2b以及微镜装置SP。第一运动结构B1a、B1b和第二运动结构B2a、B2b包括微镜装置SP的驱动部和悬挂部并且在运行中从MEMS衬底S0的键合平面出来朝着内插器衬底1的方向偏移。
在此，取向是这样的，第一运动结构B1a、B1b可以运动到第一腔K1a、K1b中并且沉降区域ST1、ST2用作为用于第二运动结构B2a、B2b的止挡区域。
微镜装置SP可以通过倾翻运动到贯通开口V中，其中，贯通开口V用作为用于微镜装置SP的光出口区域。
在内插器衬底1上键合有光学窗装置50、100，该光学窗装置具有窗框架50和窗玻璃100。
因为在当前的第二实施方式中微镜装置可以运动到贯通开口V中并且第一运动结构B1a、B1b可以运动到第一腔K1a、K1b中并且沉降区域ST1、ST2用作为用于第二运动结构B2a、B2b的止挡区域，所以所述组件在其厚度方面相比于已知的罩结构更节省空间。
图3是根据本发明的第三实施方式的具有内插器衬底的MEMS设备的示意性横截面示图。
在第三实施方式中，在内插器衬底中在贯通开口V的区域中在止挡区域ST1、ST2内部附加地集成有光学感测装置D1、D2，所述光学感测装置例如具有光电二极管。所述制造例如可以在第二深反应离子蚀刻步骤之后进行。也可能的是，光学感测装置D1、D2设置在后侧RS的不沉降的区域中，其中，相应的加工可以在其余的结构化步骤之前发生。二极管D1、D2在结构化之前在平面的表面上的制造简化了工艺流程，因为之后不再需要设置相应的保护层。
光学感测装置D1、D2用于感测微镜装置SP在运行中的至少一个运动参量、尤其是偏移。这种关于实时射束走向的信息得出提供用于调节电路的有价值的输入信号的可能性。尤其地，微镜装置SP的最大偏移对于扫描区域的调节是有用的。
虽然已经参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此。尤其地，所提到的材料和拓扑仅是示例性的并且不局限于所阐释的示例。
虽然前述实施方式已经参照具有微镜装置的MEMS设备阐释，内插器衬底当然也可以用于另外的微机械致动器和传感器，在所述微机械致动器和传感器中运动结构从MEMS衬底平面中倾斜出来，如用于加速度传感器的z翘板或具有一个或多个旋转自由度的加速度或转速传感器。
Claims (12)
1.内插器衬底(1)，具有：
前侧(VS)和后侧(RS)；
从所述后侧(RS)出发的腔(K1a；K1b)，该腔延伸直至第一深度(t1)；
贯通开口(V)；和
布置在所述腔(K1a；K1b)和所述贯通开口(V)之间的沉降区域(ST1；ST2)，所述沉降区域从所述后侧(RS)出发相对于所述后侧(RS)沉降直至第二深度(t2)；
其中，所述第一深度(t1)大于所述第二深度(t2)。
2.根据权利要求1所述的内插器衬底，其中，所述沉降区域(SS1；ST2)形成在所述腔(K1a；K1b)和所述贯通开口(V)之间的连续的过渡区域。
3.根据权利要求1或2所述的内插器衬底，其中，设置有多个腔(K1a；K1b)，所述腔延伸直至所述第一深度(t1)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的内插器衬底，其中，在所述腔(K1a；K1b)和所述贯通开口(V)之间布置有多个沉降区域(ST1；ST2)，所述沉降区域从所述后侧(RS)出发相对于所述后侧(RS)沉降直至所述第二深度(t2)。
5.MEMS设备，具有根据前述权利要求中任一项所述的内插器衬底(1)，该MEMS设备具有：
MEMS衬底(S0)，该MEMS衬底具有第一运动结构(B1a；B1b)和第二运动结构(B2a；B2b)；
其中，所述内插器衬底(1)键合到所述MEMS衬底(S0)上，使得所述第一运动结构(B1a、B1b)能够运动到所述腔(K1a；K1b)中并且所述沉降区域(ST1；ST2)用作为用于所述第二运动结构(B2a；B2b)的止挡区域。
6.根据权利要求5所述的MEMS设备，其中，所述MEMS衬底(S0)具有能运动的微镜装置(SP)，该微镜装置能够运动到所述贯通开口(V)中，并且，其中，所述贯通开口(V)用作为用于所述微镜装置(SP)的光出口区域。
7.根据权利要求6所述的MEMS设备，其中，所述第一运动结构(B1a；B1b)和所述第二运动结构(B2a；B2b)包括用于所述微镜装置(SP)的驱动元件。
8.根据权利要求6或7所述的MEMS设备，其中，在所述内插器衬底(1)上键合有光学窗装置(50、100)。
9.根据权利要求6、7或8所述的MEMS设备，其中，在所述内插器衬底(1)中集成有光学感测装置(D1；D2)以用于感测所述微镜装置(SP)的至少一个运动参量、尤其是偏移。
10.用于内插器衬底(1)的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：
提供未结构化的具有前侧(VS)和后侧(RS)的内插器衬底(1)；
形成从所述后侧(RS)出发的第一腔(K1a；K1b)，该第一腔延伸直至第一深度(t1)；
形成从所述后侧(RS)出发的第二腔(K2)，该第二腔延伸直至所述第一深度(t1)；
形成布置在所述第一腔(K1a；K1b)和所述第二腔(K2)之间的沉降区域(ST1；ST2)，该沉降区域从所述后侧(RS)出发相对于所述后侧(RS)沉降直至第二深度(t2)；
其中，所述第一深度(t1)大于所述第二深度(t2)；
通过移除所述内插器衬底(1)的位于所述第二腔(K2)上方的区域来形成从所述前侧(VS)出发的贯通开口(V)。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其中，所述第一腔(K1a；K1b)和所述第二腔(K2)在第一蚀刻步骤中从所述后侧(RS)出发同时直至中间深度(t0)地形成，并且在此，遮掩所述后侧(RS)的相应于之后要形成的所述沉降区域(ST1；ST2)的区域，并且其中，所述第一腔(K1a；K1b)和所述第二腔(K2)在第二蚀刻步骤中从所述后侧(RS)出发同时直至第一深度(t1)地形成，并且在此，同时形成所述沉降区域(ST1；ST2)。
12.根据权利要求10或11所述的制造方法，其中，在形成所述第一腔(K1a；K1b)和所述第二腔(K2)和所述沉降区域(ST1；ST2)之后，在形成所述贯通开口(V)之前在所述后侧(RS)上沉积保护层(M4)。
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